CN104735017B - 一种非正交多载波数字调制与解调方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非正交多载波数字调制与解调方法，包含以下步骤：将可利用信道划分为若干个子载波信道；将来自外部的输入数据进行信源编码、信道编码、映射、多载波调制和加入保护间隔处理，获得多载波数字信号；将多载波数字信号转换成模拟信号，再进行放大，最后发射到无线信道中；将接收的信号转换为电信号，放大后再将模拟信号转换为数字接收信号；通过参数估计算法对数字接收信号进行估计，得到多载波的频率、幅值和相位，进而完成解调并将数据输出。本发明的方法及装置，克服载波频偏对OFDM等正交多载波***的影响，既能实现较高的频谱利用率，又具有较好的抗多普勒性。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种非正交多载波数字调制与解调方法与装置。
背景技术
在无线通信中，受限的信道带宽、信号的多径干扰和多普勒频移等影响着无线通信的发展。为充分利用信道资源，提高频带的利用率，在通信中引入了正交频分复用(OFDM)。
OFDM技术选取的多载波是互相正交，频谱重叠的。多载波(假设个数为N)之间的正交性如下所描述：
其中T是OFDM的符号周期，ωi和ωj是第i和j个载波的频率，i、j∈[0,1...N-1]。在时域上正交性使每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含着整数倍个周期，且相邻多载波间相差若干个固定周期；频域上，在一个子载波的频谱峰值处，其它子载波的值都为零且各子载波的频谱有1/2的重叠，所以OFDM技术有很高的频谱利用率。
设OFDM***每个子载波分配到的数据符号为di(i＝0,1...N-1)，第i个多载波的频率为：fi＝f0+i/T，其中f0是第0个子载波的频率。设矩形函数rect(t)＝1,|t|≤T/2，从t＝ts时刻开始，调制后的OFDM信号为：
为简化分析，将ts设为0，并且忽略矩形函数rect(t)，然后对(公式2)的信号s(t)进行抽样率为N/T的抽样，得到OFDM数字信号：
在接收端，由子载波之间的正交性可解调出基带信号：
OFDM技术中的每个子信道的符号周期相对进行OFDM调制前的串行信号周期大，再加上引入保护间隔，使得OFDM***具有很强的抗多径干扰能力。
在无线通信中，由于接收端和发送端存在相对运动而造成载波的多普勒频移是难以避免的。OFDM发生载波频率偏移时，在解调端通过频率估计和补偿来恢复各子载波的正交性，再进行解调。在实际应用中，OFDM只有当频移相对载波间间隔较小时，才能通过频率估计补偿来恢复正交性，当频移较大时，将无法正确恢复载波之间的正交性，使解调端的误码率迅速升高。例如在加性高斯白噪声的信道下OFDM***要求频偏小于载波间隔的4％，在衰落信道下，要求频偏小于载波间隔的1％～2％。
由以上分析可知，OFDM具有频谱利用率高、抗多径能力强等特点，但是OFDM要求子载波严格正交，对频偏敏感。而多普勒频移是无线通信中难以避免的现象，因此多普勒频移成为影响OFDM的通信质量和应用的重要因素。更进一步，载波频偏成为影响所有基于正交多载波技术在通信领域的应用的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非正交多载波数字调制与解调方法，克服载波频偏对OFDM等正交多载波***的影响，，在发送端和接收端均不要求多载波正交。
本发明的另一目的在于提供一种非正交多载波数字调制与解调装置。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种非正交多载波数字调制与解调方法，包含以下顺序的步骤：
S1.根据信道特征，将可利用信道划分为若干个子载波信道；
S2.数字调制处理单元将来自外部的输入数据进行信源编码、信道编码、映射、多载波调制和加入保护间隔处理，获得多载波数字信号；
具体的，首先，来自外部的数据输入到数字调制处理单元后分别进行信源编码、信道编码和映射处理以提高数据传输的可靠性和有效性。接着，数字调制处理单元对数据进行串/并变换，并将变换后的并行数据调制到多载波上并加入保护间隔，得到数字多载波信号。
