聯合峰均比抑制與脈沖熄滅的OFDM系統脈沖干擾抑制的方法與流程
本發明涉及信息與通信技術領域，具體涉及聯合峰均比抑制與脈沖熄滅的OFDM系統脈沖干擾抑制技術。
背景技術：
正交頻分復用(OFDM)是一種多載波調制技術，它可以有效地克服高速無線數據通信帶來的頻率選擇性衰落。相對于單載波通信系統，OFDM系統具有頻譜利用率高、調制解調實現方便、信道均衡簡單等諸多優點，因此OFDM傳輸方案廣泛應用于數字視頻廣播(DVB)、數字音頻廣播(DAB)、無線局域網絡(WLAN)、電力線通信系統(PLC)、第四代陸地移動通信系統(LTE)與航空移動通信系統(L-DACS)。
在OFDM接收機中，受無線傳播環境中脈沖干擾的影響，OFDM接收機接收到的信號常常包含脈沖噪聲。常見的脈沖噪聲包括：汽車點火噪聲、電力線脈沖噪聲、測距儀脈沖噪聲等。由于脈沖噪聲的統計特性與普通高斯白噪聲差異非常大，因此針對高斯白噪聲設計的常規OFDM接收機在脈沖干擾環境下性能顯著下降。針對脈沖噪聲對單載波通信系統性能的影響，Mathur A等人設計并分析了背景噪聲為Nakagami-m類，脈沖噪聲為Middleton Class-A的PLC通信系統的比特差錯性能；Tepedelenlioulu C等人分析給出了脈沖噪聲環境下空時塊編碼(STBC)多輸出多出系統的差錯性能。Ghosh M研究指出相對于單載波通信系統，當脈沖噪聲強度較低時，由于OFDM符號周期較長，且接收機通過快速傅立葉變換(FFT)將脈沖噪聲的能量擴散到多個子信道，因此OFDM系統具有更優異的脈沖干擾抑制性能；但當脈沖噪聲強度較高時，OFDM系統的性能將顯著下降。因此針對高強度脈沖干擾，開展OFDM接收機脈沖干擾抑制方法研究至關重要。
針對脈沖干擾抑制方法的研究，Haffenden等人首次提出脈沖熄滅消除干擾的方法；針對脈沖熄滅方法，Zhidkov采用了伯努利～高斯模型對脈沖噪聲進行建模，在AWGN信道下定量分析了OFDM接收機脈沖熄滅器輸出信噪比(SNR)的計算方法，并給出脈沖熄滅器最佳門限的設置方法，Zhidkov進一步對比分析了非線性脈沖干擾抑制方法包括，脈沖熄滅，脈沖限幅，聯合脈沖熄滅與脈沖限幅；為應用脈沖熄滅法消除脈沖干擾，Epple U等人提出一種脈沖干擾位置的檢測方法。為解決脈沖干擾統計特性未知時，OFDM接收機脈沖熄滅門限設置問題，Epple U在AWGN信道環境下提出了基于信干噪比最大化準則的自適應門限設置方法，此外，假設接收機精確知曉脈沖噪聲出現的位置，Epple U在加性高斯白噪聲信道下分析給出脈沖熄滅OFDM接收機輸出信噪比的計算方法。以上傳統的非線性處理方法，并沒有考慮到由于OFDM信號具有較高的峰均比，在接收機門限檢測脈沖干擾位置時，具有一定的錯誤檢測概率，對OFDM有用信號造成較大的損失，導致傳輸的脈沖熄滅，脈沖限幅方法在干擾抑制性能方面并不理想。
Khaled M.Rabie等人考慮OFDM信號的較高峰均比影響接收機脈沖干擾位置檢測的問題，將傳統的峰均比抑制方法結合到脈沖熄滅法進行干擾消除，包括選擇映射方案(SLM)，部分傳輸序列方法(PTS)，但是SLM和PTS具有較高運算復雜度，并且，雖然能夠以較低的峰均比進行傳輸，但是SLM和PTS算法本身會在一定程度上惡化OFDM系統的符號差錯性能。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有OFDM系統脈沖干擾抑制的以下問題：
1)、脈沖干擾嚴重惡化OFDM接收機符號差錯性能；
2)、傳統非線性干擾消除方法錯誤熄滅概率高，對OFDM有用信號造成損失大；
從而提出了一種聯合峰均比抑制與脈沖熄滅的OFDM系統脈沖干擾抑制的方法。
聯合峰均比抑制與脈沖熄滅的OFDM系統脈沖干擾抑制的方法，它包括以下步驟：
