CN111490951A - 一种基于多相fft的信号估计和信道内插方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法及装置，包括估计导频子载波处的信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；若需要进行单相FFT运算则将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算；若需要进行多相FFT运算则将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT中进行FFT运算，完成信道估计和内插。能够实现内插信号不受2的整数次幂的限制，实现既简单性能又好的信道估计。

Description

一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法及装置
技术领域
本申请涉及信道通信技术领域，尤其涉及一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法及装置。
背景技术
与有线信道相比，无线信道中的信号传输所经历的环境要复杂的多，其传输过程中受到发射端和接收端间的复杂地形、移动物体和空气温度湿度以及它们的变化特性的影响，呈现出许多不稳定的传输损伤。无线信道的传播模型可分为大尺度(Large-scale)传播模型和小尺度(Small-scale)传播模型；大尺度衰落表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。而小尺度衰落表征了接收信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速的波动。
影响小尺度衰落的因素有很多，其中包括：
1.多径传播由于无线信道中反射和反射物的存在，使得发射信号到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。
2.移动台的运动速度基站与移动台的相对运动会导致接收信号发生多普勒频移，从而使接收信号的合成信号产生非线性失真。
3.传播环境物体的运动如果无线信道中存在高速的物体，这时会引起时变的多普勒频移。
4.信号的传输带宽如果发射信号的传输带宽比信道的带宽更宽，那么接收信号就会产生失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多(即小尺度衰落不占主导地位)。
从而无线信号经过无线信道后分别形成了频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，也分别产生了时延扩展、多普勒扩展和角度扩展。这三种扩展分别对应三组相关参数：相干带宽、相干时间和相干距离。
在一般通信应用中，接收端可以采用相干解调或差分解调的方式。差分解调的最大好处是不需要利用信道信息，接收机比较简单。但正因为这样，它会比相干解调性能低3dB左右，而且差分解调不能使用多电平调制技术。因此为了获得更好的系统性能，更高的频谱利用率，通常采用相干解调。相干解调依赖于各载波上信号相位和幅度变化信息，因此需要对信道做出估计。
基于辅助信息的信道估计方法是在发送端信号的某些固定位置插入一些已知的导频符号或训练序列，在接收端利用这些导频符号或训练序列按照某些算法进行信道估计。此类估计占用了系统带宽，信道跟踪速度快，容易实现[14]。
基于导频的信道估计通常要考虑三个关键问题：一是导频信号的位置安排即导频图样的选择；二是如何根据接收信号做出准确的导频信道估计，而且信道估计算法复杂度低；三是如何利用估计出的导频信道信息，经过合适的内插算法，得到数据信道的信道估计。导频图样的选择即是对导频插入方式的选择。在设计OFDM系统的导频图样时，既要让导频间隔尽量小，以保证对信道的时变性和频率选择性能够很好的跟踪，同时也要让系统不能因为过多的导频插入而造成很大的开销。所以在实际系统的设计时，就应权衡各方面问题以求达到最合适的要求。
信道估计的方法会有所不同，但可采用的数学最优化准则是相同的，常用的有最小平方(Least square，Ls)估计准则和最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)估计准则。虽然LS算法最简单，但性能差，MMSE和LMMSE虽然性能好，但是运算量较大，参数不好控制，故此需要一种既简单性能又好的信道估计。
发明内容
本申请提供了一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，包括：
估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
若判定信道脉冲响应需要进行单相FFT运算，则将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
若判定信道脉冲响应需要进行多相FFT运算，则将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT中每个子相进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其中，信道脉冲响应的起始位置为主路径位置，将信道脉冲响应进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗口内都是迟于主路径到达的多径信号，W2是早于主路径到达的多径信号；信道脉冲响应长度是Np，W1窗的长度是N1，设置Np/2<N1<Np，N1＝2/3*Np。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其中，若待插值FFT运算长度N等于2的整数次幂，则需要进行单相FFT运算，若N等于非2的整数次幂，则需要进行多相FFT运算。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其中，进行单相FFT运算，具体包括如下子步骤：
将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应；
对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其中，采用多相FFT运算级联装置进行多个FFT小的运算，其中每一个FFT窗大小是Ns＝N/sN，sN是分段个数，且设置Ns>＝Np，Np为信道脉冲响应长度。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其中，进行多相FFT运算，具体包括如下子步骤：
将Na点插值到Ns点；
将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；
对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；
对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应。
本申请还提供一种基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，包括：
