基于混合載波系統(tǒng)的載波間干擾抑制算法

李　勇，劉愛俠

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.石家莊柯棣華職業(yè)專修學(xué)院，河北 石家莊 050080)

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基于混合載波系統(tǒng)的載波間干擾抑制算法

李勇1,2，劉愛俠3

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.石家莊柯棣華職業(yè)專修學(xué)院，河北 石家莊 050080)

摘要：針對雙選信道下信號傳輸受到嚴(yán)重的載波間干擾(Inter Carrier Interference， ICI)的問題，首先利用部分FFT解調(diào)技術(shù)對局部干擾進(jìn)行了分析，進(jìn)一步在基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的混合載波系統(tǒng)的抗干擾理論的基礎(chǔ)上，提出了基于混合載波-部分FFT解調(diào)的信道ICI抑制算法，設(shè)計了這種算法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終將這種新的算法應(yīng)用到雙選信道下。仿真表明，相比較于傳統(tǒng)單載波和OFDM系統(tǒng)，該算法具有誤碼率性能上的明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：雙選信道；載波間干擾；混合載波；部分FFT解調(diào)

0引言

快速時變多徑信道下的干擾抑制問題是現(xiàn)在研究的熱點[1]，現(xiàn)有的多數(shù)文獻(xiàn)還是以單載波系統(tǒng)和以O(shè)FDM為代表的多載波系統(tǒng)為主[2]。但是單載波由于碼字寬度窄，受到快速時變信道碼間干擾嚴(yán)重，尤其在強(qiáng)時變密集多徑信道中，更容易受到由于多徑時延造成的碼間干擾。近年來，大多數(shù)研究者多以多載波調(diào)制系統(tǒng)來克服單載波遇到的問題，主要以O(shè)FDM為代表，通過增加符號間的寬度并使用簡單的均衡器消除碼間干擾，但是OFDM系統(tǒng)在大的多普勒影響下，子載波間的正交性容易受到破壞，這時的載波間干擾(Inter-carrier Interference,ICI)也是相當(dāng)嚴(yán)重的。

最近，南加州大學(xué)的研究人員提出一種特殊的解調(diào)方式-部分快速傅里葉變換(Partial Fast Fourier transform,PFFT)[1]，并且在聲吶系統(tǒng)以及數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)等快速時變信道下發(fā)揮了重要的作用。這種新型的解調(diào)方式，解決了傳統(tǒng)的傅里葉變換無法進(jìn)行局部分析的問題，并且在一定程度上克服了OFDM系統(tǒng)在快速時變信道下受到的ICI 的影響，但是OFDM系統(tǒng)在接收端的有效性仍然在強(qiáng)時變信道條件下遇到性能提高受限的瓶頸，本文將基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換(WFRFT)以及部分FFT解調(diào)， 提出一種新的混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)，新的系統(tǒng)將在抑制ICI上得到進(jìn)一步提升。

1混合載波系統(tǒng)

首先給出混合載波調(diào)制(hybrid carrier modulation,HCM)系統(tǒng)在雙選信道下的傳輸模型如圖1所示。

圖1　混合載波-PFFT解調(diào)系統(tǒng)在雙選信道下的傳輸模型

設(shè)長度為N的BPSK/QPSK信號D=(d1,d2,...,dN)，這里假設(shè)信號D是α階的加權(quán)分?jǐn)?shù)域信號[2]，經(jīng)過-α階的WFRFT變換后被調(diào)制為混合載波信號。由于WFRFT變換是一種時頻變換工具，文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)研究了它的性質(zhì)，信號經(jīng)過WFRFT變換后，信號能量以及信號上的干擾能量，能夠在較均勻的分布在時頻平面上[2]，這樣能夠在一定程度上降低強(qiáng)干擾產(chǎn)生的概率。

