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一种基于迭代的多音干扰消除方案
王鑫1, 张晓林1, 曹晏波2     
1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100083;
2. 大唐电信科技产业集团, 北京 100191
摘要: 针对正交频分复用技术(OFDM)系统的多音干扰,本文提出先通过增加频域分辨率进行多音干扰识别,再基于迭代运算逐个对多个单音干扰进行参数估计、重构和消除的方案。其中,在多音干扰识别阶段,使用ZoomFFT技术以提高频域分辨率并简化计算复杂度。然而,ZoomFFT后的降采样序列点数不一定满足2的整数次幂,对于单音干扰参数估计,此时可采用经典的基于离散傅里叶变换(DFT)的最大似然参数估计(DFT-MLE),但当采样点数太大时,DFT运算将带来很大的实现复杂度。本文在基于DFT-MLE算法基础上给出一种基于快速傅里叶变换(FFT)的单音参数估计法FFT-MLE,不仅简化了运算复杂度,而且相比DFT-MLE其估计性能有更好的鲁棒性。最后的仿真结果说明了该多音干扰消除方案的有效性。
关键词: 多音干扰识别     多音干扰消除     基于FFT-MLE的单音参数估计     ZoomFFT     正交频分复用技术 (OFDM)    
A multi-tone interference cancellation scheme based on iteration
WANG Xin1, ZHANG Xiaolin1, CAO Yanbo2     
1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Datang Telecom Technology & Industry Group, Beijing 100191, China
Received: 2016-03-30; Accepted: 2016-04-22; Published online: 2016-05-17
Corresponding author. ZHANG Xiaolin, E-mail:zxl202@vip.163.com
Abstract: For multi-tone interference in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system, one scheme is proposed, which first increases frequency domain resolution of multi-tone interference identification, and then performs parameter estimation, reconstruction and elimination on several single-tone interference one by one based on iterative computation. In multi-tone interference identification stage, ZoomFFT technology is used to improve the frequency domain resolution and simplify the computational complexity. However, down sampling sequence number after ZoomFFT does not meet the n power of 2. For single-tone interference parameters estimation, the classical maximum likelihood parameter estimation based on DFT (DFT-MLE) can be used. But when the number of sampling points is too large, DFT operation will bring great implementation complexity. Based on DFT-MLE, this paper presents an FFT based single-tone parameters estimation FFT-MLE. It not only reduces the computational complexity, but also provides better robustness on estimation performance compared with DFT-MLE. The simulation results show that this multi-tone interference cancellation scheme is effective.
Key words: multi-tone interference identification     multi-tone interference cancellation     single-tone parameter estimation based on FFT-MLE     ZoomFFT     orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)    

自20世纪90年代以来,正交频分复用技术 (OFDM) 以其高频谱效率、均衡简单、可有效对抗多径衰落信道和适合高速宽带无线环境等特点成为国内外研究的热点,大规模集成电路的发展,近代移动通信综合化多媒体化的趋势,促使OFDM技术及其相关技术得到巨大的发展,如第四代移动通信系统LTE[1],具有中国自主知识产权的数字电视DTMB[2]等系等均已获得成熟商业应用。

OFDM作为一种宽带通信系统,很容易受到干扰。在现代移动通信系统中,无论在民用还是军用领域,存在着各种各样的自然或人为干扰。其中窄带干扰 (NBI) 已经成为一种典型的破坏通信系统干扰类型,多音干扰 (单音干扰可看作多音干扰的一种) 则是NBI的一种最直接和常见的干扰形式[3],文献[3]的仿真表明,多音干扰对OFDM系统性能有很恶劣的影响。如何有效抑制多音干扰,对于OFDM系统来说变得尤为迫切。

