專利名稱：Ofdm信號的識別方法
技術領域：
本發明屬于通信技術領域，具體涉及一種多徑信道、低信噪比條件下對OFDM信號與單載波數字信號間的識別方法。
背景技術：
正交頻分復用OFDM是一種具有很高頻帶利用率的多載波調制技術，同時它具有抗噪聲能力強、適合高速數據傳輸等優點，特別是OFDM技術自身特點所決定的具有很強的抗干擾能力，可以解決無線通信對于帶寬效率和抗多徑的要求，所以OFDM系統在通信領域得到越來越廣泛的應用。但是對于OFDM信號與單載波數字信號間的識別研究較少，現有的研究集中在理想高斯信道環境條件下，并且在低信噪比條件下識別率不高，不能滿足實際應用的需要。
目前，OFDM信號與單載波數字信號間的識別方法主要有基于高階累積量的方法和基于多尺度小波分解的方法。高階累積量的方法利用OFDM信號具有漸進高斯特性，而單載波數字信號具有非高斯的特點，來區分單載波數字信號與OFDM信號。參見Akmouche W，“Detection of multicarrier modulation using 4th-order cumulants，”Proc.Of the MILCOM 1999，Atlantic City(NJ)，Vol.1，Nov.1999，pp.432-436。這種算法在多徑、低信噪比條件下分離度小并且只對調相信號具有較好的識別能力，存在一定的局限性。多尺度小波分解的方法利用信號的多尺度小波分解作為信號的特征量，利用支撐矢量機作為分類器。參見韓鋼.自適應單載波、多載波調制中信號盲檢測技術研究[D].西安西安電子科技租大學博士論文，2003。這種算法只適用于理想高斯信道而不適用于多徑信道，并且當單載波QAM信號的階數增大時識別率下降較多。在實際的無線信道中，信道條件是在隨時變化的，普遍存在多徑效應和低信噪比應用環境。因此，以上兩種算法此時就顯得無能為力，實用價值不大。
發明內容
本發明的目的是克服現有的OFDM信號識別領域的低信噪比、多徑信道下識別率低，高階QAM信號與OFDM信號間識別率低的不足，提供一種OFDM信號的識別方法，以實現多徑信道，低信噪比條件下OFDM信號與單載波數字信號間的識別，提高無線通信傳輸的準確性與有效性。
實現本發明目的的技術方案，包括如下過程 (1)對接收信號r(t)進行功率歸一化處理，并進行兩次小波變換，得到單載波數字信號的包絡
和OFDM信號的包絡
(2)對信號經過兩次小波變換后的包絡進行中值濾波，消除包絡的尖峰，使單載波信號的結果近似為常數； (3)對經過中值濾波后的結果利用計算方差的數學公式計算單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差分別為
其中，VAR(·)表示對數據求方差，
為多徑信道下單載波信號經過兩次小波變換后的包絡，
為多徑信道下OFDM信號經過兩次小波變換后的包絡； (4)根據單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差得到判決門限為
式中，
為OFDM信號包絡的方差統計曲線中的最小值，
為單載波數字信號包絡的方差統計曲線中的最大值； (5)根據判決門限對單載波信號和OFDM信號進行判決歸類，如果信號包絡的方差大于判決門限則輸入信號判為OFDM信號，反之則判為單載波數字信號。
本發明由于采用了對OFDM信號和單載波數字信號進行兩次小波變換提取信號特征量，所以能夠克服高階累積量方法和多尺度小波分解方法在低信噪比條件下分離度小、只適用于理想高斯信道而不適用于多徑無線信道和當單載波QAM信號的階數增大時識別率下降等不足。仿真表明，在多徑信道、信噪比0dB時，本發明所提出的方法對OFDM信號和單載波數字信號之間的識別率可達100％，高于現有的高階累積量方法和多尺度小波分解方法。
圖1.是本發明的OFDM信號和單載波數字信號間識別的流程圖； 圖2中a圖是本發明的高斯白噪聲下，FSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖2中b圖是本發明的高斯白噪聲下，PSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖2中c圖是本發明的高斯白噪聲下，QAM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖2中d圖是本發明的高斯白噪聲下，OFDM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖3中a圖是本發明的多徑信道下，FSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖3中b圖是本發明的多徑信道下，PSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖3中c圖是本發明的多徑信道下，QAM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖3中d圖是本發明的多徑信道下，OFDM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖； 圖4.是本發明的OFDM信號和單載波數字信號的特征量隨信噪比變化情況仿真圖； 圖5.是本發明的OFDM信號和單載波數字信號的識別率隨信噪比變化情況仿真圖。
