CN103338166A - 一种改进的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的信道估计方法，其步骤为：1）在二进制序列前插入一训练序列进行PSK调制，得到频域符号序列；对频域符号序列进行IFFT或IDFT，得到时域序列，并发送时域序列到接收端；2）接收端接收时域序列后根据接收到的时域训练序列得到训练序列频域相位差；接收端接收时域序列后进行FFT或DFT，得到频域序列；3）根据训练序列频域相位差计算频域序列的幅度和相位，得到幅度序列和相位序列，并对相位序列进行相位修正，得到修正后的相位序列；4）对相位序列进行相位搬断检测，得到最终相位序列。本发明利用训练序列对频域序列进行相位搬断检测，修正信道响应的相位，仅需移位、比较、相加运算，实现简单、复杂度低。

Description

一种改进的信道估计方法

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种用于PSK调制OFDM系统中的信道估计方法。

背景技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）作为一种具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰能力的高速传输技术，在移动通信领域受到越来越多的关注和应用。OFDM信号在衰落信道中传输时，其幅度都会发生衰减，相位会发生偏移。为了消除信道对OFDM系统性能的影响，需要进行有效合理的信道估计。因此，在OFDM系统中信道估计是决定系统能否正常工作的关键技术之一。

传统的OFDM系统中的信道估计方法包括非盲信道估计和盲信道估计方法以及在两种方法之间折中的半盲信道估计方法。非盲信道估计方法通常采用插入训练序列或者插入导频的方式进行信道估计，这种方法增加了冗余信息，降低了系统传输效率，优势是可以实时跟踪信道变化。考虑到数据传输效率的损失，某些OFDM系统并没有发送专门用于信道估计的训练序列和导频，因此无法采用非盲信道估计方法进行信道估计。

盲信道估计无需增加冗余信息，传输效率高，是一种主要包括基于判决反馈的估计方法，因此该方法的准确度依赖于判决数据的正确性，容易受深衰落和长时间单频干扰的影响。

发明内容

本发明提出的改进的信道估计方法将非盲信道估计和盲信道估计的优势加以结合，扬长避短，既提高了传输效率又降低了深衰落和长时间单频干扰的影响，可以称作是一种半盲信道估计方法。本方法在数据OFDM符号前插入很短的训练序列，信道估计器通过将接收数据和判决后的调制数据之间的除法运算去除调制信息，从而获得信道响应估计结果。

本发明的目的是提出一种适用于时变特性不显著的信道条件下的用于PSK调制OFDM系统中的一种改进的信道估计方法，本发明的技术方案如下：一种改进的信道估计方法，其步骤为：

1）在发送端作预处理：在二进制序列前插入一训练序列进行PSK调制，得到频域符号序列；对所述频域符号序列进行IFFT或IDFT，得到时域序列，并发送所述时域序列到接收端；

2-1）所述接收端接收时域序列后根据接收到的时域训练序列得到训练序列频域相位差；

2-2）所述接收端接收时域序列后进行FFT或DFT，得到频域序列；

3）根据所述训练序列频域相位差计算所述频域序列的幅度和相位，得到幅度序列和相位序列，并对所述相位序列进行相位修正，得到修正后的相位序列；

4）对相位序列进行相位搬断检测，得到最终相位序列；

4-1）统计所述最终相位序列中相位差在PSK调制区间的数目，并保存到寄存器中；

4-2）设置一判决门限值，若寄存器中存在大于门限的值，则判断相位没有搬断同时更新信道估计值。

更进一步，对二进制序列D_t(n)进行PSK调制的方法如下：

依次将二进制序列D_t(n)中每两个输入比特按照PSK调制星座图映射为一个调制符号，其中，星座图上的n个星座点的幅度相同，相邻星座点的相位相差2π/n，第一象限的星座点的相位为[0,2π/n)之间的任意值，n代表PSK调制的阶数。

更进一步，时域训练序列的频域相位差值的计算方法如下：

根据之前对信道响应进行估计的物理层帧所包含的频域训练序列T_f(k)和对时域训练序列T_r(n)做N₁点FFT得到的频域训练序列T_{r_f}(k)，得到两者对应频点去除调制信息后的接收信号的相位差序列 $\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)=\mathrm{angle}\left(T_{r\_f}\left(k\right)\right)-\mathrm{angle}\left(T_f\left(k\right)\right)k\∈[-\frac{N_1}{2},\frac{N_1}{2}-1],$ 其中，N₁为时域训练序列长度，T_r(n)为时域训练序列。

