CN104639489A

CN104639489A - 基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法与装置

Info

Publication number: CN104639489A
Application number: CN201510008840.7A
Authority: CN
Inventors: 肖海林; 胡静; 许旻; 任婵婵; 贺栋梁; 侯嘉
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-05-20

Abstract

本发明公开一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法与装置，其数字信源模块产生的基带数据经过信道编码模块的信道编码，调制映射模块的调制映射和串并转换模块的串并转换后送入双极性编码模块，双极性编码模块对并行数据依次进行双极性编码后送入IFFT变换模块进行IFFT变换，IFFT变换后的数据经加窗模块的升余弦窗后送入并串转换模块进行并串转换后送入射频模块，形成最终的OFDM调制信号。本发明能够在不增加计算复杂度和不引入干扰的情况下提高旁瓣抑制性能，从而最大限度地抑制认知用户对主用户的干扰。

Description

基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法与装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法与装置。

背景技术

随着无线业务的不断增长，频谱资源已经变得日益紧张。因此在今后的通信技术中，如何提高频谱利用率已经成为需要解决的主要问题之一。为了尽可能地最大化频谱利用率，国内外学者提出了认知无线电技术。认知无线电技术要求认知用户可以利用主用户未使用的频段(空闲频段)进行通信，并且将认知用户对主用户的干扰控制在可容忍的范围之内。OFDM技术在无线通信***中应用广泛，它具有较高的频谱利用率，并且子载波调制方式、占用带宽等参数可以灵活控制，因此将OFDM技术应用在认知无线电技术中可以有效满足认知无线电技术的要求。然而，OFDM调制信号存在较大的带外功率泄露，因此在认知用户发射端，简单地关闭主用户占用频段对应的OFDM子载波仍然会对主用户造成较大的旁瓣干扰，导致主用户不能正常通信。因此，在认知用户发射端，采用某种技术加快OFDM功率谱的带外衰减显得格外重要。

公开号为CN103581917的中国专利申请“用于OFDM***的频谱共存方法和频谱处理装置”中，提出了一种通过在目标频段(即需要产生频谱凹槽的频段)两端***干扰抵消子载波的方法来产生频谱凹槽，抑制旁瓣干扰。但这种方法的计算复杂度较高，不利于实时应用，并且当采用较少的抵消子载波时，旁瓣抑制效果较差。

公开号为CN103117977的中国专利申请“一种OFDM认知无线电***及非正交主动旁瓣抑制方法”中，提出了一种在非正交位置***干扰抵消子载波的方法，该方法性能相比传统的干扰抵消子载波法在旁瓣抑制性能上有所提高，但这种方法引入了子载波间干扰，并且进一步加大了计算复杂度，不利于实时应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法与装置，其能够在不增加计算复杂度和不引入干扰的情况下提高旁瓣抑制性能，从而最大限度地抑制认知用户对主用户的干扰。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，包含以下步骤：

(1)产生独立无记忆的基带数据，其中独立无记忆是指各基带数据之间是相互独立的，而且每一个基带数据的取值都是等概率的；

(2)对基带数据进行信道编码；

(3)对编码后的数据进行调制映射，得到M个调制映射后的数据；

(4)对调制映射后的数据进行串并转换，将M个串行的数据变换成v路的并行数据，每路并行数据的个数为N；

(5)对v路并行数据依次进行双极性编码；

(6)对双极性编码后的v路数据分别进行IFFT变换后形成v个OFDM符号，每个OFDM符号的IFFT变换的点数为N；

(7)将IFFT变换后得到的v个OFDM符号分别进行加窗，其中加窗函数为升余弦窗函数；

(8)将加窗后的v个OFDM符号进行并串转换；

(9)对串行数据进行射频调制，形成最终的OFDM调制信号。

上述步骤(3)中所进行的调制映射为16QAM调制映射。

上述步骤(5)中经过双极性编码后的v路并行数据中的1路数据满足a_i,2k＝-a_i,2k-1,k＝1,2,N/2+1。

上述步骤(7)中所述的升余弦窗函数的数学表达式为：

w_{n} = \{\begin{matrix} 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n}{βN}), & 0 \leq n < βN \\ 1, & β \leq n < N \\ 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n - N}{βN}), & N \leq n < (1 + β) N \end{matrix}

