基于叠加训练序列的无线光信道估计与均衡(小论文)

基于叠加训练序列的无线光信道估计与均衡通信工程11250117苏红刚指导老师王惠琴教授摘要在无线光通信系统中，为了能达到系统需要的解码要求，必须要进行准确的信道估计与均衡。

本文首先介绍了无线光通信的基础知识以及特性、信道系统基本原理；着重研究了无线光信道估计与均衡的方法，基于此，设计了一种叠加训练序列的无线光信道估计与均衡方案。

由于这种估计方案具有复杂度低的主要特点，而且该方法不占用系统额外的时隙，把导频序列直接叠加在信息序列上，因而可以节省系统的频谱资源，深受学术界的广泛关注。

最后，对该系统方案进行了MATLAB仿真，分析了系统的估计均方误差及系统误码率性能，讨论了功率分配因子与直流偏置等因素对估计精度的影响。

基于叠加训练序列的信道估计与均衡的方法可更好地改善了系统性能，保证信息无失真地传输，深受广大学术界的欢迎。

关键词：信道估计与均衡；训练序列；光通信AbstractIn order to achieve the required decoding system requirements, it must be did that channel estimation and equalization. Firstly, this paper introduces the basic knowledge, characteristics and channel system the basic principles of wireless optical communication; secondly, it focuses on the estimation and equalization method of wireless optical channel. On the base of the method, it designs a superimposed training sequence of wireless optical channel estimation and an equalization scheme. Since this estimation scheme has low complexity of the main features of the system and the method does not take up extra slots, the pilot sequence information is directly superimposed on the sequence, saving the spectrum resources system is very popular in the academic community. Finally, the system program was simulated with MATLAB, the mean square error estimation system and the system BER performance are analyzed and the types of superimposed training sequence, the influencing factors and DC bias and other factors on the estimation accuracy of power distribution are analyzed. So it is benefit to improve system performance with estimates and balanced approach and ensure that the information can transport without distortion superimposed training sequence based channel.Key words：Channel Estimation；Training Sequence；Optical communication一、绪论无线光信道估计是近年来光通信领域新兴的一项新技术，在一个实际的无线光通信系统中，如何进行信道估计以及参数估计是否准确将直接关系到数据传输的可靠性及系统性能的提高。

准确的信道估计与均衡是提高接收机接收质量的关键，也是提高无线光信道无线通信系统数据传输性能的重要技术。

近年来兴起的基于叠加训练序列的信道估计方法通过将周期训练序列代数叠加到发送序列之上，接收端利用接收信号的一阶循环平稳特性实现信道参数的估计。

由于这种估计方案具有复杂度低的主要特点，而且该方法不占用系统额外的时隙，因而可以节省系统的频谱资源，受到了学术界的广泛关注，所以，现在对无线光信道系统信道估计与均衡算法的研究是很有必要的，也是非常有意义的。

二、估计方案的设计（一）OOK调制OOK调制是ASK调制序列来控制正弦载的一个特例，把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK，是以单极性不归零码波的开启与关闭。

振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

ASK是幅移键控调制的简写，例如二进制的，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示，就是ASK了。

而OOK则是ASK调制的一个特例，“通-断键控(OOK)”信号表达式为⎩⎨⎧=”时0发送“-1，以概率0”时1发送“以概率,)(P P A t e OOK (2-1) （二）训练序列结构设计为了能够准确地估计信号响应，接收端需要丢弃那些被“污染”的信道估计数据，所以在训练序列设计时需要考虑保护间隔.此外考虑到数据或者矩阵的循环结构具有特征值分解简单的特点，训练序列常设计为循环结构。

图1 训练序列结构图 图1中给出了时域情况下训练序列的通用结构，其包括两部分；一部分就是训练序列部分，另一部分就是保护时隙部分，保护时隙的内容与训练序列尾部的数据相同。

一般说来，训练序列对具体的内容没有要求，其相关属性与通信当中对数据的要求一致。

一般要求保护时的时间跨度要大于信道的最大多径时延。

接收端利用接收到的训练序列进行信道估计，由于多径信道对训练序列数据产生了衰落和失真，为了保证信道估计的准确性，接收端首先丢弃被前一块数据“污染”的保护时隙数据，利用数据的循环性特点估计信道的脉冲响应。

