CN105323201A - 一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统及方法，该系统包括：联合处理单元，利用确知序列估计信道，同时消去确知序列对信息帧的干扰，输出一个具有零填充保护间隔的OFDM信息帧；信号循环卷积重构单元，利用信道估计信息对接收数据进行信号循环卷积重构；多径估计调整单元，便于对前径和后径处理均有最佳性能，及最大限度地使用有限长度的FIR横向滤波器估计多径扩展；FFT和频域均衡单元，用于实现时域信号到频域的转换和频域均衡；解交织单元，用于完成解信号交织，把长的连续误码分散到期望的纠错范围；解码单元，用于完成软解码纠错处理。本发明消除小于保护间隔长度的各种多径干扰，且有效地抗大于保护间隔长度的超长多径干扰。

Description

一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统及方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及一种有限长度确知序列作为保护间隔的多载波接收机中抗多径干扰系统及方法。

背景技术

在无线通信信道中，特别是地面无线电视广播传输信道中存在着各种长延时的静态和动态多径干扰。为了有效地抗多径干扰，目前的无线多载波接收系统均在传输的信号帧中插入保护间隔序列。

欧标DVB-T采用了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)循环前缀结构，插入了长达224微秒的保护间隔，使其能对抗近224微秒的0dB回波干扰。国标DTMB在信号帧中插入确知PN序列，既作为帧同步、又作为OFDM的保护间隔，具有高的传输效率。DVB-T用10％的子载波传送用于同步和信道估计等的导频信号，同时存在循环前缀的保护间隔，而DTMB将时间保护间隔同时用于传输信道估计信号，因此DVB-T系统的传输效率只能达到国标DTMB系统的90％。为了保持高的传输效率，通常在信号帧中插入有限长度的确知保护序列，如国标DTMB的多载波模式插入的PN序列最多只能到125微秒，虽然可以把几个OFDM帧的PN(Pseudo-randomNoise，伪随机序列)序列联合处理，使抵抗多径干扰的延时长度不受保护间隔长度的限制，但其不适于快速时变信道。在已有的低复杂度的数字接收系统中，多径处理常被限止在保护间隔长度内，当实际的多径长度大于保护间隔长度时，系统性能将严重下降(任何强度大于-12dB的多径扩展都会影响系统性能)，因而有必要提出一种有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统及方法，在有限长度确知序列作为保护间隔的多载波接收机中，借助于信道纠错编码和有效的系统参数设计，不仅能消除小于保护间隔长度的各种多径干扰，而且能有效地抗大于保护间隔长度的超长多径干扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统，该系统包括：联合处理单元、信号循环卷积重构单元、第一FFT(FastFourierTransformation，快速傅氏变换)单元、频域均衡单元、多径估计调整单元、第二FFT单元、解交织单元、解码单元；

所述联合处理单元，其输入端接收确知序列作为保护间隔的编码的OFDM信号、其第一输出端连接到信号循环卷积重构单元、其第二输出端连接到多径估计调整单元；该联合处理单元用于利用确知序列估计信道，同时消去确知序列对信息帧的干扰，输出一个具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信息帧至信号循环卷积重构单元，并输出信道估计序列到多径估计调整单元；

所述信号循环卷积重构单元，其第一输入端接收来自所述联合处理单元的OFDM信息帧、第二输入端与多径估计调整单元连接、其输出端连接到第一FFT单元的输入端，用于利用信道估计信息对接收数据进行信号循环卷积重构，其处理后的信息帧输出至第一FFT单元；

所述多径估计调整单元，其输入端连接至所述联合处理单元、第一输出端连接至信号循环卷积重构单元、第二输出端连接至第二FFT单元的输入端；

所述第一FFT单元，其输出端连接至频域均衡单元，用于对所接收的来自所述信号循环卷积重构单元的信息帧进行FFT变换处理，之后输出至频域均衡单元；

所述第二FFT单元，其输出端连接至频域均衡单元，用于对所接收的来自所述多径估计调整单元的估计的信道脉冲响应作FFT变换处理，之后输出至频域均衡单元；

所述频域均衡单元，使用来自第一FFT单元的频域数据和来自第二FFT单元的信道频域估计数据完成频域均衡，均衡后的数据送至解交织单元；

所述解交织单元，对来自频域均衡单元的数据做解交织处理，其输出送至解码单元；

所述解信道编码单元，对来自解交织单元的数据做软解码纠错处理，输出期望恢复的信息数据。

其中，所述联合处理单元包括：确知保护序列与零序列产生单元、FIR(FiniteImpulseResponse，有限长单位冲激响应滤波器)横向滤波器单元、误差信号产生单元、乘法器单元；

