增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于凸優(yōu)化技術(shù)的增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，屬于無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。包括以下步驟：在發(fā)送端先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制和R位串并變換得到并行信號(hào)；在并行信號(hào)中隨機(jī)插入零值；對(duì)插入零值的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制綜合濾波器組調(diào)制，再由高斯信道發(fā)射出去；接收端對(duì)經(jīng)過(guò)高斯信道后的接收信號(hào)進(jìn)行處理，先進(jìn)行快速傅里葉變換，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域均衡，接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換得到時(shí)域信號(hào)；再將時(shí)域信號(hào)通過(guò)基于凸優(yōu)化技術(shù)干擾估計(jì)模塊后，得到包含的干擾信號(hào)，接著再將信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行減運(yùn)算，得到新的信號(hào)；對(duì)新的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制濾波器分析濾波器組解調(diào)和基帶解調(diào)等操作，獲得原始發(fā)送信號(hào)。該方法能有效提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 【專(zhuān)利說(shuō)明】增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于凸優(yōu)化技術(shù)的增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]余弦調(diào)制濾波器組多載波技術(shù)是一種多載波復(fù)用技術(shù)，屬于濾波器組多載波(FBMC)技術(shù)中的一種。多載波調(diào)制技術(shù)因其可以有效的對(duì)抗無(wú)線信道中的多徑效應(yīng)而被廣泛的應(yīng)用到各種通信標(biāo)準(zhǔn)中。其思想是采用若干個(gè)子載波，而每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的子信道，并行的傳輸各個(gè)子數(shù)據(jù)流。現(xiàn)有的多載波調(diào)制方式主要有多音實(shí)現(xiàn)、正交多載波調(diào)制(OFDM)和基于小波變換的多載波調(diào)制。傳統(tǒng)的FBMC系統(tǒng)是基于離散傅里葉變換(DFT)濾波器組進(jìn)行調(diào)制的。但是DFT濾波器組不能徹底消除帶間混疊干擾，對(duì)于信號(hào)的信息壓縮不如余弦變換效果好。因而余弦調(diào)制濾波器組應(yīng)運(yùn)而生，它是從DFT濾波器組產(chǎn)生的，基于類(lèi)型4的離散余弦變換的快速算法，可以達(dá)到信號(hào)的完全重建。余弦調(diào)制濾波器組通信系統(tǒng)相較于OFDM有很多優(yōu)勢(shì):較高的傳輸速率，較好的抗符號(hào)間干擾能力，抗碼間干擾能力，不用增加循環(huán)前綴，頻譜利用率較高等。但是，它也有本身的缺點(diǎn)，由于其多載波特性，時(shí)域干擾會(huì)極大降低FBMC系統(tǒng)性能。
[0003]高速發(fā)展的信息技術(shù)挑戰(zhàn)著物理系統(tǒng)的信號(hào)處理能力，傳統(tǒng)的信號(hào)處理模式已經(jīng)不能適應(yīng)如此海量的數(shù)據(jù)，因此壓縮感知理論框架被提出。壓縮感知理論在冗余的信號(hào)中感知簡(jiǎn)潔的信息，從而有效降低系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量。壓縮感知的主要研究?jī)?nèi)容有信號(hào)的稀疏表達(dá)、觀測(cè)矩陣的設(shè)計(jì)和信號(hào)恢復(fù)。精確的信號(hào)恢復(fù)算法是壓縮感知中的關(guān)鍵。壓縮感知指出只要信號(hào)是可壓縮的或在某個(gè)變換域下能夠被稀疏表示，那么就可以用一個(gè)與變換基不相關(guān)的觀測(cè)矩陣將變換所得高維信號(hào)投影到一個(gè)低維空間上，并且可從這些少量的測(cè)量數(shù)據(jù)中以高概率重構(gòu)出原信號(hào)。壓縮感知理論主要包含以下幾方面內(nèi)容:(I)信號(hào)的稀疏表達(dá)。一般來(lái)說(shuō)信號(hào)X本身不是稀疏的，它就需要尋找某種正交基或緊框架ψ。使信號(hào)X經(jīng)過(guò)變換后在Ψ是稀疏的。(2)觀測(cè)矩陣Φ的設(shè)計(jì)。壓縮感知理論通過(guò)觀測(cè)矩陣感知信息，所以如何設(shè)計(jì)出與正交基越不相關(guān)的觀測(cè)矩陣，是保證信息完整性的前提。(3)信號(hào)恢復(fù)。信號(hào)恢復(fù)解決了從欠定線性觀測(cè)中恢復(fù)信號(hào)問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)快速高效的恢復(fù)算法是壓縮感知理論得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)?？焖俑咝У幕謴?fù)算法是壓縮感知理論得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。