Ofdm系统导频辅助的时频域插值加权信道估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，涉及OFDM系统导频辅助的时频域插值加权信道估计方 法，可用于基于散布导频的通信系统，如第二代数字地面视频广播DVB-T2系统。
【背景技术】
[0002] 无线通信系统对高数据传输速率的需求日益增长，促使研究学者和生产厂商采用 最先进的技术来满足这些需求。OFDM系统是一种技术成熟且完善的无线通信传输系统， OFDM系统将信道分成若干正交的子信道，将数据速率较高的传输数据转变为速率较低的传 输数据。CFDM系统凭借高频谱利用率、能够有效克服多径效应引起的频率选择性衰落等优 势，得到了广泛的认可和应用。
[0003] 作为OFDM通信系统中的重要组成部分，信道估计与均衡技术保证了通信系统的性 能，一直是通信系统中的热点研究问题。无线信道固有的多径效应与多普勒频移等传输特 性使得通信系统易产生码间干扰，而设计良好的信道估计算法可有效抵制码间干扰，从而 降低通信系统误码率。信道估计算法分为导频辅助信道估计算法、盲信道估计算法与半盲 信道估计算法，其中导频辅助的信道估计算法因其在估计精度与导频负荷间的有效折衷被 广泛应用。导频辅助的信道估计算法实现过程分为二步：导频点的信道估计与数据点的信 道插值，数据点的信道插值算法精确度决定信道估计值的精确度，是保证均衡器有效消除 信道影响的关键，因此数据点的信道插值算法精确度尤为重要。
[0004] 2008年ETSI颁布了第二代欧洲数字视频地面广播传输标准DVB-T2，相比于第一代 标准，DVB-T2标准采用了更高阶的调制模式、更少的导频开销及更多的导频模式，在获得更 高的数据速率和频谱利用率的同时，也对信道估计的精度提出更高的要求。针对该问题， 2014年Guanghui Liu在IEEE Transactions on Broadcasting上发表的文章 "Adaptive Interpolation for Pilot-Aided Channel Estimator in OFDM System" 中米用级联一维 插值算法来实现OFDM系统信道估计，该算法由于没有考虑时域方向插值与频域方向插值的 插值范围与信道衰落的程度关系，故在多普勒频移导致的时变性与多径效应导致的频率选 择性信道中，其插值精确度有所损失，导致信道估计的性能降低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种OFDM系统导频辅助的时频 域插值加权信道估计方法，以提高导频辅助信道估计中的插值精确度。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
[0007] (1)在OFDM系统接收机中计算出离散导频处信道频域响应值/7|7,^，其中，[l，k] 表示OFDM系统中第1个OFDM符号中第k个子载波的位置序号；
[0008] (2)用离散导频处的信道频域响应值分别计算在虚拟导频处的时域方向 信道频域响应值爲和频域方向信道频域响应值及2 [/,M ;
[0009] (3)利用信道参数信道最大多径时延和多普勒频移fd计算权值因子：
[0010] (3a)计算归一化信道最大多经时延：T = Tmax/Vmax，其中，V繼为离散导频能支持 的信道最大多径时延；
[0011] (3b)计算归一化多普勒频移:f' d = fd/f' dmax，其中，f' dmax为离散导频能支持的最 大多普勒频移；
[0012] (3c)利用归一化信道最大多经时延τ和归一化多普勒频移f d计算权值因子λ:
[0013] A=(T+l-f/d)/2；
[0014] ⑷用权值因子λ对⑵得出的/^[/,纟^/:^/^进行加权平均省到虚拟导频处的 时频域加权信道频域响应值
[0016 ] 其中，φνρ [ 1 ]为第1个OFDM符号的虚拟导频集，
^exp为扩展导频集，I^exp= {k:k = Nmin+tDx，t 2 0 and k < Nmax}，t为大于等于0的整数，Nmin与 Nmax分别表不OFDM符号中子载波序号的最小值与最大值，I^sp [1]表不第1个OFDM符号的离散 导频集，!tsp[l] = (Lk = NmirrH)X(ImodDy)+!]^ X，m 2 0 and k < Nmax}，DX是离散导频的子载波 间隔，Dy是离散导频的OFDM符号间隔，V x = Dx · Dy，m为大于或等于0的整数；
