基于混合载波系统的载波间干扰抑制算法

李　勇，刘爱侠

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.石家庄柯棣华职业专修学院，河北 石家庄 050080)



基于混合载波系统的载波间干扰抑制算法

李勇1,2，刘爱侠3

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.石家庄柯棣华职业专修学院，河北 石家庄 050080)

摘要：针对双选信道下信号传输受到严重的载波间干扰(Inter Carrier Interference， ICI)的问题，首先利用部分FFT解调技术对局部干扰进行了分析，进一步在基于加权分数傅里叶变换的混合载波系统的抗干扰理论的基础上，提出了基于混合载波-部分FFT解调的信道ICI抑制算法，设计了这种算法的实现结构，最终将这种新的算法应用到双选信道下。仿真表明，相比较于传统单载波和OFDM系统，该算法具有误码率性能上的明显优势。

关键词：双选信道；载波间干扰；混合载波；部分FFT解调

0引言

快速时变多径信道下的干扰抑制问题是现在研究的热点[1]，现有的多数文献还是以单载波系统和以OFDM为代表的多载波系统为主[2]。但是单载波由于码字宽度窄，受到快速时变信道码间干扰严重，尤其在强时变密集多径信道中，更容易受到由于多径时延造成的码间干扰。近年来，大多数研究者多以多载波调制系统来克服单载波遇到的问题，主要以OFDM为代表，通过增加符号间的宽度并使用简单的均衡器消除码间干扰，但是OFDM系统在大的多普勒影响下，子载波间的正交性容易受到破坏，这时的载波间干扰(Inter-carrier Interference,ICI)也是相当严重的。

最近，南加州大学的研究人员提出一种特殊的解调方式-部分快速傅里叶变换(Partial Fast Fourier transform,PFFT)[1]，并且在声呐系统以及数字视频广播系统等快速时变信道下发挥了重要的作用。这种新型的解调方式，解决了传统的傅里叶变换无法进行局部分析的问题，并且在一定程度上克服了OFDM系统在快速时变信道下受到的ICI 的影响，但是OFDM系统在接收端的有效性仍然在强时变信道条件下遇到性能提高受限的瓶颈，本文将基于加权分数傅里叶变换(WFRFT)以及部分FFT解调， 提出一种新的混合载波-部分FFT解调系统，新的系统将在抑制ICI上得到进一步提升。

1混合载波系统

首先给出混合载波调制(hybrid carrier modulation,HCM)系统在双选信道下的传输模型如图1所示。

图1　混合载波-PFFT解调系统在双选信道下的传输模型

设长度为N的BPSK/QPSK信号D=(d1,d2,...,dN)，这里假设信号D是α阶的加权分数域信号[2]，经过-α阶的WFRFT变换后被调制为混合载波信号。由于WFRFT变换是一种时频变换工具，文献[2]中已经研究了它的性质，信号经过WFRFT变换后，信号能量以及信号上的干扰能量，能够在较均匀的分布在时频平面上[2]，这样能够在一定程度上降低强干扰产生的概率。

由于假设原始信号是α阶的加权分数域信号，因此，经过-α阶的WFRFT变换后，原始信号就由α阶的加权分数域信号变换到了时域信号。

假设系统的循环前缀持续时间为Tp，且Tp>Tτ，其中Tτ为最大时延扩展。这样，时域传输信号可以表示为：

(1)

式中，Td为采样周期，加权分数傅里叶变换的核函数φα(v,t)可以表示为[3]：

(2)

这里是利用分数傅里叶变换的一般形式[3]，信道模型可以表示为：

(3)

假设hl(t)是快速时变多径信道的信道增益，τl(t)是第l径的时延扩展，这里假设多径延迟是时变的，这是不同于一般的慢时变信道，在快速时变信道下，诸如水声信道[1,4]、数字视频广播信道[1]，由于大多普勒的影响，因此假设时延是随时间变化的。经过双选信道后，在接收端去除循环前缀，这时的接收信号可以表示为：

(4)

式中，n(t)是加性高斯白噪声。

2部分FFT解调(PFFT)技术

一般情况下，接收端通过一个傅里叶变换，就可以完成从时域到频域的转化，即：

(5)

这里Hp(t)和sp分别如下表示：

(6)

本文将用部分FFT解调(Partial FFT Demodulation,PFFT)来代替原来的傅里叶变换解调，PFFT解调首先将整个采样区间[0,Td]，平均分成互不相交的Q部分，通过相应位置的补零，仍然保持每一部分的信号长度不变。之后对每一子区间进行傅里叶变换。其中第q个子区间的第k个输出可以表示为：

(7)

这里部分积分的结果Gp-k(q)，可以表示为如下的形式：

(8)

PFFT解调以后，每一部分的有效信号的长度由N变成了现在的N/Q，这样有效信号点上的干扰能量也相应的降低，因此相比较于原来的傅里叶变换解调，在一定程度上降低了符号上产生强干扰的概率，同时经过部分FFT 解调后，由于每一部分互不相交，这样也在一定程度上减少了载波间干扰。

