劉海濤，尹志勝，李冬霞，張學(xué)軍

（1.中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；

2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)差錯(cuò)性能分析

劉海濤1，尹志勝1，李冬霞1，張學(xué)軍2

（1.中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；

2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

為定量分析脈沖熄滅產(chǎn)生的子載波間干擾對(duì)空時(shí)分組編碼正交頻分復(fù)用（space-time block codingorthogonal frequency division multiplexing，STBC-OFDM）接收機(jī)差錯(cuò)性能的影響，在頻率選擇性瑞利衰落信道下理論分析給出脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)輸出信噪比的計(jì)算公式，并以此為基礎(chǔ)，定量分析了脈沖熄滅對(duì)STBCOFDM接收機(jī)符號(hào)差錯(cuò)性能的影響.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，論文給出的理論結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

空時(shí)分組編碼正交頻分復(fù)用；脈沖熄滅；子載波間干擾；符號(hào)差錯(cuò)性能

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0　引　言

正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它可有效地克服高速數(shù)據(jù)通信帶來(lái)的頻率選擇性衰落。相對(duì)于單載波通信系統(tǒng)，OFDM系統(tǒng)具有頻譜效率高、調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)方便、信道均衡簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此OFDM傳輸方案廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻廣播、數(shù)字音頻廣播、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)、電力線通信系統(tǒng)、第四代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)［1］。相對(duì)于單天線OFDM系統(tǒng)，空時(shí)分組編碼正交頻分復(fù)用（space-time block coding-OFDM，STBC-OFDM）系統(tǒng)可充分利用多天線提供分集增益，顯著改善鏈路傳輸?shù)目煽啃?，目前STBC-OFDM已應(yīng)用于第四代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)［2］。在實(shí)際工程應(yīng)用中，OFDM接收機(jī)常受到脈沖噪聲的影響，常見(jiàn)的脈沖噪聲包括：汽車點(diǎn)火噪聲、電力線脈沖噪聲等［3 4］。由于高強(qiáng)度脈沖噪聲嚴(yán)重惡化OFDM接收機(jī)鏈路差錯(cuò)性能［5 6］，因此開(kāi)展OFDM接收機(jī)脈沖干擾抑制的研究具有重要意義。

針對(duì)脈沖熄滅法抑制脈沖干擾的問(wèn)題，文獻(xiàn)［7］首次提出基于脈沖熄滅的干擾抑制方法；文獻(xiàn)［8-9］基于脈沖熄滅OFDM接收機(jī)輸出信噪比最大化準(zhǔn)則提出最佳門(mén)限的設(shè)置方法；文獻(xiàn)［10］在加性高斯白噪聲信道下理論分析了脈沖熄滅OFDM接收機(jī)輸出信噪比的計(jì)算方法；文獻(xiàn)［11］在頻率選擇性瑞利衰落信道下理論分析給出了脈沖熄滅OFDM接收機(jī)符號(hào)差錯(cuò)性能。

為定量評(píng)估脈沖熄滅對(duì)STBC-OFDM傳輸系統(tǒng)性能的影響，論文在頻率選擇性瑞利衰落信道下理論分析給出脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)輸出信噪比的計(jì)算表達(dá)式，并以此為基礎(chǔ)，定量給出脈沖熄滅對(duì)STBC-OFDM接收機(jī)符號(hào)差錯(cuò)性能的影響，最后，仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1　系統(tǒng)模型

1.1STBC-OFDM發(fā)射機(jī)

圖1給出了STBC-OFDM發(fā)射機(jī)模型。信源輸出的比特序列分組I經(jīng)調(diào)制器進(jìn)行符號(hào)調(diào)制，調(diào)制器輸出第m個(gè)調(diào)制符號(hào)分組Sm=［Sm，0，…，Sm，k，…，Sm，K-1］T，m=1，2，…，其中E｛Sm，k｝=0 及E｛|Sm，k|2｝=σ2S，且Sm，k與 Sm，j（j≠k）統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，K代表調(diào)制符號(hào)分組的長(zhǎng)度。

圖1　STBC-OFDM　發(fā)射機(jī)

圖2　脈沖熄滅STBC-OFDM　接收機(jī)

