CN101453257A

CN101453257A - 一种多载波调制中差分空时发射分集及实现方法

Info

Publication number: CN101453257A
Application number: CNA2007101786079A
Authority: CN
Inventors: 李继龙; 施玉海; 杨明
Original assignee: Academy of Broadcasting Science of SAPPRFT
Current assignee: Academy of Broadcasting Science Research Institute; Academy of Broadcasting Science of SAPPRFT
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-10

Abstract

本发明提供一种多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法，其中，该实现方法包括下列步骤：步骤A：通过差分空时编码器，将调制信号进行差分Alamouti编码后输出到两路；步骤B：步骤A中的其中一路信号经过OFDM调制器后，经过循环前缀***器，经天线发送；另外一路编码信号经过另一组OFDM调制器后，发送至延时δ单元，将信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至所述循环前缀***器***循环前缀后，经天线发送。本发明能在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

Description

一种多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法

技术领域

本发明涉及通信及广播传输技术领域，特别涉及一种多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法。

背景技术

在多载波***中，空时分组码(Space Time Block Code，STBC)和循环延迟分集是两种有效的分集方法。由于无线信道的衰落效应是实现高数据率可靠无线数据传输的最大障碍，而空时编码结合了多天线的分集增益和信道编码的编码增益，从而可以在不降低数据传输率的前提下，有效的对抗衰落效应，实现可靠传输。空时编码已经被第三代合作伙伴计划(3rd GenerationPartnership Project，3GPP)采纳。目前关于空时编码的大部分研究都假设接收机可以获得精确的衰落系数，然而，当衰落系数变化较快时，例如移动台在高速运动中，信道估计的代价会变得很大甚至不可能。

差分空时码可以在发射机和接收机都不知道信道衰落系数的条件下，利用多根发射天线和接收天线进行分集发射和接收。差分方案已经在通信***中得到广泛应用。在单发射天线中使用差分解调方案(例如差分相移键控DPSK)，可以不用作信道估计。差分调制方案中信道的响应在两个采样时间之间看成是大致恒定的，差分调制将信息利用相邻信号之间相位差来进行传送。接收端通过将当前符号和前一个符号之间的相位进行比较来进行解调。

Alamouti方案是能够提供完全发射分集增益的一种空时分组码，循环延迟分集也能够提供全分集。Alamouti分集在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空域二维信息，在获得分集增益的同时也可以获得编码增益。循环延迟分集实质是将多天线的空间独立衰落，通过延迟发送的方式，转换为等效的信道的频率分集。

Alamouti方案是一种简单的空时分组码，通过最大似然译码算法实现充分的分集增益，两个天线的方案具有全速率、全分集、简单的线性解码算法的特点。在Alamouti两天线的空时编码中，取两个调制符号x₁和x₂为一个分组，根据如下编码将其输入到发射天线：

X = [\begin{matrix} x_{1} & {- x}_{2}^{*} \\ x_{2} & x_{1}^{*} \end{matrix}]

编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。第一个发射周期中，信号x₁和x₂同时从天线1和天线2分别发射。在第二个周期中，信号

和

分别发射。

接收端采用一根接收天线为例，在t时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信道系数分别用h₁(t)和h₂(t)表示，假设衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变。

两个连续符号周期中的接收信号可以表示为

r₁＝h₁x₁+x₂x₂+n₁

r_{2} = - h_{1} x_{2}^{*} + h_{2} x_{1}^{*} + n_{2}

最大似然译码的判决统计结果可以表示为

{\tilde{x}}_{2} = ({| h_{1} |}^{2} + {| h_{2} |}^{2}) x_{2} - h_{1} n_{2}^{*} + h_{2}^{*} n_{1}

{\tilde{x}}_{2} = ({| h_{1} |}^{2} + {| h_{2} |}^{2}) x_{2} - h_{1} n_{2}^{*} + h_{2}^{*} n_{1}

如图1所示，为Alamouti空时码的编译码原理图。发送数据经过调制器101后，分别在第一个时间间隔和第二个时间间隔生成调制信号x₁和x₂，经过Alamouti编码器102后生成两个时间间隔内的编码符号，

[\begin{matrix} x_{1} & {- x}_{2}^{*} \\ x_{2} & x_{1}^{*} \end{matrix}]

