CN107896205B - 一种ofdm系统中的数字低噪放方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种OFDM系统中的数字低噪放方法。该方法是在放大有效信号功率的同时尽量不放大噪声功率，具体地是通过计算有效子载波上输出信号的平均功率控制放大器使有效子载波上输出信号的平均功率始终维持在高信噪比输入信号下的水平。

Description

一种OFDM系统中的数字低噪放方法
技术领域
本发明属于移动通信系统技术领域，尤其涉及一种OFDM系统中的数字低噪放方法。
背景技术
在宽带无线通信系统的传输方案中，OFDM(orthogonal frequency divisionmultiplexing)技术是一种典型的传输体制，它由于具有实现相对简单，频谱利用率高等特点已广泛应用于多种通信标准。
图1给出了典型OFDM系统接收端实现框图，射频信号经过AD芯片完成模/数转换之后进入AGC模块，AGC模块的主要功能是通过调整接收端增益将不同接收信噪比条件下的信号以一致的能量输出，即不同信噪比条件下输出信号的量化值相当。接下来分别进行FFT变换、信道估计、联合信道信息软判决和信道译码等过程。
OFDM系统收、发端的信号处理部分大都在数字域进行，因此，信号样值的量化与截位是OFDM接收端实现过程中重点考虑的一个因素。AGC模块是实现接收端信号样值恰当量化的基础，其后的每一个处理模块都需要根据信号的量化位宽和运算过程进行合理截位，使输出信号处于一个恰当的量化值。现有OFDM系统设计实现过程中，一旦AGC输出信号的有效量化位宽确定，则后续处理模块中会根据信号的量化位宽和运算过程进行合理截位，并且这种量化与截位的处理过程是固定的，不会根据接收信号的信噪比变化而变化。然而，有些处理模块的输出信号样值的大小除了与输入信号量化样值的大小有关，还与输入信号的信噪比有关。
事实上图1所示OFDM系统接收端中的FFT单元，它的输出信号不但与输入信号的量化样值有关，还与输入信号的信噪比有关。假设系统的子载波数目为512，有效子载波数目为408，虚拟子载波数目为103，图2给出了FFT单元后有效子载波输出信号平均功率随输入信号信噪比的变化曲线，可以看出，在0-20dB信噪比变化范围内，FFT单元后有效子载波输出信号平均功率随输入信号信噪比的增大而增大，在20-40dB信噪比变化范围内，FFT单元后有效子载波输出信号平均功率趋于稳定，不再随输入信号信噪比的变化而变化。
可以看到，尽管AGC模块通过调整接收端的增益能够使FFT单元输入信号的信号功率维持在某一固定值，但是FFT单元后有效子载波输出信号的功率会随信噪比变化而变化，从而会影响后续模块的截位处理，导致在低信噪比条件下信号的有效量化位宽不够，系统的性能下降。
发明内容
在OFDM传输技术中，当CP(cyclic prefix)的长度不小于信道的最大时延，且OFDM符号FFT(fast Fourier transform)窗的起始点确定在其保护间隔内，接收机对收到的采样信号
Figure GDA0002441717780000021
进行FFT转换得到
Figure GDA0002441717780000022
其中，Xl[k]、Yl[k]、Hl[k]和Zl[k]分别表示第l个符号的第k个子载波上的发射符号、接收符号、信道的频率响应和频域噪声。可以看到，在频域可以将OFDM系统看做如图3所示的频域系统，此时，接收信号等于输入符号与信道的频率响应的乘积。
在实际OFDM系统中，为了抑制邻道干扰会使用虚拟载波，即在传输带宽的两端不使用子载波。因此，OFDM系统中的子载波会分为两部分，一部分是用于传输数据信息的有效子载波，另一部分是抑制邻道干扰的虚拟子载波。如图3所示，假设采用ND个子载波传输信息，则存在NU＝N-ND个未用的子载波，把这些未用的子载波称为虚拟子载波，将OFDM中所有子载波编号，则传输中实际使用的子载波序号构成集合ΩD，虚拟子载波序号构成集合ΩU。不失一般性，若第l个OFDM符号的第i个子载波属于集合ΩD，则在接收端有
Yl[i]＝Hl[i]Xl[i]+Zl[i] (2)
可以得到
E[|Yl(i)|2]＝|Hl(i)|2E[|Xl(i)|2]+E[|Zl(i)|2]＝Pi+Pz (3)
其中，Pi为第i个子载波上接收信号的功率，Pz为子载波噪声功率，任意子载波上的噪声都具有相同的统计特性，与子载波序号无关。若第l个OFDM符号的第i个子载波属于集合ΩU，则在接收端有
Yl[i]＝Zl[i] (4)
可以得到
E[|Yl(i)|2]＝E[|Zl(i)|2]＝Pz (5)
根据上述的分析，尽管AGC模块使FFT单元的输入信号的平均功率维持在一个恒定的水平，但是FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率会随着输入信号信噪比的变化而变化，从而会导致后续模块的量化和截位出现问题。具体地，当后续模块的量化与截位根据高信噪比条件下的输入信号来确定时，当输入信号的信噪比较低时会存在量化精度不够的问题，相反，当后续模块的量化与截位根据低信噪比条件下的输入信号来确定时，当输入信号的信噪比较高时会存在量化位宽不够导致溢出的问题。为了解决上述问题，本发明提出了图4所示的OFDM系统中数字低噪放原理图，顾名思义它的基本思想就是在放大有效信号功率的同时尽量不放大噪声功率，具体地是通过计算有效子载波上输出信号的平均功率控制放大器使有效子载波上输出信号的平均功率始终维持在高信噪比输入信号下的水平。
针对不同信噪比条件下信号功率随信噪比变化的问题，本发明提供了一种OFDM系统中的数字低噪放方法，它通过调整FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率，使不同信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率基本维持不变，从而使后续模块的量化与截位处理在不同信噪比条件下具有一致的性能。
附图说明
图1典型OFDM系统接收端实现框图；
图2 FFT单元后有效子载波输出信号平均功率随输入信号信噪比的变化曲线；
图3 OFDM系统的频域等效模型；
图4 OFDM系统中数字低噪放原理图；
图5一种OFDM系统中数字低噪放实现框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例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，本领域普通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，都属于本发明保护范围。
图5给出了一种OFDM系统中数字低噪放的实现框图，它包含三个模块，分别是计算信号功率模块、查找表模块和放大器模块，计算信号功率模块、查找表模块和放大器模块依次连接。
计算信号功率模块的功能实现计算有效子载波上输出信号的平均功率。具体计算方法如式(6)所示。
Figure GDA0002441717780000041
查找表模块的功能是建立不同信噪比条件下有效子载波上输出信号的平均功率与放大器放大系数之间的对应关系。根据[0005]中的图2可以看出，在高信噪比条件下，FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率趋近于常数，因此，以高信噪比条件下有效子载波上输出信号的平均功率为参考，建立低信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率与放大器放大系数之间的映射关系。
放大器模块的功能是调整FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率，使不同信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率基本维持不变，从而使后续模块的量化与截位处理在不同信噪比条件下具有一致的性能。

