CN114629594B - 一种sefdm通信系统的信号检测方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字信息传输技术领域，公开了一种SEFDM通信系统的信号检测方法、系统及应用，利用前级信号检测器对信号进行初始检测；对初次信号检测的结果进行解调和译码并重新进行编码和调制；使用估计得到的发送信号计算出原始调制信号在SEFDM调制过程中丢弃的数据部分；使用估计出的丢弃数据补偿到接收端的初始信号来做SEFDM解调。本发明具有实现复杂度低的优点，能够很大程度改善SEFDM信号检测器的性能，适用于使用信道编码的SEFDM系统。本发明利用信道编码的纠错能力估计出使用IFFT方式做SEFDM调制过程中丢弃的数据部分，将这部分补充到接收信号的尾部，提高了信号检测器的误码率性能，可实现性非常高。
Description
技术领域
本发明属于数字信息传输技术领域，尤其涉及一种SEFDM通信系统的信号检测方法、系统及应用。
背景技术
目前，高频谱效率频分复用(SEFDM)是一种非正交调制技术，它是由IzzatDarwazeh等人于2003年首先提出的。相比与OFDM系统，它能有更高的频谱利用率，因而被学者们重点研究。从频域上看，它在OFDM多载波传输的基础上，压缩了信号的子载波之间的距离，破坏了子载波之间的正交性，但这样使得在一定的带宽范围内，能传输比OFDM信号更多的信息，从而使整个系统的频谱效率得到了提高。
虽然SEFDM系统有着良好的频谱利用率，但这是建立在对子载波间正交性的破坏上的，所以生成的SEFDM信号会引入严重的子载波间干扰(ICI)，一些传统的OFDM收端的处理算法不再适用。这给信号的检测带来许多困难，导致系统接收端面临很大的挑战。
目前经典的SEFDM检测算法有TSVD算法、SD算法、FSD算法、ID算法以及它们的改进混合算法如SM-ID算法以及ID-FSD算法。TSVD算法为一种线性检测算法，通过矩阵分解求近似逆矩阵作为信号检测的依据，但其性能较差，难以满足实际通信需求。SD算法以最大似然思想为基础，有着非常理想的检测性能，但在子载波数目较多的情况下，系统需要遍历枚举大量的可能的数据点，复杂度是难以估量的。尽管FSD算法对其进行了简化，但在大规模系统下其复杂度仍然很高。现有技术一提出了ICI补偿检测的算法，有着不错的性能。然而以ID算法为代表的包括现有技术一在内的一些迭代算法，因为其大量的迭代次数使得系统在硬件上的实现受到了很大限制。因此，在保证性能的前提下，提出一种低复杂度高可实现性的SEFDM检测算法是本发明研究的主要问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的SEFDM检测算法中，TSVD算法性能较差，难以满足实际通信需求；SD算法在子载波数目较多的情况下复杂度过大，难以实现。
(2)现有的低复杂度算法性能难以满足实际要求，由于迭代算法中大量的迭代次数使得系统在硬件上的实现受到了很大限制。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种SEFDM通信系统的信号检测方法、系统及应用，尤其涉及一种与信道编码结合的SEFDM通信系统的信号检测方法、系统、介质、设备及终端。
本发明是这样实现的，一种SEFDM通信系统的信号检测方法，所述SEFDM通信系统的信号检测方法包括：利用前级信号检测器对信号进行初始检测；对初次信号检测的结果进行解调和译码并重新进行编码和调制；使用估计得到的发送信号计算出原始调制信号在SEFDM调制过程中丢弃的数据部分；使用估计出的丢弃数据补偿到接收端的初始信号来做SEFDM解调。
进一步，所述SEFDM通信系统的信号检测方法包括以下步骤：
步骤一，利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测，能够得到发送符号的初步估计值，该值为一个比较准确的结果。
步骤二，对初步检测的信号进行解调，译码后重新编码调制得到原始发送符号的估计值；能够得到发送符号的进一步的估计值，该值比步骤1的估计值更准确，并且为步骤三的参数。
步骤三，对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据，利用步骤2的估计值能够求出一个较为准确的被丢弃的数据部分提供给步骤4。
步骤四，将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部，能够得到迭代后的发送符号的最终估计值，该值作为最终的准确的结果。
进一步，所述步骤一中的使用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测包括：
产生SEFDM信号其中，等式右边第一个矩阵为c点IFFT矩阵，N/α＝c，N为系统子载波数目，α为系统压缩因子，序列s为系统原始的QPSK符号，看作原始序列补零并作IFFT，序列/>丢弃相应的内插零点为SEFDM符号；接收端通过逆操作进行初步解调并进行初步信号检测。
其中，所述SEFDM信号初步解调方法包括：等式右边第一个矩阵为c点FFT矩阵；/>的前N项为信号的初步解调结果。
所述信号初步检测方法包括：
使用IFFT矩阵的一个N阶子式以及信号的初步检测结果求出发端SEFDM调制过程中丢弃的数据部分并将丢弃的数据部分补偿到原始接收序列r作FFT操作，得到初始检测的输出。
进一步，所述步骤二中，将SEFDM信号检测器的第一次输出送入解调器和译码器中解映射和解码，并重新经过编码和星座映射等操作后得到原始发送符号的估计值，作为一个反馈信息送回SEFDM调制器。
进一步，所述步骤三中，对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据其中序列/>为发送信号估计值，等式右边的矩阵是IFFT矩阵左下角的一块尺寸为N的方阵。
进一步，所述步骤四中，将求出的丢弃数据I补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部得到检测器的最终输出，对所述最终输出进行解调以及译码操作，得到系统最终的输出比特。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的SEFDM通信系统的信号检测方法的SEFDM通信系统的信号检测系统，所述SEFDM通信系统的信号检测系统包括：