具體實施例方式 本發明中使用的OFDM信號是DVB-T OFDM信號2K FFT模式，單載波數字信號包括4FSK，8FSK，BPSK，QPSK，16QAM，256QAM，1024QAM。
OFDM信號是若干子載波信號經過疊加而生成的，根據中心極限定律，OFDM信號在時域服從漸進高斯分布，OFDM信號不能保證在同一符號周期內幅度或者相位是恒定的，所以對OFDM信號做兩次小波變換，即使變換區間在同一符號周期內，經過兩次小波變換的包絡也不會是常數值，而是毫無規律的隨機結果，再對包絡求方差得到的值很大。而單載波數字信號經過兩次小波變換后的包絡，在整個信號區間由一系列沖激函數組成，利用中值濾波濾掉沖激函數的尖峰，得到的包絡將趨近于常數，再對包絡求方差得到的值趨近于零。由此能夠在變換域找到將OFDM信號和單載波數字信號分類的特征量。
參照圖1，本發明的具體實現步驟如下 步驟1，對接收信號r(t)進行功率歸一化處理，并進行兩次小波變換，得到單載波數字信號的包絡
和OFDM信號的包絡
1)對接收信號r(t)進行功率歸一化處理 2)對經過歸一化的OFDM信號和單載波數字信號進行第一次小波變換，由于OFDM信號和單載波數字信號的性質有很大區別，其變換過程如下； 2.1)對單載波數字信號進行第一次小波變換 本發明所研究的單載波數字信號包括FSK信號、PSK信號和QAM信號，下面對以上信號的小波變換過程分別進行描述 A.對FSK信號進行第一次小波變換 (A1).將FSK信號表示為 ωi∈{ω0，ω1，...，ωM-1}αi∈(0，2π) (1) 式中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，ωi為FSK信號第i個碼元的頻率，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (A2).如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，FSK信號的小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，ωi為FSK信號第i個碼元的頻率，αi為FSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (A3).如果信號的小波變換區間存在碼元變化，并且在碼元變化時刻d處，頻率由ωi變化至ωi+1，FSK信號小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，ωi和ωi+1分別為FSK信號第i個和第i+1個碼元的頻率，αi和αi+1分別為FSK信號第i個和第i+1個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； 若
(3)式近似為 對于FSK信號，碼元沒有變化時小波變換后的幅度為一恒定值，碼元變化時其幅度取決于前后碼元的頻率，且在碼元交界處，其小波變換后的幅度存在突變。
B.對PSK信號進行第一次小波變換 (B1).將PSK信號表示為 式中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (B2).如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，PSK信號的小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (B3).如果信號的小波變換區間存在碼元變化，φi、φi+1分別為PSK信號第i和i+1個碼元的相位，并且在碼元變化時刻d處，由φi變化至φi+1，PSK信號的小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； 對于PSK信號，小波變換后的幅度恒定，僅在相位變化處存在突變。
C.對QAM信號進行第一次小波變換 (C1).將QAM信號表示為 Ai，Bi∈{2m-1-M，m＝1，2，...，M} (8) 式中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，Ai為QAM信號第i個碼元的幅度的實部，Bi為QAM信號第i個碼元的幅度的虛部，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (C2).如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，QAM信號的小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，Ai為QAM信號第i個碼元的幅度的實部，Bi為QAM信號第i個的幅度的虛部，ωc為載波頻率，θc為載波相位； (C3).如果信號的小波變換區間存在碼元變化，QAM信號的小波變換為 式中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，Ai和Ai+1分別為QAM信號第i個和第i+1個碼元的幅度的實部，Bi和Bi+1分別為QAM信號第i個和第i+1個碼元的幅度的虛部，為QAM信號第i個碼元的幅度，φi＝tan-1(Bi/Ai)為第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位； 對于QAM信號，碼元沒有變化時小波變換后的幅度為一恒定值，碼元變化時其幅度取決于前后碼元的幅度，且在碼元交界處，前后相位差較大，其小波變換后的幅度存在突變。