Claims (1)

1.一种OFDM系统中的数字低噪放方法，在放大有效信号功率的同时尽量不放大噪声功率，其特征在于，通过计算有效子载波上输出信号的平均功率控制放大器使有效子载波上输出信号的平均功率始终维持在高信噪比输入信号下的水平，具体是：
通过调整FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率，使不同信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率维持不变，从而使后续模块的量化与截位处理在不同信噪比条件下具有一致的性能，
包括计算信号功率模块、查找表模块和放大器模块，计算信号功率模块、查找表模块和放大器模块依次连接；
所述计算信号功率模块的功能是实现计算有效子载波上输出信号的平均功率，具体计算方法如式(6)所示，
Figure FDA0002441717770000011
其中，Xl(i)、Yl(i)、Hl(i)和Zl(i)分别表示第l个符号的第i个子载波上的发射符号、接收符号、信道的频率响应和频域噪声，ND表示ND个子载波传输信息；
所述查找表模块的功能是建立不同信噪比条件下有效子载波上输出信号的平均功率与放大器放大系数之间的对应关系，在高信噪比条件下，FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率趋近于常数，因此，以高信噪比条件下有效子载波上输出信号的平均功率为参考，建立低信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率与放大器放大系数之间的映射关系；
所述放大器模块的功能是调整FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率，使不同信噪比条件下FFT单元有效子载波上输出信号的平均功率维持不变，从而使后续模块的量化与截位处理在不同信噪比条件下具有一致的性能。
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一种联合信道信息的高阶调制软判决方法;陈育新、辜方林、颜红芹;《通信技术》;20170930;第50卷(第9期);全文 *

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