更进一步，对所述相位序列进行相位修正的步骤如下：

1）频点

与前一个频点

的相位差：

其中，

为相位序列，

2）若

若

否则

保持不变，频点序号加1，k₀=k₀+1；T为门限，

3）重复步骤1）-2）直到完成最后一个频点的相位修正。

更进一步，对相位序列

进行相位搬断检测的方法如下：

1）频域相位差序列△θ(k)与对应数据序列相位估计

之差；得到：

2）将

搬移到[-π,+π]范围内，得到归一化的频域相位差序列

3）计算

中相位差在n个区间内的数目，并保存到寄存器register(n)中；

4）设定判决门限值

若寄存器register(n)中存在大于门限

的值，表示相位没有搬断，

否则此次信道估计无效，信道估计值等于原信道估计值不变。

更进一步，所述n个区间为：

[-π,-π+2π/n]，[-π+2π/n,-π+2*2π/n]，[-π+2*2π/n,-π+3*2π/n]，

[-π+3*2π/n,-π+4*2π/n]……[π-2π/n,+π]。

更进一步，当采用四相调制时所述区间为：[-π,-π/2]，[-π/2,0]，[0,+π/2]，[π/2,+π]。

更进一步，所述二进制序列采用格雷编码映射到频域符号序列。

更进一步，所述训练序列长度根据系统的误码性能设定。

更进一步，判断信道估计值是否更新后，存储信道响应的幅度和相位序列。

有益效果：

本发明利用PSK调制符号和训练序列来进行半盲信道估计，兼顾传输效率和误码性能。PSK调制相位旋转和相位修正过程仅需移位、比较、相加运算，实现简单、复杂度低。同时利用训练序列进行相位搬断检测可提高信道估计性能，降低因深衰落、单频干扰等原因带来的错误传播的影响，尤其是在信道条件恶劣的环境下效果更好。

附图说明

图1是本发明提出的发射机结构示意图；

图2是本发明提出的四相调制星座图示意图；

图3是本发明提出的改进的信道估计方法实施示意图；

图4为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的存在相位搬移错误，出现相位搬断情况的单帧信道估计曲线示意图；

图5为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的不存在相位搬断，相位搬移正确的单帧信道估计曲线示意图；

图6为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的信道相位搬移检测前、后的信道估计相位曲线示意图；

图7为采用本发明给出的改进的信道估计算法在一种比较恶劣的多径信道环境下误码率性能曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是一种PSK调制OFDM系统中的一种改进的信道估计方法，技术方案步骤如下：

（1）发送端，在二进制数据符号流D_t(n)之前插入训练序列T_t(n)，将二进制序列D_t(n)进行PSK调制，得到频域符号序列X_t(k)；为了提高系统的传输效率，训练序列长度较短；为了提高系统的误码性能，训练序列用来估计采样起始时刻偏差、载波起始相位偏差，并进行信道估计，其长度可适当增加。

（2）将所述频域符号序列X_t(k)进行IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换）或IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，离散傅里叶逆变换），得到发送的时域序列X_t(n)，该时域序列通过信道到达接收端，接收端接收到时域序列y_r(n)；

（3）接收端，根据接收到的时域训练序列T_r(n)，得到训练序列频域相位差Δθ(k)；

（4）接收端，将接收到的时域序列y_r(n)进行FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）或DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）得到接收的频域序列Y_r(k)；

（5）计算频域序列Y_r(k)的幅度A_H(k)和相位

频域训练序列长度为N₂，对相移键控PSK信号相位进行搬移，得到连续变化的相位，即信道响应H的相位序列

该幅度序列A_H(k)即为信道响应H的幅度（信道估计两个重要的估计参数为信道的幅度估计和相位估计）；

（6）对相位序列

进行相位搬断检测，得到最终相位序列该相位序列

即为信道响应H的相位；

（7）存储信道响应H的幅度和相位序列，供下一个物理层帧使用。

在本发明一实施例中，上述步骤(1)中，对二进制序列D_t(n)进行PSK调制的方法如下：

依次将序列D_t(n)中每两个输入比特按照PSK调制星座图映射为一个调制符号。其中，星座图上的n（n代表PSK调制的阶数）个星座点的幅度相同，相邻星座点的相位相差2π/n，第一象限的星座点的相位为[0,2π/n)之间的任意值。

在本发明一实施例中，上述步骤(3)中，时域训练序列频域相位差值的计算方法如下：

设时域训练序列长度为N₁，对时域训练序列T_r(n)做N₁点FFT得到频域训练序列T_{r_f}(k)。在信道特性与当前近似的时间范围内，设之前对信道响应进行估计的物理层帧所包含的频域训练序列为T_f(k)，

利用T_f(k)和T_{r_f}(k)得出两者对应频点去除调制信息后的接收信号的相位差序列△θ(k)，且 $\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)=\mathrm{angle}\left(T_{r\_f}\left(k\right)\right)-\mathrm{angle}\left(T_f\left(k\right)\right)k\∈[-\frac{N_1}{2},\frac{N_1}{2}-1].$