由以上推導過程可知單載波數字信號經過第一次小波變換后的包絡為一系列沖激函數，可統一表示為 式中，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，u(t)為符號函數。
2.2)對OFDM信號進行第一次小波變換 將OFDM信號表示為
式中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，H是OFDM信號的載波個數，ch是OFDM的數據序列。
由式(12)可以看出OFDM信號是由若干子載波信號疊加而生成的，由中心極限定律，OFDM信號在時域服從漸進高斯分布。OFDM信號不能保證在同一符號周期內幅度或者相位是恒定的，所以對OFDM信號做小波變換，即使變換區間在同一符號內，得到的小波變換的包絡也不會是常數值，而會是毫無規律的隨機結果。
3)對單載波數字信號和OFDM信號進行第二次小波變換； 3.1)對單載波數字信號進行第二次小波變換 對單載波信號第一次小波變換后的包絡式(11)進行第二次小波變換，先將式(11)的第一部分
的小波變換為 式中，a為小波變換的尺度因子，Ci和Ci+1為第i個和第i+1個符號小波變換后的包絡，δ(t)為沖擊函數； 再將式(11)的第二部分
的小波變換為 如果
仍可近似將其看做沖激函數； 所以，式(11)的小波變換為
式中，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數。
在高斯白噪聲下，單載波信號經過兩次小波變換的包絡在整個信號區間由一系列沖激函數組成，如圖2所示。圖2a是高斯白噪聲下，FSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖；圖2b圖是高斯白噪聲下，PSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖；圖2c圖是高斯白噪聲下，QAM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖。由圖2可見，各信號僅在碼元交界處有尖峰，其余時刻為零，。
在多徑信道下，由于小波變換屬于線性變換，滿足線性疊加原理，所以單載波信號經過兩次小波變換的包絡等于各條路徑上信號小波變換包絡的疊加，表示為
式中，a為小波變換的尺度，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，hl(t)為多徑信道中不同路徑的增益，τl為不同路徑的時延，L為多徑的數目。
在多徑信道下，單載波數字信號經過兩次小波變換后的包絡在整個信號區間由一系列沖激函數的疊加組成，如圖3所示。圖3a是多徑信道下，FSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖；圖3b是多徑信道下，PSK信號經過兩次小波變換包絡仿真圖；圖3c是多徑信道下，QAM信號經過兩次小波變換包絡仿真圖多徑信道下。由圖3可見，各信號在整個信號區間由一系列沖激函數的疊加組成。
3.2)對OFDM信號進行第二次小波變換 對OFDM信號進行第二次小波變換，所得的包絡是各條路徑上包絡的疊加，仍然是毫無規律的隨機結果，包絡的波動即使在很小的范圍內也很大，如圖3d所示。
步驟2，對信號經過兩次小波變換后的包絡進行中值濾波，消除包絡的尖峰。
中值濾波的目的是如果接收信號是單載波數字信號，通過中值濾波可以濾掉包絡的尖峰，包絡近似為常數，進一步降低了包絡的方差，而中值濾波對OFDM信號的影響不大。
步驟3，對經過中值濾波后的結果利用計算方差的數學公式計算單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差。
對于單載波信號，經過中值濾波后，包絡近似為常數，對包絡求方差結果近似為零，如圖4所示
對于OFDM信號，經過中值濾波后，包絡是毫無規律的隨機結果，其波動即使在很小的范圍內也很大，對其求方差結果遠遠大于零，如圖4所示
其中，VAR(·)表示對數據求方差，
為多徑信道下單載波信號經過兩次小波變換后的包絡，
為多徑信道下OFDM信號經過兩次小波變換后的包絡。
步驟4，根據單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差得到判決門限。
