一种OFDM系统中对抗窄带干扰与冲激噪声的时频交织预处理联合方法与流程

本发明涉及一种ofdm系统中对抗干扰与噪声方法，尤其涉及一种ofdm系统中对抗窄带干扰与冲激噪声的时频交织预处理联合方法。

背景技术

正交频分复用(ofdm)是一种高效的多载波调制技术，由于它具有子载频间相互正交可复用且持续时间长的特点，使得它具有频谱利用率高和抗多径效应等优势，因而目前被广泛推广并应用在各种数字通信系统中，如无线区域网(wlan)，plc电力线标准通信ieee1901.2以及数字广播音频(dab)等，是4g通信的核心代表。

ofdm是经由fdm系统不断发展而来的。传统fdm系统中，频谱中需要留有一定的间隔来确保系统不发生信道间的串扰，且子载波之间的频谱也不能重叠。为了到达这一目的，ofdm系统要求各个子载波需要相互正交，且载波在时间、频率上均保持同步，相邻子载波的间隔为有效符号时间间隔t的倒数。

ofdm技术将多载波的数据流分成了多个码率较低的子数据流，用这些低码率的子数据流去调制相应的子载波，使得传输信号的持续时间增长，有效的减少了码间干扰(isi)。

宽带数字系统的传输性能，受到众多因素影响，以多样的噪声以及干扰尤为严重。尤其是对于那些广泛存在却又具有特殊性的干扰和噪声，比如窄带干扰和冲激噪声，它们有着与高斯白噪声完全不同的复杂性、随机性和稀疏性。

在对抗这类干扰与噪声的方法中，常用的便是交织与解交织技术，其原理是通过把连续的比特数据分散开来，将单帧中的错误有效的分散至各个帧中，这样使得成串的连续错误变为单个或者相对分散的短错误，此时配合上信道编码所容纳的纠错范围，便可以最大程度上恢复信号的原始数据，从而有效的提升通信系统的稳定性和鲁棒性。从本质上看，交织与解交织只是改变数据的结构将突发错误分散化，并没有改动数据本身携带的内容，这一特性使得交织与解交织技术在大部分通信系统中得到了广泛的应用。

然而现有的传统交织技术存在着很多的不足，如灵活性差，针对不同的编码调制参数，交织器需要对应重新设计；频域的传统块交织，无法同时规避时域频域联合发生的错误，导致交织的性能提升不大等等。另一方面，由于交织技术只能从概率上降低冲激噪声带来的影响，不能绝对的保障消除，因此在噪声功率过高时，交织技术就具有一定的局限性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种ofdm系统中对抗窄带干扰与冲激噪声的时频交织预处理联合方法，从而有效提升系统传输性能。

为了达到上述目的，具体技术方案如下：

一种ofdm系统中对抗窄带干扰与冲激噪声的时频交织预处理联合方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

步骤一：二进制比特流的原始信号{bk}在发送端先经过ldpc编码生成码字{cl}，编码码字再经星座图映射之后生成复数域符号{ct}，再将{ct}经过长度为m行n列的时域交织器交织并加入导频，获得复数域符号{cm}，其中，所述的时域交织器参数m、n通过求解下式ξt的最大值获得的最优解；

其中，niob(n)为第n个ldpc码字中的独立ofdm块数量；

lc为交织器中ldpc码字个数；

lsym为ldpc的数据符号个数；

m,n分别为交织器的行数与列数；

n为ofdm数据子载波数与dft的阶数；

ξt所表示的含义为niob(n)与它的理论最大值的平均比值；

步骤二：将复数域符号{cm}调制到ofdm子载波中，将该子载波再进行频域交织处理后进行idft变化，将数据符号转化为时域信号xi，送入天线发射；所述的频域交织方法如下：

(1)将ofdm子载波调制后的数据符号以行为单位读入频域交织器，在保证每个子矩阵列数相同的情况下，将其分为s个子矩阵；

(2)在每一个子矩阵内，按照每个子矩阵循环位移fr个单位的规律进行，最后将循环位移后的新矩阵按列读出，映射到子载波中完成频域交织，其中

fr＝p·r

其中，p为预先设定的系数，取值为大于等于2的素数，r为子矩阵的编号；

步骤三：经过存在awgn噪声与冲激噪声、窄带干扰共同存在的恶劣信道后，信号由天线接收，天线接收的信号为yi，通过接收端的限幅法对yi进行噪声预处理，即将经过充分交织后仍高于门限的噪声以及干扰非线性去除；