在本发明一实施例中，上述步骤（5）中，对相位进行搬移修正的步骤如下：

对相位序列

中的每个相位值依次乘n（n代表PSK调制的阶数）模2π和除n运算，从而得到相位序列

对进行相位搬移修正方法如下：

设置门限T，从相位序列

的第二个频点开始，依次进行如下判断：

1)计算该频点

与前一个频点

的相位差：

2)若若

否则

保持不变，频点序号加1，即：k₀=k₀+1；

3)重复步骤1）和2），直到完成最后一个频点的相位修正。

在本发明一实施例中，上述步骤（6）中，对相位序列

进行相位搬断检测的方法如下：

1)计算训练序列频域相位差值△θ(k)与对应数据序列相位估计

之差；得到：

2)将相位差值

搬移到[-π,+π]范围内，得到

3)统计

中相位差在n个区间[-π,-π+2π/n]，[-π+2π/n,-π+2*2π/n]，[-π+2*2π/n,-π+3*2π/n]，[-π+3*2π/n,-π+4*2π/n]……[π-2π/n,+π]内的数目，并保存到寄存器register(n)中；

4)设置判决门限值

若寄存器register中存在大于门限

的值，表示相位没有搬断，

否则此次信道估计无效，信道估计值

等于原信道估计值不变。

以下结合附图详细说明本发明所述的适用于时变特性不显著的信道条件下的用于四相调制系统的改进的信道估计方法，但不构成对本发明的限制。

如图1所示是本发明提出的发射机结构示意图，本发明提出在发送端，对二进制序列D_t(n)进行四相调制，得到频域符号序列X_t(k)。然后将X_t(k)进行IFFT或者IDFT，得到发送的时域序列X_t(n)。同时发送时域训练序列T_t(n)。其中，如图2所示是本发明提出的四相调制星座图示意图，β表示第一象限的星座点的相位。

如图3所示是本发明提出的改进的信道估计方法实施框图，具体描述如下：

1）接收端，根据接收到的时域训练序列为T_r(n)，得到训练序列频域相位差。

2）将接收到的时域序列y_r(n)进行FFT或DFT得到接收的频域序列Y_r(k)。

3）计算频域序列Y_r(k)的幅度和相位，得到幅度序列A_H(k)和相位序列

并进行相位修正，得到修正后的相位序列

修正方法是：

对相位序列

中的每个相位值依次乘4模2π和除4运算，从而得到相位序列

设置门限T，从相位序列

的第二个频点开始，依次进行如下判断：

(a)计算该频点与前一个频点

的相位差：

(b)若

若

否则，若

保持不变，频点序号加1，即：k₀=k₀+1；

(c)重复步骤a）和b），直到完成最后一个频点的相位修正。

4）对相位序列

进行相位搬断检测，得到最终相位序列

该相位序列

即为信道响应H的相位。对相位序列

(k)进行相位搬断检测的方法如下：

a)计算训练序列频域相位差值△θ(k)与对应数据序列相位估计之差

b)将相位差值

搬移到范围内[-π,+π]，得到归一化的频域相位差序列

c)统计

中相位差在[-π,-π/2]，[-π/2,0]，[0,+π/2]，[π/2,+π]区间的数目，并保存到寄存器register(m)中；

d)设置判决门限值

若寄存器register中存在大于门限

的值，表示相位没有搬断，

否则此次信道估计无效，信道估计值等于原信道估计值不变。

下面举个具体的实施例来说明本发明提出的改进的信道估计方法。设OFDM系统的总子载波数目为1024，有效子载波数目为960。四相调制星座图中第一项显得星座点相位β取为π/4。二进制序列D_t(n)到调制符号序列X_t(k)采用格雷编码映射。发送端将X_t(k)进行1024点的IFFT，得到发送的时域序列X_t(n)。训练序列长度为64点。将训练序列T_t(n)和数据时域序列X_t(n)通过某多径信道到达接收端。

接收端，对接收到的时域训练序列为T_r(n)做FFT，得到接收序列的频域训练序列T_{r_f}(k)，取其相位与本地已知原始频域训练序列相位做差，得到训练序列频域相位差（从频域看，每个同步头的64个值中只含有60个有效值）。

接收端将时域序列y_r(n)进行1024点的FFT，选取960个有效子载波上的复数值作为频域序列Y_r(k)。计算Y_r(k)的幅度和相位得到幅度序列A_H(k)和相位序列

