CN105721361A - 一种基于ls算法结合频域fir滤波的ofdm信道估计新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及OFDM多载波系统接收端信道估计方法，属于无线通信接收机信号处理领域。本专利提出一种新的信道估计方法，采用FIR滤波器对LS信道估计结果进行滤波，实现对LS信道估计效果的提升。本专利提出的方法，首先利用接收端的导频信息和本地存储的导频信息，采用最小二乘（LS）法估计信道频域响应；然后用FIR滤波器对信道频域响应进行滤波；利用滤波后的信道频域响应进行数据符号的均衡。本专利提出的信道估计新方法基于对LS估计的信道频域响应进行FIR滤波，以此平滑噪声对信道估计的影响，提高信道频域响应的准确性。新方法提高了接收端接收性能，算法复杂度小，易于实现。
Description
技术领域
本发明适用于无线通信领域的OFDM多载波调制体制接收端信道估计处理。本发明应用在通过前导符号进行信道估计的OFDM系统中，解决了基于前导符号进行LS信道估计受噪声影响估计不准的问题，该技术的基础是LS信道估计和FIR滤波器设计、频域FIR滤波处理。
背景技术
首先对OFDM系统信道估计处理流程作一个简单的介绍，这里以802.16d的物理层处理为例，如图1所示。
从图1可知，接收端首先利用短前导进行定时获取；然后处理长前导，用于精确定时；再进行频偏估计与频偏校正；将数据进行FFT变换，进行频域的处理，信道估计、信道跟踪等。
OFDM系统可以表示为如下矩阵形式：
其中，S是包含所传输数据信号的对角矩阵，H是信道响应矩阵向量，N是均值为0，方差为的独立同分布复高斯噪声向量，且噪声与信道不相关，获得准确的H即可完成良好的数据接收。通过既简单又有效的运算方法获得准确的是OFDM研究领域关注的焦点。
信道估计方法根据实现准则分为最小均方误差（MMSE）法、最小二乘（LS）法和最大似然估计（MLE）法。
基于MMSE准则的信道估计器需要知道信道的统计特性，实际中很难实现，而采用LS准则的估计器不需要知道信道的统计特性，实现也较为简单，但在信噪比较低时效果不理想，MLE与LS效果近似。
采用LS信道频域响应估计的结果包括真实信道响应H和噪声N。当噪声较大时，干扰大，估计得到的信道频域响应与真实值之间的偏差较大，这种情况下需要对信道估计结果再次进行处理，其中基于LS算法结合频域FIR滤波的方法实现简单、效果良好。
发明内容
本专利采用LS信道估计及插值结合频域FIR滤波的方式，实现OFDM信道估计。总体算法框图如图2所示。
首先获得基于LS算法的信道估计值。接收信号经FFT后可表示为：
为第个OFDM符号的第个子载波上的频域发送信号，为第个OFDM符号的第个子载波上的频域接收信号，为第个OFDM符号的第个子载波的信道频域响应，为第个子载波的频域噪声，方差为。
由上式所示的接收信号形式可以看出，信道频域响应的估计值可根据最小二乘准则直接由下式得到。
其中，分别为长导频符号第个子载波处的接收和发送信号。为第个子载波的信道频域响应估计值。从式(3)可以看出，采用LS信道频域响应估计的结果由两项组成，一个是真实信道响应，一个是噪声引入的干扰。得到的信道响应幅度和相位如图3。
然后对LS估计结果进行插值。为了减小滤波对边界值的影响，需要将信道响应长度（信道响应长度为）填充为FFT点数长度。将长度为的信道频域响应填充至长度为N，填充方式为边界值复制，即起始位置填充B1个LS信道估计的第一个值，结束位置填充B2个LS信道估计的最后一个值，中间零点进行线性插值。其中，N为FFT点数大小，B1、B2为左右保护带。
设计FIR低通滤波器。LS频域估计结果变换到时域即得到OFDM时域信道冲激响应，冲激响应的时延扩展受多径影响。一般在OFDM系统参数设计时，可以容忍的时延扩展和CP长度对应，约为1/2*L_CP长度。对时域冲激响应进行L_CP长度的时域加窗，可以去除噪声影响，同时保留多数径的信号，提高信道响应的准确性。时域加窗对应的是频域滤波，时域矩形窗对应频域sinc函数，采用频域FIR低通滤波器代替sinc函数，根据近似窗的特性获得频域滤波器参数。
FIR滤波器一般表示为卷积形式：
经过Z变换，滤波器的传递函数为：
由式(5)，FIR滤波器可以表示为图4所示结构，由存储器、加法器和乘法器级联构成，每个乘法器的操作系数就是一个FIR系数。
根据OFDM系统参数，设计FIR低通滤波器。FIR滤波器设计准则为：滤波器通带增益为0dB，归一化低通通带。802.16d系统一般CP长度为符号有效长度1/4，折算下来，低通特性为-3dB点0.15，-30dB点0.25。
