OFDM系统中自适应抵抗子载波间干扰的方法及OFDM装置

技术领域：

本发明涉及无线通信领域中的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，具体涉及一种在OFDM系统中自适应抵抗子载波间干扰的方法，及一种自适应抵抗子载波间干扰的OFDM装置。

背景技术：

OFDM是无线通信领域中非常有发展前景的一种多载波调制技术，目前被广泛应用于DVB(Digital Video Broadcasting，数字广播电视)、IEEE802.11a和HIPERLAN/2WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)等宽带无线通信系统中。

OFDM系统包括OFDM发射装置和OFDM接收装置。在OFDM发射装置中，所有待发送的数据都会先被调制到相互正交的不同子载波上，再发送给OFDM接收装置。由于子载波之间是完全正交的，不存在子载波间干扰，所以调制到各个子载波上的数据之间也不存在相互干扰，因此在理想情况下，OFDM接收装置是可以从各个子载波上正确地解调出发送数据的。然而，OFDM接收装置实际接收到的OFDM信号是存在子载波间干扰的，子载波间干扰是由频偏引起的。

频偏主要来源于两方面：一是OFDM接收装置和发射装置的载波频率之间的频偏，二是OFDM接收装置相对于发射装置移动所引入的多普勒频偏。这两种频偏都会引起子载波间干扰，破坏子载波间的正交性，从而导致调制到各个子载波上的数据之间也存在相互干扰，使OFDM接收装置无法从各个子载波上正确地解调出发送数据。

载波频偏所引入的干扰是可以通过在OFDM接收装置中估计载波频偏的大小并去除的方法来纠正的，但多普勒频偏所引入的干扰却很难在OFDM接收装置中估计和消除，而且多普勒频偏是由OFDM接收装置相对于发射装置的移动速度引起的，不同的移动速度所引入的多普勒频偏是不同的，所产生的子载波间干扰也不同，因此要抵抗不同的多普勒频偏所引入的子载波间干扰就更加困难了。目前还没有比较好的方法来克服多普勒频偏对OFDM系统性能的影响。

本发明通过在OFDM系统中增加模块，使OFDM系统可以根据接收信号当前的归一化频偏值的大小，自适应地抵抗不同程度的子载波间干扰，克服了载波频偏和多普勒频偏对OFDM系统性能的影响。

目前已有很多方法可以估计OFDM接收信号的当前归一化频偏值的大小，比如时域循环前缀相关方法，以及频域导频相关方法等。归一化频偏值的全部可能取值范围均在0～0.5之间。

发明内容：

本发明的目的是提出一种在OFDM系统中能够自适应地抵抗各种频偏值所引入的子载波间干扰的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在OFDM系统中自适应抵抗子载波间干扰的方法，其步骤为：

a)在OFDM发射装置中，根据OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε的大小，确定频域OFDM信号S(n)的每个信号后需要插入的零信号的长度L；

b)在OFDM发射装置中，接收频域OFDM信号S(n)，并在其每个信号后插入长度为L的零信号，得到频域插零信号Z(n)；

c)在OFDM发射装置中，根据OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε的大小，确定卷积系数W₁(i)，i＝1，...，L+1，L+1为卷积系数的长度；

d)在OFDM发射装置中，接收频域插零信号Z(n)，并将该频域插零信号Z(n)与卷积系数W₁(i)相卷积，得到频域卷积信号C(n)，并输出该频域卷积信号C(n)；

e)在OFDM接收装置中，根据OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε的大小，确定卷积系数W₂(i)，i＝1，...，L+1，L+1为卷积系数的长度；

f)在OFDM接收装置中，接收频域OFDM信号R(n)，并将该频域OFDM信号R(n)与卷积系数W₂(i)相卷积，得到频域卷积信号T(n)；

g)在OFDM接收装置中，根据OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε的大小，确定频域卷积信号T(n)的每个信号前需要去除的信号长度L；

h)在OFDM接收装置中，接收频域卷积信号T(n)，并在其每个信号前去除长度为L的信号，得到频域去除信号D(n)，并输出该频域去除信号D(n)。

进一步，所述步骤a)中所述的插入的零信号长度L的确定方法为：

设定G个门限：Th₁、Th₂、…、Th_G，满足：0<Th₁<Th₂<…<Th_G<0.5，当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在0～Th₁之间时，则插入的零信号长度L为L＝1；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_A～Th_A+1之间时，0<A<G，则插入的零信号长度L为L＝A+1；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_G～0.5之间时，则插入的零信号长度L为L＝G+1。

由于归一化频偏值ε的取值范围只可能为0～0.5，所以本发明通过划分多个门限，并将OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε与各个门限进行比较，从而估计子载波间干扰的程度，并据此选择合适的插零信号长度L。

应该指出，以上所述的设定门限方法并不是确定插入的零信号长度L的唯一方法，比如也可以采用如下方法来确定插入的零信号长度L：

设定函数f满足L＝f(ε)，即将OFDM接收信号的当前归一化频偏值ε输入给函数f，即可得到需要插入的零信号长度L。

进一步，所述步骤b)中所述的零信号的插入方法具体为：

在频域OFDM信号S(n)的每个信号后插入长度为L的零信号，即先发送信号S(1)，再发送L个零信号，再发送信号S(2)，再发送L个零信号，以此类推。

进一步，所述步骤c)中所述的卷积系数W₁(i)的选取原则为：

(1)预先设定G+1组卷积系数W₁¹、W₂¹、...、W_G+1¹，这G+1组卷积系数与频域插零信号Z(n)卷积后均能抵抗子载波间干扰，其抵抗子载波间干扰的能力满足：W₁¹<W₂¹<...<W_G+1¹。

