CN109617840A - 一种基于重叠保留法的部分fft通信信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，属于无线通信技术领域。本发明首先对接收到的信号进行重叠保留分块，然后将所述重叠信号块进行M点的部分FFT检测，并进行部分加权补偿，得到重叠保留分块信号的频域估计值；再对得到的重叠保留分块信号的频域估计值进行M点的IFFT，得到时域重叠保留分块信号；最后选取各时域重叠保留分块信号的中间N个数据，组成数据流，即得到均衡后的数据。本发明解决了现有技术在双弥散信道下，只能处理带CP帧结构的数据流，同时抑制ICI性能差导致通信性能较低的问题。本发明可用于通信信号检测。

Description

一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种部分FFT通信信号检测方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，无CP的帧结构设计由于较高的频谱效率得到了部分学者的重视。已有学者研究并提出了单载波调制下无CP帧结构的非线性频域均衡器。其利用重叠保留或重叠相加的方式在频域对接收到的信号进行均衡处理。有文献(Shynk J J.Frequency-domainand multirate adaptive filtering[J].IEEE Signal Processing Magazine,1992,9(1):14-37.)指出：这种处理方式对应的频域均衡系数若为2Z个，则实际上相当于Z阶时域均衡器；同时，为了尽量减小段间干扰，各分段之间的重叠部分应显著大于信道长度。

此外，对于均衡算法，学者们一直在探求性能与复杂度的折衷。对于双弥散信道，现有的均衡算法主要分为线性均衡和非线性均衡两种。线性均衡又分为并行实现的块线性均衡、串行实现的连续线性均衡和以基扩展模型结构实现的线性均衡三种(王焜.基于加权分数傅里叶变换的双选信道下干扰抑制方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014：12.)。非线性均衡包括判决反馈类型的均衡和迭代均衡两种类型。而近几年，Yerramalli等人将PFFT应用于双弥散信道，在抑制ICI方面取得了较好的性能(Yerramalli S,Stojanovic M,Mitra U.Partial FFT demodulation:Adetection method for highlyDoppler distorted OFDM systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(11):5906-5918.)，但其研究仅针对CP-OFDM***。而李勇提出了一种新的混合载波-部分FFT解调***(李勇.快速时变信道下基于WFRFT和部分FFT的传输方法[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014:54–77.)，在抑制ICI上得到了进一步的提升，但却仅适用于带CP的单载波***、多载波***或混合***。

发明内容

本发明为解决现有技术在双弥散信道下，只能处理带CP帧结构的数据流，同时抑制ICI性能差导致通信性能较低的问题，提供了一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法。

本发明所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、进行重叠保留分块：对接收到的信号r(n)进行长度为N的不重叠分块，第i个分块的信号表示为r_i；i＝1,2,…,J；J为分块的数目；继而，取出三个连续不重叠分块r_i-1,r_i,r_i+1的中间M个值得到重叠保留分块信号

步骤二、将所述重叠信号块进行M点的部分FFT解调，并进行部分加权补偿，得到重叠保留分块信号的频域估计值；

步骤三、对步骤二得到的重叠保留分块信号的频域估计值进行M点的IFFT，得到时域重叠保留分块信号；

步骤四、保留各时域重叠保留分块信号的中间N个数据组成数据流，即得到均衡后的数据。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，主要将重叠保留法与PFFT解调算法进行融合，其既可运用于多载波***、单载波***，也可运用于混合载波***；运用于不同***时，只需在步骤四的重叠保留操作后，将数据变换回原始的生成域即可。本发明将PFFT结构有机融合，有效提升了在双弥散信道下的检测性能，能有效抑制ICI，仿真实验表明，相比CP-DFT-S-OFDM使用传统的PFFT检测算法，本发明的误比特率性能提升在一个数量级以上。

本发明的另一突出优势是***不依赖CP，能够处理任何帧结构的数据流，提升了***的频谱效率；可在相同的调制方式与其余参数下，频谱效率提升为原有的(T_d+T_p)/T_d倍。其中，T_d为DFT-S-OFDM符号的采样周期，T_p为CP的长度。

附图说明

图1为基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测的***框图；

图2为本发明中接收端进行重叠保留分块示意图；

图3为本发明实施例中不同方法下的误码率性能对比曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、进行重叠保留分块：对接收到的信号r(n)进行长度为N的不重叠分块(N应大于信道的时延长度)，第i个分块的信号表示为r_i；i＝1,2,…,J；J为分块的数目；继而，取出三个连续不重叠分块r_i-1,r_i,r_i+1的正中间M个值得到重叠保留分块信号M为重叠保留分块信号的长度；