進(jìn)一步假設(shè)接收機(jī)精確知曉信道的頻域響應(yīng)，則STBC譯碼器輸出信號(hào)矢量表示為

信號(hào)矢量zm進(jìn)一步送入脈沖熄滅器進(jìn)行脈沖干擾消除，假設(shè)脈沖干擾估計(jì)器可精確獲得脈沖干擾出現(xiàn)的位置，則脈沖熄滅器輸出信號(hào)矢量表示為

信號(hào)矢量ym經(jīng)K點(diǎn)離散傅里葉變換完成OFDM解調(diào)，F(xiàn)FT輸出頻域信號(hào)矢量表示為

式中，Ym代表第m個(gè)頻域信號(hào)矢量；F代表離散傅里葉變換矩陣；F矩陣的第k行n列元素記為F，：

2　差錯(cuò)性能分析

2.1STBC譯碼器輸出信噪比

將式（3）代入式（5），脈沖熄滅器輸出信號(hào)矢量ym進(jìn)一步表示為

式中，Sm，k代表第m 個(gè)調(diào)制符號(hào)分組中第k個(gè)調(diào)制符號(hào)。

由式（18）計(jì)算噪聲項(xiàng)的方差表示為

考慮到Hυk與Hυj（j≠k）統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，且相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，式（20）中第一項(xiàng)化簡(jiǎn)為

由式（17）計(jì)算得到期望信號(hào)的方差表示為

2.2符號(hào)差錯(cuò)性能

利用文獻(xiàn)［14］的結(jié)果可得到多進(jìn)制相移鍵控（multiple phase shift keying，MPSK）調(diào)制的STBC-OFDM系統(tǒng)第k個(gè)子信道的條件符號(hào)差錯(cuò)概率為

利用文獻(xiàn)［14］的結(jié)果，進(jìn)一步可以得到Rayleigh衰落信道MPSK調(diào)制的STBC-OFDM系統(tǒng)第k個(gè)子信道的平均符號(hào)差錯(cuò)概率為

利用文獻(xiàn)［14］的結(jié)果可得到多進(jìn)制正交幅度調(diào)制，（multiple quadrature amplitude modulation，MQAM）的STBCOFDM系統(tǒng)第k個(gè)子信道的條件符號(hào)差錯(cuò)概率為

利用文獻(xiàn)［14］的結(jié)果進(jìn)一步可以得到Rayleigh衰落信道MQAM脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)第k個(gè)子信道的平均符號(hào)差錯(cuò)概率為

式（30）與式（32）給出的脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)第k個(gè)子信道的平均符號(hào)差錯(cuò)概率與子信道序號(hào)k無(wú)關(guān)，因此脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)平均符號(hào)差錯(cuò)概率計(jì)算為

式中，PRayleigh，k可由式（30）或式（32）得到。

對(duì)以上結(jié)論進(jìn)行討論：①式（27）給出的脈沖熄滅STBCOFDM接收機(jī)第k個(gè)子信道的平均輸出信噪比與子信道序號(hào)k無(wú)關(guān)，表明脈沖熄滅對(duì)STBC-OFDM接收機(jī)各個(gè)子信道具有相同的影響；②當(dāng)沒(méi)有脈沖干擾出現(xiàn)時(shí)，即p=0，此時(shí)式（27）給出的平均信噪比計(jì)算公式化簡(jiǎn)為，則式（30）與式（32）給出的平均符號(hào)差錯(cuò)誤概率計(jì)算公式退化為常規(guī)的STBC-OFDM接收機(jī)符號(hào)差錯(cuò)概率；③當(dāng)脈沖干擾存在時(shí)，即p≠0，且假定信道輸入信噪比SNR=10lg（δ2s/δ2n）足夠大時(shí)，噪聲功率δn2趨近于0，此時(shí)k=1/p，表明脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)符號(hào)差錯(cuò)性能出現(xiàn)錯(cuò)誤平臺(tái)，且錯(cuò)誤平臺(tái)僅與p有關(guān)。

