CN106506431A - 联合峰均比抑制与脉冲熄灭的ofdm系统脉冲干扰抑制的方法 - Google Patents

Abstract

联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法，涉及信息与通信技术领域。是为了提升脉冲干扰环境中OFDM通信系统链路传输的可靠性，针对OFDM信号较高的峰均比导致接收机脉冲熄灭门限干扰检测失误的问题，本发明所设计的干扰抑制方法，首先在发射机通过门限检测然后采用迭代扰码对OFDM发射信号进行峰均比抑制，使得OFDM信号以低于设置门限的峰均比发射传输，并且该方法对OFDM系统差错性能不会造成损失；在接收机联合使用脉冲熄灭法消除脉冲干扰。本发明可应用于基于OFDM制式的无线传输系统，可有效对抗传播环境中脉冲噪声对传输性能的影响。

Description

联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制技术。

背景技术

正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，它可以有效地克服高速无线数据通信带来的频率选择性衰落。相对于单载波通信系统，OFDM系统具有频谱利用率高、调制解调实现方便、信道均衡简单等诸多优点，因此OFDM传输方案广泛应用于数字视频广播(DVB)、数字音频广播(DAB)、无线局域网络(WLAN)、电力线通信系统(PLC)、第四代陆地移动通信系统(LTE)与航空移动通信系统(L-DACS)。

在OFDM接收机中，受无线传播环境中脉冲干扰的影响，OFDM接收机接收到的信号常常包含脉冲噪声。常见的脉冲噪声包括：汽车点火噪声、电力线脉冲噪声、测距仪脉冲噪声等。由于脉冲噪声的统计特性与普通高斯白噪声差异非常大，因此针对高斯白噪声设计的常规OFDM接收机在脉冲干扰环境下性能显著下降。针对脉冲噪声对单载波通信系统性能的影响，Mathur A等人设计并分析了背景噪声为Nakagami-m类，脉冲噪声为MiddletonClass-A的PLC通信系统的比特差错性能；Tepedelenlioulu C等人分析给出了脉冲噪声环境下空时块编码(STBC)多输出多出系统的差错性能。Ghosh M研究指出相对于单载波通信系统，当脉冲噪声强度较低时，由于OFDM符号周期较长，且接收机通过快速傅立叶变换(FFT)将脉冲噪声的能量扩散到多个子信道，因此OFDM系统具有更优异的脉冲干扰抑制性能；但当脉冲噪声强度较高时，OFDM系统的性能将显著下降。因此针对高强度脉冲干扰，开展OFDM接收机脉冲干扰抑制方法研究至关重要。

针对脉冲干扰抑制方法的研究，Haffenden等人首次提出脉冲熄灭消除干扰的方法；针对脉冲熄灭方法，Zhidkov采用了伯努利～高斯模型对脉冲噪声进行建模，在AWGN信道下定量分析了OFDM接收机脉冲熄灭器输出信噪比(SNR)的计算方法，并给出脉冲熄灭器最佳门限的设置方法，Zhidkov进一步对比分析了非线性脉冲干扰抑制方法包括，脉冲熄灭，脉冲限幅，联合脉冲熄灭与脉冲限幅；为应用脉冲熄灭法消除脉冲干扰，Epple U等人提出一种脉冲干扰位置的检测方法。为解决脉冲干扰统计特性未知时，OFDM接收机脉冲熄灭门限设置问题，Epple U在AWGN信道环境下提出了基于信干噪比最大化准则的自适应门限设置方法，此外，假设接收机精确知晓脉冲噪声出现的位置，Epple U在加性高斯白噪声信道下分析给出脉冲熄灭OFDM接收机输出信噪比的计算方法。以上传统的非线性处理方法，并没有考虑到由于OFDM信号具有较高的峰均比，在接收机门限检测脉冲干扰位置时，具有一定的错误检测概率，对OFDM有用信号造成较大的损失，导致传输的脉冲熄灭，脉冲限幅方法在干扰抑制性能方面并不理想。