信号检测模块，用于利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测；
编码与调制模块，用于对第一次译码后的比特重新进行信道编码与星座映射以求出对原始发送符号的估计值；
解调与译码模块，用于对信号检测的结果作解调与译码；
IFFT求解模块，用于对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据；
FFT操作模块，用于将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用前级信号检测器对信号进行初始检测；对初次信号检测的结果进行解调和译码并重新进行编码和调制；使用估计得到的发送信号计算出原始调制信号在SEFDM调制过程中丢弃的数据部分；使用估计出的丢弃数据补偿到接收端的初始信号来做SEFDM解调。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用前级信号检测器对信号进行初始检测；对初次信号检测的结果进行解调和译码并重新进行编码和调制；使用估计得到的发送信号计算出原始调制信号在SEFDM调制过程中丢弃的数据部分；使用估计出的丢弃数据补偿到接收端的初始信号来做SEFDM解调。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的SEFDM通信系统的信号检测系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提出一种低复杂度高性能的检测算法，在满足实际通信需求的同时，能够降低SEFDM系统实际应用的成本。
如图4所示，本发明在误码率性能方面，以Turbo码为例，在编码长度较小时，表现出了比仅一次迭代情况下的现有技术一更优秀的误码性能，并且一定程度上解决了压缩因子过小时，现有技术一需要大量迭代次数否则误码率曲线不收敛的问题。在算法复杂度方面，本发明相当于每一次迭代仅需要一次IFFT操作与一次FFT操作，共需要N/αlog2(N/α)次复数乘法，相比传统算法要低许多，并且在硬件上的可实现性是很高的。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明具有实现复杂度低的优点，且能够很大程度改善SEFDM信号检测器的性能，适用于使用信道编码的SEFDM系统。本发明在SEFDM初步解调及检测的基础上，利用信道编码的纠错能力，估计出了原始发送信号使用IFFT方式做SEFDM调制过程中丢弃的数据部分，将这部分补充到接收信号的尾部，提高了信号检测器的误码率性能并且有着极低的复杂度，可实现性非常高。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：SEFDM系统的信号检测一直是巨大的挑战，性能好的算法复杂度过高难以实现，简单的线性算法性能又难以满足实际需求，现有的低复杂度高性能算法都需要多次迭代过程，导致硬件实现时会有很高的处理时延，使得硬件上的实现变得困难。本发明在初步检测器仅一次迭代的条件下，加上了一次编译码迭代，表现出了优异的性能，在硬件上可实现性非常高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的SEFDM通信系统的信号检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的SEFDM通信系统的信号检测方法原理图。
图3是本发明实施例提供的SEFDM通信系统的信号检测系统结构框图。
图4是本发明实施例提供的与信道编码结合的SEFDM通信系统的信号检测方法与现有技术一的误码率性能比较示意图。
图中：1、信号检测模块；2、解调与译码模块；3、编码与调制模块；4、IFFT求解模块；5、FFT操作模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种SEFDM通信系统的信号检测方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的SEFDM通信系统的信号检测方法包括以下步骤：
S101，利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测；
S102，对初步检测的信号进行解调，译码后重新编码调制得到原始发送符号的估计值；
S103，对得到的估计值插零进行IFFT，求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据；
S104，将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部。
如图3所示，本发明实施例提供的SEFDM通信系统的信号检测系统包括：
信号检测模块1，用于利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测；
解调与译码模块2，用于对信号检测的结果作解调与译码；
编码与调制模块3，用于对第一次译码后的比特重新进行信道编码与星座映射以求出对原始发送符号的估计值；
IFFT求解模块4，用于对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据；
FFT操作模块5，用于将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部。
如图2所示，本发明实施例提供的信道编码结合的SEFDM通信系统的信号检测方法具体包括以下步骤：
步骤一，产生SEFDM信号其中，等式右边第一个矩阵为c点IFFT矩阵，N/α＝c，N为系统子载波数目，α为系统压缩因子，序列s为系统原始的QPSK符号，可以看作原始序列补零并作了IFFT，序列/>丢弃相应的内插零点即为SEFDM符号。接收端通过逆操作进行初步解调并进行初步信号检测工作。其中的SEFDM初步解调以及初步检测方法具体为：使用公式/>对接收端的原始接收信号进行SEFDM初步解调。等式右边第一个矩阵为c点FFT矩阵。/>的前N项为信号的初步解调结果。
使用IFFT矩阵的一个N阶子式以及信号的初步检测结果求出发端SEFDM调制过程中丢弃的数据部分将该部分补偿到原始接收序列r作FFT操作可得到初始检测的输出。
