CN103581096B - Ofdm调制解调方法及数字信号发射、接收*** - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种包含时域训练序列的OFDM调制解调方法及数字信号发射、接收***,其原理为将输入数据符号以N个为一组分组进行时域变换,其中N为OFDM符号的子载波个数;构建每组输入数据符号的循环前缀,将输入数据符号扩展到长度为N+P的时域数据,其中P为循环前缀的长度;对每组时域数据生成长度为P的时域训练序列,以及该时域训练序列的取反序列;将该时域训练序列以及时域训练序列的取反序列叠加到每组时域数据上,得到基带时域符号。采用了本发明的技术方案,可以降低重构CP‑OFDM符号的复杂度,减小重构带来的噪声,提高信道估计的性能,从而对使用本发明调制解调方法的数字信号发射、接收***能有更好的抗噪声能力。
Description
技术领域
本发明涉及通信***中的调制解调方法及使用该调制解调方法的***,更具体地说,涉及一种基于多载波的包含时域训练序列的OFDM调制解调方法,以及使用该调制解调方法的数字信号发射、接收***。
背景技术
CP-OFDM技术在现代通信***中已广泛使用。而与之不同的TDS-OFDM***,如DTMB的多载波模式,则在OFDM符号之间***时域训练序列,利用时域训练序列完成接收端的同步与信道估计等功能。TDS-OFDM技术有效地提高了频率资源利用率。然而,由于不使用循环前缀,TDS-OFDM***在恢复频域的数据时必须重构CP-OFDM符号。而在重构的过程中,也必然会引入相于CP-OFDM更多的噪声。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种包含时域训练序列的OFDM调制解调方法及数字信号发射、接收***,有效地结合了CP-OFDM与TDS-OFDM,改进现有的数字信号发射、接收***的结构。
依据上述目的,实施本发明的包含时域训练序列的OFDM调制方法,包括以下步骤:步骤一,将输入数据符号以N个为一组分组进行时域变换,其中N为OFDM符号的子载波个数;步骤二,构建每组输入数据符号的循环前缀,将输入数据符号扩展到长度为N+P的时域数据,其中P为循环前缀的长度;步骤三,对每组时域数据生成长度为P的时域训练序列,以及该时域训练序列的取反序列;步骤四,将该时域训练序列以及时域训练序列的取反序列叠加到每组时域数据上,得到基带时域符号。
依据上述主要特征,步骤四将该时域训练序列和时域训练序列的取反序列的其中之一叠加到时域数据的前P个数据上,将另一个叠加到时域数据的后P个数据上。
依据上述主要特征,经过步骤四的叠加得到的基带时域符号为:;其中k表示第k组时域数据,是时域的输入数据符号,是基带时域符号,是时域训练序列。
依据上述目的,实施本发明的包含时域训练序列的OFDM解调方法,包括同步、信道估计和均衡,同步步骤将基带数据组做变换,得到基带同步符号组经过信道响应的时域数据,其中每组基带同步符号的最后P个数据是不受干扰的2倍的时域训练序列;信道估计步骤利用不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;均衡步骤将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号。
依据上述主要特征,同步步骤将后接收到的基带数据减去先接收到的基带数据,消去循环前缀得到2倍的时域训练序列。
依据上述主要特征,该后接收到的基带数据减去先接收到的基带数据,得到的基带同步符号为:
;其中,k表示接收到的第k组基带数据,为基带时域符号,为基带同步符号,是时域的输入数据符号,为时域训练序列。本发明中对一组数据的第-n个数据均定义为上一组数据的倒数第n个,以后不再赘述。
依据上述主要特征,对于每组时域训练序列相同的基带数据,信道估计步骤对连续多组基带数据做平均,得到2P长度的序列做信道估计,其中该2P长度的序列包括一个时域训练序列和一个时域训练序列的取反序列。
依据上述主要特征,信道估计步骤对连续M组基带数据做平均,得到:;
其中, ;;其中,为平均后的基带数据,是时域的输入数据符号,是一组时域训练序列,是信道冲击响应。
依据上述主要特征,对于每组时域训练序列不同的基带数据,信道估计步骤利用该不受干扰的2倍的时域训练序列做信道估计。
依据上述主要特征,对于一组基带数据,均衡步骤将接收到的基带数据分解为;其中,是第k组基带数据,是经过信道冲击响应的训练序列或训练序列的取反序列,是信道冲击响应,是平均功率为的高斯白噪声;将经过信道冲击响应的时域训练序列和时域训练序列的取反序列从基带数据中减去,变换后得到基带时域符号。