分别经过天线103和104发送，两个天线的发送信号经过不同的传输信道，被接收天线105接收。

简单双天线发送分集方案的实现依赖于准确的信道估计，估计误差的存在，会导致误码平底的出现。尤其当移动用户高速运动时，***性能会急剧下降。因为由于用户的高速移动，其所经历的信道也相应发生急剧变化，通过估计运算捕获的信道参数往往很快就会失效。为了解决这个问题，Vahid Tarokh等人在2000年提出了差分形式的发送分集方案。

这里介绍差分Alamouti编码与译码过程。首先发送两个参考调制信号x₁和x₂，这两次传输不携带数据信息。然后，发射机用差分模式对数据序列编码，并按照如下的方式进行发送。

假设时间2t-1分别从发射天线1和2发送信号x_2t-1和x_2t，在时间2t分别从发射天线1和2发送信号

和

。在时间2t+1时，一组2m个信息比特到达编码器，这些信息比特用于选择两个复系数R₁和R₂。然后根据先前发射的信号和选定的复系数，计算后续的传输调制信号

(x_{2 t + 1}, x_{2 t + 2}) = R_{1} (x_{2 t - 1}, x_{2 t}) + R_{2} ({- x}_{2 t}^{*}, x_{2 t - 1}^{*})

在接收端，时间2t-1、2t、2t+1、2t+2时的接收信号分别表示为

r_2t-1＝h₁x_2t-1+h₂x_2t+n_2t-1

r_{2 t} = {- h}_{1} x_{2 t}^{*} + h_{2} x_{2 t - 1}^{*} + n_{2 t}

r_2t+1＝h₁x_2t+1+h₂x_2t+2+n_2t+1

r_{2 t + 2} = {- h}_{1} x_{2 t + 2}^{*} + h_{2} x_{2 t + 1}^{*} + n_{2 t + 2}

判决统计信号为：

{\tilde{R}}_{1} = (r_{2 t + 1}, r_{2 t + 2}^{*}) (r_{2 t - 1}, r_{2 t}^{*})

= ({| h_{1} |}^{2} + {| h_{2} |}^{2}) R_{1} + {\tilde{N}}_{1}

{\tilde{R}}_{2} = (r_{2 t + 1}, r_{2 t + 2}^{*}) (r_{2 t}, {- r}_{2 t - 1}^{*})

= ({| h_{1} |}^{2} + {| h_{2} |}^{2}) R_{2} + {\tilde{N}}_{2}

其中，

{\tilde{N}}_{1} = (x_{2 t + 1}, x_{2 t + 2}) {HN}_{2 t - 1}^{H} + N_{2 t + 1} H^{H} {(x_{2 t - 1}, x_{2 t})}^{H} + N_{2 t + 1} N_{2 t - 1}^{H}

{\tilde{N}}_{2} = (x_{2 t + 1}, x_{2 t + 2}) {HN}_{2 t}^{H} + N_{2 t + 1} H^{H} {(- x_{2 t}^{*}, x_{2 t - 1}^{*})}^{H} + N_{2 t + 1} N_{2 t}^{H}

最后，通过逆映射对发射的比特数组进行译码。

如图2所示，为差分STBC编码器原理图，信息比特经过映射编码器201，生成两个复系数R₁和R₂，然后编码器202根据前两个时间间隔内的发射信号和复系数计算后两个时间间隔内传输的调制符号，上述差分调制符号再经过STBC编码器204生成发送符号。

如图3所示，为差分STBC译码器原理图，接收符号与经过延迟器302的前两个时间间隔符号经过统计计算器301得到映射符号的判决A200710178607D0006173338QIETU.GIF和A200710178607D0006173324QIETU.GIF该判决符号经过最大比译码器303得到映射符号的估值，随后经逆映射译码器304得到输出比特。

延迟发射分集是一种不同于空时编码发射分集的方式，在延迟发射分集中将需要发送的信息从某根发射天线上发送出去后，在延时一段时间后再从其它发射天线上重复发送出去，此时信息不局限在一根发射天线上发送，从而获得分集增益。延时分集实际上是人为地将平坦信道变为多径频率选择性信道，以便在接收端获得路径分集增益。

在OFDM***中采用延迟发射分集，如果延迟时间过长会导致符号间的干扰，为了避免这种干扰，最大的延迟应小于保护间隔，而采用循环延迟分集(CDD，Cyclic Delay Diversity)可以克服这个限制。循环延迟分集中波形信号经过循环移位，分别加入循环前缀后通过多幅天线分集发射。由于循环延迟分集中是先循环移位，后加入循环前缀，各个天线的符号之间不存在重叠，不会引起符号间的干扰。

