一種基于二次譜線生成的碼速率識(shí)別方法*

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610041)

1 引 言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ,OFDM)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，由于具有較強(qiáng)的抗多徑、抗碼間干擾性能和高頻譜利用率，近年來在高速數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛應(yīng)用。OFDM技術(shù)還易于和其它多種接入方法結(jié)合使用，構(gòu)成各種OFDM系統(tǒng)，其中包括MC-CDMA系統(tǒng)、Hop-OFDM系統(tǒng)，以及OFDM-TDMA系統(tǒng)等。這些與OFDM相關(guān)的新技術(shù)都具有良好的發(fā)展前景[1-3]。與此同時(shí)，OFDM傳輸系統(tǒng)也給無線電監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域帶來一系列新的課題，比如怎樣實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)信號(hào)的盲接收等。其實(shí)，OFDM系統(tǒng)信號(hào)的盲接收技術(shù)不僅適用于監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，還能用于自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)[4]。自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)利用調(diào)制方式的靈活性，可以隨著信道信息的變化而自適應(yīng)地調(diào)整調(diào)制參數(shù)，如編碼方式、碼元速率等，是一種智能化的通信方式。在自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻譜效率，在接收端也采用了盲接收方式[6-7]。碼速率是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要參數(shù)。碼速率未知時(shí)，就無法完成OFDM系統(tǒng)解調(diào)器的設(shè)計(jì)；其次，如果碼速率識(shí)別不正確，將OFDM信號(hào)進(jìn)行不正確的解調(diào)也會(huì)部分或者全部破壞信號(hào)攜帶的信息。所以，識(shí)別碼速率等參數(shù)是OFDM系統(tǒng)的盲接收過程中一個(gè)必不可少的步驟[8-10]。

通過文獻(xiàn)檢索尚未搜索到對(duì)OFDM系統(tǒng)有較好識(shí)別率的方法，為此，本文提出了一種識(shí)別精度高、實(shí)用性強(qiáng)的OFDM系統(tǒng)碼速率識(shí)別方法，核心思想是利用了信號(hào)的二次生成譜線特性。信號(hào)的二次生成譜線能夠提供特有的信號(hào)特征用以識(shí)別碼速率。這種方法在較低信噪比條件下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)OFDM系統(tǒng)碼速率的有效識(shí)別。

2 基于二次譜線生成的OFDM系統(tǒng)碼速率估計(jì)

2.1 OFDM信號(hào)模型

OFDM系統(tǒng)中的信號(hào)是在頻域內(nèi)將信道分成多個(gè)子信道，在每個(gè)子信道上使用獨(dú)立的子載波分別調(diào)制，并且進(jìn)行并行傳輸?shù)囊环N信號(hào)。

在OFDM系統(tǒng)中，信號(hào)第二次生成的譜線具有更豐富的參數(shù)特征。要利用該特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行碼速率識(shí)別，則需要首先分析信號(hào)的二次生成譜線結(jié)構(gòu)。由于OFDM調(diào)制方式的靈活性，使得發(fā)射端可以有很多組合方式，例如各子載波的信號(hào)調(diào)制方式可以是BPSK、QPSK、16QAM與64QAM等。

為描述方便而又不失一般性，OFDM系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)可表示為

(1)

式中，f0是載頻；φ0是初始相位；ck,n來自有限符號(hào)的星座；q(t)為成形脈沖；T0為脈沖寬度；t0為脈沖的起始時(shí)間，|t0|

x(t)還可以表示為

x(t)=Re{r(t)ej(2πf0t+φ0)}

(2)

其中:

(3)

可以得出：

(4)

gk(t)即為子載波上的傳輸波形，因?yàn)棣=1/T0，所以ej2πkΔf(-nT0)=1，故：

(5)

2.2 OFDM信號(hào)的二次生成譜線分析

(6)

式中，q(t)為成形脈沖，Q(f)是q(t)的傅里葉變換，f為第一次生成譜線刻度，F(xiàn)為第二次生成譜線刻度。

OFDM系統(tǒng)的信號(hào)二次生成譜線經(jīng)推導(dǎo)可表示為

(7)

2.3 方法步驟和流程

該方法包括以下幾個(gè)基本步驟：

(1) 利用OFDM系統(tǒng)的信號(hào)分段進(jìn)行第一次譜線生成，形成譜線序列組；

(2) 對(duì)該譜線序列組，利用譜線刻度位置形成新輔助信號(hào)；

(3) 對(duì)該新輔助信號(hào)序列進(jìn)行第二次譜線生成，形成第二次譜線序列；

(4) 對(duì)第二次譜線序列檢測(cè)出譜線間隔值，并將該值與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果大于門限，即為OFDM系統(tǒng)碼速率，算法終止；當(dāng)小于門限時(shí)，則回到步驟2。

