CN109756930B - 基于信号外推与梳状滤波的ofdm信号压缩传输与重构方法 - Google Patents

基于信号外推与梳状滤波的ofdm信号压缩传输与重构方法 Download PDF

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CN109756930B CN201910023498.6A CN201910023498A CN109756930B CN 109756930 B CN109756930 B CN 109756930B CN 201910023498 A CN201910023498 A CN 201910023498A CN 109756930 B CN109756930 B CN 109756930B
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Abstract

基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，它属于无线通信技术领域。本发明解决了现有方法对信号的压缩程度受限，以及现有方法对噪声和干扰敏感，导致系统均方误差大的问题。本发明的方法未破坏子载波间的正交性，在发送端通过截取部分信号发送实现压缩传输，在接收端通过引入外推和梳状滤波实现信号重构。梳状滤波的引入克服了传统方法对噪声和干扰敏感的缺陷，提升了传统外推方法的均方误差性能，而且本发明方法对接收机的要求与传统OFDM方法一致，在保证通信性能的前提下，能够实现更大程度的信号压缩，突破了传统方法的压缩比下限，本发明方法的压缩比达到0.5。本发明可以应用于无线通信技术领域。

Description

基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种OFDM信号压缩传输与重构方法。
背景技术
为了满足5G高容量场景对于高效传输的要求，一系列高频谱效率的信号传输方法应运而生。现今广为应用的OFDM传输系统，虽然受到了奈奎斯特正交的约束，限制了信道容量和频谱效率，但具有抗干扰能力强、接收机结构简单的优点，对OFDM信号进行基于信号外推的压缩传输，不仅能够保留传统正交传输的优势，也满足了高效传输的需求。
OFDM信号显然是一种频带受限信号，即信号频率ω在[-σ,σ]外的幅度等于零或明显小于区间内信号幅度。由于传输环境或检测环境的影响，信号的完整度受到极大制约，接收端则需要利用能够检测到的部分数据，外推得到整段信号；此外，如果在信道状态信息已知的情况下，仅发送一部分信号，就可以在接收端外推出完整信号。Gerchberg-Papoulis外推算法(简称GP算法)是解决频带受限解析信号外推问题的经典方法，它利用了长球函数在σ-带限空间内的完备正交性，通过反复应用傅里叶变换及反变换，并截断、替换来迭代出已知区间外的信号。Sanz-Huang理论是基于GP算法提出的离散估计理论，它使得GP算法可以用DFT实现。这种离散信号迭代外推的方法可以有效提高数据质量、计算简便，并在有效次迭代内获得误差递减的外推函数。
虽然现有方法在OFDM信号压缩传输领域的研究中取得了一定的进展，但是现有方法仍然对接收机的要求较高，导致系统对信号的压缩程度受限，而且现有方法对噪声和干扰敏感，导致系统均方误差较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法对信号的压缩程度受限，以及现有方法对噪声和干扰敏感，导致系统均方误差大的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在发送端，对待发送的OFDM信号x进行S/P转换，得到S/P转换后的OFDM信号；
对S/P转换后的OFDM信号进行N-IDFT，得到N-IDFT后的OFDM信号；
将N-IDFT后的OFDM信号通过压缩比为α的截断滤波器，得到截取信号；
步骤二、对步骤一获得的截取信号进行P/S转换，得到P/S转换后的截取信号；
选择步骤一中N-IDFT后的OFDM信号的后LCP个点作为P/S转换后的截取信号的循环前缀CP，获得待发送的压缩OFDM信号SP，并将待发送的压缩OFDM信号SP通过信道发送出去；
步骤三、在接收端，根据压缩比α计算接收信号长度，并对接收信号的每个观测信号进行均衡，得到均衡后的每个观测信号
Figure BDA0001941642730000021
其中：i代表第i个均衡后的观测信号；
将均衡后的每个观测信号
Figure BDA0001941642730000022
进行S/P转换，得到S/P转换后的每个观测信号；
将S/P转换后的每个观测信号补零至信号x的长度，得到每个观测信号
Figure BDA0001941642730000023
对应的初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000024
步骤四、分别对步骤三的每个初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000025
进行迭代外推，获得接收信号的每个观测信号对应的重构信号ri；
步骤五、将步骤四获得的每个观测信号对应的重构信号ri进行N-DFT，得到N-DFT后的重构信号；
