CN111884982B - 基于多通道并行滤波外推的截断ofdm信号发射与接收方法 - Google Patents

Abstract

基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，它属于信号处理领域。本发明解决了由于信号在传输过程中存在干扰导致外推精度低的问题。本发明通过对部分信号进行多通道并行外推重构，一方面使得各个通道可相互验证，避免了传统方法对部分信号重构过程中，个别参数影响整段信号的重构精度的问题；另一方面，通过对每个通道的滤波器进行设计，抑制了外部干扰对重构效果的负面影响，提升了重构外推精度，提高了系统误码性能，提升了外推重构接收机的可靠性。本发明可以应用于信号处理领域。

Description

基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法

技术领域

本发明属于无线通信及信号处理领域，具体涉及一种基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法。

背景技术

信号压缩传输与接收重构是无线通信领域的关键技术，信号的采样与重构是信号处理领域的一类核心问题。对于无线通信信号而言，通常可以认为其是一类带限信号，即可以找到一个域，使该信号在某个区间内保留大部分或全部信息。例如，经典的OFDM信号可以视作频带受限信号，chirp信号可以视作分数域带限信号。在传输这一类带限信号时，往往是在另一个能量不集中的域中传输，例如OFDM信号和chirp信号实际上是在时域接收的。由于接收端可能会由于硬件功能或信道/传输渠道的原因，无法获得完整信号，因而需要对接收到的部分带限信号进行外推重构。

学者Gerchberg和Papoulis提出了Gerchberg-Papoulis迭代外推算法(简称GP算法)是针对带限信号外推重构的一种经典方法。该方法在已知信号带宽和一段连续信号的前提下，利用傅里叶变换和迭代渐进思想实现重构；利用带限信号的可解析性，用长球函数基对完整带限信号和部分带限信号进行展开，证明了该迭代方法的收敛性。学者Sanz和Huang将GP算法应用于离散信号的外推问题中，提出了Sanz-Huang定理，并揭示了外推算法在连续情况下和离散情况下的联系。

为了提升信号的传输效率，通常是对截取的部分信号进行传输，然后采用传统的GP方法对接收端接收到的信号进行外推以获得原始信号，虽然采用传统的GP方法可以重构出原始信号，但是由于信号在传输过程中必然受到干扰，导致信号的外推精度明显降低，因而外推重构效果比较有限。

发明内容

本发明的目的是为解决由于信号在传输过程中存在干扰导致外推精度低的问题，而提出了一种基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、生成二进制比特流，生成的二进制比特流经过编码和星座映射后，获得N点信源信号x＝[x₀,…,x_N-1]；

步骤二、对步骤一中获得的信源信号进行串并转换，获得串并转换后的信号；再将串并转换后的信号调制到N个OFDM子载波中，获得调制后的时域信号s_ori＝[s_ori,0,s_ori,1,…,s_ori,N-1]；

步骤三、生成截取图样P，所述截取图样P为一个只包含0和1的向量，截取图样P与时域信号s_ori的规模一致，在发送的数据点位置记为“1”，不发送的数据点位置记为“0”；

“1”的位置称之为支撑集位置，“0”的位置称之为待外推部分的位置；

步骤四、利用生成的截取图样P对信号s_ori进行截取获得初始截取信号，即初始截取信号中只保留支撑集位置的数据，并对初始截取信号进行并串转换，获得并串转换后的信号s；给并串转换后的信号添加循环前缀后形成数据帧，数据帧通过射频发送至信道；

步骤五、接收端接收信道中的信号，将接收到的信号转换至基带，转换至基带的信号再经过同步和去除循环前缀处理后获得信号r_ori＝[r₀,…,r_L-1]，L代表信号r_ori的长度，L的取值为截取图样中“1”的个数；

步骤六、按截取图样P生成与截取图样等规模的零向量，在零向量中对应的支撑集位置输入信号r_ori，得到重构初始化时域信号r；

对获得的重构初始化时域信号r进行N点离散傅里叶变换，得到频域信号R＝[R₀,…,R_N/2-1,…,R_N-1]；

步骤七、将步骤六得到的频域信号R中的每两个频点分为一组，将每组输入一个通道，共输入N/2个通道，在每个通道中，除了输入的两个频点位置之外，其他频点位置均用0占位，则第i个通道对应的初始待外推信号为