步骤四：将去除噪声后的信号进行dft后进行相应的频域解交织、ofdm解调、时域解交织、星座解映射，再经由ldpc译码，输出信号。

进一步地，所述的步骤二中每个子矩阵循环位移fr个单位的具体过程如下：

其中与分别表示移位后与移位前的第r个子矩阵中的第j行，行内循环操作即将c^(r)，r＝0,1,…s-1的各行都向下或者上位移fr个单位。

进一步地，所述的ofdm数据符号长度为n，取值为256、512、1024或2048，ldpc编码码长为c，取值为3072或5120，码率为t取值为1/2或2/3。

进一步地，所述的子矩阵s与n相同，p取值为2、3、5、7或11。

进一步地，其中限幅非线性噪声预处理的门限tk与信号平均功率的比值为1.8-2.2。

本发明的有益效果：

本发明的联合方法利用时频联合交织与非线性噪声预处理的方式，将单帧中的错误有效地分散至各个帧中，这样使得成串的连续错误变为单个或者相对分散的短错误，有效的将干扰噪声白化，尤其在强干扰与噪声的影响下，仍有良好的抵抗性能，进一步提升ofdm系统的传输性能、鲁棒性、灵活性和稳定性。

附图说明

图1限幅时频交织的ofdm系统的流程图；

图2是本发明中频域子矩阵循环位移示意图；

图3系统中不同门限与信号平均功率比下的系统误码率的曲线图；

图4是仅冲激噪声下本发明提出算法与传统块交织的性能对比图；

图5是仅窄带干扰下本发明提出算法与传统块交织的性能对比图；

图6是本发明中awgn信道下强干扰噪声与弱干扰噪声下的算法性能对比图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，ofdm系统流程图表达式如下：

yi＝hi⊙xi+ei+zi+wi

其中：

hi＝[hi，0hi，1…hi，n-1]^t表示最大多径时延为l的多径信道冲激响应；

⊙为卷积操作；

ei＝[ei，0ei，1…ei，n-1]^t为对应于第i个接收时域ofdm符号的窄带干扰信号；

zi＝[zi，0zi，1…zi，n-1]^t为对应于第i个接收时域ofdm符号的冲激噪声信号；

wi＝[wi，0wi，1…wi，n-1]^t表示背景的awgn噪声；

一种ofdm系统中对抗窄带干扰与冲激噪声的时频交织预处理联合方法，如图1所示，该方法包括具体包括如下步骤：

步骤一：二进制比特流的原始信号{bk}在发送端先经过ldpc编码生成码字{cl}，编码码字再经qpsk的星座图映射之后生成复数域符号{ct}，再将{ct}经过长度为m行n列的时域交织器交织并加入导频，获得复数域符号{cm}。

这里，ofdm数据符号长度为n，取值为256、512、1024或2048，ldpc编码码长为c，取值为3072或5120，码率为t取值为1/2或2/3。本实施例中，n＝1024，c＝3072，t＝2/3。

针对于一个fec码字，如果其包含的ofdm数据块的个数增加，那么系统对冲击噪声的抵抗能力便越好，随着每个fec码字对应的独立ofdm块增加，冲击噪声的突发错误造成的不成功解码率便会进一步降低。在图1标号为1处发生，下式是一种该理论基础的定量评判准则：

其中，所述的时域交织器参数m、n通过求解上式ξt的最大值获得的最优解；

其中，niob(n)为第n个ldpc码字中的独立ofdm块数量；

lc为交织器中ldpc码字个数；lsym为ldpc的数据符号个数；

m，n分别为交织器的行数与列数；

n为ofdm数据子载波数与dft的阶数；

ξt所表示的含义为niob(n)与它的理论最大值的平均比值；

这里求解得到的最优解如下：

其中，为最小公倍数求解算子。

lb为ldpc码字的比特数。

p为一个大于或者等于2且较小的素数，如2，3，5，7，11，原因为一般的ofdm系统以及g.hn9960电力线标准中，这些p的取值下均可以满足相应设置，使得时域最优交织方案存在。本实施例中p＝2。