[0017] (5)用虚拟导频处的时频域加权信道频域响应值和步骤（1)计算出的离散 导频处信道频域响应值，计算得出扩展导频信道频域响应值//[；/，々>
[0019] (6)对扩展导频信道特性值#|：α?进行频域方向插值，得出所有接收数据信道频 域响应值/)f/Ah
[0020] 本发明具有如下优点：
[0021] 1)本发明利用多普勒频移与信道最大多径时延计算权值因子，利用权值因子对时 域方向信道频域响应值和频域方向信道频域响应值进行加权平均，通过调整两个方向信道 频域响应值的权重，明显提高了插值方法的精度，进一步提高了数据点的信道频域响应估 计值的精确度。
[0022] 2)本发明与DFT插值算法相比，在实现过程中避免了DFT变换操作，降低了计算复 杂度。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的在实现流程图；
[0024] 图2是本发明的导频结构图；
[0025]图3是本发明在信道多普勒频移为80Hz条件下的误码率性能仿真图；
[0026]图4是本发明在信道多普勒频移为50Hz条件下的误码率性能仿真图；
[0027]图5是本发明在信道多普勒频移为80Hz条件下的信道估计值的最小均方误差曲线 图；
[0028]图6是本发明在信道多普勒频移为50Hz条件下的信道估计值的最小均方误差曲线 图。
【具体实施方式】
[0029]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方法作进一步的描述。
[0030]参照图1和图2，本发明的具体实现步骤如下：
[0031 ]步骤1:计算离散导频点的信道频域特性值。
[0032]本实施例以DVB-T2系统为例，设DVB-T2系统第1个OFDM符号中第k个导频子载波处 发送的导频数据为x[l，k]，第1个OFDM符号中第k个导频子载波处接收的导频数据为Y[l， k];
[0033]利用发送的导频数据X[l，k]与接收的导频数据Y[l，k]，计算出离散导频处信道频 域响应值/7[U];
[0034]计算离散导频处信道频域响应值I算法有：最小二乘算法、最小均方误差算 法与线性最小均方误差算法等，本实施例采用最小二乘算法计算离散导频处信道频域响应 值，计算公式如下：
[0036]其中，[I，k ]为OFDM系统中第1个OFDM符号中第k个子载波的位置序号，itsp [ 1 ]表示 第1 个OFDM符号的离散导频集，itsp[l] = {k: k = Nmin+Dx(lmodDy)+mD/x，m 2 0 and k < Nmax}， Nmin与Nmax分别表不一个OFDM符号中子载波序号的最小值与最大值，Dx是离散导频的子载波 间隔，V X=Dx · Dy，Dy是离散导频的OFDM符号间隔，m为大于或等于0的整数。
[0037] 步骤2:计算在虚拟导频处的时域方向信道频域响应值和频域方向信道频域响应 值。
[0038] 2a)对离散导频处的信道频域特性进行时域方向插值，得出虚拟导频处的 时域方向信道频域响应值时域方向插值方法可以采用经典的一维插值方法，如： 多项式插值算法与变换域插值算法等，本实施例采用多项式插值算法，计算公式如下：
[0040]其中，MhM2均为大于0的整数，αρ⑴是长度为Mi+M2+1的时域方向插值系数，不同的 时域方向插值方法采用的插值系数aP(i)不同，P取值范围为[0，Dy)，p的取值需要保证[1-p， k]为离散导频序号，φθχρ为扩展导频集，I^exp= {k:k = Nmin+tDx, t 2 0 and k < Nmax}，t为大于 或等于0的整数；
[0041] 2b)对离散导频处的信道频域特性进行频域方向插值，得出虚拟导频处频 域方向信道频域响应值频域方向插值与时域方向插值类似，频域方向插值方法可 以采用经典的一维插值方法，如:多项式插值算法与变换域插值算法等;本实施例采用多项 式插值算法，计算公式如下：
[0043] 其中，N^N2均为大于0的整数，0q(j)是长度为见+他+1的频域方向插值系数，不同的 频域方向插值方法采用的插值系数0 q(j)不同，q取值范围为[0，Dx)的整数，q的取值需要保 证[I，k_q]为离散导频序号，φ νρ [ 1 ]表示第1个OF DM符号的虚拟导频集，
[0044] 步骤3:利用信道参数信道最大多径时延Tmax和多普勒频移fd计算权值因子。
[0045] (3a)计算归一化信道最大多经时延τ，计算公式为：