CN103825856B - 一种抵抗单频和窄带干扰的自适应调制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统中抵抗单频和窄带干扰的自适应调制方法及系统。该方法的步骤包括：1）发射端发送用于进行信道估计的训练信号到接收端；2）接收端利用训练信号进行子载波的信道估计；3）接收端利用子载波的信道估计结果和训练信号进行子载波的SNR估计；4）接收端联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制，并把AMC控制结果反馈到发射端。本发明不仅能在没有单频干扰或窄带干扰的情况下工作，并且在存在较大的单频干扰或窄带干扰的情况下，仍能正确地进行自适应调制。

Description

一种抵抗单频和窄带干扰的自适应调制方法和系统

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种OFDM系统中联合子载波SNR估计值与信道幅度响应估计值的自适应调制方法，以及采用该方法的OFDM系统，在接收信号中存在较大单频和窄带干扰时仍然能够准确地进行自适应调制。

背景技术

在信道时变的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）系统中，由于信道的多径特性，在通信频带中会产生深衰落，导致一部分子载波处的SNR（Signal to Noise Ratio，信号功率与噪声功率之比）的降低；由于信道还具有时变特性，深衰落的位置和衰落的大小随着时间变化而改变。接收端为了保证通信系统的误码性能，可以采用AMC（Automatic Modulation and Coding，自适应调制编码）控制的方法，在低信噪比的子载波上采用低阶调制格式和（或）使用更强的纠错编码，从而降低这部分子载波上承载信号的误码率。

进行AMC需要子载波的SNR信息，子载波的SNR估计又依赖于子载波上的信道估计。信道与SNR的检测方法分数据辅助检测与非数据辅助检测两种。数据辅助检测方法中，接收端已知发射数据，通过处理发射与接收数据进行信道估计与相应的SNR检测；非数据辅助检测方法中，接收端不知道发射数据，但可以通过收发恒定幅度信号等方法估计信道，然后进行SNR检测。

在传统的通信系统中，仅通过SNR信息进行AMC控制。然而，无论采用数据辅助检测或非数据辅助检测方法，当接收信号中存在强单频干扰或窄带干扰时，由于单频干扰或窄带干扰的功率远大于子载波上的信号功率，信道估计无法正常工作，从而导致SNR无法正常估计，AMC无法正常运作。

发明内容

本发明的目的是提出一种OFDM系统中联合子载波SNR估计值与信道幅度响应估计值的自适应调制方法，以及采用该方法的OFDM系统，在存在较大的单频干扰或窄带干扰的情况下，仍能正确地进行自适应调制。

本发明的联合信道幅度响应估计值与子载波SNR估计值的自适应调制技术方案如下：

一种OFDM系统中抵抗单频和窄带干扰的自适应调制方法，其步骤包括：

1）发射端发送用于进行信道估计的训练信号到接收端；

2）接收端利用训练信号进行子载波的信道估计；

3）接收端利用子载波的信道估计结果和训练信号进行子载波的SNR估计；

4）接收端联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制，并把AMC控制结果反馈到发射端。

更进一步，本方法在子载波信道估计和SNR估计时，既可以使用数据辅助检测，也可以使用非数据辅助检测的方法。

更进一步，步骤2）进行信道估计的方法基于下式：

Y(k)=H(k)X(k)+N(k)，

其中，k表示OFDM系统的子载波编号，X(k)表示第k个子载波上的发射信号，H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应，N(k)表示第k个子载波上的高斯白噪声，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号。不考虑高斯白噪声的干扰，信道估计值可以表示为：

可以用收发多次训练信号进行估计、取平均值的方法来降低噪声N(k)的影响。

更进一步，步骤3）进行SNR估计的方法如下：

3.1）由下式估算噪声功率：

其中为第k个子载波上的噪声估计值；

3.2）由下式估算子载波上的信噪比（SNR）：

其中，γ(k)表示第k个子载波上的信噪比估计值。信噪比的估计应该在信道估计完成以后进行，也可与信道估计同步进行。

更进一步，步骤4）中联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计进行自适应调制（AMC）的方法如下：