(2)沿用步骤a)中所设定的G个门限：Th₁、Th₂、...、Th_G，满足：0<Th₁<Th₂<...<Th_G<0.5。

(3)当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在0～Th₁之间时，则选用的卷积系数为W₁(i)＝W₁¹；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_A～Th_A+1之间时，0<A<G，则选用的卷积系数为W₁(i)＝W_A+1¹；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_G～0.5之间时，则选用的卷积系数为W₁(i)＝W_G+1¹。

进一步，所述步骤d)中所述的卷积运算满足：

$C\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{L+1}{\Sigma }}Z(n-i+1)W_1\left(i\right),$其中，L+1为卷积系数的长度。

进一步，所述步骤e)中所述的卷积系数W₂(i)的选取原则为：

(1)预先设定G+1组卷积系数W₁²、W₂²、...、W_G+1²，这G+1组卷积系数分别与步骤c)中的G+1组卷积系数W₁¹、W₂¹、...、W_G+1¹一一对应，并且这G+1组卷积系数与频域OFDM信号R(n)相卷积后均能进一步抵抗子载波间干扰。

(2)沿用步骤a)中所设定的G个门限：Th₁、Th₂、...、Th_G，满足：0<Th₁<Th₂<...<Th_G<0.5。

(3)当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在0～Th₁之间时，则选用的卷积系数为W₂(i)＝W₁²；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_A～Th_A+1之间时，0<A<G，则选用的卷积系数为W₂(i)＝W_A+1²；当OFDM接收信号的归一化频偏值ε在Th_G～0.5之间时，则选用的卷积系数为W₂(i)＝W_G+1²。

进一步，所述步骤f)中所述的卷积运算满足：

$T\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{L+1}{\Sigma }}R(n-i+1)W_2\left(i\right),$其中，L+1为卷积系数的长度。

进一步，所述步骤g)中所述的去除的信号长度L的确定方法为：

去除信号的长度L的确定方法与步骤a)中的插入的零信号长度L的确定方法相同，即去除的信号长度L等于插入的零信号长度L。

进一步，所述步骤h)中所述的去除信号的方法具体为：

在频域卷积信号T(n)的每个信号前去除长度为L的信号，即先扔掉信号T(1)～T(L)，保留信号T(L+1)，再扔掉信号T(L+2)～T(2L+1)，保留信号T(2L+2)，以此类推。

本发明同时公开了一种自适应抵抗子载波间干扰的OFDM发射装置，包括数据源模块、映射模块、确定插零方法模块、插零模块、确定卷积系数模块、卷积模块和IFFT(Inverse FastFourier Transform，傅立叶反变换)模块，其中：

数据源模块用于产生频域二进制数据流；

映射模块用于将频域二进制数据流映射为频域OFDM信号S(n)；

确定插零方法模块的功能是确定频域OFDM信号S(n)的每个信号后需要插入的零信号长度L；

插零模块的功能是插入频域OFDM信号S(n)的每个信号后的长度为L的零信号，得到频域插零信号Z(n)；

确定卷积系数模块确定卷积系数W₁(i)；

卷积模块将频域插零信号Z(n)与卷积系数W₁(i)相卷积，得到频域卷积信号C(n)；

IFFT模块对卷积模块输出的频域卷积信号C(n)做IFFT，将频域卷积信号C(n)转换为时域OFDM信号c(n)；并发送到信道中。

本发明同时公开了一种自适应抵抗子载波间干扰的OFDM接收装置，包括FFT(FastFourier Transform，傅立叶变换)模块、确定卷积系数模块、卷积模块、确定去除方法模块、去除模块和解调模块，其中：

FFT模块接收信道中的时域OFDM信号r(n)，并对其做FFT，从而将时域OFDM信号r(n)转换为频域OFDM信号R(n)；

确定卷积系数模块确定卷积系数W₂(i)；

卷积模块将频域OFDM信号R(n)与卷积系数W₂(i)相卷积，得到频域卷积信号T(n)；确定去除方法模块的功能是确定频域卷积信号T(n)的每个信号前需要去除的信号长度L；去除模块的功能是去除频域卷积信号T(n)的每个信号前的长度为L的信号，得到频域去除信号D(n)；

解调模块对频域去除信号D(n)进行解调，输出频域二进制数据流。

本发明的技术效果在于：

本发明通过在OFDM发射装置中选取合适的插入零信号的长度及卷积系数，并在OFDM接收装置中选取合适的卷积系数及去除信号的长度，使OFDM发射装置和接收装置能够自适应地抵抗不同程度的频偏所引起的子载波间干扰，提高了OFDM发射装置和接收装置的性能。

附图说明：

图1现有OFDM系统中抵抗子载波间干扰的方法流程图

图2本发明的OFDM系统中自适应抵抗子载波间干扰的方法流程图

图3现有OFDM发射装置结构框图

图4本发明的OFDM发射装置结构框图

图5现有OFDM接收装置结构框图

图6本发明的OFDM接收装置结构框图

图7现有OFDM系统和本发明的OFDM系统对不同程度的频偏所引入的子载波间干扰的抵抗能力比较仿真结果图，其中：

(a)L＝1，W1(1)＝1，W1(2)＝-1，W₂(1)＝-1，W₂(2)＝1；

(b)L＝2，W₁(1)＝1，W₁(2)＝-2，W₁(3)＝1，W₂(1)＝1，W₂(2)＝-2，W₂(3)＝1