S3.D/A转换器将多载波数字信号转换成模拟信号，再通过功率放大器进行放大，最后由无线发射器发射到无线信道中；
S4.无线接收器将接收的信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，再通过A/D转换器将模拟信号转换为数字接收信号；
基带信号输入到前置放大器放大到适合进行后续处理的大小。因为信号经过无线信道的衰减，在接收端接收到的信号将会变小，为进行后续的处理，需要进行幅值的放大。前置放大输出的信号经过A/D转换器，转换为数字接收信号，而后输入到数字解调处理单元。所述的接收端中的数字解调处理单元对A/D转换器得到的数字接收信号进行处理，包括移去保护间隔、参数估计、解映射、信道译码和信源译码等功能模块，其中参数估计是实现非正交数字解调的关键。所述的参数估计是指利用高性能参数估计算法进行频率、幅值和相位等参数的估计和参数排序，获得有序的幅值相位估计值组合。参数估计完成之后数字解调处理单元再进一步进行星座图解映射、信道译码和信源译码获得发送数据。接收端的电源为接收端的所有单元模块供能。
S5.通过参数估计算法对数字接收信号进行估计，得到多载波的频率、幅值和相位，进而完成解调并将数据输出。
所述的非正交多载波数字调制与解调方法，具体步骤如下：
(1)根据信道特征，将可利用信道分为N个子载波信道；设信号的子载波为：
对发送信号进行编码和星座图映射之后，进行串并变换，将单路高速数据转化为N路并行低速数据并调制到多载波上；调制后的多载波信号为：
i∈[0,1...N-1]，其中A为载波幅度，f为载波频率，φ为载波相位；对应于f0＜f1＜…＜fN-1，由幅值相位值组合{(A0,φ0),(A1,φ1)...(AN-1,φN-1)}携带着发送信息，即发送信号的信息调制到了(Ai,φi)上；
(2)对调制好的多载波信号s(n)进行D/A转换获得模拟调制信号s(t)，s(t)由功率放大器进行功率放大，由上变频模块将信号搬移到适合无线信道传输的频段，再由无线发射模块发射出去；
(3)在接收端，无线接收器接收到无线信号并转换为电信号，而后利用下变频模块将信号搬移到基带，基带信号经过前置放大器放大后，进行A/D转换，获得数字接收信号；
(4)数字接收信号进行数字解调：采用高性能的参数估计算法对数字接收信号进行参数估计，得到各子载波的频率、幅值和相位的估计值
(5)对由参数估计算法获得的N组估计参数，根据估计频率之间的相对大小，对相应的估计幅值和估计相位进行排序，获得携带信息的N组幅值相位值；具体的，参数估计算法获得若则确定幅值和相位的组合顺序为由N组估计参数可获得该参数估计值的组合携带着发送信息；
(6)由幅值相位值组合进行星座图解映射和译码等操作以获得发送数据。
在步骤(1)中，所述的将可利用信道分为N个子载波信道，依据信道性能以及接收端的参数估计算法来选择。在信道性能差的频带处子载波频率间隔可取的比较大，在信道性能好的地方子载波间隔可取的很小；所选择的参数估计方法频率分辨率低，则子载波频率间隔可以取得大；所选择的参数估计方法频率分辨率高，则子载波频率间隔可以取得小。***不要求子载波严格正交，只要求满足载波频率间隔条件，即：子载波的频率间隔大于最大频移且大于等于参数估计算法的频率分辨率。在满足该条件的情况下，子载波在发生频移时，它们之间的相对大小不会改变，且能通过参数估计算法进行频率、幅值和相位的估计。
所述的参数估计算法为谱线有理组合参数估计算法，获取数字接收信号后，获得频率、幅度和相位的过程为：
A、对N点的信号补零至2N点，并对补零后的信号进行2N点的FFT；
B、由2N点信号的FFT得到功率谱p(k)和相位谱D(k)；
C、由功率谱p(k)得到N个谱峰，记为ki，i∈[0,1...N-1]，并根据公式(7)得到每个子载波的估计角频率：
其中由估计角频率可得估计频率并容易获得估计幅值
D、在求解得到频率和幅度的基础上，根据相位谱D(k)和公式(8)可以得到估计相位：
其中
