短波通信中基于隱訓練序列的信道階數估計的改進方法*

金慧琴，宋斌斌，張　海

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

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短波通信中基于隱訓練序列的信道階數估計的改進方法*

金慧琴，宋斌斌，張海

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

摘要：針對傳統的短波信道階數估計方法在進行信道階數估計時都存在一些限定條件和不足，給出了一種改進的基于隱訓練序列的信道階數估計方法。該方法是在接收端得到直流偏量的近似估計后，根據所估計的信道系數的統計特征，通過逐次計算均值的方法來估計階數。該方法能有效消除直流偏量影響而且計算復雜度較低。仿真結果表明，給出的新的基于隱訓練序列的信道階數估計方法能較準確地估計出信道階數，且存在直流偏量時受信噪比的變化影響較小。

關鍵詞：隱訓練序列;信道估計;階數估計;短波信道

0引言

在短波通信中，由于電離層信道的時變色散以及多徑傳播效應，會引起信號衰落和碼間干擾(Inter Symbol Interference, ISI)，使數據傳輸的有效性和可靠性都大大降低[1]。為了克服信道畸變和信道干擾產生的ISI，可以采用均衡技術對信道響應進行補償，作為均衡的重要環節，信道估計的效果直接影響著信道均衡的性能。因此對信道特性進行實時、準確的估計具有重要的意義。

傳統的信道階數估計方法包括[2-8]：基于信息理論準則的信道階數估計、基于改進信息理論準則的信道階數估計、基于有效秩檢測準則(Liavas’ Criterion, LC)準則的信道階數估計、基于噪聲功率的信道階數估計、動態逐階算法的信道階數估計、基于隱訓練序列(Implicit Training, IT)的信道階數估計等。上述方法中赤池信息量準則(Akaike’s Information Criterion, AIC)準則趨向于過估計；最短描述長度準則(Minimum Description Length, MDL)對信噪比的變化很敏感，僅在低信噪比和樣本個數較少的情況下估計性能較好；改進的信息理論準則在信噪比較低時，估計性能變差；LC準則對信噪比要求很高，在低信噪比情況下估計效果不夠理想；利用噪聲功率隨信道階數的變化的方法對跳變點的判定存在模糊估計問題；動態逐階信道階數估計算法雖然能夠較為準確的估計出信道階數，并且在較寬的信噪比范圍內具有很好的魯棒性，但其過于依賴具體的信道估計算法，每次均要利用接收信號的自相關矩陣求出信道沖激響應，計算量較大，實際應用仍受到限制。文獻[9]提出一種基于隱訓練序列的信道階數估計方法，但是未把直流偏量的影響考慮進去，并且通過計算經過信道后的隱訓練序列和接收數據的誤差值來估計信道階數的復雜度較高。本文給出了一種改進的適用于IT信道估計的階數估計方法。

1基于不相關特性隱訓練序列的信道階數估計的改進方法

如圖1所示，在文獻[9]設定的條件基礎之上引入直流偏量，進行仿真驗證，結果顯示其提出的方法由于未知直流偏量的影響，在階數判定時會出現模糊估計。

(a)誤判情況Ⅰ

(b)誤判情況Ⅱ

為了消除直流偏量引起的模糊估計，給出一種在直流偏量存在時利用信道估計結果進行數據判定的方法。首先必須要對直流偏量進行估計。采用圖2的系統模型并滿足相應的限定條件。

圖2　IT信道估計方法的通信系統模型

由圖2可知：

(1)

式中，M是信道階數(即信道模型的抽頭數目，假設它是已知的)。定義y(j)表示接收數據的周期均值：

(2)

式中，i=0,1,…,NP-1，j=0,1,…,P-1，P為周期，NP=N/P為整數，N為每幀發送的數據長度。

對式(2)作進一步分解處理可以得到：

(3)

雖然直流偏量具有時變性，但在短時間內，可以考慮其為一個常數。設d=[d,d,…d]T，則式(3)可寫成矢量形式：

y=Ch+d

(4)

式中，C為隱訓練序列矩陣：

接收數據周期均值，可以估計為：

(5)

此時信道的估計為：

(6)

從式(6)看出，如果選取的隱訓練序列逆矩陣C-1的所有元素之和為零，則可以抵消直流偏量的影響。

(7)

其中：

從而得到：

(8)

由前面分析可知，沒有直流偏量的情況下，當訓練序列周期P大于信道階數M時，后面的P-M個解h(M),h(M+1),…,h(P-1)都是零。所以，有直流偏量的情況下得到的h(M),h(M+1),…,h(P-1)可以認為是由直流偏量引起的。因此可由h(M)到h(P-1)得到直流偏量在接收端的近似估計為：

(9)

直流偏量為：

(10)

此時信道的估計就為：

(11)

(12)

為了增加判定的精確度，根據接收數據的統計特性，可以通過順序計算均值的方法進行二次判定[10]，同時不會增加太高的計算復雜度：

(13)

對基于隱訓練序列的信道估計進行信道階數判定的步驟歸納如下：

1) 根據式(11)估計去除直流偏量后的信道狀態。

2) 用式(12)進行計算并設定相應門限，完成初次判定。

3) 用式(13)計算并進行第二次判定。

2仿真分析

圖3　實際階數為6時的信道階數判定

根據式(12)，第一次判定點應位于均值曲線斜率由陡峭變平緩的跳變點；根據式(13)，第二次判定點應位于曲線數值突變減小前的高值點。圖3示出的結果驗證了所給出的信道階數估計方法的可行性。

這里將本文給出的新階數估計方法與文獻[9]的階數估計方法進行了比較。

圖4　多徑分布

如圖5所示，用Monte Carlo方法得到在不同階數和不同信噪比情況下，對基于隱訓練序列的信道階數估計方法進行性能仿真。

圖5　階數估計性能

圖中顯示，在低信噪比情況下，本文給出的估計方法相比文獻[9]的原估計方法能有較大改善，初次估計能達到70%的正確率，二次估計能達到80%以上的正確率。二次估計僅增加了式(8)這一部分的計算復雜度，但是在低信噪比時的正確估計概率能提升2%～10%。隨著信噪比的增加，不同估計的正確概率差距減小，信噪比大于或等于9 dB時，正確估計概率都能達到90%以上，但是二次估計相比原估計方法也有穩定的性能改善。綜上所述，本文給出基于隱訓練序列的信道估計方法受信噪比變化的影響較小，即使在低信噪比情況下，初次估計的正確概率也能達到70%以上，二次估計的正確概率能達到80%以上。

3結語

由于傳統的信道階數估計方法的前提條件受限或內在缺陷等因素，不能很好地適用于基于隱訓練序列的信道階數估計。針對文獻[11]提出的方法未考慮直流偏量和計算復雜度較高的問題，給出了一種適用于存在直流偏量的基于隱訓練序列的信道階數估計方法，并給出了提高判定精確度的二次判定方法，該方法能有效消除直流偏量影響并且計算復雜度較低。仿真結果表明，給出的新的基于隱訓練序列的信道階數估計方法能較準確地估計出信道階數，且受信噪比變化的影響較小。

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金慧琴(1964—)，女，碩士，副教授，主要研究方向為通信與導航；

宋斌斌(1979—)，男，博士研究生，主要研究方向為通信與導航；

張海(1973—)，男，博士，講師，主要研究方向為短波通信。

Modified Method for Channel-Order Estimation based on Implicit Training Sequencein HF Communication

JIN Hui-qin, SONG Bin-bin, ZHANG Hai

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai Shandong 264001,China)

Abstract：Aiming at the limitations and deficiency of traditional HF channel-order estimation method, a modified method based on implicit training sequence for channel-order estimation is proposed. This method, with the acquisition of DC-offset approximate estimation at the receiver,estimates the channel order by computing mean value point by point according to the statistical characteristics of estimated channel coefficient. In addition,this method could effectively eliminate the influence of DC-offset with a relatively low computational complexity. Simulation results show that this novel method of channel order estimation based on implicit training sequence could accurately estimate the channel order and is less sensitive to the change of SNR when DC-offset exists.

Key words：implicit training sequence; channel estimation; order estimation; HF channel

作者簡介：

中圖分類號：TN911.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)01-0048-04

*收稿日期：2015-08-15；修回日期：2015-12-02Received date:2015-08-15；Revised date：2015-12-02

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.01.010