基于伪噪声序列的OFDM信道估计方法*

崔　金，邵定蓉，张　波，张彦仲

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191)

基于伪噪声序列的OFDM信道估计方法*

崔金，邵定蓉，张波，张彦仲

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191)

针对正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的应用及需求，提出一种基于伪噪声（pseudo-noise）序列的 OFDM系统模型，并针对其信道估计均衡需求，提出一种基于迭代的信道估计算法和低复杂度的频域均衡算法。最后在高斯白噪声信道、存在多普勒频移瑞利信道、双径延迟信道下，对误码率性能进行仿真和分析。结果表明，该方法适用于常见信道，误码率性能优于传统循环前缀（Cyclic Prefix，CP）OFDM，且通过迭代能够提高性能。以上研究结果可应用于OFDM数字电视地面广播工程。

正交频分复用；信道估计；伪噪声序列；迭代；多普勒频移

0　引言

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)可以很好地对抗频率选择性衰落，消除多径效应带来的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)[1-2]，因此 OFDM 被认为是数字电视传输中很有发展前途的技术[3-4]。目前常见的 OFDM大多采取循环前缀(Cyclic Prefix，CP)OFDM方式。CP-OFDM技术具有解调上的便利，但是这种传输结构降低了数据传输效率，并且信道估计过程在数据块中插入了导频或训练序列、实时跟踪和估计信道，进一步降低了系统传输效率[5，6]。

本文提出一种新的OFDM模型，即基于伪噪声(Pseudo-noise)序列的 OFDM模型，无需插入导频和循环前缀，可实现低复杂度信道估计和频域均衡，可以有效提高传输效率，且性能优于传统CP-OFDM，适用于数字电视地面广播的工程应用。

1　基于PN序列的OFDM模型

针对CP-OFDM技术的不足，本文提出了基于PN序列的OFDM模型。它使用PN序列作为前缀，并利用前缀完成信道估计，可以完成低复杂度信道估计和均衡，并可以通过迭代算法消除误差提高精度，相比传统OFDM无需单独发送导频，可显著提高传输效率，实现低复杂度频域均衡。该方法信道估计能力具有一定的实时性，可以适应常见信道。下面给出其模型和数学原理。

OFDM模型的第i个 N×1输入向量s˜N(i)首先做快速逆傅里叶变换（inverse fast Fourier transform，IFFT）。

PN序列为 p=[p1，p2，…，pM]T，发送向量的并行宽度为P=N+M。

对应的P×1发送向量为：

多径信道的冲激响应长度L≤M，其传递函数表示为：

在第i帧OFDM数据中，定义数据块zi为：

其中，pi+1表示第i+1个 OFDM符号中插入的 PN序列。定义第i个OFDM的信号帧zi：

其中，wi，n是均值为零的复高斯白噪声。从式(7)知，由于没有循环前缀的保护，OFDM数据和前缀将受到来自相邻前缀或OFDM信号的多径干扰。因此，不能直接采用频域均衡，必须首先消除多径干扰，才能有效地估计信道。

2　信道估计算法

由于添加了相同的PN序列，因此PN序列可以视为OFDM数据块zi的循环前缀，其信道响应ri满足圆卷积

频域满足

根据式(7)，PN序列对应的时域响应p˜i：

受到多径信道影响，PN序列的响应将受到载波间干扰（Inter-carrier interference，ICI），尾部数据也将受到 ISI，在估计信道状态信息时，首先必须消除两段干扰，得到PN序列与信道状态信息的卷积结果。

信道估计的算法分以下几个步骤：

其中，IFFT(X)和FFT(X)分别表示对数据X做IFFT、FFT变换，得到时域信道响应。

利用式(8)，估计ISI并消除。

3　性能仿真分析

本文在美国Math Works出品的Mathlab R2014a环境下进行仿真。在AWGN信道、存在多普勒频移的瑞利信道、双径延迟信道下，对误码率性能进行了分析，重点比较该模型和传统CP-OFDM的性能。仿真OFDM参数如表1所示。