如图4所示，为OFDM中循环延迟发射分集的发射机结构图。编码器401对输入数据序列进行编码，并将已编码序列输出到数字调制器402，得到调制符号，串/并变换器403将调制符号序列划分为N个抽样数据，并且将所划分的抽样数据并行输出到OFDM调制器404，经过OFDM调制后输出OFDM抽样数据，经过并/串转换器405转换为并行数据，输出该并行数据。循环前缀***器410复制来自OFDM抽样数据的G个最后OFDM数据抽样，在OFDM符号之前***所复制的数据抽样最为保护间隔。包括保护间隔的OFDM符号称为OFDM传输符号。天线单元411发射OFDM传输符号。天线单元431、441发射经过延迟器420、421、422的延迟OFDM传输符号。

综上所述，上述两种方案都存在各自的缺点，其中，Alamouti方案没有利用到信道的频率分集，而延迟分集方案在信道恶劣的情况下存在增益较低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多载波调制***中差分空时发射分集***，能够在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

本发明的另一目的在于，提供一种多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，能够在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

本发明的多载波调制***中差分空时发射分集***，包括发射机和接收机，其中，所述发射机包括差分空时编码器、两组OFDM调制器、循环前缀***器以及天线，并且在其中一组OFDM调制器与循环前缀***器之间设置有延时δ单元，其中，所述差分空时编码器，用于完成调制信号的差分Alamouti编码，编码后信号输出到两路，其中一路信号经过OFDM调制器后，经过循环前缀***器，经天线发送；另外一路编码信号经过另一组OFDM调制器后，发送至延时δ单元；所述延时δ单元，用于将所述OFDM调制器发送来的信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至所述循环前缀***器***循环前缀后，经天线发送。

其中，所述接收机通过其天线接收来自多个天线的发射分集信号。

其中，所述接收机可以包括OFDM解调器、差分空时译码器组、并/串变换器、数字调制器、解交织器和纠错译码器，其中，所述OFDM解调器，用于将所述天线接收到的信号进行解调后，将输出的并行信号发送至差分空时译码器组；所述差分空时译码器组，用于将OFDM解调器发送来的信号进行空时译码后发送至所述并/串变换器；所述并/串变换器，用于将所述差分空时译码器组发送来的空时译码后的信号进行并/串转换后输出到数字调制器；所述数字调制器，用于将信号进行数字调制后发送至解交织器，再经过纠错译码器得到恢复数据。

本发明的多载波调制***中差分空时发射分集***，其中，所述差分空时编码器可以为差分空时编码器组，所述发射机可以进一步设置有纠错编码器、时间交织器、数字调制器、串/并变换器，其中，所述纠错编码器，用于将数据进行纠错编码后发送至所述时间交织器；所述时间交织器，用于将所述纠错编码器发送来的数据进行时间交织后发送至数字调制器，进行数字调制，然后调制信号通过串/并变换器进行串/并变换后发送至差分空时编码器组。

本发明的多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，包括下列步骤：

步骤A：通过差分空时编码器，将调制信号进行差分Alamouti编码后输出到两路；

步骤B：步骤A中的其中一路信号经过OFDM调制器后，经过循环前缀***器，经天线发送；另外一路编码信号经过另一组OFDM调制器后，发送至延时δ单元，将信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至所述循环前缀***器***循环前缀后，经天线发送。

其中，可以进一步包括下列步骤：

步骤C：通过接收机的天线接收来自多个天线的发射分集信号。

其中，所述步骤C进一步包括下列步骤：

步骤C1：所述接收机将所述天线接收到的信号进行OFDM解调后，将输出的并行信号发送至差分空时译码器组，进行空时译码；

步骤C2：经空时译码后的信号再经并/串变换器进行并/串转换后输出到数字调制器进行数字调制；

步骤C3：经数字调制后的信号再经过纠错译码器得到恢复数据。

此外，在所述步骤A之前可以进一步包括下列步骤：

步骤A’：将数据进行纠错编码后发送至时间交织器进行时间交织后发送至数字调制器，进行数字调制，然后调制信号通过串/并变换器进行串/并变换后发送至差分空时编码器进行差分Alamouti编码。

