CN108881094A - 谱编码ofdm系统及最小频谱旁瓣导频符号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开谱编码OFDM系统，包括发送机和接收机，发送机包括谱编码器和多载波调制器，接收机包括多载波解调器、信道均衡器、信道估计器、谱解码器和符号检测器，接收机中使用的最小频谱旁瓣导频符号和发送机相同，无需作谱编码预处理，简化了信道估计、提高了信道估计的性能，频谱旁瓣低，实现简单。还公开了最小频谱旁瓣导频符号的设计方法，最小频谱旁瓣导频符号根据目标约束频段的频谱旁瓣最小化离线搜索得到，具有频谱旁瓣最小化的优点，可直接插入谱编码的OFDM信号中作为导频使用。

Description

谱编码OFDM系统及最小频谱旁瓣导频符号设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及谱编码OFDM系统，还涉及最小频谱旁瓣导频符号的设计方法。

背景技术

谱编码能够大大降低正交频分复用(OFDM)系统的频谱旁瓣,是提高无线通信频谱利用率的重要技术之一。但谱编码频谱旁瓣抑制效果会因为后面插入导频子载波而被破坏。现有技术要么对数据做预畸变以补偿导频频谱旁瓣的影响，恶化了系统误码性能；要么对导频符号也作谱编码处理，结果使导频发生不必要的畸变，影响信道估计。本发明提出了一种谱编码OFDM系统及频谱旁瓣最小化导频设计方法，导频符号与数据符号互不影响，既不需要对数据符号作预畸变，也不需要对导频符号作谱编码，简化了系统复杂度，并能改善系统误码性能。所采用的导频符号具有频谱旁瓣最小化优点，达到可直接插入到谱编码的数据子载波之间而不显著增加系统总旁瓣的目的。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供谱编码OFDM系统，还提供最小频谱旁瓣导频符号的设计方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

谱编码OFDM系统，包括发送机和接收机，发送机包括谱编码器和多载波调制器，接收机包括多载波解调器、信道均衡器、信道估计器、谱解码器和符号检测器，

待发送的多值频谱域号d_i经过谱编码器编码后，与最小频谱旁瓣导频符号d_o分别加载到多载波调制器的数据子载波位置和导频子载波位置形成频域符号，多载波调制器将频域符号调制为时域OFDM符号发送到多载波解调器，

多载波解调器将接收到的时域OFDM符号解调为频域符号后，将解调得到的频域符号按载波位置分成数据接收矢量r_i与导频接收矢量r_p，将数据接收矢量r_i发送到信道均衡器，将导频接收矢量r_p发送到信道估计器，信道估计器通过最小频谱旁瓣导频符号d_o及导频接收矢量r_p计算信道参数并将信道参数发送到信道均衡器，信道均衡器根据信道参数对数据接收矢量r_i作均衡处理并将均衡处理后的数据接收矢量r_i再通过谱解码器进行谱解码，谱解码器的解码结果输入到符号检测器进行符号检测，恢复发送符号。

最小频谱旁瓣导频符号d_o的设计方法，包括以下步骤，

步骤1、构建待测导频符号组，待测导频符号组包括2^M个不同的待测导频符号，M为待测导频符号中的元素的个数，待测导频符号中的元素为+1或-1，将待测导频符号组中的各个待测导频符号分别插入多载波调制器的导频子载波位置；

步骤2、多载波调制器对插入到导频子载波位置的各个待测导频符号进行解调获得各个待测导频符号对应的待比较时域OFDM符号，计算各个待比较时域OFDM符号在目标抑制频段的功率；

步骤3、将最小的目标抑制频段的功率对应的待测导频符号作为最小频谱旁瓣导频符号d_o。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

最小频谱旁瓣导频符号的频谱旁瓣功率很低，最小频谱旁瓣导频符号不需要经过谱编码就可直接插入已作谱编码的OFDM符号中使用，避免了在发送端对导频进行编码从而使导频符号产生不必要的畸变，利于信道计算；同时也不需要在发送端对数据符号作预畸变处理，提高了OFDM系统的误码性能。

附图说明

图1为系统结构示意图；

图2为谱编码ZP-OFDM系统功率谱；

图3为谱编码CP-OFDM系统功率谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，谱编码OFDM系统包括发送机和接收机。

