CN111343111B - 一种散射通信干扰抑制均衡方法、系统、介质、程序、通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于散射通信技术领域，公开了一种散射通信干扰抑制均衡方法、系统、介质、程序、通信系统，包括：MMSE频域均衡，将接收信号分块并进行FFT变换到频域，再对频域信号进行MMSE均衡，最后再按照之前的分块方式将信号通过IFFT转换到时域；基于LDPC译码反馈的噪声进行预测，对均衡后的信号做解交织、软解调和译码，然后将译码后的信号进行编码，调制后反馈回去，利用反馈的信号进行可靠性分析和噪声预测，之后将预测出的信号噪声进行消除；残留的码间干扰消除，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换来估算出残留的码间干扰并进行消除。本发明使得接收端误码性能得到明显的改善。

Description

一种散射通信干扰抑制均衡方法、系统、介质、程序、通信系统

技术领域

本发明属于散射通信技术领域，尤其涉及一种散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法及系统、接收用户输入程序存储介质、存储在计算机可读介质上的计算机程序产品、通信系统。

背景技术

在无线通信系统中，由于传输信道的复杂性，信号会不可避免的受到多径衰落以及噪声的影响，OFDM技术以其频谱效率高，抗多径衰落能力强，均衡简单等显著优点而被广泛应用。但是由于OFDM信号一般具有很大的峰均比，使得对OFDM信号放大时，容易出现非线性失真现象，针对这种情况，结合OFDM系统和单载波系统的优点的单载波频域均衡技术(SC-FDE)受到了广泛关注，SC-FDE技术与OFDM技术类似，通过频域均衡大大降低了均衡的复杂度，使得其与OFDM技术有着同样的抗多径能力，同时SC-FDE系统还具有较低的峰均比，因此SC-FDE技术被广泛应用于通信中，尤其是在军事通信领域；而信道均衡主要是为了消除多径引起的码间干扰，从而降低信道对信号的影响，提高译码性能。

目前，业内常用的现有技术是这样的：迫零(ZF)均衡虽然实现简单，但其未考虑噪声的影响，很容易对噪声信号进行放大，所以性能较差，一般很少应用于通信系统中；MMSE均衡虽然同时考虑了信道和噪声的影响，但在频率选择性衰落信道下，其性能仍无法得到提升；MMSE-RISIC均衡同MMSE均衡类似，只是在其基础上考虑了残留码间干扰的影响，性能虽有提升，但仍无法改善频域深衰落所带来的影响；而现有的判决反馈均衡虽然考虑到了频域深衰落的影响，但其反馈系统并未加入编译码以及并未对反馈的信号进行可靠性分析，所以在高阶调制时均衡性能并不理想。

综上所述，现有技术存在的问题是：SC-FDE系统在高阶调制下，传统的均衡方法对于系统性能的提升便不太理想，而且当存在频域深衰落时，其对SC-FDE系统性能的影响更大。

解决上述技术问题的难度在于：由于在单载波系统中，对于频域的深衰落难以进行补偿，再加上高阶调制使得信号对噪声更加敏感，所以当在高阶调制下并且存在深衰落时均衡器便难以对信号进行恢复，从而会影响整个数据块的误码率。

解决上述技术问题的意义在于：对于SC-FDE系统在高阶调制下如何提升系统性能以及降低频域深衰落对信号的影响有着更进一步的研究价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法及系统。

本发明是这样实现的，一种散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法包括：

步骤一、MMSE频域均衡，将接收信号分块并进行FFT变换到频域，再对频域信号进行MMSE均衡得到信号

最后再按照之前的分块方式将信号通过IFFT转换到时域；

步骤二、基于LDPC译码反馈的噪声进行预测，对均衡后的信号做解交织、软解调和译码，再将译码后的数据进行调制反馈，然后对反馈的信号进行可靠性分析和噪声预测，再对信号进行噪声消除；

步骤三、残留的码间干扰消除，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换，根据公式可估算出频域的码间干扰，然后再将频域的码间干扰转换到时域并从信号中减去。

