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OFDM信号检测与调制识别.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《OFDM信号检测与调制识别pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含中国科学技术大学硕士学位论文OFDM信号检测与调制识别姓名:王雪申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:戴旭初摘要摘要正交频分复用(OFDM符等。

中国科学技术大学硕士学位论文OFDM信号检测与调制识别姓名:王雪申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:戴旭初摘要摘要正交频分复用(OFDM)是一种具有高频谱利用率和抗多径衰落能力的多载波调制技术在通信中得到广泛应用是第四代移动通信中的核心技术之一。通信技术的飞速发展对非协作通信信号的接收和处理提出新的要求。本文以非协作接收为应用背景深入研究了OFDM信号检测与调制识别方法。利用OFDM信号的高斯性、自相关性和周期平稳等特性对OFDM信号检测、参数估计和子载波调制方式识别三个方面进行了深入的分析和研究。主要工作包括以下几个方面:.OFDM信号检测。首先对现有的OFDM信号检测方法进行总结分析现有方法的优缺点然后通过对OFDM信号累积量的分析构造了一组新的检测特征量提出了一种新的频率选择性衰落信道下的OFDM信号检测方法。和已有的方法相比新方法能够显著提高低信噪比和频率选择性衰落信道条件下检测OFDM信号的性能。.OFDM信号的参数估计。对OFDM信号的符号率、子载波数、定时和频偏等重要的参数依次描述了基于自相关的OFDM符号率估计方法、基于OFDM信号周期平稳特性的子载波数估计方法和基于最小二乘的定时频偏联合估计方法。.OFDM信号子载波调制识别。首先对现有的OFDM子载波调制方式识别方法进行总结然后借鉴单载波调制识别思想和方法提出了一种基于分级分类的OFDM子载波调制识别方法。该方法采用高阶累积量组合作为分类特征量能够对包括空子载波在内的常用调制方式进行有效的识别。关键词:正交频分复用信号检测参数估计调制识别高斯性自相关周期平稳性ABSTRACTABSTRACTOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)isamulti。carriermodulationtechnology,whichhashigherspectrumefficiencyandbetteranti.multipathfadingability.Ithasbeenwidelyusedinthecommunicationsystemsandisoneofkeytechnologiesofmgenerationmobilecommunicationsystems.Withrapiddevelopmentofcommunicationtechnology,noncooperativecommunicationtechnologyisfacingsomenewchallenges.ThethesiswiththenonoperativereceivingofOFDMsignalasapplicationbackgroundfocusesontheOFDMsignaldetectionandmodulationidentification.TheOFDMsignaldetectionparametersestimationandmodulationidentificationareanalyzedandstudiedinthisthesis.whichiSbasedonthefeaturesofOFDMsignalsuchasgaussianity,autocorrelationandcyclostationarity.Themainworkisasfollows..OFDMsignaldetection.TheexistingOFDMsignaldetectionmethodsalesurveied.ThroughanalysisofcumulantsofOFDMsignalanewdetectionmethodforOFDMsignaloverfrequencyselectivefadingchannelsisproposedwhichismainlybasedonnewcharacteristicquantities.TheoreticalanalysesandcomputersimulationsshowthatcomparedwithotherexistingmethodstheproposedmethodnotonlycaneffectivelyeliminatetheimpactoffrequencyselectivefadingchannelsbutalsohasbeaerdetectionperformanceunderlowSNRcondition..OFDMsignalparametersestimation.EstimationapproachesofsomeimportantparametersofOFDMsignalaredescribedwhichincludesymbolrateestimationmethodbasedonautocorrelationsubcarriernumberestimationmethodbasedoncyclostationarityandtimingandfrequencyoffsetjointestimationmethodbasedonLeastSquares..OFDMsubcarriersmodulationidentification.TheexistingmethodsforidentificationofOFDMsubcarriersmodulationalesummarizedandanalyzed.ThroughcombiningtheideasofsinglecarriermodulationclassificationandtheexistingmethodsahierarchicalmethodforOFDMsubcarricermodulmionidentificationispresented.Theproposedmethodwhichutilizedhighordercumulantsascharacteristicquantity,caneffectivelyidentifytypicalsubcarriermodulations(includingsubcarrier).IIIABSTRACTKeyWords:OFDMsignaldetectionparametersestimationmodulationidentificationgaussianity,autocorrelationcyclostationarityIV中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名:至重签字日期:丕:望::塞中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅可以将学位论文编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。日公开口保密(年)作者签名:玉重签字日期:趁!呈‘:墨导师签名:签字日期:第章绪论第l章绪论随着通信技术的飞速发展以及用户对信息传输要求的不断提高通信信号的调制方式经历了由模拟到数字由简单到复杂的发展过程。当前移动通信、数据通信和Intemet飞速发展日益融合。当前高速率高质量的实时多媒体和非实时高速率的数据传输、多网合一和多业务融合等应用需求推动着第四代移动通信技术的研究深入展开。正交频分复用(OFDM)作为第四代移动通信中的核心技术是一种高频谱利用率的多载波调制技术具有很强的抗多径干扰、抗衰落能力【】【】【】。目前OFDM已被广泛的应用于非对称的用户环路(ADSL)、ETSL标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)和基于IEEE.标准的无线局域网(WLAN)中。.论文研究背景..OFDM基本原理正交频分复用(OFDM)是多载波调制(MCM)技术的一种。OFDM的基本思想【是:将信道分成若干正交子信道将串行的高速数据流信号转换成并行的低速子数据流调制到每个子信道上进行传输。当子载波数足够多时每个子信道上的信号带宽就小于信道的相关带宽此时每个子信道都可以看成平坦衰落的信道从而具有很强的抗多径衰落能力。并且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分信道均衡变得相对容易。OFDM系统框图如图.所示。鱼西一《争叫积司马fPpl艋玉蠕s/PP/S盟叵卜P/S《吨梦叫积分l写图I.OFDM系统框图由图.可以看出一个OFDM符号包含了多个经过调制的子载波而每l第章绪论个子载波可以灵活采用MPSK或MQAM符号调制。OFDM符号可以表示为:型s(t)=d,rect(t一‘一T/)exp(jzcf,(tt))‘‘丁(.)式(.)中N表示子载波的个数T表示OFDM符号的宽度Z表示分配给每个子信道的经过调制的符号Z表示第f个子载波的频率Z=Zi/TZ是载波频率rect(t)表示矩形函数rect(t)=I峰T/。s(t)=t<f。或>T‘。不难证明各个子载波是正交的即:专xp(/石z)exp(一.筇厶)dt={::i:(.)对式(.)中的第f个子载波进行解调然后在时间长度T内进行积分即乏=吾f州exp(一j万彳。一‘))Jo)at=z(.)由式(.)可见接收端对第f个子载波进行解调便可恢复出期望的符号。