CN115086124B - 一种基于信道频率相关性的ofdm子载波调制识别方法 - Google Patents

一种基于信道频率相关性的ofdm子载波调制识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法。现有的方法一般复杂度较高，或者需要大量的OFDM符号并且还需要保证这些符号都经历了相同的信道才能够得到较好的识别率。本发明的方法通过相邻子载波上的信道频率响应的相关性对基带的OFDM符号进行处理得到一个新的序列，对新的序列进行星座图的匹配之后，识别出OFDM符号子载波的调制方式。同时本方法可用于SIMO系统，利用MRC可以增加识别正确概率。本方法适用于在未知信道信息情况下的OFDM子载波调制方式识别，尤其适用于非协作OFDM水声通信中，该方法运算量小，且只需要一个OFDM符号即可完成识别。

Description

一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法
技术领域
本发明涉及一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，属于水声通信和通信对抗领域，涉及在先验信息较少甚至没有的情况下OFDM子载波调制方式识别问题。
背景技术
正交频分复用技术因其抗多径效应，均衡复杂度低，频谱利用率高的特点，十分适合用于多径严重，带宽狭窄的水声信道中。而随着水声OFDM技术的逐渐成熟，OFDM技术已经成为高速水声通信的主要技术之一。在水声通信方面，通过对OFDM子载波调制方式的识别可以减少信息开销，使得接收端不需要事先获知发送OFDM子载波的调制方式也能通过识别，进行正确的解调；在通信对抗方面，可以在对他人OFDM信号进行截获分析，识别出其符号子载波的调制方式。
与无线场景不同，水声信道具有更严重的多径效应，同时具有一定的时变性使得不同时间段所发射的OFDM符号会经历不同的多径水声信道，并且所能够利用的OFDM符号也有限。针对以上问题本发明利用信道频率响应在OFDM相邻子载波上的相关性对原始信号进行处理，对处理后的数据进行星座图匹配来进行识别，同时本方法经过适当得调整可用于SIMO系统，增加识别正确的概率。
发明内容
为了抵抗水声信道中的多径影响以及克服接收符号数量较少的问题，本发明提出一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，该方法适用于SISO和SIMO系统，具体技术方案如下：
一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，该方法具体包括如下步骤：
S1：将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样、FFT操作得到N个OFDM的基 带符号
Figure 356413DEST_PATH_IMAGE001
；
S2:将前后相邻子载波上的基带符号进行相除得到新的序列
Figure 129197DEST_PATH_IMAGE002
，以及其星座图
Figure 669900DEST_PATH_IMAGE003
；
S3:根据不同调制方式所对应的星座图建立相应的调制方式所产生的序列的星座 图
Figure 139802DEST_PATH_IMAGE004
；
S4:将接收到符号产生的序列
Figure 740548DEST_PATH_IMAGE005
的星座图
Figure 797365DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 407338DEST_PATH_IMAGE004
进行匹配，与
Figure 436474DEST_PATH_IMAGE006
匹配度最高的
Figure 739280DEST_PATH_IMAGE004
所对应的调制方式即为识别的结果。
进一步地，所述的S1具体为：
（1）将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样基础操作后，FFT操作之前，需要根据OFDM的类型做出不同的处理，如果为CP-OFDM则要进行去CP操作，如果为ZP-OFDM则要进行Overlap-add（OLA）操作；
（2）对于具有Nr个单发多收系统，其每个接收端得到的N个基带符号
Figure 221077DEST_PATH_IMAGE007
，i=1，2，...，Nr。
进一步地，所述的S2具体为：
（1）假设信道的长度小于保护间隔的长度，在将OFDM信号从通带转化成基带符号 的过程，信道对基带符号的影响可写成
Figure 136205DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 754268DEST_PATH_IMAGE009
为对角线矩阵，其对角线上的元 素
Figure 24713DEST_PATH_IMAGE010
为子载波上的信道频率响应，
