基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法與裝置與流程

2023-08-06 17:23:21 1

本發明涉及通信技術領域，具體涉及一種基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法與裝置。

背景技術：
近年來，隨著無線業務的不斷增長，頻譜資源變得日益緊缺。為了有效地利用寶貴的頻譜資源，提高頻譜利用率，引入了認知無線電和頻譜池技術。將認知無線電技術與某種數字通信技術相結合，可以增強對空閒頻段的利用率，有效地緩解頻譜資源緊張的問題。而OFDM技術有著頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強等優點。因此OFDM技術與認知無線電技術相結合，可以有效地提高頻譜利用率。然而，由於存在鄰道幹擾，導致OFDM調製信號存在嚴重的頻譜洩露問題。所以，在認知用戶發射端，通過簡單地關閉子載波來產生頻譜凹槽的方法不可避免地會對主用戶產生幹擾。因此，為了有效地提高頻譜利用率，引入旁瓣抑制技術，使得認知用戶發送頻譜在主用戶工作頻段形成足夠深的頻譜凹槽，從而有效地抑制旁瓣功率對主用戶的幹擾顯得格外的重要。在公開號為CN103581917的中國專利申請「用於OFDM系統的頻譜共存方法和頻譜處理裝置」中，提出了一種通過在目標頻段(即需要產生頻譜凹槽的頻段)兩端插入幹擾抵消子載波的方法來產生頻譜凹槽，抑制旁瓣幹擾。但是這種方法需要引入虛擬子載波，從而減少了數據子載波的個數，降低了頻譜利用率；同時，這種方法會增加OFDM發送信號的峰均比，從而增加發射機的功率放大器、D/A變換等模塊的實現複雜度。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是現有旁瓣抑制方法會降低頻譜利用率和增加系統複雜度的不足，提供一種基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法與裝置。為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的：基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法，包括如下步驟：步驟1、根據上位機模塊送來的目標頻段[fD,fU]，確定該目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L及向量L的長度len；步驟2、根據目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L確定目標頻段對應的OFDM子載波向量flen；步驟3、根據目標頻段對應的OFDM子載波向量flen確定目標頻段對應的傅立葉變換矩陣E；步驟4、根據確定的目標頻段對應的傅立葉變換矩陣E確定幹擾矩陣A；即A＝EFHD式中：A為幹擾矩陣；F為N×len的蝶形矩陣，該蝶形矩陣中的各元素為e-j2pnk/N，n為行數，n＝1,2,…，N,k為列數，k＝1,2,…,len；FH表示對蝶形矩陣F求共軛轉置；D為N×N的對角矩陣，D＝diag(1,e-j2pv/N,...e-j2pv(N-1)/N)；上述N為反傅立葉變換採樣的點數，len為向量L的長度；步驟5、先對所得的幹擾矩陣A進行奇異值分解後獲得一個N×N的分解酉矩陣V，再從N×N的分解酉矩陣V中抽取當中的最後M列構成一個N×M的分解子矩陣VG；上述N為反傅立葉變換採樣的點數，M為信源輸出的信源向量c的長度，N＞M；步驟6、將長為M的信源向量c複製M行，得到M×M的信源酉矩陣Q；步驟7、將所得分解子矩陣VG與所得信源酉矩陣Q相乘，得到預編碼矩陣G；步驟8、先將預編碼矩陣G與信源數據c相乘，得到預編碼數據d，再並對預編碼數據d進行反傅立葉變換；步驟9，將反傅立葉變換後的預編碼數據d進行數字上變頻，並最終實現旁瓣抑制。所述步驟1具體為：設上位機模塊送來的目標頻段為[fD,fU]，fD與fU分別為目標頻段的下限截止頻率和上限截止頻率，則目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的下限值lmin和上限值lmax分別為：①②式①和②中：lmin為目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的下限值；lmax為目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的上限值；f0為OFDM子載波的基頻；Δf為OFDM子載波的頻率間隔；則目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L為：L＝[lmin,lmin+1,…lmax]③向量L的長度為len，len＝lmax-lmin+1。所述步驟2中，求解OFDM子載波向量flen的公式為：flen＝f0+ΔfLT④式中，符號T表示向量的轉置，向量flen為長度為len的列向量。所述步驟3中，確定目標頻段對應的傅立葉變換矩陣E的公式為：⑤式中，Ts為反傅立葉變換採樣時間間隔，E為len×len的矩陣。基於上述旁瓣抑制方法而設計的一種基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法與裝置；其主要由數據源模塊、基帶信號處理模塊和主用戶上位機組成；數據源模塊的輸入端連接基帶信號處理模塊的輸入端，基帶信號處理模塊連接基帶信號處理模塊的控制端；上述基帶信號處理模塊至少包括調製映射模塊和數字上變頻模塊；其特徵在於：上述基帶信號處理模塊進一步包括一預編碼模塊，且該預編碼模塊增設在調製映射模塊和數字上變頻模塊之間；即調製映射模塊的輸出端與預編碼模塊的輸入端相連，預編碼模塊的輸出端連接數字上變頻模塊的輸入端，主用戶上位機連接數字上變頻模塊的輸入控制端，數字上變頻模塊的輸出控制端連接預編碼模塊的控制端。