发送机结构主要包括：谱编码器和多载波调制器。待发送的多值频谱域号d_i与谱编码器的输入端连接，谱编码器的输出端连接到多载波调制器输入端，最小频谱旁瓣导频符号d_o与多载波调制器输入端相连。

其处理过程为：待发送的多值频谱域号d_i经过谱编码器编码后，与最小频谱旁瓣导频符号d_o分别加载到多载波调制器的数据子载波位置和导频子载波位置形成频域符号，多载波调制器将频域符号调制为时域OFDM符号发送到接收机。

接收机结构主要包括：多载波解调器、信道估计器、信道均衡器、谱解码器和符号检测器。

其处理过程为：时域OFDM符号r(t)经多载波解调器解调为频域符号后，按载波位置分成数据接收矢量r_i与导频接收矢量r_p，并将数据接收矢量r_i发送到信道均衡器，将导频接收矢量r_p发送到信道估计器。信道估计器通过已知的最小频谱旁瓣导频符号d_o及导频接收矢量r_p计算信道参数并将信道参数发送到信道均衡器；信道均衡器根据信道参数对数据接收矢量r_i作均衡处理，均衡处理后的数据接收矢量r_i再通过谱解码器进行谱解码，最后通过符号检测器进行符号检测，恢复发送符号。

发送机的工作过程为：待发送的数据映射为待发送的多值频谱域号d_i，待发送的多值频谱域号d_i经过谱编码器编码，以降低多载波调制模块生成的OFDM信号的频谱旁瓣。谱编码器的结果为x＝G_id_i，其中G_i为谱编码矩阵。将谱编码器的编码结果与频谱旁瓣最小导频符号d_o分别映射到多载波调制器的数据子载波位置和导频子载波位置，形成完整的长度为K的频域符号d。多载波调制器将频域符号调制为时域OFDM符号,多载波调制器采用快速逆付利叶变换(IFFT)实现。

OFDM系统总的频谱旁瓣为p＝Ad，A∈C^N×K是频谱矩阵，其列为每个子载波(包括导频子载波与数据子载波)的频谱函数，A的第k列写为0≤k≤M-1,f∈{f₁，f₂，…,f_k，…，f_N}是N个抑制频点，j是虚部符号、T是W_k(t)的长度。W_k(t)是第k个子载波的时域波形。

应用于CP-OFDM系统时，W_k(t)是长为T＝T_s+T_cp的矩形函数,T_s是OFDM子载波时间长度,T_cp是循环前缀长度；

应用于ZP-OFDM系统时，W_k(t)是长度为T＝T_s的矩形函数，T_cp＝0；当OFDM符号采用了加窗塑形时，W_k(t)是相应的窗函数。

将频域符号d按数据子载波位置与导频子载波位置分组排列d＝(x，d_o)^T，对应的频谱矩阵A的列按此改变排列顺序，不影响所计算的结果。于是，OFDM系统的总频谱旁瓣写为其中A_i，A_o是A的子矩阵，分别由频谱矩阵A中与数据子载波和导频子载波相对应的列所构成。再将x＝G_id_i代入，得到p＝A_iG_id_i+A_od_o。

OFDM系统频谱旁瓣最小化意味着min||p||²＝min||A_iG_id_i+A_od_o||²。注意频域数据d_i经过了谱编码，而导频符号d_o则不需要经过谱编码。直接求解最小化||A_iG_id_i+A_od_o||会导致数据d_i与导频符号d_o的相互影响，即求解出的编码矩阵G_i要考虑补偿d_o的影响；或者需要对导频符号d_o也施加谱编码以抑制其旁瓣。为了克服这一问题，本申请将目标优化函数改写为min||p||²＝min||A_iG_id_i+A_od_o||²≤min||A_iG_id_i||²+min||A_od_o||²,该式的最右边的等号在A_iG_id_i与A_od_o相互独立时成立。于是，本申请提出分别对||A_iG_id_i||²和||A_od_o||²最小化来实现对OFDM整体频谱旁瓣的抑制。虽然这种将导频符号与数据子载波符号独立优化的方法会稍微放大其频谱旁瓣，但简化了OFDM系统结构，也不需要考虑导频的影响与频谱旁瓣补偿问题。||A_iG_id_i||²的最小化可以通过选择合适的谱编码矩阵G_i实现，可从现有的N阶导数连续谱编码器、正交复用谱编码器、最小二乘谱编码器、正交谱编码器、或正交投影谱编码器等已有编码器选择一种编码矩阵即可，G_i的求解完全不受导频符号d_o的影响。而||A_od_o||²的最小化，我们通过选择特殊结构的序列d_o来实现。导频符号d_o和数据符号d_i不同，一般情况下数据符号d_i可以为任意多值符号组成的序列，而d_o是在系统设计时事先确定，不需要任意变化。考虑到||A_od_o||²的意义是导频符号的频谱旁瓣功率，所以我们可选择频谱旁瓣最小化的导频符号d_o即可。频谱最小化的导频序列d_o不需要再经过谱编码也具有极低的频谱旁瓣，对总的系统的频谱旁瓣影响不大。

