CN102164111A

CN102164111A - 基于压缩感知技术的提高ofdm系统抗时域干扰能力的方法

Info

Publication number: CN102164111A
Application number: CN2011100984384A
Authority: CN
Inventors: 张广超; 赵志峰; 张宏纲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2011-08-24

Abstract

本发明公开一种基于压缩感知技术的提高OFDM系统抗时域干扰能力的方法，其包括发送端信号处理和接收端信号处理，在发送端的方法包括：（1）对信号进行基带调制并进行串并变换；（2）在并行信号中随机插入零值，但是要求插入的零值个数固定；（3）对插入零值的并行信号进行正交频分复用调制，接着对信号加循环前缀，然后对信号进行数模变换等操作，发送出去；在接受端的方法包括：（a）将接收到的信号调制到低频并进行模数变换，并将信号进行串并变换；（b）将并行信号进行复制，用以恢复时域的干扰信号，再将恢复出的干扰信号与原并行信号运算；（c）将（b）运算后的结果进行正交频分复用解调。

Description

基于压缩感知技术的提高OFDM系统抗时域干扰能力的方法

技术领域

本发明涉及一种基于压缩感知技术的提高正交频分复用信号（OFDM）抗时域干扰能力的方法。

背景技术

压缩感知（CS）是近几年来的一项新兴信号处理技术，其核心思想是将数据采样和压缩合并进行，首先采集信号的非自适应线性投影（测量值），然后根据相应的重构算法由测量值复原信号。压缩感知有两个方面的基本要求：信号的稀疏性，观测基（观测矩阵）与变换基（变换矩阵）的非相关性。对于自然界的任何信号，均存在一个特定的表示空间，使得该信号在此空间具有稀疏性。经相关理论证明，随机矩阵，即元素为随机数的矩阵，与固定的变换基具有很好的非相关性。

压缩感知技术的最大优点在于能以远低于奈奎斯特采样率的采样速率进行采样，大大减少信号在数据采集和传输过程中消耗的资源和能量。相对于常规的先采样后压缩的分布式信源编码方法，压缩感知的优势在于不需要被处理信号的任何先验信息，且不需要控制信息交换。

正交频分复用技术是一种发明较早的技术，现已成为一种关键的调制方式，在未来的第四代通信系统中具有重要地位。该技术在保证高的传输速率的同时，具有天生的抗窄带干扰的能力，在加入循环前缀后又可在一定程度上抵抗载波间干扰和符号间干扰。但是由于其多载波信号的特性，在面对时域脉冲干扰的时，正交频分复用技术本身就没有很好的抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压缩感知技术的提高OFDM系统抗时域干扰能力的方法。

本发明的构思是：在正交频分复用（OFDM）系统的发送端中，s（s长度为N）是OFDM调制后的时域信号，将s进行数模变换调制到高频，得到信号S。当S在信道中可能受到时域信号的干扰。在接受端，将接受到的信号调制低频，进行模数变换等操作后，得到的信号就相当于s加上一个时域干扰信号

(

的长度为N),

信号只在对应出现干扰信号的时刻处有值（值为相应时域干扰信号的幅度），其他位置的值均为0。OFDM系统的接收端在接收到s+时，是无法正确得到原始信号s的。本发明是在信号s的频域中预留出一定的子载波来携带

信号的信息，为此本发明通过频域的预留子载波上的信号，利用CS方法来恢复出时域干扰信号p，这样就可以去除时域的干扰信号。

本发明中考虑

信号的大部分值为零值，只有极少的值为非零的情况。因此信号

正好满足了CS中提到的稀疏性的概念。式（Ⅰ）表示了

和经OFDM解调制后信号的关系，

（Ⅰ）

其中，为傅里叶反变换基，

为时域干扰信号

的频域信号，根据CS理论，只要找到一个矩阵

，M为观测信号的长度，N为频域信号

的长度。使用该矩阵对频域信号

进行观测，式（Ⅱ）表示了该关系，

（Ⅱ）

式（Ⅱ）中的

是观测值，根据CS理论只要当

满足非相关时，我们就能使用

恢复出时域干扰信号

。

为此，本发明利用CS技术来估计是时域干扰信号

，从而可以提高OFDM系统对时域干扰的能力。在OFDM系统的发送端空出一定个数的子载波，通过CS算法，使用较低的计算复杂度在OFDM系统的接受端恢复出时域干扰信号，从而恢复出干扰前的信号。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：该基于压缩感知技术的提高OFDM系统抗时域干扰能力的方法是在进行发送端信号处理后，再进行接收端信号处理；