Khaled M.Rabie等人考虑OFDM信号的较高峰均比影响接收机脉冲干扰位置检测的问题，将传统的峰均比抑制方法结合到脉冲熄灭法进行干扰消除，包括选择映射方案(SLM)，部分传输序列方法(PTS)，但是SLM和PTS具有较高运算复杂度，并且，虽然能够以较低的峰均比进行传输，但是SLM和PTS算法本身会在一定程度上恶化OFDM系统的符号差错性能。

发明内容

本发明是为了解决现有OFDM系统脉冲干扰抑制的以下问题：

1)、脉冲干扰严重恶化OFDM接收机符号差错性能；

2)、传统非线性干扰消除方法错误熄灭概率高，对OFDM有用信号造成损失大；

从而提出了一种联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法。

联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法，它包括以下步骤：

步骤A、在发射机对OFDM发射信号进行峰均比抑制处理，具体为：

步骤A1、计算OFDM信号的峰均比，计算方法为：

其中，{s[n],n＝0,...,K-1}代表OFDM时域发送符号序列，K代表OFDM子载波个数，E[·]代表求期望函数；

步骤A2、设置峰均比检测门限T_h，峰均比低于或等于峰均比检测门限T_h的发送序列直接传输，峰均比高于T_h的发送序列进行扰码处理；

其中，S＝[S₀,...,S_k,...,S_K-1]^T代表OFDM频域发送信号矢量，s＝[s₀,...,s_n,...,s_K-1]^T代表OFDM时域发送信号矢量，x＝[x₀,...,x_n,...,x_K-1]^T代表峰均比扰码后的OFDM时域发送信号矢量，F^-1代表IFFT变换矩阵，W＝diag(w₀,...,w_k,...,w_K-1)代表相位扰码权值矩阵，W·W^H＝I_K×K，I_K×K代表K×K的单位矩阵；

步骤A3、迭代检测步骤A2中扰码后的发送序列x的峰均比，选择低于T_h的序列发送；

步骤B、在接收机利用脉冲熄灭法消除脉冲干扰，具体为：

步骤B1、设置脉冲熄灭门限T_b；

步骤B2、在接收机利用脉冲熄灭门限T_b检测接收采样信号中的脉冲干扰，对高于脉冲熄灭门限T_b的样值信号进行脉冲熄灭：

其中，{r_n,n＝0,...,K-1}代表时域接收采样信号序列，{y_n,n＝0,...,K-1}代表脉冲熄灭后的接收信号，{x_n,n＝0,...,K-1}代表具有较低峰均比的OFDM时域发送信号序列，代表脉冲熄灭法消除脉冲干扰后第n个接收信号y_n中包括的等效干扰项。

最优脉冲熄灭门限T_opt的设置方法：

基于输出信噪比最大化准则的最优脉冲熄灭门限计算为：

本发明具有以下特点和显著进步：

1、本发明在发射机采用的峰均比抑制方法可将OFDM发射信号有效控制在检测门限以下，有效降低OFDM传输信号的峰均比，该方法对OFDM系统差性能不会造成损失，并且该方法容易实现，算法复杂度低。

2、本发明在接收机利用脉冲熄灭消除脉冲干扰，联合发射机峰均比抑制方法，具有较低的峰均比的发射信号可有效降低脉冲干扰错误熄灭概率，从而提升OFDM系统链路传输可靠性，并且基于最大输出信噪比的脉冲熄灭门限与峰均比抑制门限有关。

附图说明

图1是本发明中低峰均比OFDM发射机的结构示意图；

图2是本发明中脉冲熄灭OFDM接收机的结构示意图；

图3是本发明中峰均比抑制方法实现流程图；

图4是本发明中OFDM信号峰均比的CCDF仿真示意图；

图5本发明所设计脉冲熄灭OFDM接收机错误熄灭概率分布函数仿真示意图；

图6脉冲熄灭OFDM接收机符号差错性能曲线仿真示意图；

图7峰均比检测门限对脉冲熄灭OFDM接收机符号差错性能的影响仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、本发明的设计思想为：为提升脉冲噪声环境中高强度脉冲噪声恶化OFDM链路传输可靠性的问题，在接收机采用脉冲熄灭法抑制脉冲干扰，提高OFDM系统传输性能；为降低OFDM信号较高的峰均比导致接收机脉冲熄灭门限干扰检测失误率较高的问题，在发射机通过门限检测采用迭代扰码对OFDM信号进行峰均抑制，使得OFDM信号发射信号以较低的峰均比进行传输，降低脉冲熄灭门限检测干扰失误率。

