CN104836771B - 快衰信道部分相干检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快衰信道部分相干检测方法，其在解调中充分利用相干和非相干检测的优点，同时尽量规避单独使用相干或非相干检测方案所带来的问题，提出利用接收机获得的部分信道状态信息，将相干检测和非相干检测结合起来，在信噪比较低的时候以相干检测为主，而在信噪比较高时为了规避相干检测的地板效应和信道估计复杂度，以非相干检测为主。由于对信道变化统计值的利用，使得相干解调部分也不需要进行频繁的信道估计，且随着信噪比的提高，判决规则会进一步接近非相干解调，信道估计频率也会进一步下降。

Description

快衰信道部分相干检测方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种快衰信道部分相干检测方法。

背景技术

双选信道下信号的检测技术是移动信号处理领域的重要问题。OFDM由于其较高频谱效率和较强的抗多径能力，被广泛应用于宽带无线传输领域。当前OFDM的检测技术主要有两类：

一类检测技术是相干检测技术，通过在发送端插入训练符号，接收端利用训练符号对信道进行估计，从而实现较精确的解调。然而在快速时变多径信道环境，相干解调技术存在以下问题。第一，快速时变多径信道环境下，信道变化迅速，实时精确的信道信息获取变的相当困难，为了获取精确的信道信息，不得不在发送端插入大量的训练符号，这既造成了频谱效率的降低，也提高了终端实现的复杂度。第二，信道的快速时变引起多普勒扩展，破坏了子载波的正交性，导致接收端出现“地板效应”，即使在较高的信噪比条件下，OFDM系统性能也严重恶化。

另一类检测技术是非相干检测，通过在发送端采用合适的调制技术，在接收端无需信道信息就可解调，由于其结构简单，且对多普勒频移具有一定稳健性，其调制技术特点更加适用于移动性较高的通信场合。然而，在快速时变的多径信道，非相干OFDM检测面临如下两个问题。第一，快速时变多径环境下，在较低信噪比时，其检测性能明显劣于相干检测。第二，由于其特殊的调制方式，降低了非相干OFDM系统的稳健性和频率效率。

发明内容

本发明所要解决的是相干解调系统在较高信噪比出现“地板效应”和非相干解调系统在低信噪比时性能较差的问题，提供一种快衰信道部分相干检测方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种快衰信道部分相干检测方法，包括如下步骤：

步骤一：获取信道的初始信息H₀；

步骤二：通过第一类零阶贝塞尔函数获取信道变化统计值a；

步骤三：利用步骤一获取的初始信道信息H₀对接收到的信号进行相干解调l_c；

步骤四：对接收到的信号直接根据能量进行非相干解调l_n；

步骤五：根据步骤二计算获得的信道变化统计值a分配相干解调部分和非相干解调部分的比例，获得部分相干解调的判决规则l_cn；即

l_cn＝f₁(a)l_c+f₂(a)l_n

式中，f₁(a)为相干解调比例系数，f₂(a)为非相干解调比例系数，l_c为相干解调判决准则，l_n为非相干解调判决准则；

步骤六：由步骤五所获得的部分相干解调的判决规则l_cn把原始信息解调出来。

步骤二中所述的第一类零阶贝塞尔函数为：

a＝J₀(2πf_dT_s)

式中，J₀(x)为第一类零阶贝塞尔函数，f_d＝f_cv/c为最大多普勒频移，f_c为射频频率，v为信号接收端移动速度，c为光速，T_s为采样间隔；

在OFDM-MFSK调制系统中(M为调制阶数)，步骤五中的相干解调比例系数f₁(a)和非相干解调比例系数f₂(a)分别设定为：

f₁(a)＝2a^kN₀

f₂(a)＝1-a^2k

上两式中，N₀为噪声功率谱密度，a为信道变化统计值，k为OFDM符号串行输出时的位置。

本发明所提出的检测方案是在解调中充分利用相干和非相干检测的优点，同时尽量规避单独使用相干或非相干检测方案所带来的问题，即提出利用接收机获得的部分信道状态信息，将相干检测和非相干检测结合起来，在信噪比较低的时候以相干检测为主，而在信噪比较高时为了规避相干检测的地板效应和信道估计复杂度，以非相干检测为主。类似于最大比合并。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

