CN104967581A - 低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法。使用本发明能够有效改善现有的单载波均衡系统在低能量弥散的多径环境下信道估计性能损失的问题，通过设置一个近似信噪比的值进行分段，在不同的信噪比区间选取不同数目的有用信号径和不同的门限值，然后再进行信道估计的时域降噪处理。本发明不但适用于高信噪比环境下较为准确地提取有用信号径；而且在低能量多径信道环境下，当大部分有用信号径可能淹没在噪声里，无法分辨出来时，采用本发明的方法将低能量多径信道环境分为高信噪比区间、中信噪比区间和低信噪比区间，也能够较为准确地提取有用信号径，提高信道估计的性能。

Description

低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信信道估计技术领域，具体涉及一种低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法。

背景技术

在无线通信中，发射端发射的信号传送给接收端时，接收端接收到的信号中，除了包含发射的信号的直射波和地面反射波之外，还有传播过程中各种障碍物所引起的散射波，即多径效应。由于多径效应，接收端接收到的信号会产生码间干扰，不利于接收端根据接收的信号恢复出发射时的信号。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)和SC-FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡)技术是多径多径效应的两种有效方法。

OFDM系统通过IFFT将串并变换后的信道映射到多个子载波上，每个子载波占据很窄的带宽，各个子载波频谱相互重叠但保持正交，提高了频谱利用率。单载波频域均衡技术借鉴了OFDM的均衡思想，在接收端通过FFT将单载波信道变换到频域，然后在频域补偿信道的影响，通过IFFT将均衡后的信号变换回时域进行检测。相比于OFDM技术，单载波频域均衡具有峰均比低，抗频率选择性衰落强，在相同条件下可以达到更高的传输速率和更低的误码率，相比较于单载波时域均衡技术，复杂度也大大降低。

在单载波频域均衡系统中，接收端为了准确地恢复发送端的数据，需要知道数据经过的信道信息才能采用频域均衡技术来对抗码间干扰，目前一般采用基于DFT的信道估计算法。

现有的信道估计方法中，没有考虑低能量弥散多径信道下信道估计性能损失的问题，因此在低能量弥散多径信道下，接收端解调性能差，解调得到的信号中含有较大噪声。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法，能够有效改善现有的单载波均衡系统在低能量弥散的多径环境下信道估计性能损失的问题，通过基于有用信号径数目η和门限值β的时域降噪处理，本发明提供的方法能够同时满足高信噪比和低信噪比条件下的信道估计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法，在无线通信中，发送端根据帧结构将数据块和导频组成信号帧，信号帧经过成型滤波后通过信道发射出去；接收端对接收到的信号进行匹配滤波、同步处理后，在频域进行信道估计和均衡，然后在时域进行解映射和译码，还原得到发送的信号，所述信道估计的方法如下：

步骤1：接收端从收到的信号中提取导频信号，去除导频的循环前缀后，将导频信号进行FFT变换，然后根据最小二乘法求得信道的频率响应H_LS(k)，k＝0,1,2,…N-1，其中，k为导频信号的频域序列，N为导频的信号长度；

步骤2：对H_LS(k)进行IFFT变换，得到信道的时域冲激响应h_LS(n)，n为导频信号的时域序列，n＝0,1,2,…N-1；

步骤3：对于h_LS(n)在n≥N_cp范围内计算时域信道的冲激响应中的噪声功率σ²，其中N_CP为所述导频的循环前缀的长度；

步骤4：令n分别取0,1，…,N_cp-1，计算h_LS(n)的平方值，将其中最大的平方值作为最强信号径的功率Pow_max：

步骤5：计算接收到的信号的近似信噪比：

步骤6：在低能量弥散多径信道环境下，接收端通过仿真，模拟信号由发送端到接收端所经过的信道模型，根据信道模型的历史经验值将低能量弥散多径信道环境划分为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间，并确定相应信噪比区间下有用信号径的数目和门限值；然后判断接收到信号的近似信噪比snr属于哪一个区间，从而确定信道估计中的有用信号径的数目η和门限值β；