本发明的有益效果是：依照本发明的一种多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法，充分利用了两种分集方式的优势，将差分空时码和循环延迟分集两种方案进行结合，该方案利用时域差分技术、正交空时编码以及CDD技术，具有频谱效率高、检测复杂度低并同时挖掘空间分集、时间分集和频率分集的优点，能在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

附图说明

图1为Alamouti空时码的编译码原理图；

图2为差分STBC编码器原理图；

图3为差分STBC译码器原理图；

图4为OFDM中循环延迟发射分集的发射机结构图；

图5为差分空时码和CDD分集相结合的原理框图；

图6为本发明实施例的发射机的结构示意图；

图7为本发明实施例的接收机的结构示意图；

图8为在农村地区信道环境采用本发明的方法的性能比较示意图；

图9为在典型城区信道环境采用本发明的方法的性能比较示意图。

具体实施方式

以下，参考附图5～9详细描述本发明的多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法。

在OFDM***中，空时分组码构造容易，译码简单。通过空时编码的正交设计，使***在全分集时提供了最大的发送速率，因而没有损失传送带宽；接收端获得最佳信噪比，可以用最简单的最大似然解码算法进行解码。差分编码检测技术可以在接收端不知道信道信息的条件下，完成非相干检测，获取***的空间和时间分集。差分空时分组码在同一频率的不同时隙发送调制信息，需在每个子载波上发送一个参考矩阵。该结构仅通过在时间域引入冗余获得了空间分集，没有充分挖掘***的分集潜力。另一方面，在OFDM***中使用循环延迟分集(CDD)，即在多根天线上发射相同信号的不同循环延迟副本，可以增加信道的频率选择性，挖掘***的频率分集增益，且具有简单的编解码结构。

其中，CDD分集利用的***的频率分集，而空时发射分集利用了信道的时间和空间分集，两种方法具有互补性。同时，在多径数较少的信道环境下CDD分集能够较好的提高***的性能，而在多径较复杂的信道中，由于此时信道是频率选择性的，此时CDD分集的作用有限，此时可以用空时编码充分利用信道的空时分集能力。

因此，本发明的核心思想是：充分利用两种分集方式的优势，将差分空时码和循环延迟分集相结合，利用时域差分技术、正交空时编码以及CDD技术，具有频谱效率高、检测复杂度低并同时挖掘空间分集、时间分集和频率分集的优点，能在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

如图5所示，为差分空时码和CDD分集相结合的原理框图。本发明的多载波调制***中差分空时发射分集***，包括发射机和接收机，其中，发射机包括，差分空时编码器501、两组OFDM调制器(OFDM调制器511、521)、循环前缀***器(循环前缀***器512、523)以及天线513、524，并且在其中一组OFDM调制器521与循环前缀***器523之间设置有延时δ单元522。

其中，差分空时编码器501，用于完成调制信号的差分Alamouti编码，编码后信号输出到两路，其中一路信号经过OFDM调制器511后，经过循环前缀***器512，经天线513发送；另外一路编码信号经过OFDM调制器521后，经过循环延迟器522，然后经循环前缀***器523，经天线524发送。延时δ单元522，用于将OFDM调制器521发送来的信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至循环前缀***器523。

下面将参考附图详细地描述本发明的示范性实施例。如图6所示为本发明实施例的发射机的结构示意图，图7为本发明实施例的接收机的结构示意图。

如图6所示，数据首先经过纠错编码器601，然后经过时间交织器602，经过数字调制器603调制为调制信号，调制信号经过串/并变换器604成为并行信号，并行调制信号经过差分空时编码器组605将各信号编码为空时信号。差分空时编码器组输出两路并行信号，其中一路经过经OFDM调制器611，随后经过循环前缀***器612，完成OFDM的调制，输出到天线613发送。差分空时编码器组605输出的另外一路并行信号经过OFDM调制器621后，再经过循环延迟器622，循环延迟后的信号再经循环前缀***器623***循环前缀，经天线624发送出去。

如图7所示，天线701接收来自多个天线的发射分集信号，经过OFDM解调器702，输出的并行信号经过差分空时译码器组703，经过空时译码的信号经并/串变换器704后输出到数字调制器705，输出的数据经过解交织器706，再经过纠错译码器707得到恢复数据。

步骤100：通过差分空时编码器，将调制信号进行差分Alamouti编码后输出到两路；

步骤200：步骤100中的其中一路信号经过OFDM调制器后，经过循环前缀***器，经天线发送；另外一路编码信号经过另一组OFDM调制器后，发送至延时δ单元，将信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至所述循环前缀***器***循环前缀后，经天线发送。