其核心思想是數(shù)據(jù)采樣和壓縮合并進(jìn)行。有兩方面基本要求:信號(hào)的稀疏性，觀測(cè)矩陣與變換矩陣的非相關(guān)性。已有相關(guān)證明隨機(jī)矩陣與4型余弦變換矩陣有很好的非相關(guān)性。壓縮感知技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能以低于乃奎斯特采樣率的采樣速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，從而減少了信號(hào)采集和傳輸過(guò)程中的能量消耗。凸松弛法是將壓縮感知恢復(fù)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成最小I1范數(shù)的凸優(yōu)化問(wèn)題。凸優(yōu)化是解決凸目標(biāo)函數(shù)在凸函數(shù)約束下的極大值(極小值)的一類(lèi)特殊的非線性?xún)?yōu)化技術(shù)。凸優(yōu)化方法具有局部極小值點(diǎn)是全局最小值點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，特別是目標(biāo)函數(shù)是嚴(yán)格凸函數(shù)時(shí)，那么全局極小值僅有一個(gè)。I1范數(shù)既能包含稀疏特性又是一個(gè)可分離函數(shù)，凸松弛法利用這一特點(diǎn)作為目標(biāo)函數(shù)，能夠有效解決壓縮感知中的信號(hào)恢復(fù)問(wèn)題。常見(jiàn)的凸優(yōu)化方法:內(nèi)點(diǎn)法、梯度投影法、迭代加權(quán)法和收縮閾值法等。稀疏梯度投影法以梯度下降法為基礎(chǔ)的稀疏信號(hào)恢復(fù)方法，它引入隱變量將不可微的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變成可微的無(wú)約束凸目標(biāo)函數(shù)。稀疏梯度投影算法不受起始值影響，有效處理大規(guī)模信號(hào)的問(wèn)題，而且還可以利用一種正則因子連續(xù)方案降低算法的運(yùn)行時(shí)間疏信號(hào)恢復(fù)方法，它引入隱變量將不可微的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變成可微的無(wú)約束凸目標(biāo)函數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于凸優(yōu)化技術(shù)的增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，該方法能有效提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，包括以下步驟:步驟一:在發(fā)送端先對(duì)原始信號(hào)X進(jìn)行基帶調(diào)制和R位串并變換得到并行信號(hào)；步驟二:在并行信號(hào)中隨機(jī)插入零值，零值個(gè)數(shù)固定；步驟三:對(duì)插入零值的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制綜合濾波器組調(diào)制，再由高斯信道發(fā)射出去；步驟四:接收端對(duì)經(jīng)過(guò)高斯信道后的接收信號(hào)y進(jìn)行處理，先進(jìn)行快速傅里葉變換，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域均衡，接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換得到時(shí)域信號(hào)r ;步驟五:再將時(shí)域信號(hào)r通過(guò)基于凸優(yōu)化技術(shù)干擾估計(jì)模塊后，得到r中包含的干擾信號(hào)s，接著再將信號(hào)r與與干擾信號(hào)s進(jìn)行減運(yùn)算，得到新的信號(hào)；步驟六:再對(duì)新的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制濾波器分析濾波器組解調(diào)和基帶解調(diào)等操作，獲得原始發(fā)送信
號(hào)Xo
[0007]進(jìn)一步，在發(fā)送端的基帶調(diào)制采用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM調(diào)制方式。
[0008]進(jìn)一步，干擾信號(hào)必須滿足稀疏特性，即信號(hào)的非零系數(shù)K遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)的維度
N0
[0009]進(jìn)一步，信號(hào)的非零系數(shù)K的值小于5，使干擾信號(hào)滿足盡可能地稀疏要求。
[0010]進(jìn)一步，在發(fā)送端的并行信號(hào)中隨機(jī)插入L個(gè)零值，但零值個(gè)數(shù)為N減去1即L=N-R,其中N為插入零值后并行信號(hào)的長(zhǎng)度，也為干擾信號(hào)的維度，且N為2的指數(shù)，為
128,256或者 512。
[0011]進(jìn)一步，干擾信號(hào)的非零系數(shù)K必須小于發(fā)送端并行信號(hào)隨機(jī)插入零值的個(gè)數(shù)L，L也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)的維度N,即有K〈L〈〈N。
[0012]進(jìn)一步，在發(fā)送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器組均為余弦調(diào)制濾波器組，都是基于4型離散余弦變換。
