广义频分复用的多普勒频移适应能力分析

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2020.03.003

引用格式:郭凯丰,吕莹莹,王颖,等.广义频分复用的多普勒频移适应能力分析[J].无线电工程,2020,50(3):183-186.[GUOKaifeng,LÜYingying,WANGYing,etal.AnalysisofDopplerShiftAdaptabilityofGeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing[J].

RadioEngineering,2020,50(3):183-186.]

广义频分复用的多普勒频移适应能力分析

(1.中国船舶工业系统工程研究院,北京100094;

郭凯丰1,吕莹莹2,王　颖1,郭黎利2

正交性、时频资源的灵活性等特点成为研究热点。为了抵抗空空数据链中目标高速移动导致的多普勒频移,首次将GFDM技术引入空空数据链中,对空空数据链下GFDM系统的多普勒进行性能分析,对比特出错概率(BitErrorRatio,BER)进

摘　要:广义频分复用(GeneralizedFrequencyDivisionMultiplex,GFDM)技术作为新的多载波技术,凭借其子载波非

2.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150000)

行性能仿真。结果表明,GFDM技术有对抗多普勒频偏的能力。

中图分类号:TN925

文章编号:1003-3106(2020)03-0183-04

关键词:广义频分复用;空空数据链;高速移动;多普勒频移

文献标志码:A

开放科学标识码(OSID):

AnalysisofDopplerShiftAdaptabilityofGeneralized

FrequencyDivisionMultiplexing

researchfocusduetoitssub-carriernon-orthogonalityandflexibilityoftime-frequencyresources.GFDMtechnologyisintroducedinto

Abstract:Asanewmulti-carriertechnology,GeneralizedFrequencyDivisionMultiplex(GFDM)technologyhasbecomea

2.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150000,China)

(1.SystemsEngineeringResearchInstituteofCSSI,Beijing100094,China;

GUOKaifeng1,LÜYingying2,WANGYing1,GUOLili2

theair-to-airdatalinkforthefirsttimeinordertoresisttheDopplershiftcausedbythehigh-speedmovementoftargets.The

performanceofDopplerofGFDMsysteminair-to-airdatalinkisanalyzed,andBitErrorRatio(BER)performancesimulationiscarriedout.TheresultsshowthatGFDMtechnologyhastheabilitytoresistDopplerfrequencyoffset.

Keywords:GFDM;air-to-airdatalink;high-speedmovement;Dopplershift

0　引言

战术数据链在现代战争中发挥着越来越重要的作用,随着各种高新技术的发展和应用,未来空战目标呈现出高速度、大机动和强隐身的特点[1]。正交频

Fettweis教授于2009年提出的多载波技术[3]。该技术由于较高的频率利用效率,较低的噪声与杂波干扰水平,对同步、频偏指标要求低的优点,已成为下一代移动通信系统的一种备选载波调制方案,并且

GFDM技术是德国德累斯顿工业大学Gerhard

分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术因其抗衰落能力强、频谱利用率高等优点在战术数据链通信中有着广泛应用。然而在移动速度极高的空空数据链下,严重的频率偏移会影响OFDM系统子载波的正交性,接收端往往需要复杂的频偏估计和同步算法,因此OFDM技术不适用于高速率的空空数据链中[2]。本文研究了在空空数据链下一种改进型的非正交多载波广义频分复用(General-izedFrequencyDivisionMultiplex,GFDM)技术。

可以与预编码或偏移正交幅度调制等多种技术相结合,具有很强的灵活性[4]。GFDM技术的同步、信道

估计算法和多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)技术的结合被广泛研究,表明了GFDM技术对未来无线网络的适用性[5

收稿日期:2019-09-27

基金项目:国家自然科学基金面上项目(61571149)Foundation

-6]

次将GFDM系统应用在空空数据链中,分析推导了

。本文首

(61571149)

Item:National

Natural

Science

Foundation

of

China

2020年无线电工程第50卷第3期　183

信号与信息处理

GFDM仿真结果表明系统的,GFDM多普勒适系应统能有力一,定并的进抵行抗仿多真普分勒析频。偏的能力。

1　GFDM系统模型

1.1　图1GFDM发射端

所示[7]系统发射端在单个时隙内的示意框图如。图1　GFDM系统发射端Fig.1　GFDMsystemtransmitter

传输数据经过映射和串并转换为K×M的数据块,其中K表示系统的载波数,M表示每路载波包含的符号数。为了防止成型滤波后相邻子载波上的信号发生混叠,先对每一个子载波上的数据块进行过采样:

dKM-1

k

[n]=

∑dk[m]g[n-mK],n=0,…,KM-1,

m=0

式中,k,m分别为子载波数和字符号数;g[n](为1)

