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  • OFDM系统中的信道估计基础知识

    千次阅读 多人点赞 2020-10-04 15:18:25
    参考文章: 信道估计(百度百科) OFDM学习笔记(四)...举个简单的栗子来说,假如发送端发送了个正弦信号6sin(2t),然后发送的这个正弦信号在无线信道中进行传输,由于信道的影响,接收端接到的信号变成了3sin

    参考文献:
    基于MIMO_OFDM系统的信道估计算法综述 ----丁旭(国内会议)
    参考课本:
    MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现
    参考文章:
    信道估计(百度百科)
    OFDM学习笔记(四)(信道估计简介
    信道估计算法
    OFDM中基于块状分布的导频信号信道估计仿真
    OFDM中的信道估计Channel Estimation
    SISO/MIMO信道估计(channel estimation)原理详细图解
    信道估计硬件实现 LS算法
    LTE基础原理与关键技术第4章OFDM信道估计
    Chpater 5 大规模MIMO信道估计与导频设计
    OFDM完整仿真过程及解释(MATLAB)

    OFDM系统基本框图

    在这里插入图片描述

    一、什么是信道估计

    信道估计是使用接收信号表现出来的各种状态来对信道的特性进行估计的过程。信道估计是信道对输入信号影响的一种数学表示。
    信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程,是信道对输入信号影响的一种数学表示。如果信道是线性的,那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。信道估计的目标就是使某种估计误差最小化,同时还要尽量降低算法的复杂度,并具有可实现性。
    为了在接收端能够准确地恢复发射信号,需要对信道的冲激响应进行估计,这就是信道估计。

    二、为什么要进行信道估计

    无线环境是复杂多变的,信号在传播过程中就会受到各种各样的干扰,到达接收端时,信号的幅度、相位和频率都会发生很大的改变,而信道估计和信道均衡的作用就是尽可能恢复出信号。因此,一个良好的估计和均衡算法对于接收端的性能来说至关重要,决定了信号最终的解出率。
    举一个简单的栗子来说,假如发送端发送了一个正弦信号6sin(2t),然后发送的这个正弦信号在无线信道中进行传输,由于信道的影响,接收端接到的信号变成了3sin(2t+8),也就是说信号经过无线信道的传输之后,幅度和相位都发生了变化(也就是幅度衰减一半,相位增加了8),如果在接收端现在已经通过相应的信道估计算法估计出了这个信道的特性(也就是幅度衰减一半,相位增加了8),那么接收端在后续接收其他信号的时候就会对接收到的信号进行相应的补偿。假如说发送端又发送了一个信号8sin(2t+2),通过信道传输之后,接收端接收到的信号变成了4sin(2t+10),那么接收端由于刚才已经通过第一次接收到的信号估计出了信道的特性,那么他就可以直接把信号补偿为8sin(2t+2)(幅度增加一倍,相位减去8),这样在接收端就可以复原出发送端发送的原信号。这就是为什么要进行信道估计,目的就是在接收端要尽可能地还原发送端发送的原信号。

    三、信道估计常用的思想

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    3.1 基于参考信号的估计(非盲估计

    基于参考信号的信道估计就是接收端利用已经知道的信息来对信道进行估计。常用的就是OFDM系统中的基于导频符号的信道估计。它的缺点也是显而易见的,参考信号占用了信息比特,降低了信道传输的有效性,浪费了带宽。另外,在接收端,要将整帧的信号接收后才能提取出参考信号进行信道估计,带来了不必要的时延,所以对帧结构提出了限制要求,比如快哀信道下,由于信道的相关时间可能小于帧长,基于参考信号的信道估计算法应用受到限制。

    3.1.1 基于训练序列的信道估计

    基于训练序列的信道估计算法适用于突发传输方式的系统。通过发送已知的训练序列,在接收端进行初始的信道估计,当发送有用的信息数据时,利用初始的信道估计结果进行一个判决更新,完成实时的信道估计。

    3.1.2 基于导频符号的信道估计(常用)

    其实有时候也把导频称为训练序列。反正就是那个意思,不作太大的区分。
    基于导频符号的信道估计适用于连续传输的系统。通过在发送的有用数据中插入已知的导频符号,可以得到导频位置的信道估计结果;接着利用导频位置的信道估计结果,通过内插得到有用数据位置的信道估计结果,完成信道估计。