步骤八、根据信道状态信息，分别生成步骤七中各个通道对应的迭代滤波器，将第i个通道对应的迭代滤波器记为H_i；

步骤九、判断初始待外推信号

的频谱分辨率是否满足对应通道的迭代滤波器的要求；

若不满足，则对初始待外推信号

进行处理，获得处理后的信号，再将处理后的信号作为第i个通道的待外推信号R_i′；

若满足，则直接将初始待外推信号

作为第i个通道的待外推信号R_i′；

步骤十、利用迭代滤波器H_i对第i个通道的待外推信号进行重构外推，得到第i个通道的重构信号；其中，对各通道的待外推信号的重构外推过程是并行进行的；

步骤十一、将各个通道的重构信号进行相加，将相加结果中的支撑集位置替换为信号r_ori，得到重构信号y_gp。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，本发明通过对部分信号进行多通道并行外推重构，一方面使得各个通道可相互验证，避免了传统方法对部分信号重构过程中，个别参数影响整段信号的重构精度的问题；另一方面，通过对每个通道的滤波器进行设计，抑制了外部干扰对重构效果的负面影响，提升了重构外推精度，提高了系统误码性能，提升了外推重构接收机的可靠性。

附图说明

图1是本发明方法的截断信号发送框图；

图2是本发明方法的信号并行外推重构的流程图；

图3是本发明方法的每条通道的外推重构的流程图。

具体实施方式

为了便于理解，以下过程以典型的频带受限信号OFDM信号为例，整个发送及接收过程依据OFDM架构。此方法对其他带限信号的重构外推依然成立。

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤一、随机生成二进制比特流，生成的二进制比特流经过编码和星座映射后，获得N点信源信号x＝[x₀,...,x_N-1]；

步骤二、对步骤一中获得的信源信号进行串并转换，获得串并转换后的信号；再将串并转换后的信号调制到N个OFDM子载波中，获得调制后的时域信号s_ori＝[s_ori,0,s_ori,1,…,s_ori,N-1]；

步骤三、生成截取图样P，所述截取图样P为一个只包含0和1的向量，截取图样P与时域信号s_ori的规模一致，在发送的数据点位置记为“1”，不发送的数据点位置记为“0”；

“1”的位置称之为支撑集位置，“0”的位置称之为待外推部分的位置；

生成的截取图样的形式与时域信号s_ori的形式一致，即时域信号s_ori为长度为N的向量形式，则截取图样为只包含0和1的等长向量；

步骤四、利用生成的截取图样P对信号s_ori进行截取获得初始截取信号，即初始截取信号中只保留支撑集位置的数据，并对初始截取信号进行并串转换，获得并串转换后的信号s；给并串转换后的信号添加循环前缀后形成数据帧，数据帧通过射频发送至信道；

步骤五、接收端接收信道中的信号，根据OFDM系统的要求，将接收到的信号转换至基带，转换至基带的信号再经过同步和去除循环前缀(CP)处理后获得信号r_ori＝[r₀,…,r_L-1]，L代表信号r_ori的长度，L的取值为截取图样中“1”的个数；

步骤六、按截取图样P生成与截取图样等规模的零向量，在零向量中对应的支撑集位置输入信号r_ori，得到重构初始化时域信号r；

对获得的重构初始化时域信号r进行N点离散傅里叶变换，得到频域信号R＝[R₀,…,R_N/2-1,…,R_N-1]；

其中，N点DFT的数学表达式为：

步骤七、将步骤六得到的频域信号R中的每两个频点分为一组，将每组输入一个通道，共输入N/2个通道，在每个通道中，除了输入的两个频点位置之外，其他频点位置均用0占位，则第i个通道对应的初始待外推信号为

步骤八、根据信道状态信息，分别生成步骤七中各个通道对应的迭代滤波器，将第i个通道对应的迭代滤波器记为H_i；

步骤九、判断初始待外推信号

(步骤八至步骤十中的i指遍历i的每一个取值)的频谱分辨率是否满足对应通道的迭代滤波器的要求(默认系统接收机已知接收信号的频谱分辨率)；

若不满足，则对初始待外推信号

进行处理，获得处理后的信号，再将处理后的信号作为第i个通道的待外推信号R_i′；

若满足，则直接将初始待外推信号

作为第i个通道的待外推信号R_i′；

步骤十、利用迭代滤波器H_i对第i个通道的待外推信号进行重构外推，得到第i个通道的重构信号；其中，对各通道的待外推信号的重构外推过程是并行进行的；

步骤十一、将各个通道的重构信号进行相加，将相加结果中的支撑集位置替换为信号r_ori，得到重构信号y_gp。

步骤九中，仅对不满足迭代滤波器要求的通道的初始待外推信号进行处理，满足迭代滤波器要求的通道的初始待外推信号则不需要进行处理，具体操作时需要针对每个通道分别进行判断。

