CN102281224A

CN102281224A - Ofdm接收机及其实现方法

Info

Publication number: CN102281224A
Application number: CN2010101951909A
Authority: CN
Inventors: 田金凤; 郭海友; 胡宏林; 杨旸
Original assignee: CHANGZHOU TANSHI COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: CN102281224B

Abstract

本发明揭示了一种OFDM接收机及其实现方法，所述方法包括如下步骤：对接收信号进行频移滤波，抑制加性噪声，或者同时抑制加性噪声和干扰；对频移滤波的输出进行处理；处理步骤包括CP移除步骤、DFT变换步骤、均衡步骤、解调步骤、去交织步骤、信道译码步骤。本发明提出的OFDM接收机及其实现方法，可以用在使用OFDM信号的系统，尤其在低信噪比下也有很好的传输性能，对频谱重叠但具有不同循环频率的干扰信号也有很好的抑制作用。

Description

OFDM接收机及其实现方法

技术领域

本发明属于电子通讯技术领域，涉及一种OFDM接收机，尤其涉及一种结合频率滤波的OFDM接收机；同时，本发明还涉及上述OFDM接收机的实现方法。

背景技术

随着宽带无线通信技术的快速发展，正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)传输系统以其具有高传输速率，高带宽效率和高频谱效率等优点，得到广泛的应用[参考文献1]。OFDM是一种多载波调制技术，把串行的数据流分成几个并行发送的数据流，分别调制到相应的相互重叠、相互正交的子载波上，减少了子信道间干扰(inter channel interference，ICI)，提高了频谱利用率。在OFDM系统中，为了消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间插入了循环前缀(cyclic prefix，CP)，该循环前缀长度大于无线信道的最大时延扩展，同时，循环前缀的引入也可以进一步抑制多径所造成的ICI。所谓循环前缀，是将OFDM符号中的后部分数据复制插入到OFDM符号前端，实际是OFDM符号的循环拓展，该循环拓展引入了时间域上的二阶统计量的周期特征[参考文献2]，这种周期统计特征即是循环平稳特征。

许多具有随时间周期性变化的自然形成的信号和人造信号，其随时间变化的观察函数通常用循环平稳模型来描述，在通信信号中，这种特性通常是在产生发送信号时，对一个平稳信号或数据流施加各种形式的周期处理而导致的。这些周期处理包括采样、数字编码、复用，以及各种形式的脉冲和载波调制。循环平稳信号是统计量(均值和/或相关函数)随时间周期变化的时间序列[参考文献3]，谱相关性是循环平稳信号的重要特征，它描述了信号和信号的频移信号之间的频谱相关程度。频移滤波正是利用这种谱相关性来实现诸如干扰抑制、信号分选等功能，作为维纳滤波演变而来的一种滤波技术，频移滤波是周期时变的[参考文献4]，在恢复信号过程中与维纳滤波的不同之处在于：频移滤波是用相关频移分量去估计和补偿受损频率分量，而不仅仅是谱切除。所以相比维纳滤波，频移滤波具有更小的最小均方误差，更好的滤波性能。

由于循环平稳特征是从另一个角度去分析信号，噪声只在循环频率为零的维度上有谱信息，而循环平稳信号在循环频率不为零的频率分量上仍存在循环谱信息，故利用循环平稳特征可以很好地抑制噪声；另一方面，只要干扰与有用信号具有不同循环频率，就可以利用循环平稳特征将二者区别开来，从这里可以看出，循环平稳特征的利用可以带来更好的信号处理性能，在干扰抑制、噪声消除方面主要通过频移滤波来利用循环平稳特征带来的谱相关性，实现系统性能的提升。尽管现有OFDM系统在对抗多径衰落有较优效果，但是当有的子信道出现深衰落时，仍然会导致不可容忍的误码结果，这时需要采取一些措施以降低误码率、提升信噪比，另外，当干扰频谱与有用信号频谱有交叠时，现有处理技术较难有效地抑制干扰。虽然频移滤波在信号处理上对系统性能有显著提升，但目前却未见在OFDM中有应用，因此，为了更好地利用OFDM的循环平稳性，可以考虑将频移滤波应用在OFDM接收机中以进一步提升接收机性能。

当信道出现深衰落或低信噪比时，传统OFDM接收机表现出的传输性能会受影响，另外，在干扰与信号频谱有重叠时，按现有处理技术很难抑制这种干扰；而在传统OFDM接收机前增加频移滤波处理，可以解决这些问题，进一步提升系统性能。

[参考文献1]L.J.Cimini，Jr，Analysis and simulation of a digitalmobile channel using orthogonal frequency division multiplexing，IEEETrans.Commun.，vol.COM-33，pp.665 675，July 1985.

