改善CE-OFDM相位模糊的塊編碼聯(lián)合過采樣方法*

唐新豐，李 洪，王星來，夏國江，韓 明

改善CE-OFDM相位模糊的塊編碼聯(lián)合過采樣方法*

唐新豐1，李 洪2，王星來1，夏國江1，韓 明1

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076 2 中國航天科技集團有限公司 北京 100048）

針對調(diào)制指數(shù)較大時，相位連續(xù)的正交子載波數(shù)較少的恒包絡(luò)正交頻分復(fù)用CE-OFDM（Constant Envelop Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信號在相位解調(diào)過程中頻繁出現(xiàn)相位模糊的問題，提出利用塊編碼聯(lián)合基于在OFDM幀結(jié)構(gòu)中插零實現(xiàn)過采樣的方法改善該問題。在此基礎(chǔ)上，利用模擬退火—粒子群優(yōu)化SA-PSO（Simulate Anneal Particle Swram Optimization）算法尋找最優(yōu)編碼序列。實驗結(jié)果表明，相比于單一的過采樣方法，所提方法在改善相位模糊效果相同時，能夠具有更低的計算復(fù)雜度。在采樣率相同時，聯(lián)合方法具有更好的改善效果。

CE-OFDM；相位模糊；塊編碼；粒子群優(yōu)化

引 言

隨著人工智能技術(shù)的普及，智慧化成為航天器發(fā)展的新方向[1]。發(fā)展智慧化航天器需要遙測系統(tǒng)提供海量數(shù)據(jù)作為支撐，而當(dāng)前的遙測系統(tǒng)的無線傳輸速率遠不能滿足海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，尋找新的遙測傳輸體制成為行業(yè)關(guān)注的熱點。CE-OFDM波形，尤其是相位連續(xù)CE-OFDM波形，具有頻譜效率高、實現(xiàn)復(fù)雜度低、恒包絡(luò)等優(yōu)勢，有望替代當(dāng)前廣泛使用的連續(xù)相位頻移鍵控CPFSK（Constant Phase Frequency Shift Keying）波形，成為新的航天遙測物理層標準波形。

相位連續(xù)CE-OFDM波形最早由Thompson等人提出[2]，Ahmed A U等人證明提取相位連續(xù)CE-OFDM信號相位時，使用基于反正切的次優(yōu)化相位解調(diào)器具有接近最優(yōu)化相干解調(diào)器的性能，且復(fù)雜度要遠小于后者[3]。相位連續(xù)CE-OFDM波形以O(shè)FDM信號作為相位，由于OFDM信號在時域上的劇烈波動，導(dǎo)致在進行基于反正切計算的相位解調(diào)時容易出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象，使誤碼率升高。調(diào)制指數(shù)越大或者子載波數(shù)越多都會導(dǎo)致OFDM信號波動越劇烈，發(fā)生相位模糊的頻率也越高。

對于改善相位模糊問題，限幅類方法是利用限幅器限制OFDM信號幅值。當(dāng)子載波數(shù)較多時，OFDM高峰值功率點出現(xiàn)的概率低，限幅手段在引起少量失真的情況下，可以顯著降低相位模糊發(fā)生概率，但對子載波數(shù)少的使用場景，限幅手段會引起大量失真，且改善效果一般[4]。過采樣方法是通過在相位解調(diào)之前增加信號采樣速率，從而減小相鄰采樣點的相位差，達到改善相位模糊的目的。但是過采樣方法會引起系統(tǒng)計算復(fù)雜度大幅增加[5,6]?；趶V義匹配濾波器的相位模糊緩解方法通過在解調(diào)端對相位模糊位置進行定位，然后生成校正因子，以減小由相位跳變在OFDM解調(diào)后的信號中引入的噪聲[7,8]。這種被動緩解方法計算復(fù)雜度很高，容易受沖擊噪聲影響，且改善效果一般。

本文針對相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)在子載波數(shù)較少，調(diào)制指數(shù)較大的使用場景中的相位模糊問題，研究并提出塊編碼與過采樣方法聯(lián)合的改善該問題的方法。探討了利用SA-PSO算法確定最優(yōu)塊編碼序列，設(shè)計了聯(lián)合優(yōu)化過程，并通過實驗證明了聯(lián)合方法對于改善相位模糊問題的有效性。

