脉冲熄灭STBC-OFDM 接收机差错性能分析

刘海涛，尹志胜，李冬霞，张学军

（1.中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300；

2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

脉冲熄灭STBC-OFDM接收机差错性能分析

刘海涛1，尹志胜1，李冬霞1，张学军2

（1.中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300；

2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

为定量分析脉冲熄灭产生的子载波间干扰对空时分组编码正交频分复用（space-time block codingorthogonal frequency division multiplexing，STBC-OFDM）接收机差错性能的影响，在频率选择性瑞利衰落信道下理论分析给出脉冲熄灭STBC-OFDM接收机输出信噪比的计算公式，并以此为基础，定量分析了脉冲熄灭对STBCOFDM接收机符号差错性能的影响.计算机仿真结果表明，论文给出的理论结果与仿真结果完全一致，验证了理论分析的正确性。

空时分组编码正交频分复用；脉冲熄灭；子载波间干扰；符号差错性能

网址：www.sys-ele.com

0　引　言

正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是一种多载波调制技术，它可有效地克服高速数据通信带来的频率选择性衰落。相对于单载波通信系统，OFDM系统具有频谱效率高、调制解调实现方便、信道均衡简单等诸多优点，因此OFDM传输方案广泛应用于数字视频广播、数字音频广播、无线局域网络、电力线通信系统、第四代陆地移动通信系统［1］。相对于单天线OFDM系统，空时分组编码正交频分复用（space-time block coding-OFDM，STBC-OFDM）系统可充分利用多天线提供分集增益，显著改善链路传输的可靠性，目前STBC-OFDM已应用于第四代陆地移动通信系统［2］。在实际工程应用中，OFDM接收机常受到脉冲噪声的影响，常见的脉冲噪声包括：汽车点火噪声、电力线脉冲噪声等［3 4］。由于高强度脉冲噪声严重恶化OFDM接收机链路差错性能［5 6］，因此开展OFDM接收机脉冲干扰抑制的研究具有重要意义。

针对脉冲熄灭法抑制脉冲干扰的问题，文献［7］首次提出基于脉冲熄灭的干扰抑制方法；文献［8-9］基于脉冲熄灭OFDM接收机输出信噪比最大化准则提出最佳门限的设置方法；文献［10］在加性高斯白噪声信道下理论分析了脉冲熄灭OFDM接收机输出信噪比的计算方法；文献［11］在频率选择性瑞利衰落信道下理论分析给出了脉冲熄灭OFDM接收机符号差错性能。

为定量评估脉冲熄灭对STBC-OFDM传输系统性能的影响，论文在频率选择性瑞利衰落信道下理论分析给出脉冲熄灭STBC-OFDM接收机输出信噪比的计算表达式，并以此为基础，定量给出脉冲熄灭对STBC-OFDM接收机符号差错性能的影响，最后，仿真验证了理论分析的正确性。

1　系统模型

1.1STBC-OFDM发射机

图1给出了STBC-OFDM发射机模型。信源输出的比特序列分组I经调制器进行符号调制，调制器输出第m个调制符号分组Sm=［Sm，0，…，Sm，k，…，Sm，K-1］T，m=1，2，…，其中E｛Sm，k｝=0 及E｛|Sm，k|2｝=σ2S，且Sm，k与 Sm，j（j≠k）统计独立，K代表调制符号分组的长度。

图1　STBC-OFDM　发射机

图2　脉冲熄灭STBC-OFDM　接收机

进一步假设接收机精确知晓信道的频域响应，则STBC译码器输出信号矢量表示为

信号矢量zm进一步送入脉冲熄灭器进行脉冲干扰消除，假设脉冲干扰估计器可精确获得脉冲干扰出现的位置，则脉冲熄灭器输出信号矢量表示为

信号矢量ym经K点离散傅里叶变换完成OFDM解调，FFT输出频域信号矢量表示为

式中，Ym代表第m个频域信号矢量；F代表离散傅里叶变换矩阵；F矩阵的第k行n列元素记为F，：

2　差错性能分析

2.1STBC译码器输出信噪比

将式（3）代入式（5），脉冲熄灭器输出信号矢量ym进一步表示为

式中，Sm，k代表第m 个调制符号分组中第k个调制符号。

由式（18）计算噪声项的方差表示为

考虑到Hυk与Hυj（j≠k）统计独立，且相互统计独立，式（20）中第一项化简为

由式（17）计算得到期望信号的方差表示为

2.2符号差错性能

利用文献［14］的结果可得到多进制相移键控（multiple phase shift keying，MPSK）调制的STBC-OFDM系统第k个子信道的条件符号差错概率为