其中，所述发送端信号处理包括如下步骤：

（1）先将基带调制后的数字信号经过串并变换得到并行信号，再将所述并行信号进行向量扩展，以使所述并行信号中随机插入零值作为预留子载波且所述并行信号中插入零值的总个数满足如下关系式（1），

（1）

并且，,,

满足关系式（2），

（2）

式（1）中，M表示并行信号中插入零值的总个数，N表示插入零值后的并行信号的总长度，K表示预先设定的需要恢复时域干扰信号的个数；

表示时域干扰信号的幅度最小值与幅度平均值的比率，

表示时域干扰信号的能量与噪声能量的比率；

（2）对插入零值后的并行信号进行逆快速傅里叶变化，得到正交频分复用调制信号；

（3）将所述正交频分复用调制信号的最后的

个信号进行复制得到第一复制信号，再将所述第一复制信号放到所述正交频分复用调制信号的最前面，得到加循环前缀的正交频分复用调制信号，其中，

满足以下关系式（3）

（3）

式（3）中，

表示正交频分复用调制信号的采样间隔时间，

表示多径信道中的最大时延；

（4）将所述加循环前缀的正交频分复用调制信号依次经过数/模转换、信号放大和调制到高频，得到高频模拟信号，再将所述高频模拟信号发送到接收端；

所述接收端信号处理包括如下步骤：

（a）将从发送端接收到的高频模拟信号由高频调制到低频、再进行数模转换，得到低频数字信号,

（b）将所述低频数字信号经过串并变换得到并行的数字信号，将该并行数字信号的最前的n个信号舍去，再将舍去最前的n个信号的并行信号进行复制得到第二复制信号，接着将舍去最前的n 个信号的并行信存储在寄存器中；

（c）对步骤（b）复制得到的所述第二复制信号进行快速傅里叶变化，得到正交频分复用解调后的信号；

（d）从正交频分复用解调后的信号中提取出预留子载波的信号；

（e）根据提取出的预留子载波的信号，利用压缩感知方法将时域干扰信号恢复出来，得到恢复后的时域干扰信号；

（f）使用步骤（b）所述寄存器中存储的并行信号减去步骤（e）所述恢复后的时域干扰信号，得到与步骤（2）所述正交频分复用调制后的信号相同的信号；

（g）对步骤（f）得到的信号进行快速傅里叶变化，得到新的正交频分复用解调后的信号。

进一步地，本发明所述步骤（e）中的压缩感知方法为正交匹配跟踪算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术主要利用信道编码来克服正交频分复用通信系统的时域干扰，而当干扰信号的能量增大时，相应的抗干扰能力就会下降。本发明基于压缩感知技术，可直接将时域干扰信号估计出来，这样无论干扰信号能量多大都不会影响到本发明的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明方法中发送端的工作流程图；

图2 是本发明方法中接收端的工作流程图；

图3是时域干扰个数K分别为6、8、10时，预留子载波的个数的增加与恢复得到的新的正交频分复用解调后的信号的误码率的关系；

图4 是正交频分复用系统加抗干扰和不加抗干扰时，时域干扰数目的增加与恢复得到的新的正交频分复用解调后的信号的误码率的关系，其中，抗干扰系统中的预留子载波数为50。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施对本发明作进一步说明：

（一）以下首先说明本发明在发送端是如何对正交频分复用信号进行处理的（参见图1）。

步骤（1）：数字信号首先经过基带调制，在OFDM系统中通常采用QPSK、QAM、OQAM等调制方式，接着将基带调制后的数字信号经过串并变换，用X表示串并变换后的信号。之后，对信号X进行向量扩展，得到式（III），

Y=SX （III）

式（III）中，S是的矩阵,为

扩展信号Y的长度；

为信号X的长度。向量扩展的作用是在并行信号X中插入零值得到信号Y，其中插入零值是为了预留出子载波来估计时域干扰信号，根据压缩感知理论要求插入零值的位置必须是随机，但是要求插入零值的总个数为

，

需要满足式（1）的要求：

（1）

式（1）中，

表示并行信号中插入零值的总个数，

表示插入零值后的扩展并行信号Y的总长度，

表示预先设定的需要恢复时域干扰信号的个数。

,

,

需要满足关系式（2），

（2）

是时域干扰信号的幅度的最小值与时域干扰信号的幅度平均值之间的比率，

作为一个经验值出现；

是时域干扰信号的能量与噪声能量的比率。实际中，

的确定是在通过对之前时域干扰信号的

取平均得来的。实际中，

中信号的能量是通过对之前干扰信号的能量取平均得来的，噪声的能量是通过接收端反馈的信道情况得来的（在信道稳定的情况下噪声能量为确定值）。本发明中，式（1）的贡献在与规定出了