对于其它子载波而言由于在积分间隔内载波频率之间有整数倍个周期倒数所以积分结果为零。因此在OFDM系统中每个子载波的带宽为/T而OFDM符号的总带宽为NfTo子载波之间的这种正交性也可以从频域的角度来解释:每个OFDM符号在其时间长度丁内包含多个非零子载波因此其频谱可以看作是时间长度为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积的叠加。而矩形脉冲的频谱幅值为sinc(f/")这种函数的零点出现在频率为/r整数倍的位置上。因此在计算每个子载波频率上的值时其它子载波对它的干扰为零即不会引起ICI。如图.所示。图.OFDM子载波正交性示意图第章绪论OFDM的另一个优点是它的各个子信道中的调制和解调可以采用IDFT和DFT来实现对于子载波数N很大时可通过IFFT和FFT来实现从而大大减少了计算的复杂度。令J(f)中的t=忽略矩形函数对s(f)以t=T/N的速率进行抽样即令t=kTfN.可得:.N...IsI=Zexp(jzik/N)(kN一)(.)NI一、=言唧exp(一jzik/N)(ofN一)ik=因此OFDM的调制和解调可以分别由IDFT和DFT代替。通过Ⅳ点的IDFT运算把频域符号Z转换为时域符号S。然后通过射频载波调制发送出去。在接收端先对接收信号进行下变频再通过Ⅳ点的DFT运算把时域符号s。恢复为频域符号谚从而获得原始发送数据。为了简化运算量IDFT和DFT可以通过IFFT和FFT来实现。应用OFDM的一个主要原因是因为它可以有效地对抗多径时延扩展。它通过把输入的数据流串并转换为Ⅳ个并行的子信道中使得每个用于调制子载波的数据符号周期扩大为原始数据周期的Ⅳ倍因此时延扩展与符号周期的比值也就同样降低了Ⅳ倍大大减少了ISI。为了能最大限度地消除ISI可以通过在每个OFDM符号之间插入保护间隔(GuardInterval)并且保护间隔疋需要大于无线传输信道的最大时延扩展这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。此时只要定时准确就能完全地消除ISI。如图.所示第i们枵k一.第i僻拇k一时i酣展图.OFDM保护间隔示意图在保护间隔内可以不插任何的信号即这个传输时段是空闲的。但是在这种情况下由于多径传播的影响子载波之间的正交性会遭到破坏从而引起ICI这种效应可用图.解释。可见在FFT的周期内这两个子载波之间不再满足正交性因此会引起ICI此时需要采取特定的措施来消除ICI。为了使延时不同的各个子载波在FFT周期内都是正交的可以在保护间隔第章绪论内插入循环前缀(CyclicPrefix)即把OFDM符号后面乇长度的内容复制到符号前面作为保护间隔。这样就可以保证在FFT周期内OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数此时时延小于t的子载波延时信号就不会在解调时对其它子载波信号产生ICI。如图.所示。k卜一..J保护间隔FFr周期图OFDM保护间隔没有数据的示意图}.卜.l一一保护阃隔FFT周期I.一一OFDM符号时阋长度图.OFDM保护间隔为循环前缀示意图由于多径时延扩展加入CP后的每个子载波在接收端进行FFT时相当于它们在频率上各自进行了不同的相位旋转后再进行FFT这不会影响子载波间的正交性可以采用信道均衡方法消除影响从而恢复出原始的发送数据。可见通过保护间隔和循环前缀OFDM可以有效地对抗多径时延扩展消除ISI和ICI极大地简化了均衡的复杂度。令式(.)中的t=有m卜赤善zrect(tT/)exp(jrcA吐o<<丁(.)rect(t)=lIff<T/第章绪论其中/Ⅳ为功率归一化因子Z=Zi/T为子载波频率。则OFDM符号功率谱密度为:ls(/)=f尺(旯)eJ“tfdA(.)其中R(x)是信号J()的自相关函数R(旯)=E{s(tA)J‘(f))。把只(A)代入式(.)化简可得OFDM符号功率谱密度表达式愀胪万缶NI咿筹(.)OFDM符号的功率谱密度衰减比较慢这样带外辐射就比较大。随着子载波数的增加功率谱密度下降的速度虽然会加快但还是不够这泄露了不少系统能量。因此必须采取一定的措施来减少OFDM系统的带外辐射。为了让OFDM宽带之外的功率谱密度下降得更快需要对OFDM符号进行“加窗”。对OFDM符号“加窗”意味着:令符号周边的幅值逐渐过渡为零。通常采样的窗类型为升余弦函数其定义如下:』o.o.COS(//"tn/(PL))tZw(f)={.夕乏t艺(.)lo.o.cos((tro)x/(Z))瓦t(P)L这里£=丁乙为OFDM符号的长度乃为可以互相覆盖的区域。这样完整的OFDM基带收发机的结构如图.所示:图.OFDM基带收发机流程..自适应OFDM系统OFDM将所要传输的串行数据流分解成若干路并行的子数据流使用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流。在频率选择性衰落信道中OFDM不同子信道中的误码率与频率域的信道传输函数有关误码主要集中在发生深衰落的子信道中。