    3.2 盲估计

    利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征,或是采用判决反馈的方法来进行信道估计的方法。盲估计必须是在接收到大量数据时才能够提取统计特性并对信道进行估计,并且算法复杂度也很高。

    3.3 半盲估计

    结合盲估计与基于训练序列估计这两种方法优点的信道估计方法,也就是盲估计+较短的训练序列。

    3.4 三种信道估计思想的比较

    一般来讲,通过设计训练序列或在数据中周期性地插入导频符号来进行估计的方法比较常用。而盲估计和半盲信道估计算法无需或者需要较短的训练序列,频谱效率高,因此获得了广泛的研究。但是一般盲估计和半盲估计方法的计算复杂度较高,且可能出现相位模糊(基于子空间的方法)、误差传播(如判决反馈类方法)、收敛慢或陷入局部极小等问题,需要较长的观察数据,这在一定程度上限制了它们的实用性。

    总体来说,由于基于参考信号的信道估计需要事先在发送的有效数据中插入一些收发双方都已知的数据(训练序列或者导频符号),于是插入的这些已知的数据就会占用了发送数据的信息比特,从而降低了传送数据的有效性和频谱效率,但是这种信道估计思想最后估计出来的结果相对来说比较贴合信道的实际情况,也就是说效果比较好。而盲估计算法由于不需要插入任何已知的数据,所以这种方式的数据有效性和频谱效率都比较高,但是他估计出来的信道特性相对来说不是那么的贴近实际的信道特性,并且这种信道估计的计算复杂度比较高、算法运算量大、灵活性差。半盲估计显然就是非盲估计和盲估计的一个折中产物。

    非盲估计:频谱效率低、效果好
    盲估计:频谱效率高、运算量大、效果不是那么好
    半盲估计:折中的产物

    由于盲估计频谱效率高,所以他越来越受到研究人员的重视。

    四、OFDM系统信道估计中的导频分布

    OFDM系统常常使用插入导频的方法来进行信道估计。我们都知道OFDM系统是在同一个时刻同时发送多个不同频率的子载波,一次性发送若干个子载波算是发送了一个OFDM符号,然后再隔一定的时间再发送下一个OFDM符号。根据导频插入的不同方式我们可以分为块状导频和梳状导频。
    所谓的导频就是在子载波上面调制上收发双方都知道的数据,这个数据(导频)的作用就是用来估计当前的信道特性。

    4.1 块状导频

    块状导频适用于慢衰落信道(即信道特性在一个OFDM数据帧(块)内保持准静止)。
    我们可以把下图中的4列小圆圈认为是一个OFDM数据帧(块),只要是在一个OFDM数据帧内信道特性基本不变,那么该信道就是慢衰落信道。

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    上图中的空心小圆圈就代表一个子载波,实心小圆圈就代表插入的导频。
    如上图所示,在同一时刻OFDM系统会同时发送多个不同频率的子载波,每一列就代表了一个OFDM符号,每隔一定的时间再发送下一个OFDM符号。
    这种导频方式的工作流程如下: 每隔一定的时间(也就是每隔几个OFDM符号,但是插入的时间间隔要满足抽样定理,目前我也不知道具体是什么东西)在所有的频率(子载波频率)上都发送一个已知的信号(这个信号我们就叫做导频信号,也就是在所有的子载波频率上面都调制上一个收发双方都知道的数据)。接收端收到这个导频信号之后就会使用相应的算法来对信道特性进行估计,估计完信道特性之后就已经知道了在导频位置处信道的特性(包括幅度衰减、相位等信息),然后就会使用一些插值算法在时域插值出后续几个OFDM符号周期内的信道特性,然后就可以然后就开始接收后面的OFDM符号了,接收端接收到后面的OFDM符号之后,就使用刚才估计到的信道特性来对现在接收到的数据进行相应的补偿,这样一直持续下去,一直持续到下一次导频信号的来临,然后就会使用最新的导频信号来更新当前的信道特性了,就这样一直持续下去。