步骤7：根据有用信号径的数目η和门限值β，对h_LS(n)进行时域降噪处理，具体方法为：

令n分别取0,1，…,η-1，计算h_LS(n)的平方值；把其中平方值小于或等于门限值β的h_LS(n)的值置为0；同时把n≥η时的h_LS(n)值置为0；

将经过时域降噪后的h_LS(n)，作为估计的信道时域冲激响应，记为

步骤8：对进行FFT变换，得到的信道频域响应即为信道估计，其中，k_p为频域序列，k_p＝0,1,…M-1，M为数据块的长度。

较佳的，计算噪声功率σ²的方法为：

其中

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过设置一个近似信噪比的值进行分段，在不同的信噪比区间选取不同数目的有用信号径和不同的门限值，然后再进行信道估计的时域降噪处理。本发明不但适用于高信噪比环境下较为准确地提取有用信号径；而且在低能量多径信道环境下，当大部分有用信号径可能淹没在噪声里，无法分辨出来时，采用本发明的方法将低能量多径信道环境分为高信噪比区间、中信噪比区间和低信噪比区间，也能够较为准确地提取有用信号径，提高信道估计的性能；本发明在发射端对发射信号采用导频和数据都采用循环前缀的方法进行处理，可以更加有效地对抗多径带来的码间干扰，并且使接收到的数据块具有周期性，将线性卷积变为循环卷积。

2、由于时域信道冲激响应h_LS(n)中超过循环前缀的长度的部分为噪声信息，因此可以在h_LS(n)中利用n＞N_cp的部分点计算噪声功率，考虑到因此本发明在h_LS(n)选取最后点来计算噪声功率，可以保证噪声功率中不包含有用信号，得到的较为准确的噪声功率。

附图说明

图1为单载波频域均衡系统发送和接收的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法，如附图1所示为单载波频域均衡系统发送和接收的原理图：

在发射端，要发射的信号编码后形成长度为M的数据块，将每个数据块的最后M_CP个符号复制到数据块前作为数据的循环前缀(CP：Cyclic Prefix)；同时，在数据块前端加入长度为N的导频，将导频的最后N_CP个符号复制到导频前作为导频的循环前缀；在接收端也保留有相同的导频信号。本发明的导频采用zadoff-chu序列，zadoff-chu序列在时域呈现随机性，在频域具有平坦的幅度响应；由于zadoff-chu序列在时域和频域都是恒包络的，抗噪声干扰能力强，并且zadoff-chu序列具有良好的自相关性，具有更优的频域信道估计性能。

如附图1所示，发送端将数据块和导频根据帧结构组成信号帧，信号帧经过成型滤波后通过信道发射给接收端。在接收端，接收到的数据经过匹配滤波、同步处理后，通过FFT变换到频域，在频域进行信道估计和均衡后，再通过IFFT回到时域进行解映射和译码，还原得到发送的信号。

其中，信道估计的方法如下：

步骤1：接收端从收到的信号中提取导频信号，去除导频的循环前缀后，将导频信号进行FFT变换，然后根据最小二乘法求得信道的频率响应H_LS(k)，k＝0,1,2,…N-1，其中，k为导频信号的频域序列，N为导频的信号长度；

公式(1)中，k为导频信号的频域序列，k＝0,1,2,…N-1，Y(k)为接收到的信号中的导频信号，X(k)为接收端保留的导频信号，H(k)为信道的实际频率响应，N(k)为导频信号中的频域噪声，为导频信号中的噪声的近似值。

步骤2：对H_LS(k)进行N点IFFT变换，得到信道的时域冲激响应h_LS(n)；

公式(2)中，n为导频信号的时域序列，n＝0,1,2,…N-1，h(n)为信道的实际时域冲激响应，为导频信号中的时域噪声。

在信道估计时，需要尽量还原多径信道。在高信噪比环境下，可以设置一定的门限值提取有用信号径；但是在低能量弥散多径信道环境下，大部分有用信号径可能淹没在噪声里，无法分辨出来，这时如果仍采用和高信噪比环境一样的方法，那么提取的有用信号径很有可能是噪声，反而降低信道估计的性能。因此，本发明通过设置一个近似信噪比的值进行分段，在不同的信噪比区间选取不同数目的有用信号径，具体方法包括下述步骤3～步骤6。

步骤3：计算时域信道的冲激响应中的噪声功率σ²：

由于时域信道冲激响应h_LS(n)中超过循环前缀的长度的部分为噪声信息，即在h_LS(n)中，n＞N_cp的点为噪声，可以利用超过循环前缀长度的点计算噪声功率，考虑到因此本实施例中，选取后点的信号计算噪声功率，即

