TDS-OFDM系統的載波間干擾消除方法

　　摘 要：為了消除時(shí)域同步正交頻分復用(TDS-OFDM)系統中的載波間干擾(ICl)，通過(guò)假定信道在OFDM塊內呈線(xiàn)性變化，建立了TDS-OFDM在時(shí)交信道下的系統傳輸模型。在此基礎上采用一種決策反饋的方法來(lái)消除ICI。該方法使用偽隨機(PN)序列時(shí)域相關(guān)進(jìn)行信道粗估計，并在一個(gè)OFDM塊內進(jìn)行線(xiàn)性?xún)炔宓玫秸麄€(gè)OFDM塊內的信道細估計。分析和仿真結果表明，該方法相對于TDS-OFDM系統的傳統方法有2 dB以上的誤碼率性能增益，并且復雜度與傳統方法相當。

　　關(guān)鍵詞：信道估計；載波問(wèn)干擾消除；時(shí)域同步正交頻分復用；偽隨機序列

　　正交頻分復用(OFDM)，作為多載波技術(shù)中的一種，是對抗多徑衰落信道的有效方法，它使用并行數據傳輸和子信道交疊，通過(guò)采用保護間隔來(lái)對抗信道頻率選擇性。OFDM已被廣泛應用在廣播領(lǐng)域，如歐洲的地面數字電視傳輸標準(DVB-TCOFDM)和清華大學(xué)提出的地面數字電視傳輸方案(DMB-T TDS-OFDM)。

　　當信道變化較慢時(shí)，可以近似認為信道在一個(gè)OFDM塊內保持不變，那么信道均衡可以通過(guò)簡(jiǎn)單的一階頻域濾波實(shí)現；但是，信道時(shí)變產(chǎn)生的時(shí)間選擇性衰落將導致子載波間的正交性受到破壞，產(chǎn)生載波間干擾(ICI)。當信道變化較快時(shí)，信道塊時(shí)不變的假設(即忽略ICI)必然會(huì )帶來(lái)系統性能的嚴重惡化。

　　為此，本文假定信道在一個(gè)OFDM塊內呈線(xiàn)性變化，建立了時(shí)域同步正交頻分復用(TDS-OFDM)的系統傳輸模型，并采用一種決策反饋的方法來(lái)消除ICl?；赥DS-OFDM的PN序列作為幀頭的幀結構特點(diǎn)，通過(guò)PN序列時(shí)域相關(guān)得到信道沖激響應的粗估計，然后在OFDM塊內做線(xiàn)性?xún)炔宓玫叫诺罌_激響應的細估計。仿真結果表明，在快速時(shí)變信道下，該方法相對于傳統方法有明顯的性能改善，并且具有較低的復雜度。

　　1 TDS-OFDM系統傳輸模型

　　圖1給出了TDS-OFDM系統的幀結構示意圖。TDS-OFDM系統的信號幀由幀頭和幀體數據2部分組成。作為保護間隔的幀頭，由PN序列循環(huán)前綴、PN序列和PN序列循環(huán)后綴組成。PN序列循環(huán)前綴的長(cháng)度可根據信道最大多徑時(shí)延來(lái)定制。

　　圖2給出了TDS-OFDM的基帶傳輸系統框圖。在發(fā)送端，每N(N=3 780)個(gè)數據組成一個(gè)幀體向量，通過(guò)快速傅里葉反變換(IFFT)得到時(shí)域幀體向量x，由PN序列循環(huán)前綴、PN序列和PN序列循環(huán)后綴組成的幀頭向量P被插入來(lái)作信道估計。然后通過(guò)并串轉換得到發(fā)送信號s。在接收端，采樣后的數據r被分為幀頭部分u和幀體部分v。幀頭部分被用來(lái)作信道估計，通過(guò)本地產(chǎn)生一個(gè)相同的PN序列與接收到的幀頭數據作時(shí)域相關(guān)得到信道粗估計，再經(jīng)過(guò)線(xiàn)性?xún)炔宓玫叫诺兰毠烙?。使用該信道細估計?lái)消除幀頭對幀體的干擾，這樣TDS-OFDM信號可以等價(jià)于零前綴OFDM(ZP-OFDM)信號，再通過(guò)交疊相加方法(OLA)，ZPOFDM信號等價(jià)于循環(huán)前綴OFDM(CP-OFDM)信號。由于信道估計的誤差，在進(jìn)行上述處理時(shí)會(huì )帶來(lái)額外的噪聲，但由于幀頭長(cháng)度相對于幀體長(cháng)度較小，并且在通常的信噪比和多普勒頻移范圍內，信道估計的精度是足夠高的，因此這種額外的噪聲可以被忽略。將使用上述兩種操作后的幀體數據b通過(guò)FFT得到，然后采用一種決策反饋的方法來(lái)消除ICI，得到對發(fā)送數據的估計。

　　本文假定系統已經(jīng)精確同步。設信道的沖激響應為h[m，l]=h(mTs,l)(Ts為采樣間隔，l=0，1，…，L-1，L代表多徑的個(gè)數)?？紤]信道在OFDM塊內的變化，那么，在接收端，經(jīng)過(guò)處理后的幀體部分可以表示為