将N-DFT后的重构信号经过检测器获得检测后信号；再将检测后信号进行P/S转换，得到每个观测信号对应的解调信号
Figure BDA0001941642730000026
本发明的有益效果是：本发明的基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，本发明的方法未破坏子载波间的正交性，在发送端通过截取部分信号发送实现压缩传输，在接收端通过引入外推和梳状滤波实现信号重构。梳状滤波的引入克服了传统方法对噪声和干扰敏感的缺陷，提升了传统外推方法的均方误差性能，而且本发明方法对接收机的要求与传统OFDM方法一致，在保证通信性能的前提下，能够实现更大程度的信号压缩，突破了传统方法的压缩比下限，本发明方法的压缩比达到0.5。
附图说明
图1是本发明的迭代外推方法的流程图；
图2是本发明的发送端的流程图；
其中：x0,x1,xN-1分别代表串行信号流x经串并转换后得到的第0、1和N-1路并行序列；s0，s1，sα(N-1)，sN-1分别代表并行序列经N-IDFT得到的第0、1、α(N-1)和N-1点时域信号值；
图3是本发明的接收端的流程图；
其中：r代表接收端的接收信号；
Figure BDA0001941642730000031
代表第1个补零后的观测符号；
Figure BDA0001941642730000032
分别代表第1路并行序列中第0、αN-1个信号点；0(1-α)N×1代表长度为(1-α)N的零序列，用来补齐观测信号位数；
Figure BDA0001941642730000033
代表第1个观测信号对应的初始化外推信号；r1代表第1个观测符号对应的重构信号；
Figure BDA0001941642730000034
为第1个观测信号对应的解调信号；detector代表检测器；
Figure BDA0001941642730000035
代表第m+1次迭代时的输入，m为自然数；
Figure BDA0001941642730000036
为
Figure BDA0001941642730000037
经N-DFT得到的频域信号；
Figure BDA0001941642730000038
为
Figure BDA0001941642730000039
经梳状滤波器Hc处理得到的信号；
Figure BDA00019416427300000310
为
Figure BDA00019416427300000311
经N-IDFT得到的时域信号；
Figure BDA00019416427300000312
为第m+1次迭代产生的信号，
Figure BDA00019416427300000313
为第m+2次迭代时的输入，m+2≤M；
图4是本发明的梳状滤波器带宽与均方误差的关系曲线图；
图5是本发明的信号压缩比与误码率的关系曲线图；
其中：BER代表误码率。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在发送端，对待发送的OFDM信号x进行S/P转换(串/并转换)，得到S/P转换后的OFDM信号；
对S/P转换后的OFDM信号进行N-IDFT(N点离散傅里叶逆变换)，得到N-IDFT后的OFDM信号；
将N-IDFT后的OFDM信号通过压缩比为α的截断滤波器，得到截取信号；
步骤二、对步骤一获得的截取信号进行P/S转换(并/串转换)，得到P/S转换后的截取信号；
选择步骤一中N-IDFT后的OFDM信号的后LCP个点作为P/S转换后的截取信号的循环前缀CP，以保证符号内相位的连续性，获得待发送的压缩OFDM信号SP，并将待发送的压缩OFDM信号SP通过信道发送出去；
步骤三、根据已知的信道状态信息，在接收端，根据压缩比α计算接收信号长度，并对接收信号的每个观测信号进行均衡，得到均衡后的每个观测信号
Figure BDA0001941642730000041
其中：i代表第i个均衡后的观测信号；
将均衡后的每个观测信号
Figure BDA0001941642730000042
进行S/P转换，得到S/P转换后的每个观测信号；
将S/P转换后的每个观测信号补零至信号x的长度，得到每个观测信号
Figure BDA0001941642730000043
对应的初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000044
步骤四、分别对步骤三的每个初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000045
进行迭代外推(每个初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000046
对应一个外推模块)，获得接收信号的每个观测信号对应的重构信号ri；
步骤五、将步骤四获得的每个观测信号对应的重构信号ri进行N-DFT，得到N-DFT后的重构信号；
将N-DFT后的重构信号经过检测器获得检测后信号；再将检测后信号进行P/S转换，得到每个观测信号对应的解调信号
Figure BDA0001941642730000047