图1给出本发明低峰均比OFDM发射机。比特发送序列I经过调制器生成调制符号分组S＝[S₀,...,S_k,...,S_K-1]^T，其中，调制符号分组S经过IFFT完成OFDM调制，IFFT输出时域发送符号序列s＝[s₀,...,s_n,...,s_K-1]^T表示为：

s＝F^-1·S (1)

为抑制OFDM较高的峰均比，利用本发明所设计峰均比抑制方法对OFDM信号进行预处理，峰均比抑制后的OFDM时域发送符号序列表示为x：

式(2)表明，当检测到峰均比低于门限T_h时，该发送序列不做处理直接输出，当检测到峰均比高于门限T_h时，扰码器生成相位权值矩阵W＝diag(w₀,...,w_k,...,w_K-1)，原OFDM频域发送符号矢量乘上相位权值矩阵W，然后再进行检测，重复此过程使得时域发送序列峰均比低于门限。

预处理后的OFDM时域发送符号x添加循环前缀后，经数模转换为模拟基带信号x(t)，模拟基带信号进一步通过射频前端转换为射频信号，并通过天线送入信道。

图2给出了脉冲熄灭OFDM接收机。射频前端接收到的模拟基带信号r(t)表示为：

r(t)＝x(t)+n(t)+i(t) (3)

其中，x(t)代表模拟基带发射信号，n(t)代表信道输入高斯白噪声，i(t)代表接收机接收到的脉冲噪声。r(t)经模数转换为接收采样信号r表示为：

r＝x+n+i (4)

其中，x＝[x₀,...,x_n,...,x_K-1]^T代表峰均比抑制后的时域OFDM发送符号矢量，n＝[n₀,...,n_n,...,n_K-1]^T代表信道输入高斯白噪声矢量，其中n_n代表复高斯随机变量i＝[i₀,...,i_n,...,i_K-1]^T代表脉冲噪声矢量，i_n建模为伯努利～复高斯脉冲噪声模型，

i_n＝b_n·g_n (5)

其中，b_n为伯努利随机变量，脉冲噪声出现概率表示为Pr(b_n＝1)＝p，g_n建模为复高斯随机变量

接收采样信号进一步送入脉冲熄灭单元进行脉冲干扰抑制，脉冲熄灭器输出信号矢量y＝[y₀,...,y_n,...,yK_-1]^T，其中y_n表示为：

其中，T_b为脉冲熄灭门限，代表脉冲熄灭法消除脉冲干扰后第n个接收信号y_n中包括的等效干扰项。

脉冲熄灭器输出信号矢量y通过FFT完成OFDM解调，FFT输出频域观测信号矢量Y：

Y＝F·y (7)

频域观测信号矢量Y通过相位补偿得到频域发送符号矢量的估计值Z表示为：

Z＝W^H·Y (8)

频域发送符号矢量的估计值Z经过解调器得到比特发送序列的估计值

图3给出本发明设计峰均比抑制方法实现流程图，比特发送序列经过数字调制得OFDM频域发送符号序列，OFDM频域发送符号序列进一步经过IFFT完成OFDM调制生成OFDM时域符号序列，利用设置的门限检测OFDM时域符号序列的峰均比，当检测到峰均比低于设置的门限时，该符号直接进行发送，当检测到峰均比低于设置的门限时，OFDM频域发送符号与随机生成的相位权值相乘，变形后频域发送符号序列重新送入IFFT单元，然后再进行峰均比检测，重复上述步骤，最终发送出去OFDM符号序列的峰均比均小于设置的门限，实际上，少量的迭代次数即可达到门限以下。

此外，由OFDM信号峰均比的互补累积概率分布函数(CCDF)可知，具有较高峰均比的概率小，例如从图4观察可知，传统OFDM信号的峰均比超过9dB的概率约为0.05，超过8dB的概率约为0.2，因此本身已经具有较低峰均比的OFDM信号占有较大概率，在本发明所述方法中对于检测门限以下的OFDM信号不加处理，而只针对具有小概率的峰均比高于检测门限的OFDM信号进行迭代扰码处理，相较于SLM对每个OFDM信号均处理的方法，本发明所设计的通过门限检测采用迭代扰码的方法具有更低的算法复杂度，并且门限检测法易于实现。

