一种数字信号处理系统中抑制吉布斯效应的方法与流程

1.本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种数字信号处理系统中抑制吉布斯效应的方法。


背景技术：

2.基于离散傅里叶变换（dft）的数字信号处理方法在当代有广泛的应用，例如以4g（4th generation mobile communication technology，第4代移动通信技术）、5g（5th generation mobile communication technology，第5代移动通信技术）为代表的当代无线通信技术广泛使用基于dft运算的信道估计算法（又称为变换域信道估计算法），具体方法为在ofdm（orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用技术）符号导频子载波位置提取导频接收信号，对做导频接收信号做ls（least square，最小二乘）信道估计，通过反离散傅里叶变换（idft）将ls信道估计结果变换到时域，得到时域信道响应系数，对时域信道响应系数完成降噪与不同端口（port）导频时域信道响应系数的分离，得到降噪后的时域信道响应系数，再通过dft将降噪后的时域信道响应系数转换到频域获得降噪后的频域信道估计结果。
3.在基于dft的信号处理算法中，如果输入信号首尾不连续（周期延拓后为非连续信号）那么通过dft运算转换到变换域后会产生大量高阶成分并与噪声相互叠加无法区分，在信号处理过程中如果这些高阶成分被当做噪声被删除或抑制那么会在原信号的首尾边界处产生震荡畸变，这种现象被称为吉布斯效应。吉布斯效应会使数字信号处理算法性能受到明显影响。
4.华为技术有限公司cn101155157a号专利公开了一种变换域信道估计方法，其中包含了一种抑制吉布斯效应的方法，该发明在频域首尾位置将降噪后的频域信道估计结果替换为ls信道估计结果，相同的方案也在北京北方烽火科技有限公司cn104935534a号专利中使用。该方法并没有抑制吉布斯效应的产生，而是将产生畸变震荡位置的信号替换为输入信号，存在以下问题：1，如果输入信号质量较差，那么系统性能有较大损失；2，由于无法预估吉布斯震荡影响的区域，所以往往需要替换的范围较大，这进一步加重了对系统性能的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字信号处理系统中抑制吉布斯效应的方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种数字信号处理系统中抑制吉布斯效应的方法，包括以下步骤：步骤1：将输入信号的首部和尾部进行延展获得首尾延展后的输入信号；所述延展为：设计首部与尾部延展信号，然后分别添加至输入信号的首部与尾部；
步骤2：设计与延展后的输入信号的序列长度相同的延展频域滚降窗；所述延展频域滚降窗应具有以下特点：a，中部幅度高，两端幅度低；b，第一个与最后一个样点的幅度等于或接近于零；步骤3：将延展后的输入信号与延展频域滚降窗点乘获得延展滚降后的输入信号；步骤4：通过反离散傅里叶变换将延展滚降后的输入信号转换到变换域，得到变换域信号；步骤5：对变换域信号进行降噪处理得到降噪后的变换域信号；步骤6：对降噪后的变换域信号进行离散傅里叶变换运算，得到降噪后的延展滚降信号；步骤7：在降噪后的延展滚降信号中移除延展信号对应的部分，得到降噪后的滚降信号；步骤8：降噪后的滚降信号点除延展频域滚降窗中对应位置的样点，得到降噪后的输出信号。
7.进一步的，所述首部与尾部延展信号的设计需要考虑与输入信号的平滑衔接。
8.进一步的，所述延展包括将输入信号的第一个样点复制l
ext
个作为首部延展信号，将输入信号的最后一个样点复制l
ext
个作为尾部延展信号，其中lext为延展信号的个数。
9.进一步的，所述延展频域滚降窗具体可设计为梯形窗，前lext个样点的数值从0等间隔递增到1，最后lext个样点的数值从1等间隔递减至0，其余样点为1。
10.进一步的，所述l
ext
大小的配置需要与延展频域滚降窗的设计配合，所述配合具体为：若延展频域滚降窗的滚降速度快，即滚将斜率倾斜角大于等于60度，则l
ext
可较小；若延展频域滚降窗的滚降速度慢，即滚将斜率倾斜角小于60度，则l
ext
应配置为相对较大数值。
11.进一步的，所述步骤8之后还包括步骤首尾信号替换，所述首尾信号替换具体为：将降噪后的输出信号首尾各个样点替换为相应位置的输入信号。
12.本发明的有益效果：1）本发明在加窗处理时可以将任意输入信息转化为首尾连续信号，加窗后信号两端为0，所以周期延拓后为连续信号；这从根本上抑制了吉布斯效应；2）本发明通过首尾延展操作降低了在移除滚降窗时的残余噪声放大效应，在滚降窗幅度较小的位置处，移除滚降窗处理会将残余噪声放；综上，本发明可有效抑制基于dft的降噪算法中的吉布斯效应，显著提升数字信号处理系统整体性能。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