依据上述目的,实施本发明的OFDM调制方法的数字信号发射***包括随机化单元、前向纠错编码单元、星座映射与交织单元、***信息生成单元、复用单元、CP-OFDM构建单元、时域训练序列叠加单元、帧头形成单元、组帧单元、基带后处理单元及正交上变频单元;其中,输入数据码流经过随机化单元用扰码进行加扰,之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码,然后进入星座映射与交织单元,形成符号流,并进行星座映射,之后进行交织,再与***信息经复用单元复用形成输入数据符号,进入CP-OFDM构建单元,再经过时域训练序列叠加单元,利用帧头作为时域训练序列叠加,形成帧体,之后帧体与帧头形成单元生成的帧头经过组帧单元复接为信号帧,经过基带后处理单元转换为输出信号,并经过正交上变频单元变频转换为射频信号。
依据上述目的,实施本发明的OFDM解调方法的数字信号接收***包括同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、解***信息单元、星座解映射与解交织单元、解编码单元;其中,同步单元将基带数据组做同步,得到基带同步符号组;信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号;解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到***信息与数据符号;解***信息单元根据***信息提取数据符号;星座解映射与解交织单元对数据符号做解映射与解交织;解编码单元最后解编码得到最终的数据信息。
依据上述目的,实施本发明的OFDM调制方法的数字信号发射***的输入为一路控制信息和至少一路业务数据,该发射***包括扰码单元、前向纠错编码单元、星座映射与符号交织单元、帧头生成单元、CP-OFDM符号构建单元、时域训练序列叠加单元、复帧同步信道生成单元、复帧组帧单元、基带后处理单元和正交上变频单元;其中,每一路业务数据使用独立的编码和调制,业务数据和控制信息分别经过扰码单元进行加扰,之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码,然后进入星座映射与交织单元,形成符号流,并进行星座映射,之后进行交织,形成输入数据符号,进入CP-OFDM构建单元,再经过时域训练序列叠加模块叠加时域训练序列,利用帧头作为时域训练序列叠加形成子帧,子帧与复帧同步信道经过复帧组帧单元组合成复帧,经过基带后处理单元转换为输出信号,并经过正交上变频单元变频转换为射频信号。
依据上述目的,实施本发明的OFDM解调方法的数字信号接收***包括解复帧单元、同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、控制信息星座解映射与解交织单元、控制信息解编码单元、业务数据星座解映射与解交织单元、业务数据解编码单元;其中,解复帧单元将收到的复帧分解为多个子帧;对于每个子帧,同步单元将基带数据组做同步,得到基带同步符号组;信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号;解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到控制信息与业务数据;控制信息星座解映射与解交织单元对控制信息进行星座解映射与解交织;控制信息解编码单元解编码后得到每一路的业务数据的调制、编码等信息;业务数据星座解映射与解交织单元对每一路业务数据做解映射与解交织;业务数据解编码单元解编码后得到每一路业务数据。
采用了本发明的技术方案,可以降低重构CP-OFDM符号的复杂度,减小重构带来的噪声,提高信道估计的性能,从而对使用本发明OFDM调制解调方法的数字信号发射、接收***能有更好的抗噪声能力。
附图说明
在本发明中,相同的附图标记始终表示相同的特征,其中:
图1是本发明OFDM调制方法的原理图;
图2是在CP-OFDM符号上叠加训练序列的示意图;
图3是本发OFDM明解调方法的原理图;
图4是应用本发明OFDM调制方法的第一种数字信号发射***结构图;
图5是应用本发明OFDM调制方法的第一种数字信号接收***结构图;
图6是应用本发明OFDM调制方法的第二种数字信号发射***结构图;
图7是应用本发明OFDM调制方法的第二种数字信号接收***结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明首先提出一种结合了CP-OFDM和TDS-OFDM的调制解调方式,主要用于发射端的数据符号到基带符号的调制,以及接收端基带符号到数据符号的解调。
如图1所示,本发明在发射端由如下步骤组成:
1.将输入数据符号通过添加循环前缀,构建出符合需要的CP-OFDM符号结构。
2.在上述CP-OFDM符号上叠加时域训练序列。