步骤二、将所述重叠信号块进行M点的部分FFT(快速傅里叶变换)解调，并进行部分加权补偿，得到重叠保留分块信号的频域估计值；

步骤三、对步骤二得到的重叠保留分块信号的频域估计值进行M点的IFFT(快速傅里叶反变换)，得到时域重叠保留分块信号；

步骤四、保留各时域重叠保留分块信号的中间N个数据组成数据流，即得到均衡后的数据。

基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测的***框图如图1所示。本发明主要针对接收端进行阐述。发送端所发送的数据为连续的DFT-S-OFDM符号流。当发送端所发送数据为连续的OFDM符号流时，只需在接收端最后面的重叠保留模块后添加一FFT模块，将数据转回频域即可。需要指出的时，本发明的连续流数据无需添加CP。图1中，发送数据为J个DFT-S-OFDM符号构成的连续流S₁,…,S_J，接收端，重叠保留输出

缩略语定义为：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中所述重叠保留分块信号具体为：

对接收到的信号r(n)进行长度为N的不重叠分块。对于第i个分块的信号，可表示为r_i，r_i＝[r_i(1) r_i(2) … r_i(N)]^T；继而，取出三个连续不重叠分块r_i-1,r_i,r_i+1的中间M个值得到重叠保留分块信号接收信号重叠保留分块如图2所示，阴影为分块间的重叠部分。其中，M是2的幂，N应大于信道的时延长度，M＝N+L，L为重叠部分的总长度，相比r_i两端各超出的长度。为了尽量减小段间干扰，应显著大于信道长度。当i＝1时，在两个连续不重叠分块信号r₁,r₂前补N个零后取出中间的M个符号，完成前述的重叠保留分块操作。

则：

其中，R为重叠保留矩阵，R＝[0_M×(N-L/2) I_M 0_M×(N-L/2)]，I_M为M阶的单位矩阵，上标“T”表示转置。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤二中将所述重叠信号块进行M点的部分FFT解调的具体过程包括：

将前述重叠保留分块信号用互不重叠的矩形窗等分成U个子区间，每个子区间后面用零来填补它的空白时隙，使得每个子区间的信号的长度也为M；这样，每个子区间非零信号点的个数为Q＝M/U；然后，对每个子区间做部分FFT变换，得到U个M点部分FFT结果；用y_k＝[y_k(1),y_k(2),…,y_k(U)]^T表示PFFT输出向量，可与DFT-S-OFDM***类似，将k理解成子载波标识，k＝1,2,…,M；

若将重叠信号块等分成U个互不重叠的子区间，那么重叠信号块能够表示为：

其中，每个子区间可以表示为：

其中，u＝1,2,…,U；那么，第u个子区间的PFFT的输出y_u可以表示为：

其中，是用来计算第u个部分傅里叶解调输出的矩形窗，F为傅里叶变换矩阵；第u个子区间的PFFT输出y_u＝[y_u,1,y_u,2,…,y_u,k,…,y_u,M]^T；取出不同子区间对应的子载波k，用y_k＝[y_1,k,y_2,k…,y_U,k]^T表示PFFT输出向量；

其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述傅里叶变换矩阵F中的元素为：

其中，[F]_m,c为傅里叶变换矩阵F的第m行第c列，j表示虚数单位。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤二中所述进行部分加权补偿的具体过程包括：

定义为第k个子载波的组合加权补偿向量，则输出的频域估计值表达式为：

其中，上标“H”表示共轭转置；若则部分FFT解调退化为传统的傅里叶变换解调，同时，并没有对信道畸变进行加权补偿。

其他步骤及参数与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，采用ZF检测方法进行步骤二中所述部分加权补偿，其具体过程为：

当采用ZF检测方法，其中，H_k＝diag[H_k(p₁),H_k(p₂),…,H_k(p_U)]表示每个子区间的频域信道响应构成的对角矩阵，v_k＝[I_k(1),I_k(2),…,I_k(U)]^T表示部分积分系数向量，I_k(u)表示第u个子区间的积分系数，sinc(·)函数的具体形式为j表示虚数单位；