其中，幅度序列即为信道响应H的幅度。将相位序列

中的每个相位值依次进行乘4、模2π和除4的相位旋转操作，然后进行相位修正得到相位序列

然后，对相位序列

进行如下相位搬断检测操作：设置门限

a)计算训练序列频域相位差值△θ(k)与对应数据序列相位估计

之差

b)将相位差值

搬移到范围内[-π,+π]，得到

c)统计中相位差在[-π,-π/2]，[-π/2,0]，[0,+π/2]，[π/2,+π]区间的数目，并保存到寄存器register(m)中；

d)设置判决门限值

若寄存器register中存在大于门限

的值，表示相位没有搬断，

否则此次信道估计无效，信道估计值

不更新，仍等于原有信道估计值不变。

在某多径信道下，信噪比为25dB，采用本发明给出的信道估计算法，得到如下的结果：如图4所示为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的存在相位搬移错误，出现相位搬断情况的单帧信道估计曲线示意图；

如图5所示为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的不存在相位搬断，相位搬移正确的单帧信道估计曲线示意图；

如图6所示为采用本发明给出的改进的信道估计算法得到的信道相位搬移检测前、后的信道估计相位曲线示意图（即相位序列

和

），搬断检测后得到的相位序列

即为信道相应H的相位。图6所示信道相位搬断检测前、后的信道估计相位曲线在某一种比较恶劣的多径信道环境下，采用本发明给出的改进的信道估计算法得到误码率性能的显著提升，

如图7所示为采用本发明给出的改进的信道估计算法在一种比较恶劣的多径信道环境下误码率性能曲线示意图。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施方法和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种改进的信道估计方法，其步骤为：

1）在二进制序列前插入一训练序列进行PSK调制，得到频域符号序列；对所述频域符号序列进行IFFT或IDFT，得到时域序列，并发送所述时域序列到接收端；

2）所述接收端接收时域序列后根据接收到的时域训练序列得到训练序列频域相位差；所述接收端接收时域序列后进行FFT或DFT，得到频域序列；

3）根据所述训练序列频域相位差计算所述频域序列的幅度和相位，得到幅度序列和相位序列，并对所述相位序列进行相位修正，得到修正后的相位序列；

4）对相位序列进行相位搬断检测，得到最终相位序列；

5）统计所述最终相位序列中相位差在PSK调制区间的数目，并保存到寄存器中；

6）设置一判决门限值，若寄存器中存在大于门限的值，则判断相位没有搬断同时更新信道估计值。

2.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，对二进制序列D_t(n)进行PSK调制的方法如下：

依次将二进制序列D_t(n)中每两个输入比特按照PSK调制星座图映射为一个调制符号，其中，星座图上的n个星座点的幅度相同，相邻星座点的相位相差2π/n，第一象限的星座点的相位为[0,2π/n)之间的任意值，n代表PSK调制的阶数。

3.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，时域训练序列的频域相位差值的计算方法如下：

根据之前对信道响应进行估计的物理层帧所包含的频域训练序列T_f(k)和对时域训练序列T_r(n)做N₁点FFT得到的频域训练序列T_{r_f}(k)，得到两者对应频点去除调制信息后的接收信号的相位差序列 $\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)=\mathrm{angle}\left(T_{r\_f}\left(k\right)\right)-\mathrm{angle}\left(T_f\left(k\right)\right)k\∈[-\frac{N_1}{2},\frac{N_1}{2}-1],$ 其中，N₁为时域训练序列长度，T_r(n)为时域训练序列。

4.如权利要求1的信道估计方法，其特征在于，对所述相位序列进行相位修正的步骤如下：

1）频点

与前一个频点

的相位差：

其中，

为相位序列，

2）若若

否则

保持不变，频点序号加1，k₀=k₀+1；T为门限，

3）重复步骤1）-2）直到完成最后一个频点的相位修正。

5.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，对相位序列

进行相位搬断检测的方法如下：

1）频域相位差序列△θ(k)与对应数据序列相位估计

之差；得到：

2）将

搬移到[-π，+π]范围内，得到归一化的频域相位差序列

3）计算

中相位差在n个区间内的数目，并保存到寄存器register(n)中；

4）设定判决门限值若寄存器register(n)中存在大于门限

的值，表示相位没有搬断，

否则此次信道估计无效，信道估计值

等于原信道估计值不变。

6.如权利要求5述的信道估计方法，其特征在于，所述n个区间为：

[-π,-π+2π/n]，[-π+2π/n,-π+2*2π/n]，[-π+2*2π/n,-π+3*2π/n]，

[-π+3*2π/n,-π+4*2π/n]……[π-2π/n,+π]。

7.权利要求6的信道估计方法，其特征在于，当采用四相调制时所述区间为：[-π,-π/2]，[-π/2,0]，[0,+π/2]，[π/2,+π]。

8.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，所述二进制序列采用格雷编码映射到频域符号序列。

9.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，所述训练序列长度根据系统的误码性能设定。

10.如利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，判断信道估计值是否更新后，存储信道响应的幅度和相位序列。

Images