构建CP-OFDM符号
输入数据符号可以是信息比特流经过各种前向纠错码与星座点映射而得到。前向纠错码可以是LDPC码、RS码、BCH码、卷积码等,星座点映射可以是各种QAM、PSK或APSK,本发明对此不做限定。将输入数据符号以N个为一组分组,如第k组为。N为OFDM符号的子载波个数。对每组信号进行如下变换
得到时域的。通过构建循环前缀将每组扩展为,其中P为保护间隔的长度。
叠加时域训练序列
对每组时域数据生成长度为P的时域训练序列,以及该时域训练序列的取反序列。时域训练序列可以是PN、频域PN的时域表示或CAZAC序列等,本发明对此不做限定。训练序列可以每组相同,也可以各组不同,本发明对此也不做限定。将这P个时域训练序列与它的取反分别叠加到每组时域数据上,得到,如图2所示。其中叠加的方式为:
将得到的一组组数据顺序输出就得到了基带时域符号。本发明中对一组数据的第-n个数据均定义为上一组数据的倒数第n个,以后不再赘述。
如图3所示,本发明的接收端由如下步骤组成:
1.同步
2.信道估计
3.均衡
同步
接收端接收到基带的第k组数据是,且定义,则
。其中,是信道冲击响应,是平均功率为的高斯白噪声。
首先对接收到的基带数据作如下变换
。其中
,定义这里的为基带同步符号(组)。
注意到,每组的最后P个数据是不受干扰的,而是平均功率为的高斯白噪声。因此是经过了由定义的信道和平均功率为的加性高斯白噪声而得到的数据。据此,接收端可以采用让与本地相关的方法及相应的一系列算法对接收数据进行同步。本发明对这些成熟的同步算法不做限定。这里为了解释方便,首先将接收到的数据以对应于发射数据分组的方法进行分组,实际上容易看到,从得到的变换并不需要分组信息,可直接对接收到的数据流进行变换。
信道估计
信道估计方法一
同样可利用同步中提到的变换得到,然后根据中所包含的不受干扰的进行信道估计。本发明对这些成熟的信道估计算法也不做限定。
信道估计方法二
若发射的每组数据的时域训练序列相同,为,可对连续M组接收到的基带数据进行平均,得到:
其中
。
增大M可有效地使中时域训练序列所受到的干扰减小。且包含了连续的2P个时域训练序列,其中该2P长度的序列包括一个时域训练序列和一个时域训练序列的取反序列:。利用这2P个连续的时域训练序列可使信道估计能对抗的多径长度增加到2P,大大超出了循环前缀长度P的限制。且即使在多径长度小于等于P的情况下,2P个连续的时域训练序列也可以大大增加信道估计的精度。
均衡
设信道估计已获得准确的信道冲击响应,且。则接收端接收到的第k组基带数据的最后N个数据
。其中
。由于与均已知,接收端可以获得,并将其从中减去,得到
。对每组的N个进行如下变换得到
其中
。可知,可通过得到,而的平均功率也可通过计算得到。这样就可利用各种成熟的OFDM均衡算法估计。本发明对这些成熟的均衡算法不做限定。
本发明的包含时域训练序列的调制解调方法有如下有益效果:
1.对于TDS-OFDM***来说,如DTMB,为了重构CP-OFDM必须将一帧信号的由于多径造成的“拖尾”叠加到信号的头部。该叠加过程必然将“拖尾”部分的噪声也叠加到重构出的CP-OFDM符号中。而该问题在CP-OFDM***,如DVB-T和DVB-T2中是不存在的。本发明可以避免叠加不必要的噪声。
TDS-OFDM***的信道估计能够使用的训练序列最长不超过该***的保护间隔。而本发明中的***可将在一帧尾部上叠加的时域训练序列与在下一帧的循环前缀上叠加的时域训练序列看作一个更长的训练序列,其长度为保护间隔的两倍。再结合诸如多帧平均等方法,可大大增加信道估计所能对抗的多径长度,并提高精度。
本发明还设计了多种可以利用上述包含时域训练序列的调制方法的发射、接收***,其结构可参考图4-7。
如图4所示的第一种数字信号发射***结构,其包括随机化单元、前向纠错编码单元、星座映射与交织单元、***信息生成单元、复用单元、CP-OFDM构建单元、帧头形成单元、时域训练序列叠加单元、组帧单元、基带后处理单元及正交上变频单元。
输入数据码流经过随机化单元用扰码进行加扰,之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码,然后进入星座映射与交织单元,形成符号流,并进行星座映射,之后进行交织,再与***信息经复用单元复用形成输入数据符号,进入CP-OFDM构建单元,利用本发明的CP-OFDM构建带有CP的数据符号结构,即时域数据。在某些***(例如DTMB)中,帧头是一组特定的PN序列,而本发明的时域训练序列并不限定其类型,可以是PN、频域PN的时域表示或CAZAC序列等,因此将帧头作为时域训练序列叠加到CP-OFDM时域数据上,同时可以达到添加帧头及时域训练序列的目的。之后,将得到的基带符号作为第一种***的帧结构的帧体,之后帧体与帧头形成单元生成的帧头经过组帧单元复接为信号帧,经过基带后处理单元转换为输出信号(8MHz带宽内),并经过正交上变频单元变频转换为射频信号(UHF和VHF频段范围内)。