上述裝置中，預編碼模塊主要由乘法器模塊、IFFT模塊、奇異值分解模塊、地址計數器模塊和2個隨機存取存儲器(RAM)組成；乘法器模塊的一個輸入端連接數據源模塊，乘法器模塊的輸出端經IFFT模塊與第一RAM的輸入端相連，第一RAM的輸出端連接奇異值分解模塊的輸入端，奇異值分解模塊的一個輸出端連接數字上變頻模塊的輸入端，奇異值分解模塊的另一個輸出端經第二RAM連接乘法器模塊的另一個輸入端，第一RAM的控制端連數字上變頻模塊的輸出控制端，第二RAM的控制端連接地址計數器模塊的輸出端。上述裝置中，奇異值分解模塊是一個由16個SVD處理器組成的陣列。與現有技術相比，本發明根據用戶設定的目標頻段對應的傅立葉變換矩陣，確定目標頻段對應的幹擾矩陣，後將幹擾矩陣進行奇異值分解後確定預編碼矩陣，再根據預編碼矩陣對信源數據進行預編碼，以實現旁瓣抑制。本發明能在不降低頻譜利用率和不增加硬體實現複雜度的情況下，在目標頻段上產生足夠深的頻譜凹槽，從而最大限度地抑制認知用戶對主用戶的幹擾。附圖說明圖1為一種基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的方法的流程圖。圖2為一種基於預編碼實現OFDM旁瓣抑制的裝置的結構框圖。圖3為圖2中預編碼模塊的結構框圖。圖4為圖3中奇異值分解模塊的結構圖。圖5為圖4中旋轉角度計算模塊的結構框圖。圖6為圖4中雙邊旋轉模塊的結構框圖。圖7為本方法與傳統的AIC方法的陷波性能對比。圖8為本方法與傳統的AIC方法的誤碼性能對比。具體實施方式將信源數據進行QPSK/16QAM映射，並進行反傅立葉變換。設信源產生了M個相互獨立且無記憶的信源向量，記為c,即：c＝[c0,...,cM-1]T將經過預編碼模塊後的信源向量記為d，即：d＝Gc式中，G為N×M的預編碼矩陣。本發明所要解決的問題就是求出預編碼矩陣G。經過反傅立葉變換及插入循環前綴後，一個OFDM符號可表示為：s＝[s0,...,sK-1]T式中，K表示一個OFDM符號所包含的OFDM子載波個數，從而s中的任意一個元素可表示為：式中，v為循環前綴的長度，N為反傅立葉變換的採樣點數，K＝N+v。對向量s進行傅立葉變換，可以得到一個OFDM符號的頻域表示形式為：式中，Ts為反傅立葉變換採樣時間間隔；f為OFDM符號佔據的頻率範圍，它根據具體的通信協議確定；S為OFDM符號的頻譜函數。根據目標頻段的頻率值確定目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L，從而確定目標頻段對應的傅立葉變換矩陣。設[fD,fU]為上位機模塊送來的需要抑制的目標頻段，則根據公式可以很容易地確定目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L，進而確定目標頻段對應的OFDM子載波向量flen及目標頻段對應的傅立葉變換矩陣E。fD和fU分別為目標頻段的下限頻率和上限頻率。則目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的下限值lmin和上限值lmax分別為：lmin為目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的下限值；lmax為目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標的上限值；f0為OFDM子載波的基頻；Δf為OFDM子載波的頻率間隔；則目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點下標向量L為：L＝[lmin,lmin+1,...lmax]向量L的長度為len，len＝lmax-lmin+1。根據向量L可確定目標頻段對應的OFDM子載波向量flen為：flen＝f0+ΔfLT式中，符號T表示向量的轉置，向量flen為長度為len的列向量。根據向量flen可以確定目標頻段對應的傅立葉變換矩陣E為：式中，Ts為反傅立葉變換採樣時間間隔。E為len×len的矩陣。根據矩陣E可以確定目標頻段對應的頻譜函數為：式中，N為反傅立葉變換採樣點數。E為目標頻段對應的傅立葉變換矩陣，F為一個N×len的蝶形矩陣。蝶形矩陣F中的元素為e-j2pnk/N，其中n＝1,2,…，N,k＝1,2,...，len。FH表示對蝶形矩陣F求共軛轉置。D為循環前綴矩陣，且為N′N的對角矩陣，D＝diag(1,e-j2pv/N,...e-j2pv(N-1)/N)。G為N×M的預編碼矩陣。c為信源向量。上述K表示一個OFDM符號所包含的OFDM子載波個數，K＝N+v，N為反傅立葉變換採樣的點數，v為循環前綴的長度。要抑制認知用戶對主用戶的旁瓣幹擾，需要使認知用戶的發送頻譜在目標頻段的發射端形成頻譜凹槽，即需要使發送頻譜在目標頻段對應的反傅立葉變換採樣點處的值為零，即：S(flen)＝0從式中可以看出，EFHD決定了發送頻譜在目標頻段處的幹擾大小。令A＝EFHD，將A稱為幹擾矩陣，則問題轉化為求預編碼矩陣G，使得S(flen)＝0成立，即：AGc＝0將幹擾矩陣進行奇異值分解，最終確定預編碼矩陣G。為了求解上式，並將矩陣A進行奇異值分解，得：A＝U∑V式中，U和V分別是L×L和N×N的酉矩陣，∑是一個L×N的對角矩陣，其主對角線上的元素為矩陣A的奇異值。因此，預編碼矩陣G可以被當成是矩陣A的零空間的正交基，即：G＝VGQ式(15)中，VG為...