文献[4-6]采用加窗法抑制NBI,如果单音干扰采样序列在快速傅里叶变换 (FFT) 的观察窗口内不满足其周期整数倍,则会造成频谱泄漏。余弦窗可有效减小频谱泄漏,而采用重叠加窗、反加窗法不但有效降低频谱泄漏并能最大程度减小因加窗带来的信噪比损失。文献[7]设计了接收端窄带干扰滤波器,在时域通过采用循环前缀块最小均方算法 (CP-BLMS) 构造一个时域窄带干扰滤波器从而进行干扰抑制。文献[8]提出一种OFDM系统的联合均衡与干扰抑制的算法,利用循环前缀 (CP) 的信息进行时域滤波器的设计以达到抗干扰和均衡的目的。文献[9]给出一种低秩线性最小均方误差 (LMMSE) 的窄带干扰抑制方案。考虑了所有子载波上的干扰频谱泄漏,是一种频域干扰信号的估计重构以及去除的方法,但需要预先获知窄带干扰信号的功率谱密度函数。文献[10]利用最大似然估计算法在频率域估计多音干扰参数,并将此干扰信息重构、消除。文献[11-13]研究了窄带干扰的检测以及检测门限的优化,当干扰位置被检测出后将对应谱线幅度置零。显然,此类干扰消除方法性能直接取决于干扰位置的检测性能,而多音干扰功率会泄漏在整个带宽,泄漏功率相对较小的位置不仅分布带宽广且很难被检测。

综上,接收端抗NBI干扰主要包括干扰抑制以及干扰消除2大类,抑制方法实现相对简单,但当干扰严重时,干扰抑制效果有限。文献[10]虽然提出了对多音干扰进行参数估计、重构和消除的方法,但当相邻单音干扰间隔较小且无法分辨时,干扰重构性能会受到很大影响。本文提出的方案通过提升频率分辨率以区分间隔较近的单音干扰,之后基于迭代过程逐一对单音干扰进行最大似然的参数估计、干扰重构和消除,且保证算法具有较低的运算复杂度。

1 系统模型

OFDM系统基带信号可表示为

(1)
(2)

式中:S(k) 为调制符号;Nsym为快速傅里叶逆变换 (IFFT) 点数;j=x(n) 为添加CP后OFDM信号;G为CP长度。

单音干扰可表示为[14]

(3)

式中:c1=a1exp (jφ1), a1为信号幅度,φ1为初始相位;w1=2πf1, f1为单音频率;fs为采样频率。

多音干扰由多个单音干扰叠加而成[3]

(4)

式中:Q为单音干扰个数。

存在多音干扰时,去CP后的OFDM符号的频域接收表达式为

(5)

式中:H(k) 为信道频域响应;Y(k)=FFT (y(n)) 为多音干扰频域信号;D(k)~N(0, σn2) 表示0均值功率为σn2的高斯白噪声 (AWGN)。

2 FFT-MLE单音参数估计

多音干扰是由若干单音干扰叠加而成,因此,单音干扰参数估计是多音干扰消除的基础。文献[10]采用了基于离散傅里叶变换 (DFT) 的最大似然单音干扰参数估计 (DFT-MLE) 方法重构单音,参数的估计过程如下:

(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)

式中:E1(p+m) 为e1(n) 经DFT变化后,在峰值点位置p及其附近m点位置上的值,需满足mNp=round (w1/w0), w1=(p+Δ)w0w0为单音信号DFT变化后的频域分辨率,Δ为频率分辨率w0的小数倍。

可见,MLE估计方法基于DFT并利用单音频域功率峰值位置及其左右位置所对应的3个幅值完成参数估计。

显然,当DFT点数过大则会带来较大的实现复杂度。为了降低复杂度和增加运算速度,需要使用FFT运算代替DFT运算。本文推导了一种基于时域补零和FFT变化的最大似然单音参数估计方法FFT-MLE。

e1(k) 进行DFT变换[14]:

(12)
(13)

k=p+m,则有

(14)

mN,exp (j(Δ-m)π/N)≈1,sin (((Δ-m)π)/N)≈(Δ-m)π/N,则E1(p+m) 可表示为式 (10)。

本文首先对e1(n) 进行补零至NFFT点, 得到新的序列e1′(n):

(15)

进行FFT变化得到:

(16)
(17)

k=p+m,则

(18)

mNFFT,exp (j (Δ-m)π/NFFT)≈1,sin ((Δ-m)π/NFFT)≈(Δ-m)π/NFFT,则有

(19)

对于FFT-MLE,的估计方法按式 (11) 不再适用,证明如下:

假设α=+1,对于DFT-MLE则有

(20)

对于FFT-MLE则有

(21)

其中: ,显然式 (21) 不等于Δ

为了估计Δ,本文构造函数:

(22)

对sin x进行泰勒展开:

(23)

则有

(24)

由于N2(Δ+α)2π2与6NFFT2相比较小,则式 (24) 可简化为

(25)

于是得到:

(26)
(27)

在得到后,可根据式 (6)~式 (9) 求得,不同的是,需用E1(p+m) 代替E1(p+m),用Y1(+m) 代替Y1(+m),Y′1为对单音干扰接收序列y1(n) 进行补零至NFFT点并进行FFT变化后的序列。

