一种改进的OFDM/OQAM系统频偏与信道估计算法

张大炜，李　悦

(中国电子进出口总公司，北京 100038)



一种改进的OFDM/OQAM系统频偏与信道估计算法

张大炜，李悦

(中国电子进出口总公司，北京 100038)

摘要与OFDM系统相比，在OFDM/OQAM系统中，通过实数域的正交设计，虽然会提高系统的频谱效率，但同步精度与信道估计性能极易受到虚部干扰的影响，恶化系统性能。针对此问题，提出了一种改进的OFDM/OQAM多径信道环境下联合频偏与信道估计算法。该算法基于帧头的已知前导序列，通过简化对数似然函数，得到了信道冲激响应以及载波频偏的最大似然估计，有效地解决了多径衰落信道环境下的OFDM/OQAM系统频偏估计和信道参数(幅度、相位以及时延)估计难题，并通过蒙特卡罗仿真，验证了算法的有效性。

关键词OFDM/OQAM;多径;最大似然估计;蒙特卡罗

An Improved Frequency Offset and Channel Estimation

Algorithm of OFDM/OQAM Systems

ZHANG Da-wei，LI Yue

(CEICE,Beijing100038,China)

AbstractCompared with OFDM techniques,the OFDM/OQAM system is designed according to the orthogonality conditions in real number field.Although the system spectrum efficiency is improved,the performance of synchronization and channel estimation is susceptible to the imaginary interference,degrading the system performance.Aiming at this problem,a joint carrier frequency offset(CFO)and multi-path channel parameter estimation algorithm is introduced.Based on the known preamble symbols at the frame head,the maximum likelihood(ML)estimation of channel impulse response and the carrier frequency offset are derived by simplifying the likelihood function.The performance of the algorithm is verified by the Monte Carlo simulations.

Key wordsOFDM/OQAM;multi-path;maximum likelihood estimation;Monte Carlo

0引言

在宽带无线通信应用领域，相对于单载波通信技术体制，多载波通信方式拥有诸多技术优点，在未来无线通信系统中将得到更为广泛的应用。OFDM/OQAM技术作为一种特殊的多载波通信方式，收发两端保证实数域内的正交性即可，从而为使用时频集中度性能更为优良的原型脉冲创造了条件，以获得对无线信道时频弥散衰落更强的鲁棒性。此外，OFDM/OQAM系统无需使用循环前缀等保护措施，在多径信道环境中频谱效率高于OFDM等多载波通信系统[1]。然而OFDM/OQAM也存在一些缺点，例如：系统本身存在自干扰(即虚部干扰)，而自干扰的存在会降低接收端信道估计、频偏估计以及均衡算法的性能，必须采取改进措施应对这一问题。

针对此问题，目前的研究大多数基于分散布设的已知的导频序列，或是在相对简单的加性白高斯信道中讨论问题，本文提出的算法基于帧头集中布设的前导序列，信道假设为慢变的多径衰落信道，更加贴近实际应用。

1系统模型

1.1OFDM/OQAM系统发射端

系统具有M个子信道，子信道间隔为F=1/T，原型脉冲为实函数p(t)，发端基带处理的采样频率为Fs=1/Ts=MF[2]。

OFDM/OQAM系统发射端离散基带信号为：

(1)

式中，dk,n为第k个子信道，第n个时隙内发送的实数数据，采自对应复数调制星座点(例如QPSK调制等)的实部或虚部；S为一帧数据中的时隙数目；φk,n和βk,n为保证实数域正交性而引入的调制因子[3]。

1.2OFDM/OQAM系统接收端

接收端的离散接收信号为：

(2)

式中，n(mTs)离散加性白高斯噪声[5]。

2OFDM/OQAM系统联合频偏与信道估计算法

2.1前导符号的设置

该算法基于在帧头部位安置的2个时隙长度的已知的前导符号，对应的离散基带发射信号为：

(3)

有2种前导符号的设置方式，如图1和图2所示。方式2为避免前导符号受到随后发送的未知数据符号的干扰，二者之间存在一个空余时隙；方式1则为了提高频谱效率没有安排空余时隙[6]。

图1　前导符号设置方式1

图2　前导符号设置方式2

2.2算法推导

(4)

当M》1时，接收信号的能量近似等于各径信号的能量之和，即

(5)

将式(5)代入至式(4)中，有

(6)

式中，g(θp,ε)为离散接收信号与第p根多径分量的相关函数，具体表达式为：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

则时延θ和ε的ML估计为：

(12)

求解上述P维最优化问题，计算复杂度相当高。假设ε充分小，且原型脉冲p(mTs)离散长度为KM，其中K为重叠因子，由此可以得到：

(13)

式中，

(14)

将式(13)代入到式(7)中，得到

(15)

由式(12)得到频偏与时延的近似ML估计：

(16)

(17)

式中，

均为加权互相关函数之和。而d(θp)为离散接收信号延迟滑动θp个采样点之后的能量。

根据式(16)和式(17)分别得到时延θp以及频偏ε的近似最大似然估计，继而利用式(9)和式(10)得到多径分量相位和衰落幅度的最大似然估计[7]。

3仿真结果分析

仿真中采用的OFDM/OQAM系统带宽为11.2MHz；调制方式为QPSK；原型滤波器的重叠因子为4，采用欧盟PHYDYAS项目所使用的原型滤波器；采用ITU-A多径衰落信道模型；蒙特卡罗仿真次数为5 000[8]。

在相同的信道环境下对OFDM系统、采用前导符号布设方式1和方式2的OFDM/OQAM系统及单载波的QPSK系统进行了仿真。信噪比误码率性能曲线如图3所示。

图3　信噪比误码率性能曲线

通过仿真图可以看出，采用本文提出的联合频偏与信道估计算法，采用前导符号布设方式2的OFDM/OQAM系统的误码率性能明显好于前导符号布设方式1下的OFDM/OQAM系统，且非常接近于理想信道下的OFDM系统误码率性能。

4结束语

本文提出的算法基于帧头集中布设的前导序列，利用联合频偏与信道估计算法，通过对对数似然函数的简化，有效地解决了多径衰落信道环境下的OFDM/OQAM系统频偏估计和信道参数(幅度、相位以及时延)估计难题，并通过蒙特卡罗仿真，验证了算法的有效性，贴近工程应用，易于实现，对今后的工程具有借鉴意义。

参考文献

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张大炜男，(1981—)，高级工程师。主要研究方向：系统工程。

李悦男，(1978—)，工程师。主要研究方向：电子对抗。

作者简介

收稿日期：2015-09-17

中图分类号TN915

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)12-0013-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.04

引用格式：张大炜，李悦.一种改进的OFDM/OQAM系统频偏与信道估计算法[J].无线电工程,2015,45(12):13-15.