对信道响应进行FIR滤波，并对滤波后的值进行截取获得改进后的信道响应。将填充后的信道频域响应送入FIR滤波器中进行滤波，由于滤波器将引起延时，并且滤波前进行了数据填充，因此有用的值应该从第个值开始的个点，其中M为滤波器阶数，表示取整。滤波后，得到的信道响应幅度和相位如图5。
采用截取的信道频域响应值进行均衡。通过接收星座图对比可以看出接收效果明显改善。采用一组接收数据进行测试，采用滤波前信道响应估计值均衡后的16QAM星座如图6，采用滤波后信道响应估计值均衡后的16QAM星座如图7。图6的EVM为-21.5dB，图7的EVM为-23.2dB，星座图改善约1.7dB。
如前面所述，LS估计运算及插值、FIR滤波共同构成了基于LS算法结合频域FIR滤波的OFDM信道估计新方法。该方法克服了低信噪比下，单纯LS算法信道估计不准的问题，效果良好，并且硬件实现简单，是较为理想实用的OFDM信道估计方法。
附图说明
图1OFDM收发信号处理框图
图2新方法信道估计整体实现框图
图3改进前信道响应幅度和相位
图4FIR滤波器的运算结构
图5改进后信道响应幅度和相位
图6改进前均衡后的16QAM星座图
图7改进后均衡后的16QAM星座图
具体实施
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的基于LS算法结合频域FIR滤波的OFDM信道估计新方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
假设OFDM的FFT点数为256，数据点数为200，左右保护带分别为28、27，中心频率(DC子载波)不传输数据。
1)根据接收的频域导频符号，结合本地前导码，采用LS估计获得信道频域响应的幅度和相位。
2)对左右保护带进行插值，采用复制第1个信道响应值到左保护带，复制第200个信道响应到右保护带。
3)对中心频率进行插值，采用第100个信道响应和第101个信道响应相加除以2的方式获得，放入插值后的第129点（插值后一共256点）。
4)根据发明中描述的FIR滤波器设计准则，设计滤波器。滤波器阶数为37，系数为[0.009765625；0.005859375；-0.001953125；-0.005859375；-0.013671875；-0.009765625；0；0.015625；0.0234375；0.01953125；0；-0.02734375；-0.048828125；-0.041015625；0；0.07421875；0.15625；0.224609375；0.25；0.224609375；0.15625；0.07421875；0；-0.041015625；-0.048828125；-0.02734375；0；0.01953125；0.0234375；0.015625；0；-0.009765625；-0.013671875；-0.005859375；-0.001953125；0.005859375；0.009765625]。
5)将填充后的信道频域响应和滤波器系数送入FIR滤波器中进行滤波。
6)截取滤波后的信道响应数据，用于后面的均衡。由于滤波器将引起延时，并且滤波前进行了数据填充，因此有用的值应该从第47个值开始的201点，再去掉中间的1点，得到200点改进后的信道响应数据。
Claims (4)
1.一种基于LS算法结合频域FIR滤波的OFDM信道估计新方法，其特征在于，它通过FIR滤波器在频域对信道响应进行滤波，它整体实现框图如图2。
2.一种基于LS算法结合频域FIR滤波的OFDM信道估计新方法，其特征在于，信道估计方法的典型实现步骤如下：
根据接收的频域导频符号，结合本地前导码，采用LS估计获得信道频域响应的幅度和相位；
对左右保护带进行插值；
对零点进行插值；
根据发明中描述的FIR滤波器设计准则，设计滤波器；
将填充后的信道频域响应和滤波器系数送入FIR滤波器中进行滤波；
截取滤波后的信道响应数据，用于后面的均衡。
3.按权利要求2所述的步骤2），步骤3），其特征在于，为了减小滤波对边界值的影响，需要将信道响应长度（信道响应长度为）填充为FFT点数长度，将长度为的信道频域响应填充至长度为N，填充方式为边界值复制，即起始位置填充B1个LS信道估计的第一个值，结束位置填充B2个LS信道估计的最后一个值，中间零点进行线性插值，其中，N为FFT点数大小，B1、B2为左右保护带。
4.按权利要求2所述的步骤6），其特征在于，由于滤波器将引起延时，并且滤波前进行了数据填充，因此滤波器输出有效值应该从第个值开始的个点，其中M为滤波器阶数，表示取整。
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