　　本文假設信道在OFDM塊內呈線(xiàn)性變化，即hBody[m,l]可以表示為

　　2 ICI消除方法

　　根據式(9)，對X的估計為

　　但是，由于上式的復雜度很高，為o(N3)次復數乘法運算，所以很難在實(shí)際中使用。為此，基于線(xiàn)性?xún)炔宓男诺拦烙嫹椒?，本文在TDS-OFDM系統中采用了一種基于決策反饋的ICI消除方法。

　　2．1 決策反饋ICI消除方法

　　首先，忽略式(9)中的ICl分量，得到對發(fā)送數據的一個(gè)粗估計

　　再從Y中扣除所得的ICl分量估計，可以得到無(wú)ICI的數據估計如下式所示：

　　以上為T(mén)DS-OFDM系統的基于決策反饋的ICI消除方法，其實(shí)現框圖如圖3所示。由于FFT的復雜度為o(N)，那么總的實(shí)現復雜度為2o(N)+4N，即o(N)?？梢钥闯?，這種方法的復雜度比直接按式(10)進(jìn)行均衡的方法所需要的復雜度o(N3)要低很多，并且和傳統方法的復雜度在一個(gè)數量級上。

　　下面分析該方法的ICI消除性能。ICI消除前的平均信干比為

　　其中Qp,q代表矩陣Q的第p行第q列的元素。圖4給出了ICI消除前和ICI消除后的信干比隨多普勒變化的仿真曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著(zhù)Doppler頻移的增加，系統的信干比性能明顯下降。該ICI消除方法在使用估計的信道參數和理想的信道參數時(shí)，性能差異不大。在所給的多普勒頻移范圍內，即使使用估計的信道參數，該方法相對于沒(méi)有采用ICI消除的方法，仍可以獲得20 dB左右的信干比改善。

　　2．2 信道估計方法

　　為了有效地進(jìn)行ICI消除，必須有準確的信道估計作為基礎。本小節給出了TDS-OFDM系統在時(shí)變信道下的信道估計方法，即如何得到。在TDS-OFDM系統中，每個(gè)信號幀包含了一個(gè)已知的PN頭作為幀頭，它被用作時(shí)域導頻信號來(lái)進(jìn)行信道估計。由于幀頭長(cháng)度相對于幀體長(cháng)度小得多，可以近似認為信道在一個(gè)幀頭的時(shí)間間隔內保持不變，記為hHead[l]，那么，接收到的幀頭數據可以表示為

　　其中為發(fā)送的幀頭向量(包括PN循環(huán)前綴、PN序列和PN循環(huán)后綴)。將接收到的幀頭數據與本地產(chǎn)生的PN序列做時(shí)域相關(guān)可以得到幀頭處的信道沖激響應估計，稱(chēng)之為信道粗估計，由下式表示：

　　根據得到的信道粗估計，通過(guò)延時(shí)和線(xiàn)性運算可以很容易得到have[l]和hdel[l]的估計，表示為：

　　其中：代表當前幀的信道粗估計；代表下一幀的信道粗估計。將式(20)和(21)帶入式(5)就可以得到OFDM塊內信道沖激響應hBidy[m,l]的估計。由于TDS-OFDM系統使用了時(shí)域導頻的幀結構，才能利用PN頭時(shí)域相關(guān)得到的相鄰兩幀的信道估計，進(jìn)行線(xiàn)性?xún)炔宓玫綁K內的信道細估計。該信道估計的方法非常簡(jiǎn)單并且有效。

　　為了分析分析信道估計的性能，定義信道估計的平均歸一化均方誤差為

　　其中M代表仿真的OFDM塊個(gè)數。

　　圖5和圖6分別給出了信道估計的歸一化均方誤差隨信噪比和Doppler變化的仿真曲線(xiàn)。其中：PS代表本文中使用的信道估計和ICI消除方法；CS代表假定信道塊時(shí)不變的傳統方法,即假定jBody[m，l]=hHead[l]；AS代表假定信道塊時(shí)不變的改進(jìn)方法，即假定可以看出，當信噪比很低時(shí)，PS相對于CS和AS的信道估計性能優(yōu)勢并不明顯，但隨著(zhù)信噪比增加，PS相對于CS和AS有著(zhù)明顯的性能優(yōu)勢，如在信噪比為20 dB時(shí)，PS相對于CS和AS分別有20 dB和13 dB的信道估計歸一化均方誤差性能增益。這3種方法的性能隨Doppler頻移的增加而惡化的趨勢相似，當Doppler頻移在40 Hz和200 Hz時(shí)，信道估計歸一化均方誤差性能有大約15 dB的差異。

　　3 仿真結果

　　仿真信道如表1所示，TDS-OFDM系統參數為：采樣速率7．56MSPS，幀體數據長(cháng)度3 780，幀體持續時(shí)間500 μs，子載波間隔2．O kHz，幀體調制方式16QAM，幀頭長(cháng)度420，PN序列長(cháng)度255，PN序列循環(huán)