利用文献［14］的结果，进一步可以得到Rayleigh衰落信道MPSK调制的STBC-OFDM系统第k个子信道的平均符号差错概率为

利用文献［14］的结果可得到多进制正交幅度调制，（multiple quadrature amplitude modulation，MQAM）的STBCOFDM系统第k个子信道的条件符号差错概率为

利用文献［14］的结果进一步可以得到Rayleigh衰落信道MQAM脉冲熄灭STBC-OFDM接收机第k个子信道的平均符号差错概率为

式（30）与式（32）给出的脉冲熄灭STBC-OFDM接收机第k个子信道的平均符号差错概率与子信道序号k无关，因此脉冲熄灭STBC-OFDM接收机平均符号差错概率计算为

式中，PRayleigh，k可由式（30）或式（32）得到。

对以上结论进行讨论：①式（27）给出的脉冲熄灭STBCOFDM接收机第k个子信道的平均输出信噪比与子信道序号k无关，表明脉冲熄灭对STBC-OFDM接收机各个子信道具有相同的影响；②当没有脉冲干扰出现时，即p=0，此时式（27）给出的平均信噪比计算公式化简为，则式（30）与式（32）给出的平均符号差错误概率计算公式退化为常规的STBC-OFDM接收机符号差错概率；③当脉冲干扰存在时，即p≠0，且假定信道输入信噪比SNR=10lg（δ2s/δ2n）足够大时，噪声功率δn2趋近于0，此时k=1/p，表明脉冲熄灭STBC-OFDM接收机符号差错性能出现错误平台，且错误平台仅与p有关。

3　仿真结果

仿真环境主要参数设置如下：信号带宽8.192 MHz，子载波间隔16 k Hz，采样间隔0.122μs，子载波数512，循环前缀点数16，发射天线数2，接收天线数1，编码方式STBC，调制方式QPSK、16QAM，信道为10径频率选择性瑞利衰落信道，理想脉冲熄灭，理想信道估计。

在绘制符号差错性能理论曲线时，首先根据设定的接收机输入信噪比SNR=10lg（δ2S/δ2n）与脉冲干扰出现的概率p，利用式（27）计算得到k，再将k代入式（30）或式（32）进一步计算得到脉冲熄灭STBC-OFDM接收机第k个子信道的平均符号差错概率，最后由式（35）计算得到脉冲熄灭STBC-OFDM接收机的平均符号差错概率。

图3和图4显示给出了QPSK，16QAM调制的脉冲熄灭STBC-OFDM 接收机在Rayleigh衰落信道下的符号差错概率曲线。图中横轴代表接收机输入信噪比，纵轴代表符号差错概率，每张图中包含4组曲线，分别代表p取不同值时脉冲熄灭OFDM接收机的符号差错性能，此外，每组曲线包含理论计算曲线和计算机仿真曲线。理论计算与仿真曲线比较表明，理论计算结果与计算机仿真结果完全一致，验证了理论分析的正确性。

图3　脉冲熄灭对　QPSK　调制的STBC-OFDM接收机差错性能的影响

图4　脉冲熄灭对16QAM　调制的STBC-OFDM接收机差错性能的影响

4　结　论

论文结论如下：①脉冲熄灭STBC-OFDM接收机各个子信道输出平均信噪比完全相同；②脉冲熄灭STBC-OFDM接收机的符号差错性能曲线存在错误平台，并且错误平台与脉冲干扰出现的概率有关。

［1］Neji N，Lacerda R，Azoulay A，et al.Survey on the future aeronautical communication system and its development for continental communications［J］.IEEE Trans.on Vehicular Technology，2013，62（1）：182-191.

［2］Tarokh V，Naguib A，Seshadri M，et al.Space-time block codes from orthogonal designs［J］.IEEE Trans.on Information Theory，1999，45（5）：1456-1467.

