CN108462559A - Gfdm系统中基于ia-pft降低带外辐射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GFDM系统中基于IA‑PFT降低带外辐射的方法，主要解决现有GFDM系统中信号带外频谱突增的问题。实现方案为：1.向系统发射端输入待处理信号；2.对信号编码得到二进制比特流；3.将串行的二进制比特流转换为并行信号序列；4.分割并行信号序列；5.对时域待处理子载波进行数字调制和时域加窗；6.对频域待处理子载波加入干扰消除载波后，进行数字调制及补零操作；7.将时频域分别处理过的信号进行合并；8.发送合并信号。本发明方法有效降低了GFDM系统传输信号的带外辐射，解决了现有技术中只加入干扰消除子载波时的带外频谱突增问题，其带外辐射性能优越，满足电视空白频谱对调制技术带外辐射的高要求。

Description

GFDM系统中基于IA-PFT降低带外辐射的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，进一步涉及一种广义频分复用GFDM系统中基于时频域分离处理的干扰抑制IA-PFT算法降低带外辐射的方法，可用于改善广义频分复用系统的带外辐射量。

背景技术

在无线通信技术中，无线电频谱是非常稀缺的资源。随着大屏智能无线服务的增多、创新服务的出现以及用户数量的与日俱增，使得频谱资源稀缺性问题逐渐突出。为解决这一问题，美国联邦通信委员会FCC、欧洲邮政会议电子通信委员会ECC CEPT等监管部门出台了一系列规则，使得电视TV频带中的不可用频段能够为未获执照的宽带通信服务所用。

广义频分复用GFDM是一种来源于滤波器组的基于块的多载波传输技术，它将每个块中的传输数据划分到时间和频率上，每个子载波使用可调节的脉冲成形滤波器。GFDM系统具有灵活性好、兼容性高、子载波间无需同步等优点，因而已经成为下一代移动通信中备受关注的多载波调制技术。由于对滤波器的选择使得广义频分复用GFDM的带外辐射很小，其良好的带外辐射特性，在认知无线电的物理层亦可获得应用，因此适用于认知无线电的情形。相比于正交频分复用OFDM使用矩形滤波器进行子载波滤波，GFDM采用的非矩形滤波器使得GFDM系统的相邻信道泄漏率ACLR(adjacent channel leakage ratio)增加了大约20dB，但在分裂空白频谱认知无线电的情形下，还需要有更高的ACLR来降低当前信号在相邻频带内对已有信号的干扰。OFDM系统的带外辐射为-13dB，采用了升余弦或者根升余弦滤波器的GFDM的带外辐射为-35dB，为了满足美国联邦通信委员会FCC对空白频段情景中认知无线电传输的严格要求，需对GFDM系统做进一步处理。

Yasunori Futatsugi等人在其发表的论文“Interference AvoidanceTransmission by Partitioned Frequency-and Time-domain Processing”中提出一种大幅降低正交频分复用OFDM带外辐射的方法。该方法的实施步骤是：第一，将输入的数据流输入调制器；第二，对调制后的信号进行串并变换；第三，将串并变换后的信号分割成时域处理子载波和频域处理子载波，将时域处理子载波转换到时域，加入循环前缀后进行进行时域加窗操作，对频域处理子载波进行频域加入消除子载波的操作，转换到时域后加入置零符号；第四，将两种处理得到的信号进行合并。此方法在一定程度上缓解了OFDM系统带外辐射较大的缺点，为OFDM系统带来了大约10dB的带外辐射衰减，但由于OFDM本身具有的缺陷，使得该系统无法在下一代移动通信的电视频带空白频谱内得到应用。

Rohit Datta等人在其发表的论文“Improved ACLR by Cancellation CarrierInsertion in GFDM Based Cognitive Radios”中提出一种在GFDM系统中加入干扰消除载波的方法。该方法的步骤是：第一，数据比特流输入调制器进行调制；第二，调制后的信号进行串并变换；第三，在子载波边缘处加入若干个干扰消除子载波，使得所加入干扰消除子载波在带外的频谱与原数据载波在带外的频谱相抵消；第四，将所得到的信号经过信道进行传输。该方法可在一定程度上降低GFDM系统的带外辐射，但其加入消除干扰子载波的方法，会导致带外频段区间中点处出现频谱增高的问题，从而影响抑制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对广义频分复用GFDM系统提供一种基于时频域分离处理的干扰抑制算法抑制带外辐射的方法，不仅可以大幅度降低广义频分复用系统的带外频谱泄露率，而且可以解决使用干扰消除子载波方法的频谱突增问题，从而获得更好的带外频谱特性，满足电视空白频带的传输要求。

实现本发明目的的具体思路是：先将广义频分复用GFDM系统发送端的待处理信号序列经过编码、调制、串并转换之后，分割成多个互不重叠的子载波，再将子载波分为时域处理子载波和频域处理子载波，对时域处理子载波上的数据进行加入循环前缀、时域加窗的操作，对频域处理子载波上的数据转换到频域后在信号边缘加入若干个消除子载波，最终将两组数据进行合并得到发射段的待发射信号序列。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)输入待处理电信号：