本实施方式未破坏子载波间的正交性，在发送端通过截取部分信号发送实现压缩传输，在接收端通过引入外推和梳状滤波实现信号重构。梳状滤波的引入克服了传统方法对噪声和干扰敏感的缺陷，提升了传统外推方法的均方误差性能，同时本发明在不提升对接收机的要求的前提下，能够实现更大程度的信号压缩，突破了传统方法的压缩比下限。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中将N-IDFT后的OFDM信号通过压缩比为α的截断滤波器，得到截取信号，其具体过程为：
设N-IDFT后的OFDM信号的导频子载波数为Np、数据子载波数为Nd，根据压缩比α对N-IDFT后的OFDM信号进行截取，得到截取信号；得到的截取信号保留了Np+αNd个子载波的信号，截取信号的支撑集为ψp。
本实施方式实现了对传统OFDM信号的α倍压缩，实施方式简单；只对信号位置进行压缩，不影响CP长度，保留了信号对ISI和ICI的抵抗能力。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中分别对步骤三的每个初始化外推信号
Figure BDA0001941642730000048
进行迭代外推，其具体过程为：
步骤四一、对外推过程进行初始化：令
Figure BDA0001941642730000049
设定最大迭代次数为M0，获取截取信号的支撑集ψp；其中：
Figure BDA00019416427300000410
代表第一次迭代时的输入为初始化外推信号
Figure BDA00019416427300000411
步骤四二、对于第一次迭代，将信号
Figure BDA0001941642730000051
输入外推算法，对信号
Figure BDA0001941642730000052
进行N-DFT，得到
Figure BDA0001941642730000053
经N-DFT的频域信号
Figure BDA0001941642730000054
Figure BDA0001941642730000055
其中：
Figure BDA0001941642730000056
代表对信号
Figure BDA0001941642730000057
进行N-DFT；
对N点信号x(n)进行N-DFT的过程为：
Figure BDA0001941642730000058
其中：j为虚数单位；
将频域信号
Figure BDA0001941642730000059
通过梳状滤波器Hc的处理，得到经梳状滤波器Hc处理后的信号
Figure BDA00019416427300000510
Figure BDA00019416427300000511
其中：
Figure BDA00019416427300000512
为梳状滤波器的频域特征矩阵，σp为梳状滤波器通道内通带宽度，fc为通道频率间隔；
将经梳状滤波器处理后的信号
Figure BDA00019416427300000513
进行N-IDFT，得到
Figure BDA00019416427300000514
经N-IDFT的时域信号
Figure BDA00019416427300000515
Figure BDA00019416427300000516
其中：
Figure BDA00019416427300000517
代表对信号
Figure BDA00019416427300000518
进行N-IDFT；
对N点信号X(k)进行N-IDFT的过程为：
Figure BDA00019416427300000519
其中：j为虚数单位；
Figure BDA00019416427300000520
经过支撑集ψp的处理(即将
Figure BDA00019416427300000521
在支撑集ψp内的部分替换为已知的接收信号rp)，则得到第一次迭代产生的信号
Figure BDA00019416427300000522
的形式为：
Figure BDA00019416427300000523
其中：I为单位矩阵；
步骤四三、对于第二次迭代，利用第一次迭代产生的信号
Figure BDA00019416427300000524
来更新
Figure BDA00019416427300000525
则第二次迭代的输入
Figure BDA00019416427300000526
为第一次迭代产生的信号
Figure BDA00019416427300000527
即
Figure BDA00019416427300000528
对信号
Figure BDA00019416427300000529
进行N-DFT，得到
Figure BDA00019416427300000530
经N-DFT的频域信号
Figure BDA0001941642730000061
Figure BDA0001941642730000062
将频域信号
Figure BDA0001941642730000063
通过梳状滤波器的处理，得到经梳状滤波器处理后的信号
Figure BDA0001941642730000064
Figure BDA0001941642730000065
将经梳状滤波器处理后的信号
Figure BDA0001941642730000066
进行N-IDFT，得到
Figure BDA0001941642730000067
经N-IDFT的时域信号
Figure BDA0001941642730000068
