CN103581066B

CN103581066B - 一种用于ofdm系统的信道估计方法与装置

Info

Publication number: CN103581066B
Application number: CN201210266769.9A
Authority: CN
Inventors: 闫亮; 李元柳; 冯绍鹏
Original assignee: Potevio Institute of Technology Co Ltd
Current assignee: Potevio Institute of Technology Co Ltd
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-07-30

Abstract

本申请公开了一种用于正交频分复用(OFDM)系统的信道估计方法，通过对初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行估计、校正，对定时相位校正后的信道估计求平均得到信道估计平均值，根据信道估计平均值以及所述估计的相邻子载波间的相位偏差求出携带定时偏差的信道估计作为二级信道估计输出，再根据OFDM符号间的相位偏差对二级信道估计输出进行频偏补偿，得到携带频率偏差的三级信道估计作为最终的信道估计结果，最终将所述信道估计和相应的数据送入均衡器均衡。本申请还公开了用于OFDM系统的信道估计装置。本申请技术方案能够在一定的定时偏差与频率偏差范围内，提高信道估计的准确性，进而提高系统性能。

Description

一种用于OFDM系统的信道估计方法与装置

技术领域

本申请涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种用于正交频分复用(OFDM)系统的信道估计方法与装置。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

如果在一段窄带内，一段时间内，信道变化较小，可以先用简单的最小二乘(LeastSquare，简称LS)方法做这段时频范围内的信道估计，再求平均，达到去除噪声的效果。

信道估计的数学表达式如下所述：

假定发送信号和接收信号之间是准确定时并且没有频偏，则：

R_lp(kp)＝H_lp(kp)·S_lp(kp)+N_lp(kp) (1)

{\tilde{H}}_{l p} (k p) = R_{l p} (k p) / S_{l p} (k p) = H_{l p} (k p) + N_{l p} (k p) / S_{l p} (k p) - - - (2)

其中：

lp：表示导频所在的OFDM符号索引，例如图1中lp＝4；

kp：表示导频所在的子载波索引，例如图1中kp＝0,1,...,9；

H_lp(kp)：表示导频点处的理想信道频率响应；

表示导频点处的LS信道估计；

R_lp(kp)：表示接收到的导频信号；

S_lp(kp)：表示接收机本地生成的参考导频信号。

N_lp(kp)：表示导频点处的高斯噪声。

由于E{N_lp(kp)/S_lp(kp)}＝0，对所有的求均值后，在一定程度上达到去噪效果：

{\overset{&OverBar;}{H}}_{l p} = \frac{1}{K} Σ_{k p = 1}^{K} [H_{l p} (k p) + N_{l p} (k p) / S_{l p} (k p)] - - - (3)

K表示在OFDM符号索引为_lp内的要做平均的导频点的个数。

在实际的移动通信系统中，不可避免地存在定时偏差，OFDM系统中的定时偏差反映在频域上是各个子载波之间的相位偏移；频率偏差则反映为不同的OFDM符号上相同位置的子载波间有相位偏差。这种用平均的方法去除噪声，会导致信道估计性能变差，最终影响系统解调性能。

发明内容

本申请提供了一种用于OFDM系统的信道估计方法与装置，能够在一定的定时偏差与频率偏差范围内，提高信道估计的准确性，进而提高系统性能。

本发明实施例提供的一种用于正交频分复用OFDM系统的信道估计方法，包括：

A、OFDM系统的基站接收时域信号，将所述时域信号变换为频域信号，并从所述频域信号中提取导频信号；

B、对所述导频信号做初始信道估计，得到不考虑频偏及定时误差估计的初始信道估计输出；

C、根据所述初始导频信号估计输出，计算由定时偏差引起的相邻子载波间的相位偏差；

D、根据所述相邻子载波间的相位偏差，对初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正，对定时相位校正后的信道估计求平均得到信道估计平均值，根据信道估计平均值以及所述相邻子载波间的相位偏差求出各子载波携带定时偏差引起的相位变化的信道估计作为二级信道估计输出；

