一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡信道估計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于導(dǎo)頻塊UW序列個(gè)數(shù)太多以至于降低系統(tǒng)傳輸效率的問(wèn)題。該方法在數(shù)據(jù)塊間等間隔插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊，利用最小二乘算法(LS)或者最小均方算法(LMMSE)計(jì)算獲得導(dǎo)頻塊位置的信道估計(jì)值，然后通過(guò)內(nèi)插算法獲得各個(gè)數(shù)據(jù)塊位置的信道估計(jì)值，用以完成頻域均衡。在短波信道這種頻譜資源十分緊張的信道中，該方法有效減少了導(dǎo)頻塊的數(shù)量，能夠更好的利用短波信道的頻譜資源，提高系統(tǒng)傳輸效率。
【專利說(shuō)明】一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于短波通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡(Singl e Carrier Frequency Domain Equalization, SC-FDE)的信道估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]按照國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)CCIR(Consultative Committee of InternationalRadio)的劃分，短波是指波長(zhǎng)在IOm?100m，頻率在3MHz?30MHz的電磁波。利用短波進(jìn)行的無(wú)線電通信稱為短波通信。短波通信實(shí)際是指使用的頻率范圍為1.5MHz?30MHz,可以使用的頻率范圍只有28.5MHz，按照國(guó)際規(guī)定，每個(gè)短波電臺(tái)占用3.7kHz的頻率寬度，現(xiàn)在最近提升了短波電臺(tái)的頻率寬度達(dá)到了 6kHz?9kHz，但是通信的空間還是十分擁擠，在很大程度上限制了通信的容量和數(shù)據(jù)的傳輸速率。
[0003]短波通信基本上采用天波傳輸?shù)男问?，也就是靠電離層的一次或多次反射進(jìn)行通信，因此存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)表明，多徑路數(shù)以3條出現(xiàn)的幾率最高，多徑延遲典型值為2?8ms，成為短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕拗啤６滩ǖ奶觳ㄐ诺朗亲儏⑿诺?，信?hào)的傳輸穩(wěn)定性差。短波無(wú)線電通信主要是依靠電離層進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)?，電離層作為信號(hào)反射媒質(zhì)的弱點(diǎn)是，參量的可變性很大。他的特點(diǎn)是路徑損耗、延時(shí)擴(kuò)展、噪聲和干擾，都是隨晝夜、頻率、地點(diǎn)而不斷變化著。一方面電離層的變化讓信號(hào)產(chǎn)生衰落，衰落的幅度和頻率不斷的變化。另外，大氣和工業(yè)無(wú)線電噪聲干擾嚴(yán)重。大氣和工業(yè)無(wú)線電噪聲主要集中在無(wú)線電頻譜低端，隨著頻率的升高，強(qiáng)度逐漸降低。雖然，在短波頻段這類噪聲干擾比中長(zhǎng)波段低，但是強(qiáng)度仍然很高，嚴(yán)重影響短波的通信可靠性，尤其是脈沖型突發(fā)噪聲，經(jīng)常會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)突發(fā)性錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。
[0004]新一代短波通信系統(tǒng)主要是高速短波數(shù)字通信系統(tǒng)，存在并行和串行兩種體制。并行體制的主要思想是將短波信道分割成若干并行的子信道，分別在每個(gè)子信道上傳送一個(gè)副載波，采用正交調(diào)制，用多個(gè)副載波并行傳輸?shù)姆椒ㄌ岣咚俾剩址Q為多音。典型的系統(tǒng)有法國(guó)的Thomson(湯姆森)公司的實(shí)現(xiàn)途徑，采用OFDM (Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用)體制，子載波的個(gè)數(shù)為79 ;但OFDM技術(shù)發(fā)射功率分散，信號(hào)峰均比很大，抗頻率選擇性衰落差，很難消除碼間串?dāng)_。
[0005]串行體制采用單一載波的發(fā)送方式，因只采用一個(gè)載波，也稱為單音。數(shù)據(jù)以串行方式調(diào)制發(fā)送，碼元寬度短，要達(dá)到比較高的速率，如2.4kbps，碼間串?dāng)_將十分嚴(yán)重。實(shí)際工作中則需采用適當(dāng)?shù)木饧夹g(shù)來(lái)對(duì)抗碼間串?dāng)_。針對(duì)短波通信領(lǐng)域，最為常用的均衡技術(shù)為單載波時(shí)域均衡(SC-TDE)技術(shù)。但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，當(dāng)傳輸帶寬越接近信道的相干帶寬，時(shí)間色散將越嚴(yán)重，此時(shí)接收信號(hào)隨中包含了經(jīng)歷衰減和時(shí)延的多徑波，弓丨起頻率選擇性衰落，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。如果單用時(shí)域均衡減少碼間串?dāng)_，需要較多的濾波器抽頭才能得到可接受的均衡效果，這樣很難達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，而且隨著多徑時(shí)延擴(kuò)展的增大，均衡復(fù)雜度甚至可以成指數(shù)增長(zhǎng)。
