基于信道估计的改进单载波频域块LMS算法研究

1 引言

在现代通信系统中，由于多径效应引起码间干扰，多径时延扩展到数十到数百个符号，从而导致接收信号的波形失真引起误码。均衡是现代通信中广泛采用的消除码间干扰，减小系统的误码率的一种常用技术。它是将接收机的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消由信道时变多径传播特性引起的码间干扰（ISI）。在对抗多径衰落信道方面，基本的传输技术可以分为单载波和多载波两大类。

在多载波技术中，典型代表是正交频分复用（OFDM）技术，它通过IFFT（快速傅立叶反变换）变换将原始的数据符号调制到正交的子载波上，频谱利用率高，系统复杂度较低。

但对定时误差和载波同步比较敏感，峰均功率比（PAPR）较大。

单载波系统时域均衡的方式是利用波形补偿的方法将失真的波形直接加以校正， 如线性均衡（LE）和判决反馈均衡（DFE）。单载波时域均衡技术已经在有线和无线通信中得到广泛的应用，但是时域均衡器复杂度与信道最大时延扩展成正比，时延扩展越大，需要的抽头阶数越高，因此增加了实现难度[1]. 单载波频域均衡在接收端使用FFT（快速傅立叶变换）变换对数据块进行处理，大大降低了接收端的复杂性，提高了系统效率，常见的有线性均衡，频时混合的判决反馈均衡，频域块最小均方等算法。由于SC-FDE 在系统的初始化启动过程中收敛速度较慢，因此本文将通过引入基于滑动相关的信道估计的算法的改进来提高收敛速度，来使系统更快达到稳定性，使用仿真分析和实际应用来验证改进算法的特性。

2 单载波频域均衡算法原理

单载波频域系统如图1 所示。在发射端，输入数据经过映射（4QAM 或16QAM 等方式）后，加上帧头（PN 序列）组成帧，然后经过信道发出。在接收端，去掉帧头，通过FFT 和IFFT变换来实现频域均衡，再通过对信号进行解映射，最后输出数据。

单载波频域均衡是基于把接收的数字信号按块在频域进行处理，运用信号处理中时域卷积等价于频域相乘的原理，并充分利用成熟的（快速傅立叶变换）FFT 算法，降低系统的复杂度，提高均衡器的收敛速度。这里频域均衡部分采用频域块最小均方（FBLMS）算法[3].

由于 FBLMS 算法中已经使用LMS 作为自适应更新的方式，传统方法一般是将抽头系数的初始值一般设为1,再用盲均衡算法如启停算法（SAG），恒模算法（CMA）[4]的方法来进行启动。盲均衡算法是作为训练模式和判决模式的补充手段，利用数据本身的特性来恢复发送的原始数据。但是存在启动速度慢，在某些恶劣的信道条件下甚至无法很好的正常工作的缺点。因此提出引入信道估计的改进算法来改善这一情况。

3 信道估计算法

利用发送数据的已知帧头数据，用信道估计的方法求得一个初始值赋值给均衡器的抽头系数。由于信道估计值已经包含了一部分正确的信道信息，均衡器用这部分正确的抽头系数进行更新，在初始引导正确后再进行信道跟踪就较为容易。因此可以加快系统进入稳定工作状态的速度，优化了传统的FBLMS 的算法。在系统中只用信道估计的算法做初值的赋值，数据的均衡算法仍采用频域块最小均方算法自适应收敛。考虑相关信道估计算法实现较为简单，十分适合用来做初步的信道估计。

相关信道估计算法[5]工作原理如图3 所示，这里以3 径的情况为例进行说明。发送伪随机序列（PN 序列）长度为N,在经过多径信道之后，发送PN 序列变成了分别经历了不同延时和衰落的3 径PN 信号。接收PN 信号正是这3 径的混合。从接收PN 信号的起始时刻开始，本地PN 序列滑动移位与接收PN 信号作滑动相关。在本地PN 序列滑动到与3 径信号吻合的3 个时刻，相关器分别输出3 个相关峰，而其它时刻则输出幅度较小的相关值。整个相关过程中相关器的输出作为信道冲击响应的估值h.

用相关方法的具体步骤如下：

（4）将时域h 值再进行FFT 变换到频域的H.

4 算法仿真实现

分别仿真 Brazil_C 在信噪比为17dB,Brazil_E 在信噪比为21dB 的收敛特性如图4,图5 所示。由仿真图可以得到改进算法在初始化阶段的SER 值相对无初始化而言降低了很多。在有了较好初值的启动的情况下，信道可以更快的收敛达到稳定，因此可以显著的改善收敛速度。

5 总结

单载波系统是一种很成熟的传输系统，当今大部分通信系统都属于单载波传输体系。本文将相关信道估计算法引入到FBLMS 算法中提出的一种改进的算法，并对基于该优化算法的SC-FDE 系统进行了计算机仿真。计算机模拟仿真的结果表明：改进算法优化均衡器的收敛速度，系统可以尽快达到稳定。因此，基于优化FBLMS 算法的SC-FDE 系统将在未来的无线通信中具有广阔的应用前景。

参考文献 [2] Benyamin A. SC-FDE PHY Layer System Proposal for Sub 11GHz BWA（An OFDM Compatible Solution）。Presentation IEEE 802.16, Mar., 2001

[3] B Farhang-Boroujeny, Kheong Sann Chan. Analysis of the Frequency-Domain Block LMS Algorithm .IEEETrans. on Signal Processing, Aug. 2000

[4]陶昱，单载波无线传输系统中自适应均衡技术的研究， 西安电子科技大学硕士论文，2006 年1 月

[5]姚丹，ATSC 接收系统中利用信道估计辅助均衡的研究与实现。北京工业大学硕士学位论文，2008 年4月