进一步，在步骤一中，MMSE频域均衡公式为：

其中R_k为接收信号的频域表示，W_k为均衡系数，具体表示为：

R_k＝H_kX_k+V_k

进一步，在步骤二中，

首先，对均衡后的时域信号进行解交织、软解调和LDPC译码，通过解交织和LDPC译码等操作可以改善均衡后信号的误码情况；

然后，对LDPC译码后的数据进行重新编码和调制，将调制后的信号与均衡后的信号作对比，可以求出信号经过译码和重调制所改善的偏差并且分析出信号改善的可靠度；

最后，根据计算信号误差的均方误差来求出噪声预测矩阵，进而求出预测的噪声，最后将之前分析的可靠度与预测的噪声相结合得到一个可靠的噪声，即为噪声预测模块反馈的噪声信息。

进一步，对噪声的预测是通过求信号误差的(MSE)均方误差来求得预测矩阵，其均方误差可表示为：

其中W为MMSE均衡系数，F为傅里叶变换矩阵，其分别表示为：

对均方误差关于c求导可得出反馈矩阵c，进而预测出信号噪声，将预测后的噪声与可靠度p_k进行综合，得出一个相对可靠的噪声，然后利用计算出的噪声对信号进行优化。

进一步，在步骤三中，

对消除噪声的均衡信号进行判决，得到估计的复数信号，然后将其进行FFT变换到频域，代入公式可估算出残留的码间干扰，再对计算出的结果进行IFFT变换到时域，最后用消除噪声后的均衡信号减去时域的码间干扰即可。

残留的码间干扰计算公式为：

其中X_k为判决后的频域信号。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法的系统，该散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡系统包括：

MMSE频域均衡模块，对信号按块均衡的，在时域对数据进行分块，然后再按块转换到频域进行MMSE均衡；

基于LDPC译码反馈的噪声预测模块，对均衡后的信号进行判决以及信号重构来进行反馈，并利用反馈的信号预测噪声，针对重构后的信号会进行可靠性分析，将计算出的噪声与重构后信号的可靠度进行综合，进而可得出一个相对可靠的预测噪声；

残留的码间干扰消除模块，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换，代入公式可估算出残留码间干扰，对计算出的结果进行IFFT变换到时域，用消除噪声后的均衡信号减去时域的码间干扰即可。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述方法。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的方法。

本发明的另一目的在于提供一种安装有散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡系统的通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的优点在于有效的改善了SC-FDE系统在高阶调制下的性能以及频域深衰落的影响，从而提升了系统性能。根据仿真图(图6)可以看出，本发明采用一次LDPC迭代译码的结果进行反馈，其效果相对于传统的均衡方法性能提升了有1dB；若对反馈的LDPC译码迭代次数增加，其性能也会进一步提升。

通过在解交织和LDPC译码之后对信号进行反馈，因为交织可以将连续突发错误转换为独立随机错误，再通过LDPC编译码便可以对一些随机错误进行纠正，这样可以显著提高判决的可靠性，进而更准确的对噪声进行预测；但对于均衡后的信号来说，其不仅受到噪声的影响，还有残留的码间干扰，所以在对噪声进行抑制之后还需对残留的码间干扰进行消除。与传统的MMSE均衡相比，本发明所提出的均衡方法抑制了噪声干扰和残留的码间干扰，以此使得接收端误码性能得到明显的改善。

附图说明

图1是本发明实施例提供的数据帧结构图。

图2是本发明实施例提供的MMSE均衡框图。

图3是本发明实施例提供的均衡器噪声预测模块框图。

图4是本发明实施例提供的均衡器码间干扰消除模块。

图5是本发明实施例提供的均衡器总体框图。

图6是本发明实施例提供的BER仿真示意图。

图7是本发明实施例提供的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法流程图。

图8是本发明实施例提供的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡系统图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法及系统，下面结合附图1至附图8对本发明作详细的描述。

散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法包括：

S101、MMSE频域均衡，将接收信号分块并进行FFT变换到频域，再对频域信号进行MMSE均衡得到信号

最后再按照之前的分块方式将信号通过IFFT转换到时域；

S102、基于LDPC译码反馈的噪声进行预测，对均衡后的信号做解交织、软解调和译码，再将译码后的数据进行调制反馈，然后对反馈的信号进行可靠性分析和噪声预测，再对信号进行噪声消除；