    这种方式的基本思想就是假定了相邻几个OFDM符号之间的信道传输函数的改变不大。(其实也不能说是假定,因为这种块状导频本来就只能适用于这种相邻几个OFDM符号之间信道传输函数改变不大的信道,也就是这里说的慢衰落信道)
    由于该方式是在所有的子载波频率上面都发送了一个导频信号,所以这种方式对频率选择性不是很敏感。

    4.2 梳状导频

    梳状导频适用于快衰落信道(即信道特性在一个OFDM数据帧(块)内发生显著变化)。
    在这里插入图片描述
    上图中的空心小圆圈就代表一个子载波,实心小圆圈就代表插入的导频。
    这种插入导频的方式从图中就可以看出来,由于信道特性变化很快,所以不能再让相邻的几个OFDM符号来共同使用一个信道特性了,所以我们就在每一个OFDM符号中都加入了导频信号,但是和块状导频不同的是,这里的导频信号虽然占据了时间轴上的每一刻,但是他并没有占据频率轴上的所有子载波频率,而是选了几个频率来插入导频信息。
    这种导频方式的工作流程如下:在每一个OFDM符号周期内都使用几个子载波来作为导频使用,当接收端接收到这个OFDM符号之后,先使用信道估计算法估计出导频位置处的信道特性,然后再使用一些插值算法在频域插值出其余子载波(也就是其余携带数据的子载波)处的信道特性,然后就可以恢复出原信号了。
    由于这种方式的导频信号没有插入到所有的频率上,所以他对频率选择性比较敏感。

    除此之外,在信道频率选择性不强的情况下,可以在频域上较为稀疏地排列导频序列。同理,在慢衰落场景下,也可以在时域上较为稀疏地排列导频序列。
    在这里插入图片描述
    块状导频是进行的时域插值
    梳状导频是进行的频域插值
    菱形导频(格状导频)是在时域和频域都进行插值

    需要注意的是时域插值和频域插值其实指的就是在横坐标方向上插值或者在纵坐标方向上插值,横坐标就对应着时域,纵坐标就对应着频域。

    五、常用的信道估计算法(后续慢慢学习)

    在上面我们说到的利用导频信号就可以估计出信道特性,那么它具体是如何估计出信道特性的呢?这时候就轮到信道估计算法上场了。
    (信道估计模块接收的信号是频域信号,已经完成了去CP、纠偏等操作。去CP会使两个相邻的OFDM符号间有间隔,这段间隔对于信道估计模块很宝贵,所有的计算尽量在这个间隔内完成,若有N倍采样,那么可以用来处理的时钟就更多了。)
    在这里插入图片描述

    5.1 最小二乘法信道估计算法(LS)

    LS:Least Square
    该算法计算简单、复杂度低,不需要信道的任何先验统计特性。该方法导频处信道频域响应(CFR)通过LS算法估计得到,数据符号处CFR通过插值方法获得。然而,由于LS估计方法不能消除导频处噪声的影响,并且插值类信道估计方法不能有效消除由于多径引起的频域选择兴衰落信道的影响,导致数据处CFR获取不准确,因此LS算法的估计性能较差。
    假设发射信号是X(i),信道传输函数是H(i),接收端接收到的信号是Y(i),那么就有这个等式Y(i)=X(i)H(i)
    信道估计中的LS算法是最基本且常用的算法,用最朴实的话说就是忽略噪声,直接除。其公式表示为H(i)=Y(i)/X(i)。频域接收信号导频位置Y,本地已知导频X。两者简单相除,就可以得到导频位置的信道估计值H(i)
    在硬件实现时,除了在均衡时可以考虑用除法器,其他位置(包括此处的LS算法)都不要使用除法器,除法器占用的资源太多,将除法表示为乘法即可避免,而大部分的乘法可以用移位相加来实现,这样可以大大降低复杂度。
    关于代价函数请点击这里
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    5.2 最小均方信道估计算法(MMSE)

    MMSE:Minimum Mean Square Error Estimation
    在这里插入图片描述

    5.3 最大似然信道估计算法

    ML:Maximum Likelihood

    5.4 基于DFT的信道估计算法

    为了提高LS算法的性能,首先对LS算法得到的CFR进行IDFT变换到时域,然后根据信道冲激响应(CIR)特征,通过将CIR中除了时延点以外其余位置置零达到去噪的目的,然后再对去噪后的CIR补零做DFT得到估计的频域信道估计,由于DFT/IDFT有快速算法,因此该方法计算量小,容易实现。但是该方法要求信道时延为整数倍信道采样周期,当信道时延不为信道采样周期整数倍时,由于时延频谱泄露导致该方法不能仅仅通过几个时延点恢复出信道频域响应,因此限制了该方法的应用范围