由于假設(shè)原始信號是α階的加權(quán)分?jǐn)?shù)域信號，因此，經(jīng)過-α階的WFRFT變換后，原始信號就由α階的加權(quán)分?jǐn)?shù)域信號變換到了時域信號。

假設(shè)系統(tǒng)的循環(huán)前綴持續(xù)時間為Tp，且Tp>Tτ，其中Tτ為最大時延擴(kuò)展。這樣，時域傳輸信號可以表示為：

(1)

式中，Td為采樣周期，加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的核函數(shù)φα(v,t)可以表示為[3]：

(2)

這里是利用分?jǐn)?shù)傅里葉變換的一般形式[3]，信道模型可以表示為：

(3)

假設(shè)hl(t)是快速時變多徑信道的信道增益，τl(t)是第l徑的時延擴(kuò)展，這里假設(shè)多徑延遲是時變的，這是不同于一般的慢時變信道，在快速時變信道下，諸如水聲信道[1,4]、數(shù)字視頻廣播信道[1]，由于大多普勒的影響，因此假設(shè)時延是隨時間變化的。經(jīng)過雙選信道后，在接收端去除循環(huán)前綴，這時的接收信號可以表示為：

(4)

式中，n(t)是加性高斯白噪聲。

2部分FFT解調(diào)(PFFT)技術(shù)

一般情況下，接收端通過一個傅里葉變換，就可以完成從時域到頻域的轉(zhuǎn)化，即：

(5)

這里Hp(t)和sp分別如下表示：

(6)

本文將用部分FFT解調(diào)(Partial FFT Demodulation,PFFT)來代替原來的傅里葉變換解調(diào)，PFFT解調(diào)首先將整個采樣區(qū)間[0,Td]，平均分成互不相交的Q部分，通過相應(yīng)位置的補零，仍然保持每一部分的信號長度不變。之后對每一子區(qū)間進(jìn)行傅里葉變換。其中第q個子區(qū)間的第k個輸出可以表示為：

(7)

這里部分積分的結(jié)果Gp-k(q)，可以表示為如下的形式：

(8)

PFFT解調(diào)以后，每一部分的有效信號的長度由N變成了現(xiàn)在的N/Q，這樣有效信號點上的干擾能量也相應(yīng)的降低，因此相比較于原來的傅里葉變換解調(diào)，在一定程度上降低了符號上產(chǎn)生強(qiáng)干擾的概率，同時經(jīng)過部分FFT 解調(diào)后，由于每一部分互不相交，這樣也在一定程度上減少了載波間干擾。

(9)

(10)

3優(yōu)化信道加權(quán)補償

前文已經(jīng)分析了信道加權(quán)補償?shù)谋匾裕瑸榱说玫絻?yōu)化的信道加權(quán)補償，本文采用最小均方誤差原則(Minimum Mean Square Error,MMSE)[5]:

(11)

(12)

(13)

(14)

4數(shù)值仿真

為了驗證本文提出的混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的性能，本節(jié)將利用數(shù)值仿真并對比傳統(tǒng)的單載波和OFDM系統(tǒng)，在同樣的信道均衡方式下的性能。

雙選信道仿真條件：每個數(shù)據(jù)幀長度N=256的QPSK信號， 采樣率54.69Hz，采樣周期18.28ms，循環(huán)前綴2.29 ms， 歸一化多普勒頻率0.274 2。采用10個徑的WSSUS模型[6]，最大延遲擴(kuò)展0.6 ms[7]。假設(shè)信道已經(jīng)通過一定的信道估計獲得[8]。

圖2(a)和(b)分別是3種通信系統(tǒng)利用部分FFT解調(diào)(Q=8、32)時的對比結(jié)果，其中，橫坐標(biāo)是信噪比(Signal-to-noise Ratio,SNR),單位是dB，縱坐標(biāo)是誤碼率(BER)。混合載波系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)α=0.4。在這種條件下，無論分塊數(shù)是多少，混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)都要比OFDM系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢，而當(dāng)信噪比大于 18dB時，混合載波-部分FFT解調(diào)的性能也會由于單載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)。這樣的信道模型可以模擬實際的聲納、高鐵以及數(shù)字視頻廣播等雙選信道模型。