式中，w_n为升余弦窗函数，β为窗函数的滚降系数，N为IFFT变换的点数，n为窗函数序列的样本数。

一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制装置，由数字信源模块、信道编码模块、调制映射模块、串并转换模块、双极性编码模块、IFFT变换模块、加窗模块、并串转换模块和射频模块组成；数字信源模块的输出端经信道编码模块后送入调制映射模块的输入端，调制映射模块的输出端经串并转换模块与双极性编码模块的输入端，双极性编码模块的输出端经IFFT变换模块与加窗模块的输入端相连，加窗模块的输出端连接射频模块的输入端。

上述调制映射模块为16QAM调制映射模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)通过双极性编码与加窗处理实现OFDM***的联合旁瓣抑制，其不需要复杂的计算过程，从而可以在不增加硬件实现复杂度的情况下提高旁瓣抑制性能。

(2)以FPGA为硬件实现平台，提高了***的并行处理能力，增加了***的集成度，降低了成本与功耗。

(3)本发明提出的方法所涉及的OFDM符号子载波调制方式为16QAM，相邻子载波携带相同的比特信息，起到了频率分集的作用，有助于提高***的误码性能。

附图说明

图1为认知OFDM中基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法流程图。

图2为认知OFDM中基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制装置的结构框图。

图3为信道编码模块的结构框图。

图4为双极性编码模块的结构框图。

图5为本方法与传统方法的旁瓣抑制性能仿真对比图。

图6为本方法与传统方法的误码性能仿真对比图。

具体实施方式

一个OFDM符号的功率谱函数可以由下式计算：

S_{x} (f) = Σ_{i = 0}^{N - 1} \frac{{| X_{i} (f) |}^{2}}{T_{S}} - - - (1)

式中，i表示一个OFDM符号的第i个子载波，T_S为一个OFDM符号的持续时间，N为一个OFDM符号的子载波数，f为一个OFDM符号占据的频率范围。X_i(f)为双极性编码和加窗之前第i子载波的频谱函数，它可以由下式计算：

X_{i} (f) = \sqrt{N} T_{S} \cos (πi) [\frac{\sin π (f T_{S} N - i)}{π (f T_{S} N - i)}] - - - (2)

由式(2)可以看出，双极性编码和加窗以前的单个OFDM子载波频谱仅以的速率下降，因而带外辐射功率较大，造成了较大的旁瓣干扰。

经过双极性编码后，第i个和第i+1个子载波组成的子载波对形成的频谱函数为：

X_{i} (f) - X_{i + 1} (f) = - \sqrt{N} T_{S} [\frac{\sin π (f T_{S} N - i)}{π (f T_{S} N - i - 1) (f T_{S} N - i)}] - - - (3)

由式(3)可以看出，双极性编码后的子载波对的频谱以的速率下降，下降速率明显加快，因而减小了带外辐射功率，抑制了旁瓣干扰。

将经过双极性编码及IFFT变换后形成的OFDM符号送入加窗模块进行加窗操作，可以进一步加快OFDM符号频谱的带外功率衰减速度，从而进一步抑制旁瓣干扰。以升余弦窗为例，加窗后的OFDM符号功率谱函数为：

S_{RC} (f) = S_{x} (f) \frac{\cos (βπf T_{S})}{1 - 4 β^{2} f^{2} T_{S}} - - - (4)

式中，β为窗函数的滚降系数。从式(4)可以看出，加窗后的OFDM符号的功率谱函数以的速率衰减，因而加窗操作可以进一步抑制旁瓣干扰。

基于以上原理，本发明所设计的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，如图1所示，包含以下步骤：

(1)将数字信源模块送出的基带数据送入信道编码模块进行信道编码，以纠正信道传输过程中可能导致的突发错误。

(2)将编码后的数据送入16QAM调制映射模块进行调制映射，得到调制映射后的数据，设为将编码后的数据送入16QAM调制映射模块进行调制映射，得到调制映射后的数据，设为c_index,index＝1,2,...M，M为调制映射后的数据个数,index为调制映射后的数据下标。

