現(xiàn)代變換通信系統(tǒng)降噪技術(shù)研究

王洪劍

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

現(xiàn)代變換通信系統(tǒng)降噪技術(shù)研究

王洪劍

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

文章采用時(shí)域和離散傅里葉逆變換域級(jí)聯(lián)兩種降噪方式，通過降低導(dǎo)頻信號(hào)的噪聲，由此來提升變換域通信系統(tǒng)信道估計(jì)值的準(zhǔn)確性。最終的仿真結(jié)果顯示：這一方法在時(shí)域降噪環(huán)境下同樣有效。這為兩種方法的結(jié)合降噪奠定了基礎(chǔ)。

變換通信系統(tǒng)；降噪技術(shù)；離散傅里葉逆變換域

由于受低信噪比噪聲的干擾，很難獲得清晰、可靠的信道信息，因此，為了提高以O(shè)FDM-TDCS為基礎(chǔ)的低信噪比的性能水平，整個(gè)系統(tǒng)必須擁有可靠的信道估計(jì)?；诖?，文章提出了采用時(shí)域和離散傅里葉逆變換域級(jí)聯(lián)兩種降噪方式，通過降低導(dǎo)頻信號(hào)的噪聲，由此來大大提升變換域通信系統(tǒng)信道估計(jì)值的準(zhǔn)確性。

1　以正交頻分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的變換域通信系統(tǒng)

圖1　基于OFDM的變換域通信系統(tǒng)（TDCS）結(jié)構(gòu)圖

其結(jié)構(gòu)圖如1所示，發(fā)送端的信源數(shù)據(jù)要先經(jīng)過頻域CCSK基函數(shù)的調(diào)制活動(dòng)。該基函數(shù)主要是通過信源數(shù)據(jù)發(fā)送端頻譜檢測器估計(jì)所產(chǎn)生的頻譜幅度乘以系統(tǒng)內(nèi)的隨機(jī)相位之后，并經(jīng)過一系列適當(dāng)?shù)目s放活動(dòng)所得。假設(shè)發(fā)送與接收兩端經(jīng)過檢測之后所獲得的頻譜幅度十分理想，而且一致，然后采用普通的OFDM技術(shù)來發(fā)射信源數(shù)據(jù)。信號(hào)在該頻域中可以通過以下公式進(jìn)行表示：

n表示發(fā)射時(shí)刻，N為基函數(shù)的長度，k表示特定的子載波，M表示隨機(jī)相位矢量，x（n，k）表示第k個(gè)子載波在n時(shí)刻的發(fā)射信號(hào)，Ak則表示取值為1或0的頻譜幅度矢量元素，mk是指在0至M-1之間的隨機(jī)整數(shù)，Sn是指第n個(gè)發(fā)送的符號(hào)。在經(jīng)歷了低信噪比噪聲的干擾之后，發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收端。其所在頻域可以表示為：

y（n，k）表示第k個(gè)子載波在n時(shí)刻的接受信號(hào)；n（n，k）表示均值為0的加性復(fù)高斯噪聲；H（n，k）為第k個(gè)子載波在n時(shí)刻的信道頻率響應(yīng)；N0是指方差。接收信號(hào)在到達(dá)接收端之后，首先經(jīng)過OFDM技術(shù)的處理，然后乘以本地生成的基函數(shù)CCSK，最后再通過該基函數(shù)解調(diào)檢測出所發(fā)送的信號(hào)，作為終端信息處理的源數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成所預(yù)期的信息內(nèi)容。

2　以降噪為基礎(chǔ)的信道估計(jì)

基于分析的便利性，筆者采用以塊狀導(dǎo)頻圖案為基礎(chǔ)的導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)模型（PSAM），也即是將導(dǎo)頻植入正交頻分復(fù)用技術(shù)符號(hào)內(nèi)所有的子載波中，隨后再將其插入即將發(fā)送的正交頻分復(fù)用技術(shù)信號(hào)中。接收機(jī)在估計(jì)導(dǎo)頻位置的信號(hào)過程采用最小二乘法的方式，然后再使用時(shí)域以及IDFT變換域級(jí)聯(lián)進(jìn)行降噪活動(dòng)，由此來大大提升變換域通信系統(tǒng)信道估計(jì)值的準(zhǔn)確性。