[参考文献2]Helmut

，Blind estimation of symbol timing andcarrier frequency offset in wireless OFDM systems，IEEE Trans.Communications，2001，49，(6)，pp.988-999.

[参考文献3]W.A.Gardner，Ed.，Cyclostationarity in Communicationsand Signal Processing，Piscataway，NJ：IEEE Press，1995.

[参考文献4]W.A.Gardner，“Cyclic Wiener Filtering：Theory andMethod”，IEEE trans.on Communication，Vol 41 NO.1，pp 151-163，1993.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结合频率滤波的OFDM接收机，可对频谱重叠但具有不同循环频率的干扰信号也有很好的抑制作用。

此外，本发明还提供上述OFDM接收机的实现方法，可对频谱重叠但具有不同循环频率的干扰信号也有很好的抑制作用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种OFDM接收机实现方法，所述方法包括如下步骤：

对接收信号进行频移滤波，抑制加性噪声，或者同时抑制加性噪声和干扰；

对频移滤波的输出进行处理；处理步骤包括CP移除步骤、DFT变换步骤、均衡步骤、解调步骤。

作为本发明的一种优选方案，所述处理步骤依次包括CP移除步骤、DFT变换步骤、均衡步骤、解调步骤、去交织步骤、信道译码步骤。

作为本发明的一种优选方案，所述频移滤波的循环频率值为OFDM有用信号符号周期倒数的整数倍。

作为本发明的一种优选方案，OFDM发射信号s(n)的基带形式表示如下：

s (n) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{l = - \infty}^{+ \infty} Σ_{k = 0}^{N - 1} c_{l, k} q (n - lM) e^{\frac{j 2 πk (n - lM)}{N}};

其中，N为子载波数，q(n)为矩形成形脉冲，其脉冲宽度为M＝N+P，P为CP长度，c_l，k为复数据符号，满足

其中δ(·)和(·)^*分别表示Delta函数和复共轭；

发射信号s(n)经过时不变多径信道h(n)，在接收端叠加上高斯加性白噪声w(n)后得到观测信号x(n)，

x (n) = r (n) + w (n) = Σ_{l = 0}^{L_{h}} s (n - l) h (l) + w (n);

其中，L_h为信道阶数，L_h＜P；并且，w(n)与s(n)相互独立；

观测信号首先经过频移滤波处理后，再进行CP移除、DFT变换、均衡、解调、去交织、信道译码操作。

一种OFDM接收机，所述OFDM接收机包括依次连接的频移滤波模块、CP移除模块、DFT变换模块、均衡模块、解调模块；

所述频移滤波模块对接收信号进行频移滤波，用以抑制加性噪声，或者用以同时抑制加性噪声和干扰。

作为本发明的一种优选方案，所述OFDM接收机包括依次连接的频移滤波模块、CP移除模块、DFT变换模块、均衡模块、解调模块、去交织模块、信道译码模块。

s (n) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{l = - \infty}^{+ \infty} Σ_{k = 0}^{N - 1} c_{l, k} q (n - lM) e^{\frac{j 2 πk (n - lM)}{N}};

其中δ(·)和(·)^*分别表示Delta函数和复共轭；

x (n) = r (n) + w (n) = Σ_{l = 0}^{L_{h}} s (n - l) h (l) + w (n);

其中，L_h为信道阶数，L_h＜P；并且，w(n)与s(n)相互独立；

本发明的有益效果在于：本发明提出的OFDM接收机及其实现方法，可以用在使用OFDM信号的系统，尤其在低信噪比下也有很好的传输性能，对频谱重叠但具有不同循环频率的干扰信号也有很好的抑制作用。

附图说明

图1为结合频移滤波的OFDM系统模型示意图。

图2为频移滤波的结构图示意图。

图3为链路级对比仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明利用OFDM信号的循环平稳性，提出了一种结合频移滤波的OFDM接收机实现方法，该方法利用了OFDM信号中CP引入的循环平稳特征进行频移滤波预处理，能有效恢复发射端信号，提高接收机性能。

