光频分复用（OFDM）技术及应用

本文叙述了光频分复用（ＯＦＤＭ）技术的特点，ＯＦＤＭ传输系统的组成及工作原理，扼要地分析了几个关键部件对ＯＦＤＭ传输系统的影响，介绍了ＯＦＤＭ系统中常用的光器件的主要类型及特性。最后介绍了光频分复用技术在各种通信网中的几种应用。

短波正交频分复用（OFDM）传输性能研究

短波通信作为一种重要的通信方式一直受到信道带宽的限制，加之传输信道的不稳定性致使其传输效果不佳，如何有效的提高频带利用率、改善传输性能是短波通信的重要研究内容。正交频分复用（OFDM）是一种多载波数字调制技术，在提高频谱利用率、克服多径方面发挥了重要作用。文章以Simulink为平台构建短波OFDM通信系统仿真模型，并在频偏和多径条件下进行仿真，分析仿真结果可以看到，频偏和多径对系统的传输效果都有影响，其中频偏对通信系统的影响较为严重。

基于子载波提取的OFDM无源雷达频率分集方法

为了解决当前正交频分复用(OFDM)无源雷达波束形成无法对分布于同一角度不同距离处的目标信号进行区别处理的问题,提出了一种基于回波信号子载波提取的频率分集新方法。通过对接收阵列不同通道OFDM数据提取不同频率的子载波信号并独立地进行处理,使得接收端波束图具有距离-角度依赖性,从而可实现对同一角度内不同距离处的目标分别处理,同时分析了不同频率分集处理参数对波束图性能的影响。该频率分集处理方式可以提高距离维信号处理自由度,使得接收波束能量可聚焦于期望目标点处从而提升雷达目标检测、定位和杂波抑制等性能。仿真分析表明OFDM无源雷达回波信号经频率分集处理后可获得点状波束图,并通过实测数据分析验证了该方法的有效性与实用性。

智能反射面辅助的OFDM系统稀疏信道估计研究

针对智能反射面(IRS)辅助的宽带正交频分复用(OFDM)系统的信道估计,当前大多数研究都是基于单符号全导频设置,且级联信道系数过多会导致导频开销较大。为此,提出了一种基于时域-角域块稀疏的两阶段信道估计方案。首先,通过分析信道在时域和角域上存在的共同稀疏特性,将级联信道矩阵转换为时域-角域上的块稀疏表示,并将信道估计问题转换为块稀疏矩阵恢复问题。其次,考虑传输导频限制和时域-角域块稀疏特性,提出了一种两阶段稀疏信道估计方案对级联信道进行稀疏恢复。仿真结果表明,相比另外三种基准方案,该方案可以使用较少的导频获得更优的信道估计性能,有效减少了导频开销,且估计准确度更高。

NC-OFDM雷达通信一体化设计

雷达通信一体化有利于提高设备硬件资源利用率和频谱利用率,已成为近年来的研究热点。针对目前频谱资源稀缺的情况,结合认知无线电的概念,提出了基于非连续正交频分复用(NC-OFDM)的雷达通信一体化设计,对NC-OFDM雷达通信一体化信号测量目标特征进行了距离及速度的估计,并对基于NC-OFDM雷达通信一体化信号模糊函数、雷达成像的距离分辨率和方位分辨率、自相关性及误码率进行了分析,同时,选取互信息作为指标,利用优化算法进行波形设计。仿真结果表明,NC-OFDM雷达通信一体化信号具有较好的雷达探测性能和更为优良的无线通信性能。

深度学习辅助的5G OFDM系统的信道估计

传统的信道估计算法难以满足5G系统中的高速率低时延的需求。针对该问题,将通信信道的时频响应视为二维图像,提出了一种基于图像恢复技术的信道估计方法。首先,设定参数产生基于5G新空口(New Radio,NR)标准的物理下行链路共享信道(Physical Downlink Shared Channel,PDSCH)的信道数据信息数据集,将所产生的信道矩阵看作二维图像;然后,构建基于卷积神经网络的图像恢复网络,并融入残差连接来提高网络的性能;最后,利用训练好的网络模型进行信道估计。仿真结果表明,与最小二乘算法(Least Square,LS)、实际信道估计(Practical Channel Estimation,PCE)和基于图像超分辨率ChannelNet网络相比,所提出的信道估计算法性能提升明显。