在OFDM信号传输时如果能够鉴别这些发生深衰落的子载波并且不在这些子载波上加载信息则系统的误码率会大大降低这样做的代价是传输效率有一定降低。但是注意到频率域的衰落可以使某些信道的质量第章绪论变差同时也可以改善其它一些信道使其具有更高的传输质量。如果在质量高的信道中采用传输效率高的高阶调制则可以大大提高系统的传输容量。这就是在OFDM系统使用自适应调制的基本思想Ⅲ旺。与自适应单载波相同自适应OFDM系统中的关键步骤也包括:.信道估计:信号发射机估计、预测下一次传输时的信道的传输函数以便选择信号传输采用的参数。.信号传输调制方式选择:在信道状态预测的基础上信号发射机为各子载波选择合适的调制方式。.信号参数的信令告知或盲信号检测:为了正确接收信号自适应接收机需要知道发射机发射信号时所采用的参数信息。这些信息可以包含在OFDM码元中以信令方式传递也可以通过盲信号参数检测技术实现对接收信号的检测获得信号的参数信息。自适应OFDM中采用的自适应方式可以分为基于单子载波(Subcarrier.by.SubcarrierAdaptation:SbSA)的方式和基于子载波组(SubbandAdaptation:SA)的方式。SbSA方式的基本原理是系统评估每一个子信道的信道质量根据信道质量调整每一子载波发送的信号参数。调制方式的选择其实就是在信道传输效率和整体的BER性能之间作一个折中。对于信道质量高的子信道可采用高阶的调制方式使每一码元具有较高的比特数(BitsperSymbol:BPS)以提高传输的效率对于信道质量较低的子信道可采用低阶的调制方式:以保证具有允许的误比特率(BitErrorRateBER)保持系统传输的可靠性而对于深度衰落的子信道可不在此子信道上传输信息使其变成~个空子载波。SA方式首先把全部子载波分成若干组每一组包含若干相邻子载波。自适应调制时对一个子载波组内的所有子载波均采用相同的调制方式。由于信道传输函数在同一个子载波组内可能不保持恒定因此基于子载波组的自适应方式对于某些子载波而言是次优的。不过SA方式在采用信令传递时所需要的信令信息比SbSA方式少系统的复杂性也低。如果两个终端之间的信道是双向对称的每个终端可以根据接收到的OFDM信号估计信道质量并自适应调整发送信号的参数这种方式为开环自适应方式。如果两个终端之间信道不对称通信双方则无法从接收信号中直接估计出发送信道的质量。这种情况下信道质量估计和参数自适应由链路的接收方完成并在反向链路以信令的方式告知发射方信号传输应该采用的参数这种方式称为闭环自适应方式。在自适应OFDM中为了正确解调传输的数据接收端必须知道发送时每第l章绪论个子载波的调制方式。有两种方法:传递参数信令或者盲检测。传递参数信令就是将调制信息嵌入到发送的数据符号中去。由于信道数比较多信号的带宽也比较大因此子信道之间的衰落特性是不同的。发射机根据各子信道衰落的特点自适应改变子信道信号采用的参数信令传递则必须包含每个子信道信号的参数信息需要传送的信令信息的大小与子载波数成正比。特别当自适应方式是SbSA时这种信令传递所需的开销就非常大。调制方式盲识别由于不需要传输信令可以最小化数据带宽的损失。所以采用调制方式盲识别就能提高传输效率和频谱利用率。.论文的研究内容通信技术的飞速发展对非协作通信信号的接收和处理提出新的要求。本文以非协作接收为应用背景对OFDM信号检测与调制识别方法进行深入研究。OFDM信号的非协作接收是指在正常通信双方采用OFDM调制方式建立通信连接的情况下非协作接收方从空中无线接口接收通信双方的信号。此时非协作接收方并不知道正常通信双方采用的是OFDM调制方式以及各种调制参数因而需要对接收信号进行分析。如果检测出是OFDM信号则进一步提取各项特征参数然后在此基础上解调OFDM信号。要完成OFDM信号的非协作接收需要解决以下三个关键问题:.OFDM信号检测问题非协作接收首先要解决OFDM信号检测问题。在现实通信环境中通信信号的种类非常多但是通常是各种调制的单载波信号而OFDM是多载波信号。所以OFDM信号检测问题就可以看成是对多载波与单载波信号进行区分识别的问题。.OFDM参数估计问题OFDM参数估计问题包括OFDM系统参数的估计和同步参数的估计。系统参数包括载频、符号率、循环前缀长度、子载波个数等等。准确估计出OFDM的系统参数才能进行正确的解调参数配置。与协作通信接收一样OFDM系统的同步问题也是非协作接收的关键问题之一。.OFDM调制识别问题OFDM的一个显著特点是子载波上的调制方式灵活多变。子载波上的调制方式可以是MPSK和MQAM中的任何一种也可以是空子载波具体选择哪种方式根据信道情况决定。因此OFDM子载波调制方式识别是OFDM非协作接收的重要部分。针对上述三个问题本文分别对O.FDM信号的检测方法、重要的参数估计第章绪论方法和子载波调制方式识别方法进行研究。本文讨论OFDM信号接收处理的具体流程如下:接收到的信号首先经过OFDM信号检测以区分是单载波和多载波信号便于下一步处理。然后对OFDM信号进行参数估计得到信号的符号率信号的循环前缀长度和子载波个数(FFT点数)等系统参数将它们分别用于信号定时去循环前缀和FFT。