δ为系统可接受的延时乘子；

m为星座映射的阶数，在qpsk情况下为4。

步骤二：将复数域符号{cm}调制到ofdm子载波中，将该子载波再进行频域交织处理后进行idft变化，将数据符号转化为时域信号xi，送入天线发射；

频域交织发生在图1描述的ofdm系统中的标号2处。与上述最优化时域交织方案类似，最优化的频域交织方案需要解决的问题是增加映射到强项纠错码字对应数据符号的不同ofdm子载波个数。均匀分配码字中的子载波的好处便是能将窄带干扰引起的错误分散于各个码字从而进一步提升系统的性能。

该方案的定量评判标准为：

其中：

nisc(n)为每个码字对应的数据符号的不同子载波个数。

于是上述问题便可以理解为，在时域交织确定的情况下式找到使得ξf最大化。通过优化计可得：

所述的频域交织方法如下(如图2所示)：

(1)将ofdm子载波调制后的数据符号以行为单位读入频域交织器，在保证每个子矩阵列数相同的情况下，将其分为s个子矩阵；子矩阵s可与与n相同；

(2)在每一个子矩阵内，按照每个子矩阵循环位移fr个单位的规律进行，该规律的具体思路为：

其中与分别表示移位后与移位前的第r个子矩阵中的第j行，行内循环操作即将c^(r)，r＝0，1，...s-1的各行都向下或者上位移fr个单位，最后将循环位移后的新矩阵按列读出，映射到子载波中完成频域交织。考虑到简化系统的运算量，可以使得fr＝p·r，其中，p为预先设定的系数，取值为大于等于2的素数，r为子矩阵的编号；

在提出的该循环移位的方案中，可以发现每一个单独的子矩阵都拥有自己的循环单元，在映射至ofdm数据前，对应不同的fr个单位的循环位移，因此可以推导在ldpc码字中的符号图样也会有s个相互不重复的样式，使得上式中的ξf存在。

步骤三：经过存在awgn噪声与冲激噪声、窄带干扰共同存在的恶劣信道后，信号由天线接收，天线接收的信号为yi，通过接收端的限幅法对yi进行噪声预处理，即将经过充分交织后仍高于门限的噪声以及干扰非线性去除；

噪声预处理发生在图1标号为3的地方，具体做法为：在ofdm系统中，当检测到超过门限的点时，便进行消峰操作。

k(t)＝∑akq(t-tk)

其中：

为限幅处理后的信号，s(t)为处理前的信号；

ak为加权系数，由门限tk与原信号s(tk)处理产生；

q(t)为参考函数，在一般条件下通常使用sinc函数。

k(t)为ak与经过位移tk个时域采样点的q(t)的乘积。

由于限幅法的门限值选取非常关键，因此需要通过预先计算来得到最优的门限值，当选取低于最优门限的门限值会导致系统的虚警概率提升，当选取高于最优门限的门限值时会导致漏检率的提升。

图3通过仿真系统一定信噪比下的ber性能来寻找系统的最优门限值判定，其中横坐标a为设定值tk与信号平均功率比，纵坐标为系统的误码率ber，分别在信号平均功率与冲激噪声平均功率比为-10db与-15db。可以看到限幅法的的门限tk与信号平均功率的比a取值为1.8–2.2之间，性能效果最好。

步骤四：将去除噪声后的信号进行dft后进行相应的频域解交织、ofdm解调、时域解交织、星座解映射，再经由ldpc译码，输出信号。

图4为仅仅存在有冲激噪声情况下，限幅时频交织联合法与传统块交织的性能比较，可以看到本发明提出的限幅时频联合交织方案获得了0.2-0.3db的增益。

图5为仅仅存在有窄带干扰情况下，限幅时频交织联合法与传统块交织的性能比较，可以看到本发明提出的限幅时频联合交织方案获得约0.6db的增益。对比传统块交织来说，频域交织的加入使得在系统在对抗窄带干扰的能力增强。

图6为系统存在有强弱两种窄带干扰与冲激噪声情况下，限幅时频交织联合法与传统块交织以及单纯的时频交织方案的性能比较，可以看到本发明提出的限幅时频联合交织方案在较强的窄带干扰与冲激噪声存在的情况下，大致拥有约1db的增益，表明接收端噪声预处理的方式可以弥补交织所拥有的干扰与噪声功率过大时无法有效应对的缺陷。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。