基于分塊導(dǎo)頻的SC—FDE信道估計算法改進

楊忠東

摘 要：隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計算法受到了越來越多的重視。信道估計與頻域均衡是單載波頻域均衡（SC-FDF）系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。其中，信道均衡是通過對估計出的信道衰減特征進行補償，從而減小信號在傳輸過程中所受外界的影響，信道估計與頻域均衡性能的好壞共同決定系統(tǒng)最后均衡的效果。因此，研究基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計算法改進具有非常重大的意義。本文介紹了SC-FDE系統(tǒng)和SC-FDE系統(tǒng)模型，闡述了信道估計和理論分析，并且進行了理論分析和信道與噪聲方差估計，最后分析了系統(tǒng)仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：分塊導(dǎo)頻；SC-FDE；信道；估計算法

由于SC-FDE是基于分塊理論進行頻域均衡，因而對信道特征的估計和最終在頻域進行的均衡操作顯得至關(guān)重要。同時，SC-FDE還能對通信中信道的質(zhì)量進行估計，得出信道特征，這是SC-FDE系統(tǒng)進行信道均衡的前提，然而，信道均衡是指對估計出的信道衰減特征進行補償，以減小信號在傳輸過程中受到的外界影響，并且信道估計的質(zhì)量會決定系統(tǒng)最后均衡的效果。因此，需要對信道估計這一關(guān)鍵的模塊進行分析，結(jié)合相關(guān)的仿真結(jié)果，從而得出最優(yōu)的SC-FDE信道估計。通過本文的論述，筆者一方面希望能起到拋磚引玉的作用，另一方面，希望能給相關(guān)的工作人員提供一點參考借鑒的材料。

1 SC-FDE系統(tǒng)概述

SC-FDE系統(tǒng)在發(fā)送端，通過輸入信息流經(jīng)過編碼、符號映射等變換后，可以變成對應(yīng)符號串。為了方便SC-FDE系統(tǒng)的接收端進行頻域均衡處理，在信號發(fā)送端發(fā)出信號時，需要先將模塊進行分塊處理，得到傳輸塊通常也可以稱為符號，信號接收端主要是以塊為單位進行符號的變換。同時，在塊與塊之間需要插入保護間隔，從而消除由于信道多徑引起的傳輸塊之間的串擾。SC-FDE系統(tǒng)的設(shè)計主要的依據(jù)是便于接收端進行快速同步和信道估計等操作。最后，SC-FDE系統(tǒng)將經(jīng)過濾波、混頻、放大后將信號發(fā)送出去。在SC-FDE系統(tǒng)的信號接收端，接收的信號首先需要經(jīng)過放大、濾波、變頻到基帶和解調(diào)等流程，信號還需要利用部分訓(xùn)練塊進行粗定時和載波同步，同時，另一部分訓(xùn)練塊進行系統(tǒng)的進一步細定時同步、載波同步和信道估計。數(shù)據(jù)塊是以快為單位進行變換的，利用信道估計得到的信道狀態(tài)信息需要進行頻域均衡后，最后通過一系列逆變換得到接收判決后的信息。

2 SC-FDE系統(tǒng)模型

SC-FDE系統(tǒng)模型發(fā)送的數(shù)據(jù)先經(jīng)過星座映射，從而得到相應(yīng)的符號串，并且需要將其進行分塊處理，還需要在每一個數(shù)據(jù)塊的前面添加一定長度的UW，以便克服多徑信道帶來的塊間干擾。為了便于接收端進行實時信道估計，需要按照一定的頻度周期性的插入序列。接收端首先需要進行據(jù)幀達到檢測，一旦檢測到長PN序列，則利用該序列進行頻偏估計，并將該序列送入信道估計模塊；利用估計出的信道參數(shù)，頻域均衡模塊和反饋濾波模塊分別對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理。根據(jù)傳輸速率和UW長度要求，可以在兩個序列中合理的選擇一個作為UW的組成序列。