(9)

(10)

3优化信道加权补偿

前文已经分析了信道加权补偿的必要性，为了得到优化的信道加权补偿，本文采用最小均方误差原则(Minimum Mean Square Error,MMSE)[5]:

(11)

(12)

(13)

(14)

4数值仿真

为了验证本文提出的混合载波-部分FFT解调系统的性能，本节将利用数值仿真并对比传统的单载波和OFDM系统，在同样的信道均衡方式下的性能。

双选信道仿真条件：每个数据帧长度N=256的QPSK信号， 采样率54.69Hz，采样周期18.28ms，循环前缀2.29 ms， 归一化多普勒频率0.274 2。采用10个径的WSSUS模型[6]，最大延迟扩展0.6 ms[7]。假设信道已经通过一定的信道估计获得[8]。

图2(a)和(b)分别是3种通信系统利用部分FFT解调(Q=8、32)时的对比结果，其中，横坐标是信噪比(Signal-to-noise Ratio,SNR),单位是dB，纵坐标是误码率(BER)。混合载波系统的调制阶数α=0.4。在这种条件下，无论分块数是多少，混合载波-部分FFT解调系统都要比OFDM系统有明显的优势，而当信噪比大于 18dB时，混合载波-部分FFT解调的性能也会由于单载波-部分FFT解调系统。这样的信道模型可以模拟实际的声纳、高铁以及数字视频广播等双选信道模型。

(a)Q=8

(b)Q=32图2　混合载波、单载波以及OFDM系统性能对比

5结束语

为了解决双选信道下的载波间干扰问题，本文提出一种基于混合载波-部分FFT解调系统的ICI抑制算法，并且设计了这种算法的实现结构，结合混合载波和PFFT解调的特性，推导出优化的信道补偿。数值仿真表明，在典型的双选信道下，混合载波-部分FFT解调系统性能明显优于传统的OFDM-部分FFT解调系统，并且在一定的信噪比下，混合载波-部FFT解调系统的性能也优于单载波-部分FFT解调系统的ICI 抑制算法，同时也说明本文提出的ICI抑制算法在性能上的优势。

参考文献

[1]Yerramalli S,Stojanpvic M,Mitra u.Partial FFT Demodulation:a Dection Method for Highly Doppler Distorted OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(11):5906-5918.

[2]Mei L,Sha X,Zhang N.The Approach to Carrier Scheme Convergence Based on 4-weighted Fractional Fourier Transform[J].IEEE Communications Letters,2010,14(6):503-505.

[3]史军，迟永刚，沙学军，等，加权分数傅里叶变换在采样重构中的应用[J].通信学报，2010,31(4):88-93.

[4]Li Y，Sha X，Wang K.Hybrid Carrier Communication with Partial FFT Demodulation over Underwater Acoustic Channels[J].IEEE Communications Letters,2013,17(12):2260-2263.

[5]Li Y，Sha X，Zheng F C，et al,Low Complexity Equalization of HCM Systems with DPFFT Demodulation over Doubly-Selective Channels[J].IEEE Signal Processing Letters,2014,21(7):862-865.

[6]Hwang S J,Schniter P.Efficient Multicarrire Communication for Highly Spread Underwater Acoustic Channels[J].IEEE J.Sel.Areas Commun,2008,26(9):1674-1683.

[7]Schniter P.Low-complexity Equalization of OFDM in Double Selective Channels[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(4):1002-1011.

[8]Wang K,Sha X,Li Y.Hybrid Carrier Modulation with Time-Domain Windows and Iterative Equalization over Underwater Acoustic Channels[J].IEEE Communications Letters,2013,17(8):1489-1492.

Inter-Carrier Interference Mitigation Algorithm Based on Hybrid Carrier System

LI Yong1,2, LIU Ai-xia3

(1.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China；2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China；3.Shijiazhuang Kedihua Professional College,Shijiazhuang Hebei 050080,China )

Abstract：To the problem of severe inter-carrier interference (ICI) under doubly selective channel,the paper firstly analyzes the local interference,then proposes an ICI mitigation algorithm based on hybrid carrier system with partial FFT demodulation,on the basis of the interference suppression theory employing hybrid carrier system based on weighted type fractional Fourier transform (WFRFT).Moreover,the implement structure of ICI suppression algorithm is designed.Finally,this algorithm has been applied into the doubly selective channel.It is demonstrated that the proposed algorithm has advantage over the traditional single carrier system and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in terms of BER performace.

Key words：doubly selective channel；inter carrier interference；hybrid carrier system；partial FFT demodulation

中图分类号：TP926

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-42-4

作者简介：李勇(1985—)，男，工程师，主要研究方向：通信系统与信号处理。刘爱侠(1985—)，女，讲师，主要研究方向：临床病理研究和系统检测。

基金项目：通信网信息传输与分发技术重点实验室开放基金资助项目(EX156410046)

收稿日期：2016-01-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.11

引用格式：李勇，刘爱侠.基于混合载波系统的载波间干扰抑制算法[J].无线电通信技术,2016,42(3):42-45.