Figure 993806DEST_PATH_IMAGE011
为发送符号向量，
Figure 680002DEST_PATH_IMAGE012
为 加性高斯白噪声向量；
（2）假设信道的长度是远小于子载波个数N的，此时信道的频率响应由信道的时域 冲激响应经过末尾补零后，再经过FFT得到，此时相邻子载波上的信道的频率响应相关性很 大，其关系可近似成
Figure 683730DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure 328338DEST_PATH_IMAGE014
为相邻子载波上信道频率比值，由于信道频率相 关性其值接近于1；
（3）对于单发单收系统，将前后相邻子载波上的基带符号进行相除得到新的序列
Figure 283262DEST_PATH_IMAGE015
，其中元素
Figure 38729DEST_PATH_IMAGE016
；
（4）对于多发单收系统，对每个接收端接收到的OFDM符号中将前后相邻子载波上 的基带符号进行相除得到
Figure 631384DEST_PATH_IMAGE017
，计算不同接收端不同子载波上的能量
Figure 243631DEST_PATH_IMAGE018
，其中j 代表第j个子载波，i代表第i路接收；通过最大比合并（MRC）得到序列
Figure 187316DEST_PATH_IMAGE019
，其中元素
Figure 480894DEST_PATH_IMAGE020
。
进一步地，所述的S3具体为：
（1）根据不同调制方式生成所对应的符号
Figure 193635DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 415932DEST_PATH_IMAGE022
为该调制方 式总符号个数；
（2）对
Figure 643651DEST_PATH_IMAGE023
中的元素进行遍历两两相除得到
Figure 740920DEST_PATH_IMAGE024
，该元素合集组成相 应的调制方式所产生的序列的星座图
Figure 573746DEST_PATH_IMAGE025
；
进一步地，所述的S4具体为：
（1）计算
Figure 465479DEST_PATH_IMAGE026
在调制方式为M下的星座图
Figure 383756DEST_PATH_IMAGE027
与其中各元素的距离
Figure 19137DEST_PATH_IMAGE028
，根据距离 最小判断
Figure 939426DEST_PATH_IMAGE029
在调制方式为M下判决的星座点符号
Figure 267640DEST_PATH_IMAGE030
；
（2）计算接收符号与对应判决的星座点符号距离
Figure 938792DEST_PATH_IMAGE031
；
（3）为每个调制方式设置一个距离阈值
Figure 440181DEST_PATH_IMAGE032
，计算在不同调制方式下
Figure 982021DEST_PATH_IMAGE033
的 个数
Figure 481135DEST_PATH_IMAGE034
；
（4）设置一个数目阈值
Figure 609890DEST_PATH_IMAGE035
，如果
Figure 587074DEST_PATH_IMAGE036
，那么判断此时调制方式M为原始OFDM 信号子载波调制方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过信道频率的相关性对基带OFDM符号进行处理得到新的序列，大大减少了信道多径效应对识别算法的影响。
根据新序列的星座图匹配的结果来对得到OFDM子载波的调制方式，其可识别的调制方式的种类更多。
可结合SIMO系统，利用多接收阵列来提高信噪比，其识别结果更可靠。
附图说明
图1为本发明的识别算法流程图。
图2为几种常见调制方式符号通过相除得到新序列的星座图。
图3是识别四种调制方式的仿真结果图。
图4海试数据的处理对比图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
S1：将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样、FFT操作得到N个OFDM的基 带符号
Figure 983420DEST_PATH_IMAGE037
。
（1）将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样基础操作后，FFT操作之前，需要根据OFDM的类型做出不同的处理，如果为CP-OFDM则要进行去CP操作，如果为ZP-OFDM则要进行Overlap-add（OLA）操作；
（2）对于具有Nr个单发多收系统，其每个接收端得到的N个基带符号
Figure 653436DEST_PATH_IMAGE038
，i=1，2，...，Nr；
