SC-FDE系统自适应信道估计算法

王 磊，梁恒浩

(海军驻哈尔滨地区舰船配套军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术和SC-FDE技术是2种有效抵抗无线信道多径效应的技术。但是OFDM的峰均功率比较大，对射频放大器线性度的要求较高，对频偏和相位噪声特别敏感。针对这些不足，SC-FDE系统采用了OFDM信号处理的方式，与传统的单载波时域均衡相比，复杂度降低，抗多径的能力更强[1-2]。

在SC-FDE系统中，信道估计是信道均衡的前提。信道估计的性能关系到均衡的效果，进而影响SC-FDE系统的性能。目前，很多学者对信道估计进行了深入研究。文献[3]将粒子滤波与SC-FDE系统的训练序列UW相结合，滤除噪声的干扰，性能有了改善；文献[4]将SC-FDE应用到毫米波通信中，为了解决信道的相位噪声高频率的振荡，提出了迭代的MMSE算法，性能有所改善；文献[5]提出了基于压缩感知的信道估计算法，根据信道的稀疏性设计了循环前缀序列，提高了估计精度；文献[6]在MIMO-SC-FDE系统中，提出了新的联合信道估计算法，对MMSE估计算法初始化，然后利用使用顺序连续干扰进行迭代处理取消技术消除噪声干扰，取得良好的性能。由以上分析可知，信道估计的研究基本围绕着LS和MMSE算法展开，通过其他方法降低复杂度或减少噪声的干扰。在高速通信中，信道快速变化，传统的LS算法无法有效跟踪信道的变化，基于此，本文提出了一种改进的LS信道估计算法。仿真结果表明，本文所提的方法实时性高，自适应跟踪信道变化，降低了硬件实现复杂度。

1 SC-FDE系统模型

1.1 SC-FDE系统的原理框

SC-FDE系统的结构如图1所示。

首先对输入的二进制数据进行星座映射，将映射之后的数据插入循环前缀，组装成帧进行传输。在接收端，先将接收到的数据去除循环前缀，通过FFT来实现时域到频域的转换，再与得到的信道估计值进行信道均衡，最后通过IFFT将频域信号转换到时域得到均衡后的数据。

图1 SC-FDE系统模型

1.2 SC-FDE系统UW序列

SC-FDE系统的帧结构如图2所示。SC-FDE系统中，循环前缀采用特殊字(Unique Word，UW)UW序列。UW序列是Chu序列或者Frank-Zadoff序列[7-8]。Frank-Zadoff序列和Chu序列均是由I路和Q路2路信号组成，I路信号和Q路信号的计算公式如下:

In=cos(θn),0≤n≤U,

(1)

Qn=sin(θn),0≤n≤U,

(2)

式中，U为UW序列长度。

当产生Frank-Zadoff序列时，θn由如下式进行计算:

(3)

当产生Chu序列时，θn由如下式进行计算:

(4)

图2 SC-FDE系统帧结构

2 SC-FDE系统信道估计

2.1 传统的LS信道估计算法

接收的UW序列频域数据为R=[R1,…,RNg]T表示，发送的UW序列频域数据S=[S1,…,SNg]T，频域噪声W=[W0,W1,...,WN-1]T，信道频域传输函数H=diag[H0,…,HN-1]，则可得到：

R=HS+W。

(5)

根据最小二乘准则，代价函数为：

JLS=R-SHTR-SH。

(6)

对式(6)关于H求导使其为0，可得：

(7)

可求得：

(8)

LS信道估计值与信道传输函数之间的误差为：

(9)

传统的LS信道估计算法是将接收的信号转换为频域上完成估计，得到信道函数的频域值。在硬件实现中，FFT运算实时性不高，因此，传统的LS信道估计算法无法有效跟踪信道的快速变化。

2.2 DFT插值

3 改进的自适应LS信道估计算法

假设信道冲击响应在一个数据块内保持不变，为了便于化简，令hll=0,1,...L长度为L+1，则：

(10)

设UW序列长度为Q，UW序列分为2块相同的UW序列，长度为Q/2。其SC-FDE系统的传输结构如图3所示。

(11)

(12)

设x为用户数据，u为UW序列，令：

(13)

则

(14)

(15)

则式 (14)为：

rb=Hsu+wb=Uh+wb，

(16)

式中，h=[h0,...,hL,01×(Q/2-L-1)]T，UW序列ul=0,...,Q/2-1。

图3 SC-FDE系统的传输结构

4 仿真结果

UW序列为128，数据块长度为1 024，调制方式为QPSK，符号速率10 MHz，信道为SUI-3信道[9-10]。传统LS算法与所提LS算法相对误差如图4所示。传统的LS算法估计信道值与真实值的功率谱如图5所示。本文所提的LS算法估计信道值与真实值的功率谱如图6所示。由仿真结果可知本文所提出的自适应LS算法与传统的LS估计算法具有相同的性能。但是所提出的LS算法直接估计出信道的时域值，只需要经过一次FFT插值可得到均衡所需的信道频域值，比传统的LS信道估计算法减少了2次FFT的使用，降低硬件实现复杂度，提高了实时性。

图4 传统LS算法与所提LS算法相对误差

图5 传统的LS算法估计信道值与真实值的功率谱

图6 所提的LS算法估计信道值与真实值的功率谱

5 结束语

通过对SC-FDE系统的研究，针对基于传统的LS信道估计算法无法有效跟踪信道变化的缺点，本文提出了一种自适应跟踪信道变化的LS算法，性能与传统LS信道估计算法相同，但是减少了2次FFT运算，降低了硬件实现复杂度，实时性良好。仿真结果表明，本文提出的自适应LS信道估计算法相比传统的信道估计算法有更好的实时性和低硬件复杂度，具有重要的参考价值。