1 相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)插零實現(xiàn)過采樣原理

其中，表示發(fā)送的第個OFDM數(shù)據(jù)幀，為有效子載波數(shù)，*代表正整數(shù)。數(shù)據(jù)幀長度IFFT為2+zp+2。過采樣率表示為

X經(jīng)過IFFT之后的輸出可表示為

對OFDM信號調(diào)相的信號表示為[9]

考慮對調(diào)相的OFDM信號進行相位修正，以使相鄰OFDM符號塊具有連續(xù)性。計算得到的相位修正因子表示為[5]

接收信號經(jīng)過功率放大和下變頻之后為

其中()為相位連續(xù)CE-OFDM信號，0是相位偏移項[6]，()為加性高斯白噪聲。采樣后，得到數(shù)字信號[]。考慮到相位連續(xù)CE-OFDM信號對相位噪聲敏感，數(shù)字濾波器選擇使用具有線性相頻特性的FIR濾波器[7]。若不出現(xiàn)相位模糊，相位解調(diào)器輸出信號為

其中[]為噪聲()引入的相位噪聲的采樣值。[]表示為

2 相位連續(xù)CE-OFDM相位模糊問題分析

相位波動的程度和調(diào)制指數(shù)、子載波數(shù)、信噪比有關(guān)。對相位非連續(xù)CE-OFDM信號和相位連續(xù)CE-OFDM信號分別仿真，調(diào)制指數(shù)2p為0.1時得到的離散相位分布如圖2所示。相位非連續(xù)CE-OFDM信號的離散相位點分布在0°附近，且變化范圍不超過p，相位無纏繞，在無噪聲或信噪比很高的情況下不需要相位解卷繞操作，可避免相位模糊問題。而對于相位連續(xù)CE-OFDM信號，必須使用相位解卷繞器才能恢復(fù)出相位，存在發(fā)生相位模糊的風(fēng)險。

圖2 CE-OFDM信號離散相位分布

圖3 塊編碼聯(lián)合過采樣原理

3 改善相位模糊問題的塊編碼聯(lián)合過采樣方法

通過提高采樣速率，相位連續(xù)CE-OFDM信號相鄰采樣點的相位差會減小，可以有效改善相位模糊問題，但是會大幅增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。本文提出將塊編碼和過采樣方法聯(lián)合，在達到相同的改善效果的同時，顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

3.1 方法原理

子載波數(shù)固定時，塊編碼序列同樣固定。遍歷輸入序列，計算IFFT模塊輸出數(shù)據(jù)塊相鄰采樣點跳變值絕對值的最大值，表示為

調(diào)整插零長度zp時，最小的zp應(yīng)保證無噪聲干擾時，解調(diào)端不發(fā)生相位模糊。

3.2 尋找最優(yōu)塊編碼序列和最佳過采樣率

圖4 參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化流程

4 實驗分析

4.1 實驗參數(shù)設(shè)定

實驗所用的參數(shù)以及初始值如表1所示，SA-PSO算法中的起始溫度與子載波數(shù)有關(guān)，根據(jù)實驗結(jié)果的收斂情況，最終取為/16。在搜索最優(yōu)值和調(diào)制指數(shù)2p的邊界時，輸入數(shù)據(jù)為隨機生成的等概率的二進制比特，數(shù)量為1000000。

4.2 參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化實驗與分析

子載波數(shù)為8時，搜索得到的最優(yōu)塊編碼序列如表2所示。改變子載波數(shù)，得到的最優(yōu)調(diào)制指數(shù)隨子載波數(shù)的變化關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯霾捎脡K編碼方法后，系統(tǒng)在不發(fā)生相位模糊的條件下，調(diào)制指數(shù)獲得了更大的可選擇范圍。這對于取某些調(diào)制指數(shù)的相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)，如取圖中紅線表示的2p=3，當(dāng)為7時，未進行塊編碼優(yōu)化的系統(tǒng)就需要提高值，以避免相位模糊問題。使用基2IFFT算法，OFDM過程計算復(fù)雜度為(·2)，因此值增加會導(dǎo)致計算復(fù)雜度迅速升高。而塊編碼過程額外增加的計算復(fù)雜度()可忽略不計，因此塊編碼方法能夠使系統(tǒng)具有更低的計算復(fù)雜度。

