摘 要：為了消除時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)系統(tǒng)中的載波間干擾(ICl)，通過假定信道在OFDM塊內(nèi)呈線性變化，建立了TDS-OFDM在時(shí)交信道下的系統(tǒng)傳輸模型。在此基礎(chǔ)上采用一種決策反饋的方法來消除ICI。該方法使用偽隨機(jī)(PN)序列時(shí)域相關(guān)進(jìn)行信道粗估計(jì)，并在一個(gè)OFDM塊內(nèi)進(jìn)行線性內(nèi)插得到整個(gè)OFDM塊內(nèi)的信道細(xì)估計(jì)。分析和仿真結(jié)果表明，該方法相對(duì)于TDS-OFDM系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法有2 dB以上的誤碼率性能增益，并且復(fù)雜度與傳統(tǒng)方法相當(dāng)。

　　關(guān)鍵詞：信道估計(jì)；載波問干擾消除；時(shí)域同步正交頻分復(fù)用；偽隨機(jī)序列

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

　　當(dāng)信道變化較慢時(shí)，可以近似認(rèn)為信道在一個(gè)OFDM塊內(nèi)保持不變，那么信道均衡可以通過簡(jiǎn)單的一階頻域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)；但是，信道時(shí)變產(chǎn)生的時(shí)間選擇性衰落將導(dǎo)致子載波間的正交性受到破壞，產(chǎn)生載波間干擾(ICI)。當(dāng)信道變化較快時(shí)，信道塊時(shí)不變的假設(shè)(即忽略ICI)必然會(huì)帶來系統(tǒng)性能的嚴(yán)重惡化。

　　為此，本文假定信道在一個(gè)OFDM塊內(nèi)呈線性變化，建立了時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)的系統(tǒng)傳輸模型，并采用一種決策反饋的方法來消除ICl?；赥DS-OFDM的PN序列作為幀頭的幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過PN序列時(shí)域相關(guān)得到信道沖激響應(yīng)的粗估計(jì)，然后在OFDM塊內(nèi)做線性內(nèi)插得到信道沖激響應(yīng)的細(xì)估計(jì)。仿真結(jié)果表明，在快速時(shí)變信道下，該方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法有明顯的性能改善，并且具有較低的復(fù)雜度。

　　1 TDS-OFDM系統(tǒng)傳輸模型

　　圖1給出了TDS-OFDM系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)示意圖。TDS-OFDM系統(tǒng)的信號(hào)幀由幀頭和幀體數(shù)據(jù)2部分組成。作為保護(hù)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(zhǎng)度可根據(jù)信道最大多徑時(shí)延來定制。

　　圖2給出了TDS-OFDM的基帶傳輸系統(tǒng)框圖。在發(fā)送端，每N(N=3 780)個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)幀體向量，通過快速傅里葉反變換(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被插入來作信道估計(jì)。然后通過并串轉(zhuǎn)換得到發(fā)送信號(hào)s。在接收端，采樣后的數(shù)據(jù)r被分為幀頭部分u和幀體部分v。幀頭部分被用來作信道估計(jì)，通過本地產(chǎn)生一個(gè)相同的PN序列與接收到的幀頭數(shù)據(jù)作時(shí)域相關(guān)得到信道粗估計(jì)，再經(jīng)過線性內(nèi)插得到信道細(xì)估計(jì)。使用該信道細(xì)估計(jì)來消除幀頭對(duì)幀體的干擾，這樣TDS-OFDM信號(hào)可以等價(jià)于零前綴OFDM(ZP-OFDM)信號(hào)，再通過交疊相加方法(OLA)，ZPOFDM信號(hào)等價(jià)于循環(huán)前綴OFDM(CP-OFDM)信號(hào)。由于信道估計(jì)的誤差，在進(jìn)行上述處理時(shí)會(huì)帶來額外的噪聲，但由于幀頭長(zhǎng)度相對(duì)于幀體長(zhǎng)度較小，并且在通常的信噪比和多普勒頻移范圍內(nèi)，信道估計(jì)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(shù)據(jù)b通過FFT得到，然后采用一種決策反饋的方法來消除ICI，得到對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的估計(jì)。

　　本文假定系統(tǒng)已經(jīng)精確同步。設(shè)信道的沖激響應(yīng)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(shù))。考慮信道在OFDM塊內(nèi)的變化，那么，在接收端，經(jīng)過處理后的幀體部分可以表示為