(3)将调制映射后的数据进行串并转换，将M个串行的数据变换成v路的并行数据a_i,j,i＝1,2,…v,j＝1,2,…N，每一路并行数据的个数为N。M、v、N之间满足以下关系：M＝vN。本发明的优选实施例中，M＝1280，v＝10，N＝128。

(4)将调制映射后的数据送入双极性编码模块进行双极性编码，使得编码后的v路并行数据中的1路数据满足a_i,2k＝-a_i,2k-1,k＝1,2,N/2+1。

(5)将双极性编码后的并行数据送入IFFT变换模块进行IFFT变换，IFFT变换的点数为N。IFFT变换后形成v个OFDM符号。

(6)将IFFT变换后的10个OFDM符号送入加窗模块进行加窗，最终完成双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制过程。由于升余弦窗的旁瓣抑制性能要优于其他窗函数，因此加窗模块的窗函数采用升余弦窗实现，升余弦窗的数学表达式为：

w_{n} = \{\begin{matrix} 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n}{βN}), & 0 \leq n < βN \\ 1, & β \leq n < N \\ 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n - N}{βN}), & N \leq n < (1 + β) N \end{matrix} - - - (5)

式中，β为窗函数的滚降系数，N为IFFT变换的点数。本发明优选实施例中，β＝0.125，N＝128。

(7)将加窗后的OFDM符号进行并串转换后送入射频模块，形成最终的OFDM调制信号。步骤(1)到(6)可以抑制OFDM调制信号的旁瓣功率。

基于上述方法所设计的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制装置，如图2所示，主要由数字信源模块、信道编码模块、16QAM调制映射模块、串并转换模块、双极性编码模块、IFFT变换模块、加窗模块、并串转换模块和射频模块组成。数字信源模块的输出端与信道编码模块的输入端相连。信道编码模块的输出端与16QAM调制映射模块的输入端相连。16QAM调制映射模块的输出端与串并转换模块的输入端相连。串并转换模块的输出端与双极性编码模块的输入端相连。双极性编码模块的输出端与IFFT变换模块的输入端相连。IFFT变换模块的输出端与加窗模块的输入端相连。加窗模块的输出端与并串转换模块的输入端相连。并串转换模块的输出端与射频模块的输入端相连。

上述数字信源模块、信道编码模块、16QAM调制映射模块、串并转换模块、双极性编码模块、IFFT变换模块、并串转换模块和加窗模块均可以在FPGA芯片上实现。FPGA芯片采用ISE公司的virtexIV系列xc4v55芯片，该芯片内部集成了大量分布式RAM用于实现逻辑设计、块RAM用于数据高速存储、PLL用于时钟的管理、嵌入式乘法器用于数字信号的处理、高速收发器用于数据通信等等，具有并行处理能力强﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活等优点。射频模块为现有的，从市场购买得到。

数字信源模块用来产生二进制基带数据送到信道编码模块，数字信源模块通过PC端串口调试助手通过RS232接口将二进制数据源传输到FPGA板上实现。

信道编码模块用来对数字信源送来的二进制基带数据进行信道编码，以纠正数字信号在信道传输过程中可能产生的随机错误。信道编码模块采用(2,1,7)卷积码，其结构如图3所示，图中，为异或门，D1-D6为六级移位寄存器。该模块编码效率为1/2，约束长度为7。信道编码模块通过Verilog硬件描述语言在FPGA上实现。

16QAM调制映射模块用来将信道编码模块送来的基带二进制数据进行16QAM调制映射，即将基带二进制数据映射到对应的OFDM子载波上，经过映射以后一个OFDM子载波携带4bit的信息映射。16QAM调制映射模块通过Verilog硬件描述语言在FPGA上实现。

串并转换模块用来将串行的一路数据流转换成并行的多路数据，以适应OFDM传输机制的要求。串并转换模块通过verilog硬件描述语言在FPGA上实现。

双极性编码模块用来将串并转换后的并行数据流进行双极性编码，其结构如图4所示。该模块使得在一路并行数据中，后一个数据的极性与前一个数据的极性相反，从而使得一个OFDM符号的相邻子载波携带极性相反的数据。在如图4所示结构中，输入数据顺序写入RAM模块中，RAM模块在读地址计数器的作用下将数据输出。数据输出后送入奇偶判断模块，奇偶判断模块对读地址计数器的计数值的奇偶性进行判断，奇数地址的数据直接输出，偶数地址的数据经过取补码模块后输出，实现双极性编码的过程。双极性编码模块通过Verilog硬件描述语言在FPGA上实现。