对于DFT-MLE,假设序列长度为2N+1点,则DFT运算需要2N+12次复数乘法。对于FFT-MLE,补2N+1-2N-1个零后,做2N+1点FFT运算共需要2Nlb (2N + 1) = 2N(N + 1) 次复数乘法。前者运算量至少约为后者的倍。

3 多音干扰消除方案 3.1 多音干扰识别

如果存在相隔较近的相邻单音干扰时,当频域分辨率不够,则单音参数会估计失效,举例如下:

假设在增加采样点前频率分辨率f0=2 000 Hz,2个单音干扰的频率分别为f1=200.6 kHz和f2=202 Hz,则对应的峰值分别为p1=101,p2=102,显然,如图 1(a)所示,对于单音干扰2来说,单音干扰1在p2点仍有较大峰值,从而带来干扰而影响估计准确度。增加采样序列长度使得f0′=200 Hz,则2个单音的间隔相应增大,见图 1(b)所示。

图 1 增加采样长度前后多音干扰频域示意图 Fig. 1 Schematic diagram of multi-tone interference frequency domain before and after sampling length increase

根据DFT变化性质可知,基带采样速率为fs,满足频率分辨率为f0时的采样点数为N=fs/f0,假设存在2个相邻单音,频率分别为f1f2,则单音1的峰值位置为p1=round (f1/f0),单音2的峰值位置为p2=round (f2/f0),当N增大即f0变小时,2个相邻单音峰值位置间隔的谱线数p12=p2-p1相应增大,从而使得容易分辨与识别。

当采样点数N足够大时,不仅得到更高的频率分辨率,而且相邻单音对目标单音带来的相对干扰足够小,使得目标单音的参数估计性能会足够好。分析如下:

假设存在2个相邻单音,单音1为预估计参数的目标单音,单音2为干扰。考虑单音2在单音1的频谱峰值位置处带来的干扰。

单音1在其主峰p1处的有用信号功率为

(28)

式中:p1=round (f1/f0),f1=(p1+Δ1)f0Δ1为第1个单音频率相对于f0的小数倍。

N→∞时,Δ1π/N足够小,所以有sin (Δ1, Nπ/N)≈Δ1π/N→0,且由于|sin (Δ1π)|≤1,所以得到|E1(p1)|2→∞。

单音2在单音1主峰p1处的干扰功率为

(29)

式中:p2=round (f2/f0),f2=(p2+Δ2)f0p12=p2-p1为在采样点数为N时,2个单音在频域上峰值位置间隔的谱线数;Δ2为第2个单音频率相对于f0的小数倍。

考虑到存在:(Δ2+Δp)π/N=Δ2π/N+Δpπ/N,假设当采样点数N变为之前的k倍,p12也相应变为之前的k倍,则当k足够大,(Δ2+Δp)π/NΔpπ/N

所以当N→∞时,|E2(p1)|2不会超过某一常数η,即|E2(p1)|2η

定义单音1在峰值p1处的载干比 (CIR) 为

(30)

可见,当N→∞即f0→0时,CIR→∞。此时相邻单音对目标单音参数估计的相对干扰足够小。

虽然增加序列采样长度N会带来足够高的频率分辨率并提升单音参数估计性能,但同时需要较大的存储空间。为了降低复杂度,本文采用ZoomFFT[15]技术,先提取感兴趣的频带,再通过移频—低通滤波—降采样的步骤对局部频带分辨率进行放大并减少处理点数 (见图 2)。本文采用该技术进行干扰识别的具体步骤如下:

图 2 采用ZoomFFT技术的多音干扰识别示意图 Fig. 2 Schematic diagram of multi-tone interference identification using ZoomFFT

1) 判断多音干扰的中心频率fI

先取N′点较短长度接收数据r1′并进行FFT变化后得到R1′,基带采样频率为fs, 此时的频域分辨率为f0=fs/N′N′为此步骤中FFT变换的点数。在频域设置信噪比门限T1,采用门限法检测干扰簇位置pI′。

(31)
(32)

式中:Λ为干扰峰值功率与信号平均功率的比值。

如果Λ>T1,则认为存在多音干扰,其中心频率为fI=pIfs/N′

2) 增加序列接收长度至N点得到r2,此时的频域分辨率为f0=fs/N

3) 将多音干扰搬移至低频

(33)

