CN108173788B - 一种基于ofdm无线系统的信道估计方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于OFDM无线系统的信道估计方法及其系统，所述信道估计方法包括以下步骤：步骤S1，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；步骤S2，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；步骤S3，对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复原始信息流；步骤S4，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；步骤S5，通过所述步骤S2得到的均衡后的数据符号与所述步骤S4得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。本发明不需要在数据符号内进行相位跟踪，且能够有效提升系统的接收性能。

Description

一种基于OFDM无线系统的信道估计方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种信道估计方法，尤其涉及一种基于OFDM无线系统的信道估计方法，并涉及采用了该基于OFDM无线系统的信道估计方法的信道估计系统。

背景技术

在实际应用中，基于LS的信道估计和均衡，在数据解调时，如果信道估计带有残偏，那么距离训练序列时间间隔越长的符号，其解调性能越差。而基于OFDM通信802.11系统，在数据符号内也添加了少量参考信号，用于相位跟踪，纠正随时间变化后的信道估计值，此方法实现简单，效果也较为明显，但是用少量参考信号跟踪信道估计，始终存在偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种不需要在数据符号内进行相位跟踪，而且还能够提升接收信号的性能的基于OFDM无线系统的信道估计方法，并提供采用了该基于OFDM无线系统的信道估计方法的信道估计系统。

对此，本发明提供一种基于OFDM无线系统的信道估计方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

步骤S2，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

步骤S3，对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

步骤S4，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

步骤S5，通过所述步骤S2得到的均衡后的数据符号与所述步骤S4得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S5中，得到修正后的信道估计值后，将所述修正后的信道估计值返回至所述步骤S2中用于实现对下一个数据符号的均衡。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2至步骤S5不断依次完成迭代，直到数据帧中所有数据符号的解析完成则退出。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，本地训练序列为X_ref＝[x_ref(1),x_ref(2),…,x_ref(L)]，L为有效载波符号的序号，在训练期间内的接收信号训练序列为Y_ref＝[y_ref(1),y_ref(2),…,y_ref(L)]，则通过公式H_LS＝Y_refX_ref ^H(X_refX_ref ^H)^-1估计所述OFDM无线系统信道响应的信道估计值H_LS，其中，信道估计值H_LS＝[h_LS(1),h_LS(2),…,h_LS(L)]，X_ref ^H为x_ref的共轭。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，在数据符号期间内接收信号的频域表示为Y_k＝[y_k(1),y_k(2),…,y_k(L)],k表示数据符号的序号，通过所述信道估计值H_LS对数据符号进行均衡，均衡后的频域数据为

均衡公式为

为均衡后的数据符号。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中，使用步骤S3得到的原始信息流，按照发送规则编码，获得当前符号的频域信号Y_{k_idel}为Y_{k_idel}＝[y_{k_idel}(1),y_{k_idel}(2),…,y_{k_idel}(L)]。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S501，利用所述步骤S2得到的均衡后的频域数据

及所述步骤S4得到的当前符号的频域信号Y_{k_idel}，进行数据符号信道估计，得到数据符号的信道估计值H_LS,Date；

步骤S502，按子载波序号，将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度和相位表示；

步骤S503，通过求幅度差和相位差计算当前符号的信道估计幅度和相位估计值，进而得到相位的修正值；

步骤S504，通过预设的权值和所述相位的修正值修正所述信道估计值H_LS。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S5中，所述步骤S501通过公式

进行数据符号信道估计，得到数据符号的信道估计值H_LS,Date；所述步骤S502中，所述通过公式Amp(H_LS,Date)＝[|H_LS,Date(1)|,|H_LS,Date(2)|,…,|H_LS,Date(L)|]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度Amp(H_LS,Date)，通过公式Phase(H_LS,Date)＝[angle(H_LS,Date(1)),angle(H_LS,Date(2)),…,angle(H_LS,Date(L))]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为相位Phase(H_LS,Date)，其中，|H_LS,Date(L)|为求H_LS,Date(L)的模值，angle(H_LS,Date(L))＝arctan(imag(H_LS,Date(L))/real(H_LS,Date(L)))；所述步骤S503中，通过公式Fact＝AmpFact*cos(PhaseFact)+i*AmpFact*

sin(PhaseFact)计算相位的修正值Fact，其中，通过公式AmpFact＝E(Amp(H_LS,Date))计算当前符号的信道估计幅度AmpFact，通过公式PhaseFact＝E(Phase(H_LS,Date))计算相位估计值PhaseFact，E(Amp(H_LS,Date))为求Amp(H_LS,Date)的均值，E(Phase(H_LS,Date))为求Phase(H_LS,Date)的均值；所述步骤S504中，通过公式H_LS＝(1-α)H_LS*Fact修正所述信道估计值H_LS，α为预设的权值，α∈(0,1)。