本发明OFDM接收机实现方法包括如下步骤：

【步骤一】对接收信号进行频移滤波，抑制加性噪声，或者同时抑制加性噪声和干扰。

【步骤二】对频移滤波的输出进行处理；处理步骤包括CP移除步骤、DFT变换步骤、均衡步骤、解调步骤、去交织步骤、信道译码步骤。

本发明在揭示上述OFDM接收机实现方法的同时还揭示一种OFDM接收机，所述OFDM接收机包括频移滤波模块、CP移除模块、DFT变换模块、均衡模块、解调模块、去交织模块、信道译码模块；所述频移滤波模块对接收信号进行频移滤波，用以抑制加性噪声，或者用以同时抑制加性噪声和干扰。

理论分析和仿真结果表明，循环平稳特征可以很好地区分干扰和噪声，结合频移滤波的OFDM接收机在恢复发射信号时，可以有效地抑制干扰和噪声，相比传统OFDM接收机有很大的性能提升。不仅可以用在低信噪比场景下，而且对存在频谱重叠但具有不同循环频率的干扰环境下也能提供很好的性能保证。

实施例二

当频移滤波采用有用信号的循环频率进行滤波时，不仅可以降低噪声的影响，同时对具有不同循环频率的干扰也能有效地抑制，这种干扰抑制的效果是同时发生的，并且频移滤波的核心思想是同一个原理，为此下面以噪声模型为例，来说明本发明的具体实现方案。本发明的其他应用可以参考本实施例，本领域的技术人员应该可以根据本实施例很容易联想到其他的相关应用。

【系统模型】

请参阅图1，OFDM发射信号s(n)的基带形式可表示如下：

s (n) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{l = - \infty}^{+ \infty} Σ_{k = 0}^{N - 1} c_{l, k} q (n - lM) e^{\frac{j 2 πk (n - lM)}{N}}

其中，N如前所提及的为子载波数，q(n)为矩形成形脉冲，其脉冲宽度为M＝N+P，P为CP长度，c_l，k为复数据符号，满足

其中δ(·)和(·)^*分别表示Delta函数和复共轭。

x (n) = r (n) + w (n) = Σ_{l = 0}^{L_{h}} s (n - l) h (l) + w (n)

这里，L_h为信道阶数，为了避免符号间干扰，要求L_h＜P。并且，w(n)与s(n)相互独立。

观测信号首先经过频移滤波处理后，再输入到传统OFDM接收机，进行CP移除、DFT变换、均衡、解调、去交织、信道译码等一系列操作。

其中频移滤波结构以一般的线性形式为例，其结构图如图2所示。

图2中的α_k表示循环频率，对于OFDM信号，本实施例的优选方案为：循环频率为波特率的整数倍，有无穷多个值，实际系统中循环频率综合考虑性能要求和实现复杂度取有限的多个循环频率值。信号的多个频移版本分别经过有限冲激响应(FIR)滤波器，滤波器的实现准则是调整所有支路上的滤波器权系数，使输出与期望信号均方误差最小。这里的期望信号是系统模型中的r(n)，实际系统中也可采用盲自适应方法来实现该频移滤波器。

【可行性分析】

离散信号s(n)如果其时变自相关函数C_s(n，τ)＝E{s(n)s^*(n+τ)}满足C_s(n，τ)＝C_s(n+T，τ)，则该信号具有二阶循环平稳性。

带有循环前缀的OFDM发射信号时变自相关有如下形式：

C_{s} (n, τ) = Σ_{l = - \infty}^{\infty} q (n - lM) q (n + τ - lM) δ_{N} (τ)

可以得出，C_s(n，τ)＝C_s(n+M，τ)在时间维n上具有周期性，周期为符号长度M，循环频率α＝k/M，k∈Z，

同样，可以证明该信号经过信道和叠加噪声后仍具有循环平稳性[参考文献5：黄奇珊，彭启琮，路友荣，韩猛，“OFDM信号循环谱结构分析”，电子与信息学报，第30卷第1期，2008年1月]，循环频率同于OFDM发射信号，所以接收端可以对接收到的循环平稳信号利用频移滤波思想进行干扰抑制和噪声消除。

