基于DFT变换信道估计的阈值滤波改进算法.pdf

《基于DFT变换信道估计的阈值滤波改进算法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

第47卷第6期南开大学学报(自然科学版)Vo1．47N_O62014年12月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisNankaiensisDec．2014文章编号：0465—7942(2014)06—0011一O4基于DFT变换信道估计的阈值滤波改进算法马超，肖纯贤，朱江，赖王月，陈阳(南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071)摘要：在信道估计中，传统的基于DFT的信道估计算法复杂度低于MMSE算法，性能要优于LS算法．但由于传统算法单纯地将所有样点认为是有用信道冲激响应，忽略了噪声的影响．提出了一种基于2次噪声估计原理的改进算法，算法首先利用循环前缀长度以外的序列点估算出噪声方差，再利用估算出的噪声方差将循环前缀长度以内的噪声样点区别开，利用新的噪声样点进行2次噪声估计得到门限值，从而对信道时域冲激响应进行阈值滤波，进一步消除噪声对系统的影响．仿真结果表明，改进后的算法性能优于传统算法．关键词：OFDM；DFT；信道估计；2次噪声估计中图分类号：TN911．23文献标识码：A0引言正交频分复用技术由于其子载波具有的正交性，系统的频谱利用率得到了显著提高，同时系统数据的传输速率也大大提升，减弱了频率选择性衰落效应．在OFDM通信系统中，使用IFFT／FFT变换可以实现系统的OFDM调制与解调，常用的信道估计算法一般包括LS信道估计、LMMSE信道估计和基于DFT变换的信道估计．OFDM系统的原理框图如图1．输图1OFDM系统的原理框图Fig．1BlockdiagramofOFDMsystem1基于DFT变换的信道估计算法1．1传统基于DFT变换的信道估计算法基于DFT的信道估计算法利用了在数字信号处理(DSP)的过程中“时域补零相当于频域内插”的原理．接收端在得到导频位置信道信息后，对其进行Ⅳ点IFFT变换(Ⅳ为子载波数)，对得到的时域信号JI收稿日期：2013—11—15基金项目：国家自然科学基金(61101084)作者简介：马超(1987一)，男，天津人，硕士研究生．通讯作者：肖纯贤(1973一)，男，福建莆田人，副教授，研究方向：通信与信号处理．E—mail：shaw@nankai．edu．cn ·12·南开大学学报(自然科学版)第47卷()补零，就可以得到长为Ⅳ点的时域序列矗(f)，然后对五(￡)进行Ⅳ点FFT变换．这个过程就等效于在频域进行内插，最后得到整个信道响应估计值口(愚)．经过IFFT变换的(￡)可以分为2部分：信道冲激响应(CIR)部分和噪声部分．在理想状态下，只保留有用的信道冲激响应五(f)，忽略噪声的影响，用零值代替噪声．结果就是要对Jil()插值补零．补零有两种方法，一种是在序列的尾部补零，另一种是在序列的中间位置补零．确定了h(￡)后，将补零后的序列矗(f)通过FFT运算变换到频域，就完成了频域上的插值，得到了整个信道的信道响应．1．2改进算法1．2．12次噪声估计改进算法：在传统的基于DFT的信道估计算法中，仅根据循环前缀的长度来区分有效CIR和噪声分量，忽略了噪声对信道冲激响应的影响．在对基于DFT的信道估计算法进行改进时，利用前人提出的阈值滤波的原理对有用信道冲激响应进行选取．对噪声样点进行2次噪声估计，利用阈值滤波的原理对循环长度内有用CIR进行滤波，去除该部分内的噪声分量，保留有用的信道冲激响应，同时利用噪声均值对信道冲激响应进行修正，提高系统的准确性．如图2所示，假设样点序列号大于Ⅳ。(循环前缀长度)的点都是噪声样点，而小于Nc的点中既有有用的CIR点也有噪声样点．由于噪声的分布是符合加性高斯白噪声分布的，故可以根据循环前缀长度外的点确定噪声的方差值和噪声均值，其中Ⅳ盯一(∑(￡)f)／(N一N。)(1)tNGI+INp一(∑()1)／(N一N。)(2)fNGI+1利用式(1)得到的确定L—maxt，其中L()l。≥是无(f)中l(￡)l≥的样点序号最大值，此时将所有样点序号大于的都视为噪声样点，则图2阈值滤波的原理图NpFig．2Schematicofthresholdfiltering一(∑(￡)l)／(N一L)(3)_『一(∑(f)1)／(N一L)(4)利用新得到的对()进行阈值滤波，并利用新得到的噪声均值Ⅲ『对结果进行修正，得到结果’。㈣hpthr(t)一【0，其他忽略无(￡)中样点序号大于L的点，即～hpfinal(t)一ifh—oth，r，t其≤L由于信道的时延扩展小于循环前缀的长度，对()进行尾部补零后得到修正后的信道冲激响应，进行FFT变换得到改进后整个信道的响应信息疗()．1．2．2改进阈值算法：在基于阈值滤波原理的DFT信道估计算法改进理论中，文献Es]提出了一种对噪声样点中的最大值和噪声样点方差的2倍做平滑处理的新的阈值确定方法．提出一种对阈值的改进处理算法．利用式(3)得到的噪声样点方差作为阈值的第1部分 第6期马超等：基于DFT变换信道估计的阈值滤波改进算法·13·thr一一(∑()／(N一L)(7)阈值的第2部分由所有噪声样点中的最大值决定thr2一maxlh()I(8)L+l≤f≤。得到新的阈值h一r+一(薹)／(N一L)+川m≤a≤x)I(9)利用a对阈值进行平滑处理，其中a可取值范围为a≠一1，为了使阈值取值更加精确，一般考虑a取值范围为[一0．5，13．当a一0时，新的阈值thr=thr===．利用新的阈值对p()进行滤波，然后对一m，(￡)进行均值修正、补零、FFT变换等，得到插值后的信道响应．2性能分析和结论为了更好地讨论改进算法对系统效果的作用，在仿真过程中，选择系统参数具体如下：子载波数为64，选取符号采样数量为1000，循环前缀长度为200，导频间隔为4，仿真时假设信道为加性高斯白噪声信道，得到结果如图3所示．