Figure BDA0001941642730000069
Figure BDA00019416427300000610
经过支撑集ψp的处理，则第二次迭代产生的信号
Figure BDA00019416427300000611
的形式为：
Figure BDA00019416427300000612
其中：I为单位矩阵；
步骤四五、重复步骤四三的过程，直至达到最大迭代次数M0时停止迭代，将最后一次迭代对应的
Figure BDA00019416427300000613
作为输出的重构信号ri。
本实施方式通过外推方法实现了对压缩信号的重构。由于得到的观测信号是不完整的，长度只有发送端原始信号x的α倍，因此采用外推方法重构出长度完整的信号；通过引入梳状滤波器，来代替传统外推方法的低通滤波器，来降低噪声和干扰对外推性能的影响。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述梳状滤波器的参数设置为：
δ≥w
Figure BDA00019416427300000614
σ≥CFO×2π/M
其中：δ为梳状滤波器的最大带宽，w为待发送的OFDM信号的带宽，K为梳状滤波器通道数，Δf为子载波间隔，
Figure BDA00019416427300000615
为向下取整，CFO为最大频偏系数，M为待发送的OFDM信号的子载波数，σ为梳状滤波器通道内的通带宽度。
本实施方式设置δ≥ω，否则会产生严重的截断误差，并应该保证梳状滤波器的最大带宽尽可能接近待发送的OFDM信号的带宽；
从图4可以看出，梳状滤波器的带宽选择对外推性能的影响。首先，梳状滤波器的带宽不能小于信号带宽，否则会产生明显的截断误差，并且截断误差会随着迭代不断累积；另外，梳状滤波器的带宽也并非越大越好，与信号带宽相近时，会获得更好的NMSE性能。
传统GP外推方法存在的问题也比较明显，首先其收敛速度比较慢，难以满足实时通信的需求；此外，在通信系统中，信号传输中必然存在噪声和各种形式的干扰，如多径、多普勒，低通滤波器对噪声和干扰的抵抗能力有限，因此在外推迭代过程中，引入梳状滤波器，实现对外推信号“有目的”保留。通过设计迭代梳状滤波器，实现在无干扰情况下提升滤波效率，获得更好的外推性能；并且在存在干扰情况下，使外推过程具有较好的抗噪声性能。
另外本实施方式设置梳状滤波器通道数满足的公式，以保证梳状滤波器能在频域上覆盖整个信号。而且本实施方式设置梳状滤波器通道内的通带宽度满足的公式，保证能够在频偏存在情况下，保留外推信号每个子载波上最大幅值处的信息。
本发明中基于带限信号外推与滤波器设计对OFDM信号进行压缩传输与重构，在一定压缩比下，通过对梳状滤波器进行设计，以误比特率为性能指标，可以实现更好的重构性能，如图5所示，为采用本发明方法的压缩比与误码率曲线图。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在发送端，对待发送的OFDM信号x进行S/P转换，得到S/P转换后的OFDM信号；
对S/P转换后的OFDM信号进行N-IDFT，得到N-IDFT后的OFDM信号；
将N-IDFT后的OFDM信号通过压缩比为α的截断滤波器，得到截取信号；
步骤二、对步骤一获得的截取信号进行P/S转换，得到P/S转换后的截取信号；
选择步骤一中N-IDFT后的OFDM信号的后LCP个点作为P/S转换后的截取信号的循环前缀CP，获得待发送的压缩OFDM信号SP，并将待发送的压缩OFDM信号SP通过信道发送出去；
步骤三、在接收端，根据压缩比α计算接收信号长度，并对接收信号的每个观测信号进行均衡，得到均衡后的每个观测信号
Figure FDA0001941642720000011
其中：i代表第i个均衡后的观测信号；
将均衡后的每个观测信号
Figure FDA0001941642720000012
进行S/P转换，得到S/P转换后的每个观测信号；
将S/P转换后的每个观测信号补零至信号x的长度，得到每个观测信号
Figure FDA0001941642720000013
对应的初始化外推信号
Figure FDA0001941642720000014
步骤四、分别对步骤三的每个初始化外推信号
Figure FDA0001941642720000015
进行迭代外推，获得接收信号的每个观测信号对应的重构信号ri；
步骤五、将步骤四获得的每个观测信号对应的重构信号ri进行N-DFT，得到N-DFT后的重构信号；
将N-DFT后的重构信号经过检测器获得检测后信号；再将检测后信号进行P/S转换，得到每个观测信号对应的解调信号
Figure FDA0001941642720000016
2.根据权利要求1所述的基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，其特征在于，所述步骤一中将N-IDFT后的OFDM信号通过压缩比为α的截断滤波器，得到截取信号，其具体过程为：
设N-IDFT后的OFDM信号的导频子载波数为Np、数据子载波数为Nd，根据压缩比α对N-IDFT后的OFDM信号进行截取，得到截取信号；得到的截取信号保留了Np+αNd个子载波的信号，截取信号的支撑集为ψp。