由圖4可見，單載波信號的特征量
很小，并且隨著信噪比的增大，逐漸趨近于零；而OFDM信號的特征量
遠遠大于單載波數字信號的特征量
本發明選取OFDM信號包絡的方差統計曲線中的最小值
和單載波數字信號包絡的方差統計曲線中的最大值
的中間值作為識別兩種信號的判決門限th
步驟5，根據判決門限對單載波信號和OFDM信號進行判決歸類。
如果信號包絡的方差大于判決門限則輸入信號判為OFDM信號，反之則判為單載波數字信號。
本發明的效果可以通過仿真進一步說明 仿真環境，見表1 表1仿真環境
仿真結果 圖4是在不同信噪比下，得到的特征向量
統計結果。可以看出，在單載波數字信號的統計曲線中，
的值很小，而且隨著信噪比的增加趨于零；但在OFDM信號的統計曲線中，
遠遠大于單載波數字信號的特征向量，隨信噪比的變換不明顯。
圖5為不同信噪比下，OFDM信號與單載波數字信號間的識別率。由圖5可見，0dB時OFDM信號相對于各種單載波數字信號的識別率均可達100％。
權利要求
1，一種OFDM信號識別方法，包括如下步驟
步驟1，對接收信號r(t)進行功率歸一化處理，并進行兩次小波變換，得到單載波數字信號的包絡
和OFDM信號的包絡
步驟2，對信號經過兩次小波變換后的包絡進行中值濾波，消除包絡的尖峰，使單載波信號的結果近似為常數；
步驟3，對經過中值濾波后的結果利用計算方差的數學公式計算單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差分別為
步驟4，根據單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差得到判決門限為
式(19)中，
為OFDM信號包絡的方差統計曲線中的最小值，
為單載波數字信號包絡的方差統計曲線中的最大值；
步驟5，根據判決門限對單載波信號和OFDM信號進行判決歸類，如果信號包絡的方差大于判決門限則輸入信號判為OFDM信號，反之則判為單載波數字信號。
2.根據權利要求書1中所述的OFDM信號識別方法，其中步驟1所述的兩次小波變換，按如下過程進行
1)對單載波信號進行第一次小波變換，得到的包絡可以用一系列沖激函數表示為
式(11)中，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，u(t)為符號函數；
2)對OFDM信號進行第一次小波變換，得到的包絡是毫無規律的隨機結果；
3)對單載波信號進行第二次小波變換，得到的包絡由一系列沖激函數的疊加組成，表示為
式(16)中，a為小波變換的尺度，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，hl(t)為多徑信道中不同路徑的增益，τl為不同路徑的時延，L為多徑的數目；
4)對OFDM信號進行第二次小波變換，所得的包絡是各條路徑上包絡的疊加，仍然是毫無規律的隨機結果，包絡的波動即使在很小的范圍內也很大，將其記為
3.根據權利要求書2中所述的OFDM信號識別方法，其中步驟1)所述的單載波信號包括FSK信號、PSK信號和QAM信號，對這些信號要分別進行第一次小波變換。
4.根據權利要求3所述的OFDM信號識別方法，其中所述的對FSK信號進行第一次小波變換，按如下過程進行
4.1)將FSK信號表示為
ωi∈{ω0，ω1，...，ωM-1}αi∈(0，2π)(1)
式(1)中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，ωi為FSK信號第i個碼元的頻率，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
4.2)如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，FSK信號的小波變換為
式(2)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，ωi為FSK信號第i個碼元的頻率，αi為FSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
4.3)如果信號的小波變換區間存在碼元變化，并且在碼元變化時刻d處，由ωi變化至ωi+1，FSK信號小波變換為
式(3)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，ωi和ωi+1分別為FSK信號第i個和第i+1個碼元的頻率，αi和αi+1分別為FSK信號第i個和第i+1個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
若
式(3)近似為
對于FSK信號，碼元沒有變化時小波變換后的幅度為一恒定值，碼元變化時其幅度取決于前后碼元的頻率，且在碼元交界處，其小波變換后的幅度存在突變。
5.根據權利要求3所述的OFDM信號識別方法，其中所述的對PSK信號進行第一次小波變換，按如下過程進行
5.1)PSK信號表示為
式(5)中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