[0006]單載波頻域均衡(SC-FDE)技術(shù)寬帶無(wú)線傳輸?shù)囊环N有效對(duì)抗多徑干擾的方法，相比較于正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，單載波頻域均衡具有峰均比低，抗頻率選擇性衰落強(qiáng)，在相同條件下可以達(dá)到更高的傳輸速率和更低的誤碼率，相比較于一般的單載波時(shí)域均衡技術(shù)，復(fù)雜度也大大的降低，并使用與傳輸更高的速率。然而，不同的信道環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能影響不用，正確的信道估計(jì)方法成為SC-FDE的關(guān)鍵。目前，針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法中導(dǎo)頻塊UW序列個(gè)數(shù)太多，導(dǎo)致信道估計(jì)計(jì)算量大，大大降低系統(tǒng)傳輸效率。因此，提供一種更合理的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法成為我們的研究重點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡信道估計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于導(dǎo)頻塊UW序列個(gè)數(shù)太多以至于降低系統(tǒng)傳輸效率的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]首先將輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制、數(shù)據(jù)分塊，并在數(shù)據(jù)塊間插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊；
[0010]然后采用最小二乘算法(LS)或者最小均方算法(LMMSE)計(jì)算得UW序列導(dǎo)頻塊信道估計(jì)值；
[0011]最后通過(guò)內(nèi)插算法計(jì)算得數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)塊的信道估計(jì)值。
[0012]其中，所述內(nèi)插算法為為就近插值算法、線性插值算法、二階插值算法或三樣條插值算法。
[0013]其中，所述數(shù)據(jù)塊間插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊的插入方法具體為:數(shù)據(jù)塊首尾分別插入一塊UW序列導(dǎo)頻塊，數(shù)據(jù)塊間等間隔插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊。也可以解釋為將數(shù)據(jù)塊平均插入U(xiǎn)ff序列導(dǎo)頻塊之間的間隔中。
[0014]其中，所述UW序列導(dǎo)頻塊長(zhǎng)度大于信道的最大多徑延時(shí)符號(hào)數(shù)。
[0015]優(yōu)選的，一種針對(duì)短波通信信道下的單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，具體為:數(shù)據(jù)流中一幀數(shù)據(jù)分為X塊、每塊長(zhǎng)度為d，插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊η塊、每塊長(zhǎng)度為W，則一幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度L = n*w+x*d，則相鄰兩塊UW序列導(dǎo)頻塊間間隔c = x/ (η-1)塊數(shù)據(jù)塊，c為大于O的整數(shù)。
[0016]需要說(shuō)明的是，內(nèi)插算法應(yīng)根據(jù)信道的衰變快慢程度選擇復(fù)雜度不同的插值算法。例如在信道多徑延時(shí)、多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展較小時(shí)可以采用線性插值算法或者二階插值算法，當(dāng)信道多徑延時(shí)較大，多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展較大時(shí)可以采用三樣條插值(Spline)等高階插值算法。
[0017]另外，UW序列長(zhǎng)度要大于信道的最大多徑延時(shí)符號(hào)數(shù)，才能完全估計(jì)出信道的增益變換。UW序列導(dǎo)頻塊的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)塊的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度應(yīng)該根據(jù)信道的情況進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，每塊UW序列導(dǎo)頻塊能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)估計(jì)、頻偏估計(jì)和信道估計(jì)。