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种非正交多载波数字调制与解调装置，包括发送模块、通过无线信道与发送模块相连的接收模块，所述的发送模块包含顺序相连的数字调制处理单元、D/A转换器、功率放大器、无线发射器，所述的接收模块包含顺序相连的无线接收器、前置放大器、A/D转换器、数字解调处理单元。
所述的无线发射器包含上变频模块和发射模块，上变频模块依据具体应用选择，功率放大后的模拟信号经过上变频模块，搬移到适合无线信道传播的频率，再由发射模块发射。
所述的发射模块为射频天线，或者为电-声换能器。发射模块还可以是其他无线信号的发射器。
所述的无线接收器包含无线接收模块和下变频模块，无线接收模块把从无线信道中接收的信号转换为电信号，下变频模块将电信号搬移得到基带信号，下变频模块可根据具体应用选择。
所述的无线接收模块为接收电磁波的天线，或者为声-电换能器。无线接收模块还可以是其他形式无线信号的接收器。
所述的无线信道为水声信道。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)实现了可以克服载波频偏的基于频谱重叠的频分多载波通信***。
由于本发明的载波频谱可以重叠，且在发送端和接收端都不要求子载波严格正交，只要求满足载波频率间隔条件，所以本发明既能实现较高的频谱利用率，又具有较好的抗多普勒性。
(2)本发明对子载波的要求低，容易满足，并可充分利用频带资源。
频分多载波通信***在特定应用环境下的载波频率间隔都有一定的要求，相对于OFDM等严格要求子载波正交性的通信***，本发明的载波频率间隔条件容易满足。在满足载波频率间隔条件下，载波频率间隔可尽可能小，充分提高了***的频带利用率。
(3)本发明是可行的。
本发明的关键是实现高性能的参数估计，在软件上，已有多种高性能的参数估计算法被提出，包括时域和频域的参数估计算法；在硬件上，随着现代计算机计算能力的提高，可使用计算机作为数字解调处理单元，在接收端进行高性能的参数估计，实现数字解调。
(4)本发明的数字调制和解调是灵活的。
随着现代计算机计算能力的提高，可使用计算机作为数字调制处理单元和数字解调处理单元，在发送端进行灵活的多载波的可编程动态调制，在接收端进行灵活的可编程的高性能参数估计，提高了***的灵活性和降低了***硬件的复杂性。
(5)为无线多载波通信***克服载波频偏提供了一种有益的解决方案。
本发明只要求带宽划分满足载波频率间隔条件的特点使得和本发明类似的非正交多载波通信***和OFDM等正交多载波通信***在进行调制和解调规则的少量改动之后，均可采用本发明对接收信号直接进行数字解调，有利于克服载波频偏的影响。
附图说明
图1为频谱带宽划分示意图；
图2为本发明所述的非正交多载波数字调制与解调装置的结构示意图；
图3为图2所述装置的数字调制单元的功能框图；
图4为图2所述装置的数字解调单元的功能框图；
图5为本发明所述的非正交多载波数字调制与解调方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图2、3、4，一种非正交多载波数字调制与解调装置，包括发送模块、通过无线信道与发送模块相连的接收模块，所述的发送模块包含顺序相连的数字调制处理单元、D/A转换器、功率放大器、无线发射器，所述的接收模块包含顺序相连的无线接收器、前置放大器、A/D转换器、数字解调处理单元。
所述的无线发射器包含上变频模块和发射模块，上变频模块依据具体应用选择，功率放大后的模拟信号经过上变频模块，搬移到适合无线信道传播的频率，再由发射模块发射。
所述的发射模块为射频天线，或者为电-声换能器。发射模块还可以是其他无线信号的发射器。
所述的无线接收器包含无线接收模块和下变频模块，无线接收模块把从无线信道中接收的信号转换为电信号，下变频模块将电信号搬移得到基带信号，下变频模块可根据具体应用选择。
所述的无线接收模块为接收电磁波的天线，或者为声-电换能器。无线接收模块还可以是其他形式无线信号的接收器。
所述的无线信道为水声信道。
如图5所示，一种非正交多载波数字调制与解调方法，包含如下顺序的步骤：
(1)如图1，根据信道特征，将可利用信道划分为若干个子载波信道。在信道性能差的频带处子载波频率间隔可取的比较大，在信道性能好的地方子载波间隔可取的比较小。设在频带f1～f2处信道条件较差，频带f3～f4处信道条件较好，那么在频带f1～f2内设置K1个子载波，在频带f3～f4内设置K2个子载波。其中，K1＜K2。设K1+K2＝N，因此一共有N路子载波。