(1)结合了相干解调和非相干解调的优点，既不会出现相干解调的“地板效应”，也不会出现低信噪比时，非相干解调性能明显劣于相干解调的问题。

(2)由于对信道变化统计值的利用，使得相干解调部分也不需要进行频繁的信道估计，且随着信噪比的提高，判决规则会进一步接近非相干解调，信道估计频率也会进一步下降。

(3)由于信道估计频率的大幅下降，使得系统复杂度也大幅下降，更加便于硬件实现，尤其有利于在手持设备等移动端通讯工具上的应用。

附图说明

图1为OFDM-MFSK解调原理结构图。

图2为双径瑞利信道，移动速度为600km/h时，OFDM-4FSK的相干解调，非相干解调以及部分相干解调的接收误比特率曲线。

具体实施方式

下面以OFDM-MFSK调制系统为例，对本发明进行详细说明：

一种快衰信道部分相干检测方法，其解调原理如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：获取信道的初始信息H₀。在发送端插入块状导频，在接收端利用这个块状导频估算出第一个OFDM的信道信息，然后根据性能要求，移动速度以及信噪比等因素确定导频的插入间隔。速度越快，信噪比越低，性能要求越高，插入的间隔越短。

步骤二：获取信道变化统计值a。通过第一类零阶贝塞尔函数获取信道变化快慢的统计值。a＝J₀(2πf_dT_s)，其中J₀(x)为第一类零阶贝塞尔函数，f_d＝f_cv/c为最大多普勒频移，f_c为射频频率，v为信号接收端移动速度，c为光速，T_s为OFDM符号采样间隔。

步骤三：利用步骤一获取的初始信道信息H₀对接收到的信号进行相干解调。其判决规则为其中Real(x)为取x实部，H₀为信道的初始信息，Y为接收到的数据。

步骤四：对接收到的信号直接根据能量进行非相干解调。其判决规则为l_n＝|Y|²，其中Y为接收到的数据。

步骤五：根据计算获得的信道变化统计值分配相干解调部分和非相干解调部分的比例。其公式为l_c＝f₁(a)l_c+f₂(a)l_n，其中f₁(a)为相干解调比例系数，f₂(a)为非相干解调比例系数，f₁(a),f₂(a)为根据不同的调制方式有不同的数值；l_c为相干解调判决准则，l_n为非相干解调判决准则。

在OFDM-4FSK调制系统中，f₁(a)＝2a^kN₀，f₂(a)＝1-a^2k,其中N₀为噪声功率谱密度，可以根据获得的导频信息估计出来，一般信道环境则有固定的统计值；a为信道变化统计值；k为OFDM符号串行输出时的位置。

步骤六：由步骤五获得的部分相干解调的判决规则l_cn就可以把原始信息解调出来。

对于OFDM-MFSK调制系统，取OFDM子载波256个，其中使用160个子载波传输信息。将OFDM使用的160个子载波按4个一组，分成40组，每组4个子载波，符合规定的频率组合共有：

4FKS调制表如表1所示。其中f₁f₂f₃f₄为一组4个子载波频率，“1”表示该频率存在，“0”表示该频率不存在。

表1 4FSK调制映射表

基带(bit)	f1f2f3f4
		00	0001
01	0010
		11	0100
10	1000

其频域形式为：

令S表示MFSK调制映射的值域，它与表1的第二列相统一，S_i表示第i载波组的映射符号，它取表1第二列的某一行，显然有S_i∈S，再令P_i表示S_i中非零子载波对应的指标集，例如当S_i＝0001时P_i＝{4}，则S_i对应的时域表达式为：

其中，{ω_i,k}为第i载波组第k个子载波的角频率，T_s为一个OFDM符号周期，则一个OFDM-4FSK符号可表示为：

其中，N为OFDM所用子载波的数目，每组子载波的数目为4个，N为4的整数倍。以T_s/N为间隔进行采样，其中T_s为OFDM符号长度。

令iM+k＝k，则

通过L条路径的无线信道后，相应的接受符号可以表示为：

其中，h_i[n]表示第i条路径的脉冲响应，τ_i表示相应的时延，w[n]表示加性高斯白噪声。对{y[n]}采用FFT得：

其中，H_i[k]可以表示为：

定义频域信号向量为：

其中，

则式(7)可以表示为：

Y＝HX+W (11)