本发明的进一步改进在于，所述预设的权值默认取值为α＝0.2。

本发明还提供一种基于OFDM无线系统的信道估计系统，采用了如上所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，并包括：

信道估计模块，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

数据均衡模块，与所述信道估计模块相连接，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

数据解调模块，与所述数据均衡模块相连接，用于对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

频域恢复模块，与所述数据解调模块相连接，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

信道估计修正模块，分别与所述数据均衡模块和频域恢复模块相连接，通过所述数据均衡模块得到的均衡后的数据符号与所述频域恢复模块得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在处理接收信号时，完成第一个数据符号解析后，按发送规则恢复出当前符号的理想相位，然而后对信道估计值做相位补偿，而补偿后的信道估计值再用于下一个数据符号的均衡，最终达到提升接收性能的目的；因此，本例不需要在数据符号内进行相位跟踪，而且还能够有效提升接收信号的性能。

附图说明

图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；

图2是本发明一种实施例的系统结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

本例涉及802.11a/g/n/ac标准信道估计的改进的信道估计方法。

在IEEE802.11基于OFDM通信的WiFi标准(802.11a/g/n/ac)中，整个传输带宽划分成多个带宽相同且相互正交的独立子信道并行传输数据。为了完成接收信号的解调，802.11标准在前导码中插入特定的参考信号，接收端首先对接收到的参考信号进行信道估计，然后再用估计出来的信道响应对接收信号进行均衡。因此，信道估计的精确度将严重影响整个接收机的性能。

在绝大多数实际OFDM系统中，都是采用基于频域导频的信道估计算法。

OFDM传输信号在频域上可以表示成发射信号和信道频域响应之间的乘积，在接收端只需要对各个子载波作单抽头均衡就可以消除信道的衰落。

一个发送帧内，发送的训练序列表示为X_ref＝[x_ref(1),x_ref(2),…,x_ref(L)]，L为有效载波符号的个数，那么在训练期间内的接收信号就可以表示成为：Y_ref＝HX_ref+V_p；其中，Y_ref为训练期间接收天线所收到的接收信号，H是训练期间的信道响应，V_p为0均值，方差为σ²的高斯白噪声。

如果训练符号与数据符号的周期同为T_s，那么根据信道在一帧内保持准静态的假设，可以数据符号的信道响应也为H。那么在数据符号器件内的接收信号也可表示为Y_date＝HX_date+V_p；采用LS方法进行信道估计的代价函数为:C＝‖Y_ref-HX_ref‖²。

即信道响应H的LS估计为：H_LS＝argmim‖Y_ref-HX_ref‖²。对求H偏导并令其等于0，可以求得H的LS估计值：H_LS＝Y_refX⁺＝Y_refX_ref ^H(X_refX_ref ^H)^-1。

分析H_LS的实际意义，H_LS＝(HX+Vp)X⁺＝H+ε，ε为估计的误差矩阵。由此可以看出估计值H_LS是其真实值H到一个同系数的高斯矩阵ε扰动的结果。

也就是说，不考虑扰动的情况下，H_LS可以看作是真实信道响应H。应用到数据符号接收形式，则有

再忽略掉噪声对均衡的影响，即将

当做发送的数据X_date，最终恢复出传输的信息流。

因此，如图1所示，本例提供一种基于OFDM无线系统的信道估计方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

步骤S2，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

步骤S3，对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

步骤S4，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

步骤S5，通过所述步骤S2得到的均衡后的数据符号与所述步骤S4得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。

本例所述步骤S5中，得到修正后的信道估计值后，将所述修正后的信道估计值返回至所述步骤S2中用于实现对下一个数据符号的均衡。所述步骤S2至步骤S5不断依次完成迭代，直到数据帧中所有数据符号的解析完成则退出。

本例所述步骤S1用于实现信道估计，本地训练序列为X_ref＝[x_ref(1),x_ref(2),…,x_ref(L)]，L为有效载波符号的序号，在训练期间内的接收信号训练序列为Y_ref＝[y_ref(1),y_ref(2),…,y_ref(L)]，则通过公式H_LS＝Y_refX_ref ^H(X_refX_ref ^H)^-1估计所述OFDM无线系统信道响应的信道估计值H_LS，其中，信道估计值H_LS＝[h_LS(1),h_LS(2),…,h_LS(L)]，X_ref ^H为x_ref的共轭。

本例所述步骤S2用于实现数据均衡，在数据符号期间内接收信号的频域表示为Y_k＝[y_k(1),y_k(2),…,y_k(L)],k表示数据符号的序号，通过所述信道估计值H_LS对数据符号进行均衡，均衡后的频域数据为