发端原型滤波器。

对数据块进行脉冲成型和频谱搬移,GFDM调制信号可以表示为:

xk[n]={dKk[n]∗gk[n]}e

j2πKk

n

={∑M-1

d[m]δ[n-mK]∗g[n]}ej2πkK

n

=m=0

k

k

∑M-1

d[m]{∑N-1δ[l-mK]g[(n-l)modN]}e

j2π

kK

n=

m=0k

l=0

k

∑M-1

d

k

m=0

k

[m]gk[(n-mK)modN]ej2πKn

n=0,1,2,…,MK-1。

所以GFDM调制信号为:

(2)

x[n]=

∑K-1

x

[n]=

k=0

k

∑K-1M-1

k=0∑=d

m0

k

[m]gk[(n-mK)modN]ej2πKk

n。

采用矩阵的表达形式说明系统发端的调制过程(3)

　　gk,m[n]=g[(n-mK)modN]Κα(n,k),(4)A=(g0,0,g1,0,…,gK-1,0,g0,1,…,gK-1,M-1),(5)　184

2020RadioEngineeringVol.50No.3

d=(d0,0,d1,0,…,dK-1,0,d0,1,…,dK-1,M-1)

T

,(6)

式中,gknkm[n]=g[(n-mK)modN]ej2π

K

是发端原型滤波器g[n]的时间-频率循环平移;A为调制矩阵;d为数据块串并转换后的数据。

所以GFDM信号的矩阵表达形式为:

x=Ad。

(7)

1.2　GFDM接收端

系统接收端的原理框图如图2所示。

图2　GFDM系统接收端Fig.2　GFDMsystemreceiver

信号经过信道之后可以得到离散时域信号:

y′[n]=x′[n]∗h[n]+w[n],

(8)

式中,h[n]是时延信道冲击函数;w[n]是均值为零、方差为σ2z的加性高白噪声。在循环卷积下,式(8)在频域表达式为:

Y′[k]=X′[k]H[k]+W[k]。

(9)

假设GFDM系统的循环前缀长度大于信道最

大时延,在接收端已知信道信息和理想同步[8]除CP之后并用矩阵的形式表示,式(9)可以,去表示为:

y=H·x+η。

(10)

对于接收信号y,文献[9]提出的ZF信道均衡能够应用于GFDM:

y-=H-1y=H-1HAd+H-1η=Ad+η-

式中,H-1是H的逆;η-

=H,(11)

-1η是信道均衡以后的噪声;A是KM×KM维的矩阵;d为传输符号。

对式(11)中信道均衡后的GFDM信号y-

进行自干扰消除。文献[10]给出广义的线性解调模型:d-=A-

demody式中,A,

(12)

demod是KM×KM维的解调矩阵。3种GFDM线性解调方案是匹配滤波(Matched调(、迫零(Zero-forcing,ZF)解调和最Filter,小均方MF)误解AMinimumdemodMeanSquareError,MMSE)解调。差与MF对应的解调:

3种解调矩阵形式为:

AAHZF解调:

demod=。(13)Ademod=A-1。

(14)

MMSE解调A:

3种接收方案各有优缺点demod=(σ2nI

+AHA)-1

AH,MF。(15)

大化信息噪声比(Signal-to-Noise接收方案能够最滤波器之间不正交导致系统自干扰Ratio,SNR);ZF接收方案在,但是消除系统的自干扰的同时对噪声进行了加强,并且还存在无法求解调制矩阵逆的问题;MMSE接收方案在自干扰和噪声之间进行了权衡。

2　GFDM系统多普勒适应能力分析

发射端与接收端存在多普勒频移导致子载波之间不正交,使接收端解调出来的信号会有畸变[11]本文将从建立数学模型的方法深入研究多普勒频移。对GFDM系统的影响。由于收发两端存在多普勒频偏,则接收端收到的信号可以表示为:

y[n]=

N

1

式中,γ∗[n]为时域接收窗∑N-1

x[n]γ∗[n]e

-j2π

m+K

ε

n+N(n),(16)

n=0

;N为符号数;N(n)为服从均值为0,方差为σ2的高斯白噪声;ε为归一化频Δf/B偏,定义为频偏除以子把式。

载波频率间隔,即ε=(3)发送信号x[n]y[n]=

N-1K-1M-1

N

1

代入式(16)化简得

=[m]·

0m=0

k

g∑n=0∑k∑d

k

k[n[](en-j2π-mmK+)modN]ej2πKnγ∗·

K

ε

n+N(n)。(17)