图4给出本发明OFDM信号峰均比概率分布函数，横轴代表峰均比的dB形式，纵轴代表OFDM信号峰均比的概率分布函数，仿真采用子载波个数为128，调制方式为QPSK。OFDM符号峰均比超出某一特定值λ的概率分布函数表示为：

P₀{PAPR>λ}＝1-(1-e^-λ)^K (9)

其中，K为OFDM符号长度，假设在OFDM接收机采用门限Th进行检测，峰均比超出门限Th的OFDM符号序列，经过u次迭代后峰均比的概率分布函数表示为：

P_c{PAPR>λ}＝(1-(1-e^-λ)^K)^u (10)

则峰均比抑制后的OFDM时域发送符号的峰均比的概率分布函数表示为：

图4中共有5条曲线，分别代表代表传统OFDM发射发送的OFDM时域符号序列的峰均比的CCDF和本发明所设计方案峰均比检测门限设置为7dB，7.5dB，8dB,8.5dB时，通过门限检测采用迭代扰码处理后的OFDM符号序列的峰均比的CCDF，仿真结果表明，本发明所设计的峰均比抑制方法可有效降低OFDM发送符号序列的峰均比至门限以下。

图5给出脉冲熄灭OFDM接收机错误熄灭概率分布函数，横轴代表脉冲熄灭门限值，纵轴代表错误熄灭概率。脉冲熄灭OFDM接收机错误熄灭概率分布函数定义为：

P_eb＝P(A_r＝|y_n|>T_b|b_n＝0) (12)

即：接收采样信号不包含脉冲干扰但由于其幅值超过脉冲熄灭检测门限而被错误熄灭的概率。

图5中包含五条曲线，分别表示脉冲噪声出现概率为p＝0.2时，传统脉冲熄灭的错误熄灭概率和峰均比抑制门限设置为Th＝7dB,7.5dB,8dB,8.5dB时的错误熄灭概率，从图中可以看出，具有较小的峰均比的OFDM发送符号序列具有较小的错误熄灭概率。

图6给出了峰均比检测门限对脉冲熄灭OFDM接收机解调器输出信噪比的影响，其中横纵代表脉冲熄灭门限，纵轴代表OFDM接收机解调器输出信噪比。仿真参数设置为：OFDM子载波个数为128，调制方式为QPSK，信噪比为30dB，信干比为-25dB，脉冲干扰出现概率p＝0.1，AWGN信道。

图6中共有5条曲线，分别代表传统脉冲熄灭OFDM接收机解调器输出信噪比和峰均比检测门限设置为6dB、7dB、7.5dB、8dB时的脉冲熄灭OFDM接收机解调器输出信噪比。仿真结果表明，随着峰均比检测门限的降低，脉冲熄灭OFDM接收机解调器输出信噪比越大，这是由于峰均比检测门限越小，OFDM信号发送符号序列具有更小的峰均比，脉冲干扰错误熄灭的概率越小，进而脉冲熄灭对OFDM有用信号造成的损失越小，因此随着峰均比检测门限降低OFDM接收机解调器具有较高的输出信噪比。但是，脉冲熄灭OFDM接收机输出信噪比并不会随着峰均比检测门限的降低而无限增大，当检测门限取值设置极小时，峰值功率趋近于OFDM信号平均功率，此时脉冲熄灭门限检测干扰失误率将会达到极限，因此OFDM接收机解调器输出信噪比不会无限增大。此外，随着峰均比检测门限的取值变小，需要扰码处理的OFDM信号的概率越大，并且迭代次数会越多，算法复杂度也会上升。

图7给出了脉冲熄灭OFDM接收机符号差错性能曲线，其中横轴表示脉冲熄灭门限，纵轴表示符号差错概率，仿真参数设置为：OFDM子载波个数为128，调制方式为QPSK，信噪比为信干比为-25dB，峰均比检测门限为7dB，AWGN信道。