信道脉冲响应计算模块，用于估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
信道脉冲响应主路径划分模块，用于将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
单相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行单相FFT运算时，将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
多相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行多相FFT运算时，将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT中每个子相进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其中，信道脉冲响应主路径划分模块，具体用于将信道脉冲响应进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗的长度是N1，信道脉冲响应长度是Np，设置Np/2<N1<Np，N1＝2/3*Np。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其中，单相FFT运算模块，具体用于将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应。
如上所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其中，多相FFT运算模块，具体用于将Na点插值到Ns点；将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应。
本申请实现的有益效果如下：采用本申请提供的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法及装置，能够实现内插信号不受2的整数次幂的限制，实现既简单性能又好的信道估计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例一提供的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法流程图；
图2是对信道脉冲响应进行前后窗划分和单相FFT时域内插进行FFT运算示意图；
图3是多相FFT运算级联装置示意图。
具体实施方式
下面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，显然，所描述的实施例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。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，如图1所示，包括：
步骤110、估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
先根据本地参考导频和FFT/1.频域资源解映射得到导频子载波处的信道频域响应
Figure BDA0002400850300000053
然后对信道频域响应CFR进行IDFT变换得到CIR-信道脉冲响应：
Figure BDA0002400850300000051
步骤120、将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
本申请实施例中，OFDM的同步一般都是基于最大路径为基准点进行的同步，信道的CIR的起始位置就是主路径位置，如图2所示，将信道脉冲响应CIR进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗口内都是迟于主路径到达的多径信号，W2认为是早于主路径到达的多径信号；信道的整体响应长度是Np，W1窗的长度是N1，由于提前主路径到达的信号一般较少且短，故一般设置Np/2<N1<Np.一般设置N1＝2/3*Np。
步骤130、判断是否需要进行多相FFT运算，如果是，则执行步骤150，否则执行步骤140；
具体地，对于待插值FFT运算长度N，若N等于2的整数次幂，则只需要进行单相FFT运算，若N等于非2的整数次幂，则需要进行多相FFT运算；
例如，FFT运算长度N为1792，进行单相FFT运算难度较大，同时也为了减少运算量，把一个单一的FFT运算分成多个小的FFT运算，然后多个小的FFT运算级联组成一个大的FFT输出。采用多相FFT运算级联装置进行多个FFT小的运算，其中每一个FFT窗大小是Ns＝N/sN，sN是分段个数，例如整体N＝1792，Sn＝7,那么每一段长度Ns＝256，其中要求Ns>＝Np。
步骤140、将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
图2为单相FFT时域内插进行FFT运算的示意图。
本申请实施例中，对于运算长度为2的整数次幂的信道脉冲响应，则只需对信道脉冲响应进行单相FFT运算，具体包括如下子步骤：
步骤141、将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应GN(n)；
具体地，将信号Na点插值到N点后，得到的信道脉冲响应为：
Figure BDA0002400850300000052
步骤142、对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应；
具体地，对信道脉冲响应GN(n)进行DFT变换后得到的所有子载波上的信道的频域响应为：
Figure BDA0002400850300000061
返回参见图1，步骤150、将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
图3为多相FFT运算级联装置示意图。对于运算长度为非2的整数次幂的信道脉冲响应，则需要对信道脉冲响应进行多相FFT运算，具体包括如下子步骤：
步骤151、将Na点插值到Ns点；
具体地，将信号Na点插值到Ns点后，得到的信道脉冲响应为：
Figure BDA0002400850300000062
步骤152、将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；
具体地，将信号Ns点插值到N点后，得到的信道脉冲响应为：
Figure BDA0002400850300000063
对上式转换得到：
mGNs,p(n)＝GNs,p(n)*roat_phase(n)p,p＝1,2...P,n＝0,1,2...Ns-1
其中，尾部旋转因子mulph为mulphp＝exp(1i*2π*(p-1)/P),p＝1,2...P。
步骤153、对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；
对新的信道脉冲响应GNs,p(n)进行多相级联组合得到多相级联组合结果GNP：
GNP＝[mGNs,1,mGNs,2,...,mGNs,P]
步骤154、对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应；