表1 實驗所用基本參數(shù)

表2 最優(yōu)塊編碼序列（N=8）

4.3 系統(tǒng)性能仿真實驗與分析

在AWGN信道環(huán)境中對相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)仿真，仿真中設(shè)定為8，為5，得到的誤比特率BER（Bit Error Rate）曲線如圖6所示。圖中顯示BER隨調(diào)制指數(shù)增加而增加，這是因為隨著調(diào)制指數(shù)增加，相位解調(diào)時發(fā)生相位模糊的頻率增加。在BER為10-5時，對于調(diào)制指數(shù)分別為1.6、1.8、2.0的相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)，塊編碼方法分別可以提供約1dB、2dB、4dB的性能增益。

圖5 理想信道下最優(yōu)調(diào)制指數(shù)隨子載波數(shù)的變化關(guān)系

圖6 AWGN信道中的相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)BER性能曲線（N=8,v=5）

為了達到和聯(lián)合方法相同的誤比特率性能，需要提高過采樣方法的采樣率。以SNR等于15時，BER不超過10–5為性能指標，對系統(tǒng)不再以使用基2IFFT算法為約束條件，而是逐漸增加插零長度。設(shè)定為8，首先分別搜索不同插零長度的系統(tǒng)的最佳塊編碼序列，然后在AWGN信道中對系統(tǒng)仿真，得到滿足性能指標時系統(tǒng)所需的最小插零長度如表3所示，聯(lián)合方法相比于過采樣方法能縮短4到6個插零長度。直接進行IDFT運算時，過采樣所需計算復(fù)雜度為(IFFT2)，而塊編碼和塊解碼的計算復(fù)雜度()與前者相比可忽略不計，因此在達到相同的誤碼率性能時，聯(lián)合塊編碼的方法能夠使系統(tǒng)具有更低的計算復(fù)雜度。

表3 滿足指標要求的最小插零長度（N=8）

5 結(jié)束語

本文研究了相位連續(xù)CE-OFDM系統(tǒng)在子載波數(shù)少，調(diào)制指數(shù)高的條件下的相位模糊問題，提出塊編碼聯(lián)合過采樣的改善該問題的方法，并利用SA-PSO算法得到最優(yōu)塊編碼序列。實驗結(jié)果表明，理想信道情況下，相比于單一的過采樣方法，聯(lián)合方法可以有效增加無相位模糊時的調(diào)制指數(shù)選擇范圍，有助于降低系統(tǒng)計算復(fù)雜度；AWGN信道環(huán)境下，過采樣率相同時，聯(lián)合方法具有更好的改善相位模糊的效果，使系統(tǒng)有更好的誤碼率性能，并且在達到相同的誤碼率性能指標時，聯(lián)合方法具有更低的計算復(fù)雜度。

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Block coding joint oversampling method for mitigating CE-OFDM phase ambiguity

TANG Xinfeng1, LI Hong2, WANG Xinglai1, XIA Guogjiang1, HAN Ming1

（1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2. China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100048, China)

In this paper, we consider the problem that constant envelope orthogonal frequency division multiplexing (CE-OFDM) signals with continuous phase and fewer orthogonal subcarriers usually suffer from phase ambiguity in phase demodulation when the modulation index is large. A method that block coding joint oversampling based on zero insertion in OFDM frame structure is proposed. On this basis, simulate anneal particle swarm optimization (SA-PSO) algorithm is used to find the optimal coding sequence. It is shown that proposed scheme can obtain lower computational complexity than sampling scheme when the same effort is made, and can provide better efford than sampling scheme in mitigating CE-OFDM phase ambiguity when the sampling rate is the same.

CE-OFDM; phase ambiguity; block code; particle swarm optimization

TN911.72

A

CN11-1780(2019)05-0016-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

國防預(yù)研項目

2019-08-28

2019-09-09

唐新豐 1994年生，在讀碩士，主要研究方向為無線測控與組網(wǎng)通信技術(shù)。

李 洪 1964年生，碩士，研究員，主要研究方向為運載火箭總體技術(shù)。

王星來 1970年生，博士，研究員，主要研究方向為航天器測控通信總體技術(shù)。

夏國江 1981年生，博士，高級工程師，主要研究方向為無線測控與通信技術(shù)。

韓 明 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向為飛行器測控技術(shù)。