2.1最小二乘法估計(jì)

最小二乘法估計(jì)是傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中獲得導(dǎo)頻位置信道系統(tǒng)最常用的方法，也即是將接收端接收的信號(hào)除以發(fā)送端發(fā)送的導(dǎo)頻符號(hào)。其公式為：

2.2時(shí)域降噪方式研究

2.2.1時(shí)間滑動(dòng)平均降噪法

在IEEE 802.22無線區(qū)域網(wǎng)（WRAN）系統(tǒng)之中，信道系數(shù)變化非常慢，因此，可以假設(shè)N個(gè)正交頻分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)頻符號(hào)的信道系數(shù)保持不變。其公式為：

針對(duì)這種信道系數(shù)變化較慢的情況，對(duì)N個(gè)正交頻分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)頻符號(hào)所對(duì)應(yīng)的子載波的最小二乘法估計(jì)信道系數(shù)進(jìn)行取平均計(jì)算，被稱為是時(shí)間平均降噪法。其計(jì)算方式為：

由于在不同的時(shí)間，噪聲之間呈現(xiàn)出分隔、獨(dú)立的狀態(tài)，由此可知此時(shí)刻的噪聲方差僅僅是最小二乘法估計(jì)的1/N。然而，這種計(jì)算方式只局限于特定的求平均需要，但不同位置的信道估計(jì)值呈現(xiàn)出迥異的延時(shí)性特征。因此，為了使估計(jì)的信道系數(shù)具有相同的時(shí)延，可采用時(shí)間滑動(dòng)的平均降噪方式來實(shí)現(xiàn)這一目的，也即是將第n個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)所對(duì)應(yīng)子載波信道系數(shù)的估計(jì)值，通過n-（N/2），…，n，…，n+［（N-1）/2］時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻子載波的最小二乘法估計(jì)的平均值來進(jìn)行表示。在此過程中，可以將不大于a的最大整數(shù)視為［a］。這一信道系數(shù)的估計(jì)方法可以表示為：

2.2.2時(shí)間遺忘降噪方式

上文分析的時(shí)間滑動(dòng)平均降噪與時(shí)間平均降噪所計(jì)算出的信道系數(shù)都呈現(xiàn)出時(shí)延性的特征，也即是信道系數(shù)之間具有明顯的時(shí)間間隔特征，因此，根據(jù)這一特點(diǎn)，可采用時(shí)間遺忘降噪的方式來估計(jì)信道系數(shù)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)就在于對(duì)緩存導(dǎo)頻數(shù)據(jù)沒有過多的要求，能夠?qū)崟r(shí)處理系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)。

具體來說，時(shí)間遺忘降噪方式也即是通過前一時(shí)刻估計(jì)的信道系數(shù)按權(quán)相加當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)用最小二乘法所獲得的信道系數(shù)，計(jì)算結(jié)果作為當(dāng)前時(shí)刻估計(jì)的信道系數(shù)。其計(jì)算方法為：

其中，0＜α≤1。該公式假設(shè)不同時(shí)刻的信道系數(shù)也不相同，因此，各個(gè)時(shí)刻通過最小二乘估計(jì)所獲得的信道系數(shù)應(yīng)對(duì)當(dāng)前所計(jì)算出的信道系數(shù)呈現(xiàn)出迥異的權(quán)值，與當(dāng)前時(shí)刻越近，其信道估計(jì)值也就越有可能相等，因此也就表現(xiàn)出更大的權(quán)值。正如上文所說，在不同的時(shí)間，噪聲之間呈現(xiàn)出分隔、獨(dú)立的狀態(tài)。基于此，某一時(shí)刻（假定為n）的信道估計(jì)方差同最小二乘估計(jì)的噪聲方差之間的比值公式為：

