CN105897630B - 一种ofdm通信系统中的脉冲噪声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法。包括以下步骤：以OFDM通信系统中至少一个OFDM符号的空闲子载波的平均能量设定判决门限；对之后的OFDM符号的空闲子载波的平均能量进行估计，并和判决门限进行比较，检测是否存在脉冲噪声；根据比较结果，进行判决门限的更新，以及给出是否检测到脉冲噪声的指示。本发明利用OFDM通信系统中空闲子载波上并不调制数据，能量主要来自高斯噪声以及相邻子载波能量泄露，而脉冲噪声本身能量通常明显高于高斯噪声能量的特性，来进行脉冲噪声的检测。

Description

一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(OFDM)通信系统，具体涉及一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术，它的调制和解调是分别基于快速傅立叶反变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。OFDM数据将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。在接收端可以通过相关技术将正交信号分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。

对于实际通信系统，除了加性的高斯白噪声，通常还存在大量具有突出的尖峰脉冲的脉冲噪声，它是影响通信系统性能的主要噪声之一。脉冲噪声广泛存在于地面通信系统中，他们主要来自雷电，汽车发动机点火，静电释放，电气开关切换设备等自然或者人为的因素。相较于高斯噪声，不同来源的脉冲噪声主要有以下两个共同点：1.能量集中在短时间内；2.能量和信号能量可比拟，或者更高，比背景热噪声高得多，具有短时性、突发性和不可预测性。

相对于单载波系统来说，OFDM系统对低能量脉冲噪声更加具有鲁棒性，这是因为OFDM的接收机端的FFT处理，将时域上一个OFDM符号周期内的脉冲噪声扩展到频域上。因为脉冲噪声能量被平均到所有子载波上，这一定程度上削弱了脉冲噪声的影响。然而，因为FFT的能量扩展作用，高能量的脉冲噪声经过频域扩展后对每一个子载波都会进行恶化，可能导致所有子载波都出现符号判决错误。

目前脉冲噪声的检测主要分为时域检测和频域检测两种方式。对于时域检测方式，通常基于短时内脉冲噪声时域能量远大于信号能量来进行检测，具体做法是选定一定长度的时域窗，如果在这个时域窗内的能量超过门限值的样点数大于一定比例，则认为存在脉冲噪声。但是因为OFDM信号在时域上本身就是高斯的，峰均比本身就比较大，所以时域检测方法的准确度难以保证。对于频域检测方式，OFDM系统的接收端FFT操作将脉冲噪声的能量扩展到了整个频谱上，相对于频域上的信号能量，被扩散后的脉冲噪声能量变小，只有脉冲噪声能量很大才能比较准确的检测出来，对于能量较低的脉冲噪声，效果并不理想。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法。利用OFDM通信系统中空闲子载波上并不调制数据，能量主要来自高斯噪声以及相邻子载波能量泄露，而脉冲噪声本身能量通常明显高于高斯噪声能量的特性，来进行脉冲噪声的检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，包括以下步骤：

1)在OFDM通信系统的数据发送端，在第一个OFDM符号调制之前的映射阶段，对于不调制有用数据的子载波置零，作为空闲子载波；在OFDM通信系统的数据接收端，估计所述空闲子载波的平均能量；

2)在OFDM通信系统的数据发送端，在第二个OFDM符号调制之前的映射阶段，对于不调制有用数据的子载波置零，作为空闲子载波；在OFDM通信系统的数据接收端，对该第二个OFDM符号解调之后的空闲子载波的平均能量进行估计，并利用第一个OFDM符号估计出的空闲子载波平均能量计算判决门限，将第二个符号上的空闲子载波平均能量与判决门限进行比较，检测是否存在脉冲噪声；

3)根据比较结果，进行空闲子载波平均能量的更新，以及给出是否检测到脉冲噪声的指示；若第二个OFDM符号中空闲子载波的平均能量高于判决门限，则给出检测到脉冲噪声指示，并且不进行空闲子载波平均能量的更新；否则不给出检测到脉冲噪声指示，并且进行空闲子载波能量更新；

4)以此类推，对第三个至第N个OFDM符号中的空闲子载波的平均能量进行估计，并根据更新后或未更新的空闲子载波平均能量计算的判决门限进行门限比较；根据比较结果，进行空闲子载波平均能量的更新，以及给出是否检测到脉冲噪声的指示，其中N为OFDM通信系统中OFDM符号的数量。