　　本文假設(shè)信道在OFDM塊內(nèi)呈線性變化，即hBody[m,l]可以表示為

　　2 ICI消除方法

　　根據(jù)式(9)，對(duì)X的估計(jì)為

　　但是，由于上式的復(fù)雜度很高，為o(N3)次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，所以很難在實(shí)際中使用。為此，基于線性內(nèi)插的信道估計(jì)方法，本文在TDS-OFDM系統(tǒng)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(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的一個(gè)粗估計(jì)

　　再從Y中扣除所得的ICl分量估計(jì)，可以得到無ICI的數(shù)據(jù)估計(jì)如下式所示：

　　以上為TDS-OFDM系統(tǒng)的基于決策反饋的ICI消除方法，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。由于FFT的復(fù)雜度為o(N)，那么總的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度為2o(N)+4N，即o(N)。可以看出，這種方法的復(fù)雜度比直接按式(10)進(jìn)行均衡的方法所需要的復(fù)雜度o(N3)要低很多，并且和傳統(tǒng)方法的復(fù)雜度在一個(gè)數(shù)量級(jí)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?？梢钥闯觯S著Doppler頻移的增加，系統(tǒng)的信干比性能明顯下降。該ICI消除方法在使用估計(jì)的信道參數(shù)和理想的信道參數(shù)時(shí)，性能差異不大。在所給的多普勒頻移范圍內(nèi)，即使使用估計(jì)的信道參數(shù)，該方法相對(duì)于沒有采用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(jì)方法

　　為了有效地進(jìn)行ICI消除，必須有準(zhǔn)確的信道估計(jì)作為基礎(chǔ)。本小節(jié)給出了TDS-OFDM系統(tǒng)在時(shí)變信道下的信道估計(jì)方法，即如何得到。在TDS-OFDM系統(tǒng)中，每個(gè)信號(hào)幀包含了一個(gè)已知的PN頭作為幀頭，它被用作時(shí)域?qū)ьl信號(hào)來進(jìn)行信道估計(jì)。由于幀頭長(zhǎng)度相對(duì)于幀體長(zhǎng)度小得多，可以近似認(rèn)為信道在一個(gè)幀頭的時(shí)間間隔內(nèi)保持不變，記為hHead[l]，那么，接收到的幀頭數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)估計(jì)，稱之為信道粗估計(jì)，由下式表示：

　　根據(jù)得到的信道粗估計(jì)，通過延時(shí)和線性運(yùn)算可以很容易得到have[l]和hdel[l]的估計(jì)，表示為：

　　其中：代表當(dāng)前幀的信道粗估計(jì)；代表下一幀的信道粗估計(jì)。將式(20)和(21)帶入式(5)就可以得到OFDM塊內(nèi)信道沖激響應(yīng)hBidy[m,l]的估計(jì)。由于TDS-OFDM系統(tǒng)使用了時(shí)域?qū)ьl的幀結(jié)構(gòu)，才能利用PN頭時(shí)域相關(guān)得到的相鄰兩幀的信道估計(jì)，進(jìn)行線性內(nèi)插得到塊內(nèi)的信道細(xì)估計(jì)。該信道估計(jì)的方法非常簡(jiǎn)單并且有效。

　　為了分析分析信道估計(jì)的性能，定義信道估計(jì)的平均歸一化均方誤差為

　　其中M代表仿真的OFDM塊個(gè)數(shù)。

　　圖5和圖6分別給出了信道估計(jì)的歸一化均方誤差隨信噪比和Doppler變化的仿真曲線。其中：PS代表本文中使用的信道估計(jì)和ICI消除方法；CS代表假定信道塊時(shí)不變的傳統(tǒng)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(dāng)信噪比很低時(shí)，PS相對(duì)于CS和AS的信道估計(jì)性能優(yōu)勢(shì)并不明顯，但隨著信噪比增加，PS相對(duì)于CS和AS有著明顯的性能優(yōu)勢(shì)，如在信噪比為20 dB時(shí)，PS相對(duì)于CS和AS分別有20 dB和13 dB的信道估計(jì)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(shì)相似，當(dāng)Doppler頻移在40 Hz和200 Hz時(shí)，信道估計(jì)歸一化均方誤差性能有大約15 dB的差異。

　　3 仿真結(jié)果

　　仿真信道如表1所示，TDS-OFDM系統(tǒng)參數(shù)為：采樣速率7．56MSPS，幀體數(shù)據(jù)長(zhǎng)度3 780，幀體持續(xù)時(shí)間500 μs，子載波間隔2．O kHz，幀體調(diào)制方式16QAM，幀頭長(zhǎng)度420，PN序列長(zhǎng)度255，PN序列循環(huán)