(a)Q=8

(b)Q=32圖2　混合載波、單載波以及OFDM系統(tǒng)性能對比

5結(jié)束語

為了解決雙選信道下的載波間干擾問題，本文提出一種基于混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的ICI抑制算法，并且設(shè)計了這種算法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，結(jié)合混合載波和PFFT解調(diào)的特性，推導(dǎo)出優(yōu)化的信道補償。數(shù)值仿真表明，在典型的雙選信道下，混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的OFDM-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)，并且在一定的信噪比下，混合載波-部FFT解調(diào)系統(tǒng)的性能也優(yōu)于單載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的ICI 抑制算法，同時也說明本文提出的ICI抑制算法在性能上的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]Yerramalli S,Stojanpvic M,Mitra u.Partial FFT Demodulation:a Dection Method for Highly Doppler Distorted OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(11):5906-5918.

[2]Mei L,Sha X,Zhang N.The Approach to Carrier Scheme Convergence Based on 4-weighted Fractional Fourier Transform[J].IEEE Communications Letters,2010,14(6):503-505.

[3]史軍，遲永剛，沙學(xué)軍，等，加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換在采樣重構(gòu)中的應(yīng)用[J].通信學(xué)報，2010,31(4):88-93.

[4]Li Y，Sha X，Wang K.Hybrid Carrier Communication with Partial FFT Demodulation over Underwater Acoustic Channels[J].IEEE Communications Letters,2013,17(12):2260-2263.

[5]Li Y，Sha X，Zheng F C，et al,Low Complexity Equalization of HCM Systems with DPFFT Demodulation over Doubly-Selective Channels[J].IEEE Signal Processing Letters,2014,21(7):862-865.

[6]Hwang S J,Schniter P.Efficient Multicarrire Communication for Highly Spread Underwater Acoustic Channels[J].IEEE J.Sel.Areas Commun,2008,26(9):1674-1683.

[7]Schniter P.Low-complexity Equalization of OFDM in Double Selective Channels[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(4):1002-1011.

[8]Wang K,Sha X,Li Y.Hybrid Carrier Modulation with Time-Domain Windows and Iterative Equalization over Underwater Acoustic Channels[J].IEEE Communications Letters,2013,17(8):1489-1492.

Inter-Carrier Interference Mitigation Algorithm Based on Hybrid Carrier System

LI Yong1,2, LIU Ai-xia3

(1.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China；2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China；3.Shijiazhuang Kedihua Professional College,Shijiazhuang Hebei 050080,China )

Abstract：To the problem of severe inter-carrier interference (ICI) under doubly selective channel,the paper firstly analyzes the local interference,then proposes an ICI mitigation algorithm based on hybrid carrier system with partial FFT demodulation,on the basis of the interference suppression theory employing hybrid carrier system based on weighted type fractional Fourier transform (WFRFT).Moreover,the implement structure of ICI suppression algorithm is designed.Finally,this algorithm has been applied into the doubly selective channel.It is demonstrated that the proposed algorithm has advantage over the traditional single carrier system and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in terms of BER performace.

Key words：doubly selective channel；inter carrier interference；hybrid carrier system；partial FFT demodulation

中圖分類號：TP926

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-42-4

作者簡介：李勇(1985—)，男，工程師，主要研究方向：通信系統(tǒng)與信號處理。劉愛俠(1985—)，女，講師，主要研究方向：臨床病理研究和系統(tǒng)檢測。

基金項目：通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目(EX156410046)

收稿日期：2016-01-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.11

引用格式：李勇，劉愛俠.基于混合載波系統(tǒng)的載波間干擾抑制算法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):42-45.