S103、残留的码间干扰消除，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换，根据公式估算出频域的码间干扰，然后再将频域的码间干扰转换到时域并从信号中减去。

由于在高阶调制下，噪声干扰和码间干扰对SC-FDE系统性能影响较大，针对这一问题本发明提出利用LDPC译码后的信号进行反馈来对干扰进行估计并消除，本发明提供了一种基于译码反馈的SC-FDE系统信道均衡方法实施例。

首先对接收信号进行信号和导频分离，通过信道估计模块估计出信道状态信息h，将估计出来的信道信息h和接收信号r作为均衡器的输入。

在均衡器接收到h和r后，对其进行分块，如框图2所示，并按块将其做FFT变换到频域，其频域的接收信号可以表示为：

R_k＝H_kX_k+V_k

其中H_k为信道信息h的FFT变换。

然后对接收信号进行频域MMSE均衡，具体实现为：

其中W_k为MMSE均衡系数，其具体表示为：

其中

为噪声平均功率，

为信号平均功率，这两个可以通过估计的H计算出，具体表示为：

其中N为FFT的长度，N_cp为数据块之间CP的长度。

之后再对MMSE均衡后的信号进行逆傅里叶变换到时域即可。

对均衡后的信号进行噪声预测，如框图3所示，设解交织后的信号为

对其进行软解调，译码，调制反馈后的信号为

之后先计算出反馈后的信号与

的误差e_k，即：

然后对反馈的信号进行可靠性分析，得出反馈可靠度p_k，其表示为：

之后将e_k输入到噪声预测滤波器中，设其滤波器系数为c，下面将介绍c的求解：

设预测出的噪声为b，则b可表示为：

其中I是N×N的单位矩阵，c是N×N的循环矩阵，假设噪声预测的抽头系数个数为m，则它的主对角线上元素为1，第一列元素为[1，c₁，c₂…c_M，0…0]^T，所以矩阵c可以表示为：

所以可求出结合预测噪声后的信号与实际信号的误差为：

假设译码后的信号完全正确，即

则

对ε求均方误差，可得:

其中F为傅里叶变换矩阵。

对W和c分别求偏导，可以求得W和c_m的表达式：

对上述m个方程联合求解可得出系数矩阵c。

通过系数矩阵c可以求得预测的噪声，最后将预测的噪声与前面分析的可靠度p_k结合，可以得到反馈系统的输出。

如图4所示，首先对消除噪声的信号进行软判决，信号a+bi的软判决表示如下：

然后对判决后的信号进行傅里叶变换，变换到频域信号，用

表示，之后将

代入残留码间干扰公式，其公式的求解为：

MMSE均衡公式如下：

而多出来的第二项即为残留的码间干扰，再将求得的结果转换到时域，即：

减去残留的码间干扰即可得到均衡器的输出。

下面例举具体实施的例对本发明的技术效果做一个详细的描述。

仿真实验的参数如下：

数据块长度：N＝1024

采样率：4*10^-7

循环前缀长度：CP＝64

调制方式：16QAM

信道多普勒频移：100Hz

信道各径功率衰减：[-10，-3，0，-2，-5，-8，-10]

信道各径功率时延：[0，0.83*10^-7，1.7*10^-7，2.5*10^-7，3.3*10^-7，4.2*10^-7，5*10^-7]

信道模型选取7径经典散射信道作为仿真的信道模型，其中进行反馈的信号采用LDPC译码一次迭代的结果，传输的数据帧结构如图1所示。

结合上面的参数，分别在不同信噪比下对ZF均衡，MMSE均衡，MMSE-RISIC均衡以及本发明中提出的均衡方法进行仿真，仿真的误码率曲线如图6所示，横轴为SNR，纵轴为BER(dB)。

可以看出，在同等信道仿真条件下，本发明提出的均衡方法的性能明显要好于传统的ZF均衡和MMSE均衡，主要是因为ZF均衡没有考虑到噪声的干扰，而且当信道信息H很小时，噪声反而会被放大，所以大大影响了误码性能；而MMSE均衡虽然考虑了信道干扰和噪声干扰，但在信噪比较低时系统性能仍然不太理想，尤其当存在深衰落时对SC-FDE系统性能的影响较大；而本发明提出的均衡方法不仅抑制了噪声干扰和残留的码间干扰，而且加入了解交织和LDPC译码进行反馈来抑制SC-FDE系统深衰落造成的影响。从图6可以看出，误码率在10^-5时，本发明提出的均衡方法比MMSE均衡提升了1dB，而这仅是在LDPC一次迭代译码反馈的结果，若增加反馈系统中译码的迭代次数，其性能的提升也会更为明显。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法，其特征在于，所述散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法包括：