步骤十中，若之前经过步骤九的判断结果为：初始待外推信号

的频谱分辨率不满足迭代滤波器要求，则需要对初始重构信号y_gp,i做N×M点离散傅里叶变换，得到频域信号Y_gp,comb,i，对频域信号Y_gp,comb,i进行M倍欠采样，获得欠采样后的信号，再对欠采样后的信号做N点离散傅里叶逆变换，得到N点时域信号y_{downsample,gp,i}，再将得到的时域信号y_{downsample,gp,i}作为第i个通道的重构信号；

否则，之前经过步骤九的判断结果为：初始待外推信号

的频谱分辨率满足迭代滤波器要求，可以直接将第i个通道的初始重构信号y_gp,i作为第i个通道的重构信号；

同理，分别对每个通道进行判断，即可获得每个通道的重构信号。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中，将串并转换后的信号调制到N个OFDM子载波中，即对串并转换后的信号进行N点离散傅里叶反变换。

其中，离散傅里叶反变换的数学过程为：

其中，j为虚数单位。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤四中，利用生成的截取图样P对信号s_ori进行截取获得初始截取信号，初始截取信号的表达式为P·s_ori。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤七中，第i个通道对应的初始待外推信号

的表达式为：

CH0:

CH1:

CHi:

其中，CHi代表第i个通道。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤八的具体过程为：

分别生成各通道的低通滤波器(低通滤波器的带宽为信号s_ori的带宽)，各通道的低通滤波器在频域的表达式为：

其中，H_lp,i代表第i个通道的低通滤波器，

1_1×M代表1×M的全1向量；每一通道的低通滤波器的长度变为原来的M倍；

根据信道状态信息，生成各个通道对应的迭代滤波器：

若第i个通道频点位置的多普勒频移小于子载波间隔，则为第i个通道生成一个全频带梳状滤波器H_comb：

其中，f代表频率，是H_comb函数的自变量，Δf代表子载波间隔，

代表通带宽度为Ω的方形波，Ω即梳状滤波器的梳状通带带宽，一般Ω＜Δf；c代表

需要平移的子载波间隔数目；

再将第i个通道的全频带梳状滤波器H_comb与第i个通道的低通滤波器H_lp,i相乘，得到第i个通道对应的梳状滤波器，将第i个通道对应的梳状滤波器作为第i个通道的迭代滤波器H_i：

H_i＝H_comb·H_lp,i

若第i个通道频点位置的多普勒频移大于等于子载波间隔，或者多普勒频移未知，则直接采用第i个通道的低通滤波器作为第i个通道的迭代滤波器H_i：

H_i＝H_lp,i。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤九中，对初始待外推信号

进行处理，处理的具体过程为：

对初始待外推信号

做N点傅里叶反变换，得到初始待外推信号

对应的时域信号r_i；

对时域信号r_i进行后方补零至时域信号r_i长度的M倍，再对补零后信号做N×M点离散傅里叶变换，得到变换后信号R_comb,i，将获得的变换后信号R_comb,i作为第i个通道的待外推信号R_i′。

M代表将初始待外推信号

的频率分辨率提升至原来的M倍；

以子载波数N为2048、子载波间隔与接收信号采样点的频谱分辨率皆为15MHz的OFDM信号为例，来给出M的计算方法。

若通道i的重构过程中迭代滤波器采用梳状滤波器，每个梳状通带带宽为5.625MHz，则M为梳状通带带宽与频谱分辨率比值最简形式的分母。按例子中的数据计算，梳状通带带宽/频谱分辨率＝5.625/15＝3/8，则通道i的M为8；

当梳状通带带宽大于频谱分辨率时，M＝1。

若通道i的重构过程中迭代滤波器采用低通滤波器，则M＝1。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤十具体通过以下步骤实现：