对应上述的数字信号发射***的数字信号接收***的结构如图5所示。接收端包括同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、解***信息单元、星座解映射与解交织单元、解编码单元。
同步单元将基带数据组做变换,得到基带同步符号组经过信道响应的时域数据。信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应。均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号,传输至解复用单元。解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到***信息与数据符号,解***信息单元根据***信息提取数据符号并发送至星座解映射与解交织单元,之后对数据符号做解映射与解交织、解编码,得到最终的数据信息。
如图6所示的第二种数字信号发射***结构,其包括扰码单元、前向纠错编码单元、星座映射与符号交织单元、CP-OFDM符号构建单元、时域训练序列叠加单元、复帧同步信道生成单元、复帧组帧单元、基带后处理单元和正交上变频单元。
第二种***结构的输入包括一路/多路业务数据流和一路控制信息流。每一路业务数据流使用独立的编码和调制,其编码和调制模式可根据实际需要灵活配置。业务数据经过扰码单元进行加扰,之后进入前向纠错编码单元进行前向纠错编码,然后进入星座映射与交织单元,形成符号流,并进行星座映射,之后进行交织,形成输入数据符号。此外控制信息也同样进行上述处理。经过处理后的业务数据、控制信息再通过IDFT变换和添加帧头形成本发明调制方法的数据数据符号,进入CP-OFDM构建单元,利用本发明的CP-OFDM构建带有CP的数据符号结构,即时域数据,在此结构上叠加时域训练序列,在某些***中,帧头是一组特定的PN/PN-MC序列,而本发明的时域训练序列并不限定其类型,可以是PN、频域PN的时域表示或CAZAC序列等,因此将帧头作为时域训练序列叠加到CP-OFDM时域数据上,同时可以达到添加帧头及时域训练序列的目的。之后,将得到的基带符号作为第三种***的帧结构的子帧,之后子帧与复帧同步信道经过复帧组帧单元组合成复帧,经过基带后处理单元转换为输出信号,并经过正交上变频单元变频转换为射频信号。
对应上述数字信号发射***的数字信号接收***结构如图7所示。接收端包括解复帧单元、同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、控制信息星座解映射与解交织单元、控制信息解编码单元、业务数据星座解映射与解交织单元、业务数据解编码单元。
解复帧单元将收到的复帧分解为多个子帧,对于每个子帧,同步单元将基带数据组做同步,得到基带同步符号组。信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应。均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号,传输至解复用单元。解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到控制信息与业务数据。先对控制信息进行星座解映射与解交织、解编码,得到每一路的业务数据的调制、编码等信息,再根据这些信息对每一路业务数据做解映射与解交织、解编码,得到每一路业务数据。
所属领域的技术人员应当认识到,以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式,而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案,只要符合本发明的实质精神范围,都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种包含时域训练序列的OFDM解调方法,包括同步、信道估计和均衡,其特征是:
同步步骤将基带数据组做变换,得到基带同步符号组经过信道响应的时域数据,其中每组基带同步符号的最后P个数据是不受干扰的2倍的时域训练序列;
信道估计步骤利用不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;
均衡步骤将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号,
其中,基带时域符号为:
其中k表示第k组时域数据,sk,m是时域的输入数据符号,xk,m是基带时域符号,pk,m是时域训练序列,