最小频谱旁瓣导频符号d_o的设计方法是：

步骤1、构建待测导频符号组，待测导频符号组包括2^M个不同的待测导频符号M为待测导频符号中的元素的个数，待测导频符号中的元素为+1或-1，将待测导频符号组中的各个待测导频符号分别插入多载波调制器的导频子载波位置；

步骤2、多载波调制器对插入到导频子载波位置的各个待测导频符号进行调制获得各个待测导频符号对应的待比较时域OFDM符号，计算各个待比较时域OFDM符号在目标抑制频段的功率其中，其中A_o是频谱矩阵A中与导频子载波相对应的列。

步骤3、将最小的目标抑制频段的功率对应的待测导频符号作为最小频谱旁瓣导频符号d_o。

上述步骤1-3用参数优方程表述为

导频符号的搜索过程可采用穷尽搜索法，搜索次数为2^M次。当导频符号数量较多时，会存在计算量大的缺点。不过，在导频位置满足左右对称时，导频符号取值一般满足对称或反对称特点。利用这一特点，可以只搜索具有对称(2^M/2种)或反对称(2^M/2种)特点的导频符号，这将大大节省搜索计算量和时间，如M＝30时，搜索次数减少为原来的在CPU为Intel i5电脑上数秒钟即可搜索完毕。最小频谱旁瓣导频符号d_o的搜索只需要提前完成并存储，在发送数据时插入即可，而不需要实时搜索。只要导频位置不变且目标旁瓣约束条件不变，最小频谱旁瓣导频符号d_o就保持不变。

接收机的工作过程是：接收到的时域OFDM符号r(t)经过多载波解调器解调成频域符号矢量r，多载波解调器用FFT算法实现。然后，将频域符号矢量r按位置分成导频接收矢量r_p与数据接收矢量r_i两个部分，分别送给信道估计器与信道均衡器。信道估计器根据导频接收矢量r_p和已知的最小频谱旁瓣导频符号d_o计算信道参数h，并将信道参数h输出到信道均衡器。信道均衡器根据信道参数h对数据接收矢量r_i作均衡。均衡结果输出给谱解码器解码，谱解码器的解码结果经符号检测器判恢复出发送数据。

接收机的信道估计器利用最小频谱旁瓣导频符号d_o作信道计算，而不是用最小频谱旁瓣导频符号d_o的谱编码结果计算信道，有利于提高信道计算的准确性，因为谱编码会大大改变导频符号的动态范围。同时，因为发送端的最小频谱旁瓣导频符号d_o是直接插入在导频位置，不需要对数据子载波作预畸变，所以接收端也避免由此引起的任何对数据的补偿和误码率增加问题。

本发明所提出的方法同时适用于循环前缀OFDM(CP-OFDM)与补零前缀OFDM(ZP-OFDM)系统；也适用于加窗OFDM系统。

本发明所提出和设计的最小频谱旁瓣导频符号既适均匀间隔导频，也适用于非均匀间隔导频图案。对于非均匀间隔导频，虽然导频位置发生变化，但搜索方法不变，仍然针对导频的位置搜索到最优导频符号，发送机与接收机的处理过程不变。

本发明所提出的导频方案除了与谱编码OFDM结合外，也可用于其它对OFDM频谱旁瓣大小有限制的系统，降低OFDM系统旁瓣频谱旁瓣。

除了可选择频谱旁瓣最小的符号作为导频符号外，其它频谱旁瓣接近最小化的符号也可以选为导频符号，只要其频谱旁瓣的大小满足系统旁瓣限制要求。这样做的好处是提供更多的候选导频符号，以适应系统的其它方面的需要。