基于DFT的改进信道估计算法下的RER基于DFT的改进信道估计算法下的RER重(a)4QAM(b)16QAMSNR／dBSNR／dB图34QAM、16QAM系统误码率Fig．3BERof4QAMand16QAM图3(a)为4QAM系统，图3(b)为16QAM系统．由图3可知，改进后的算法大大降低了系统误码率，使得系统性能显著提高，但改进阈值滤波算法与2次噪声估计算法对系统性能的差异不大．当系统采取4QAM调制方式时，由于其星座图样点数目少，所以在信噪比不大的情况下就可以获得较好的系统性能，改进算法对系统性能提高不大．当系统采取16QAM调制方式时，就需要在高信噪比时系统获得较低的误码率，应用改进信道估计算法可以有效降低系统误码率，最大处可达1．7dB．参考文献1张继东，邓宝玉．基于导频的OFDM信道估计及其研究进展FJ]．通信学报，2003，11(24)：116—124．2KangY，KimK．ParkH．EfficientDFT—basedchannelestimationforOFDMsystemsonmultipathchannelsI-J]． ·14·南开大学学报(自然科学版)第47卷IEEETransactionsonEngineeringandTechnologyCommunications，2007，1(2)：i97—202．3OliverJ，AravindR，PrabhuKMM．SparsechannelestimationinOFDMsystemsbythreshold—basedpruningEJ]．IEEETransactionsonElectronicLetter，2008，44(13)：830—832．4RosatiS，CorazzaGiovanniE，AlessandroV．0FDMchannelestimationwithoptimalthreshold—basedselectionofCIRsamplesEC]／／IEEE：ProcofGlobeTelecommunicationsConference，November30一December4，2009，Hon—olulu，Hawaii．NewYork：IEEEPress，2009：1～7．5WangXQ，WangJT，WangZC．ImprovedDFT—Basedchannelestimationfor0FFDMsystemsovermultipathchannelsEc]／／IEEE：ProcofInternationalWirelessCommunicationsandMobileComputingConference，June28～July2，2010，Frederickuniversity，Caen，France．NewYork：IEEEPress，2010：585—590．6LeeYS，ShinHC，KimHN．Channelestimationbasedonatime—domainthresholdfor0FDMsystems_J]．IEEETransactionsonBroadcasting，2009，55(3)：656—662．7苏威，潘志文．基于DFT的OFDM系统信道估计改进算法[J]．无线通信技术，2007，4(1)：1—5．8熊积慧．LS准则下基于DFT插值的OFDM信道估计算法研究ED]．天津：天津大学电子信息工程学院，2011．ImprovedAlgorithmBasedontheDFTTransformChannelEstimationandThresholdFilteringMaChao，XiaoChunxian，ZhuJiang，LaiYue，ChenYang(CollegeofElectronicInformationandOpticalEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，China)Abstract：Inchannelestimation，thecomplexityoftheDFT—basedchannelestimationalgorithmislowerthantheMMSEalgorithm，andtheDFT—basedalgorithmperformsbetterthantheLSalgorithm．However，thetraditionalalgorithmssimplyconsiderallthesamplestobeusefulchannelimpulseresponseandignoretheeffectofnoise．Tosolvetheseproblems，animprovedalgorithmispresentedbasedonquadraticnoiseestimationtheo—ry．Thealgorithmfirstlyusesthesequenceofpointsotherthanthecyclicprefixlengthtoestimatethenoisevariance，thenusetheestimatednoisevariancetodistinguishthenoisesampleswithinthecyclicprefixlength．ThenewnoisevarianceandnoisemeanarecomputedthroughthenewnoisepointsasathresholdtOfiltertheimpulseresponseofthechannelintimedomain．Theimpactofnoiseonthesystemiseliminatedfurther．Thesimulationresultshowsthattheimprovedalgorithmperformsbetterthanthetraditionalalgorithm．Keywords：OFDM；DFT；channelestimation；quadraticnoiseestimation