与

值的相互关系，

值是由时域干扰信号值出现的多少决定的，而只有当

值满足式（1）的情况下，接受端才能以小误差恢复出时域干扰信号。

步骤（2）：插入零值后的并行信号由频域变换到时域，通常采用逆快速傅里叶变换（IFFT），得到的便是正交频分复用调制的信号。

步骤（3）将正交频分复用信号中最后的

个信号复制，得到第一复制信号，再将所述第一复制信号放到所述正交频分复用调制信号的最前面，得到加循环前缀的正交频分复用信号，

根据信道的最大时延来设定，通常情况下

满足以下关系式（3）

（3）

式（3）中，

表示正交频分复用调制信号的采样间隔时间，

表示多径信道中的最大时延。

这样做的目的是一方面可以使信号具有一定的抗符号间干扰的能力，同时具备一定的抗载波间干扰的能力。

步骤（4）：接着将预留出子载波的正交频分复用信号进行数模转换，然后将信号调到高频，最后放大发射出去。另外根据信道的状况，可以对正交频分复用调制前的信号进行信道编码，插入导频的操作。

（二）接着说明接受端是如何恢复被时域干扰信号干扰后的正交频分复用信号（参见图2）。

步骤（a）：首先将从发送端接受到的模拟信号由高频频调制到低频，经过采样将信号由模拟信号转换为低频数字信号。

步骤（b)：将所述低频数字信号经过串并变换得到并行的数字信号，将该并行数字信号的最前的n个信号舍去，舍去的信号是在步骤（3）中加的循环前缀，循环前缀对与信号本身来讲是冗余的，所以需要在正交频分复用解调前去除。再将舍去最前n个信号的并行信号进行复制，得到第二复制信号，复制的目的是从复制信号的频域中提取预留子载波上的信号，并利用预留子载波上的信息将时域干扰信号恢复出来。之后，将并行信号存储在寄存器中，并行信号在寄存器中的时间与对复制的并行信号处理的时间相同，这样做的目的是当时域干扰信号恢复出来时，能与并行信号进行运算。

步骤（c）：对步骤（b）复制得到的所述第二复制信号进行快速傅里叶变化，通常是采用快速傅里叶变换（FFT）的方法得到频域信号。本步骤中的快速傅里叶变化是为了与步骤（2）中的逆快速傅里叶变换对应，从而能将信号解调出来。

步骤(d)：下一步从正交频分复用解调信号中提取预留子载波上的信号，提取的方法是用矩阵乘以复制信号经正交频分复用解调后的信号，由式（Ⅳ）表示，

P=RC (Ⅳ)

式（Ⅳ）中，C表示复制信号经正交频分复用解调后的信号，C的长度为N。R是的矩阵，M为预留子载波的个数，该矩阵的作用是提取预留子载波上的信号，P为提取的预留子载波上的信号。

步骤(e)：然后根据预留子载波上的信号，使用CS方法将时域干扰信号恢复出来。使用CS进行对时域干扰信号进行恢复的贡献在于，因为我们假设时域干扰信号满足稀疏性的原则，因此根据CS原理不需要时域干扰信号的所有频域信息，只需要获得预留子载波上的信号P，就可以对时域干扰信号进行恢复。在对CS具体算法的选择上，结合傅里叶变换基的特性，选择正交匹配跟踪算法（OMP）作为具体实施方法。

步骤(f)：使寄存器中的并行信号减去恢复出的时域干扰信号，得到步骤（2）中正交频分复用调制后的信号。

步骤(g)：对步骤（f）得到的信号进行解调，通常是采用快速傅里叶变换（FFT）的方法对步骤（f）中的信号进行变换。本步骤中的快速傅里叶变化是为了与步骤（2）中的逆快速傅里叶变换对应，从而能将信号解调出来先。经过上述接受端的处理就得到了与步骤（1）中信号Y相同的信号。

图3中，设定时域干扰个数K分别为6、8、10时，预留子载波的个数的增加与恢复得到的新的正交频分复用解调后的信号的误码率的关系。由图3可看出，当时域干扰越多时就需要越多的预留子载波来对正交频分复用信号进行恢复，才能保证低的误码率。

图4中，设定预留子载波的个数为50，可看出在相同的时域干扰之下，相对于不使用本发明方法的正交频分复用系统（即不加抗干扰），使用了本发明方法的正交频分复用系统（即增加抗干扰）的误码率低，可见，本发明方法实现了对正交频分复用系统抗干扰能力的提高。