步骤1)、2)和4)中OFDM符号中的空闲子载波的位置以及数量可以根据实际系统情况，频谱效率等综合确定。

步骤1)、2)和4)中进行空闲子载波平均能量估计可以使用不连续的空闲子载波进行估计。

步骤1)、2)和4)中进行空闲子载波能量估计的时候剔除受相邻子载波能量泄露或单频干扰的空闲子载波。

步骤2)中判决门限是由第一个OFDM符号空闲子载波平均能量直接乘以一个大于1的系数得到。

步骤4)中判决门限是由前面多个OFDM符号空闲子载波平均能量直接乘以一个大于1的系数得到。

步骤3)和4)中空闲子载波平均能量的更新过程为：p_new＝(1-t)*p_old+t*p，其中p_new为更新后的空闲子载波平均能量，p_old为更新前的空闲子载波平均能量，p为当前OFDM符号估计到的空闲子载波平均能量，t为大于0小于1的系数。

本发明提出了一种适用于OFDM通信系统的脉冲噪声检测方法。本发明基于OFDM通信系统中空闲子载波上并不调制数据，能量主要来自高斯噪声以及相邻子载波能量泄露，而脉冲噪声本身能量通常明显高于高斯噪声能量的特性，来进行脉冲噪声的检测。是一种新的脉冲噪声频域检测方式，克服了OFDM时域信号高斯特性，峰均比大，时域检测方法准确度低，而频域信号能量较大，脉冲噪声扩展到整个频谱后能量占比小，传统频域检测方法效果不理想的缺陷。

附图说明

图1为一实施例中一个实际OFDM通信系统中OFDM符号通常的子载波规划示意图；

图2是本发明一实施例中的OFDM通信系统脉冲噪声检测方法的接收机流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一般的OFDM通信系统中，为了降低对滤波器滚降特性的要求，以及减小对相邻信道的干扰，OFDM符号频带边缘的一段子载波通常不会调制数据；而OFDM符号的频带中心位置，由于会受到本振影响，通常也会留出一些子载波并不调制数据，我们统称这些不调制数据的子载波为空闲子载波。

本发明一种OFDM通信系统的脉冲噪声检测方法的一实施例，其步骤包括：

1)对一个子载波个数为N的OFDM通信系统发射机子载波映射时，对不调制有用数据的空闲子载波直接置零，此时第q个符号映射之后的数据类似于图1中所示，如果左中右三个空闲子载波组的子载波数分别为N₁，N₂和N₃个，左右两个数据子载波组的子载波个数为D₁和D₂，并且满足N＝N₁+D₁+N₂+D₂+N₃，则映射之后的数据为X_q＝[0 0…0 X_q(0)…X_q(D₁-1)00…0 X_q(D₁)…X_q(D₁+D₂-1)0 0…0]，经过OFDM调制，DAC采样等处理发射到信道。

2)在接收机端，对第q个OFDM符号进行OFDM解调，得到解调之后的数据为

其中Y的下标q表示第q个OFDM符号，Y的下标N的表示空闲子载波，D表示数据子载波，N/D的下标数字表示第几个空闲/数据子载波组。

3)选出用作脉冲噪声判断的第一个空闲子载波组N₁，计算空闲子载波平均能量

4)用第一个空闲子载波组N₁来进行脉冲噪声能量判决，判决门限为如果大于或者等于P_thr，则表示存在脉冲噪声，则脉冲标识impulse_flag＝1；否则表示不存在脉冲噪声，此时impulse_flag＝0。

其中为前面q-1个OFDM符号中没有检测到脉冲噪声的空闲子载波加权平均得到的空闲子载波平均能量，C为得到当前判决门限所要乘的系数，并且C必须大于1。

5)对空闲子载波平均能量更新，如果impulse_flag＝1，则即不进行更新，保持之前q-1个OFDM符号的加权平均值不变；如果impulse_flag＝0，则利用当前OFDM符号估计出的平均能量进行更新。

其中t为当前第q个OFDM符号进行空闲子载波能量更新时的加权系数，并且必须满足0<t<1。

本发明一实施例中，在步骤1)中三个空闲子载波组的空闲子载波个数N₁，N₂和N₃中的任意一个或者多个可以为0，比如可以只有左边和右边两个空闲子载波组，也可以只有中间的一个空闲子载波组，也可以三个空闲子载波组都为0，或是在整个OFDM符号的某个位置插入空闲子载波。同时，步骤1)中也并不要求每一个OFDM符号都存在空闲子载波，可以是某些特殊类型帧的OFDM符号才存在空闲子载波。

可以选择左边组N₁，中间组N₂或者右边组N₃中的任意一组或者多组来进行。可以每组都进行独立的一次脉冲噪声门限判决，也可以多组进行综合平均，只进行一次噪声门限判决。