(2)数字调制处理单元将来自外部的输入数据进行信源编码、信道编码、映射、多载波调制和加入保护间隔等处理，获得多载波数字信号。该模块可采用DSP和微处理器组合实现，也可使用高性能计算机实现。
首先，数据输入到数字调制处理单元后分别进行信源编码、信道编码和映射处理。由于水声信道是复杂的时变信道，为使数据准确快速的进行传输，针对不同的信道可采取不同的编码和映射。例如，在信噪比低的情况下，为降低***的误码率，可采用前向纠错编码、交织和2ASK调制的组合方式。
然后，数字调制处理单元对数据进行串并变换，将高速串行数据流转换成N路并行低速数据流并调制到多载波上加入保护间隔，获得多载波信号。设子载波信号为：
调制后的多载波信号为：
由于本发明的方案不要求多载波之间严格正交，所以可将基带信号分别调制到各多载波上，也可进行联合调制。
(3)将数字调制处理单元得到的多载波信号s(n)输入到D/A转换器转换成模拟信号s(t)，再通过功率放大器进行放大，最后由电-声换能器将放大后的s(t)发射到水声信道中。
(4)首先，接收端的声-电换能器接收来自水声信道的声信号，并转换成电信号。接着采用前置放大器将经过无线接收器转换的电信号放大为一个适合后续电路处理的值。最后，A/D转换器对放大后的信号进行模/数转换，将模拟信号转换为数字接收信号
(5)由步骤(4)获得的数字接收信号采用高性能参数估计算法，估计出多载波的频率、幅值和相位，进而解调出发送数据。
实现估计解调的数字解调处理单元功能结构如图4所示，包括移去保护间隔、参数估计、解映射、信道译码和信源译码等功能模块，可由DSP和微处理器组合实现，也可使用高性能计算机实现。
利用参数估计算法进行参数估计是本发明的重要环节，在中低信噪比的情况下仍然能够达到一定估计精度的算法有几类：频率估计的最大似然法、以DFT变换为粗估计的频域估计算法，基于自相关函数的时域估计算法以及基于子空间的参数估计算法等。
本实施例，以谱线有理组合参数估计算法为例，该算法为一种以DFT变换为粗估计的频域估计算法：获取数字接收信号后，获得频率、幅度和相位的过程为：
A、对N点的信号补零至2N点，并对补零后的信号进行2N点的FFT；
B、由2N点信号的FFT得到功率谱p(k)和相位谱D(k)；
C、由功率谱p(k)得到N个谱峰，记为ki，i∈[0,1...N-1]，并根据公式(7)得到每个子载波的估计角频率：
其中由估计角频率可得估计频率并容易获得估计幅值
D、在求解得到频率和幅度的基础上，根据相位谱D(k)和公式(8)可以得到估计相位：
其中
参数估计算法可获得再根据估计频率的相对大小进行参数的排序。具体上，若则确定幅值和相位的组合顺序为由N组估计参数可获得该幅值相位值组合携带着发送数据的信息。
最后根据***的映射关系，对获得有序的幅值相位值组合进行解映射，再进行信道译码和信源译码获得发送数据。
(6)将发送数据输出给用户。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非正交多载波数字调制与解调方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.根据信道特征，将可利用信道划分为若干个子载波信道；
S2.数字调制处理单元将来自外部的输入数据进行信源编码、信道编码、映射、多载波调制和加入保护间隔处理，获得多载波数字信号；
S3.D/A转换器将多载波数字信号转换成模拟信号，再通过功率放大器进行放大，最后由无线发射器发射到无线信道中；
S4.无线接收器将接收的信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，再通过A/D转换器将模拟信号转换为数字接收信号；
S5.通过参数估计算法对数字接收信号进行估计，得到多载波的频率、幅值和相位，进而完成解调并将数据输出；
具体步骤如下：
(1)根据信道特征，将可利用信道分为N个子载波信道；设信号的子载波为：
对发送信号进行编码和星座图映射之后，进行串并变换，将单路高速数据转化为N路并行低速数据并调制到多载波上；调制后的多载波信号为：