对信号进行同步参数估计得到系统频偏和定时估计然后对信号进行频偏和定时校正。接下来串并变换后经过FFT然后进行子载波调制方式的识别识别的结果用于子载波上的符号解调。子载波解调的结果输出用于之后的解码处理(不属于本文讨论的范畴)。整个OFDM信号接收处理的具体流程如图.所示。由图.可以看出OFDM信号检测参数估计和子载波调制方式识别(图中着色的部分)是依次进行的顺序不能颠倒。在进行各部分方法研究的时候必须清楚每部分研究的前提条件不能将未知的条件当作已知的更不能将后面得出的结论搬到前面当作已知条件但是前面得出的结论可以作为后面部分研究的已知条件。图.OFDM信号非协作接收处理的流程图.论文的结构安排本论文主要有三个部分:OFDM信号检测OFDM参数估计OFDM调制识别。具体内容安排如下:第章阐述本文的研究背景。简要介绍了OFDM基本原理和自适应OFDM系统表明了OFDM信号检测和调制识别在OFDM非协作接收中的重要性给出了OFDM信号检测、特征参数估计和调制识别的具体研究内容和相互关系并给出流程框图。第章研究OFDM信号检测方法。由于高阶统计量在这个领域的广泛应用所以首先介绍高阶统计量的定义和性质然后对现有的各类OFDM信号检测方R第章绪论法进行分析总结已有方法的优缺点。针对现有OFDM信号检测方法的缺点通过对接收信号累积量的分析构造一组新的检测特征量提出一种新的检测方法通过仿真实验和比较表明本文提出的方法能够显著提高低信噪比和频率选择性衰落信道条件下检测OFDM信号的性能。第章研究OFDM参数估计方法。本章重点阐述了OFDM符号率、子载波数、定时、频偏等参数的估计方法。符号率是一个非常重要的系统参数本章首先给出一种基于OFDM自相关性来估计OFDM符号率等时域参数的方法该方法不需要任何先验信息并且简单实用。其次介绍了信号的周期平稳特性和一些表征此特性的特征量定义及性质讨论周期平稳信号与平稳信号的关系。然后讨论了基于OFDM信号周期平稳特性的子载波数估计方法。最后给出了一种基于最小二乘的频率选择性衰落信道下OFDM信号定时频偏联合估计方法。第章研究OFDM调制识别方法。首先介绍OFDM子载波调制方式识别所采用的等效数学模型然后总结现有的OFDM子载波调制识别方法最后结合单载波调制识别方法和现有方法的思想提出一种基于分级分类的OFDM子载波调制方式识别方法。第章对本文的工作进行了总结指出需要进一步开展研究的工作。参考文献【l】王文博郑侃.宽带无线通信OFDM技术M】.人民邮电出版社...【】汪裕民.OFDM关键技术与应用M】.机械工业出版社...【】佟学俭罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用【M】.人民邮电出版社...第章OFDM信号险测第章OFDM信号检测.引言本章对OFDM信号检测方法进行研究。从图.看出这是OFDM信号非协作接收处理的第一步目的是判断接收信号是OFDM信号还是单载波调制信号因为只有判断出信号是OFDM信号后之后进行的OFDM参数估计和子载波调制方式识别才有意义。由于是接收信号处理过程的第一步OFDM信号检测可利用的相关先验知识基本没有或者说很少。目前对OFDM信号的检测方法业已有了一些研究。一般来说在不同的信道条件下OFDM信号检测方法也不尽相同。在加性高斯白噪声(AWGN)信道下的OFDM信号检测方法中最早也是最经典的是Akmouche提出的方法IlJ该方法利用基带多载波信号近似满足正态分布而基带单载波信号属于非正态分布的特点采用G.M高斯性检测方法J检测OFDM信号。文献【在文献【的基础上作了改进不需要计算协方差矩阵和估计符号率减小了运算量。但是这两种方法都是在基带进行处理的因此需要进行载波同步特别是这两种方法都只适用于加性高斯白噪声信道。在实际的复杂的通信环境中由于频率选择性衰落信道的影响单载波调制信号也会呈现出高斯性从而破坏了其非正态分布的特性所以基于高斯性的OFDM信号检测方法的正确检测率将大大降低。在单径Rayleigh衰落信道下的OFDM检测方法中文献】提出了基于高阶混合矩的盲检测方法对中频采样值直接进行检测避免了载波同步处理过程该方法利用了信噪比和分类特征的联合估计方法但是计算和迭代过程比较复杂。文献【】提出了基于累积量的分类特征来区分单载波与OFDM信号方法比较简单在高信噪比时具有较高的正确检测率但是在低信噪比时正确检测率较低。在多径慢衰落信道下的OFDM检测方法中文献【】提出了基于归一化四阶累积量的检测方法对OFDM信号的正确检测率较高但是不同信噪比下的门限不一样这就需要估计接收信号的信噪比来确定门限值增加了方法复杂度。在多径Rayleigh快衰落信道下的OFDM检测方法中文献【】将文献【】中的方法进一步应用到双径等功率Rayleigh信道中。文献【】提出了一种基于高阶累积量组合的方法在高信噪比的情况下能够有效检测OFDM信号。本章的内容安排如下:.节首先介绍了高阶统计量的定义和性质然后对现有的各类OFDM信号检测方法进行分析总结已有方法的优缺点。.