第9卷第6期电路与系统学报Vol.9No.62004年12月JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSDecember，2004文章编号：1007-0249(2004)06-0139-04OFDM系统信道估计算法及其FPGA实现*王勇1，葛建华1，陆震2，于湘珍3，艾渤3（1.西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，陕西西安710071；2.上海交通大学电子信息学院，上海200030；3.西安武警工程学院电子技术教研室，陕西西安710086)摘要：文章深入分析研究了欧洲数字高清晰度电视地面广播（DVB-T）系统的COFDM调制方案。通过对大量算法的仿真，总结出适用于该方案且易于实现的信道估计算法，结合Matlab、Quartus仿真及工程应用，提出一种基于FPGA的电路设计，并完成了相应的硬件电路。关键词：高清晰度数字电视（HDTV）；正交频分复用（OFDM）；信道估计；场可编程门阵列（FPGA）中图分类号：TN913文献标识码：A1引言高清晰度数字电视（HDTV）是集数字信号及信息处理、数字通信、计算机及网络、微电子等高新技术于一身的高科技产物。目前，国际上数字电视有线广播标准基本采用QAM（正交幅度调制）方案；卫星广播统一采用QPSK（四相位相移键控）调制；本文基于DVB-T（欧洲数字电视地面广播标准）传输方案，重点研究了正交频分复用（OFDM）系统[1]解调的关键性技术—信道估计算法的FPGA实现。无线通信系统中的调制方式主要分为差分调制和相干调制两种。欧洲数字音频广播标准（DAB）采用的差分调制中，信息由连续符号间的相关差值来编码，在解调时可以不需要信道估计，因此可以有效地减小系统接收机的复杂度；其缺点是有约3dB的噪声影响，且不能采用多幅度的星座图。相干调制则允许采用任何形式的星座图，在高数据率的通信系统中广泛应用，但在相干解调时，需要对衰落信道作实时的估计和跟踪。而在系统设计中，信道估计的性能及实现复杂度是至为关键的问题。正交频分复用（OFDM）的信道估计方法已有了较多的研究。线性最小均方误差（LMMSE）估计利用所有N个子载波的相关性，需要计算一个N×N的矩阵乘法，复杂度依赖于系统载波的数目；文献[2]提出了三种低复杂度、次优的LMMSE信道估计方法，利用一对离散傅立叶变换（DFT）做时域信道估计：首先将频域数据经过逆傅立叶变换（IDFT）变换至时域，在时域做多径分离滤波，然后再将结果通过DFT变换回频域。根据OFDM信号的结构，还可以利用信号在时间和频率方向的相关性进行信道估计，由于二维估计太过复杂，因此常采用两个分离的滤波器，一个在频率方向，另一个在时间方向。为了减少复杂度，文献[3]中的方法只是利用了频率的相关性进行LMMSE估计，同时通过奇异值分解的方法降阶，进一步使复杂度减小。基于导频信号的信道估计是在传输信号中插入导频（已知的数据符号），所有的信道衰减系数均由这些导频符号通过内插估计产生，这一技术被称作导频符号辅助调制（PSAM：PilotSymbolAssistedModulation）。信道响应估计方法根据所利用的信道相关性，可分为二维联合估计与分离的一维估计两种，文献[4]对利用这两种估计的维纳滤波算法和LMMSE算法作了比较。2OFDM系统信道估计算法考虑到实际接收机系统电路的易实现性，通过对大量信道估计算法的仿真，本文总结出一种适用于OFDM系统，利用频域导频在时间和频率方向通过二维线性内插进行信道估计的算法。在研究信道*收稿日期：2004-08-09修订日期：2004-09-23基金项目：国家自然科学基金重点项目（60332030）；移动宽带视频广播传输系统及关键技术研究140电路与系统学报第9卷估计算法的FPGA设计实现之前，首先简单介绍信道的一维及二维线性内插算法，并对其各自的性能进行仿真比较[5]。2.1一维内插一维线性内插仅利用了一个OFDM符号内相邻的导频，通过内插来得到本符号其它频率位置的信道估计值。在频率方向上，每个符号的导频信号即是信道响应的采样，在欧洲DVB-T系统中，导频信号间的间隔为12∆f，若信道最小相关带宽大于12∆f，就可以完成对信道的再现估计。同时，在采用一维内插算法时，在时间方向上传输信道可以允许变化很快：其内插仅在每个OFDM符号持续时间内完成，因此，其信道估计间的相关时间非常小，适用于高速移动的接收机。线性内插滤波每次估计只需要两个导频信号，即只用到两个相邻导频位置的信道响应，由内插得到两个导频之间数据载波位置上的信道估计值，在实际应用中非常有效。一维线性内插由下式决定：ˆ+=⎛−n⎞ˆ+nˆ+≤≤H(ln)⎜1⎟Hp