（三）叠加训练序列的系统原理信道长度M=P,ook 产生的训练序列c(k),k=0,1,0,1，……0,1 ,为完备序列时的一个特例。

其中系统模型如下：图2 基于叠加训练序列的系统框图此时,下式Ch d y += (2-2) 其中()()()()1,,1,0-=p c c c cir C可得信道估计为y D h sequence perfect +-∧= (2-3)可以看出叠加训练序列不但可以直接消除直流偏移,同时基于零自相关区和零互相关区的存在可以使多信道的估计问题变成多个独立单信道估计问题。

三、仿真及结果分析（一）SISO 系统信道估计误差分析首先设信息数据向量为b(k), 训练序列向量为c(k), 噪声向量为n(k)和接收向量为x(k)。

则有 )()]()([)(k n k c k b H k x ++= (3-1) 信道估计误差 []∑-=++∧+=-=10)(D )(1P N i ip Hd ip Hb D N h h e (3-2)信道估计误差最后可化为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅++⋅⋅≈2222222)0()1(c n c b e N M h h N M σσσσσ (3-4) 由上式可见，信道估计误差方差同时受信道径数、发射数据长度、及数据功率训练序列功率和噪声功率的影响。

（二）均方误差与误码率性能分析估计均方误差是指参数估计值与参数真值之差平方的期望值。

图3 估计算法的估计均方误差曲线(a) 图4 均衡前与均衡后的误码率曲线(A) 随着该系统的信噪比变大，均方误差的值变小，系统性能的精确度得到了很大的提高，但信噪比到达一定值时（该图信噪比25dB ）后，估计均方误差值改变微小或不在改变，由此，我们可以改变系统的信噪比进而提高系统性能。

黑线是均衡前系统的误码率性能曲线，而红线是均衡后系统误码率性能曲线，显然，系统经过均衡后，误码率随着信噪比的上升而显着降低，从而保证了信道非失真地传递信息，提高系统性能。

（三）功率分配因子及直流偏置的影响在数据传输过程中,信号会受到各种因素的干扰，其以噪声干扰为主，但本设计主要研究的是功率分配因子与直流偏置对信道系统的影响。

图3与图4的功率分配因子为0.5，直流偏置为1；而下图5与图6的功率分配因子为0.1，直流偏置为1；图7与图8的功率分配因子为0.5，直流偏置为0。

图5 估计算法的估计均方误差曲线(b) 图6 均衡前与均衡后的误码率曲线(B)分析不同功率分配因子对估计性能的影响：图3与图4的功率分配因子为0.5，直流偏置为1；图5与图6的功率分配因子为0.1，直流偏置为1。

直流偏置一定，而功率分配因子不同，首先，我们来看均方误差曲线，图3变化比较平缓，而图5变化比较曲折，但两个曲线都呈现随性噪比增大而均方误差下降的趋势，不过，图3信噪比从15dB后变化微小，但比较平缓，到30dB不在变化或达到了最小；图5信噪比在15dB达到了最小，而后又上升，变化曲折，因此，我们可以猜测，功率分配因子增大，均方误差曲线呈现平缓下降的趋势。

其次，我们来看均衡前，与均衡后误码率曲线，均衡前变化不大，但均衡后稍微有所变化，信噪比20dB时，图4比图6小，也就是说功率分配因子增大，误码率减小，所以，增大功率分配因子，可提高估计性能。

图7 估计算法的估计均方误差曲线(c) 图8 均衡前与均衡后的误码率曲线(C) 分析不同直流偏置对估计性能的影响：图3与图4的功率分配因子为0.5，直流偏置为1；图7与图8的功率分配因子为0.5，直流偏置为0。

功率分配因子一定，而直流偏置不同，首先，我们来看均方误差曲线对估计性能的影响，图3变化平缓，30dB时达到了最小或变化细微，而图7变化曲折，5dB 时有一个小值，也在30dB达到了最小或变化细微，但两者都呈现信噪比上升而均方误差值减小的趋势，不过，在30dB时，图3的均方误差均值小于图7的均方误差值，因此，增大直流偏置，可降低误差均值。

其次，我们来看误码率曲线对估计性能的影响，均衡前系统图8的误码率的值比图4高；均衡后，误码率的值一定，而图9的信噪比比图4的信噪比大，例如20dB时，图4的误码率远比图7的小，因袭，可以确定增大直流偏置可减小误码率，所以，增大直流偏置，可提高系统的估计性能。