3 信道估計

SC-FDE系統(tǒng)的性能主要依賴于對接收端信道參數(shù)的準確估計。根據(jù)信道處理域的不同，信道估計一般可以分為時域估計和頻域估計兩類。但是，現(xiàn)在的SC-FDE系統(tǒng)一般采用頻域估計的信道估計方法。當然，在信號移動性較強的環(huán)境中，SC-FDE系統(tǒng)的信道估計一般是通過在信號中插入已知的輔助數(shù)據(jù)來進行的。目前，插入輔助數(shù)據(jù)的設(shè)計方案一般包括以下兩個方面，第一，利用每一個傳輸塊的UW作為輔助數(shù)據(jù)，這種輔助數(shù)據(jù)的設(shè)計方案傳輸效率較高，但是估計精度不高。第二，為了進一步解決估計精度等問題，可以將一部分傳輸塊替換成專門用于信道估計的已知輔助數(shù)據(jù)塊，因而需要通過減小傳輸效率來提高估計的精度，這是另一種SC-FDE系統(tǒng)的估計算法。

3.1 利用UW進行SC-FDE系統(tǒng)信道估計

為了提高信道估計的效率和準確性，可以利用UW進行SC-FDE系統(tǒng)信道估計。增大UW長度會在提高信道估計性能，但是會使SC-FDE系統(tǒng)的傳輸效率降低。因此，UW長度需要根據(jù)實際的要求而設(shè)計，并且可以采用多塊UW模式對信道進行多次估計，然后取其平均值以得到更加準確的信道參數(shù)，這樣同樣需要在信道估計性能和傳輸效率上進行折中選擇。

3.2 基于輔助數(shù)據(jù)塊的SC-FDE系統(tǒng)信道估計

由于SC-FDE系統(tǒng)是在時域完成信號的調(diào)制和檢測的，基于輔助數(shù)據(jù)塊的SC-FDE系統(tǒng)信道估計可以方便地使用。同時，SC-FDE系統(tǒng)的頻域信號存在嚴重的問題，尤其是功率較小的頻域信號對估計結(jié)果會產(chǎn)生嚴重的影響。因此，普通的SC-FDE數(shù)據(jù)塊不適合用作SC-FDE系統(tǒng)信道估計的輔助數(shù)據(jù)塊。當然，還應(yīng)該保證SC-FDE系統(tǒng)的輔助序列在時域和頻域上的幅度起伏都很小，因而在時域和頻域都有恒定的幅度。但是，對于信道的變化的情況，由于信道狀態(tài)是隨著時間進行變化的，SC-FDE系統(tǒng)的信道估計一般是分為信道捕獲和信道跟蹤兩步完成的。

4 理論分析

4.1 SC-FDE系統(tǒng)原理

為了進行更加準確的信道估計，SC-FDE系統(tǒng)在發(fā)送端需要對符號映射后，然后將數(shù)據(jù)塊劃分為多個子數(shù)據(jù)塊。SC-FDE 系統(tǒng)原理是將模塊中的導(dǎo)頻分為多個子導(dǎo)頻，再將子導(dǎo)頻插入子數(shù)據(jù)塊中，從而形成新的數(shù)據(jù)幀形式，最后利用這種新的數(shù)據(jù)幀形式進行信道估計。在接收端，主要是利用信道估計的結(jié)果進行頻域均衡。

4.2 據(jù)幀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的SC-FDE系統(tǒng)采用循環(huán)前綴作為導(dǎo)頻，再將每個數(shù)據(jù)塊的符號進行復(fù)制用于信道估計。因此，采用已知的獨特字序列進行信道估計，由于其發(fā)送端和接收端的導(dǎo)頻序列都是確定的，因而可以進行更加精確的信道估計。同時，將導(dǎo)頻UW分割為多個分塊導(dǎo)頻，取其平均值作為子信道頻率響應(yīng)的估計值。由于沒有增加導(dǎo)頻的數(shù)量，因而需要利用子導(dǎo)頻進行多次估計可以提高信道估計的精確度。同時，還需要數(shù)據(jù)塊的子導(dǎo)頻進行再次分割，最后再去平均值，并且采用FFT插值的方法，以得到每個子信道頻率響應(yīng)的估計值。但是，數(shù)據(jù)塊和導(dǎo)頻的數(shù)量沒有發(fā)生變化，因此，該方法不會增加系統(tǒng)的頻帶利用率。由于進行數(shù)據(jù)分塊處理，在快衰落條件下，可以更精確地跟蹤信道的變化。