3　仿真結(jié)果

仿真環(huán)境主要參數(shù)設(shè)置如下：信號(hào)帶寬8.192 MHz，子載波間隔16 k Hz，采樣間隔0.122μs，子載波數(shù)512，循環(huán)前綴點(diǎn)數(shù)16，發(fā)射天線數(shù)2，接收天線數(shù)1，編碼方式STBC，調(diào)制方式QPSK、16QAM，信道為10徑頻率選擇性瑞利衰落信道，理想脈沖熄滅，理想信道估計(jì)。

在繪制符號(hào)差錯(cuò)性能理論曲線時(shí)，首先根據(jù)設(shè)定的接收機(jī)輸入信噪比SNR=10lg（δ2S/δ2n）與脈沖干擾出現(xiàn)的概率p，利用式（27）計(jì)算得到k，再將k代入式（30）或式（32）進(jìn)一步計(jì)算得到脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)第k個(gè)子信道的平均符號(hào)差錯(cuò)概率，最后由式（35）計(jì)算得到脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)的平均符號(hào)差錯(cuò)概率。

圖3和圖4顯示給出了QPSK，16QAM調(diào)制的脈沖熄滅STBC-OFDM 接收機(jī)在Rayleigh衰落信道下的符號(hào)差錯(cuò)概率曲線。圖中橫軸代表接收機(jī)輸入信噪比，縱軸代表符號(hào)差錯(cuò)概率，每張圖中包含4組曲線，分別代表p取不同值時(shí)脈沖熄滅OFDM接收機(jī)的符號(hào)差錯(cuò)性能，此外，每組曲線包含理論計(jì)算曲線和計(jì)算機(jī)仿真曲線。理論計(jì)算與仿真曲線比較表明，理論計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖3　脈沖熄滅對(duì)　QPSK　調(diào)制的STBC-OFDM接收機(jī)差錯(cuò)性能的影響

圖4　脈沖熄滅對(duì)16QAM　調(diào)制的STBC-OFDM接收機(jī)差錯(cuò)性能的影響

4　結(jié)　論

論文結(jié)論如下：①脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)各個(gè)子信道輸出平均信噪比完全相同；②脈沖熄滅STBC-OFDM接收機(jī)的符號(hào)差錯(cuò)性能曲線存在錯(cuò)誤平臺(tái)，并且錯(cuò)誤平臺(tái)與脈沖干擾出現(xiàn)的概率有關(guān)。

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Performance analysis of STBC-OFDM receiver with pulse blanking

LIUHai-tao1，YIN Zhi-sheng1，LI Dong-xia1，ZHANG Xue-jun2
（1.Tianjin Key Lab for Adυanced Signal Processing，Ciυil Aυiation Uniυersity of China，Tianjin 300300，China；
2.College of Electronic and Information Engineering，Beihang Uniυersity，Beijing 100191，China）

To analyze the impact of inter-carrier interference（ICI）caused by pulse blanking on the error performance of the space-time block coding-orthogonal frequency division multiplexing（STBC-OFDM）receiver，the analytical expression of the signal-to-noise ratio（SNR）for the STBC-OFDM receiver with pulse blanking is derived over the frequency selective Rayleigh fading channel，and the effect of pulse blanking on the symbol error ratio（SER）for the STBC-OFDM receiver is also analyzed quantitatively based on the SER expression.Simulation results validate the accuracy of derived formulas.

space-time block coding-orthogonal frequency division multiplexing（STBC-OFDM）；pulse blanking；inter-carrier interference（ICI）；symbol error ratio（SER）

TN 929.5

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.05.29

1001-506X（2016）05-1159-05

2015-08-24；

2015-10-12；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-11-23。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151123.1324.006.html

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1233117，61271404）資助課題

劉海濤（1966-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士后，主要研究方向?yàn)閷拵ㄐ畔到y(tǒng)、航空移動(dòng)通信。

E-mail：htliucauc@qq.com

尹志勝（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇找苿?dòng)通信系統(tǒng)。

E-mail：zhishengyin@qq.com

李冬霞（1971-），女，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹娇找苿?dòng)通信、甚高頻數(shù)據(jù)鏈。

E-mail：dxli@cauc.edu.cn

張學(xué)軍（1971-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)楹娇找苿?dòng)通信、新航行系統(tǒng)。

E-mail：zhxj@buaa.edu.cn