均衡公式为

为均衡后的数据符号。

本例所述步骤S3用于实现数据解调，使用均衡后的频域数据

进行数据解调，直到恢复出原始信息流。该步骤S3的过程属于接收机正常的解析流程，因此，本例不再详细描述。

本例所述步骤S4用于实现频域恢复，所述步骤S4使用步骤S3得到的原始信息流，按照发送规则编码，获得当前符号的频域信号Y_{k_idel}为Y_{k_idel}＝[y_{k_idel}(1),y_{k_idel}(2),…,y_{k_idel}(L)]。

本例所述步骤S5用于实现信道估计修正，所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S501，利用所述步骤S2得到的均衡后的频域数据

及所述步骤S4得到的当前符号的频域信号Y_{k_idel}，进行数据符号信道估计，得到数据符号的信道估计值H_LS,Date；

步骤S502，按子载波序号，将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度和相位表示；

步骤S503，通过求幅度差和相位差计算当前符号的信道估计幅度和相位估计值，进而得到相位的修正值；

步骤S504，通过预设的权值和所述相位的修正值修正所述信道估计值H_LS。

更为具体的，所述步骤S501中，利用频域数据

及其理想频域数据Y_{k_idel}，进行数据符号信道估计，使用的公式为

进而得到数据符号的信道估计值H_LS,Date，Y_{k_idel} ^H为Y_{k_idel}的共轭。

本例所述步骤S502中，按子载波序号，将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度和相位表示，其中公式为mp(H_LS,Date)＝[|H_LS,Date(1)|,|H_LS,Date(2)|,…,|H_LS,Date(L)|]和Phase(H_LS,Date)＝[angle(H_LS,Date(1)),angle(H_LS,Date(2)),…,angle(H_LS,Date(L))]，angle(x)＝arctan(imag(x)/real(x))。

即所述步骤S502中，所述通过公式Amp(H_LS,Date)＝[|H_LS,Date(1)|,|H_LS,Date(2)|,…,|H_LS,Date(L)|]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度Amp(H_LS,Date)，通过公式Phase(H_LS,Date)＝[angle(H_LS,Date(1)),angle(H_LS,Date(2)),…,angle(H_LS,Date(L))]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为相位Phase(H_LS,Date)，其中，|H_LS,Date(L)|为求H_LS,Date(L)的模值，angle(H_LS,Date(L))＝arctan(imag(H_LS,Date(L))/real(H_LS,Date(L)))。

本例所述步骤503中，需要求当前数据符号信道估计幅度和相位的修正值，通过求幅度差和相位差即可。公式如下：Fact＝AmpFact*cos(PhaseFact)+i*AmpFact*sin(PhaseFact)、AmpFact＝E(Amp(H_LS,Date))和PhaseFact＝E(Phase(H_LS,Date))，其中E(x)为求序列x的均值。

即，所述步骤S503中，通过公式Fact＝AmpFact*cos(PhaseFact)+i*AmpFact*sin(PhaseFact)计算相位的修正值Fact，其中，通过公式AmpFact＝E(Amp(H_LS,Date))计算当前符号的信道估计幅度AmpFact，通过公式PhaseFact＝E(Phase(H_LS,Date))计算相位估计值PhaseFact，E(Amp(H_LS,Date))为求Amp(H_LS,Date)的均值，E(Phase(H_LS,Date))为求Phase(H_LS,Date)的均值

本例所述步骤504通过选择权值α∈(0,1)，进而修正信道估计值H_LS，公式如下，H_LS＝(1-α)H_LS*Fact，一般来说，权值的默认值α＝0.2。

如图2所示，本例还提供一种基于OFDM无线系统的信道估计系统，采用了如上所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，并包括：

信道估计模块，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

数据均衡模块，与所述信道估计模块相连接，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

数据解调模块，与所述数据均衡模块相连接，用于对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

频域恢复模块，与所述数据解调模块相连接，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

信道估计修正模块，分别与所述数据均衡模块和频域恢复模块相连接，通过所述数据均衡模块得到的均衡后的数据符号与所述频域恢复模块得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。

第一、本例使用恢复数据流后，再进行信道估计修正的方法，使用各个子载波幅度和相位均值来补偿，校正信道在频域中的不平稳性。第二、本例所述信道估计复信号，通过转换为幅度和相位实现其补偿方法，该模式对于提升接收性能也有帮助。

综上，本例在处理接收信号时，完成第一个数据符号解析后，按发送规则恢复出当前符号的理想相位，然而后对信道估计值做相位补偿，而补偿后的信道估计值再用于下一个数据符号的均衡，最终达到提升接收性能的目的；因此，本例不需要在数据符号内进行相位跟踪，而且还能够有效提升接收信号的性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于OFDM无线系统的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

