可见光通信系统中基于DFT的信道估计方法与流程

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可见光通信系统中基于DFT的信道估计方法与流程

本发明涉及可见光通信技术领域,尤其涉及一种可见光通信中基于dft的信道估计方法。



背景技术:

正交频分复用技术(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,ofdm)应用在通信系统中可以有效抵抗码间干扰(inter-symbolinterference,isi)。同时,通过在符号间插入循环前缀(cyclicprefix,cp),可以进一步消除载波间干扰(intercarrierinterference,ici)。

因此将ofdm技术应用在vlc(可见光通信)系统中可以有效抵抗isi和ici,同时提高系统的频谱利用率。在vlc系统中使用的是强度调制直接检测(intensitymodulation/directdetection,im/dd),信号以光强作为载体进行传播,本系统采用的调制方式为dco-ofdm(directcurrentoptical-ofdm)。

信道估计是通信系统中非常重要的步骤,只有获得信道信息,才可以进行后续的信道均衡、解调、译码等。基于导频的信道估计算法比较简单,准确度较高,常用的信道估计算法有最小二乘(leastsquares,ls)、线性最小均方误差(linearminimummeansquarederror,lmmse)和基于dft的信道估计算法。ls算法没有考虑噪声的影响而性能较差,lmmse性能较好但是过高的复杂度在实际系统中并不适用,而基于dft的信道估计算法计算简单,性能比较好,因此本发明将基于dft的信道估计算法应用在vlc系统中。



技术实现要素:

发明目的:本发明针对现有技术存在的问题,提供一种可见光通信系统中基于dft的信道估计方法,计算简单,性能好。

技术方案:本发明所述的

本发明所述的可见光通信系统中基于dft的信道估计方法包括以下步骤:

(1)采用ls算法获得可见光通信系统中导频子载波的初始频域信道响应其中,

式中,yp表示导频位置处的接收信号,xp为发送端插入导频位置处的数据的np×np对角矩阵,其对角元素为发送信号x的n点fft变换值的对应导频位置处的值,np为导频个数,n为子载波个数;

(2)对做矩阵运算得到信道的初始时域信道响应仅取信道响应长度内的信道信息,即

式中b为np×l阶的dft矩阵,l为信道时域响应的最大长度;

(3)将初始时域信道响应的尾部添零使其长度为n,即

(4)对作n点dft变换,得到估计的信道其中,

有益效果:本发明与现有技术相比,其显著优点是:本发明的时域修正算法就是时域ls算法的思想,对于步骤2变换到时域的过程,不是直接做idft,而是使用不完全的idft变换矩阵,可以直接得到时域响应,避免了虚载波的存在造成的信道信息缺失而引起的误差,即也避免了能量泄露的问题出现。因此该算法不再受虚载波的影响,要优于简单的补偿算法,并且没有误差平台的出现。

附图说明

图1是可见光dco-ofdm基带系统框图。

图2是vlc基带系统发射机基本框图。

图3是vlc基带系统接收机基本框图。

图4是可见光dco-ofdm系统物理层帧结构。

图5是基于导频的dft补偿算法及时域修正算法的nmse。

具体实施方式

一、技术问题分析

本发明的系统模型根据dco-ofdm系统设计,具体如图1所示,图2为vlc基带系统发射机的基本框图。从mac层接收到的信息经过网口模块到达fpga的基带处理部分,对以太帧数据进行加扰、信道编码、交织、星座映射、ifft变换、加cp等操作,获得时域离散数据。在数据进入dac模块之前,要加入帧头数据,即短训练序列(shorttrainingsequence,sts)、长训练序列(longtrainingsequence,lts)、物理头(phyheader)等数据,用于接收端的同步、信道估计等。图3为可见光dco-ofdm系统的接收机主要处理流程。接收机数据经过ad转换后,首先进行帧检测、同步等,然后对接收的数据去除cp,再经过fft操作得到频域数据,通过提取之前的训练序列数据和接收到的导频序列的数据进行信道估计,接下来再进行频域均衡、解调、解交织、信道解码、解扰等后续操作。基带的处理在物理层进行实现,图4为可见光dco-ofdm系统的物理层帧结构。vlc系统中帧的设计方法参考ieee802.11a,一帧数据中包含sts、lts、phyheader、物理层载荷(phypayload)和帧间隔(ifs)。其中,sts用于帧检测和帧同步,lts在sts之后,用于在帧检测之后进行信道估计。然后是物理头部分,用于传输一些接收端解调需要的参数,如调制阶数等,长度为一个ofdm符号。物理头之后是传输有效数据,最后是帧间隔部分,长度为一个或两个ofdm符号,用于标志物理层一帧数据的结束。

对于dco-ofdm系统,导频位置处的接收信号可以表示为

yp=xphp+wp

式中xp为的np×np的对角矩阵,其对角元素为发送信号x的n点fft变换值的对应导频位置处的值,hp为np×1维的信道列向量,wp为np×1维的噪声向量。

基于导频的信道估计过程主要考虑以下三个方面的问题:发送端导频图案的选择、取得导频处的信道信息、通过导频处的信道信息获得整个信道信息。

在ofdm传输系统中,常用导频图案有梳状导频和块状导频。梳状导频适用于快衰落信道,而块状导频适用于慢衰落信道。由于可见光信道为慢衰落信道,因此采用块状的导频方式进行信道估计的计算。