[0018]本發(fā)明提供針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡信道估計(jì)方法，該方法在數(shù)據(jù)塊間等間隔插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊，利用最小二乘算法(LS)或者最小均方算法(LMMSE)計(jì)算獲得導(dǎo)頻塊位置的信道估計(jì)值，然后通過(guò)內(nèi)插算法獲得各個(gè)數(shù)據(jù)塊位置的信道估計(jì)值，用以完成頻域均衡。在短波信道這種頻譜資源十分緊張的信道中，該方法大大減少了導(dǎo)頻塊的 數(shù)量，能夠更好的利用短波信道的頻譜資源，減小信道估計(jì)計(jì)算量，提高系統(tǒng)傳輸效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡的流程示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡信道估計(jì)方法示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡信道估計(jì)方法中短波信道參數(shù)。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡信道估計(jì)方法幀結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的針對(duì)短波信道下的單載波頻域均衡信道估計(jì)方法對(duì)信道衰落的一條頻率譜線進(jìn)行插值估計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅結(jié)合用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025]單載波頻域均衡技術(shù)以符號(hào)塊結(jié)構(gòu)發(fā)送信號(hào)，需要在數(shù)據(jù)塊中插入循環(huán)前綴并進(jìn)行頻域均衡。單載波頻域均衡系統(tǒng)按幀傳輸，基于單載波頻域均衡技術(shù)適用于短波通信的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。一般的單載波頻域均衡系統(tǒng)中每個(gè)數(shù)據(jù)塊中均需要插入一塊循環(huán)前綴，循環(huán)前綴常用UW序列(Unique Word,獨(dú)特字序列，一般為chu序列、frank-zadaff、PN序列等)和空載數(shù)據(jù)。由于短波窄帶信道頻譜資源十分緊張，窄帶信道中頻率帶寬只有
3.7kHz，如果按照每塊數(shù)據(jù)中插入U(xiǎn)W序列將很浪費(fèi)頻譜資源。在這個(gè)問(wèn)題上提出本文的專利，利用較少的UW序列獲得UW序列位置的信道估計(jì)值，然后通過(guò)內(nèi)插算法獲得所有數(shù)據(jù)塊位置上的信道估計(jì)值。
[0026]在本實(shí)施例中選擇的短波信道是國(guó)際無(wú)線咨詢委員會(huì)(CCIR)提出的惡劣短波信道，其中參數(shù)為圖3。
[0027]在本實(shí)施例的發(fā)送機(jī)中，首先把輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制處理，然后把數(shù)據(jù)分為12塊，最后將四塊UW序列插入12塊數(shù)據(jù)中。首尾各插一塊UW序列，中間以相等的間隔插入數(shù)據(jù)中，如圖4幀結(jié)構(gòu)圖所示，然后以該幀結(jié)構(gòu)在短波信道進(jìn)行傳輸。
[0028]在本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)在信道帶寬為3kHz，采用QPSK傳輸速率為4.8kbps，數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)中UW序列長(zhǎng)度為64符號(hào)，DATA為傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為256符號(hào)，其中UW序列個(gè)數(shù)為4塊，DATA數(shù)據(jù)塊數(shù)位12塊。
[0029]在本實(shí)例中接收機(jī)中，將接收到的進(jìn)行分塊處理，然后通過(guò)FFT運(yùn)算轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信道估計(jì)處理。其中4塊UW序列分別根據(jù)頻域信道估計(jì)算法得到4塊UW序列位置的頻域信道估計(jì)值H_esti = [H_estil, H_esti6, H_estill, H_estil6],然后將H_esti序列運(yùn)用三樣條(Spline)插值算法進(jìn)行內(nèi)插數(shù)據(jù)，UW塊之間分別插入4個(gè)數(shù)據(jù)，一共可以得到 12 個(gè)內(nèi)插數(shù)據(jù) H_esti = [H_esti2, H_esti3, H_esti4, H_esti5, H_esti7, H_esti8, H_esti9, H_estil0, H_estil2, H_estil3, H_estil4, H_estil5],該數(shù)據(jù)就分別作為12塊數(shù)據(jù)塊DATA的信道估計(jì)值。圖5為一條頻率譜線進(jìn)行插值估計(jì)圖。