5 信道與噪聲方差估計

5.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

SC-FDE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一般包括以下兩種設(shè)計方案，第一，基于循環(huán)前綴的幀結(jié)構(gòu)。第二，基于UW的幀結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)方案也包括以下兩種，首先，在每段有效數(shù)據(jù)前面插入一個UW序列，UW序列不僅能夠吸收前一個數(shù)據(jù)塊造成的多徑干擾，還能用于接收端的信道估計。第二，在每段有效數(shù)據(jù)的前后分別插入一個UW序列，在兩個UW序列中，后一個用于吸收前一個數(shù)據(jù)塊造成的多徑干擾，，前一個用于該塊的信道估計。其中，具有特殊字UW序列的長度，一般系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的帶寬利用率包括以下三種，第一種系統(tǒng)據(jù)幀結(jié)構(gòu)具有最高的帶寬利用率，但是，其數(shù)據(jù)塊后面一部分的復(fù)制，對于接收端來說是未知信息，還需要另外插入訓(xùn)練序列進行同步和信道估計，但是，這樣會降低系統(tǒng)帶寬利用率。第二種和第三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，由于發(fā)送端插入的導(dǎo)頻序列是UW序列，這樣還有助于后面的同步和信道估計。其中，第二種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的帶寬利用率比較高，但是，UW塊吸收了前一個數(shù)據(jù)塊的多徑影響，再用該UW塊進行信道估計時，從而使得SC-FDE系統(tǒng)的估計精度大大降低。目前，在SC-FDE系統(tǒng)中，大多數(shù)SC-FDE系統(tǒng)采用的是第三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。但是，當每一段有效數(shù)據(jù)與其后面的UW序列組成一個數(shù)據(jù)塊時，UW序列的插入使得數(shù)據(jù)塊具有較好的周期性和自相關(guān)特性。同時，數(shù)據(jù)塊前面的UW序列一方面與循環(huán)前綴的作用相同，不僅可以用作均衡、同步和信道估計中的導(dǎo)頻，還能吸收前一數(shù)據(jù)塊的干擾。

5.2 信道估計算法

SC-FDE系統(tǒng)的時域一般會經(jīng)過多徑信道的情況，采用以上三種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，因此，采用信道估計算法顯得至關(guān)重要。當然，每一發(fā)送數(shù)據(jù)塊尾部添加UW，以執(zhí)行循環(huán)前綴。并且還需要調(diào)制每一個數(shù)據(jù)塊的長度，從而保證信道估計算法的精確性。在發(fā)送信號之前，SC-FDE系統(tǒng)的頭尾需要各自添加一個UW塊。當假定信道是準靜態(tài)時，在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，信道就是非時變的。

6 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

采用不同算法仿真的誤碼率曲線都不相同，從信道估計的方法的算法來看，理論的插值的信道估計方法是最好的估計方法，插值方法的準確性相比其他方法更高。與均衡算法相比，信道估計方法比其他的效果更好，仿真結(jié)果也驗證了這一點。同時需要注意的是，采用插值方法估計的值與均衡方法得到的誤碼率曲線相差不大。因此，為了得到更好的誤碼率性能，一般選用插值的信道估計算法。同時，在實現(xiàn)頻域均衡算法時，還需要估計信道的信噪比，雖然實現(xiàn)算法比較復(fù)雜，在采用插值跟蹤時對系統(tǒng)性能的提升效果不明顯，但是，采用均衡方法更加具有綜合優(yōu)勢。因此，需要綜合考慮SC-FDE系統(tǒng)的誤碼率與實現(xiàn)復(fù)雜度性能，從而選擇出更適合的估計算法。通過系統(tǒng)仿真結(jié)果分析表明，插值信道估計和均衡估計是SC-FDE系統(tǒng)最具優(yōu)勢的信道估計與頻域均衡組合算法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

7 總結(jié)

總而言之，基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計算法顯得越來越重要。為了更好地提高SC-FDE信道估計算法的精度，需要對兩個模塊的各個不同算法進行組合，分別得到了不同組合方式下的仿真結(jié)果。最后，通過仿真結(jié)果分析表明，采用插值信道跟蹤的信道估計算法比其他兩種信道估計算法的誤碼率性能有較大的提高。但是，在采用插值信道估計算法時，以上兩種算法對系統(tǒng)誤碼率性能改善的效果大致相同。所以，我們需要綜合考慮誤碼率和算法實現(xiàn)復(fù)雜度等因素，在SC-FDE系統(tǒng)實現(xiàn)方案中，選擇最優(yōu)的組合方案。因此，現(xiàn)階段研究基于分塊導(dǎo)頻的SC-FDE信道估計算法改進具有非常重大的現(xiàn)實意義。以上是本人的粗淺之見，由于本人的知識水平及文字組織能力有限，文中如有不到之處還望不吝賜教。

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