同步步骤将后接收到的基带数据减去先接收到的基带数据,消去循环前缀得到2倍的时域训练序列,得到的基带同步符号为:
其中,k表示接收到的第k组基带数据,xk,m为基带时域符号,x′k,m为基带同步符号,sk,m是时域的输入数据符号,pk,m为时域训练序列,其中,N为OFDM符号的子载波个数,P为循环前缀的长度。
2.如权利要求1所述的包含时域训练序列的OFDM解调方法,其特征是,对于每组时域训练序列相同的基带数据,信道估计步骤对连续多组基带数据做平均,得到2P长度的序列做信道估计,其中该2P长度的序列包括一个时域训练序列和一个时域训练序列的取反序列。
3.如权利要求2所述的包含时域训练序列的OFDM解调方法,其特征是,信道估计步骤对连续M组基带数据做平均,得到:
其中, ;
其中,为平均后的基带数据,sk,m是时域的输入数据符号,p0,p1,…,pP-1是一组时域训练序列,hl是信道冲击响应,L为信道冲击响应的个数。
4.如权利要求1所述的包含时域训练序列的OFDM解调方法,其特征是,对于每组时域训练序列不同的基带数据,信道估计步骤利用该不受干扰的2倍的时域训练序列做信道估计。
5.如权利要求1所述的包含时域训练序列的OFDM解调方法,其特征是,对于一组基带数据,均衡步骤将接收到的基带数据分解为
其中,yk,m是第k组基带数据,是经过信道冲击响应的训练序列或训练序列的取反序列或取零,,hl是信道冲击响应,nk,m+P是平均功率为N0的高斯白噪声;将经过信道冲击响应的时域训练序列和时域训练序列的取反序列从基带数据中减去,变换后得到基带时域符号。
6.一种应用权利要求1的一种包含时域训练序列的OFDM解调方法的数字信号接收***,其特征是,该接收***包括同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、解***信息单元、星座解映射与解交织单元、解编码单元;其中,同步单元将基带数据组做同步,得到基带同步符号组;信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号;解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到***信息与数据符号;解***信息单元根据***信息提取数据符号;星座解映射与解交织单元对数据符号做解映射与解交织;解编码单元最后解编码得到最终的数据信息。
7.一种应用权利要求1的一种包含时域训练序列的OFDM解调方法的数字信号接收***,其特征是,该接收***包括解复帧单元、同步单元、均衡单元、信道估计单元、解复用单元、控制信息星座解映射与解交织单元、控制信息解编码单元、业务数据星座解映射与解交织单元、业务数据解编码单元;其中,解复帧单元将收到的复帧分解为多个子帧;对于每个子帧,同步单元将基带数据组做同步,得到基带同步符号组;信道估计单元将不受干扰的时域训练序列做信道估计,得到信道冲击响应;均衡单元将经过信道冲击响应的时域训练序列从基带数据中减去,得到基带时域符号;解复用单元将基带时域符号做变换并分解,得到控制信息与业务数据;控制信息星座解映射与解交织单元对控制信息进行星座解映射与解交织;控制信息解编码单元解编码后得到每一路的业务数据的调制、编码信息;业务数据星座解映射与解交织单元对每一路业务数据做解映射与解交织;业务数据解编码单元解编码后得到每一路业务数据。
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CN1334655A (zh) * | 2001-08-17 | 2002-02-06 | 清华大学 | 正交频分复用调制***中保护间隔的填充方法 |
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CN102255843A (zh) * | 2011-05-31 | 2011-11-23 | 西南石油大学 | 一种利用互补序列对实现ofdm数字地震仪同步的方法 |
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2013
- 2013-03-25 CN CN201310096449.8A patent/CN103581096B/zh active Active
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"OFDM无线通信***中几个关键问题的研究";郑济均,;《中国博士学位论文全文数据库—信息科技辑》;20110815;I136-22正文第1.1.1、2.1、4.1小节 * |
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