步骤二，将SEFDM信号检测器的第一次输出送入解调器和译码器中解映射和解码，并重新经过编码和星座映射等操作后得到原始发送符号的估计值，作为一个反馈信息送回SEFDM调制器。
步骤三，对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据其中序列/>为发送信号估计值，等式右边的矩阵是IFFT矩阵左下角的一块尺寸为N的方阵。
步骤四，将求出的丢弃数据I补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部得到检测器的最终输出，对其进行解调以及译码操作即可得到系统最终的输出比特。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本算法是专为FPGA(现场可编程逻辑门阵列)实现而设计的，因为传统算法做FPGA或是复杂度太高难以实现，或是迭代次数太多处理时延过大无法实现，而本算法的复杂度极低且只需一次迭代。算法同样也可以用于其他一些DSP硬件上的实现。
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。
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
为了评估方法的性能，下面的仿真实验采用信号的类型为QPSK信号，迭代次数为1，参数设置如下：序列长度分别为48,56,72，编码方式为码率1/2的Turbo编码，信道为高斯信道。仿真结果如图4所示，本发明的SEFDM信号检测方案是有效可行的。由此说明本方法在仅使用了一次迭代的情况下，在高斯信道以及合适的压缩因子条件下，对SEFDM信号的检测具有较好的误码率性能，且复杂度极低，可实现性非常高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种SEFDM通信系统的信号检测方法，其特征在于，所述SEFDM通信系统的信号检测方法包括：
利用前级信号检测器对信号进行初始检测；对初次信号检测的结果进行解调和译码并重新进行编码和调制；使用估计得到的发送信号计算出原始调制信号在SEFDM调制过程中丢弃的数据部分；使用估计出的丢弃数据补偿到接收端的初始信号来做SEFDM解调；
所述SEFDM通信系统的信号检测方法包括以下步骤：
步骤一，利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测；
步骤二，对初步检测的信号进行解调，译码后重新编码调制得到原始发送符号的估计值；
步骤三，对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据；
步骤四，将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部；
所述步骤一中的使用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测包括：
产生SEFDM信号其中，等式右边第一个矩阵为c点IFFT矩阵，N/α＝c，N为系统子载波数目，α为系统压缩因子，序列s为系统原始的QPSK符号，看作原始序列补零并作IFFT，序列/>丢弃相应的内插零点为SEFDM符号；接收端通过相应的逆操作进行初步解调并进行初步信号检测；
其中，所述SEFDM信号初步解调方法包括：等式右边第一个矩阵为c点FFT矩阵；/>的前N项为信号的初步解调结果；
所述信号初步检测方法包括：
使用IFFT矩阵的一个N阶子式以及信号的初步检测结果求出发端SEFDM调制过程中丢弃的数据部分并将丢弃的数据部分补偿到原始接收序列r作FFT操作，得到初始检测的输出；
所述步骤三中，对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据其中序列/>为发送信号估计值，等式右边的矩阵是IFFT矩阵左下角的一块尺寸为N的方阵。
2.如权利要求1所述的SEFDM通信系统的信号检测方法，其特征在于，所述步骤二中，将SEFDM信号检测器的第一次输出送入解调器和译码器中解映射和解码，并重新经过编码和星座映射等操作后得到原始发送符号的估计值，作为一个反馈信息送回SEFDM调制器。
3.如权利要求1所述的SEFDM通信系统的信号检测方法，其特征在于，所述步骤四中，将求出的丢弃数据I补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部得到检测器的最终输出，对所述最终输出进行解调以及译码操作，得到系统最终的输出比特。
4.一种应用如权利要求1～3任意一项所述的SEFDM通信系统的信号检测方法的SEFDM通信系统的信号检测系统，其特征在于，所述SEFDM通信系统的信号检测系统包括：
信号检测模块，用于利用前级信号检测器对原始接收信号进行初步解调与信号检测；
解调与译码模块，用于对信号检测的结果作解调与译码；
编码与调制模块，用于对第一次译码后的比特重新进行信道编码与星座映射以求出对原始发送符号的估计值；
IFFT求解模块，用于对得到的估计值插零进行IFFT求出发送端在SEFDM调制过程中的丢弃数据；
FFT操作模块，用于将求出的丢弃数据补偿到接收端的原始接收信号进行FFT操作并丢弃尾部。
5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述的SEFDM通信系统的信号检测方法。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述的SEFDM通信系统的信号检测方法。
7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求4所述的SEFDM通信系统的信号检测系统。
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-
2022
- 2022-03-04 CN CN202210219257.0A patent/CN114629594B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114629594A (zh) | 2022-06-14 |
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