其中

步骤4：计算最强信号径的功率：

n分别取0,1，…,N_cp-1，计算h_LS(n)的平方值，将其中最大的平方值作为最强信号径的功率Pow_max，即Pow_max＝max{[|h_LS(0)|²，|h_LS(1)|²，…，|h_LS(N_cp-1)|2]}；   (4)

步骤5：计算接收到的信号的近似信噪比：

步骤6：根据所述时域信道的近似信噪比snr确定有用信号径的数目η和门限值β：

在低能量弥散多径信道环境下，接收端通过仿真，模拟信号由发送端到接收端所经过的信道模型，根据信道模型的历史经验值将低能量弥散多径信道环境划分为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间，并确定相应信噪比区间下有用信号径的数目和门限值，如用公式(6)和公式(7)所示；然后判断接收到信号的近似信噪比snr属于哪一个区间，从而确定信道估计中的有用信号径的数目η和门限值β；

其中，snr≤α₁为低信噪比区间，α₁＜snr≤α₂为中信噪比区间，snr＞α₂为高信噪比区间；η₁、η₂和η₃分别为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间中的有用信号径的数目，β₁、β₂和β₃分别为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间中的门限值。

关于信噪比区间的划分，其中的一种方法，可以是将整个信噪比区间平均分为三段，分别为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间。

步骤7：根据所述用信号径的数目η和门限值β，进行时域降噪处理，得到估计的信道的时域冲激响应h_p(n_p)，如公式(8)所示时域降噪处理的具体方法为：

令n分别取0,1，…,η-1，计算h_LS(n)的平方值；把其中平方值小于或等于门限值β的h_LS(n)的值置为0；同时把n≥η时，h_LS(n)的值置为0；

步骤8：对h_p(n_p)进行M点FFT变换，得到的信道频域响应即为信道估计，即完成了信道估计：

其中，k_p为频域序列，k_p＝0,1,…M-1，M为数据块的长度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法，在无线通信中，发送端根据帧结构将数据块和导频组成信号帧，信号帧经过成型滤波后通过信道发射出去；接收端对接收到的信号进行匹配滤波、同步处理后，在频域进行信道估计和均衡，然后在时域进行解映射和译码，还原得到发送的信号，其特征在于：

所述信道估计的方法如下：

步骤1：接收端从收到的信号中提取导频信号，去除导频的循环前缀后，将导频信号进行FFT变换，然后根据最小二乘法求得信道的频率响应H_LS(k)，k＝0,1,2,…N-1，其中，k为导频信号的频域序列，N为导频的信号长度；

步骤2：对H_LS(k)进行IFFT变换，得到信道的时域冲激响应h_LS(n)，n为导频信号的时域序列，n＝0,1,2,…N-1；

步骤3：对于h_LS(n)在n≥N_cp范围内计算时域信道的冲激响应中的噪声功率σ²，其中N_CP为所述导频的循环前缀的长度；

步骤4：令n分别取0,1，…,N_cp-1，计算h_LS(n)的平方值，将其中最大的平方值作为最强信号径的功率Pow_max：

步骤5：计算接收到的信号的近似信噪比：

步骤6：在低能量弥散多径信道环境下，接收端通过仿真，模拟信号由发送端到接收端所经过的信道模型，根据信道模型的历史经验值将低能量弥散多径信道环境划分为低信噪比区间、中信噪比区间和高信噪比区间，并确定相应信噪比区间下有用信号径的数目和门限值；然后判断接收到信号的近似信噪比snr属于哪一个区间，从而确定信道估计中的有用信号径的数目η和门限值β；

步骤7：根据有用信号径的数目η和门限值β，对h_LS(n)进行时域降噪处理，具体方法为：

令n分别取0,1，…,η-1，计算h_LS(n)的平方值；把其中平方值小于或等于门限值β的h_LS(n)的值置为0；同时把n≥η时的h_LS(n)值置为0；

将经过时域降噪后的h_LS(n)，作为估计的信道时域冲激响应，记为

步骤8：对进行FFT变换，得到的信道频域响应即为信道估计，其中，k_p为频域序列，k_p＝0,1,…M-1，M为数据块的长度。

2.如权利要求1所述的低能量弥散多径信道下单载波频域均衡的信道估计方法，其特征在于，计算噪声功率σ²的方法为：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{N}\underset{n=N_1}{\overset{N-1}{\Σ}}{\left|h_{LS}\left(n\right)\right|}^2,$ 其中 $N_1=\frac{N}{2}.$