所述确知保护序列与零序列产生单元，用于产生一输出序列并将其输出至FIR横向滤波器单元，该输出序列包括一个与接收信号保护序列要求一致的确知序列和一个长度与接收信号信息帧一致的零序列；

所述FIR横向滤波器单元，其第一输入端连接至确知保护序列与零序列产生单元、第二输入端连接至乘法器单元，其第一输出端连接至误差信号产生单元、第二输出端输出信道估计数据；

所述误差信号产生单元，其第一输入端用以接收输入信号、第二输入端连接至FIR横向滤波器单元，其第一输出端输出误差信号至乘法器单元、第二输出端连接至信号循环卷积重构单元。

一种应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，该方法包括：

(1)对同步的输入信号作保护间隔与信息帧分离及信道估计联合处理，产生的信道估计和具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信号帧被分别进行多径估计调整、信号循环卷积重构；

(2)对所述步骤(1)处理得到的数据分别进行FFT处理；

(3)作频域均衡处理，得到频域数据；

(4)对频域数据进行解交织处理；

(5)完成LDPC(Low-DensityParityCheck，低密度奇偶校验码)纠错解码处理。

其中，所述步骤(1)中，利用一个改进的自适应FIR横向滤波器完成保护序列与信息帧分离及信道估计联合处理。

其中，所述步骤(1)进一步包括：根据系统解信道编码单元纠错信噪比门限选取横向滤波器长度K，以获取最大抗超长多径干扰长度；该横向滤波器长度K是可编程的，根据系统设计复杂度要求设定。

其中，所述步骤(1)中，所述输入信号的有限长度确知保护序列可以是任何具有伪随机特性的确知序列。

其中，所述步骤(1)中，在进行信号循环卷积重构处理过程中，当多径干扰的前径或后径延时长度大于保护序列长度时，选用保护序列长度作为信号循环卷积重构长度，借助于系统纠错编码消除误差。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明在保持高的传输效率，采用有限长度确知序列作为保护间隔的多载波接收机中，借助于信道纠错编码和有效的系统参数设计，不仅能消除小于保护间隔长度的各种多径干扰，而且能有效地抗大于保护间隔长度的超长多径干扰；本发明系统及方法适用于固定和移动无线通信终端，能以独立设备实现，或以硬件模块形式嵌入相关通信系统实现，还可以用软件方式实现，简单可靠。

附图说明

图1为本发明实施例提出的有限长度确知序列作为保护间隔的编码OFDM信道估计和抗多径干扰系统示意图；

图2为本发明实施例提出的保护序列与信息帧分离及信道估计联合处理系统示意图；

图3为本发明实施例提出的有限长度确知序列作为保护间隔的编码OFDM的信道估计和抗多径干扰系统方法的工作流程图；

图4为本发明实施例提出的以时域确知序列长度55.5μs作为保护间隔和LDPC编码OFDM的信道估计和抗多径干扰系统处理结果示意图；

图5为本发明实施例提出的以时域确知序列长度125μs作为保护间隔和LDPC编码OFDM的信道估计和抗多径干扰系统处理结果示意图。

具体实施方式

图1为本发明提出的有限长度确知序列作为保护间隔的编码OFDM信道估计和抗多径干扰系统示意图。如图1所示，根据本发明实施例的信道估计和抗多径干扰系统包括：

联合处理单元101，用于联合处理保护间隔与信息帧分离及信道估计，其输入端接收确知序列作为保护间隔的编码的OFDM信号，该联合处理单元利用确知序列估计信道，同时消去确知序列对信息帧的干扰，输出一个具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信号帧到信号循环卷积重构单元102，并输出信道估计序列到信道估计调整单元107；

信号循环卷积重构单元102，一个输入端接收来自所述联合处理单元101的具有零填充保护间隔的信息帧，另一个输入端与多经估计调整单元107连接，利用信道估计信息对接收数据进行信号循环卷积重构，设M为保护间隔长度，N为信息序列长度，L_pre为前径信道响应长度，L_post为后径信道响应长度，其处理后的第n个信息帧包含下列：

0≤j＜L_post，n+1；

${\hat{x}}_{n,j}={\hat{y}}_{n,j+M},$ L_post，n+1≤j＜N-L_pre，n；

${\hat{x}}_{n,j}={\hat{y}}_{n,j+M}+{\hat{y}}_{n,j+M-N},$ N-L_pre，n≤j＜N，

当L_post或L_pre大于或等于M时L_post或L_pre取值为M，输出至FFT(FastFourierTransformation，快速傅氏变换)单元103；

多径估计调整单元107，其输入来自所述联合处理单元101，其调整处理使对发生的前径和后径处理均有最佳性能，并最大限度地利用有限长度的FIR横向滤波器估计多径扩展，降低系统设计复杂度，调整处理后的信息送至信号循环卷积重构单元102，序列输出到FFT单元108；