此时,搬移后的频谱与原频谱关系为R2(k)=R1(k+pI),其中,pI=round (pIN/N′)。

在降采样前,为抗混叠,在时域进行低通滤波,保留多音干扰所在频段。低通滤波器W通带带宽为B

(34)

式中:W(k) 为理想低通滤波器的频率响应。

4) 在时域进行D倍抽取

(35)

r4(m) 与原抽样前信号频谱关系为

(36)

r4(m) 频域信号可表示为

(37)

D应满足

(38)

式中:μ为低通滤波器滚降因子。

可见,此时通过ZoomFFT操作保留了多音干扰的谱线相位与幅度值,在达到相同频谱分辨率的前提下,储存序列长度减小为ZoomFFT前的1/D倍。

3.2 基于迭代的多音干扰消除方案

多音干扰消除方案包含3个模块,分别为多音干扰识别模块、多音干扰估计模块、多音干扰消除模块。方案框图如图 3所示。

图 3 多音干扰消除方案流程图 Fig. 3 Flowchart of multi-tone interference cancellation scheme

干扰消除方案步骤如下:

1) 利用第4.1节方案识别多音干扰并得到

ZoomFFT输出的M点时域序列r4

2) 基于迭代的多音干扰参数估计。

① 由于M往往不一定为2的幂次方,对r4补零至NFFT得到r4′;对r4′进行FFT变化得到R4′,类似式 (29) 原理,通过判断频域样点值R4′(i) 的相对功率值并设置信噪比门限T2可找到第1个单音干扰的峰值位置p1

② 利用第3节提出的FFT-MLE算法对频域序列R4′进行单音参数估计,得到第1个单音参数估计值:

③ 对第1个单音进行M点的时域重构:

(39)

④ 将第1个单音从r4中删除:r4(1)=r4-y1′, r4(q), q=1, 2, …, Q表示r4经过第q次单音消除后的序列。

⑤ 重复步骤①~步骤④,直至经过Q次单音干扰删除后,r4(Q)在第①步中不再检测到单音干扰存在。此时,得到多音干扰中所有Q个单音的参数估计:

⑥ 由于在干扰识别模块中进行了移频操作,需对频率进行还原:。储存所有单音干扰参数

3) 多音干扰重构及消除。

① 根据第2) 步储存的各单音干扰参数,重构N点的时域多音干扰

(40)

② 对N点接收数据r1进行干扰消除

(41)

③ 此时式 (5) 中的多音干扰Y得以消除,之后进行去CP以及OFDM解调操作。

4 仿真结果与分析 4.1 FFT-MLE与DFT-MLE算法的性能对比

仿真分别给出频率、相位和幅度在高斯白噪环境下的归一化均方根误差统计:

设定单音信号功率归一化,仿真中定义信噪比:SNR=10 lg (1/σn2)。仿真参数如表 1所示。

表 1 单音参数估计仿真参数配置 Table 1 Simulation parameter configuration of single-tone parameter estimation
仿真条件 参数配置
采样率/MHz 7.56
采样点数N 595
FFT点数NFFT 3 780
单音参数配置
信道模型 AWGN信道

DFT-MLE参数估计性能如图 4所示, FFT-MLE参数估计性能如图 5所示。

图 4 DFT-MLE参数估计性能 Fig. 4 Estimated performance of parameter based on DFT-MLE
图 5 FFT-MLE参数估计性能 Fig. 5 Estimated performance of parameter based on FFT-MLE

由仿真结果图 4可见,对于DFT-MLE,性能随着小数倍频率Δ的变化而不同,在信噪比SNR=0时,的NRMSE区间约为0.1~0.6,的NRMSE区间约为0.06~0.30,的NRMSE区间约为0.025~0.030。由仿真结果图 5可见,对于FFT-MLE,在SNR=0时,的NRMSE约为0.1,的NRMSE约为0.06,的NRMSE约为0.025,Δ的变化对性能影响不大。这是因为,据式 (11) 可得到ΔY1之间的关系,对于DFT-MLE,Y1(+α) 随着不同Δ值的变化较大,对于FFT-MLE,变化则较小,所以有较好的鲁棒性, 见图 6

图 6 DFT-MLE和FFT-MLE Y1值相对Δ变化示意图 Fig. 6 Schematic diagram of value range of Y1 with different Δ based on DFT-MLE and FFT-MLE