这里设已得到理想的信道信息；H_k(p_u)表示第u个子区间的信道频域响应的中点，其中，X表示径的条数，e为自然常数；h_l(·)表示第l条径的时变信道增益，τ_l(·)表示第l条径的时延；当第u个子区间为[(u-1)T_d/U,uT_d/U]时，p_u＝(2u-1)T_d/(2U)；T_d为单个DFT-S-OFDM符号的持续时间；用△f＝1/T_d表示子载波的间隔，那么第k个子载波的频率为f_k＝f₀+(k-1)△f，f₀为DFT-S-OFDM符号的起始频率；值得说明的是，此时，发送端发送的是不带CP的DFT-S-OFDM符号流。

结合频域估计值表达式得到的第i个重叠保留分块的频域估计值

其他步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是，采用MMSE检测方法进行步骤二中所述部分加权补偿，具体过程为：

当采用MMSE检测方法，其中，H_k＝diag[H_k(p₁),H_k(p₂),…,H_k(p_U)]，表示每个子区间的频域信道响应构成的对角矩阵；v_k＝[I_k(1),I_k(2),…,I_k(U)]^T，表示部分积分系数向量， 表示y_k的自相关函数；其中，I_U表示U×U的单位矩阵；N₀为噪声方差，为已知量，可以通过估计算法得到；

这里设已得到理想的信道信息；H_k(p_u)表示第u个子区间的信道频域响应的中点，其中，X表示径的条数，e为自然常数；h_l(·)表示第l条径的时变信道增益，τ_l(·)表示第l条径的时延；当第u个子区间为[(u-1)T_d/U,uT_d/U]时，p_u＝(2u-1)T_d/(2U)；T_d为单个DFT-S-OFDM符号的持续时间；用△f＝1/T_d表示子载波的间隔，那么第k个子载波的频率为f_k＝f₀+(k-1)△f，f₀为DFT-S-OFDM符号的起始频率；值得说明的是，此时，发送端发送的是不带CP的DFT-S-OFDM符号流。

结合频域估计值表达式可得到的第i个重叠保留分块的频域估计值

其他步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤三中所述时域重叠保留分块信号具体为：

其中，F为傅里叶变换矩阵，为第i个重叠保留分块的频域估计值，

其他步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤四中所述具体为：

O为重叠保留矩阵，O＝[0_N×L/2 I_N 0_N×L/2]，I_N为N阶的单位矩阵。

其他步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是，步骤四中所述数据流具体为：

其他步骤及参数与具体实施方式九相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法按照以下步骤进行：

使用长度为512个采样点的QPSK信号作为初始数据进行传输。针对本发明***，发送的是QPSK信号的连续流；对于CP-DFT-S-OFDM***，添加CP后进行传输。接收端均假定已完成完美同步。单个信号的带宽B＝14kHz，中心频率f_c＝30kHz，子载波间隔△f＝B/N＝27.3Hz，符号周期T_d＝36.6ms，循环前缀T_p＝T_d/8＝4.58ms。

采用一典型双弥散信道，即水声信道模型(underwater acoustic,UWA)。归一化的多普勒频率设定信道是9径的WSSUS模型(Das S,Schniter P.Max-SINRISI/ICI-Shaping Multicarrier Communication Over the Doubly Dispersive Channel[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2007,55(12):5782-5795.)，最大的时延扩展为0.6ms。信道知识可经由一定的信道估计方法进行过完整的信道估计([Hutter A A,Hasholzner R,Hammerschmidt J S.Channel estimation for mobile OFDM systems[C]//Vehicular Technology Conference,1999.Vtc1999-Fall.IEEE VTS.IEEE,1999:305-309vol.1.]、[Ohno S,Giannakis G B.Optimal training and redundant precodingfor block transmissions with application to wireless OFDM[J].IEEETransactions on Communications,2001,50(12):2113-2123.]、[He L,Ma S,Wu Y C,etal.Pilot-Aided IQ Imbalance Compensation for OFDM Systems Operating OverDoubly Selective Channels[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(5):2223-2233.]、[Hua J,Meng L,Xu X,et al.Novel Scheme for Joint Estimation ofSNR,Doppler,and Carrier Frequency Offset in Double-Selective WirelessChannels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(3):1204-1217.])，因此此处信道知识是已知的。