一种适合太赫兹通信的新波形方案:GFB-OFDM

太赫兹通信是未来6G中业界关注的重要场景之一。太赫兹频段可以支持超大带宽和超高速率的无线通信,目前3GPP协议中的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM)技术使用支持的最大子载波间隔和最大快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)点数不足以满足太赫兹场景超大带宽的需求。提出了一种新的波形方案:广义滤波器组-正交频分复用(Generalized Filter Bank Orthogonal Frequency Division Multiplexing, GFB-OFDM)波形,可以将原有的大点数IFFT分解成两级小点数的IFFT,以支持更大的传输带宽。GFB-OFDM还可以灵活地支持不同子载波间隔、不同数据类型的联合处理,以实现不同业务类型的传输。GFB-OFDM在接收端仍然可以采用传统的循环前缀正交频分复用(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CP-OFDM)接收方法,仿真结果表明GFB-OFDM的综合性能优于CP-OFDM。

基于深度学习的下行大规模MIMO OFDM系统的1比特预编码算法

大规模多输入多输出(MIMO)系统中通过在基站端配备数百根天线,在提高频谱利用效率的同时,也带来了系统成本的增加。本课题组之前提出了一种适用于下行大规模MIMO正交频分复用(OFDM)系统的收敛保证的多载波1比特预编码算法(CG-MC1bit),能够获得较优的系统性能,但相应的计算复杂度较高,阻碍了其在实时系统中的应用。为进一步解决大规模MIMO系统中的成本和功耗问题,该文提出了一个模型驱动的神经网络,在CG-MC1bit算法的基础上迭代展开(Unfolding)得到了一种更加高效的CG-MC1bit-Net算法。具体而言,将迭代算法展开为一个神经网络,并引入可训练的参数来替代前向传播中的高复杂性操作。实验结果表明,该方法能够自动更新参数,与传统的预编码算法相比,收敛速度更快,计算复杂度更低。

基于深度学习的多用户MIMO-OFDM-IM系统符号检测技术

MIMO-OFDM-IM是将MIMO-OFDM(多输入多输出正交频分复用)和IM(索引调制)结合的一种新颖的多载波调制技术。为解决目前多用户MIMO-OFDM索引调制的符号检测技术仍存在的复杂度高和误码性能受用户数量影响严重的问题,提出一种基于深度学习的符号检测框架,在该框架中,编码器与解码器都由DNN(深度神经网络)构造,采用监督式学习训练数据。实验结果表明,该框架有效地解决了以上问题。

基于深度学习的OFDM半相干水声通信方法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信中常用的相干和非相干通信分别面临的对多普勒敏感和频谱效率低的问题,提出一种高阶幅度键控调制的半相干通信技术,将OFDM符号时频帧结构中全部频点采用高阶幅度键控调制方式,并利用信号幅度信息完成半相干信道估计。通过两种基于深度学习的算法优化半相干信道估计这一非线性过程,较非相干通信有效提高了频谱效率,较一定信噪比下的相干通信提高了鲁棒性,降低了误比特率和系统复杂度,并利用元学习算法降低深度学习算法对训练数据的依赖。最后,提取海试信道数据,完成OFDM半相干水声通信系统仿真,验证了所提方法在频谱效率和系统误比特率性能方面较非相干和相干通信的优势,当信道长度改变时,基于元学习的算法依然可以获得较好的性能。

OFDM叠加导频联合信道估计和检测方法

针对现有正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统信道估计和迭代检测算法中频谱效率低和鲁棒性差等问题,提出了一种基于酉近似消息传递和叠加导频的信道估计与联合检测方法。首先,在软调制/解调中叠加导频对正交幅度调制的星座点进行预处理,检测时将叠加的导频作为频域符号的先验分布,利用置信传播算法进行调制和解调,实现检测模型的简化。然后,应用因子图-消息传递算法对OFDM传输系统和信道进行建模和全局优化,引入酉变换加强信道估计算法的鲁棒性。最后,建立OFDM仿真环境对现有方法进行仿真分析。仿真结果表明,相对于现有的独立导频类算法,所提算法能够以相同复杂度显著提升OFDM系统的频谱效率和鲁棒性。