IFFT模块用来将串并转换及双极性编码后的并行数据进行IFFT变换，形成OFDM符号。IFFT变换的点数为N＝128。IFFT模块通过调用Xilinx公司的IP核在FPGA上实现。

加窗模块用来将IFFT模块送出的OFDM符号进行加窗处理，以进一步抑制旁瓣干扰。加窗模块采用的窗函数为升余弦窗。加窗模块通过调用Xilinx公司的IP核在FPGA上实现。

并串转换模块用来将加窗后的并行数据流转换成串行数据流，并串转换模块通过Verilog硬件描述语言在FPGA上实现。

射频模块用来将串行的OFDM符号进行D/A变换及射频调制，形成最终的OFDM调制信号。射频模块为现有的，从市场购买得到。

本旁瓣抑制方法在Matlab仿真环境中对该方法和传统的直接关闭子载波方法进行了仿真对比。仿真参数设置如下：***子载波数为128，主用户占用的频段对应的子载波序号为9-12，子载波调制方式为16QAM，信道为AWGN信道。仿真结果如图5所示。从仿真结果看，直接关闭子载波的方法可以产生大约-20dB的陷波深度，而***干扰抵消子载波(AIC)的方法可以产生约-25dB的陷波深度，稍优于直接关闭子载波法。双极性编码方法可以将抑制性能提升至-30dB，而本专利提出的双极性编码与加窗联合抑制的方法可以将抑制性能提升至-35dB。显然，本专利提出的方法在不增加计算复杂度的情况下提高了旁瓣抑制性能。

本旁瓣抑制方法在Matlab仿真环境中将该方法的误码性能和传统的直接关闭子载波的方法进行了仿真对比。仿真参数设置如下：***子载波数为128，主用户占用的频段对应的子载波序号为9-12，本方法采用的OFDM子载波调制方式为16QAM，传统方法为QPSK，但由于本方法采用的OFDM相邻子载波传输相同的数据信息，因此本方法与传统方法的数据传输速率相同。仿真结果如图6所示。从仿真结果可以看出，本方法的误码性能要优于传统方法，这是因为本方法采用的OFDM相邻子载波经过双极性编码后传输相同的数据信息，起到了频率分集的作用，从而提高了***的误码性能。

Claims

1.一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)产生独立无记忆的基带数据；

(2)对基带数据进行信道编码；

(5)对v路并行数据依次进行双极性编码；

(8)将加窗后的v个OFDM符号进行并串转换；

(9)对串行数据进行射频调制，形成最终的OFDM调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，其特征是，步骤(3)中所进行的调制映射为16QAM调制映射。

3.根据权利要求1所述的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，其特征是，步骤(5)中经过双极性编码后的v路并行数据中的1路数据满足a_i,2k＝-a_i,2k-1,k＝1,2,N/2+1。

4.根据权利要求1所述的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制方法，其特征是，步骤(7)中所述的升余弦窗函数的数学表达式为：

w_{n} = \{\begin{matrix} 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n}{βN}), & 0 \leq n < βN \\ 1, & β \leq n < N \\ 0.5 + 0.5 \cos (π \frac{n - N}{βN}), & N \leq n < (1 + β) N \end{matrix}

5.基于上述方法所设计的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制装置，其特征是，由数字信源模块、信道编码模块、调制映射模块、串并转换模块、双极性编码模块、IFFT变换模块、加窗模块、并串转换模块和射频模块组成；数字信源模块的输出端经信道编码模块后送入调制映射模块的输入端，调制映射模块的输出端经串并转换模块与双极性编码模块的输入端，双极性编码模块的输出端经IFFT变换模块与加窗模块的输入端相连，加窗模块的输出端连接射频模块的输入端。

6.根据权利要求5所述的一种基于双极性编码与加窗的联合旁瓣抑制装置，其特征是，所述调制映射模块为16QAM调制映射模块。