节针对现有OFDM信号检测方法的缺点通过对接收信号累积量的分析构造了一组新的检测特征量提出一种新的检测方法能够显著提高低信噪比和频率选择性第章OFDM信号检测衰落信道条件下检测OFDM信号的性能适用。.节对新方法的性能进行了仿真.节对本章主要内容进行了总结。.现有OFDM信号检测方法在DS.CDMA信号存在的情况下依然并且和已有的方法进行了性能对比。..高阶统计量的定义和性质给定二组力个平稳实随机变量如s:...勘它们的联合.=毛乞吒阶累积量定义为:Cumsi}'s参s】全(一/)(.)其中(嵋W...心)全E{expj(wlslWS%J。)】)是随机变量的联合特征函数则hlm(Ⅵwz...%)被称为累积量生成函数。对于一个具有零均值的平稳复随机过程s(k)它的pq阶累量可以写为:q垤=cum(f(蝣~s(七f(班一J‘(七)(.)ri定义M御=日s(尼)舢(s(尼)’)】为序列的P阶混合矩则阶到阶累积量可以写成下面的形式:C。=M。=目s(七)】(.)C=M。=硎s(七)】C=M一M之C。=鸩。一鸩。鸩。C=心:一lM:。"c=M一MM(M)C=MMlMl一(M)下面给出累积量的几个重要性质:.若Aj(i=...k)为常数Rx(i=...k)为随机变量则有七cum(qxi...以t)=(兀A,)cum(x,,o%)I=l(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)第章OFDM信号检测.累积量对于其变元是对称的即cum(xt...%)=cum(xl,...~)(.)其中(fl‘)为(...尼)的任意一个排列。.若随机变量{‘)与随机变量{只)独立则有cum(xM...XkYk)=cum(x...xk)cum(y...败)(.)..基于高斯性的OFDM检测方法OFDM信号可以看作大量独立同分布的随机变量的组合。因此根据中心极限定理OFDM信号采样的幅度在统计上近似于Gaussian分布。而单载波信号采样的幅度则不具备这样的特性。所以单载波调制信号和OFDM多载波信号可以利用Gaussian检测来区分。通常利用高阶统计量来做Gaussian检测。Gaussian检测可分为频域Gaussian检测和时域Gaussian检测。频域Gaussian检测最早由Brillingerl、Roseblattllo】提出文献【l】和【】采用双边一致性的非参数估计运算量非常大要求严格的双谱时延边界。时域Gaussian检测可以追溯到Pearson的Z检测和Kolmogorov.Smimov检测】这两种检测都是基于独立的观察数据。GB.Giannakis提出的时域Gaussian检测方法】采用固定时延计算累积量向量适合数字调制信号的分析。基于文献提出的Gaussian检测方法文献【】提出了理想高斯信道下的OFDM信号检测方法将OFDM信号检测问题归类为两种假设分类问题即:鼠:s(f)是OFDM信号H:s(f)是单载波信号。理想高斯信道条件下的接收信号y(f)模型为y(f)=J()w(f)(.)其中s(f)是所有可能发送的数字调制信号w(f)是复的加性高斯白噪声。接下来分析OFDM信号的渐进高斯性。功率归一化后的OFDM信号J(f)模型如下Ⅳ一s(f)=店q^e口以加wp宰g(tkT,)(.)其中N是子载波数El厶.。是发送端端生成的独立同分布的中心化符号序列:Z是载波频率厂是子载波间隔一般取Af=/Lg(f)是成型函数互为子载波符号有用传输时间Z=瓦乙是完整的符号传输时间I是循环前缀长度。第章OFDM信号检测把复信号J()分为实部Sr(t)和虚部墨(f)占(f)=Sr()/木t(f)(.)则信号实部为墨o)=古Re(c砒木eJX(fc’ⅣH宰g(t一七瓦))n=O‘()Ⅳ一、’=冉屯。(f)下面计算f=to时刻信号实部s(f)的四阶累积量由于各子载波调制符号之间的独立性和累积量的线性特性可以得到Gum(Sr)=古c“%(J‘。(。)).”o‘(.)’=.Cure(。纯))N、々~扩随着Ⅳ的增大可推导出Cum。(s)一。对于信号虚部t(f)可以得到同样的结果。因此得出结论:由于OFDM信号具有渐近高斯性其四阶累积量为零。而单载波信号由于是非高斯的所以其四阶累积量不为零。高斯白噪声的四阶累积量为零在理论计算上可以忽略。因此根据待检测信号的四阶累积量可对单载波信号和OFDM信号进行分类从而检测出OFDM信号。文献【】采用GM高斯性检测方法来判决信号是否是OFDM信号。下面把对随机变量的累积量运算转变成对采样序列的统计分析。检测方法如下:.计算基带信号实部Cum(Orlr)和虚部仇豫(Orl")<rlM<coM.MM是一个符号长度t内的采样数。‰(o以加《r矿‘专驴y仁哟lM一一、。一。一(寺Z(棘(f刀))c“‰f(。刁)j号季Ⅳ:三『’拜‘f刀’一‘j若套谚。)’。.M一一l。’~.畴荟露(f)舶圳).利用Cum。(叩)和C“%。(O)分别构造向量C和Cf。计算协方差矩第章OFDM信号检测c.