S2:将前后相邻子载波上的基带符号进行相除得到新的序列
Figure 768022DEST_PATH_IMAGE039
，以及其星座图
Figure 345634DEST_PATH_IMAGE040
。
（1）假设信道的长度小于保护间隔的长度，在将OFDM信号从通带转化成基带符号 的过程，信道对基带符号的影响可写成
Figure 862066DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 771876DEST_PATH_IMAGE042
为对角线矩阵，其对角线上的元素
Figure 170497DEST_PATH_IMAGE043
为子载波上的信道频率响应，
Figure 755062DEST_PATH_IMAGE044
为发送符号向量，
Figure 126000DEST_PATH_IMAGE045
为 加性高斯白噪声向量；
（2）假设信道的长度是远小于子载波个数N的，此时信道的频率响应由信道的时域 冲激响应经过末尾补零后，再经过FFT得到，此时相邻子载波上的信道的频率响应相关性很 大，其关系可近似成
Figure 137819DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure 695839DEST_PATH_IMAGE047
为相邻子载波上信道频率比值，由于信道频率 相关性其值接近于1；
（3）对于单发单收系统，将前后相邻子载波上的基带符号进行相除得到新的序列
Figure 84095DEST_PATH_IMAGE048
，其中元素
Figure 811005DEST_PATH_IMAGE049
；
（4）对于多发单收系统，对每个接收端接收到的OFDM符号中将前后相邻子载波上 的基带符号进行相除得到
Figure 993724DEST_PATH_IMAGE050
，计算不同接收端不同子载波上的能量
Figure 570199DEST_PATH_IMAGE051
，其中 j代表第j个子载波，i代表第i路接收；通过最大比合并（MRC）得到序列
Figure 293305DEST_PATH_IMAGE052
，其中元素
Figure 373256DEST_PATH_IMAGE053
；
S3:根据不同调制方式所对应的星座图建立相应的调制方式所产生的序列的星座 图
Figure 992456DEST_PATH_IMAGE054
。
（1）根据不同调制方式生成所对应的符号
Figure 525069DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure 753663DEST_PATH_IMAGE056
为该调制方式 总符号个数；
（2）对
Figure 688121DEST_PATH_IMAGE057
中的元素进行遍历两两相除得到
Figure 478222DEST_PATH_IMAGE058
，该元素合集组成 相应的调制方式所产生的序列的星座图
Figure 560448DEST_PATH_IMAGE059
；
S4:将接收到符号产生的序列
Figure 828618DEST_PATH_IMAGE060
的星座图
Figure 617582DEST_PATH_IMAGE061
与
Figure 578585DEST_PATH_IMAGE062
进行匹配，与
Figure 383992DEST_PATH_IMAGE061
匹配度最高的
Figure 455853DEST_PATH_IMAGE062
所对应的调制方式即为识别的结果。
（1）计算
Figure 364904DEST_PATH_IMAGE063
在调制方式为M下的星座图
Figure 231228DEST_PATH_IMAGE064
与其中各元素的距离
Figure 288046DEST_PATH_IMAGE065
，根据距离最 小判断
Figure 632440DEST_PATH_IMAGE066
在调制方式为M下判决的星座点符号
Figure 160111DEST_PATH_IMAGE067
；
（2）计算接收符号与对应判决的星座点符号距离
Figure 994075DEST_PATH_IMAGE068
；
（3）为每个调制方式设置一个距离阈值
Figure 741451DEST_PATH_IMAGE069
，计算在不同调制方式下
Figure 155115DEST_PATH_IMAGE070
的个数
Figure 569915DEST_PATH_IMAGE071
；
（4）设置一个数目阈值
Figure 43622DEST_PATH_IMAGE072
，如果
Figure 514180DEST_PATH_IMAGE073
，那么判断此时调制方式M为原始OFDM信 号子载波调制方式。
图2为几种常见调制方式符号通过相除得到新序列的星座图。其中分别举例了BPSK，QPSK，星形16QAM和方形16QAM其符号相除，得到的标准序列的星座图。其中由于PSK调制中的符号只变换了相位，因此其新序列的星座图与原始符号的星座图一致，而QAM调制由于存在不同的幅度，因此其星座图相比原符号的星座图要更密，符号种类更多。