    5.5 基于SVD(奇异值分解)的信道估计算法

    SVD:Singular Value Decomposition

    5.6 基于滤波器的信道估计算法

    5.7 线性最小均方误差信道估计算法(LMMSE)

    该方法在信道估计算法中性能最好,可以得到精确的信道估计,但是LMMSE算法需要知道信道的统计信息,并且具有很高的计算复杂度,因此,不适用于实际情况。

    5.8 基于判决反馈信道估计算法

    六、插值算法

    当使用信道估计算法估计出导频处的信道特性后,就要使用插值的方法去拟合出非导频处的信道特性,常见的插值方法有一阶线性插值和二阶线性插值。其中一阶线性插值是利用了相邻两个导频信号,而二阶线性插值是利用了前后相邻的3个导频信号。由于使用到的导频信息很少,所以最后估计出来的信道特性与实际有一定的差异。

    七、MIMO-OFDM系统中的信道估计

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    MIMO-OFDM的信道估计:时,频,空三个域都要考虑,尤其是在空域,不同天线发射的导频序列需要相互正交,否则在接收端无法区分各个导频,造成导频污染,就无法正确地估计信道。正交的方法有很多,可以是时间上错开,在某个时间只允许某个天线发送。也可以在频率上错开。还可以让导频信号本身就是正交的(例如Alamouti coding)。如下图所示:
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    在实际系统中往往是这三种导频策略混合使用。例如LTE下行链路的导频序列排布:
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    其他估计思想

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    2020-05-30 08:31:21
    =T观察接收信号r(t),确定传输的是这4种信号波形的哪一种。最优接收机要设计成能使符号差错最小。 加性高斯白噪声信道的最优接收机 使差错概率最小的接收机可以将信号通过一个信号相关器或匹配滤波器,再紧跟着一个...

    前面,处理数字信息的传输用的都是二进制信号波形,因此每个信号波形
    仅传输1比特的信息。这一节要使用多个幅度电平的信号波形,因此每个信号波形就能传输多个比特的信息。
    幅度电平的信号波形
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    接收机的任务就是在时间间隔0<=t<=T观察接收信号r(t),确定传输的是这4种信号波形中的哪一种。最优接收机要设计成能使符号差错最小。
    加性高斯白噪声信道的最优接收机
    使差错概率最小的接收机可以将信号通过一个信号相关器或匹配滤波器,再紧跟着一个幅度检测器来实现。因为信号相关器和匹配滤波器在采样时刻都产生相同的输出,所以我们在讨论仅讨论信号相关器。
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    检测器
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          在数据通信系统中,由于数据在传输过程中,可以用数字信号和模拟信号两种方式表示。因此,它们在信道中的传输,也相应分为基带传输和频带传输两类。
    一,什么是基带传输?
    (1)计算机输出和输入的都是二进制数字信号,它是一种矩形的电脉冲信号。

    (2)由于这种未经调制的电脉冲所占据的频段从直流和低频开始,因此人们把这种矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”。

    (3)在一些传输距离不太远的情况下,例如在有线信道中,这种基带信号可以直接传输,因此称为"数字信号基带传输"。
    二,什么是频带传输?  
          基带传输是数据通信中一种非常重要的传输形式,但是它只能在信道上原封不动地传输二进制数字信号。但是对于远距离通信来说,目前经常使用的仍然是普通的电话线。传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的,它只适用于传输音频范围(300Hz-3400Hz)的模拟信号,不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网来传输计算机之间的数字信号,就必须将数字信号转换成模拟信号。为此,需要在发送端选取音频范围的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波,用它运载所要传输的数字信号,通过电话信道将其进行传送;在接收端再将数字信号从载波上取出来,恢复为原来的数字信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。

    ==========================================================================================