图7中共包含四组曲线，分别代表脉冲干扰出现概率为0.05、0.1、0.15、0.2时脉冲熄灭OFDM接收机的符号差错性能曲线，其中蓝色四条曲线代表传统脉冲熄灭OFDM接收机的符号差错性能曲线，红色曲线代表本发明所设计联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM接收机符号差错性能曲线。对比图中两组曲线表明，本发明所设计方法具有更低的最优脉冲熄灭门限，并且在最优脉冲熄灭门限的设置下，OFDM接收机具有更优的符号差错性能。验证了本发明所设计方法的有效性。

该发明的优点为：在峰均比抑制阶段，在发射机通过门限检测采用迭代扰码处理的方法，根据相位扰码权值W的设置，该方法是一种无损的OFDM发射信号预处理方法，能够以较低的峰均比发射传输且不会降低OFDM系统符号差错性能，并且算法实现容易，较于经典SLM具有更低的复杂度；在接收机干扰消除阶段给出脉冲熄灭最优熄灭门限设置方法，相对于传传统脉冲熄灭方法来说，可以更准确地检测到脉冲干扰位置，显著降低接收机干扰消除阶段错误熄灭概率，提升脉冲干扰环境中OFDM系统的符号差错性能。

Claims (3)

1.联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤A、在发射机对OFDM发射信号进行峰均比抑制处理，具体为：

步骤A1、计算OFDM信号的峰均比，计算方法为：

$PAPR=\frac{\underset{0\≤n\≤K-1}{max}|s\[n\]{|}^2}{E\[|s\[n\]{|}^2\]}$

其中，{s[n],n＝0,...,K-1}代表OFDM时域发送符号序列，K代表OFDM子载波个数，E[·]代表求期望函数；

步骤A2、设置峰均比检测门限T_h，峰均比低于或等于峰均比检测门限T_h的发送序列直接传输，峰均比高于T_h的发送序列进行扰码处理；

$x=\left\{\begin{array}{cc}s,& PAPR\≤Th\\ F^{-1}\·(W\·S),& PAPR>Th\end{array}\right.$

其中，S＝[S₀,...,S_k,...,S_K-1]^T代表OFDM频域发送信号矢量，s＝[s₀,...,s_n,...,s_K-1]^T代表OFDM时域发送信号矢量，x＝[x₀,...,x_n,...,x_K-1]^T代表峰均比扰码后的OFDM时域发送信号矢量，F^-1代表IFFT变换矩阵，W＝diag(w₀,...,w_k,...,w_K-1)代表相位扰码权值矩阵，W·W^H＝I_K×K，I_K×K代表K×K的单位矩阵；

步骤A3、迭代检测步骤A2中扰码后的发送序列x的峰均比，选择低于T_h的序列发送；

步骤B、在接收机利用脉冲熄灭法消除脉冲干扰，具体为：

步骤B1、设置脉冲熄灭门限T_b；

步骤B2、在接收机利用脉冲熄灭门限T_b检测接收采样信号中的脉冲干扰，对高于脉冲熄灭门限T_b的样值信号进行脉冲熄灭：

$\begin{array}{c}{y}_n=\{\begin{array}{c}{r}_n,\left|r_n\right|\≤T_b\\ 0,\left|r_n\right|>T_b\end{array},n=0,\mathrm{...},K-1\\ =x_n+{\tilde{i}}_n\end{array}$

其中，{r_n,n＝0,...,K-1}代表时域接收采样信号序列，{y_n,n＝0,...,K-1}代表脉冲熄灭后的接收信号，{x_n,n＝0,...,K-1}代表具有较低峰均比的OFDM时域发送信号序列，代表脉冲熄灭法消除脉冲干扰后第n个接收信号y_n中包括的等效干扰项。

2.根据权利要求1所述的联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法，其特征在于最优脉冲熄灭门限T_opt的设置方法：

基于输出信噪比最大化准则的最优脉冲熄灭门限计算为：

$T_{opt}=\underset{0\≤T\≤\mathrm{\∞}}{\mathrm{argmax}}\left\{\frac{E\[|x_n{|}^2\]}{E\[|y_n-x_n{|}^2\]}\right\}.$

3.根据权利要求1所述的联合峰均比抑制与脉冲熄灭的OFDM系统脉冲干扰抑制的方法，其特征在于步骤A2中w_k随机取1或-1。