［3］Blackard K L，Rappaport T S，Bostian C W.Measurements and models of radio frequency impulsive noise for indoor wireless communications［J］.IEEE Journal on Communications，1993，11（7）：991-1001.

［4］ZimmermannM，Dostert K.Analysis and modeling of impulsive noise in broad-band powerline communications［J］.IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility，2002，44（1）：249-258.

［5］Ghosh M.Analysis of the effect of impulsive noise on multicarrier and single carrier QAM systems［J］.IEEE Trans.on Communications，1996，44（2）：145-147.

［6］Ma YH，So P L，Gunawan E.Performance analysis of OFDM systems for broadband power line communications under impulsive noise and multipath effects［J］.IEEE Trans.on Power Deliυery，2005，20（2）：674-682.

［7］Haffenden OP.Detection and removal of clipping in multicarrier receivers［P］.Bulletin：European Patent Application EP1043874，2000.

［8］Zhidkov S V.Performance analysis and optimization of OFDM receiver with blanking nonlinearity in impulsive noise environment［J］.IEEE Trans.on Vehicular Technology，2006，55（1）：234-242.

［9］Zhidkov S V.Analysis and comparison of several simple impulsive noise mitigation schemes for OFDM receivers［J］.IEEE Trans.on Communications，2008，56（1）：5-9.

［10］Epple U，Shibli K，Schnell M.Investigation of blanking nonlinearity in OFDM systems［C］//IEEE International Conference on Communication，2011：1-5.

［11］Liu H T，Yin Z S，Zhang X J.Performance analysis of OFDM receiver with pulse blanking in frequency selective rayleigh fading channel［J］.Journal of Beijing Uniυersity of Posts and Telecommunications，2015，38（4）：28-32.（刘海涛，尹志胜，张学军.频率选择性瑞利衰落信道脉冲熄灭OFDM接收机差错性能分析［J］.北京邮电大学学报，2015，38（4）：28-32.）

［12］Li Y，stuber G.Orthogonal frequency diυision multiplexing for wireless communications［M］.New York：Springer，2006.

［13］Proakis J G.Digital communications［M］.4th ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011.

［14］Simon M K，Alouini M S.Digital communications oυer fading channels［M］.2nd ed.New York：Wiley，2005.

Performance analysis of STBC-OFDM receiver with pulse blanking

LIUHai-tao1，YIN Zhi-sheng1，LI Dong-xia1，ZHANG Xue-jun2
（1.Tianjin Key Lab for Adυanced Signal Processing，Ciυil Aυiation Uniυersity of China，Tianjin 300300，China；
2.College of Electronic and Information Engineering，Beihang Uniυersity，Beijing 100191，China）

To analyze the impact of inter-carrier interference（ICI）caused by pulse blanking on the error performance of the space-time block coding-orthogonal frequency division multiplexing（STBC-OFDM）receiver，the analytical expression of the signal-to-noise ratio（SNR）for the STBC-OFDM receiver with pulse blanking is derived over the frequency selective Rayleigh fading channel，and the effect of pulse blanking on the symbol error ratio（SER）for the STBC-OFDM receiver is also analyzed quantitatively based on the SER expression.Simulation results validate the accuracy of derived formulas.

space-time block coding-orthogonal frequency division multiplexing（STBC-OFDM）；pulse blanking；inter-carrier interference（ICI）；symbol error ratio（SER）

TN 929.5

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.05.29

1001-506X（2016）05-1159-05

2015-08-24；

2015-10-12；网络优先出版日期：2015-11-23。

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151123.1324.006.html

国家自然科学基金（U1233117，61271404）资助课题

刘海涛（1966-），男，教授，硕士研究生导师，博士后，主要研究方向为宽带通信系统、航空移动通信。

E-mail：htliucauc@qq.com

尹志胜（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为航空移动通信系统。

E-mail：zhishengyin@qq.com

李冬霞（1971-），女，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为航空移动通信、甚高频数据链。

E-mail：dxli@cauc.edu.cn

张学军（1971-），男，教授，博士研究生导师，博士，主要研究方向为航空移动通信、新航行系统。

E-mail：zhxj@buaa.edu.cn