步骤1：初始化迭代次数k＝1，初始化迭代终止条件为：迭代次数达到ITE次；

步骤2、将第i个通道的待外推信号R_i′输入对应通道的迭代滤波器H_i，得到第i个通道的频域信号Y_i＝R_i′·H_i；

步骤3、对Y_i进行离散傅里叶逆变换(IDFT变换)，得到变换后的时域信号y_i；

步骤4、将y_i在支撑集内的位置替代为信号r_ori，得到第1次迭代的外推信号

步骤5、对信号

进行离散傅里叶变换(DFT变换)，得到频域信号

将得到的频域信号

作为下一次迭代输入的待外推信号，即，令

步骤6、重复步骤2至步骤5的过程，直至迭代次数达到ITE次时停止迭代，将最后一次迭代获得的外推信号

作为初始重构信号y_gp,i；

步骤7、若步骤九中对初始待外推信号

进行了处理，则需要对初始重构信号y_gp,i进行处理，获得第i个通道的重构信号；

否则直接将第i个通道的初始重构信号y_gp,i作为第i个通道的重构信号。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述步骤7中，对初始重构信号y_gp,i进行处理，获得第i个通道的重构信号；其具体过程为：

对第i个通道的初始重构信号y_gp,i做N×M点离散傅里叶变换，得到频域信号Y_gp,comb,i，对频域信号Y_gp,comb,i进行M倍欠采样，获得欠采样后的信号，再对欠采样后的信号做N点离散傅里叶逆变换，得到N点时域信号y_{downsample,gp,i}，将得到的时域信号y_{downsample,gp,i}作为第i个通道的重构信号。

本发明将待外推信号根据频率划分为不同通道，几个通道并行重构，每个通道都可以设计各自的滤波器形式。该方法的优势在于：

一方面是在信号的某些频点集合存在不确定的多普勒频率偏移时，采用梳状滤波器作为迭代滤波器的重构性能会下降，此时可将该频点集合所在通道采用低通滤波器作为迭代滤波器；

另一方面，不同通道所得出的重构结果，可以相互印证。这是由于支撑集位置的信号已知，并且不同通道的重构信号与支撑集处的信号有关，即使某个通道得出的重构结果有较大偏差，其他通道也可进行修正。

综上所述，本发明方法是在已有重构方法的基础上，对“待外推信号”进行处理(在频域上分组)，各通道内根据信道信息来提升重构性能。

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 (6)

1.基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、生成二进制比特流，生成的二进制比特流经过编码和星座映射后，获得N点信源信号x＝[x₀,…,x_N-1]；

步骤二、对步骤一中获得的信源信号进行串并转换，获得串并转换后的信号；再将串并转换后的信号调制到N个OFDM子载波中，获得调制后的时域信号s_ori＝[s_ori,0,s_ori,1,…,s_ori,N-1]；

步骤三、生成截取图样P，所述截取图样P为一个只包含0和1的向量，截取图样P与时域信号s_ori的规模一致，在发送的数据点位置记为“1”，不发送的数据点位置记为“0”；

“1”的位置称之为支撑集位置，“0”的位置称之为待外推部分的位置；

步骤四、利用生成的截取图样P对信号s_ori进行截取获得初始截取信号，即初始截取信号中只保留支撑集位置的数据，并对初始截取信号进行并串转换，获得并串转换后的信号s；给并串转换后的信号添加循环前缀后形成数据帧，数据帧通过射频发送至信道；

步骤五、接收端接收信道中的信号，将接收到的信号转换至基带，转换至基带的信号再经过同步和去除循环前缀处理后获得信号r_ori＝[r₀,…,r_L-1]，L代表信号r_ori的长度，L的取值为截取图样中“1”的个数；

步骤六、按截取图样P生成与截取图样等规模的零向量，在零向量中对应的支撑集位置输入信号r_ori，得到重构初始化时域信号r；

对获得的重构初始化时域信号r进行N点离散傅里叶变换，得到频域信号R＝[R₀,…,R_N/2-1,…,R_N-1]；

步骤七、将步骤六得到的频域信号R中的每两个频点分为一组，将每组输入一个通道，共输入N/2个通道，在每个通道中，除了输入的两个频点位置之外，其他频点位置均用0占位，则第i个通道对应的初始待外推信号为