向广义频分复用GFDM系统的发射端输入待处理电信号d₀；

(2)信号编码：

将输入的待处理电信号d₀通过信源编码器进行信源编码，得到二进制比特流

(3)对二进制比特流进行串并变换：

通过串并转换器，将输入到GFDM系统的串行二进制比特流转换为并行传输的子载波信号序列d；

(4)分割并行信号序列：

将广义频分复用GFDM系统的子载波信号序列d分割成在时域处理的时域待处理子载波序列d₁和在频域处理的频域待处理子载波序列d₂；

(5)分别处理分割后的子载波序列：

(5a)处理时域待处理子载波序列d₁：

使用数字调制器，对时域待处理子载波序列d₁进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₁，然后对此序列进行时域加窗，并加入循环前缀，得到时域子载波序列x_TW；

(5b)处理频域待处理子载波序列d₂：

(5b1)计算获取干扰消除子载波CCs的序列h；

(5b2)将干扰消除子载波CCs的序列h加入频域待处理子载波序列d₂，得到加入干扰消除子载波后的序列

(5b3)使用数字调制器，对序列进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₂，然后对此序列进行相应的补零，得到频域子载波序列x_CC；

(6)信号合并：

将时域子载波序列x_TW与频域子载波序列x_CC进行合并，得到广义频分复用GFDM系统的发射信号x；

(7)发送合并信号：

将合并处理后的发射信号x通过信号发射器发送到信道中。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用时频域分离处理的方式，对GFDM序列进行分组，得到时域子序列组和频域子序列组，通过对时域子序列组进行时域加窗、对频域子序列加入干扰消除子载波的操作，克服了现有技术中只加入干扰消除子载波时带外频谱突增的问题；

第二，由于本发明通过对广义频分复用GFDM系统进行时频域分离处理，解决了当前电视空白频段内对载波传输技术的带外特性要求较高的问题，具有带外辐射性能优越的优点，提高了通信系统的频谱利用率，从而能够满足下一代移动通信中电视空白频段频谱情形下对载波调制技术带外特性的要求。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中干扰消除子载波序列获取的子流程图；

图3为本发明与现有方法的仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明的实现方法做进一步描述：

步骤1，输入待处理电信号d₀。

向广义频分复用GFDM系统的发射端输入待处理电信号d₀。

步骤2，信号编码。

将输入的待处理电信号d₀通过信源编码器进行信源编码，得到二进制比特流所述信源编码器的参数由广义频分复用GFDM系统的具体参数决定，GFDM系统的具体参数可以使用后面“仿真条件”部分内容中所给出的数据。

步骤3，对二进制比特流进行串并变换。

通过串并转换器，将输入到广义频分复用GFDM系统的串行二进制比特流转换为并行传输的子载波信号序列d。

步骤4，分割并行信号序列d。

将广义频分复用GFDM的子载波信号序列d分割成在时域处理的时域待处理子载波序列d₁和在频域处理的频域待处理子载波序列d₂；例如，在此系统中存在128个子载波，将其分割成前113个时域待处理子载波序列和后15个频域待处理子载波序列；

步骤5，分别处理分割后的子载波序列d₁和d₂。

处理时域待处理子载波序列d₁：使用数字调制器，对时域待处理子载波进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₁，然后对此序列进行时域加窗，并加入循环前缀，得到时域子载波序列x_TW。

处理频域待处理子载波序列d₂：

(1)计算得到干扰消除子载波CCs的序列h；

下面结合图2对本发明中干扰消除子载波CCs的序列h获取步骤做进一步描述：

第一步，将广义频分复用GFDM调制矩阵A与频域待处理子载波序列d₂相乘，得到频域子载波序列的带外频谱数据v₁＝A·d₂；所述A为广义频分复用GFDM的调制矩阵，d₂为频域待处理子载波序列；广义频分复用GFDM的调制矩阵即为与调制方式所对应的矩阵表达形式；

第二步，计算当干扰消除载波带外频谱与第一步得到频域子载波序列的带外频谱均方误差最小时的干扰消除子载波的带外频谱序列v₂：

v₂＝-v₁；

所述干扰消除子载波的带外频谱序列为干扰消除载波在带外的频谱序列。

第三步，从广义频分复用GFDM调制矩阵A中提取出作用在干扰消除载波位置上的矩阵A₁，并计算该矩阵的广义逆矩阵B：

B＝(A₁ ^T·A₁)^-1·A₁ ^T；

其中，(A₁)^T表示矩阵A₁的转置，(A₁ ^T·A₁)^-1表示A₁ ^T·A₁的求逆矩阵操作；

第四步，将第三步得到的广义逆矩阵B与第二步得到的带外频谱序列v₂相乘，获得干扰消除子载波CCs的序列h：

h＝B·v₂；

(2)将干扰消除子载波CCs的序列h加入频域待处理子载波序列d₂，得到加入干扰消除子载波后的序列

(3)使用数字调制器，对序列x₂进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₂，再对此序列进行相应的补零操作，得到频域子载波序列x_CC；前述数字调制器的参数由广义频分复用GFDM系统的参数决定，数字调制器在GFDM系统参数确定的情况下，其处理过程唯一确定。