E、根据临近的两个导频符号的共轭相乘求出由于系统频偏引起的OFDM符号间的相位偏差；

F、根据所述OFDM符号间的相位偏差对二级信道估计输出进行频偏补偿，得到各数据符号的三级信道估计输出作为最终的信道估计结果。

较佳地，步骤B中采用最小二乘方法所述对所述导频信号做初始信道估计。

较佳地，步骤C包括：

C1、对相近子载波上的信道估计进行共轭相乘

\begin{matrix} {\tilde{H}}_{l p} (k p) \cdot {\tilde{H}}_{l p}^{*} (k p + Δ k) \\ = [R_{l p} (k p) \cdot {S_{l p}}^{*} (k p)] \cdot {[R_{l p} (k p + Δ k) \cdot {S_{l p}}^{*} (k p + Δ k)]}^{*} \\ \approx | R_{l p} (k p) |^{2} \cdot | S_{l p} (k p + Δ k) |^{2} \cdot | H_{l p} (k p) |^{2} \cdot e^{j \frac{2 π}{N} \cdot (Δ k) \cdot m} \end{matrix},

Δk表示所述相近子载波的间隔；

m表示定时偏差的样点数；

C2、根据C1的结果，求角度

C3、计算ΔΦ(kp)的平均值

C4、根据得到相邻子载波间由于定时偏差造成的相位偏差

较佳地，步骤D所述根据所述相邻子载波间的相位偏差，对初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正的表达式为：

其中，为存在着定时偏差的信道响应，为对定时相位校正后的信道估计。

较佳地，所述二级信道估计输出的表达式为其中，为定时相位校正后的信道估计平均值，即k为所有子载波的索引，为二级信道估计输出。

本发明实施例还提供了一种用于OFDM系统的信道估计装置，包括用于从时域信号中去除循环前缀CP的去CP单元、用于将去CP单元输出的去CP处理后的时域信号进行快速傅立叶变换FFT处理转换为频域信号的FFT单元、用于从FFT单元输出的频域信号中提取导频信号的导频提取单元，初始信道估计单元、本地参考信号生成单元、频偏估计单元、定时估计单元、定时估计校正单元、噪声消除单元、定时补偿单元和频偏补偿单元；

本地参考信号生成单元用于生成本地导频信号并输出至初始信号估计单元；

初始信道估计单元用于根据来自本地参考信号生成单元的本地导频信号，对导频提取单元输出的导频信号做最小二乘信道估计，输出初始信道估计输出至频偏估计单元、定时估计单元和定时校正单元；

频偏估计单元用于根据来自初始信道估计单元的相近的两个导频符号的初始信道估计输出，估计出由频偏引起的OFDM符号间的相位偏差，并得到连续两个OFDM符号的相位偏差值，将其输出至频偏补偿单元；

定时估计单元用于根据来自初始信道估计单元的初始信道估计输出计算由定时偏差引起的相位偏差，并将相位偏差值输出至定时校正单元和定时补偿单元；

定时校正单元，根据来自定时估计单元的相位偏差和来自初始信道估计单元的初始信道估计输出在频域上做定时校正，对来自初始信道估计单元的初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正，得到对定时相位偏差校正后的信道估计

噪声消除单元对定时相位校正后的信道估计求平均，得到消除噪声影响的信道估计平均值

定时补偿单元用于根据信道估计平均值与来自定时估计单元的相位偏差，求出各子载波携带定时偏差引起的相位变化的信道估计称作二级信道估计输出；

频偏补偿单元用于根据来自频偏估计单元的OFDM符号间的相位偏差对来自定时补偿单元的二级信道估计输出进行频偏补偿，将频偏补偿后的结果作为三级信道估计输出。

较佳地，该信道估计装置进一步包括数据提取单元和均衡单元，

所述数据提取单元用于从FFT单元输出的频域信号中提取有效数据，并将所提取的有效数据输出至均衡单元；

所述均衡单元用于对来自频偏补偿单元的三级信道估计输出和来自数据提取单元的有效数据，对有效数据用与其相对应的信道估计做均衡处理。

从以上技术方案可以看出，通过初始的信道估计结果，估计出OFDM符号内子载波间的相位差，然后将该相位校正，去噪，补上之前估计出来的OFDM符号内子载波间的相位差，使得信道估计包含了定时偏差引起的变化。不同的OFDM导频符号的间可以求出相邻OFDM符号间由于频偏引起的相位差，补偿到两个导频符号间的各个OFDM符号的信道估计中，使得各OFDM符号的信道估计包含了频偏引起的变化。因此，本申请方案能够在一定的定时偏差与频率偏差范围内，提高信道估计的准确性，进而提高系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于OFDM系统的信道估计方法实现流程图；