4.1）设定一个信道幅度门限阈值η用于检测信道幅度异常，η与所有子载波信道估计值的幅度的平均值有关；

4.2）设定一个窗长N_win，用于确定检测到信道幅度异常后进行信噪比修正的子载波范围；

4.3）对各子载波的信道估计值的幅度值进行检测，若第k个子载波的信道幅度估计值大于设定的阈值η，则把对应子载波位置以及相邻±N_win个子载波的位置标记为“不可用”；

4.4）经过上述步骤处理过后，未被标记为“不可用”的子载波按照该子载波上的信噪比γ(k)进行自适应调制。

一种采用上述方法的使用AMC技术的OFDM数字通信系统，包括发射端和接收端，发射端发送用于进行信道估计的训练信号到接收端；接收端利用训练信号进行子载波的信道估计，并利用子载波的信道估计结果和训练信号进行子载波的SNR估计，然后联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制，并把AMC控制结果反馈到发射端。

进一步地，对本发明的联合信道幅度估计与信噪比估计的有效性说明如下：

a)当不存在窄带或单频干扰时，联合估计过程中不存在超过阈值η的子载波信道相应幅度联合估计的效果等效于传统估计算法；

b)当存在窄带或单频干扰时，接收信号可以表示为：

Y(k)=H(k)X(k)+I(k)+N(k)，

其中I(k)表示第k个子载波上的窄带干扰或单频干扰。由于窄带干扰或单频干扰在子载波上的功率通常远大于该子载波上的信号功率，因此有I(k)>>H(k)X(k)，此时的信道估计值的幅度值为：

相应的，第k个子载波上的噪声估计值为：

此时第k个子载波上的信噪比估计值为：

可见，当存在强单频或强窄带干扰时，信道估计无法正常工作，系统所估计出的SNR近似于“干扰比信号与噪声之和”，干扰越大，估计出的信噪比反而越高，因此仅凭信噪比作为AMC的依据会错误地在受单频或窄带干扰严重的子载波上承载信息、在干扰较轻的子载波上错误地承载高调制格式的信息。

当存在强单频或强窄带干扰时，尽管信道估计无法正常工作，但此时由于

故可以通过检测信道幅度异常来判断单频干扰的出现，并对错误估计的信噪比进行处理，从而正确地进行AMC控制。

本发明的优点与技术效果在于：本发明提出的OFDM系统中联合子载波信噪比估计值与信道幅度响应估计值的自适应调制方法，不仅能在没有单频干扰或窄带干扰的情况下工作，并且在存在较大的单频干扰或窄带干扰的情况下，仍能正确地进行自适应调制。

附图说明

图1是传统带AMC技术的OFDM数字通信系统流程示意图；

图2是本发明提出的抗单频和窄带干扰AMC技术的OFDM数字通信系统流程示意图；

图3（（a），（b））是现有OFDM数字通信系统不存在强单频干扰情况下的子载波SNR估计示意图和自适应调制控制示意图；

图4（（a），（b））是现有OFDM数字通信系统存在强单频干扰情况下的子载波SNR估计示意图和自适应调制控制示意图；

图5（（a），（b），（c））是本发明提出的OFDM数字通信系统不存在强单频干扰情况下的子载波信道估计示意图、子载波SNR估计示意图和自适应调制控制示意图；

图6（（a），（b），（c））是本发明提出的OFDM数字通信系统存在强单频干扰情况下的子载波信道估计示意图、子载波SNR估计示意图和自适应调制控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明所述的联合子载波SNR估计值与信道幅度响应估计值的自适应调制方法，但不构成对本发明的限制。