FFT单元103和108，分别对接收的来自所述信号循环卷积重构单元102的信息帧和来自所述多径估计调整单元107的估计的信道脉冲响应做FFT变换处理，对应输出的频域数据序列和信道频域估计被送至频域均衡单元104；

频域均衡单元104，使用来自FFT单元103的频域数据和来自FFT单元108的信道频域估计，完成频域均衡，均衡后的数据送至解交织单元105；

解交织单元105，对来自频域均衡单元104的数据做解交织处理，其输出送至解码单元106；该解交织单元105采用的解交织方法和解交织深度具可编程，能根据系统设计或输入信号要求设定；

解码单元106，对来自解交织单元105的数据做软解码纠错处理，输出期望恢复的信息数据；该解码单元106采用的纠错编码方法和纠错能力具可编程，能采用纠错能力强且复杂度低的LDPC码，能根据系统设计或输入信号要求设定所用参数。

请参阅图2，上述系统中的保护间隔与信息帧分离及信道估计联合处理单元101包括：

确知保护序列与零序列产生单元201，它产生的输出序列x_n包含一个与接收信号保护序列要求一致的确知序列及长度与接收信号信息帧一致的零序列，输出送至FIR横向滤波器单元202；

FIR横向滤波器单元202，有两个输入分别来自确知保护序列与零序列产生单元201和乘法器单元204，有两个输出分别是输出至误差信号产生单元203的和FIR横向滤波器的系数当自适应滤波器收敛时，是得到的信道估计，表达如下：

其横向滤波器长度K值是根据系统解信道编码单元纠错信噪比门限选取，以获取最大抗超长多径干扰长度，该横向滤波器长度K值也是可编程的，能根据系统设计复杂度要求设定；

误差信号产生单元203，有两个输入分别来自接收信号和FIR横向滤波器单元202，产生的误差信号e_n送至乘法器单元204，并在自适应滤波器收敛后作为一个具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信号帧，输出至图1中的信号循环卷积重构单元102。其保护间隔与信息帧分离及信道估计联合处理过程可表示如下：假设接收信号序列在确知保护序列与零序列产生单元201对应产生序列x_n，则有：

${\hat{y}}_n=h_n^T{x}_n,$

${\stackrel{\‾}{y}}_n=e_n,$

其中μ(t)是调整步长，其值可随信道变化自适应调节，以确保训练过程收敛。

请参阅图3，该图为表明本发明的实施例的有限长度确知序列作为保护间隔的编码OFDM的信道估计和抗多径干扰系统方法的工作流程图。为了验证本发明系统和方法的有效性，使用了与国标DTMB兼容的具有LDPC编码和频时域交织的OFDM标准信号作为输入。该流程包括：

301、对同步的输入信号作保护间隔与信息帧分离及信道估计联合处理，产生的信道估计和具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信号帧被分别送入步骤302和步骤303进行相应处理。

302、对OFDM信号帧进行多径估计调整。

本步骤处理过程中采用了一个多径估计调整单元，使对发生的前径和后径处理均有最佳性能，并最大限度地使用有限长度的FIR横向滤波器估计多径扩展，降低了系统设计复杂度。

303、对OFDM信号帧进行信号循环卷积重构。在信号循环卷积重构处理过程中，当多径干扰的前径或后径延时长度大于保护序列长度时，选用保护序列长度作为信号循环卷积重构长度，借助于系统纠错编码消除误差。

304、对步骤302和步骤303处理后得到的信号分别进行FFT处理。

305、作频域均衡处理，得到频域数据。

306、对频域数据进行解交织处理。

307、完成LDPC纠错解码处理。

图4和图5分别顯示了该实施例在采用了国标DTMB不同模式输入信号的处理结果(结果表示在保障误码率为零时，在估计的多经延迟点，系统能容忍的多径强度)。

图4显示的抗超长多径干扰处理是以国标DTMB模式3作为输入信号，根据LDPC系统解信道编码最大纠错信噪比门限选取横向滤波器长度K，获取最大抗超长多径干扰长度。DTMB模式3采用16QAM调制，0.8码率，保护间隔55.5μs，交织深度参数720。从图中能看出，系统可抗近60μs的0dB多径干扰；在220μs处能抗小于-10dB的多径干扰；在230μs处能抗小于-11.8dB的多径干扰，且达到最大抗超长多径干扰长度。

图5显示的抗超长多径干扰处理是以国标DTMB模式1作为输入信号，根据系统设计复杂度要求设定横向滤波器长度K。DTMB模式1采用16QAM调制，0.4码率，保护间隔125μs，交织深度参数720。从图中能看出，系统可抗近180μs的0dB多径干扰，在260μs处能抗小于-4.7dB的多径干扰。