图2为电力网系统上行子帧导频结构示意图；

图3为与ΔΦ(kp)的关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种信道估计装置结构示意图。

具体实施方式

为使本申请技术方案的技术原理、特点以及技术效果更加清楚，以下结合具体实施例对本申请技术方案进行详细阐述。

下面以采用多路正交频分复用技术的电力网系统上行链路为例，讲述本发明的具体实施过程。对基于多路正交频分复用技术的电力网系统，频谱分布离散，由40个不连续的子带构成，每个子带带宽为25kHz。子载波间隔为2kHz，每个OFDM符号是10个子载波。为了提高该系统的鲁棒性和解调性能，克服同步定时偏移以及系统频偏的影响，必须对现有的信道估计算法进行改进。

本发明实施例提供的基于OFDM系统的信道估计方法实现流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤101：基站接收到子帧3的时域信号，去循环前缀(CP)，做N点快速傅立叶变换(FFT)运算，将所述时域信号变换为频域信号。

步骤102：从所述频域信号中提取导频信号。

电力网系统上行子帧导频的资源映射方式参见图2。图2是电力网中子帧3和子帧4，子帧中的符号4发送的是导频符号。

步骤103：对所述导频信号做初始信道估计，得到初始信道估计输出。初始信道估计输出中没有考虑频偏及定时误差估计。

本实施例方案中初始信道估计方法为现有技术中普遍采用的LS信道估计。

以下给出进行LS信道估计的具体过程。需要指出的是，以下给出的具体实现过程仅用于本领域技术人员加深对本申请技术方案的理解，不用于限制本申请技术方案。

若系统存在定时偏差,假定时域的接收信号r_l相对于发射信号s_l，有m个采样点的定时偏差，r_l＝s_l(n-m)，将时域发射信号s_l(n)通过FFT变换到频域发射信号S_l(k)：则频域接收信号为：

导频符号上的接收数据表示为：

R_{l p} (k p) = S_{l p} (k p) \cdot H_{l p} (k p) \cdot e^{- j \frac{2 π}{N} \cdot k p \cdot m} + N_{l p} (k p) - - - (4)

此时，LS信道估计的结果为：

{\tilde{H}}_{l p} (k p) = R_{l p} (k p) / S_{l p} (k p) = H_{l p} (k p) \cdot e^{- j \frac{2 π}{N} \cdot k p \cdot m} + N_{l p} (k p) / S_{l p} (k p) - - - (5)

储存子帧3的LS信道估计，记为

其中：

lp：表示导频所在的OFDM符号索引，如图2，lp＝3；

kp：表示导频所在的子载波索引，如图2，kp＝0,1,...,9；

H_lp(kp)：表示导频点处的理想的信道；

表示导频点处的LS信道估计；

R_lp(kp)：表示接收到的导频信号；

S_lp(kp)：表示接收机本地生成的参考导频信号；

N_lp(kp)：：表示导频点处的高斯噪声。

步骤104：根据所述初始导频信号估计输出，计算相邻子载波间由定时偏差引起的相位偏差。

以下给出一种计算相位偏差的具体方法：

对相近子载波上的信道估计进行共轭相乘，有：

\begin{matrix} {\tilde{H}}_{l p} (k p) \cdot {\tilde{H}}_{l p}^{*} (k p + Δ k) \\ = [R_{l p} (k p) \cdot {S_{l p}}^{*} (k p)] \cdot {[R_{l p} (k p + Δ k) \cdot {S_{l p}}^{*} (k p + Δ k)]}^{*} \\ \approx | R_{l p} (k p) |^{2} \cdot | S_{l p} (k p + Δ k) |^{2} \cdot | H_{l p} (k p) |^{2} \cdot e^{j \frac{2 π}{N} \cdot (Δ k) \cdot m} \end{matrix}, - - - (6)

