CN108418772B - 一种ofdm-im系统频偏估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种OFDM‑IM的频偏估计方法。该方法包括：S1、对于受到非均匀频偏的接收信号，使用两步方法进行初步的频偏补偿：(1)重采样及下变频；(2)剩余频偏∈的统一补偿。第(2)步中使用空子载波的能量之和作为代价函数，通过一维搜索得到∈的初步估计值，并进行初步补偿；S2、利用初步补偿的信号估计OFDM‑IM系统中非激活子载波位置；S3、对估计的子载波赋予一定的权值，估计的子载波的能量按照不同的权重加入到代价函数中，通过对∈的一维搜索得到∈的最终估计值，并进行再次补偿。本发明采用OFDM‑IM的子载波是部分激活的。这意味着除了初始设置的空子载波外，还有非激活的子载波的能量可以加以利用。因此，本发明利用非激活的子载波来优化多普勒频移的估计。

Description

一种OFDM-IM系统频偏估计方法
技术领域
本发明涉及OFDM、序号调制和数字通信和参数估计领域，特别涉及一种针对OFDM-IM系统的频偏估计方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是一种多载波调制技术，被现有的很多无线通信系统所采用，最典型的代表为在IEEE 802.11标准下的无线局域网技术Wi-Fi和现在已经投入商用的第四代移动通信系统4G LTE。OFDM具有较高的频谱利用率和数据传输速率，而且通过将宽带信号划分为一系列的近乎平坦衰落的窄带信号和增加循环前缀，能分别有效地对抗信道频域选择性衰落和信道的多径效应。
OFDM技术的不足之处包括以下方面：对频偏和相位噪声比较敏感。功率峰值与均值比(PAPR)大；负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。
序号调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing with IndexModulation,OFDM-IM)技术是近两年来提出的一种新颖的OFDM技术，OFDM-IM借鉴空域调制技术的思想，利用激活子载波的位置自由度来携带部分传输信息，接收端通过检测激活子载波的位置来获取这部分信息。OFDM-IM系统相对于传统OFDM系统更具有性能优势，并且还能通过选择不同的激活子载波个数灵活地配置系统的频谱率。
本发明采用OFDM-IM的子载波是部分激活的。这意味着除了初始设置的空子载波外，还有非激活的子载波的能量可以加以利用。因此，本发明利用非激活的子载波来优化多普勒频移的估计。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对OFDM-IM系统的频偏估计方法。其主要思路是利用OFDM-IM空载波来改善频偏估计性能。本发明中，OFDM-IM系统子载波数为N，系统使用MPSK调制方式，除去导频、保护间隔以及预先设置的Nnull个空子载波外，系统含有多个OFDM子块，每个子块有Ntotal个子载波，其中Nactive个为激活的子载波，导频的位置以及符号已知，预先设置的空子载波的位置已知。
本发明提供的一种针对OFDM-IM系统的频偏估计方法，包含以下的步骤：
S1、对于受到非均匀频偏的接收信号，使用两步方法进行初步的频偏补偿：1、重采样及下变频，得到离散基带接收信号z＝Γ(∈)y；2、剩余频偏的统一补偿。第2步中使用空子载波的能量之和作为代价函数：
Figure GDA0002181553400000021
其中，y为频偏为0时的离散基带接收信号，∈为剩余的归一化频偏，SN为空子载波集合，fm为傅里叶逆变换矩阵的第m列，Γ(∈)为频偏矩阵
Figure GDA0002181553400000022
(·)H为取共轭操作，Tc为采样间隔。
通过对∈的一维搜索得到∈的初步估计值
S2、利用所述∈的初步估计补偿的信号z1，具体计算为：
Figure GDA0002181553400000031
从经过频偏补偿后的信号估计OFDM-IM系统中非激活子载波位置，满足以下准则的子载波判定为非激活子载波：
①当前子载波功率Pnull较小；
②两个相邻子载波中功率较大者Pside较大；
③比值Pside/Pnull足够大；
对本系统而言，后续步骤至多利用Nmax个符合以上准则的子载波。
S3、对估计的子载波按Pside大小降序排列，Pside越大的子载波能量赋予越大的权值，各个子载波的权值组成对角矩阵W。
估计的子载波的能量按照不同的权重加入到代价函数中，代价函数修改为：
Figure GDA0002181553400000032
其中
Figure GDA0002181553400000033
为估计的非激活子载波集合。
通过对∈的一维搜索得到∈的最终估计值最终补偿信号
Figure GDA0002181553400000035
进一步地，步骤S2中，利用初步补偿的信号，通过功率检测估计非激活子载波的位置。
进一步地，步骤S3中，将估计为非激活子载波的能量按照不同权重加入到最终的代价函数。
与传统的OFDM技术相比，本发明采用OFDM-IM的子载波是部分激活的。这意味着除了初始设置的空子载波外，还有非激活的子载波的能量可以加以利用。因此，本发明利用非激活的子载波来优化多普勒频移的估计。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2、图3分别为不同的均方误差随信噪比变化的趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明，单本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