步骤八、根据信道状态信息，分别生成步骤七中各个通道对应的迭代滤波器，将第i个通道对应的迭代滤波器记为H_i；

步骤九、判断初始待外推信号

的频谱分辨率是否满足对应通道的迭代滤波器的要求；

若不满足，则对初始待外推信号

进行处理，获得处理后的信号，再将处理后的信号作为第i个通道的待外推信号R_i′；

所述对初始待外推信号

进行处理，处理的具体过程为：

对初始待外推信号

做N点傅里叶反变换，得到初始待外推信号

对应的时域信号r_i；

对时域信号r_i进行后方补零至时域信号r_i长度的M倍，再对补零后信号做N×M点离散傅里叶变换，得到变换后信号R_comb,i，将获得的变换后信号R_comb,i作为第i个通道的待外推信号R_i′；

若满足，则直接将初始待外推信号

作为第i个通道的待外推信号R_i′；

步骤十、利用迭代滤波器H_i对第i个通道的待外推信号进行重构外推，得到第i个通道的重构信号；其中，对各通道的待外推信号的重构外推过程是并行进行的；

步骤十一、将各个通道的重构信号进行相加，将相加结果中的支撑集位置替换为信号r_ori，得到重构信号y_gp。

2.根据权利要求1所述的基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，所述步骤二中，将串并转换后的信号调制到N个OFDM子载波中，即对串并转换后的信号进行N点离散傅里叶反变换。

3.根据权利要求2所述的基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，所述步骤四中，利用生成的截取图样P对信号s_ori进行截取获得初始截取信号，初始截取信号的表达式为P·s_ori。

4.根据权利要求1所述的基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，所述步骤七中，第i个通道对应的初始待外推信号

的表达式为：

CH0:

CH1:

CHi:

其中，CHi代表第i个通道。

5.根据权利要求4所述的基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，所述步骤八的具体过程为：

分别生成各通道的低通滤波器，各通道的低通滤波器在频域的表达式为：

其中，H_lp,i代表第i个通道的低通滤波器，

1_1×M代表1×M的全1向量；

根据信道状态信息，生成各个通道对应的迭代滤波器：

若第i个通道频点位置的多普勒频移小于子载波间隔，则为第i个通道生成一个全频带梳状滤波器H_comb：

其中，f代表频率，Δf代表子载波间隔，Rec_Ω(f)代表通带宽度为Ω的方形波，c代表Rec_Ω(f)需要平移的子载波间隔数目；

再将第i个通道的全频带梳状滤波器H_comb与第i个通道的低通滤波器H_lp,i相乘，得到第i个通道对应的梳状滤波器，将第i个通道对应的梳状滤波器作为第i个通道的迭代滤波器H_i：

H_i＝H_comb·H_lp,i

若第i个通道频点位置的多普勒频移大于等于子载波间隔，或者多普勒频移未知，则直接采用第i个通道的低通滤波器作为第i个通道的迭代滤波器H_i：

H_i＝H_lp,i。

6.根据权利要求5所述的基于多通道并行滤波外推的截断OFDM信号发射与接收方法，其特征在于，所述步骤十具体通过以下步骤实现：

步骤1：初始化迭代次数k＝1，初始化迭代终止条件为：迭代次数达到ITE次，ITE代表预设的迭代终止次数；

步骤2、将第i个通道的待外推信号R_i′输入对应通道的迭代滤波器H_i，得到第i个通道的频域信号Y_i＝R_i′·H_i；

步骤3、对Y_i进行离散傅里叶逆变换，得到变换后的时域信号y_i；

步骤4、将y_i在支撑集内的位置替代为信号r_ori，得到第1次迭代的外推信号

步骤5、对信号

进行离散傅里叶变换，得到频域信号

将得到的频域信号

作为下一次迭代输入的待外推信号；

步骤6、重复步骤2至步骤5的过程，直至迭代次数达到ITE次时停止迭代，将最后一次迭代获得的外推信号

作为初始重构信号y_gp,i；

步骤7、若步骤九中对初始待外推信号

进行了处理，则需要对初始重构信号y_gp,i进行处理，获得第i个通道的重构信号；

否则直接将第i个通道的初始重构信号y_gp,i作为第i个通道的重构信号；

所述对初始重构信号y_gp,i进行处理，获得第i个通道的重构信号；其具体过程为：

对第i个通道的初始重构信号y_gp,i做N×M点离散傅里叶变换，得到频域信号Y_gp,comb,i，对频域信号Y_gp,comb,i进行M倍欠采样，获得欠采样后的信号，再对欠采样后的信号做N点离散傅里叶逆变换，得到N点时域信号y_{downsample,gp,i}，将得到的时域信号y_{downsample,gp,i}作为第i个通道的重构信号。

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