如图3所示，在双弥散信道条件下给出了基于重叠保留的PFFT检测算法和CP-DFT-S-OFDM***采用PFFT检测算法的仿真误比特率。为了保证仿真的准确性，每一次我们产生5帧的QPSK连续流，让其通过双弥散信道，再分块进行PFFT检测。记L为重叠分块信号间的重叠样点数。当L/2＝0时，带CP的结构能更好地抵消ISI的影响，仿真表明基于重叠保留的本文算法性能此时受ISI影响大。当L/2大于信道的最大时延时，重叠保留的处理去除了绝大多数的信号间ISI的影响，而PFFT算法的引入较好地抵消了双弥散信道带来的ICI影响。同时，传统的PFFT算法在信噪比较高的情况下，对于一段数据进行部分FFT检测后，用每一分块中间点的信道冲击响应近似该段信道信息进行加权补偿所引入的干扰主要集中在数据的两端。本文所提算法对重叠分块信号进行PFFT操作后，再保留中间的有效数据，相比原有算法将两端受到残留干扰影响较大的数值点舍去，提高了误比特率性能。仿真验证了本文所提算法的性能优越性。本发明的另一突出优势是***不依赖CP，可在相同的调制方式与其余参数下，频谱效率提升为原有的(T_d+T_p)/T_d倍。同时，提升PFFT检测的分块子区间数U可提高***的性能，但随之带来复杂度的增加。分块数增加到一定程度后，检测性能便不再明显提升。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、进行重叠保留分块：对接收到的信号r(n)进行长度为N的不重叠分块，第i个分块的信号表示为r_i；i＝1,2,…,J；J为分块的数目；继而，取出三个连续不重叠分块r_i-1,r_i,r_i+1的中间M个值得到重叠保留分块信号

步骤二、将所述重叠信号块进行M点的部分FFT解调，并进行部分加权补偿，得到重叠保留分块信号的频域估计值；

步骤三、对步骤二得到的重叠保留分块信号的频域估计值进行M点的IFFT，得到时域重叠保留分块信号；

步骤四、选取各时域重叠保留分块信号的中间N个数据组成数据流，即得到均衡后的数据。

2.根据权利要求1所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤一中所述重叠保留分块信号具体为：

其中，R为重叠保留矩阵，R＝[0_M×(N-L/2) I_M 0_M×(N-L/2)]，I_M为M阶的单位矩阵，上标“T”表示转置；M＝N+L；L为重叠部分的总长度。

3.根据权利要求1所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤二中将所述重叠信号块进行M点的部分FFT解调的具体过程包括：

将重叠信号块等分成U个互不重叠的子区间，那么重叠信号块能够表示为：

其中，每个子区间表示为：

其中，u＝1,2,…,U；那么，第u个子区间的PFFT的输出y_u为：

其中，是用来计算第u个部分傅里叶解调输出的矩形窗，F为傅里叶变换矩阵；第u个子区间的PFFT输出y_u＝[y_u,1,y_u,2,…,y_u,k,…,y_u,M]^T；取出不同子区间对应的子载波k，用y_k＝[y_1,k,y_2,k…,y_U,k]^T表示PFFT输出向量，k＝1,2,…,M。

4.根据权利要求3所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，所述傅里叶变换矩阵F中的元素为：

其中，[F]_m,c为傅里叶变换矩阵F的第m行第c列，j表示虚数单位。

5.根据权利要求3所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤二中所述进行部分加权补偿的具体过程包括：

定义为第k个子载波的组合加权补偿向量，则输出的频域估计值表达式为：

其中，上标“H”表示共轭转置。

6.根据权利要求5所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，采用ZF检测方法进行步骤二中所述部分加权补偿，具体过程为：

其中，H_k表示每个子区间的频域信道响应构成的对角矩阵，v_k表示部分积分系数向量，

结合频域估计值表达式得到的第i个重叠保留分块的频域估计值

7.根据权利要求5所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，采用MMSE检测方法进行步骤二中所述部分加权补偿，具体过程为：

其中，H_k表示每个子区间的频域信道响应构成的对角矩阵；表示y_k的自相关函数；v_k表示部分积分系数向量，I_U表示U×U的单位矩阵；N₀为噪声方差；

结合频域估计值表达式得到的第i个重叠保留分块的频域估计值

8.根据权利要求1或2所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤三中所述时域重叠保留分块信号具体为：

其中，F为傅里叶变换矩阵，为第i个重叠保留分块的频域估计值，

9.根据权利要求2～8任意一项所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤四中所述具体为：

O为重叠保留矩阵，O＝[0_N×L/2 I_N 0_N×L/2]，I_N为N阶的单位矩阵。

10.根据权利要求9所述一种基于重叠保留法的部分FFT通信信号检测方法，其特征在于，步骤四中所述数据流具体为：