假设同一子载波上不同时间维度的子符号的干扰可以完全消除,即式(17)可以化简为:

∑N-1

n=0

g[n

+mK]γ∗[n]=δm,

y[n]=

∑N-1∑K-1∑M-1dk

k[m]δ[m]ej2πKne-j2π

p+K

ε

n+N(n)=

n=0k=0m=0∑N-1

d-j2π

εN-1N-1

K

n+

n=0

ke

∑-j2π

k-p+K

ε

n+N(n)。

n=0∑dk=ke

R≠0

P

由式(18)可得,受多普勒影响使得接收到的信(18)

号产生误码的原因有3个:由于多普勒频偏导致的信号本身幅度的衰减和相位的旋转;由于载波间干扰导致的信号的误码;产生的干扰[12-信道中的高斯白噪声对信号

13]3　仿真结果分析

。

(1)加性高斯noise,AWGN)白噪声(AdditivewhiteGaussian所示GFDM。匹配滤波算法由于忽视了干扰信号的存在调信道下系统性能分析

制在AWGN下的误码率性能如图3,

信号与信息处理

误码率在10-3时其性能比ZF算法差0.5算法的性能和GFDN系统的理论性能近似,说明dB。ZFZF算法能够消除GFDM系统的自干扰。由于ZF算法需要求矩阵伪逆,实用性较小。

10-1QPSK theoryGFDM MFGFDM ZF10-2REB10-310-41 2345678Eb/N0/dB

图3　GFDM系统AWGN下误码率Fig.3　BERofGFDMsystemunderAWGN

(2)多普勒信道下系统性能分析

如图GFDM4所示系统在多普勒信道下的误码率仿真结果,参数设置参考Link16数据链[14]100。 f10

-1fd=1 216 Hzfd=2 433 Hzd=3 648 HzR10-2EB10-310-4 24681012Eb/N0/dB

图4　GFDM系统多普勒信道下误码率

Fig.4　BERofGFDMsystemunderDopplerchannel

由于空空数据链中飞机和导弹武器等相对移动速度较高f=vfcos,θ在/c接。θ收是移动方向和入射波的夹角端产生严重的多普勒频移,,记f为dd是多普勒频移f是载波频率,,v是发射端和接收端的相对移动速度c是光速[15]普勒频移如表1所示。系统中的多普勒频移不仅使。不同速度下产生的多,信号在QAM解调时的信号相位发生旋转,不能正确解调数据,还会干扰其他子载波的正确判决,造成子载GFDM波系统性能下降越严重之间的干扰。随着多普勒频移的-增大,

为1。误码率在103时,多普勒频移fd信噪比GFDM符号宽度长于系统需要的子载波数分别为8,216,29,11433,3dB。648Hz时,所需要的OFDM,所以具小在有于相很OFDM同传输好的抗系效率下,多统普,时勒域性能。并且GFDM系统放弃了子载波之间的正交性,减低了由于多普勒频偏导致的子载波之间的干扰。

2020年无线电工程第50卷第3期　185

信号与信息处理

表1　速度和多普勒频移对应关系

Tab.1　CorrespondencebetweenvelocityandDopplershift

相对速度v/马赫

载波f/GHz

多普勒频移fd1211/Hz

3

11

2216

3433

648

4　结束语

空空数据链由于目标高速移动导致的多普勒频移近些年被广泛研究,本文从多载波调制方式出发,首次在空空数据链中引入GFDM技术实现数据的调制。推导分析了在多普勒频移下GFDM技术的性能,并进行了比特出错概率(BitError性能仿真。GFDM技术由于放弃子载波之间的正交Ratio,BER)

性GFDM,对多链提供了一种可适用的调制方式技术可以应普勒频偏用有在一空定空的数抵据抗能力。结果表明。

链中,为空空数据参考文献

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频信号捕获方法

作者简介

郭凯丰　男,(1992—),毕业于哈尔滨工程大学信息与通信工程专业,硕士,助理工程师。主要研究方向:舰船电子与信息技术。

吕莹莹　女,(1995—),硕士,助理工程师。主要研究方向:GFDM关键技术研究。

王　颖　女,(1992—),硕士,助理工程师。

主要研究方向:舰船电子与信息技术。

郭黎利　男,(1955—),博士,教授,硕士生、博士生导师。主要研究方向:数字通信与扩频通信技术。