5.2)如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，PSK信號的小波變換為
式(6)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
5.3)如果信號的小波變換區間存在碼元變化，φi、φi+1分別為PSK信號第i和i+1個碼元的相位，并且在碼元變化時刻d處，由φi變化至φi+1，PSK信號的小波變換為
式(7)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，φi為PSK信號第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
對于PSK信號，小波變換后的幅度恒定，僅在相位變化處存在突變。
6.根據權利要求3所述的OFDM信號識別方法，其中所述的對QAM信號進行第一次小波變換，按如下過程進行
6.1)QAM信號表示為
Ai，Bi∈{2m-1-M，m＝1，2，...，M} (8)
式(8)中，S是信號功率，N是單載波信號調制階數，u(t)位符號函數，TS為碼元周期，Ai為QAM信號第i個碼元的幅度的實部，Bi為QAM信號第i個碼元的幅度的虛部，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
6.2)如果信號的小波變換區間在同一碼元內或者相鄰碼元相同時，QAM信號的小波變換為
式(9)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，Ai為QAM信號第i個碼元的幅度的實部，Bi為QAM信號第i個的幅度的虛部，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
6.3)如果信號的小波變換區間存在碼元變化，QAM信號的小波變換為
式(10)中，a表示小波變換的尺度，S是信號功率，Ai和Ai+1分別為QAM信號第i個和第i+1個碼元的幅度的實部，Bi和Bi+1分別為QAM信號第i個和第i+1個碼元的幅度的虛部，為QAM信號第i個碼元的幅度，φi＝tan-1(Bi/Ai)為第i個碼元的相位，ωc為載波頻率，θc為載波相位；
對于QAM信號，碼元沒有變化時小波變換后的幅度為一恒定值，碼元變化時其幅度取決于前后碼元的幅度，且在碼元交界處，前后相位差較大，其小波變換后的幅度存在突變。
7.根據權利要求4或5或6所述的OFDM信號識別方法，其中所述的對FSK信號、PSK信號和QAM信號進行第一次小波變換，得到單載波信號的包絡統一表示為
式(11)中，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，u(t)為符號函數。
8.根據權利要求書2中所述的OFDM信號識別方法，其中步驟3)所述的對單載波信號進行第二次小波變換，按如下過程進行
8.1)對單載波信號第一次小波變換后的包絡式(11)進行第二次小波變換，其中式(11)的第一部分
的小波變換為
式(13)中，a為小波變換的尺度因子，Ci和Ci+1為第i個和第i+1個符號小波變換后的包絡，δ(t)為沖擊函數；
8.2)式(11)的第二部分
的小波變換為
如果
仍可近似將其看做沖激函數；
8.3)單載波信號第一次小波變換后的包絡式(11)，進行第二次小波變換后的結果為
式(15)中，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數；
8.4)在多徑信道下，由于小波變換屬于線性變換，滿足線性疊加原理，所以單載波信號經過兩次小波變換的包絡等于各條路徑上信號小波變換包絡的疊加，表示為
式(16)中，a為小波變換的尺度，Ci為第i個符號小波變換后的包絡，Di為碼元交界處的幅度，δ(t)為沖擊函數，hl(t)為多徑信道中不同路徑的增益，τl為不同路徑的時延，L為多徑的數目。
全文摘要
本發明公開了一種OFDM信號的識別方法，主要解決現有OFDM信號在多徑信道、低信噪比環境下識別率低的不足。其識別步驟為對接收信號進行功率歸一化處理，并進行兩次小波變換；對兩次小波變換后的包絡進行中值濾波，消除包絡的尖峰，使單載波信號的結果近似為常數；對經過中值濾波后的結果利用計算方差的數學公式計算單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差；根據單載波信號包絡和OFDM信號包絡的方差得到判決門限；根據判決門限對單載波信號和OFDM信號進行判決歸類，如果信號包絡的方差大于判決門限則輸入信號判為OFDM信號，反之則判為單載波數字信號。本發明在多徑信道、低信噪比環境下對OFDM信號和單載波數字信號之間的識別率可達100％，高于現有的OFDM信號識別方法。
文檔編號H04L27/26GK101442512SQ20081023276
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者李兵兵, 張晶晶 申請人:西安電子科技大學