基于dft的信道估计算法易于实现,性能较好,所以备受关注。为了防止其他系统的干扰,vlc系统在传输带宽的两侧预留出一部分子载波作为保护频带,称之为虚拟子载波(virtualcarriers,vc)。

在存在虚载波的系统中,一般在ls算法估计之后直接将虚拟子载波处的频响值设为0。在频域上,虚载波的存在相当于给信道频率响应加两个矩形窗函数;在时域上,相当于系统的时域冲激响应与矩形窗函数的时域响应做卷积。由于时域上与包含两个主瓣的sinc函数做卷积,导致信道能量不再是集中在前面的l个点上,而是会泄露到所有的采样点上,导致信道cir变长,造成了能量的泄露。

为分析虚载波对系统的影响,假设虚载波位置处也存在导频,其分布规律与有效数据子载波处相同。设分别为中间虚拟子载波右侧和左侧的有效数据子载波内的导频数、虚拟子载波内应有的导频数,np为总的导频数,即iin、iout分别为有效数据子载波和虚拟子载波内导频位置的集合,有

则将虚拟子载波内的导频位置处的值置为零后信道响应

式中,表示采用ls信道估计算法估计出的导频位置处的信道响应值。

则基于dft变换的信道估计

式中nu为有效数据子载波数,为nu×np的dft变换矩阵,为有效数据子载波处的实际频率响应,为信道估计误差,其虚载波内的数据为0,为虚拟子载波处应有导频的信道频率响应。则存在虚载波的系统的有效数据子载波内的估计误差为

由上式可以看出,该信道估计算法误差是受噪声和虚拟子载波内的信道信息缺失而引起的,并且这两部分相互独立。

则该信道估计算法的均方误差(meansquareerror,mse)为

式中β是与调制方式相关的常数,snr为输入信号的平均信噪比,为信道频率响应的自相关矩阵。

可以看出,存在虚载波的基于dft信道估计误差有两部分组成:一是噪声影响所带来的误差,可以认为与不存在虚载波时dft信道估计误差相等;二是由于虚载波带来的信息缺失而造成的误差,虚载波处缺失的信息越多,从而造成的信道估计也越大,特别是在高信噪比时,虚载波的存在使得能量泄漏到相邻的有用子载波上,但是在时域进行截断的操作使得有用信号的能量损失,造成了地板效应。

为了降低虚载波对基于dft信道估计算法的影响,可以从两方面考虑,一是减小噪声的影响,二是减小虚拟载波信息缺失所造成的误差,即需要对虚载波处的信道值进行补偿。减小噪声的影响即基本的基于dft信道估计算法,为了提高信道估计的精度,需要对虚载波缺失造成的误差进行补偿。

二、技术方法

为降低虚载波对系统造成的影响,常见的补偿算法有重复边缘值法和部分子载波法。此两种算法计算比较简单,但是误差比较大,且没有一种最优的补偿算法来完全消除虚载波的影响。本发明修正基于dft的方法,提高估计性能,具体步骤如下:

(1)采用ls算法获得可见光通信系统中导频子载波的初始频域信道响应其中,

(2)对做矩阵运算得到信道的初始时域信道响应仅取信道响应长度内的信道信息,即

式中b为np×l阶的dft矩阵,l为信道时域响应的最大长度;

(3)将初始时域信道响应的尾部添零使其长度为n,即

(4)对作n点dft变换,得到估计的信道其中,

fn为dft变换矩阵。

三、仿真验证

对可见光dco-ofdm系统中基于导频的dft信道估计算法在matlab上进行浮点仿真分析比较,由于可见光信道为慢时变信道,因此采用块状导频进行信道估计的研究。在本系统中,在发送数据帧不长的情况下,认为一帧内信道保持不变。通常在帧头中设计两个长训练序列,取两者的平均来改进信道估计的质量,通过两次估计求平均一般可使精度增加3db。主要的仿真参数为:fft/ifft点数n=512,子载波间隔δf=312.5khz,信号带宽bw=242×312.5khz=75.625mhz,导频子载波位置k=2~243,271~512,虚拟子载波位置k=1,244~270,cp长度ncp=64,cir长度ncir=25,一帧数据中ofdm符号数nofdm=32。仿真中以归一化均方误差(normalizedmse,nmse)作为信道估计算法的性能指标,nmse定义如下

式中h表示信道的实际响应值,表示信道的估计值。

对可见光dco-ofdm系统中存在虚载波时的基于导频的dft信道估计算法进行了仿真分析,图5给出了ls算法、存在虚载波时的基于dft信道估计算法、两种补偿算法及时域修正算法的nmse仿真结果。由仿真结果可以看出,时域修正算法的性能相比补偿算法有很大的提升,并且没有误差平台的出现。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

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