CN105991488B

CN105991488B - 应用于ftn调制中的减小状态数的维特比解调方法

Info

Publication number: CN105991488B
Application number: CN201510063820.XA
Authority: CN
Inventors: 赵爽; 康凯; 钱骅
Original assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: CN105991488A

Abstract

本发明提供一种应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，包括以下步骤：步骤S1、将信号脉冲通过脉冲成形滤波器进行预处理，以减小信号脉冲的旁瓣幅度；步骤S2、忽略符号附近符号所产生较小的ISI的影响，以减少网格图的状态数。本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，在FTN调制系统中采用Viterbi算法消除ISI的影响时，减小信号脉冲的旁瓣幅度，忽略相邻符号所产生较小ISI的影响，从而减小Viterbi算法中网格图中的状态数，减小了解调时的计算复杂度。

Description

应用于FTN调制中的减小状态数的维特比解调方法

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别是涉及一种应用于超奈奎斯特(Fast thanNyquist，FTN)调制系统中的减小状态数的维特比解调方法。

背景技术

在无线通信中，对高数据速率的需求从未停止过。然而无线频谱成为制约数据速率提升的瓶颈。FTN调制能够在有限的时间和频谱带宽中来传输额外数据，以提高频谱利用率。

具体地，数据传输分为线性调制和非线性调制。线性调制采用数据脉冲序列的累加的方式，即其中a_n是为相互独立的调制序列，E_s为平均符号能量，h(t)为单位能量脉冲，每隔符号时间T出现。实际应用中，脉冲h(t)与其他nT位移脉冲h(t-nT)相互正交，h(t)可以采用sinc函数的形式。在FTN系统中，符号间隔变成nτT，0<τ<1。h(t-τnT)之间不再正交，FTN信号变成因此，信号传输速率提高至1/τ。总之，FTN调制技术通过减小符号间隔，达到提高数据速率的目的。同时，FTN调制破坏了各符号间的正交性，引入了符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。

为了消除FTN调制所引入的ISI，可以采用均衡技术，如迫零均衡、判决反馈均衡、最大似然序列均衡等。由于FTN调制所引入的ISI是相互独立的，并于发射端已知，所以可以引入网格图来描述ISI并采用维特比(Viterbi)算法来达到解调的目的。Viterbi算法以其流水线式处理方式以及较低计算复杂度的优点，成为消除FTN中ISI的影响的一门重要技术。

如图1所示，在FTN调制系统中，信号首先进入调制模块，对信号进行BPSK或QAM等方式的线性调制；已调信号在上采样后进入脉冲成形滤波模块进行滤波，然后经过FTN调制后发送出去。接收到的离散信号y_n可以用下式表示：其中，x_n为进入FTN模块前的信号，c_n是相邻符号间干扰大小，表示卷积，v_n是高斯白噪声。

一旦FTN中的τ确定，c_n的值即确定下来。因此，FTN调制消除ISI影响的问题即转化成均衡问题。接收到的信号y_n依次经过匹配滤波器、下采样模块、均衡模块，最终解调输出。由于τ确定后，ISI即确定。因此，可以画出网格图，然后采用Viterbi算法进行均衡。

当h(t)采用sinc函数形式时，对于一个标准的sinc波，它的时间范围是无限的，因此它所引入的ISI也是无限的，所以，理论上需要一个庞大的网格图来完整的描述FTN所引入的ISI，即需要更多的状态数来描述次网格图。但是，这对于Viterbi算法来说，将导致高计算复杂度。故需要通过一些改进以使用尽可能少的状态数来描述网格图，达到减少计算复杂度的目的。大部分减少网格图状态数的技术主要通过最小化Viterbi算法中的噪声影响来实现。

针对FTN调制系统中消除ISI的算法，一般无线通信中的均衡算法均可适用。均衡算法主要分为线性均衡和非线性均衡。线性均衡技术主要有迫零均衡、LMS、RLS等；非线性均衡主要有判决反馈均衡、最大似然序列估计MLSE等。由于FTN中各符号间的干扰已知，所以，可以采用非线性均衡来提高性能。在MLSE均衡中，可以采用Viterbi算法或者BCJR等算法，Viterbi算法是一种常用的解调算法，同时，其流水线输出的工作方式使的其更具有可能性。但是，Viterbi算法中的状态数直接影响其计算复杂度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，在FTN调制系统中采用Viterbi算法消除ISI的影响时，减小信号脉冲的旁瓣幅度，忽略相邻符号所产生较小ISI的影响，以减小Viterbi算法中网格图中的状态数，达到解调时减小计算复杂度的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，包括以下步骤：步骤S1、将信号脉冲通过脉冲成形滤波器进行预处理，以减小信号脉冲的旁瓣幅度；步骤S2、忽略符号附近符号所产生较小的ISI的影响，以减少网格图的状态数。

根据上述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其中：所述步骤S1中，采用RC脉冲成形滤波器对信号脉冲进行预处理。

进一步地，根据上述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其中：通过选择RC脉冲成形滤波器的窗函数和滚降因子，来实现对信号脉冲的脉冲成形。

更进一步地，根据上述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其中：所述窗函数为kaiser窗。

根据上述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其中：所述步骤S2中，当某一符号所带来的ISI的值足够小时，忽略该符号以及该符号以后的所有符号，以及对称侧相应的符号。

如上所述，本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，具有以下有益效果：

(1)通过忽略附近相邻符号所产生的较小的ISI的影响，减小Viterbi算法中网格图中的状态数，减小了计算复杂度；

(2)将FTN技术与RC脉冲成形滤波器的设计相结合，在FTN采用Viterbi算法时，通过RC脉冲成形滤波器的设计对脉冲进行脉冲成形，达到对符号脉冲旁瓣抑制的目的，从而减小ISI的大小。