如每组都进行独立的门限判决，各组的判决结果不一定是一致的，因为信道中还存在其他噪声，可能会影响各组判决结果。如果每一组进行独立的判决，最终判定是否存在脉冲噪声可以有多种策略，比如：1.如果有一组判决结果存在脉冲噪声，则认为检测到脉冲噪声；2.至少有两组判决判决结果存在脉冲噪声，才认为检测到脉冲噪声；3.至少三组都判决存在，才认为检测到脉冲噪声；以此类推。

本发明一实施例中，步骤2)中的OFDM解调之后的空闲子载波和数据子载波位置分配应该与步骤1)中相对应。

本发明一实施例中，步骤3)中，计算当前OFDM符号空闲子载波平均能量时，也可以使用第2个空闲子载波组，则平均能量为或者使用第3个空闲子载波组，则平均能量为或者使用3个空闲子载波组的任意多个，比如使用所有3个组来估计，则平均能量为也可以使用任意空闲子载波组的任意某些子载波来估计，如果某些空闲子载波本身受单频等干扰，本身能量就比较大，则计算平均能量时应该跳过这些空闲子载波，不然会影响脉冲噪声检测结果。

本发明一实施例中，步骤5)中对空闲子载波平均能量更新方式不仅限于该步骤中所述的方式，比如即使检测出impulse_flag＝1，也对进行更新，只是当前符号的更新权重较小。步骤5)中的平均方式也不仅限于所述的方式，比如可以保留前面M个OFDM的空闲子载波能量平均值，然后进行加权平均，以此更新

图2所示为本发明一实施例的接收机工作流程框图，包括OFDM解调，空闲子载波挑选和平均能量计算，脉冲噪声检测门限判决和空闲子载波能量更新等模块。

以上通过一实例描述了一种适用于OFDM通信系统的脉冲噪声检测方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (7)

1.一种OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，包括以下步骤：

1)在OFDM通信系统的数据发送端，在第一个OFDM符号调制之前的映射阶段，对于不调制有用数据的子载波置零，作为空闲子载波；在OFDM通信系统的数据接收端，估计所述空闲子载波的平均能量；

2)在OFDM通信系统的数据发送端，在第二个OFDM符号调制之前的映射阶段，对于不调制有用数据的子载波置零，作为空闲子载波；在OFDM通信系统的数据接收端，对该第二个OFDM符号解调之后的空闲子载波的平均能量进行估计，并利用第一个OFDM符号估计出的空闲子载波平均能量计算判决门限，将第二个OFDM符号上的空闲子载波平均能量与判决门限进行比较，检测是否存在脉冲噪声；

3)根据比较结果，进行空闲子载波平均能量的更新，以及给出是否检测到脉冲噪声的指示；若第二个OFDM符号中空闲子载波的平均能量高于判决门限，则给出检测到脉冲噪声指示，并且不进行空闲子载波平均能量的更新；否则不给出检测到脉冲噪声指示，并且进行空闲子载波能量更新；

4)以此类推，对第三个至第N个OFDM符号中的空闲子载波的平均能量进行估计，并根据更新后或未更新的空闲子载波平均能量计算的判决门限进行门限比较；根据比较结果，进行空闲子载波平均能量的更新，以及给出是否检测到脉冲噪声的指示，其中N为OFDM通信系统中OFDM符号的数量。

2.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤1)、2)和4)中OFDM符号中的空闲子载波的位置以及数量根据OFDM通信系统的频谱效率确定。

3.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤1)、2)和4)中进行空闲子载波平均能量估计使用不连续的空闲子载波进行估计。

4.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤1)、2)和4)中进行空闲子载波平均能量估计的时候剔除受相邻子载波能量泄露或单频干扰的空闲子载波。

5.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤2)中判决门限是由第一个OFDM符号空闲子载波平均能量直接乘以一个大于1的系数得到。

6.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤4)中判决门限是由前面多个OFDM符号中没有检测到脉冲噪声的空闲子载波加权平均得到的空闲子载波平均能量直接乘以一个大于1的系数得到。

7.如权利要求1所述的OFDM通信系统中的脉冲噪声检测方法，其特征在于，步骤3)和4)中空闲子载波平均能量的更新过程为：p_new＝(1-t)*p_old+t*p，其中p_new为更新后的空闲子载波平均能量，p_old为更新前的空闲子载波平均能量，p为当前OFDM符号估计到的空闲子载波平均能量，t为大于0小于1的系数。