步骤S2，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

步骤S3，对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

步骤S4，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

步骤S5，通过所述步骤S2得到的均衡后的数据符号与所述步骤S4得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正；

所述步骤S1中，本地训练序列为X_ref＝[x_ref(1),x_ref(2),…,x_ref(L)]，L为有效载波符号的序号，在训练期间内的接收信号训练序列为Y_ref＝[y_ref(1),y_ref(2),…,y_ref(L)]，则通过公式H_LS＝Y_refX_ref ^H(X_refX_ref ^H)^-1估计所述OFDM无线系统信道响应的信道估计值H_LS，其中，信道估计值H_LS＝[h_LS(1),h_LS(2),…,h_LS(L)]，X_ref ^H为X_ref的共轭；

所述步骤S2中，在数据符号期间内接收信号的频域表示为Y_k＝[y_k(1),y_k(2),…,y_k(L)],k表示数据符号的序号，通过所述信道估计值H_LS对数据符号进行均衡，均衡后的频域数据为

均衡公式为

所述步骤S4中，使用步骤S3得到的原始信息流，按照发送规则编码，获得当前符号的频域信号Y_{k_idel}为Y_{k_idel}＝[y_{k_idel}(1),y_{k_idel}(2),…,y_{k_idel}(L)]；

所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S501，利用所述步骤S2得到的均衡后的频域数据

及所述步骤S4得到的当前符号的频域信号Y_{k_idel}，进行数据符号信道估计，得到数据符号的信道估计值H_LS,Date；

步骤S502，按子载波序号，将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度和相位表示；

步骤S503，通过求幅度差和相位差计算当前符号的信道估计幅度和相位估计值，进而得到相位的修正值；

步骤S504，通过预设的权值和所述相位的修正值修正所述信道估计值H_LS。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤S5中，得到修正后的信道估计值后，将所述修正后的信道估计值返回至所述步骤S2中用于实现对下一个数据符号的均衡。

3.根据权利要求2所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤S2至步骤S5不断依次完成迭代，直到数据帧中所有数据符号的解析完成则退出。

4.根据权利要求1所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述步骤S501通过公式

进行数据符号信道估计，得到数据符号的信道估计值H_LS,Date；所述步骤S502中，所述通过公式Amp(H_LS,Date)＝[|H_LS,Date(1)|,|H_LS,Date(2)|,…,|H_LS,Date(L)|]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为幅度Amp(H_LS,Date)，通过公式Phase(H_LS,Date)＝[angle(H_LS,Date(1)),angle(H_LS,Date(2)),…,angle(H_LS,Date(L))]将数据符号的信道估计值H_LS,Date转换为相位Phase(H_LS,Date)，其中，|H_LS,Date(L)|为求H_LS,Date(L)的模值，angle(H_LS,Date(L))＝arctan(imag(H_LS,Date(L))/real(H_LS,Date(L)))；所述步骤S503中，通过公式Fact＝AmpFact*cos(PhaseFact)+i*AmpFact*sin(PhaceFact)计算相位的修正值Fact，其中，通过公式AmpFact＝E(Amp(H_LS,Date))计算当前符号的信道估计幅度AmpFact，通过公式PhaseFact＝E(Phase(H_LS,Date))计算相位估计值PhaseFact，E(Amp(H_LS,Date))为求Amp(H_LS,Date)的均值，E(Phase(H_LS,Date))为求Phase(H_LS,Date)的均值，i为复信号的虚数单位；所述步骤S504中，通过公式H_LS＝(1-α)H_LS*Fact修正所述信道估计值H_LS，α为预设的权值，α∈(0,1)。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，其特征在于，所述预设的权值默认取值为α＝0.2。

6.一种基于OFDM无线系统的信道估计系统，其特征在于，采用了如权利要求1至5任意一项所述的基于OFDM无线系统的信道估计方法，并包括：

信道估计模块，通过接收信号训练序列与本地训练序列之间的信号差异，估计OFDM无线系统的信道响应，得到信道估计值；

数据均衡模块，与所述信道估计模块相连接，通过信道响应所得到的信道估计值或修正后的信道估计值，对数据符号进行均衡；

数据解调模块，与所述数据均衡模块相连接，用于对均衡后的数据符号进行数据解调，直到恢复出原始信息流；

频域恢复模块，与所述数据解调模块相连接，通过所述原始信息流，按照发送规则编码获得当前符号的频域信号；

信道估计修正模块，分别与所述数据均衡模块和频域恢复模块相连接，通过所述数据均衡模块得到的均衡后的数据符号与所述频域恢复模块得到的当前符号的频域信号进行对比，进而实现信道估计值的修正。

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