对H进行近似处理为对角矩阵：

对Y,X,H,W按4个为一组进行分组，则第i个OFDM-MFSK分组满足：

Y_i＝H_iX_i+W_i i＝1,2,…,N/4 (13)

假设接收机获得了初始信道信息H₀，设x_i表示第i组非零的那个子载波，则接收机相干检测规则为：

非相干检测规则为：

x_i＝arg max(|Y_i ^k|²) Y_i ^k∈Y_i,k＝1,2,3,4 (15)

若知道信道统计值a,则可得部分相干检测规则为：

其中，N₀为噪声功率谱，

a＝J₀(2πf_dT_s) (17)

其中，J₀(x)为第一类零阶贝塞尔函数，f_d＝f_cv/c是最大多普勒频移，f_c为载波频率，T_s为OFDM符号采样间隔。以上获得的检测规则是最大似然相干和非相干的线性组合，其权重由信道变化速率和信噪比决定。决定规则类似于最大比合并。

选取载波频率f_c＝5.8GHz，子载波数N_f＝256，有用子载波数N_fused＝160，子载波间隔Δf＝312.5kHz，循环前缀T_G＝0.8μs，OFDM符号周期T_s＝4μs，在两径瑞利信道下，选取接收端移动速度为600km/h，瑞利信道最大延迟值0.75us，两条路径的多普勒频偏设置为ω₁＝-ω₂，OFDM-4FSK的误码率仿真结果如图2所示，由图可以看出，这种方案在任何信噪比均好于相干和非相干OFDM-4FSK，在相干和非相干的曲线交叉处更是获得了较大的增益。

由以上分析及仿真结果可知，本发明提出的部分相干检测方法结构简单，在接收端采用部分相干解调的方法，无需频繁进行信道估计。在典型的瑞利信道下，本发明所提方法都对通信端的移动速度不敏感，即对多普勒频偏有良好的稳健性，适合在高速移动环境下的稳健数据传输。

相干方案主要用于能获得信道完美信息的情况，而非相干方案则主要用于对信道一无所知的情况。在快速时变多径信道，信道信息的缺乏更加贴合实际情况。而在实际无线信道环境，接收机获得的信道信息介于这两种极端情况，即使在快衰信道，获取的部分状态信息也是可靠的。这为相干检测和非相干检测建立了一个联系。本发明由于采用了MFSK调制方式，接收端可以进行非相干解调，且利用获得的部分信道状态信息(CSI)将相干解调与非相干解调相结合，不需要频繁的对信道进行估计，不仅提高了解调性能，也大大降低了系统复杂度，便于硬件实现。

Claims (3)

1.快衰信道部分相干检测方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：获取信道的初始信道信息H₀；

步骤二：通过第一类零阶贝塞尔函数获取信道变化统计值a；

步骤三：利用步骤一获取的初始信道信息H₀对接收到的信号进行相干解调l_c；

步骤四：对接收到的信号直接根据能量进行非相干解调l_n；

步骤五：根据步骤二计算获得的信道变化统计值a分配相干解调部分和非相干解调部分的比例，获得部分相干解调的判决规则l_cn；即

l_cn＝f₁(a)l_c+f₂(a)l_n

式中，f₁(a)为相干解调比例系数，f₂(a)为非相干解调比例系数，l_c为相干解调判决准则，l_n为非相干解调判决准则；

步骤六：由步骤五所获得的部分相干解调的判决规则l_cn把原始信息解调出来。

2.根据权利要求1所述的快衰信道部分相干检测方法，其特征是，步骤二中所述的第一类零阶贝塞尔函数为：

a＝J₀(2πf_dT_s)

式中，J₀(x)为第一类零阶贝塞尔函数，f_d＝f_cv/c为最大多普勒频移，f_c为射频频率，v为信号接收端移动速度，c为光速，T_s为采样间隔。

3.根据权利要求1所述的快衰信道部分相干检测方法，其特征是，在OFDM-MFSK调制系统中，步骤五中的相干解调比例系数f₁(a)和非相干解调比例系数f₂(a)分别设定为：

f₁(a)＝2a^kN₀

f₂(a)＝1-a^2k

上两式中，N₀为噪声功率谱密度，a为信道变化统计值，k为OFDM符号串行输出时的位置。