(/)=Coy{Cure(o功纪)Cum(owr/r/))(.)c(f/)=Cov{Cum(o砚rl)Cum(or/r/』))(.).计算靠d=sup(C.rcc口:c)(.).最后根据如隹乏准则判断是否是oFDM信号。从检测过程不难看出该方法存在以下两个问题:.符号长度Z一般情况下是未知的按照此方法进行OFDM信号检测就需要具备一定的先验知识局限了方法的应用.OFDM信号检测过程中需要计算协方差矩阵大大增加了方法的计算量。针对此方法存在的问题文献进行了改进:.将计算累积量的范围由符号长度M改为埘其中Ⅳo为获取的采样数这样就不需要预先知道符号长度:.将如的表达式改为如=C’C略去了计算协方差矩阵的过程减少了运算量。这就是理想高斯信道下的OFDM信号检测方法它的核心思想是利用多载波OFDM信号在时域上具有渐进高斯特性而单载波信号不具备这样的统计特性然后采用四阶累积量来进行OFDM信号的检测。文献基于同样的思想提出了在多径慢衰落信道下利用改进的四阶累积量构造特征参数来进行OFDM信号检测。多径慢衰落信道条件下接收信号(门)模型如下.(行)=hl(n)s(nr)w(n)(.)其中s(n)是所有可能发送的数字调制的信号。%(门)是不同路径的增益由于是慢衰落信道所以啊(z)可以看成一个常数啊(”)=呜。q是不同路径的延时。三是多径的数目。w(胛)是加性高斯白噪声。这里采用接收信号.(刀)的l丘:l作为检测特征量。第章OFDM信号检测嘶砌l=俐£c:(岛(拧一乃)w(刀))=l岛跏%)|fC:(啊s(I一乃))l:l生!!(.)lc,(gs(门一q))I:!生!岛这里q就是信号的平均功率。对于多径信道中的每一条路径由于OFDM信号具有渐进高斯性所以它的四阶累积量是趋近于零的。由于多径的路数£是有限的而且每一路径的增益厄是一个常数且为有限值。所以对于OFDM信号有:l£llC:(啊J(力一乃))卜o(.)=I结合(.),(.)可以推出I丘:(‰蹦(刀))l(.)如果接收到的信号是单载波信号不具有高斯性所以它们的Ic:I是非零的。基于单载波信号和OFDM的这种特性可以区分它们实现多径慢衰落信道下OFDM信号的检测。注意这里使用的检测特征量是C:和c。的组合此特征量对载波频率和频偏不再敏感。这样就可以对中频信号直接进行处理而不再需要先将接收信号下变频到基带信号做预处理。文献,n的方法所使用的特征量表达式可以看出是C。这样就只能处理基带信号而且对频偏敏感。..瑞利信道下的OFDM检测方法..节讨论的基于高斯性的OFDM检测方法所作的信道条件假设都很简单在这种信道下OFDM信号的高斯性没有改变但是实际信道远远复杂得多。在实际的通信环境中由于频率选择性衰落信道的影响单载波调制信号也会呈现出高斯性破坏了其非正态分布的特性OFDM信号的高斯性也不再满足基于高斯性的OFDM信号检测方法的正确检测率将大大降低。这就对在时变信道条件下的OFDM信号检测提出了要求。第章OFDM信号检测回顾前面..小节的离散零均值随机过程的二阶和四阶累积量G。=鸩。(.)q:=鸩:一J鸩。皤。对于OFDM信号由其渐进高斯性知其四阶累积量G为。号二阶累积量GO为。这样就有C:=M:一f^幺。一aut,=M:一M三=o则(.)(.)正态分布的信(.)心:=蟛(.)鉴于此对于瑞利衰落信道下的OFDM信号检测文献并I提出了一种矩的组合:k=M%(.)不难得出OFDM信号的k。=。对于单载波信号‰理论值的计算可以根据其信号表达式先计算出二、四阶矩然后代入到表达式(.)中。假设各种调制信号的星座点分布是最差的一种分布即均匀分布。对于各种调制方式信号所对应k的理论值见表.。由表.可见参数k仅与调制方式有关根据这一特点文献和利用k与信噪功率比估计联合作为分类特征区分OFDM和单载波信号但是该方法比较复杂且OFDM和单载波的参数k差距不大。由于高阶累积量可以屏蔽高斯噪声文献【】和】在文献、和的基础上提取累积量的组合值作为新的检测特征值。表.各种调制方式所对应的参数k泌QAMQAMQAMQAMMPSKMFSKOFDM参数\‰.。l...OO..经过一个时变瑞利信道后的凄收信号)模型如下r(t)=s(t)xh(t)xej"/"‘w(f)(.)其中sO)是所有可能发送的数字调制信号可能是信号集合{MFSKMPSKMQAMOFDM)中的一种。而(f)表示幅度服从瑞利分布相位服从到万的均第章OFDM信号检测匀分布的瑞利衰落无为多普勒频移w(f)为加性高斯白噪声均值为零方差为艿。信号s(f)、高斯噪声w(t)及瑞利衰落矗(f)彼此相互独立。接收信号经过采样得到的序列表示为:r(n)=h(n)s(n)d确“%w(n)=y(刀)w(n)(.)先计算y(n)的各阶矩和累积量因瑞利衰落h(n)与信号s(n)相互独立得^:。(y)=E(y(疗))=E(阼))E(办(甩))xe’厶”矗(.)鸩。(y)=E(y(刀)y(力)‘)=E(J("))E(h(n))(.)M(Y)=E(y(n)xCy(n)‘))=昱(k力))E(办("))()瑞利衰落因子均(舱)=呜(门)jhh(咒)hlr(胛)和ht(n)是相互统计独立的并且服从均值为o方差为《的正态分布则:层(办("))=E((%(砟)Jht,(")))=(.)