具体地，对多相级联组合结果GNP进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应为：
Figure BDA0002400850300000064
本申请基于多相旋转内插FFT处理，使得内插信号不受2的整数次幂限制，更好的实现信号的插入处理。
本申请还提供一种基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，包括：
信道脉冲响应计算模块，用于估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
信道脉冲响应主路径划分模块，用于将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
单相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行单相FFT运算时，将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
多相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行多相FFT运算时，将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT中每个子相进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插。
其中，信道脉冲响应主路径划分模块，具体用于将信道脉冲响应进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗的长度是N1，信道脉冲响应长度是Np，设置Np/2<N1<Np，N1＝2/3*Np。
本申请实施例中，单相FFT运算模块，具体用于将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应。
多相FFT运算模块，具体用于将Na点插值到Ns点；将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，包括：
估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
若判定信道脉冲响应需要进行单相FFT运算，则将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
若判定信道脉冲响应需要进行多相FFT运算，则将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插。
2.如权利要求1所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，信道脉冲响应的起始位置为主路径位置，将信道脉冲响应进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗口内都是迟于主路径到达的多径信号，W2是早于主路径到达的多径信号；信道脉冲响应长度是Np，W1窗的长度是N1，设置Np/2<N1<Np，N1＝2/3*Np。
3.如权利要求1所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，若待插值FFT运算长度N等于2的整数次幂，则需要进行单相FFT运算，若N等于非2的整数次幂，则需要进行多相FFT运算。
4.如权利要求1所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，进行单相FFT运算，具体包括如下子步骤：
将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应；
对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应。
5.如权利要求1所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，采用多相FFT运算级联装置进行多个FFT小的运算，其中每一个FFT窗大小是Ns＝N/sN，sN是分段个数，且设置Ns>＝Np，Np为信道脉冲响应长度。
6.如权利要求5所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插方法，其特征在于，进行多相FFT运算，具体包括如下子步骤：
将Na点插值到Ns点；
将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；
对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；
对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应。
7.一种基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其特征在于，包括：
信道脉冲响应计算模块，用于估计导频子载波处的信道频域响应，对信道频域响应进行IDFT变换得到信道脉冲响应；
信道脉冲响应主路径划分模块，用于将信道脉冲响应划分为主路径提前窗口和主路径后部窗口；
单相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行单相FFT运算时，将信号Na点插值到N点，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，进行一个FFT运算，完成FFT信道估计和内插；
多相FFT运算模块，用于当判定信道脉冲响应需要进行多相FFT运算时，将信号Na点插值到Ns点，再将信号Ns点插值到N点，将信道脉冲响应划分为多相FFT，将主路径提前窗口设置为最左端，主路径后部窗口设置为最右端，对多相FFT中每个子相进行FFT运算，完成FFT信道估计和内插。
8.如权利要求7所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其特征在于，信道脉冲响应主路径划分模块，具体用于将信道脉冲响应进行前后窗划分，划分得到主路径提前窗口W1和主路径后部窗口W2，W1窗的长度是N1，信道脉冲响应长度是Np，设置Np/2<N1<Np，N1＝2/3*Np。
9.如权利要求7所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其特征在于，单相FFT运算模块，具体用于将信号Na点插值到N点后，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行DFT变换得到所有子载波上的信道频域响应。
10.如权利要求7所述的基于多相FFT的信号估计和信道内插装置，其特征在于，多相FFT运算模块，具体用于将Na点插值到Ns点；将信号Ns点插值到N点，得到新的信道脉冲响应；对新的信道脉冲响应进行多相级联组合；对多相级联组合结果进行DFT变换得到所有子载波上的信道的频域响应。
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