其中，本发明的多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，进一步包括下列步骤：

其中，步骤C进一步包括下列步骤：

步骤C3：经数字调制后的数据再经过纠错译码器得到恢复数据。

此外，在所述步骤A之前进一步包括下列步骤：

图8和图9示出了没有采用发射分集的算法、采用了循环延迟分集的算法、采用了差分Alamouti发射分集算法和采用本发明提出算法的性能比较的示意图。信道性能表示根据信噪比(SNR)的误码率(BER)性能，这里针对农村地区和典型城区的信道环境分别进行了仿真分析。实施参数见下表：

表1

***带宽	1.536MHz
***带宽	1.536MHz	可用子载波	1536
符号持续时间(含循环前缀时间)	1246us	可用子载波	1536
符号持续时间(含循环前缀时间)	1246us	调制方式	QPSK
信道编码译码方式	1/2卷积编码，Viterbi译码	调制方式	QPSK
信道编码译码方式	1/2卷积编码，Viterbi译码	***同步	理想
快衰信道模型	COST207农村地区6径，典型城区III6径	***同步	理想
快衰信道模型	COST207农村地区6径，典型城区III6径	多普勒频移	25Hz

综上所述，依照本发明的多载波调制***中差分空时发射分集***及实现方法，充分利用了两种分集方式的优势，将差分空时码和循环延迟分集两种方案进行结合，该方案利用时域差分技术、正交空时编码以及CDD技术，具有频谱效率高、检测复杂度低并同时挖掘空间分集、时间分集和频率分集的优点，能在保证传输速率的前提下获得较高的空时分集增益，有效改善***性能。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种多载波调制***中差分空时发射分集***，包括发射机和接收机，其特征在于，所述发射机包括差分空时编码器、两组OFDM调制器、循环前缀***器以及天线，并且在其中一组OFDM调制器与循环前缀***器之间设置有延时δ单元，其中，

所述差分空时编码器，用于完成调制信号的差分Alamouti编码，编码后信号输出到两路，其中一路信号经过OFDM调制器后，经过循环前缀***器，经天线发送；另外一路编码信号经过另一组OFDM调制器后，发送至延时δ单元；

所述延时δ单元，用于将所述OFDM调制器发送来的信号进行延时时间为δ的循环延时后，发送至所述循环前缀***器***循环前缀后，经天线发送。

2.如权利要求1所述的多载波调制***中差分空时发射分集***，其特征在于，所述接收机通过其天线接收来自多个天线的发射分集信号。

3.如权利要求2所述的多载波调制***中差分空时发射分集***，其特征在于，所述接收机包括OFDM解调器、差分空时译码器组、并/串变换器、数字调制器、解交织器和纠错译码器，其中，

所述OFDM解调器，用于将所述天线接收到的信号进行解调后，将输出的并行信号发送至差分空时译码器组；

所述差分空时译码器组，用于将OFDM解调器发送来的信号进行空时译码后发送至所述并/串变换器；

所述并/串变换器，用于将所述差分空时译码器组发送来的空时译码后的信号进行并/串转换后输出到数字调制器；

所述数字调制器，用于将信号进行数字调制后发送至解交织器，再经过纠错译码器得到恢复数据。

4.如权利要求1至3中任一项所述的多载波调制***中差分空时发射分集***，其特征在于，所述差分空时编码器为差分空时编码器组，所述发射机进一步设置有纠错编码器、时间交织器、数字调制器、串/并变换器，其中，

所述纠错编码器，用于将数据进行纠错编码后发送至所述时间交织器；

所述时间交织器，用于将所述纠错编码器发送来的数据进行时间交织后发送至数字调制器，进行数字调制，然后通过串/并变换器进行串/并变换后发送至差分空时编码器组。

5.一种多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，其特征在于，包括下列步骤：

6.如权利要求5所述的多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：

7.如权利要求6所述的多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括下列步骤：

8.如权利要求5至7所述的多载波调制***中差分空时发射分集实现方法，其特征在于，在所述步骤A之前进一步包括下列步骤：

步骤A’：将信号进行纠错编码后发送至时间交织器进行时间交织后发送至数字调制器，进行数字调制，然后通过串/并变换器进行串/并变换后发送至差分空时编码器进行差分Alamouti编码。