另一方面，由于考虑的是CP引入的循环平稳特征，所以频移滤波应用位置需在去CP之前，即放置在传统OFDM接收机功能模块处理之前。

实施例三

本实施例以频移滤波在OFDM系统中用作降噪为例，说明本发明方法的思想。

OFDM系统的子载波数为32，循环前缀为8，OFDM发射机采用卷积编码、QPSK调制方式，传统OFDM接收机的均衡模块采用迫零均衡方式，信道译码采用维特比译码。

OFDM发射信号s(n)，经过时不变多径信道h(n)，在接收端叠加上高斯加性白噪声w(n)后得到观测信号x(n)，观测信号经过循环频率为

子滤波阶数为40的频移滤波器，频移滤波器的作用为降噪，频移滤波器的输出是信号r(n)的估计，再将频移滤波器的输出经过传统OFDM接收机的一系列处理，包括：CP移除、DFT变换、均衡、解调、去交织、信道译码等基本功能模块。

在仿真中，比较了OFDM接收机不使用FRESH滤波和使用FRESH的误比特率(bit error rate，BER)性能结果，频移滤波器中的子滤波阶数设为40，循环频率为

另外，信道分别选取时不变单径信道和时不变两径信道进行比较，由于这里频移滤波器的作用是降噪，所以期望信号是经过信道后未叠加噪声前的信号r(n)，实际系统可以采用盲自适应滤波方法实现。具体仿真结果如下：

从图3可以看出，在传统OFDM接收机前加入FRESH滤波降噪功能，可以显著提升系统性能，在单径信道下，在接收端预先使用FRESH滤波降噪比传统OFDM接收机(不使用FRESH滤波)约有10dB的性能提升，在两径信道下，约有5dB的性能提升。这样的性能提升正是利用了OFDM的循环平稳特性，通过频移滤波操作来获得的，所以，结合频移滤波的OFDM接收机相比传统OFDM接收机有较大的性能提升。

综上所述，本发明提出的OFDM接收机及其实现方法，可以用在使用OFDM信号的系统，尤其在低信噪比下也有很好的传输性能，对频谱重叠但具有不同循环频率的干扰信号也有很好的抑制作用。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种OFDM接收机实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的OFDM接收机实现方法，其特征在于：

所述处理步骤依次包括CP移除步骤、DFT变换步骤、均衡步骤、解调步骤、去交织步骤、信道译码步骤。

3.根据权利要求1所述的OFDM接收机实现方法，其特征在于：

所述频移滤波的循环频率值为OFDM有用信号符号周期倒数的整数倍。

4.根据权利要求1所述的OFDM接收机实现方法，其特征在于：

OFDM发射信号s(n)的基带形式表示如下：

s (n) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{l = - \infty}^{+ \infty} Σ_{k = 0}^{N - 1} c_{l, k} q (n - lM) e^{\frac{j 2 πk (n - lM)}{N}};

其中δ(·)和(·)^*分别表示Delta函数和复共轭；

x (n) = r (n) + w (n) = Σ_{l = 0}^{L_{h}} s (n - l) h (l) + w (n);

其中，L_h为信道阶数，L_h＜P；并且，w(n)与s(n)相互独立；

5.一种OFDM接收机，其特征在于，所述OFDM接收机包括依次连接的频移滤波模块、CP移除模块、DFT变换模块、均衡模块、解调模块；

6.根据权利要求5所述的OFDM接收机，其特征在于：

所述OFDM接收机包括依次连接的频移滤波模块、CP移除模块、DFT变换模块、均衡模块、解调模块、去交织模块、信道译码模块。

7.根据权利要求5所述的OFDM接收机，其特征在于：

8.根据权利要求5所述的OFDM接收机，其特征在于：

OFDM发射信号s(n)的基带形式表示如下：

s (n) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{l = - \infty}^{+ \infty} Σ_{k = 0}^{N - 1} c_{l, k} q (n - lM) e^{\frac{j 2 πk (n - lM)}{N}};

其中δ(·)和(·)^*分别表示Delta函数和复共轭；

x (n) = r (n) + w (n) = Σ_{l = 0}^{L_{h}} s (n - l) h (l) + w (n);

其中，L_h为信道阶数，L_h＜P；并且，w(n)与s(n)相互独立；