14.图1是本发明的方法流程图。
15.图2是实施例中的性能仿真结果图。
具体实施方式
16.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本实施例中，如图1所示，一种数字信号处理系统中抑制吉布斯效应的方法，包括以下步骤：（1）首尾延展：将输入信号首尾进行延展获得延展后的输入信号，延展的方法为设计首部与尾部延展信号，然后分别添加至输入信号的首部与尾部。首部与尾部延展信号的设计需要考虑与输入信号的平滑衔接（延展信号与原信号进行拼接后在变换域产生的高阶分量能量较小（高阶成分能量小于原信号总能量的1%）），具体的延展信号设计方法本文不做约束。
19.一个方法实例是：将输入信号的第一个样点复制l
ext
个作为首部延展信号；将输入信号的最后一个样点复制l
ext
个作为尾部延展信号，其中l
ext
为延展信号的个数。
20.l
ext
的配置需要与后续延展频域滚降窗的设计配合，如果后者滚降速度快（滚将斜率大于等于60度）则l
ext
可较小；反之，l
ext
应配置为相对较大数值，具体最优配置可从仿真中评估获得；中评估获得；其中，k表示输入信号样点索引；表示输入信号（ls信道估计结果）；r表示基站天线索引；p表示导频port索引；n表示导频序列长度；表示输入信号的第一样点；表示输入信号的最后一个样点；表示首部延展信号；表示尾部延展信号，两者长度均为l
ext
；表示延展后的输入信号。
21.（2）设计延展频域滚降窗：延展频域滚降窗是一个实数或者复数序列，序列的长度
与延展后的输入信号相同。延展频域滚降窗有2个特征：第一，中部幅度高，两端幅度低；第二，第一个与最后一个样点的幅度等于或接近于零。
22.一个延展频域滚降窗实例是梯形窗：前l
ext
个样点的数值从0等间隔递增到1，最后l
ext
个样点的数值从1等间隔递减至0，其余样点为1。本文对具体的延展频域滚降窗设计方法不做约束。
23.当然延展频域滚降窗还可以是圆弧形窗、椭圆形窗等等，只要满足上述特征即可。
24.（3）加窗处理：延展后的输入信号与延展频域滚降窗点乘获得延展滚降后的输入信号；其中，wf表示延展频域滚降窗；表示延展后的输入信号，表示加窗后的输入信号；其中，wf表示为l
ext
表示频域外推长度。
25.（4）变换域运算：通过idft将延展滚降后的输入信号转换到变换域，得到变换域信号；其中，表示变换域信号，idft（）表示反离散傅里叶变换。
26.（5）变换域降噪：对变换域信号进行降噪处理得到降噪后的变换域信号；其中，β表示变换域降噪门限。
27.（6）反变换域运算：对降噪后的变换域信号进行dft运算，得到降噪后的延展滚降信号；其中，表示降噪后的延展滚降信号；dft（）表示离散傅里叶变换运算。
28.（7）移除延展信号：在降噪后的延展滚降信号中移除延展信号对应的部分，得到降噪后的滚降信号；（8）移除滚降窗：具体方法为降噪后的滚降信号点除延展频域滚降窗中对应位置的样点（即移除延展信号位置后剩余的样点），得到降噪后的输出信号；（9）首尾信号替换：将降噪后的输出信号首尾各l
sub
个样点替换为相应位置的输入信号（该步骤非必须）。
29.在本实施例中，我们对该发明进行了性能仿真实验，其结果如图2所示，该仿真中l
sub
=0，可见本发明可有效抑制吉布斯效应，显著提升变换域信道估计精度。
30.本发明真正地抑制了吉布斯效应的产生，降噪后的输出信号首尾位置畸变震荡显著降低，不需要进行信号替换（或只需要进行少量替换，具体取决于场景需求），这样可更好地实现降噪效果，提升系统性能：本发明在步骤（3）中加窗操作可以将任意输入信号转化为首尾连续信号（加窗后信号两端为0，所以周期延拓后为连续信号），这从根本上抑制了吉布斯效应；本发明在步骤（1）中的延展操作可降低步骤（8）的残余噪声放大效应（在滚降窗幅度较小的位置处，移除滚降窗处理会将残余噪声放大）；综合以上2点，本发明可有效抑制基于dft的降噪算法中的吉布斯效应，显著提升数字信号处理系统整体性能。
31.需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本技术所必须的。
32.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
33.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、rom、ram等。
34.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。