现有带AMC技术的OFDM数字通信系统流程示意图如图1所示，工作流程如下：

1.发送端，数据源产生“0”“1”二进制比特数据流；

2.发送端，数字调制模块根据AMC模块的指示，把二进制数据流调制成数据符号流X(k)作为频域数据；

3.发送端，IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速逆傅里叶变换）模块对X(k)进行并串变换，把X(k)变成时域数据流x(n)进行发送；

4.接收端，FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）对接收信号y(n)进行串并变换，得到频域数据Y(k)；

5.接收端，信道估计与均衡模块对信道进行估计得到并用信道估计结果对Y(k)均衡，得到均衡后的数据符号X'(k)；

6.接收端，数字解调模块对X'(k)进行解调，输出二进制比特数据流；

7.接收端，SNR估计模块根据和X'(k)估计各子载波的SNR，得到γ(k)；

8.接收端，AMC模块根据γ(k)，决定并控制各子载波的调制阶数，反馈到发射端。

本发明对现有通信系统中AMC模块进行了改进，改进后带抗单频和窄带干扰AMC技术的OFDM数字通信系统工作流程图如图2所示，改进之处有：

1.接收端，信道估计与均衡模块的输出同时输出到SNR估计模块与AMC控制模块；

2.接收端，AMC控制模块以SNR估计模块的输出γ(k)和信道估计与均衡模块的输出作为输入，根据设定的信道幅度门限阈值η和窗长N_win，对各子载波的信道估计值的幅度值进行检测，若第k个子载波的信道幅度估计值大于设定的阈值η，则把对应子载波位置以及相邻±N_win个子载波的位置标记为“不可用”。然后，未被标记为“不可用”的子载波按照该子载波上的信噪比γ(k)进行自适应调制。

下面列举实施例说明较大的单频干扰对信道估计、信噪比估计、自适应调制阶数的影响，以及本发明提出的联合子载波SNR估计值与信道幅度响应估计值的AMC控制能力。

如图1所示，传统OFDM数字通信系统子载波总数为1024，其中有效子载波数为960个，支持的调制方式为2至10阶的QAM调制，也即分别为4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM。AMC的目标是维持BER（Bit Error Rate，误比特率）在10^-3量级，不使用信道编码，仅控制每个子载波上的调制阶数。信道为静态多径衰落信道，子载波平均SNR为20dB。信道估计算法使用数据辅助检测的方法，训练信号发送150次。

当不存在单频干扰时，该通信系统的SNR估计值与AMC控制阶数如图3所示，系统的BER为1.30*10^-3；对比图3中的（a）和（b），SNR值高的子载波调制阶数高，SNR低的子载波调制阶数低，且系统的BER达到所要求的值，AMC正确工作。

当存在单频干扰时，该通信系统的SNR估计值与AMC控制阶数如图4所示，该单频的SIR（Signal to Interference Rate，信号功率与干扰功率之比）为-10dB（也即单频的功率比信号功率大10倍），所处的位置为第411.5个子载波处。此时，系统的BER为1.25*10^-1；图4中的（a）说明此时在单频干扰附近信噪比估计错误，在强单频干扰下系统估计出的信噪比值反而更高，符合前述推导。在图4（a）的信噪比估计下，AMC的控制结果如图4（b）所示。阶数为0表示废弃该子载波，不用于承载数据。在强单频干扰处，反而错误地使用了阶数高达10的调制格式（也即1024QAM）。错误的AMC控制导致了BER偏高，达不到所要求的BER值。

接上面的实施内容，使用本发明所提出的的改进的自适应控制方法，流程如图2所示。η设置为信道幅度估计值均值的5倍，窗长N_win设置为20。

当不存在单频干扰时，改进后通信系统的信道估计值、SNR估计值与AMC控制阶数如图5所示，系统的BER为1.29*10^-3；对比图3中的（b）与图5中的（c），两者的AMC控制结果几乎一致，说明改进后的通信系统在没有单频干扰时，信道估计模块与SNR估计模块正常工作，BER达到所要求的值，AMC模块正确工作。