由文献知瑞利信道衰落因子h(n)的矩具有如下特点:E(h(n)l‘)=(露)r(圭(七))k>O(.)则鸩。(丙)=E(灰(理))=()犯:(办)=E(向(甩))=研(.)将式(.)、(.)}(.)代入式(.)、(.)、(.)得:M。(y)=^乞。(y)=爵E(J(玎))=群鸠。()M:(力=霹E(s(行))=醭%)这样y(n)的各阶累积量为:Co(y)=Mzo(y)=c。(y)=鸩(y)=群M:(s)q(夕)=^%(y)一lJ}I!乞。(y)J}}《。())=群(帆:(s)一M三(s))下面计算(丹)的累积量因为信号与高斯噪声相互独立则:c(.)=拜托。(s)鸩(w)(.)(。)(.)(.)(.)(.)(.)第章OFDM信号检测其中M。(w)是w(门)的二阶矩当信噪比足够大时即E(Iy(行))》E(w(玎))则有c。(.)露鸩。(s)(.)由于高斯噪声二阶以上的累积量恒为零因此接收信号r(n)的四阶累积量等于信号夕(刀)的四阶累积量故r(n)的四阶累积量为%p’三高氛州心”(.。)=群(心:(J)一噬。(s”、’根据以上分析为了完全消除瑞利衰落的影响选取如下的累积量特征组合值:d:。=C(r)/C。(.)(.)经过计算得d。=(乞。)(.)表.各种调制类型所对应的参数畋。紫QAMQAMQAMQAMMPSKMFSKOFDM参数\攻。.....把表.中的各种调制方式的k代入到上式中得到表.由表.可以看出d。仅与调制类型有关对瑞利衰落及高斯噪声(当信噪比较大时)都具有不变性。且OFDM的d:。与单载波调制方式差别较大于是把其作为检测特征不变量来区分OFDM与单载波信号。由表.得门限值应设为:(..)/=.当高于此值时就认为是OFDM信号否则为单载波信号。实际上在计算C(.)时忽略了噪声能量但由于高斯噪声特别是在低信噪比时的影响各种调制类型的以。值实际上都应略小于上面的理论值因此门限值可设置得小些论文中门限值设为。l。根据以上分析对接收信号模数变换后的数字信号.(玎)用如下方法来识别其是否为OFDM信号:.计算r(n)的二四阶矩M。(.)和帆:().然后代入到累积量定义公式(.)和(.)算出c。()和c:(r).再把r(n)的累积量C(.)和c:(.)代入到式(.)中求出丸.若以。>.则判为OFDM信号否则判为单载波信号。下面考虑更为复杂的频率选择性瑞利信道下的OFDM信号检测。经过一个频率选择性瑞利信道后的接收信号为模型如下第章OFDM信号检测£.(f)=Zkt(t)s(trt)e’疟厶w(f)(.)=l这里()是所有可能发送的数字调制的信号。岛(f)表示幅度服从瑞利分布相位服从到石的均匀分布的瑞利衰落。一表示径的延迟。厶表示多普勒频移。w(f)是均值为方差为艿(w)的加性高斯白噪声。信号瑞利衰落和高斯白噪声是相互独立的。接收信号经过采样得到的序列.(珂)表示为:f..(甩)=殇(n)s(nn)em伽w(刀)=y(挖)w(刀)(.)这里瑞利衰落因子岛)=%(刀)矾(即)%(门)和%(刀)是统计独立的均值为方差为砰的高斯随机变量。由瑞利分布的性质可以得到鸩o(少)=(.)£鸩:(夕)=(辞)心:(J)扛l(.)(.)(.)由于OFDM服从渐进高斯分布与子载波调制方式无关与子载波数目有关子载波数目越多高斯性越强。由于高斯信号二阶以上的累积量为且其鸩o=这样对于OFDM信号:由C:=鸠:一lM:。M三=M:一磁。=得到M=Ml(.)由C=MMMM'l=得至M=Ml(.)由于信号j)和高斯噪声w(门)相互独立高斯噪声阶以上的累积量为O高斯噪声的功率为万(计。由于两个统计独立的随机过程和的累积量等于这两个随机过程的累积量之和这样接收信号【刀)的累积量为:C(厂)=C(J)琵=(群)M:。(s)髭(ZS尹)Mz(s)(.)M毋工埘敌fI、J鸩、魄P酽工M故ll、坂第章OFDM信号检测工LC:()=C:(y)=(砰)(M:(J)一峨(s))=(砰)磁(s)(.)l==l£C(.)=C。(J)=(辞)(眠(s)M:(s)M(s)魍。(J))扛(.)L、~=(E砰)M。(s)=为了完全消除多径瑞利信道的影响采用特征值埘z。=是筹和%。爰筹。各调制方式的理论值如表.表.各调制方式所对应的参数m:。和m。一泳芝肌所调制方式\MFSK/MPSKQAM.OQAMO..QAM..FDM由表.可以看出所选取特征值只与调制方式有关对多径瑞利衰落和多普勒频移具有稳健性。且OFDM信号与单载波信号的特征值差别比较大。表各调制方式的特征值是在高信噪比假设下得到的。在低信噪比的情况下其值会受到影响。假设接收信噪比最小为dB即C(力/c。(们=l在此条件下计算的特征值m知=C(.)/暖。(.)=G:(r)/(C。(y)C。(w))=华(.)叶%。=C(.)/q。(.)=c(.)/(C。(J)q。(w))=孚(.)o因此在dB的时各调制方式特征值如表.。由表.可见MFSK、MPSK

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