基于数据失真的雷达通信一体化OFDM波形设计方法

正交频分复用(OFDM)波形设计是实现雷达通信一体化的物理层关键技术之一。OFDM波形通常存在峰均功率比(PAPR)高,以及波形自相关旁瓣电平高的问题。该文针对现有联合降低PAPR和自相关旁瓣方法存在的通信速率下降问题,提出了一种基于数据失真的一体化波形设计方法。该文还将通信数据的误差矢量幅度作为优化目标之一,降低了数据失真引起的通信误码率。首先,构建了PAPR约束下最小化积分旁瓣比和误差矢量幅度的优化模型。其次,根据调制星座图特点,通过外围星座调制的数据失真和所有调制数据失真,将多目标高维非凸优化问题转化为两个单目标优化子问题,分别采取凸松弛操作和交替方向乘子法(ADMM)求解简化后的子问题,得到低积分旁瓣比波形和PAPR约束下的低误差矢量幅度波形。仿真结果表明该方法设计的一体化波形可满足PAPR要求,同时具有良好的感知和通信性能。

高阶调制下物理层网络编码与OFDM联合设计

物理层网络编码(Physical-layer Network Coding,PNC)因其可以在中继通信中大幅提高吞吐量而备受关注。为了进一步提高传输效率,减少多径的影响,在三节点双向无线PNC系统中引入16QAM-OFDM高阶调制技术,设计了16QAMOFDM-PNC通信系统。由于采用16QAM-OFDM高阶调制的PNC系统存在中继映射模糊的问题,对16QAM信号的星座点重新布局,设计出相应的中继解调映射规则。为了进一步提高系统性能,在该设计中引入低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC),设计了相应的译码映射算法。最后实验表明,上述设计相较于16QAM-PNC系统具有更好的系统性能,同时联合LDPC编码的设计能提高系统增益约2dB。

基于OFDM系统中双相位共轭孪生波的仿真研究

【目的】文章进行仿真研究实验的目的是提高正交频分复用(OFDM)—波分复用(WDM)光纤通信系统的性能,为此提出了正交分组子载波幅度整形(QGSAS)双相位共轭孪生波(dual-PCTW)方案以抑制该类系统的非线性效应,并搭建多种不同条件下的仿真系统以探究该方案的性能。【方法】具体的实验方法为:利用Matlab和Optisystem两种软件混合编程,在16和64进制正交幅度调制(QAM)格式下,选取两种QGSAS方案(正弦幅度整形和矩形幅度整形),搭建了3种维度(偏振域、子载波域和时域)的QGSAS dual-PCTW OFDM系统,共涉及12种组合形式。【结果】通过仿真分析不同方案下的系统误码率,结果表明:QGSAS dual-PCTW方案可有效提高系统对非线性效应的容忍度;在讨论的几种组合方案中,16QAM下时域方案的dual-PCTW技术对系统有最佳的性能改善;应用QGSAS技术时,矩形幅度整形方案性能优于正弦幅度整形方案。【结论】因此可以得到结论:在文章所提方案中,矩形幅度整形方案结合16QAM下的时域方案dual-PCTW技术,可以最有效地抑制OFDM-WDM系统的非线性效应。

移动条件下基于容积卡尔曼滤波的短波OFDM信道估计

针对移动短波通信场景下短波信道出现的时变性使得正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统不能精确估计信道状态信息导致通信质量下降的问题,提出了一种基于容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)的信道估计方法。该方法基于球面径向积分准则,可更好地追踪信道的变化,提升信道估计的精度。建立了基于信道频域响应的非线性状态空间方程,并用容积卡尔曼滤波对每帧符号的信道频域响应进行估计。系统仿真结果表明,在静态短波通信场景到720 km/h的移动短波通信场景中,所提算法对信道有着更精确的估计精度,也可以有效抵抗多径时延所带来的影响。因此,所提算法更适用于移动短波通信场景。