表1　OFDM的参数

由图1可知，在AWGN信道下，模型的误码率性能好于CP-OFDM。

之后仿真发送端采用信道编码，信道编码为约束长度N=7的（133,171）卷积码。

图2给出该算法和CP-OFDM的误码率比较。从图中可看出，在10-4数量级下，基于PN序列的OFDM算法比CP-OFDM误码率性能大约有6 dB的提升。

由图3可知，在双径信道v=20 m/s时，基于PN序列的OFDM算法性能明显好于CP-OFDM，且由仿真结果可知，通过迭代可以消除干扰，提高系统性能。

图1　AWGN信道下的误码率性能比较

图2　瑞利信道下的误码率性能比较，v=10 m/s

图3　双径信道下的性能比较，v=20 m/s

4　结论

本文针对传统插入导频的CP-OFDM存在的问题，提出了一种基于PN序列的OFDM系统模型，该模型相比CP-OFDM无需插入导频，利用PN序列作为保护间隔并进行信道估计，能达到有效提高传输效率的目的。该方法适用于数字电视地面广播，且在常见信道下性能优于传统OFDM。

[1]KALASHNIKOV K S，SHAKHTARIN B I.Estimation and compensation for the influence of interchannel interference in reception of OFDM signals[J].Journal of Communications Technology and Electronics，2013，58(3)：208-216.

[2]Wan Feng，Zhu Weiping，SWAMY M N S.Semiblind sparse channel estimation for MIMO-OFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(6)：2569-2582.

[3]Chen L，PICHÉ R，KUUSNIEMI H，et al.Adaptive mobile tracking in unknown non-line-of-sight conditions with application to digital TV networks[J].EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2014(1)：1-10.

[4]Chunyi S，Harada H.Proposal and hardware performance of an enhanced feature detection method for OFDM signals of digital TV standards[J].IEICE Transactions on Communications，2013，96(3)：859-868.

[5]KONSTANTINIDIS S，FREEAR S.Performance analysis of tikhonov regularized LS channel estimation for MIMO OFDM systems with virtual carriers[J].Wireless Personal Communications，2012，64(4)：703-717.

[6]MANASSEH E，OHNO S，NAKAMOTO M.Combined channel estimation and PAPR reduction technique for MIMO-OFDM systems with null subcarriers[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2012(1)：1-15.

OFDM Channel estimation based on pseudo-noise sequence

Cui Jin，Shao Dingrong，Zhang Bo，Zhang Yanzhong
(School of Electronic and Information Engineering,Beihang University，Beijing 100191，China)

A model of orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)system based on the pseudo-noise sequence is designed in this paper.Meanwhile,an iterative algorithm for channel estimation and a frequency domain equalization algorithm of low complexity are proposed to satisfy the equalization demand in channel estimation of this model.Then simulations are carried out corresponding to a Gauss white noise channel,a Rayleigh channel with a Doppler frequency shift and a double path delay channel.And the bit error rates(BER)are calculated respectively.Analysis results indicate that the method applies to usual channels and has a superior BER over traditional cyclic prefix OFDM(CP-OFDM).Moreover,its performance can be further improved though iteration. All findings mentioned above can be applied in OFDM digital television terrestrial broadcasting engineering.

OFDM；channel estimation；pseudo-noise sequence；iteration；Doppler frequency-shift

TN929.5

A

0258-7998(2015)02-0106-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.025

国家 863计划资助项目（2011AA120501）；国家自然科学基金资助项目（61171070）

2014-07-28)

崔金（1986-），男，博士研究生，主要研究方向：无线通信，通信网络，电子技术。

邵定蓉（1937-），男，教授，博导，主要研究方向：扩频通信，电子技术及其应用。

张彦仲（1940-），男，博士，主要研究方向：通信网络，信号处理，电子技术。