信源數(shù)據(jù)接收端需要接收一段導(dǎo)頻符號(hào)之后，n時(shí)刻的信道估計(jì)方差同最小二乘估計(jì)的噪聲方差之間的比值才能達(dá)到收斂值α/（2-α）的水平。最開始的一段時(shí)間內(nèi)計(jì)算出的信道估計(jì)值并不準(zhǔn)確，因此，在減小時(shí)延的過程中，可以將時(shí)間平均降噪和時(shí)間遺忘降噪聯(lián)合起來，從而大大提升信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。在此過程中，可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是采用時(shí)間平均降噪來處理最開始接收到的信源數(shù)據(jù)，當(dāng)信道估計(jì)值比較準(zhǔn)確的時(shí)候再實(shí)施時(shí)間遺忘的降噪方法；二是在每收到M個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)之后，通過時(shí)間平均的方式計(jì)算出均值，然后采用時(shí)間遺忘算法按權(quán)相加前一段時(shí)刻的信道估計(jì)值，并將此結(jié)果作為最終的信道估計(jì)值。

3　離散傅里葉逆變換域降噪

時(shí)間遺忘降噪法和時(shí)間滑動(dòng)平均降噪法都是建立在慢衰落信道在時(shí)延過程中的緩慢變化特征的基礎(chǔ)之上而進(jìn)行的信道估計(jì)，而離散傅里葉逆變換（IDFT）域降噪則是通過多徑時(shí)延集中在整個(gè)時(shí)隙的前一段的特征而進(jìn)行的信道估計(jì)活動(dòng)。其實(shí)現(xiàn)過程為：先將前面幾種時(shí)域降噪方法計(jì)算之后得到的估計(jì)值（n，k）或者是最小二乘估計(jì)值（n，k），通過離散傅里葉逆變換到時(shí)域。由于多徑時(shí)延主要是集中在前一階段中的時(shí)隙，因此，這一段時(shí)隙也包含了時(shí)域的信道系數(shù)，而噪聲能夠擴(kuò)展至整個(gè)時(shí)隙，因此，可通過并不復(fù)雜的濾波的方式，通過前一段時(shí)隙，將后一段時(shí)隙設(shè)置為0，由此大大降低噪聲對(duì)信道估計(jì)的干擾或影響等。

4　結(jié) 語

最終的基于時(shí)域和IDFT降噪技術(shù)的仿真結(jié)果表明：本文提出的以時(shí)域和離散傅里葉逆變換（IDFT）域聯(lián)合降噪的方法呈現(xiàn)出良好的降噪性能，尤其是時(shí)間遺忘降噪與時(shí)間平均降噪相結(jié)合的兩方計(jì)算方式不僅大大提升了信道估計(jì)的精確性；還極大減小了時(shí)延， 提高了通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率，呈現(xiàn)出良好的實(shí)用價(jià)值。目前，這種降噪方式在理論上具有明顯的可行性價(jià)值，然而如何應(yīng)用于實(shí)際的通信活動(dòng)中還有待進(jìn)一步的研究。這將是該課題進(jìn)行下一步研究的方向。

主要參考文獻(xiàn)

［1］沙學(xué)軍.分?jǐn)?shù)傅里葉變換原理及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［2］張智林，皮亦鳴，孫志堅(jiān).基于獨(dú)立分量分析的降噪技術(shù)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）.

［3］包興先，劉福順，李華軍，等.復(fù)指數(shù)方法降噪技術(shù)及其試驗(yàn)研究［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）.

［4］李方，李友榮，王志剛.基于Morlet小波與最大似然估計(jì)方法的降噪技術(shù)［J］.振動(dòng)、測試與診斷，2005（1）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.20.089

TN914

A

1673-0194（2015）20-0113-02

2015-08-27