[0013]進(jìn)一步，所述基于凸優(yōu)化技術(shù)的干擾估計(jì)模塊所用方法為壓縮感知中凸優(yōu)化重構(gòu)法中的稀疏梯度投影法。此方法恢復(fù)干擾信號(hào)所需要的變量分別是有觀測(cè)矩陣Φ，基矩陣為Ψ，以及觀測(cè)值r，其中觀測(cè)矩陣Φ為L(zhǎng)XN的隨機(jī)高斯矩陣，隨機(jī)高斯矩陣是服從期望為O,方差為l/Μ的獨(dú)立同分布的元素組成的矩陣，Ψ是NXN的4型離散余弦變換矩陣,觀測(cè)值即為信號(hào)r。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述方法通過(guò)在余弦濾波器組多載波通信系統(tǒng)接收端引入基于凸優(yōu)化技術(shù)的干擾估計(jì)模塊完成對(duì)干擾信號(hào)的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始信號(hào)的恢復(fù)，為多載波通信系統(tǒng)信號(hào)的可靠接收提供了一種簡(jiǎn)單有效的解決方案?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0016]圖1為本發(fā)明提供的余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)的流程示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明提供的余弦調(diào)制濾波器組的內(nèi)部框圖；
[0018]圖3為本發(fā)明提供的接收端抗干擾模塊流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0020]本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0021]I)先對(duì)原始信號(hào)X信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制和串并變換。
[0022]2)將基帶調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行串并變換。
[0023]3)在并行信號(hào)中隨機(jī)插入L個(gè)零值，但零值個(gè)數(shù)固定。
[0024]4)對(duì)插入零值的信號(hào)進(jìn)行4型余弦綜合濾波器組調(diào)制并通過(guò)高斯信道發(fā)射出去。
[0025]5)將接收到的時(shí)域信號(hào)y進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)成為頻域信號(hào)，目的是對(duì)此信號(hào)進(jìn)行頻域均衡，消除高斯白噪聲的影響，然后在進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT)，得到信
號(hào)h0
[0026]6)將信號(hào)h進(jìn)行串并變換，得到并行信號(hào)r。
[0027]7)基于凸優(yōu)化的干擾估計(jì)，構(gòu)造信號(hào)重構(gòu)所需的觀測(cè)矩陣Φ。要準(zhǔn)確的重構(gòu)信號(hào)，Φ必須滿足受限等距特性(RIP)準(zhǔn)則，在本發(fā)明中Φ為隨機(jī)高斯矩陣可滿足此特性。利用觀測(cè)矩陣Φ，觀測(cè)值r，4型DCT變換矩陣Ψ，通過(guò)凸優(yōu)化的稀疏梯度投影法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，估計(jì)出信道干擾s，其中r是快速傅里葉逆變換后的信號(hào)，Ψ是NXN的4型離散余弦變換矩陣。
[0028]8)再將原并行信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行減運(yùn)算得到新的信號(hào)。
[0029]9)將得到的新的信號(hào)進(jìn)行4型余弦分析濾波器組解調(diào)，將解調(diào)出的信號(hào)進(jìn)行基帶解調(diào)和并串變換，恢復(fù)出原始信號(hào)。
[0030]圖1為本發(fā)明提供的余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)的流程示意圖，如圖所示，本發(fā)明主要分為四部分:
[0031]1、本發(fā)明使用的余弦調(diào)制濾波器組多載波系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
[0032]余弦調(diào)制濾波器組是發(fā)送端采用綜合濾波器，接收端采用分析濾波器。綜合濾波器和分析濾波器均采用余弦調(diào)制濾波器組(參見(jiàn)圖2)，進(jìn)行4型余弦變換。
[0033]2、發(fā)送端的信號(hào)處理:
[0034]數(shù)字信號(hào)先經(jīng)過(guò)基帶調(diào)制，通?？梢赃x擇的有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等調(diào)制方式，將基帶調(diào)制后的信號(hào)做R位的串并變換，接著隨機(jī)插入L個(gè)零值，便于接收時(shí)利用凸優(yōu)化技術(shù)估計(jì)出干擾。再對(duì)信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制綜合濾波器組調(diào)制，最后通過(guò)并串變換，得到一個(gè)經(jīng)過(guò)FBMC調(diào)制后的基帶時(shí)域調(diào)制信號(hào)，將此信號(hào)由高斯信道發(fā)射出去。其中，設(shè)定的子載波個(gè)數(shù)為N，N為2的指數(shù)，且L〈〈N。
[0035]3、接收端的信號(hào)處理:
[0036]發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯信道受到高斯白噪聲和干擾的影響，接收端先對(duì)信號(hào)進(jìn)行快遞傅里葉變換(FFT)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡，消除高斯白噪聲影響。接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT),得到信號(hào)r，將r放入寄存器中，接著進(jìn)入基于凸優(yōu)化技術(shù)的干擾估計(jì)模塊，利用稀疏梯度投影法得到干擾信號(hào)s，利用寄存器中的r減去干擾信號(hào)S，得到的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制分析濾波器組，從而恢復(fù)出原始信號(hào)。
[0037]4、凸優(yōu)化稀疏梯度投影算法估計(jì)干擾信號(hào)
[0038]由于在發(fā)送端并行信號(hào)隨機(jī)插入了零值，使這部分子載波不攜帶信息。滿足稀疏性的干擾加入信號(hào)后，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(DFT)變換，干擾的能量就被分配到了各個(gè)子載波上，在接收端處理發(fā)送端不攜帶信息的子載波，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的估計(jì)。由于預(yù)先設(shè)置了時(shí)域干擾的非零值個(gè)數(shù)為K，K遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N，使干擾信號(hào)滿足壓縮感知理論中信號(hào)具有稀疏性的要求，這樣利用觀測(cè)矩陣Φ，觀測(cè)值r，4型DCT變換矩陣Ψ，通過(guò)凸優(yōu)化算法中稀疏梯度投影法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，就可以估計(jì)信道干擾S。其中Φ為L(zhǎng)XN的隨機(jī)矩陣，r是快速傅里葉逆變換后的信號(hào)，Ψ是NXN的4型離散余弦變換矩陣。
[0039]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:包括以下 步驟: 步驟一:在發(fā)送端先對(duì)原始信號(hào)X進(jìn)行基帶調(diào)制和R位串并變換得到并行信號(hào)； 步驟二:在并行信號(hào)中隨機(jī)插入零值，零值個(gè)數(shù)固定； 步驟三:對(duì)插入零值的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制綜合濾波器組調(diào)制，再由高斯信道發(fā)射出去； 步驟四:接收端對(duì)經(jīng)過(guò)高斯信道后的接收信號(hào)y進(jìn)行處理，先進(jìn)行快速傅里葉變換，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域均衡，接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換得到時(shí)域信號(hào)r ； 步驟五:再將時(shí)域信號(hào)r通過(guò)基于凸優(yōu)化技術(shù)干擾估計(jì)模塊后，得到r中包含的干擾信號(hào)s，接著再將信號(hào)r與與干擾信號(hào)s進(jìn)行減運(yùn)算，得到新的信號(hào)； 步驟六:再對(duì)新的信號(hào)進(jìn)行余弦調(diào)制濾波器分析濾波器組解調(diào)和基帶解調(diào)等操作，獲得原始發(fā)送信號(hào)X。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:在發(fā)送端的基帶調(diào)制采用BPSK、QPSKU6QAM或64QAM調(diào)制方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:干擾信號(hào)必須滿足稀疏特性，即信號(hào)的非零系數(shù)K遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)的維度N0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:信號(hào)的非零系數(shù)K的值小于5，使干擾信號(hào)滿足盡可能地稀疏要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:在發(fā)送端的并行信號(hào)中隨機(jī)插入L個(gè)零值，但零值個(gè)數(shù)為N減去R，即L=N-R,其中N為插入零值后并行信號(hào)的長(zhǎng)度，也為干擾信號(hào)的維度，且N為2的指數(shù)，為128,256或者 512。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:干擾信號(hào)的非零系數(shù)K必須小于發(fā)送端并行信號(hào)隨機(jī)插入零值的個(gè)數(shù)L, L也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)的維度N,即有K〈L〈〈N。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:在發(fā)送端的綜合濾波器組和接收端的分析濾波器組均為余弦調(diào)制濾波器組，都是基于4型離散余弦變換。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種增強(qiáng)余弦調(diào)制濾波器組多載波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法，其特征在于:所述基于凸優(yōu)化技術(shù)的干擾估計(jì)模塊所用方法為壓縮感知中凸優(yōu)化重構(gòu)法中的稀疏梯度投影法。
【文檔編號(hào)】H04L25/03GK103812807SQ201410073771
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】王永, 余夢(mèng)佳 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)