上述实施例验证了本发明提出的低复杂度的数字通信系统及方法，在保持高的传输效率，采用有限长度确知序列作为保护间隔的多载波接收机中，借助于信道纠错编码和有效的系统参数设计，不仅能消除小于保护间隔长度的各种多径干扰，而且能有效地抗大于保护间隔长度的超长多径干扰。该发明系统及方法适用于固定和移动无线通信终端。上述系统和方法的实现流程，能以独立设备实现，或以硬件模块形式嵌入相关通信系统实现，还可以用软件方式实现。

Claims (7)

1.一种应用于多载波接收机的抗多径干扰系统，其特征在于，该系统包括：联合处理单元、信号循环卷积重构单元、第一FFT单元、频域均衡单元、多径估计调整单元、第二FFT单元、解交织单元、解码单元；

所述联合处理单元，其输入端接收确知序列作为保护间隔的编码的OFDM信号、其第一输出端连接到信号循环卷积重构单元、其第二输出端连接到多径估计调整单元；该联合处理单元用于利用确知序列估计信道，同时消去确知序列对信息帧的干扰，输出一个具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信息帧至信号循环卷积重构单元，并输出信道估计序列到多径估计调整单元；

所述信号循环卷积重构单元，其第一输入端接收来自所述联合处理单元的OFDM信息帧、第二输入端与多径估计调整单元连接、其输出端连接到第一FFT单元的输入端，用于利用信道估计信息对接收数据进行信号循环卷积重构，其处理后的信息帧输出至第一FFT单元；

所述多径估计调整单元，其输入端连接至所述联合处理单元、第一输出端连接至信号循环卷积重构单元、第二输出端连接至第二FFT单元的输入端；

所述第一FFT单元，其输出端连接至频域均衡单元，用于对所接收的来自所述信号循环卷积重构单元的信息帧进行FFT变换处理，之后输出至频域均衡单元；

所述第二FFT单元，其输出端连接至频域均衡单元，用于对所接收的来自所述多径估计调整单元的估计的信道脉冲响应作FFT变换处理，之后输出至频域均衡单元；

所述频域均衡单元，使用来自第一FFT单元的频域数据和来自第二FFT单元的信道频域估计数据完成频域均衡，均衡后的数据送至解交织单元；

所述解交织单元，对来自频域均衡单元的数据做解交织处理，其输出送至解码单元；

所述解信道编码单元，对来自解交织单元的数据做软解码纠错处理，输出期望恢复的信息数据。

2.如权利要求1所述的应用于多载波接收机的抗多径干扰系统，其特征在于，所述联合处理单元包括：确知保护序列与零序列产生单元、FIR横向滤波器单元、误差信号产生单元、乘法器单元；

所述确知保护序列与零序列产生单元，用于产生一输出序列并将其输出至FIR横向滤波器单元，该输出序列包括一个与接收信号保护序列要求一致的确知序列和一个长度与接收信号信息帧一致的零序列；

所述FIR横向滤波器单元，其第一输入端连接至确知保护序列与零序列产生单元、第二输入端连接至乘法器单元，其第一输出端连接至误差信号产生单元、第二输出端输出信道估计数据；

所述误差信号产生单元，其第一输入端用以接收输入信号、第二输入端连接至FIR横向滤波器单元，其第一输出端输出误差信号至乘法器单元、第二输出端连接至信号循环卷积重构单元。

3.一种应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，其特征在于，该方法包括：

(1)对同步的输入信号作保护间隔与信息帧分离及信道估计联合处理，产生的信道估计和具有零填充保护间隔的包含多径干扰的OFDM信号帧被分别进行多径估计调整、信号循环卷积重构；

(2)对所述步骤(1)处理得到的数据分别进行FFT处理；

(3)作频域均衡处理，得到频域数据；

(4)对频域数据进行解交织处理；

(5)完成低密度奇偶校验码纠错解码处理。

4.如权利要求3所述的应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，其特征在于，所述步骤(1)中，利用一个改进的自适应FIR横向滤波器完成保护序列与信息帧分离及信道估计联合处理。

5.如权利要求4所述的应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括：根据系统解信道编码单元纠错信噪比门限选取横向滤波器长度K，以获取最大抗超长多径干扰长度；该横向滤波器长度K是可编程的，根据系统设计复杂度要求设定。

6.如权利要求3所述的应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述输入信号的有限长度确知保护序列为任何具有伪随机特性的确知序列。

7.如权利要求3所述的应用于多载波接收机的抗多径干扰方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在进行信号循环卷积重构处理过程中，当多径干扰的前径或后径延时长度大于保护序列长度时，选用保护序列长度作为信号循环卷积重构长度，借助于系统纠错编码消除误差。