基于二次譜線生成的OFDM系統(tǒng)碼速率識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 基于二次譜線生成的碼速率識(shí)別流程圖

下面以一示例說明基于二次譜線生成的OFDM系統(tǒng)碼速率識(shí)別流程。假設(shè)OFDM的信號(hào)序列長(zhǎng)度為l=m×n，即為{x(1),x(2),x(3),…，x(mn)}，先對(duì)其分段，每段為m點(diǎn)長(zhǎng)度序列，一共n段，如圖2所示。

圖2 OFDM的信號(hào)序列分段示意圖

然后，分別對(duì)每段序列進(jìn)行傅里葉變換，得到第一次譜線生成序列，長(zhǎng)度為l=m×n，如圖3所示。

圖3 輔助序列構(gòu)造示意圖

在此基礎(chǔ)上，從第一次譜線生成序列中的每段數(shù)據(jù)中同一頻點(diǎn)(頻點(diǎn)任選)上的譜線生成值，選取它們出來構(gòu)造輔助序列，比如可選每段數(shù)據(jù)第二個(gè)頻點(diǎn)譜線值構(gòu)造輔助序列，即{X(2)，X(m+2)，X(2m+2)，…，X((n-1)m+2)}，用虛線框標(biāo)注如圖3所示。再次對(duì)新輔助序列進(jìn)行傅里葉變換，得到長(zhǎng)度為n的二次譜線序列可表示為：Y(1)，Y(2)，Y(3)，…，Y(n)，從而得到二次譜線間隔。

最后，把得到的二次譜線間隔與根據(jù)大量的仿真試驗(yàn)得到的門限相比較，如果大于門限，即可得到識(shí)別的碼速率結(jié)果；如果小于門限，重新選擇第一次譜線數(shù)據(jù)，并構(gòu)造新的序列，繼續(xù)進(jìn)行二次譜線和門限判決，如此循環(huán)，直至第一次譜線數(shù)據(jù)循環(huán)完結(jié)。

3 仿真驗(yàn)證

通過仿真對(duì)基于二次譜線生成的OFDM系統(tǒng)碼速率識(shí)別方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。以下為仿真參數(shù)：在OFDM系統(tǒng)中，信號(hào)各路子載波采用QPSK調(diào)制，一共16個(gè)子載波，同步載頻1個(gè)子載波，數(shù)據(jù)調(diào)制載頻15個(gè)子載波，每幀信息的采樣點(diǎn)為93點(diǎn)，采樣率為7 040 Hz，采樣率和碼速率比值為3.128，加性高斯白噪聲環(huán)境。在信噪比為5 dB時(shí)，對(duì)該OFDM系統(tǒng)的二次生成譜線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 信噪比為5 dB條件下的二次譜線分析圖

通過圖4可看出二次譜線出現(xiàn)明顯的周期性變化，計(jì)算峰值間隔為93個(gè)采樣點(diǎn)與OFDM系統(tǒng)參數(shù)相符合，從而可以推算出該OFDM系統(tǒng)的碼速率。

為了驗(yàn)證該方法的有效性和性能，對(duì)-10～20 dB范圍的信噪比進(jìn)行了大量仿真。圖5給出了在不同的信噪比條件下加性高斯白噪聲信道中，1 000次Monte Carlo的OFDM碼速率正確識(shí)別概率曲線。

圖5 基于二次譜線生成的碼速率識(shí)別方法正確率曲線

從仿真結(jié)果可見，在信噪比大于3 dB時(shí)，識(shí)別正確率在90%以上。因此，該方法能夠在較低信噪比下識(shí)別OFDM系統(tǒng)信號(hào)的碼速率。該仿真結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出的碼速率識(shí)別方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于二次譜線生成的碼速率估計(jì)方法，通過在各種信噪比下的多次仿真試驗(yàn)證明該方法能夠有效地識(shí)別OFDM系統(tǒng)的碼速率，有效地解決了OFDM系統(tǒng)碼速率識(shí)別問題。不僅識(shí)別概率高，而且具有較強(qiáng)的抗噪性，能識(shí)別各子道相異調(diào)制模式，對(duì)OFDM系統(tǒng)的盲接收和自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的研制等具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

同時(shí)，本方法稍加改進(jìn)后也可以對(duì)其它多種信號(hào)的碼速率進(jìn)行有效估計(jì)，能夠應(yīng)用于多種通信系統(tǒng)，這將是筆者今后進(jìn)一步研究的方向。

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