附图说明

图1显示为现有技术中FTN调制系统的结构示意图；

图2显示为本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法的流程图；

图3显示为现有技术中四状态Viterbi算法的网格图；

图4显示为现有技术中经过sinc滤波器和其他RC脉冲成形滤波器后的信号脉冲的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法中，通过对信号脉冲进行预处理来减小其旁瓣幅度，以减小ISI；然后通过忽略符号附近相邻符号所产生较小ISI的影响，来减小网格图的状态数，以降低计算复杂度。

参照图2，本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法包括以下步骤：

步骤S1、将信号脉冲通过脉冲成形滤波器进行预处理，以减小信号脉冲的旁瓣幅度。

优选地，本发明中选择升余弦(Raised Cosine，RC)脉冲成形滤波器对信号脉冲进行预处理。具体地，通过选择RC脉冲成形滤波器的窗函数和滚降因子，来实现对信号脉冲的脉冲成形。

步骤S2、忽略符号附近符号所产生较小的ISI的影响，以减少网格图的状态数。

具体地，当某一符号所带来的ISI的值足够小时，忽略该符号以及该符号以后的所有符号，以及对称侧相应的符号。

下面以四状态网格图为例，根据FTN调制系统中ISI已知的特性，画出信号传输网格图，并介绍减小状态数的Viterbi算法的具体实现。

图3所示为四状态网格图的一部分。假设从RC脉冲成形滤波器出来的单个信号脉冲仅受其相邻左右两个符号的影响，则对于接收到的序列y_n，网格图中当前的状态可以用y_n-1y_n表示，下一个状态可以用y_ny_n+1表示，故用四个状态即可完全描述当前仅受左右两个相邻符号干扰的网格图。依次类推，需要64个状态来刻画受左右各3个符号的干扰，需要256个状态来刻画受左右各4个符号的干扰。将状态00用0表示，状态01用1表示，状态10用2表示，状态11用3表示。因此，用Viterbi算法可以对此四状态的网格图进行解调。

用…,a_-3,a_-2,a_-1,a₀,a₁,a₂,a₃,…表示某一特定的符号受其左右符号干扰的ISI大小，a_i表示该脉冲受其右边第i个符号的干扰值，a_-i表示该脉冲受其左边第i个符号的干扰值。将a₀归一化成1，下表1则给出从不同脉冲成形滤波模块出来的信号脉冲受其左右干扰的大小值。由于信号脉冲的对称性，表1仅给出信号脉冲受右边符号干扰值，其受左边脉冲的干扰值大小与右边相等。

表1、不同RC脉冲成形滤波下的信号脉冲的ISI大小

滤波器类型	a<sub>0</sub>	a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>
					sinc	1	0.2339	-0.1892	0.1261
RC(kaiser,0.25)	1	0.225	-0.1624	0.0886
					RC(kaiser,0.5)	1	0.2007	-0.0981	0.0241
RC(hann,0.5)	1	0.2006	-0.0979	0.0213

从上表中可以直观地看出，sinc滤波后的信号脉冲受右边第二个符号干扰值仍然较大，如a₂＝-0.1892，不可直接忽略。如果我们直接采用sinc滤波器，则信号脉冲受更多左右符号的干扰，需要更多的状态来刻画网格图，将导致巨大的计算复杂度。

表1第3-5行表示信号脉冲经过不同的RC脉冲成形滤波器后ISI的大小。可以看出，经过该滤波器后ISI的大小较sinc PSF明显减小，如当RC脉冲成形滤波器的窗函数为kaiser窗，滚降因子roll-off为0.5时，由右边第三个符号所带来的ISI的大小值为0.0241。根据经验判断，这个值足够小以至于可以忽略，在这种情况下，仅用16个状态即可描述此网格图，计算复杂度大大减小。

因此，在Viterbi算法中，通过设计RC脉冲成形滤波器对信号脉冲预滤波，可以减小左右符号ISI的大小，当其足够小时，可以将其忽略，只考虑附近相邻产生较大ISI的符号，达到减小网格图状态数的目的。

图4为信号经过不同脉冲成形滤波后的脉冲波形图。由图可看出，信号脉冲经过脉冲成形滤波后，其旁瓣受到抑制，因此，对其他符号的干扰也将变小，可以忽略符号附近符号所产生较小的ISI的影响，从而减少网格图的状态数，解决此类Viterbi算法中由于状态数过多造成的较高计算复杂的问题。

综上所述，本发明的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法通过忽略附近相邻符号所产生的较小的ISI的影响，减小Viterbi算法中网格图中的状态数，减小了计算复杂度；将FTN技术与RC脉冲成形滤波器的设计相结合，在FTN采用Viterbi算法时，通过RC脉冲成形滤波器的设计对脉冲进行脉冲成形滤波，达到对符号脉冲旁瓣抑制的目的，从而减小ISI的大小。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种应用于超奈奎斯特FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、将信号脉冲通过脉冲成形滤波器进行预处理，以减小信号脉冲的旁瓣幅度；

步骤S2、忽略符号附近符号所产生较小的符号间干扰ISI的影响，以减少网格图的状态数；当某一符号所带来的ISI的值足够小时，忽略该符号以及该符号以后的所有符号，以及对称侧相应的符号。

2.根据权利要求1所述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其特征在于：所述步骤S1中，采用升余弦RC脉冲成形滤波器对信号脉冲进行预处理。

3.根据权利要求2所述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其特征在于：通过选择RC脉冲成形滤波器的窗函数和滚降因子，来实现对信号脉冲的脉冲成形。

4.根据权利要求3所述的应用于FTN调制系统中的减小状态数的维特比解调方法，其特征在于：所述窗函数为kaiser窗。