步骤6，信号合并。

将时域子载波序列x_TW与频域子载波序列x_CC进行合并，得到广义频分复用GFDM系统的发射信号x。

步骤7，发送合并信号。

将步骤6中合并处理后得到的发射信号x通过信号发射器发送到信道中。

下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明：

1.仿真条件：

本发明的仿真实验使用Matlab9.0.0仿真软件，系统参数K设置为128，M设置为3，Q设置为15，干扰消除子载波个数设置为2，滚降因子设置为0.3，滤波器类型设置为根升余弦滤波器RRC。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验是使用时频域分离处理的干扰抑制算法，对原始广义频分复用GFDM系统发射端的信号进行处理，得到带外频谱曲线如图3所示。图3中的横轴表示广义频分复用GFDM系统信号的归一化频谱，纵轴表示频谱，单位dB。图3中以实线标志的曲线表示使用本发明提出的方法对广义频分复用GFDM系统发射端的信号进行处理后的带外频谱曲线，以虚线标志的曲线表示传统广义频分复用GFDM系统发射端的信号带外频谱曲线，以“+”标志的曲线表示仅使用加入干扰消除载波时的信号带外频谱曲线。

3.仿真结果分析：

由图3的仿真图可见，本发明在带外频谱图中，能够将广义频分复用GFDM系统的带外频谱降低20dB，与现有技术的仅加入干扰消除载波的方法(CCS)相比，有将近8dB的增益，与原始广义频分复用GFDM系统发射端的信号(normal-GFDM)相比，有将近20dB的增益，而现有技术的仅加入干扰消除载波的方法与原始广义频分复用GFDM系统发射端的信号相比，只有12dB的峰均比增益。由此可见，本发明与现有仅加入干扰消除载波的方法相比，能够显著地降低原始广义频分复用GFDM系统传输信号的带外辐射。

综上所述，采用现有仅加入干扰消除载波的方法存在带外频段区间中点处频谱增高的问题，抑制带外辐射效果不佳。采用本发明的方法克服了带外频谱突增问题，有效降低了GFDM系统传输信号的带外辐射，解决了电视空白频段内的数据传输问题。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种GFDM系统中基于IA-PFT降低带外辐射的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)输入待处理电信号：

向广义频分复用GFDM系统的发射端输入待处理电信号d₀；

(2)信号编码：

将输入的待处理电信号d₀通过信源编码器进行信源编码，得到二进制比特流

(3)对二进制比特流进行串并变换：

通过串并转换器，将输入到GFDM系统的串行二进制比特流转换为并行传输的子载波信号序列d；

(4)分割并行信号序列：

将广义频分复用GFDM系统的子载波信号序列d分割成在时域处理的时域待处理子载波序列d₁和在频域处理的频域待处理子载波序列d₂；

(5)分别处理分割后的子载波序列：

(5a)处理时域待处理子载波序列d₁：

使用数字调制器，对时域待处理子载波序列d₁进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₁，然后对此序列进行时域加窗，并加入循环前缀，得到时域子载波序列x_TW；

(5b)处理频域待处理子载波序列d₂：

(5b1)计算获取干扰消除子载波CCs的序列h；

(5b2)将干扰消除子载波CCs的序列h加入频域待处理子载波序列d₂，得到加入干扰消除子载波后的序列

(5b3)使用数字调制器，对序列进行数字调制，得到广义频分复用GFDM系统的串行信号序列x₂，然后对此序列进行相应的补零，得到频域子载波序列x_CC；

(6)信号合并：

将时域子载波序列x_TW与频域子载波序列x_CC进行合并，得到广义频分复用GFDM系统的发射信号x；

(7)发送合并信号：

将合并处理后的发射信号x通过信号发射器发送到信道中。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，获取步骤(5b1)中所述干扰消除子载波CCs的序列h的具体步骤如下：

第一步，计算频域子载波序列的带外频谱数据v₁：

v₁＝A·d₂；

其中，A为广义频分复用GFDM的调制矩阵，d₂为频域待处理子载波序列；

第二步，计算干扰消除子载波的带外频谱序列v₂：

v₂＝-v₁；

第三步，从广义频分复用GFDM调制矩阵A中提取出作用在干扰消除载波位置上的矩阵A₁，并计算该矩阵的广义逆矩阵B：

B＝(A₁ ^T·A₁)^-1·A₁ ^T；

其中，(A₁)^T表示矩阵A₁的转置，(A₁ ^T·A₁)^-1表示A₁ ^T·A₁的求逆矩阵操作；

第四步，得到干扰消除子载波CCs的序列h：

h＝B·v₂。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述第二步中计算得到的带外频谱序列v₂为干扰消除载波带外频谱与频域子载波序列带外频谱均方误差最小时的频谱数据。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述信源编码器参数由广义频分复用GFDM系统的参数决定。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(5a)与(5b3)中所述数字调制器的参数均由广义频分复用GFDM系统的参数决定。