[0030]本實(shí)施例中一塊UW序列長(zhǎng)度64時(shí)長(zhǎng)為13.4ms,完全大于短波信道中的最大多徑延時(shí)，可以通過(guò)UW序列得到信道估計(jì)值；一塊DATA序列長(zhǎng)度為256時(shí)長(zhǎng)為54ms，在該時(shí)間段內(nèi)信道衰落很慢，假設(shè)信道的增益沒有變化，作為一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行信道估計(jì)以及后面的頻域均衡。
[0031]本實(shí)施例中在到每一塊數(shù)據(jù)的信道估計(jì)值后然后進(jìn)行頻域均衡，頻域均衡算法可以運(yùn)用各種頻域均衡算法。例如:迫零(ZF)均衡、最小均方誤差均衡(MMSE)、以及一些反饋均衡算法都可以直接使用信道估計(jì)值。如果是自適應(yīng)算法，可以將內(nèi)插得到信道估計(jì)值作為初始值帶入公式中直接運(yùn)用可以減少迭代次數(shù)，同時(shí)可以減少步長(zhǎng)使得到結(jié)果更加精確。
[0032]本實(shí)施例中對(duì)頻域均衡后數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT運(yùn)算轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，然后信號(hào)通過(guò)判決調(diào)制恢復(fù)出二進(jìn)制信號(hào)。
[0033]由上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例利用插值算法在提高傳輸效率的前提下能夠達(dá)到較好的傳輸結(jié)果。而且隨著多徑時(shí)延擴(kuò)展的增大，頻域均衡復(fù)雜度相比較于時(shí)域均衡大大降低，并且多徑時(shí)延擴(kuò)展比較大時(shí)內(nèi)插算法相較于一般算法將會(huì)節(jié)省更多的UW序列，傳輸效率提高的優(yōu)勢(shì)也更加明顯。并且單載波頻域均衡技術(shù)相比正交頻分復(fù)用體制，峰均比更低，抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，在相同的條件下，可以達(dá)到更高的傳輸速率和更低的誤碼率。
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 首先將輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制、數(shù)據(jù)分塊，并在數(shù)據(jù)塊間插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊； 然后采用最小二乘算法或者最小均方算法計(jì)算得UW序列導(dǎo)頻塊信道估計(jì)值； 最后通過(guò)內(nèi)插算法計(jì)算得數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)塊的信道估計(jì)值。
2.按權(quán)利要求1所述一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述內(nèi)插算法為就近插值算法、線性插值算法、二階插值算法或三樣條插值算法。
3.按權(quán)利要求1所述一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)塊間插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊的插入方法具體為:數(shù)據(jù)塊首尾分別插入一塊UW序列導(dǎo)頻塊，數(shù)據(jù)塊間等間隔插入U(xiǎn)W序列導(dǎo)頻塊。
4.按權(quán)利要求1所述一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述UW序列導(dǎo)頻塊長(zhǎng)度大于信道的最大多徑延時(shí)符號(hào)數(shù)。
5.按權(quán)利要求1所述一種針對(duì)短波通信信道下單載波頻域均衡的信道估計(jì)方法，其特征在于，所述信道估計(jì)方法中具體參數(shù)為:數(shù)據(jù)流中一幀數(shù)據(jù)分為X塊、每塊長(zhǎng)度為d，插入U(xiǎn)ff序列導(dǎo)頻塊η塊、每塊長(zhǎng)度為W，則一幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度L = n*w+x*d，則相鄰兩塊UW序列導(dǎo)頻塊間間隔c = x/(n-l)塊數(shù)據(jù)塊，c為大于O的整數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04L25/03GK103973608SQ201410232030
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】何旭, 朱青云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)