一种模型驱动的深度学习OFDM接收机

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)接收机解调精度低和计算复杂度高的问题,采用深度学习方法构建了一种新的模型驱动的接收机模型,称为FBLTNet(Fully Connected,Bi-LSTM and Transformer-encoder Neural Network)。该模型分为信道估计和信号检测两个部分,其中信道估计以全连接神经网络(Fully Connected Deep Neural Network,FCDNN)替代线性插值,信号检测则使用深度自注意力网络编码器Transformer-encoder和双向长短期记忆网络(Bidirectional Long-Short Term Memory,Bi-LSTM)的组合网络,实现信号的解调和比特流的恢复。在瑞利衰落信道下测试了不同调制方式的接收机性能,结果表明FBLTNet与基于深度学习的接收机以及传统接收机相比,误比特率性能得到了显著的改善;与数据驱动的无线接收机算法相比,线下训练模型收敛时间和测试时间分别减少了33.0%和25%,网络结构参数减少了29.5%。

OFDM系统PAPR和OOB辐射联合抑制算法研究

正交频分复用(OFDM)技术具有频谱效率高和抗多径衰落能力强的优点,但存在高峰值平均功率比(PAPR)和高带外(OOB)辐射的固有缺点。部分PAPR抑制算法会导致OOB辐射升高,因此需要一种联合抑制OFDM系统的PAPR和OOB辐射的算法。本文提出了一种新的结合线性压扩和简化限幅滤波的混合式PAPR和OOB辐射联合抑制算法,该算法采用连续分段线性压扩(CPLC)算法抑制信号PAPR,并对压扩后的信号进行频域滤波;然后采用简化限幅滤波(SCF)算法降低频域滤波导致的峰值再生,保证信号的OOB辐射不再升高。接收端采用迭代接收算法提高系统的误码率性能。仿真结果表明,与CPLC、SCF方案相比,所提算法可以达到更好的PAPR和OOB辐射联合抑制性能,同时通过迭代接收算法获得与原始信号相近的误码率(BER)性能。

基于GNURadio与USRP的OFDM无线通信系统实验

针对目前无线通信课程内容侧重讲述基本理论推导,相关实验多关注模块功能仿真,缺乏系统性和真实场景的问题,提出了以GNURadio软件和通用软件无线电外设(USRP)硬件平台为基础的正交频分复用(OFDM)无线通信系统实验。该实验内容包括掌握OFDM的基本原理、搭建OFDM收发系统、分析相关通信性能和完成硬件系统,最后在实际无线通信场景中完成测试,实现实时视频传输。通过软件系统和硬件平台的协同,学生能充分了解无线通信的基本原理、各通信模块的使用、无线通信系统的架构以及相关的性能分析方法,完成从理论基础到工程应用、从模块验证到系统实现、从理想环境仿真到实际场景测试的跨越,从而全面提升工程素养。

基于月面LTE基站OFDM测距的巡视器定位

针对目前的月面定位技术中成本高、观测时间长以及缺少可用定位信息的问题,开展了基于长期演进(LTE)基站的月面定位技术的研究,并引入了LTE技术,通过在月面布设基站为月面巡视器的实时定位提供了可行基础。提出了一种基于因子图优化的月面定位方法,通过融合月面基站的正交频分复用(OFDM)测距信息和巡视器自身的惯性导航信息,利用有限的月面基础设施,在较低成本的硬件条件下实现了月面巡视器的准确定位。仿真实验结果显示,该月面定位方法具有良好的准确性和鲁棒性。

基于FPGA的OFDM接收机处理数据高速传输系统

根据正交频分复用(OFDM)接收机处理数据的高速传输需求,设计一种基于FPGA万兆以太网的高速传输系统。系统对子带、窄带和频谱子信道数据进行处理和储存,按照规定的自定义协议将数据组包,采用UDP/IP协议栈对数据包网络数据打包,通过万兆光口传输至服务器。测试结果表明,该方案能够通过指定的协议高速实时地将多种信道化数据传输至服务器,实时传输速率高达5.7千兆字节/秒。该系统稳定性高、数据实时性高、控制时序精确,适合作为OFDM接收机处理数据的传输系统。