步驟A、在發射機對OFDM發射信號進行峰均比抑制處理，具體為：
步驟A1、計算OFDM信號的峰均比，計算方法為：
其中，{s[n],n＝0,...,K-1}代表OFDM時域發送符號序列，K代表OFDM子載波個數，E[·]代表求期望函數；
步驟A2、設置峰均比檢測門限Th，峰均比低于或等于峰均比檢測門限Th的發送序列直接傳輸，峰均比高于Th的發送序列進行擾碼處理；
其中，S＝[S0,...,Sk,...,SK-1]T代表OFDM頻域發送信號矢量，s＝[s0,...,sn,...,sK-1]T代表OFDM時域發送信號矢量，x＝[x0,...,xn,...,xK-1]T代表峰均比擾碼后的OFDM時域發送信號矢量，F-1代表IFFT變換矩陣，W＝diag(w0,...,wk,...,wK-1)代表相位擾碼權值矩陣，W·WH＝IK×K，IK×K代表K×K的單位矩陣；
步驟A3、迭代檢測步驟A2中擾碼后的發送序列x的峰均比，選擇低于Th的序列發送；
步驟B、在接收機利用脈沖熄滅法消除脈沖干擾，具體為：
步驟B1、設置脈沖熄滅門限Tb；
步驟B2、在接收機利用脈沖熄滅門限Tb檢測接收采樣信號中的脈沖干擾，對高于脈沖熄滅門限Tb的樣值信號進行脈沖熄滅：
其中，{rn,n＝0,...,K-1}代表時域接收采樣信號序列，{yn,n＝0,...,K-1}代表脈沖熄滅后的接收信號，{xn,n＝0,...,K-1}代表具有較低峰均比的OFDM時域發送信號序列，代表脈沖熄滅法消除脈沖干擾后第n個接收信號yn中包括的等效干擾項。
最優脈沖熄滅門限Topt的設置方法：
基于輸出信噪比最大化準則的最優脈沖熄滅門限計算為：
本發明具有以下特點和顯著進步：
1、本發明在發射機采用的峰均比抑制方法可將OFDM發射信號有效控制在檢測門限以下，有效降低OFDM傳輸信號的峰均比，該方法對OFDM系統差性能不會造成損失，并且該方法容易實現，算法復雜度低。
2、本發明在接收機利用脈沖熄滅消除脈沖干擾，聯合發射機峰均比抑制方法，具有較低的峰均比的發射信號可有效降低脈沖干擾錯誤熄滅概率，從而提升OFDM系統鏈路傳輸可靠性，并且基于最大輸出信噪比的脈沖熄滅門限與峰均比抑制門限有關。
附圖說明
圖1是本發明中低峰均比OFDM發射機的結構示意圖；
圖2是本發明中脈沖熄滅OFDM接收機的結構示意圖；
圖3是本發明中峰均比抑制方法實現流程圖；
圖4是本發明中OFDM信號峰均比的CCDF仿真示意圖；
圖5本發明所設計脈沖熄滅OFDM接收機錯誤熄滅概率分布函數仿真示意圖；
圖6脈沖熄滅OFDM接收機符號差錯性能曲線仿真示意圖；
圖7峰均比檢測門限對脈沖熄滅OFDM接收機符號差錯性能的影響仿真示意圖；
具體實施方式
具體實施方式一、本發明的設計思想為：為提升脈沖噪聲環境中高強度脈沖噪聲惡化OFDM鏈路傳輸可靠性的問題，在接收機采用脈沖熄滅法抑制脈沖干擾，提高OFDM系統傳輸性能；為降低OFDM信號較高的峰均比導致接收機脈沖熄滅門限干擾檢測失誤率較高的問題，在發射機通過門限檢測采用迭代擾碼對OFDM信號進行峰均抑制，使得OFDM信號發射信號以較低的峰均比進行傳輸，降低脈沖熄滅門限檢測干擾失誤率。
圖1給出本發明低峰均比OFDM發射機。比特發送序列I經過調制器生成調制符號分組S＝[S0,...,Sk,...,SK-1]T，其中，調制符號分組S經過IFFT完成OFDM調制，IFFT輸出時域發送符號序列s＝[s0,...,sn,...,sK-1]T表示為：
s＝F-1·S (1)
為抑制OFDM較高的峰均比，利用本發明所設計峰均比抑制方法對OFDM信號進行預處理，峰均比抑制后的OFDM時域發送符號序列表示為x：