步骤一、MMSE频域均衡，将接收信号分块并进行FFT变换到频域，对频域信号进行MMSE均衡得到信号

将信号通过IFFT转换到时域；

步骤二、基于LDPC译码反馈的噪声进行预测，对均衡后的信号做解交织、软解调和译码，将译码后的数据进行调制反馈，对反馈的信号进行可靠性分析和噪声预测，对信号进行噪声消除；

步骤三、残留的码间干扰消除，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换，根据公式可估算出频域的码间干扰，将频域的码间干扰转换到时域并从信号中减去；

对消除噪声的均衡信号进行判决，得到估计的复数信号，进行FFT变换到频域，代入公式计算出残留的码间干扰，对计算出的结果进行IFFT变换到时域，用消除噪声后的均衡信号减去时域的码间干扰；

残留的码间干扰计算公式为：

其中X_k为判决后的频域信号，H_k为信道信息h的FFT变换。

2.如权利要求1所述的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法，其特征在于，在步骤一中，MMSE频域均衡公式为：

R_k为接收信号的频域表示，W_k为均衡系数，具体表示为：

R_k＝H_kX_k+V_k

其中

为噪声平均功率，

为信号平均功率。

3.如权利要求1所述的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法，其特征在于，在步骤二中，

对均衡后的时域信号进行解交织、软解调和LDPC译码，通过解交织和LDPC译码改善均衡后信号的误码情况；

对LDPC译码后的数据进行重新编码和调制，将调制后的信号与均衡后的信号作对比，求出信号经过译码和重调制所改善的偏差并分析出信号改善的可靠度。

4.如权利要求3所述的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法，其特征在于，所述信号改善的可靠度进一步包括，根据计算信号误差的均方误差来求出噪声预测矩阵，求出预测的噪声，将可靠度与预测的噪声相结合得到一个可靠的噪声，即为噪声预测模块反馈的噪声信息。

5.如权利要求4所述的散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法，其特征在于，所述噪声预测通过求信号误差的均方误差来求得预测矩阵，均方误差表示为：

其中I为N×N单元矩阵，ε为预测噪声后的信号与实际信号的误差，c为噪声滤波器系数矩阵；

W为MMSE均衡系数，F为傅里叶变换矩阵，分别表示为：

其中N为FFT的长度；

对W和c分别求偏导，可以求得W和c_m的表达式：

，

c是N×N的循环矩阵，噪声预测的抽头系数个数为m，则它的主对角线上元素为1，第一列元素为[1，c₁，c₂...c_m，0...0]^T，对上述m个方程联合求解可得出系数矩阵c，通过系数矩阵c进而预测出信号噪声，将预测后的噪声与可靠度p_k进行综合，得出一个相对可靠的噪声，利用计算出的噪声对信号进行优化。

6.一种实现如权利要求1至5任意一项所述散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡方法的系统，其特征在于，该散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡系统包括：

MMSE频域均衡模块，对信号按块均衡的，在时域对数据进行分块，按块转换到频域进行MMSE均衡；

噪声预测模块，对均衡后的信号进行判决以及信号重构来进行反馈，并利用反馈的信号预测噪声，针对重构后的信号会进行可靠性分析，将计算出的噪声与重构后信号的可靠度进行综合，进而可得出一个相对可靠的预测噪声；

码间干扰消除模块，将噪声消除后的信号进行软判决，对判决后的信号进行FFT变换，代入公式可估算出残留码间干扰，对计算出的结果进行IFFT变换到时域，用消除噪声后的均衡信号减去时域的码间干扰即可。

7.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述权利要求1至5任意一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，执行一种权利要求1至5任意一项所述的方法。

9.一种安装有如权利要求6所述散射通信SC-FDE系统下联合LDPC译码的干扰抑制均衡系统的通信系统。

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