实验结果

本部分对本发明提出的谱编码OFDM系统及最小频谱旁瓣导频符号方案进行了测试，比较了插入最小频谱旁瓣导频符号前后OFDM系统频谱旁瓣的变化。测试的系统包括ZP-OFDM系统和CP-OFDM系统。实验条件为:OFDM数据子载波时间长度为T_s＝1/15ms，数据子载波总数K＝300，数据子载波位置从0到299个。M＝30个导频符号均匀分布在数据子载波之间，其位置为[5,15,25,35,45,55,65,75,85,95,105,115,125,135,145,155,165,175,185,195,205,215,225,235,245,255,265,275,285,295]，导频符号由+1、-1组成。目标约束频段分别为φ＝[-9500～-4500]∪[4500～9500]KHz。对于循环前缀OFDM系统(CP-OFDM)有T_cp＝9T_s/128。谱编码模块均统一采用现有的最优正交复用谱编码。实际发送的数据符号个数为K-R，R是正交复用谱编码的数据子载波损失因子。实验结果如下：

(1)、经过搜索，ZP-OFDM系统的最小频谱旁瓣导频符号是:[-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,1]

(2)、经过搜索，CP-OFDM系统的最小频谱旁瓣导频符号是:[-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1]

(3)、谱编码ZP-OFDM系统插入最小频谱旁瓣导频符号前后的频谱如图2所示，R分别取2和4。R＝2时目标抑制频点为φ₁＝[4507,-4507]KHz,R＝4时目标抑制频点为φ₂＝[4507,6007,-4507,-6007]KHz。

(4)、谱编码CP-OFDM系统插入最小频旁瓣导频前后的频谱如图3所示，R分别取4和8。R＝4时目标抑制频点为φ₃＝[4500,4501,-4500,-4501]KHz，R＝8时目标抑制频点为φ₄＝[4500,4501,9500,9501,-4500,-4501,-9500,-9501]KHz。

从图2～图3可以看出:谱编码技术能够大大降低OFDM系统的频谱旁瓣，且R越大旁瓣抑制效果越好。同时，本发明提出的独立插入最小频谱旁瓣导频没有明显增加谱编码OFDM系统的频谱旁瓣。所以，本发明提出的谱编码OFDM系统与旁瓣最小导频方案在既不需要对数据预畸变，也不需要对导频作谱编码(预畸变)的条件下，达到了总体频谱旁瓣低的效果，简化了系统设计。同时，所提出的方法应用于ZP-OFDM时的效果优于CP-OFDM系统。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.谱编码OFDM系统，包括发送机，其特征在于，还包括接收机，发送机包括谱编码器和多载波调制器，接收机包括多载波解调器、信道均衡器、信道估计器、谱解码器和符号检测器，

待发送的多值频谱域号d_i经过谱编码器编码后，与最小频谱旁瓣导频符号d_o分别加载到多载波调制器的数据子载波位置和导频子载波位置形成频域符号，多载波调制器将频域符号调制为时域OFDM符号发送到多载波解调器，

多载波解调器将接收到的时域OFDM符号解调为频域符号后，将解调得到的频域符号按载波位置分成数据接收矢量r_i与导频接收矢量r_p，将数据接收矢量r_i发送到信道均衡器，将导频接收矢量r_p发送到信道估计器，信道估计器通过最小频谱旁瓣导频符号d_o及导频接收矢量r_p计算信道参数并将信道参数发送到信道均衡器，信道均衡器根据信道参数对数据接收矢量r_i作均衡处理并将均衡处理后的数据接收矢量r_i再通过谱解码器进行谱解码，谱解码器的解码结果输入到符号检测器进行符号检测，恢复发送符号。

2.权利要求1所述的谱编码OFDM系统中的最小频谱旁瓣导频符号d_o的设计方法，包括以下步骤，

步骤1、构建待测导频符号组，待测导频符号组包括2^M个不同的待测导频符号，M为待测导频符号中的元素的个数，待测导频符号中的元素为+1或-1，将待测导频符号组中的各个待测导频符号分别插入多载波调制器的导频子载波位置；

步骤2、多载波调制器对插入到导频子载波位置的各个待测导频符号进行解调获得各个待测导频符号对应的待比较时域OFDM符号，计算各个待比较时域OFDM符号在目标抑制频段的功率；

步骤3、将最小的目标抑制频段的功率对应的待测导频符号作为最小频谱旁瓣导频符号d_o。