式(2)表明，當檢測到峰均比低于門限Th時，該發送序列不做處理直接輸出，當檢測到峰均比高于門限Th時，擾碼器生成相位權值矩陣W＝diag(w0,...,wk,...,wK-1)，原OFDM頻域發送符號矢量乘上相位權值矩陣W，然后再進行檢測，重復此過程使得時域發送序列峰均比低于門限。
預處理后的OFDM時域發送符號x添加循環前綴后，經數模轉換為模擬基帶信號x(t)，模擬基帶信號進一步通過射頻前端轉換為射頻信號，并通過天線送入信道。
圖2給出了脈沖熄滅OFDM接收機。射頻前端接收到的模擬基帶信號r(t)表示為：
r(t)＝x(t)+n(t)+i(t) (3)
其中，x(t)代表模擬基帶發射信號，n(t)代表信道輸入高斯白噪聲，i(t)代表接收機接收到的脈沖噪聲。r(t)經模數轉換為接收采樣信號r表示為：
r＝x+n+i (4)
其中，x＝[x0,...,xn,...,xK-1]T代表峰均比抑制后的時域OFDM發送符號矢量，n＝[n0,...,nn,...,nK-1]T代表信道輸入高斯白噪聲矢量，其中nn代表復高斯隨機變量i＝[i0,...,in,...,iK-1]T代表脈沖噪聲矢量，in建模為伯努利～復高斯脈沖噪聲模型，
in＝bn·gn (5)
其中，bn為伯努利隨機變量，脈沖噪聲出現概率表示為Pr(bn＝1)＝p，gn建模為復高斯隨機變量
接收采樣信號進一步送入脈沖熄滅單元進行脈沖干擾抑制，脈沖熄滅器輸出信號矢量y＝[y0,...,yn,...,yK-1]T，其中yn表示為：
其中，Tb為脈沖熄滅門限，代表脈沖熄滅法消除脈沖干擾后第n個接收信號yn中包括的等效干擾項。
脈沖熄滅器輸出信號矢量y通過FFT完成OFDM解調，FFT輸出頻域觀測信號矢量Y：
Y＝F·y (7)
頻域觀測信號矢量Y通過相位補償得到頻域發送符號矢量的估計值Z表示為：
Z＝WH·Y (8)
頻域發送符號矢量的估計值Z經過解調器得到比特發送序列的估計值
圖3給出本發明設計峰均比抑制方法實現流程圖，比特發送序列經過數字調制得OFDM頻域發送符號序列，OFDM頻域發送符號序列進一步經過IFFT完成OFDM調制生成OFDM時域符號序列，利用設置的門限檢測OFDM時域符號序列的峰均比，當檢測到峰均比低于設置的門限時，該符號直接進行發送，當檢測到峰均比低于設置的門限時，OFDM頻域發送符號與隨機生成的相位權值相乘，變形后頻域發送符號序列重新送入IFFT單元，然后再進行峰均比檢測，重復上述步驟，最終發送出去OFDM符號序列的峰均比均小于設置的門限，實際上，少量的迭代次數即可達到門限以下。
此外，由OFDM信號峰均比的互補累積概率分布函數(CCDF)可知，具有較高峰均比的概率小，例如從圖4觀察可知，傳統OFDM信號的峰均比超過9dB的概率約為0.05，超過8dB的概率約為0.2，因此本身已經具有較低峰均比的OFDM信號占有較大概率，在本發明所述方法中對于檢測門限以下的OFDM信號不加處理，而只針對具有小概率的峰均比高于檢測門限的OFDM信號進行迭代擾碼處理，相較于SLM對每個OFDM信號均處理的方法，本發明所設計的通過門限檢測采用迭代擾碼的方法具有更低的算法復雜度，并且門限檢測法易于實現。
圖4給出本發明OFDM信號峰均比概率分布函數，橫軸代表峰均比的dB形式，縱軸代表OFDM信號峰均比的概率分布函數，仿真采用子載波個數為128，調制方式為QPSK。OFDM符號峰均比超出某一特定值λ的概率分布函數表示為：
P0{PAPR>λ}＝1-(1-e-λ)K (9)
其中，K為OFDM符號長度，假設在OFDM接收機采用門限Th進行檢測，峰均比超出門限Th的OFDM符號序列，經過u次迭代后峰均比的概率分布函數表示為：
Pc{PAPR>λ}＝(1-(1-e-λ)K)u (10)
則峰均比抑制后的OFDM時域發送符號的峰均比的概率分布函數表示為：