3.根据权利要求1所述的基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，其特征在于，所述步骤四中分别对步骤三的每个初始化外推信号
Figure FDA0001941642720000021
进行迭代外推，其具体过程为：
步骤四一、对外推过程进行初始化：令
Figure FDA0001941642720000022
设定最大迭代次数为M0，获取截取信号的支撑集ψp；其中：
Figure FDA0001941642720000023
代表第一次迭代时的输入为初始化外推信号
Figure FDA0001941642720000024
步骤四二、对于第一次迭代，将信号
Figure FDA0001941642720000025
输入外推算法，对信号
Figure FDA0001941642720000026
进行N-DFT，得到
Figure FDA0001941642720000027
经N-DFT的频域信号
Figure FDA0001941642720000028
Figure FDA0001941642720000029
其中：
Figure FDA00019416427200000210
代表对信号
Figure FDA00019416427200000211
进行N-DFT；
将频域信号
Figure FDA00019416427200000212
通过梳状滤波器Hc的处理，得到经梳状滤波器Hc处理后的信号
Figure FDA00019416427200000213
Figure FDA00019416427200000214
其中：
Figure FDA00019416427200000215
为梳状滤波器的频域特征矩阵，σp为梳状滤波器通道内通带宽度，fc为通道频率间隔；
将经梳状滤波器处理后的信号
Figure FDA00019416427200000216
进行N-IDFT，得到
Figure FDA00019416427200000217
经N-IDFT的时域信号
Figure FDA00019416427200000218
Figure FDA00019416427200000219
其中：
Figure FDA00019416427200000220
代表对信号
Figure FDA00019416427200000221
进行N-IDFT；
Figure FDA00019416427200000222
经过支撑集ψp的处理，则得到第一次迭代产生的信号
Figure FDA00019416427200000223
的形式为：
Figure FDA00019416427200000224
其中：I为单位矩阵；
步骤四三、对于第二次迭代，利用第一次迭代产生的信号
Figure FDA00019416427200000225
来更新
Figure FDA00019416427200000226
则第二次迭代的输入
Figure FDA00019416427200000227
为第一次迭代产生的信号
Figure FDA00019416427200000228
即
Figure FDA00019416427200000229
对信号
Figure FDA00019416427200000230
进行N-DFT，得到
Figure FDA00019416427200000231
经N-DFT的频域信号
Figure FDA00019416427200000232
Figure FDA00019416427200000233
将频域信号
Figure FDA0001941642720000031
通过梳状滤波器的处理，得到经梳状滤波器处理后的信号
Figure FDA0001941642720000032
Figure FDA0001941642720000033
将经梳状滤波器处理后的信号
Figure FDA0001941642720000034
进行N-IDFT，得到
Figure FDA0001941642720000035
经N-IDFT的时域信号
Figure FDA0001941642720000036
Figure FDA0001941642720000037
Figure FDA0001941642720000038
经过支撑集ψp的处理，则第二次迭代产生的信号
Figure FDA0001941642720000039
的形式为：
Figure FDA00019416427200000310
其中：I为单位矩阵；
步骤四五、重复步骤四三的过程，直至达到最大迭代次数M0时停止迭代，将最后一次迭代对应的
Figure FDA00019416427200000311
作为输出的重构信号ri。
4.根据权利要求3所述的基于信号外推与梳状滤波的OFDM信号压缩传输与重构方法，其特征在于，所述梳状滤波器的参数设置为：
δ≥w
Figure FDA00019416427200000312
σ≥CFO×2π/M
其中：δ为梳状滤波器的最大带宽，w为待发送的OFDM信号的带宽，K为梳状滤波器通道数，Δf为子载波间隔，
Figure FDA00019416427200000313
为向下取整，CFO为最大频偏系数，M为待发送的OFDM信号的子载波数，σ为梳状滤波器通道内的通带宽度。
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