其中，Δk表示所述相近子载波的间隔，在本实施例中，该间隔等于RB子载波个数的一半，即Δk＝N_sc_RB/2，在其他实施例中，Δk可以是其他值。

对(6)式求角度得：

Δ Φ (k p) = \frac{2 π}{N} \cdot m \cdot (N_s c_R B / 2) - - - (7)

对多个子载波间的相位差求均值，得到：

Δ \overset{&OverBar;}{Φ} = \frac{1}{N_s c_R B / 2} Σ_{k p = 0}^{N_s c_R B / 2 - 1} Δ Φ (k p) - - - (8)

则，相邻子载波间由于定时偏差造成的相位偏差是：

与ΔΦ的关系可参见图3所示。

步骤105：利用步骤104得到的相邻子载波间由于定时偏差造成的相位偏差对初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正。

在本实施例中，由定时引起的信道响应为：

{\tilde{H}}_{l p} (k p) = H_{l p} (k p) \cdot e^{- j \cdot \frac{2 π}{N} \cdot m \cdot (k p - N_s c_R B / 2)} + N_{l p} (k p) / S_{l p} (k p) - - - (10)

定时偏差校正表达式为：

可得到对定时相位校正后的信道估计

步骤106：对定时相位校正后的信道估计求平均，可在一定程度上去除噪声。

步骤107：根据信道估计平均值以及相邻子载波间的相位偏差求出实际带着定时偏差的信道估计，作为二级信道估计输出。

其中k为所有子载波的索引。

步骤108：子帧4的处理同于子帧3，执行步骤101～步骤107，同样得到子帧4的实际带着定时偏差的信道估计，记为

步骤109：根据子帧3和子帧4的定时偏差的信道估计计算由于系统频偏引起的OFDM符号间的相位偏差。

步骤110：根据步骤109得到的相位偏差对二级信道估计输出进行频偏补偿，得到三级信道估计输出作为最终的信道估计结果。

由于两个导频符号之间还有Δl-1个OFDM符号，这些符号的信道估计可以用下式估计得到

其中l′表示lp～lp+Δl之间的符号索引，取值范围：l′＝1,2,...Δl-1。

Δf：表示频偏；

ΔF：表示子载波间隔；

对小于lp和大于lp+Δl的符号，可用相应的插值方式做频偏补偿。

图4示出了本发明实施例提供的一种信道估计装置，包括：去CP单元401、FFT单元402、导频提取单元403、初始信道估计单元404、本地参考信号生成单元405、频偏估计单元406、定时估计单元407、定时校正单元408、噪声消除单元409、定时补偿单元410和频偏补偿单元411。其中，

去CP单元401用于接收时域信号，对所接收的时域信号进行去CP处理，并输出去CP处理后的时域信号。

FFT单元402用于对去CP单元401输出的去CP处理后的时域信号进行FFT处理转换为频域信号，并输出所述频域信号。

导频提取单元403用于对FFT单元402输出的频域信号中提取导频信号，并输出所述导频信号。

初始信道估计单元404用于根据来自本地参考信号生成单元405的本地导频信号，对导频提取单元403输出的导频信号做最小二乘信道估计，输出信道估计结果至频偏估计单元406、定时估计单元407和定时校正单元408。为和后面的信道估计结果相区分，初始信道估计单元404输出的信道估计结果称为初始信道估计输出。

本地参考信号生成单元405用于生成本地导频信号并输出至初始信号估计单元404。

定时校正单元408，根据来自定时估计单元407的相位偏差和来自初始信道估计单元404的初始信道估计输出在频域上做定时校正，对来自初始信道估计单元404的初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正，得到对定时相位偏差校正后的信道估计

噪声消除单元409对定时校正后的信道估计在一定带宽内求平均，得到消除噪声影响的信道估计

定时补偿单元410用于根据信道估计平均值与来自定时估计单元407的相位偏差，求出各子载波携带定时偏差引起的相位变化的信道估计称作二级信道估计输出；

频偏估计单元406用于根据来自初始信道估计单元404的相近的两个导频符号的初始信道估计输出，估计出由频偏引起的OFDM符号间的相位偏差，并得到连续两个OFDM符号的相位偏差值，将其输出至频偏补偿单元411。