圖4中共有5條曲線，分別代表代表傳統OFDM發射發送的OFDM時域符號序列的峰均比的CCDF和本發明所設計方案峰均比檢測門限設置為7dB，7.5dB，8dB,8.5dB時，通過門限檢測采用迭代擾碼處理后的OFDM符號序列的峰均比的CCDF，仿真結果表明，本發明所設計的峰均比抑制方法可有效降低OFDM發送符號序列的峰均比至門限以下。
圖5給出脈沖熄滅OFDM接收機錯誤熄滅概率分布函數，橫軸代表脈沖熄滅門限值，縱軸代表錯誤熄滅概率。脈沖熄滅OFDM接收機錯誤熄滅概率分布函數定義為：
Peb＝P(Ar＝|yn|>Tb|bn＝0) (12)
即：接收采樣信號不包含脈沖干擾但由于其幅值超過脈沖熄滅檢測門限而被錯誤熄滅的概率。
圖5中包含五條曲線，分別表示脈沖噪聲出現概率為p＝0.2時，傳統脈沖熄滅的錯誤熄滅概率和峰均比抑制門限設置為Th＝7dB,7.5dB,8dB,8.5dB時的錯誤熄滅概率，從圖中可以看出，具有較小的峰均比的OFDM發送符號序列具有較小的錯誤熄滅概率。
圖6給出了峰均比檢測門限對脈沖熄滅OFDM接收機解調器輸出信噪比的影響，其中橫縱代表脈沖熄滅門限，縱軸代表OFDM接收機解調器輸出信噪比。仿真參數設置為：OFDM子載波個數為128，調制方式為QPSK，信噪比為30dB，信干比為-25dB，脈沖干擾出現概率p＝0.1，AWGN信道。
圖6中共有5條曲線，分別代表傳統脈沖熄滅OFDM接收機解調器輸出信噪比和峰均比檢測門限設置為6dB、7dB、7.5dB、8dB時的脈沖熄滅OFDM接收機解調器輸出信噪比。仿真結果表明，隨著峰均比檢測門限的降低，脈沖熄滅OFDM接收機解調器輸出信噪比越大，這是由于峰均比檢測門限越小，OFDM信號發送符號序列具有更小的峰均比，脈沖干擾錯誤熄滅的概率越小，進而脈沖熄滅對OFDM有用信號造成的損失越小，因此隨著峰均比檢測門限降低OFDM接收機解調器具有較高的輸出信噪比。但是，脈沖熄滅OFDM接收機輸出信噪比并不會隨著峰均比檢測門限的降低而無限增大，當檢測門限取值設置極小時，峰值功率趨近于OFDM信號平均功率，此時脈沖熄滅門限檢測干擾失誤率將會達到極限，因此OFDM接收機解調器輸出信噪比不會無限增大。此外，隨著峰均比檢測門限的取值變小，需要擾碼處理的OFDM信號的概率越大，并且迭代次數會越多，算法復雜度也會上升。
圖7給出了脈沖熄滅OFDM接收機符號差錯性能曲線，其中橫軸表示脈沖熄滅門限，縱軸表示符號差錯概率，仿真參數設置為：OFDM子載波個數為128，調制方式為QPSK，信噪比為信干比為-25dB，峰均比檢測門限為7dB，AWGN信道。
圖7中共包含四組曲線，分別代表脈沖干擾出現概率為0.05、0.1、0.15、0.2時脈沖熄滅OFDM接收機的符號差錯性能曲線，其中藍色四條曲線代表傳統脈沖熄滅OFDM接收機的符號差錯性能曲線，紅色曲線代表本發明所設計聯合峰均比抑制與脈沖熄滅的OFDM接收機符號差錯性能曲線。對比圖中兩組曲線表明，本發明所設計方法具有更低的最優脈沖熄滅門限，并且在最優脈沖熄滅門限的設置下，OFDM接收機具有更優的符號差錯性能。驗證了本發明所設計方法的有效性。
該發明的優點為：在峰均比抑制階段，在發射機通過門限檢測采用迭代擾碼處理的方法，根據相位擾碼權值W的設置，該方法是一種無損的OFDM發射信號預處理方法，能夠以較低的峰均比發射傳輸且不會降低OFDM系統符號差錯性能，并且算法實現容易，較于經典SLM具有更低的復雜度；在接收機干擾消除階段給出脈沖熄滅最優熄滅門限設置方法，相對于傳傳統脈沖熄滅方法來說，可以更準確地檢測到脈沖干擾位置，顯著降低接收機干擾消除階段錯誤熄滅概率，提升脈沖干擾環境中OFDM系統的符號差錯性能。
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