当存在单频干扰时，改进后通信系统的信道估计值、SNR估计值与AMC控制阶数如图6中所示，系统的BER为1.11*10^-3；对比图4中的（b）与图6中的（c），两者的AMC控制结果有较大差异。观察图6中的（b），尽管411.5个子载波处附近SNR估计值较高，但是AMC模块利用了图6（a）中的信道幅度估计值信息，正确处理了单频干扰带来的SNR估计错误，在强单频干扰处关闭子载波或者使用了低阶的调制格式。这说明，改进后的通信系统在有强单频干扰时，BER达到所要求的值，AMC模块正确工作，本发明所提出的的方法改善了系统性能。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种OFDM系统中抵抗单频和窄带干扰的自适应调制方法，其步骤包括：

1)发射端发送用于进行信道估计的训练信号到接收端；

2)接收端利用训练信号进行子载波的信道估计；

3)接收端利用子载波的信道估计结果和训练信号进行子载波的SNR估计；

4)接收端联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制，并把AMC控制结果反馈到发射端；所述联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制的方法是：

4.1)设定一个信道幅度门限阈值η用于检测信道幅度异常，η与所有子载波信道估计值的幅度的平均值有关；

4.2)设定一个窗长N_win，用于确定检测到信道幅度异常后进行信噪比修正的子载波范围；

4.3)对各子载波的信道估计值的幅度值进行检测，若第k个子载波的信道幅度估计值大于设定的阈值η，则把对应子载波位置以及相邻±N_win个子载波的位置标记为不可用；

4.4)经过上述步骤处理过后，未被标记为不可用的子载波按照该子载波上的信噪比估计值γ(k)进行自适应调制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：使用数据辅助检测的方法或者非数据辅助检测的方法进行所述子载波的信道估计以及所述子载波的SNR估计。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)采用下式进行信道估计：

Y(k)＝H(k)X(k)+N(k)，

其中，k表示OFDM系统的子载波编号，X(k)表示第k个子载波上发射的训练信号，H(k)表示第k个子载波上的信道频域响应，N(k)表示第k个子载波上的高斯白噪声，Y(k)表示第k个子载波上的接收信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：不考虑高斯白噪声的干扰，信道估计值表示为：

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：采用收发多次训练信号进行估计并取平均值的方法降低噪声N(k)的影响。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)进行SNR估计的方法是：

3.1)由下式估算噪声功率：

$|\tilde{N}\left(k\right){|}^2=|Y\left(k\right)-\tilde{H}\left(k\right)X\left(k\right){|}^2,$

其中为第k个子载波上的噪声估计值；

3.2)由下式估算子载波上的信噪比SNR：

$\mathrm{\γ}\left(k\right)=\frac{|\tilde{H}\left(k\right)X\left(k\right){|}^2}{|\tilde{N}\left(k\right){|}^2},$

其中，γ(k)表示第k个子载波上的信噪比估计值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：信噪比的估计在信道估计完成以后进行。

8.一种使用AMC技术的OFDM数字通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于，发射端发送用于进行信道估计的训练信号到接收端；接收端利用训练信号进行子载波的信道估计，并利用子载波的信道估计结果和训练信号进行子载波的SNR估计，然后联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制，并把AMC控制结果反馈到发射端；所述联合子载波信道估计结果和子载波SNR估计结果进行AMC控制的方法是：

1)设定一个信道幅度门限阈值η用于检测信道幅度异常，η与所有子载波信道估计值的幅度的平均值有关；

2)设定一个窗长N_win，用于确定检测到信道幅度异常后进行信噪比修正的子载波范围；

3)对各子载波的信道估计值的幅度值进行检测，若第k个子载波的信道幅度估计值大于设定的阈值η，则把对应子载波位置以及相邻±N_win个子载波的位置标记为不可用；

4)经过上述步骤处理过后，未被标记为不可用的子载波按照该子载波上的信噪比估计值γ(k)进行自适应调制。