本发明提供一种基于多种模式的OFDM序号调制方法。其中OFDM-IM系统子载波数为128，系统使用QPSK调制方式。除去导频、保护间隔以及预先设置的4个空子载波外，系统含有28个OFDM子块，每个子块有4个子载波，其中3个为激活的子载波。导频的位置以及符号已知，预先设置的空子载波的位置已知。具体实施方式步骤如下：
S1、对于受到非均匀频偏的接收信号，使用两步方法进行初步的频偏补偿：1、重采样及下变频，得到离散基带接收信号z＝Γ(∈)y；2、剩余频偏的统一补偿。第2步中使用空子载波的能量之和作为代价函数：
Figure GDA0002181553400000042
其中，y为频偏为0时的离散基带接收信号，∈为剩余的归一化频偏，SN为空子载波集合，fm为傅里叶逆变换矩阵的第m列，Γ(∈)为频偏矩阵
Figure GDA0002181553400000043
(·)H为取共轭操作，Tc为采样间隔。
通过对∈的一维搜索得到∈的初步估计值
Figure GDA0002181553400000044
S2、利用初步补偿的信号
Figure GDA0002181553400000051
估计OFDM-IM系统中非激活子载波位置，准则为：
①当前子载波功率Pnull小于非激活子载波功率的平均值
②两个相邻子载波中功率较大者Pside大于激活子载波功率的平均值
③比值Pside/Pnull＞16
对本系统而言，后续步骤至多利用8个符合以上准则的子载波。
S3、对估计的子载波按Pside大小降序排列，Pside越大的子载波能量赋予越大的权值，序号为k的子载波
Figure GDA0002181553400000052
各个子载波的权值组成对角矩阵W。
估计的子载波的能量按照不同的权重加入到代价函数中，代价函数修改为：
Figure GDA0002181553400000053
其中
Figure GDA0002181553400000054
为估计的非激活子载波集合。
通过对∈的一维搜索得到∈的最终估计值
Figure GDA0002181553400000055
最终补偿信号
Figure GDA0002181553400000056
S6、对以上方法进行蒙特卡洛仿真。对以下3种情景进行仿真，如表1所示。
表1
Figure GDA0002181553400000057
Figure GDA0002181553400000061
仿真通过比较估计值
Figure GDA0002181553400000062
的均方误差来衡量以上方法的性能。如图2、图3，仿真结果图中图例从上到下分别为方法①②③的
Figure GDA0002181553400000063
的均方误差随信噪比变化的趋势图。
仿真结果表明，②的性能要稍好于①，③的性能优于①和②，在高信噪比下，③的性能优势更加明显。仿真结果验证了本发明方法的有效性。
以上所述的具体实施仅为本发明的一种实现方式，并不用于限制本发明的专利范围，凡是利用本发明精神和原则及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种OFDM-IM系统频偏估计方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、对于受到非均匀频偏的接收信号，使用两步方法进行初步的频偏补偿：(1)重采样及下变频，得到离散基带接收信号z＝Γ(∈)y；(2)剩余频偏的统一补偿；第(2)步中使用空子载波的能量之和作为代价函数：
Figure FDA0002181553390000011
其中，y为频偏为0时的离散基带接收信号，∈为剩余的归一化频偏，SN为空子载波集合，fm为傅里叶逆变换矩阵的第m列，Γ(∈)为频偏矩阵
Figure FDA0002181553390000012
Figure FDA0002181553390000013
(·)H为取共轭操作，Tc为采样间隔；
通过对∈的一维搜索得到∈的初步估计值
Figure FDA0002181553390000014
S2、利用∈的初步估计补偿的信号为
Figure FDA0002181553390000015
基于补偿后的信号估计OFDM-IM系统中非激活子载波位置，准则为：
①当前子载波功率Pnull较小；
②两个相邻子载波中功率较大者Pside较大；
③比值Pside/Pnull足够大；
S3、对估计的子载波按Pside大小降序排列，Pside越大的子载波能量赋予越大的权值，各个子载波的权值组成对角矩阵W；
估计的子载波的能量按照不同的权重加入到代价函数中，代价函数修改为：
Figure FDA0002181553390000016
其中
Figure FDA0002181553390000017
为估计的非激活子载波集合；
通过对∈的一维搜索得到∈的最终估计值
Figure FDA0002181553390000021
最终补偿信号为
其中OFDM-IM系统子载波数为N，系统使用MPSK调制方式，除去导频、保护间隔以及预先设置的Nnull个空子载波外，系统含有多个OFDM子块，每个子块有Ntotal个子载波，其中Nactive个为激活的子载波，导频的位置以及符号已知，预先设置的空子载波的位置已知。
2.如权利要求1所述的一种OFDM-IM系统频偏估计方法，其特征在于步骤S2，利用初步补偿的信号，通过功率检测估计非激活子载波的位置。
3.如权利要求1所述的一种OFDM-IM系统频偏估计方法，其特征在于步骤S3，将估计为非激活子载波的能量按照不同权重加入到最终的代价函数。
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