地空測(cè)控鏈路OFDM信道估計(jì)

孫志剛，張 晶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

地空測(cè)控鏈路用于完成對(duì)無(wú)人飛行器的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和載荷信息傳輸，為保證測(cè)控任務(wù)可靠性，一般包括窄帶上行、下行鏈路和寬帶下行鏈路。窄帶鏈路完成遙控、遙測(cè)和測(cè)距功能，采用擴(kuò)頻抗多徑、抗干擾傳輸體制，具有較高的通信可靠度。隨著載荷數(shù)據(jù)速率的提高和應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜，又由于無(wú)人飛行器大動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，地空測(cè)控鏈路具有較大的多普勒頻移和快速變化的多徑衰落，寬帶下行鏈路需具有較強(qiáng)的抗大多普勒、抗多徑平衰落和頻率選擇性衰落的能力。OFDM是近年來(lái)移動(dòng)通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣泛采用的抗多徑衰落寬帶通信技術(shù)［1］，其可適用的運(yùn)動(dòng)速度一般為120 km/h，要適應(yīng)地空測(cè)控鏈路信道大動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，還需要提高OFDM對(duì)快速變化信道的信道估計(jì)能力，并控制傳輸開(kāi)銷。本文提出利用地空測(cè)控窄帶鏈路的信道估計(jì)輔助寬帶鏈路進(jìn)行信道估計(jì)的方法。

1 OFDM信道估計(jì)系統(tǒng)基帶模型

對(duì)于OFDM系統(tǒng)中的相干檢測(cè)，信道估計(jì)就是對(duì)從發(fā)送天線到接收天線之間的無(wú)線信道頻率響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，從而得到所有子載波的參考相位和幅度值，以達(dá)到對(duì)信源數(shù)據(jù)的正確解調(diào)［2］。OFDM系統(tǒng)相干檢測(cè)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 OFDM系統(tǒng)基帶框圖

發(fā)送信號(hào)在帶有加性白高斯噪聲(AWGN)的多徑衰落信道中傳輸，假設(shè)接收端已完成正確的定時(shí)和頻偏估計(jì)，并進(jìn)行了補(bǔ)償，則接收信號(hào)yg(n)可以表示為:

式中，h(n)為信道的時(shí)域沖激響應(yīng);w(n)為加性白高斯噪聲。

對(duì)于地空測(cè)控鏈路，認(rèn)為信道是準(zhǔn)靜止的，即在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)信道是近似不變的。這樣，信道模型可表示為:

式中，L為多徑的總路徑數(shù);al為第l徑的幅度，fDl為第l徑的多普勒頻移;τl為第l徑的時(shí)延;N為子載波數(shù);T為OFDM符號(hào)有效長(zhǎng)度;λ為離散化時(shí)延參數(shù)。

去掉循環(huán)前綴后，經(jīng)FFT變換，接收信號(hào)的頻域表達(dá)式為:

式中，X(k)、Y(k)、H(k)和W(k)分別對(duì)應(yīng)于x(n)、y(n)、h(n)和w(n)的傅里葉變換;若不考慮fDl的存在，即子載波間保持正交性，則有

因此，就OFDM系統(tǒng)而言，信道估計(jì)就是要估計(jì)出每個(gè)子載波上的頻率響應(yīng)H(k)。

2 信道估計(jì)算法

地空測(cè)控窄帶上行、下行鏈路采用直接序列擴(kuò)頻BPSK調(diào)制發(fā)射和隱分集瑞克接收技術(shù)，具有測(cè)距、多普勒測(cè)量和多徑及延時(shí)估計(jì)等功能，由于窄帶鏈路與寬帶鏈路信道在頻段和時(shí)間、空間上一致，其多徑分布基本一致，因此窄帶鏈路信道估計(jì)可用于輔助寬帶鏈路進(jìn)行信道估計(jì)。寬帶鏈路信道主要多徑數(shù)L及其對(duì)應(yīng)延時(shí)τl與窄帶鏈路信道估計(jì)參數(shù)基本一致，窄帶鏈路信道估計(jì)的多普勒頻偏通過(guò)頻率比例換算可得到寬帶鏈路各子載波多普勒頻偏粗估計(jì)fDl0，再利用OFDM導(dǎo)頻序列完成各子載波多徑幅度al估計(jì)和多普勒頻偏fDl的精確估計(jì)。

導(dǎo)頻插入圖案如圖2所示［3］，灰色的框即為導(dǎo)頻符號(hào)插入處，更多子載波通過(guò)頻域方向的復(fù)制而得到。在包含N個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)中，以2個(gè)OFDM符號(hào)為一組，頻域每隔Nf1或Nf2(Nf1＜Nf2)個(gè)子載波交錯(cuò)插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)。

圖2 導(dǎo)頻插入圖案

對(duì)于第m個(gè)OFDM符號(hào)，其完整的頻域信號(hào)的表示式為:

式中，Pm(k)為頻域?qū)ьl符號(hào);Dm(k)為頻域數(shù)據(jù)符號(hào);在接收端，信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變多徑的無(wú)線信道，假設(shè)時(shí)間和頻率同步已經(jīng)完成，則DFT輸出端的接收信號(hào)可表示為:

式中，Hm(k)即為在第m個(gè)OFDM符號(hào)的第k個(gè)子載波上的信道頻率響應(yīng);Wm(k)為高斯噪聲在第m個(gè)OFDM符號(hào)的第k個(gè)子載波上的頻率響應(yīng)。

利用LS(Least Squares)算法，對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)中插入的導(dǎo)頻符號(hào)位置的信道特性進(jìn)行估計(jì)，得到導(dǎo)頻符號(hào)處的信道估計(jì)為:

3 仿真及分析

對(duì)于上述設(shè)計(jì)的信道估計(jì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如下:子載波數(shù)為N=1 024，循環(huán)前綴Ng=256，采樣率為12 MHz;QPSK調(diào)制。導(dǎo)頻符號(hào)插入方式如下:

① 對(duì)于文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］，一個(gè)OFDM 符號(hào)的1 024個(gè)子載波中均勻插入256個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，即每隔4個(gè)子載波插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào);

②對(duì)于本算法，按照?qǐng)D2的插入方式，1 024個(gè)子載波中，單數(shù)OFDM 符號(hào)依次間隔4、12、4、12、…個(gè)子載波插入導(dǎo)頻符號(hào);雙數(shù)OFDM符號(hào)依次間隔12、4、12、4、…個(gè)子載波插入導(dǎo)頻符號(hào)，即一個(gè)OFDM符號(hào)中包含128個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)。

信道采用4徑的多徑傳輸信道模型，每徑的功率譜為Jakes模型，其中主徑的多普勒頻率分別設(shè)為fd=10 Hz和fd=15 kHz，其他3個(gè)副徑的功率衰落分別為 －10 dB、－20 dB和 －25 dB，時(shí)延分別為2.5 us、5 us和10 us。

圖3是主徑多普勒頻率fd=10 Hz時(shí)，3種算法的誤碼率性能比較?？梢钥闯觯诙嗥绽疹l率較小時(shí)，文獻(xiàn)［5］算法與本文設(shè)計(jì)的算法性能相近，而文獻(xiàn)［4］算法的性能略有下降。這是因?yàn)椋墨I(xiàn)［5］算法與本文算法均是先利用導(dǎo)頻子載波的LS信道估計(jì)值，完成對(duì)其他所有子載波的線性插值后，再進(jìn)行基于DFT的時(shí)域?yàn)V波;文獻(xiàn)［4］則是在對(duì)導(dǎo)頻子載波完成LS信道估計(jì)后直接進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波，前兩者不存在用于IDFT變換的有效樣點(diǎn)數(shù)小于多徑信道最大延遲時(shí)間的問(wèn)題，而且更多的樣點(diǎn)數(shù)使前者比后者具有更好的性能。

圖3 fd=10 Hz時(shí)3種算法的誤碼率性能比較

圖4是主徑多普勒頻率fd=15 kHz時(shí)，3種算法的誤碼率性能比較?？梢钥闯觯?dāng)主徑多普勒頻率很大，以至于超出文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］中算法的估計(jì)能力時(shí)，這2種算法的性能明顯變差，即使在信噪比較大的情況下也不能使性能有所改善;也就是說(shuō)，多普勒頻率的增大，使信道的時(shí)變性加快，插入的導(dǎo)頻符號(hào)已不能適應(yīng)信道快速變化的要求，由此估計(jì)出的信道特性也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際信道的特性，從而造成大量的誤碼，而且這種性能已與信噪比沒(méi)有太大的關(guān)系，只與信道估計(jì)的誤差有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的算法，由于可以依據(jù)系統(tǒng)提供的相關(guān)參數(shù)，預(yù)先計(jì)算最大的多普勒頻率，以及確定具有大多普勒頻率路徑的信道特性，并加以消除，從而使其待估部分的信道已呈現(xiàn)緩慢的時(shí)變特性，此時(shí)算法中設(shè)計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)可以正確反映和跟蹤該部分的信道變化情況，因此最后得到的總的信道估計(jì)值與實(shí)際的信道特性基本一致，從圖4中亦可以看到多普勒頻率的增大，對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

圖4 fd=15 kHz時(shí)3種算法的誤碼率性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地空測(cè)控鏈路的應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，對(duì)基于OFDM技術(shù)的信道估計(jì)問(wèn)題展開(kāi)了研究。首先建立了用于信道估計(jì)的系統(tǒng)基帶模型，然后為地空測(cè)控鏈路設(shè)計(jì)了特有的導(dǎo)頻插入方式和信道估計(jì)算法，并在多徑傳輸信道下，將新算法與文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］中的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和比較，結(jié)果證明新算法更能適應(yīng)快速時(shí)變信道的使用要求，且具有良好的信道估計(jì)性能。

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