图3是识别四种调制方式的仿真结果图。其中四种调制方式为BPSK，QPSK，星形16QAM和方形16QAM，他们的距离阈值根据其星座点的数量分别设置为：0.8，0.5，0.35，0.2，数目阈值设置为700。仿真中采用了4个接收端来对数据信号进行MRC的数据进行匹配。
图4海试数据的处理对比图。该海试数据中的OFDM子载波调制方式为QPSK，其中左 图是单路的原始基带符号所形成的星座图，右图为经过处理后得到的新序列
Figure 465955DEST_PATH_IMAGE074
的星座图。 经过对比很明显可以看出经过处理后的星座图呈现的是QPSK调制，而经过后续的星座图匹 配结果也为QPSK。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样、FFT操作得到N个OFDM的基带符 号
Figure 626147DEST_PATH_IMAGE001
；
S2:将前后相邻子载波上的基带符号进行相除得到新的序列
Figure 5176DEST_PATH_IMAGE002
，以及其星座图
Figure 461565DEST_PATH_IMAGE003
；
S3:根据不同调制方式所对应的星座图建立相应的调制方式所产生的序列的星座图
Figure 473425DEST_PATH_IMAGE004
；
S4:将接收到符号产生的序列
Figure 331659DEST_PATH_IMAGE002
的星座图
Figure 943906DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 622012DEST_PATH_IMAGE004
进行匹配，与
Figure 712328DEST_PATH_IMAGE003
匹配度最高的
Figure 425069DEST_PATH_IMAGE004
所 对应的调制方式即为识别的结果。
2.根据权利要求1所述的基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，其特征在于，所述的S1具体为：
（1）将接收到的通带OFDM信号，经过下混频、基带采样基础操作后，FFT操作之前，需要根据OFDM的类型做出不同的处理，如果为CP-OFDM则要进行去CP操作，如果为ZP-OFDM则要进行Overlap-add（OLA）操作；
（2）对于具有Nr个单发多收系统，其每个接收端得到的N个基带符号
Figure 912945DEST_PATH_IMAGE005
，i=1，2，...，Nr。
3.根据权利要求1所述的基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，其特征在于，所述的S3具体为：
（1）根据不同调制方式生成所对应的符号
Figure 343926DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 175616DEST_PATH_IMAGE007
为该调制方式总符 号个数；
（2）对
Figure 742863DEST_PATH_IMAGE008
中的元素进行遍历两两相除得到
Figure 696913DEST_PATH_IMAGE009
，该元素合集组成相 应的调制方式所产生的序列的星座图
Figure 615190DEST_PATH_IMAGE004
。
4.根据权利要求1所述的基于信道频率相关性的OFDM子载波调制识别方法，其特征在于，所述的S4具体为：
（1）计算
Figure 984992DEST_PATH_IMAGE010
在调制方式为M下的星座图
Figure 967598DEST_PATH_IMAGE004
与其中各元素的距离
Figure 295811DEST_PATH_IMAGE011
，根据距离最小判 断
Figure 170226DEST_PATH_IMAGE010
在调制方式为M下判决的星座点符号
Figure 671615DEST_PATH_IMAGE012
；
（2）计算接收符号与对应判决的星座点符号距离
Figure 213454DEST_PATH_IMAGE013
；
为每个调制方式设置一个距离阈值
Figure 712569DEST_PATH_IMAGE014
，计算在不同调制方式下
Figure 841324DEST_PATH_IMAGE015
的个数
Figure 552928DEST_PATH_IMAGE016
；
（3）设置一个数目阈值
Figure 214854DEST_PATH_IMAGE017
，如果
Figure 884869DEST_PATH_IMAGE018
，那么判断此时调制方式M为原始OFDM信号子 载波调制方式。
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