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i∈[0,1...N-1]，其中A为载波幅值，f为载波频率，φ为载波相位；对应于f0＜f1＜…＜fN-1，由幅值相位值组合{(A0,φ0),(A1,φ1)...(AN-1,φN-1)}携带着发送信息，即发送信号的信息调制到了(Ai,φi)上；
(2)对调制好的多载波信号s(n)进行D/A转换获得模拟调制信号s(t)，s(t)由功率放大器进行功率放大，由上变频模块将信号搬移到适合无线信道传输的频段，再由无线发射模块发射出去；
(3)在接收端，无线接收器接收到无线信号并转换为电信号，而后利用下变频模块将信号搬移到基带，基带信号经过前置放大器放大后，进行A/D转换，获得数字接收信号；
(4)数字接收信号进行数字解调：采用高性能的参数估计算法对数字接收信号进行参数估计，得到各子载波的频率、幅值和相位的估计值
(5)对由参数估计算法获得的N组估计参数，根据估计频率之间的相对大小，对相应的估计幅值和估计相位进行排序，获得携带信息的N组幅值相位值；具体的，参数估计算法获得若则确定幅值和相位的组合顺序为由N组估计参数可获得该参数估计值的组合携带着发送信息；
(6)由幅值相位值组合进行星座图解映射和译码操作以获得发送数据；
在步骤(1)中，所述的将可利用信道分为N个子载波信道，依据信道性能以及接收端的参数估计算法来选择。
2.根据权利要求1所述的非正交多载波数字调制与解调方法，其特征在于，所述的参数估计算法为谱线有理组合参数估计算法，获取数字接收信号后，获得频率、幅值和相位的过程为：
A、对N点的信号补零至2N点，并对补零后的信号进行2N点的FFT；
B、由2N点信号的FFT得到功率谱p(k)和相位谱D(k)；
C、由功率谱p(k)得到N个谱峰，记为ki，i∈[0,1...N-1]，并根据公式(7)得到每个子载波的估计角频率：
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其中由估计角频率可得估计频率并容易获得估计幅值
D、在求解得到估计频率和估计幅值的基础上，根据相位谱D(k)和公式(8)可以得到估计相位：
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其中
3.用于权利要求1或2所述的非正交多载波数字调制与解调方法的一种非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：包括发送模块、通过无线信道与发送模块相连的接收模块，所述的发送模块包含顺序相连的数字调制处理单元、D/A转换器、功率放大器、无线发射器，所述的接收模块包含顺序相连的无线接收器、前置放大器、A/D转换器、数字解调处理单元。
4.根据权利要求3所述的非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：所述的无线发射器包含上变频模块和发射模块，上变频模块依据具体应用选择，功率放大后的模拟信号经过上变频模块，搬移到适合无线信道传播的频率，再由发射模块发射。
5.根据权利要求4所述的非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：所述的发射模块为射频天线，或者为电-声换能器。
6.根据权利要求3所述的非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：所述的无线接收器包含无线接收模块和下变频模块，无线接收模块把从无线信道中接收的信号转换为电信号，下变频模块将电信号搬移得到基带信号，下变频模块可根据具体应用选择。
7.根据权利要求6所述的非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：所述的无线接收模块为接收电磁波的天线，或者为声-电换能器。
8.根据权利要求3所述的非正交多载波数字调制与解调装置，其特征在于：所述的无线信道为水声信道。
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