可见,对于DFT-MLE,当Δ从0~0.5,Y1() 幅值下降了约2 dB,Y1(+1) 上升了约25 dB。而对于FFT-MLE,Y1的值变化却很小。

4.2 基于迭代的多音干扰消除方案性能

设定OFDM发送信号功率归一化,仿真中定义信干比:SIR=10 lg (1/aq2)。

仿真中,将本方案与另外2种方案性能进行了对比,分别为文献[4]的汉明窗干扰抑制方案和文献[10]的基于迭代的干扰消除方案。假设信道信息H理想已知,采用迫零ZF检测。仿真参数如表 2所示。QPSK调制下采用抗干扰方案的误码率 (BER) 性能如图 7图 8所示。

表 2 多音干扰消除方案仿真参数配置 Table 2 Simulation parameter configuration of multi-tone interference cancellation scheme
仿真条件 参数配置
采样率/MHz 7.56
OFDM符号点数 3 780
CP样点数 595
调制方式 QPSK
r1长度N′ 3 780
r1长度N (3 780+595)×10=43 750
NFFT 8 192
降采样倍数D 10
低通滤波器L 带宽:B=1 MHz
滚降系数:μ=0.5
阶数:256
单音参数配置 aq=[a1, a2, a3, a4, a5](对应SIR中各设定值)
fq=[200 400, 201 400, 202 400, 1 199 400, 1 200 400]Hz
SIR SIR1=[10,0,10,0,0] dB
SIR2=[0,-10,0,-10,-10] dB
SIR3=[-10, -20, -10, -20, -20] dB
信道模型 AWGN信道TU信道[16]

图 7 AWGN信道下本文方案与其他2种文献方案性能对比 Fig. 7 Performance comparison between proposed scheme and two schemes in reference under AWGN channel
图 8 TU信道下本文方案与其他2种文献方案性能对比 Fig. 8 Performance comparison between proposed scheme and two schemes in reference under TU channel

由仿真结果图 7图 8可见,AWGN信道下,信干比设置为SIR1,当BER=0.01,存在干扰时的性能与无干扰的理想性能相比恶化了约3 dB,采用汉明窗干扰抑制方案时性能恶化了约2 dB,采用本文方案,接收序列采样长度N=43 750,ZoomFFT后长度为M=4 375,即使BER=0.001时,性能恶化也只0.5 dB。SIR2和SIR3配置时,本文方案的性能改善也很明显。TU信道下,各SIR配置时,无抗干扰算法和汉明窗干扰抑制方案下的BER已无法下降,采用本文方案时,SIR1配置,即使BER=0.001时,性能恶化也只3 dB。

对比本文方案与文献[10]方案的性能结果表明,当采样序列长度同为N=43 750时,文献[10]的性能要略差于本文方案,这是由于本文提出的FFT-MLE较DFT-MLE有更好的鲁棒性 (见4.1节)。同时,由于本方案采用了ZoomFFT技术,所以储存样点仅为4 375点。本方案相比不仅有更好的干扰消除性能并且有更低的处理复杂度。而当文献[10]方案储存样点降为N=4 375时,频谱分辨率降低,正如4.1节分析,采样长度减小导致干扰估计与消除性能发生较大恶化。

5 结论

本文提出一种基于迭代的多音干扰消除方案,包括多音干扰识别、多音参数估计和多音干扰消除3个模块,具有低运算复杂度的特点。

1) 在多音干扰识别模块中,通过增加采样序列长度以减小单音参数估计过程中的互干扰。为简化运算复杂度,采用ZoomFFT技术。

2) 在多音参数估计模块中,由于ZoomFFT的输出序列点数并不一定满足2的N次幂,因此给出一种基于FFT的最大似然参数估计方法FFT-MLE。相比经典DFT-MLE,不仅有更低的运算复杂度,且在不同的小数倍频率下其估计性能有更好的鲁棒性。

3) 最后的仿真结果表明,本文的多音干扰消除方案在OFDM系统中表现出较好的抗干扰性能。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0247
北京航空航天大学主办。
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王鑫, 张晓林, 曹晏波
WANG Xin, ZHANG Xiaolin, CAO Yanbo
一种基于迭代的多音干扰消除方案
A multi-tone interference cancellation scheme based on iteration
北京航空航天大学学报, 2017, 43(3): 573-582
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(3): 573-582
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0247

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收稿日期: 2016-03-30
录用日期: 2016-04-22
网络出版时间: 2016-05-17 10:18

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