频偏补偿单元411用于根据来自频偏估计单元406的OFDM符号间的相位偏差对来自定时补偿单元410的二级信道估计输出进行频偏补偿，得到均衡所需要的各OFDM符号的信道估计，作为三级信道估计输出。

较佳地，该信道估计装置还可以进一步包括数据提取单元413和均衡单元412。

数据提取单元413用于从FFT单元输出的频域信号中提取有效数据，并将所提取的有效数据输出至均衡单元412；

所述均衡单元412用于对来自频偏补偿单元411的三级信道估计输出和来自数据提取单元413的有效数据，对有效数据用与其相对应的信道估计做均衡。

本申请提出了一种改进的信道估计方法，通过初始的信道估计结果，估计出OFDM符号内子载波间的相位差，然后将该相位校正，去噪，补上之前估计出来的OFDM符号内子载波间的相位差，使得信道估计包含了定时偏差引起的变化。不同的OFDM导频符号的间可以求出相邻OFDM符号间由于频偏引起的相位差，补偿到两个导频符号间的各个OFDM符号的信道估计中，使得各OFDM符号的信道估计包含了频偏引起的变化。

本申请还提出一种信道估计装置，该装置需要在信道均衡以前，先对系统进行定时补偿与频偏补偿。实现过程中根据系统具体情况的不同，定时偏差估计与补偿模块及频偏估计与补偿模块在装置中的位置可以互换。这种方案可以提升系统性能，增加吞吐量，提高频谱利用率。

本申请技术方案的应用范围不局限于前面实施实例中提到的窄带系统，且所述初始的信道估计方法可以不限于实施例中提到的LS信道估计方法。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请的保护范围，凡在本申请技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种用于正交频分复用OFDM系统的信道估计方法，其特征在于，包括：

B、对所述导频信号做初始信道估计；

C、根据所述初始信道估计输出，计算由定时偏差引起的相邻子载波间的相位偏差；

F、根据所述OFDM符号间的相位偏差对二级信道估计输出进行频偏补偿，得到携带频率偏差的三级信道估计输出作为最终的信道估计结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中采用最小二乘方法对所述导频信号做初始信道估计

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C包括：

C1、对相近子载波上的信道估计进行共轭相乘

{\tilde{H}}_{l p} (k p) \cdot {\tilde{H}}_{l p}^{*} (k p + Δ k) \approx {| S_{l p} (k p) |}^{2} \cdot {| S_{l p} (k p + Δ k) |}^{2} \cdot {| H_{l p} (k p) |}^{2} \cdot e^{j \frac{2 π}{N} \cdot (Δ k) \cdot m},

Δk表示所述相近子载波的间隔；

C2、根据C1的结果，求角度m表示定时偏差的样点个数；

C3、计算ΔΦ(kp)的平均值N_Δk表示有多少个ΔΦ(kp)；

C4、根据得到相邻子载波间由于定时偏差造成的相位偏差

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤D所述根据所述相邻子载波间的相位偏差，对初始信道估计输出的每个子载波进行由定时引起的频域上相位偏差进行校正的表达式为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述二级信道估计输出的表达式为其中，k为所有子载波的索引，为定时相位校正后的信道估计平均值，即K为用于做平均运算的导频点的个数，为二级信道估计输出。

6.一种用于正交频分复用OFDM系统的信道估计装置，包括用于从时域信号中去除循环前缀CP的去CP单元、用于将去CP单元输出的去CP处理后的时域信号进行快速傅立叶变换FFT处理转换为频域信号的FFT单元、用于从FFT单元输出的频域信号中提取导频信号的导频提取单元，其特征在于，该信道估计装置还包括：初始信道估计单元、本地参考信号生成单元、频偏估计单元、定时估计单元、定时估计校正单元、噪声消除单元、定时补偿单元和频偏补偿单元；

频偏补偿单元用于根据来自频偏估计单元的OFDM符号间的相位偏差对来自定时补偿单元的二级信道估计输出进行频偏补偿，将频偏补偿后的各数据符号的信道估计结果作为三级信道估计输出。

7.根据权利要求6所述的信道估计装置，其特征在于，该信道估计装置进一步包括数据提取单元和均衡单元，