            带宽通常指信号所占据的频带宽度。对于模拟信号而言,带宽又称为频宽,以赫兹(Hz)为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz,一个PAL-D电视频道的带宽为8MHz(含保护带宽)。对于数字信号而言,带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的,为了与模拟带宽进行区分,数字信道的带宽一般直接用波特率来描述。

     

    参考原文:http://baike.so.com/doc/176719.html

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    [百科上这样描述]“复用”是一种将若干个彼此独立的信号,合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。

    比如,传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内,为了使若干个这种信号能在同一信道上传输,可以把它们的频谱调制到不同的频段,合并在一起而不致相互影响,并能在接收端彼此分离开来。


    如图,画得小丑小丑~

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    频分复用:顾名思义,将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道),每一个子信道传输一路信号。也就是不同信号的频率各不相同,然后在一个信道内并行传输。可用于模拟传输系统

    时分复用:就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙),并将这些时隙分配给每一个信号源使用,每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。如上文提到的数字传输系统,它采用脉冲编码技术后,再利用时分复用技术电话局间的一条中继线就可以传送几十路电话了。

    注:传送数据不多时,却独占一个时隙,白白浪费,而数据多一些的,却不够,只能分多次传送~

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    码分复用:是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式,主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术(码分多址),包括无线和有线接入。例如,一个信道只容纳1个用户进行通话,许多同时通话的用户,互相以信道来区分,这就是多址。

    在这里插入图片描述

    统计时分复用:实际上就是所谓的带宽动态分配。统计复用从本质上讲是异步时分复用,它能动态地将时隙按需分配,而不采用时分复用使用的固定时隙分配的形式,根据信号源是否需要发送数据信号和信号本身对带宽的需求情况来分配时隙,主要应用场合有数字电视节目复用器和分组交换网等。

    动态分配,合理利用,a最先来,最先上,bc一起来,b和c的一部分接着上…
    在这里插入图片描述


    波分复用:在光通信领域,人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此,所谓的波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)其本质上也是频分复用而已。如今,在一根光纤上复用的路数越来越多,现在已能做到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号。


    空分复用:即多对电线或光纤共用1条缆的复用方式。比如5类线就是4对双绞线共用1条缆,还有市话电缆(几十对)也是如此。能够实现空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小,可以将多条光纤或多对电线做在一条缆内,既节省外护套的材料又便于使用。


    极化波复用:电磁波在空间传播时,其电场矢量的瞬时取向称为极化。卫星系统中通常采用两种办法来实现频率复用:一种是同一频带采用不同极化,如垂直极化和水平极化,左旋圆极化和右旋圆极化等;另一种是不同波束内重复使用同一频带,此办法广泛使用于多波束系统中。


    最后总结物理层标准 EIA-232的主要特点:

    (1)机械特性: 外形,尺寸,引脚排列

    (2) 电气性能:负逻辑,0相当于对信号地线有十3V或更高的电压, 空号,或控制线的“接通”状态。1相当于对信号地线有—3V或更负的电压,传号,或控制线的“断开”状态。另外,当连接电缆线的长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20kb/s。

    (3)功能特性:规定了什么信号线应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。

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    (4)规定了在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列。

    备注:DTE(Data Terminal Equipment)–数据终端设备
    DCE(Data Circuit-terminating Equipment)–数据电路端接设备

    展开全文
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  • 摘 要:本文介绍了一种用FPGA实现HDLC转E1协议控制器,能实现将速率为N×64Kbps(N=1~124)HDLC数据分接至M路(M=1~4)E1信道中传输,并允许各路E1最大时延为64ms。讨论了E1帧结构设计和系统FPGA实现方法。...
  • 通信信道

    千次阅读 2019-07-23 21:49:40
    、信道:信号传输的通道,它的性质决定了系统所能传输的信息容量和所能提供的传输质量。信道可以分为有线信道和无线信道两。信道会受到干扰的影响,信道中的干扰可以分为有源干扰和无源干扰两。信道的研究...
  • 针对矿井无线传输信道信号传输损耗大、传输距离短、传输信道窄、噪声干扰大、传输能力有限、语音信号信噪比低特点,通过对井下透地传输中语音信号和噪声分析,基于语音压缩技术提出了一种用于矿井无线透地通信...

空空如也

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信道中传输的信号是一种