一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法，屬于數(shù)字信息傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法首先將發(fā)送端產(chǎn)生的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的符號(hào)；對(duì)映射后的若干個(gè)符號(hào)組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，并在數(shù)據(jù)塊前端插入由若干個(gè)UW構(gòu)成的導(dǎo)頻，并在后端插入一個(gè)UW，以構(gòu)成一個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)塊；接收端利用接收到的時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)塊中的數(shù)據(jù)塊前端的導(dǎo)頻和后端的UW，完成進(jìn)行符號(hào)同步、頻率同步、頻域均衡等操作，以及依次進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼，恢復(fù)原始信息。本發(fā)明方法保留了SC-FDE技術(shù)發(fā)送端復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，而且使得接收端對(duì)信道響應(yīng)的估計(jì)更加準(zhǔn)確，系統(tǒng)處理效率更高，更適合于寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)。
【專利說明】一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字信息傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中的單載波調(diào)制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，發(fā)射信號(hào)在傳播過程中往往會(huì)受到環(huán)境中的各種物體所引起的遮擋、吸收、反射、折射和衍射的影響，形成多條路徑信號(hào)分量到達(dá)接收機(jī)。不同路徑的信號(hào)分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會(huì)使復(fù)合信號(hào)相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。這種衰落會(huì)使得接收機(jī)的接收信號(hào)產(chǎn)生失真，降低通信的可靠性。此外，如果發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處于相對(duì)移動(dòng)狀態(tài)，由于多普勒效應(yīng)的存在，接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的失真。傳統(tǒng)的時(shí)域均衡可以消除多徑帶來的碼間干擾(InterSymbol Interference,以下簡(jiǎn)稱ISI)的,它利用均衡器產(chǎn)生的時(shí)間波形去直接校正已畸變的波形，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)滿足無碼間干擾條件。由于時(shí)域均衡的計(jì)算復(fù)雜度與最大時(shí)延擴(kuò)展成正比關(guān)系，這大大增加了時(shí)域均衡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，限制了其在寬帶無線移動(dòng)通信中的應(yīng)用。(所謂最大時(shí)延擴(kuò)展，就是指最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值，即最后一個(gè)可分辨的時(shí)延信號(hào)與第一個(gè)時(shí)延信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值，實(shí)際上就是脈沖展寬的時(shí)間。)
[0003]正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,以下簡(jiǎn)稱OFDM)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸流程如圖1所示。信源經(jīng)信道編碼后進(jìn)行星座映射得到數(shù)據(jù)流，然后將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多路并行數(shù)據(jù)塊并對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行快速傅立葉反變換(Inverse Fast FourierTransform,以下簡(jiǎn)稱IFFT)將數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換到時(shí)域，最后在時(shí)域的各數(shù)據(jù)塊前插入循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,以下簡(jiǎn)稱CP)后形成OFDM信號(hào)發(fā)射出去；OFDM信號(hào)通過信道傳輸后到達(dá)接收端，接收端在對(duì)接收到的信號(hào)去除CP后進(jìn)行快速傅立葉變換(Fast FourierTransform,以下簡(jiǎn)稱FFT)轉(zhuǎn)換回頻域，經(jīng)均衡后進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼恢復(fù)出原始信息(宿)。
[0004]上述傳輸方法是一種高效的調(diào)制方式，該傳輸方法由于具有頻譜利用率高、抗頻率選擇性衰落等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用到寬帶無線移動(dòng)通信的各個(gè)領(lǐng)域。但是，OFDM也有峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,以下簡(jiǎn)稱PAPR)過大、對(duì)頻偏敏感等不足。相對(duì)于0FDM，作為寬帶無線移動(dòng)通信中另一種有效的對(duì)抗信道衰落特性的方法，單載波頻域均衡(Single Carrier-Frequency Domain Equalization,以下簡(jiǎn)稱 SC-FDE)被提了出來,其系統(tǒng)的信號(hào)傳輸流程如圖2所示，包括以下幾個(gè)步驟:
[0005]I)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的信息；
[0006]2)對(duì)上述映射后的信息分塊后，在每塊前端加CP形成SC-FDE符號(hào)后發(fā)射出去；
[0007]3)接收端從信道中接收上述SC-FDE符號(hào)；
[0008]4)對(duì)上述SC-FDE符號(hào)同步后除去SC-FDE符號(hào)中的CP，得到SC-FDE符號(hào)中的數(shù)據(jù)塊；[0009]5)對(duì)上述數(shù)據(jù)塊進(jìn)行FFT操作，將其轉(zhuǎn)換至頻域；
[0010]6)利用信道估計(jì)出來的信道信息，對(duì)上述轉(zhuǎn)換至頻域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，得到均衡后的頻域數(shù)據(jù)；
[0011]7)將均衡后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT操作，將其轉(zhuǎn)換回時(shí)域；
[0012]8)將轉(zhuǎn)換回時(shí)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼后恢復(fù)出原信息(信宿)。
[0013]上述SC-FDE方法相比OFDM有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
[0014]第一、SC-FDE在信道中傳送的是直接在時(shí)域上調(diào)制的信號(hào)，包絡(luò)是多進(jìn)制相移鍵控(Multiple Phase Shift Keying,以下簡(jiǎn)稱MPSK)或多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(MultipleQuadrature Amplitude Modulation,以下簡(jiǎn)稱MQAM)的信號(hào)，包絡(luò)比較恒定，PAPR低，而OFDM信號(hào)是由一系列的子載波信號(hào)重疊起來的，當(dāng)其各子載波相位相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的PAPR0因此，相對(duì)于OFDM，SC-FDE降低了射頻成本。
[0015]第二、與非自適應(yīng)的OFDM系統(tǒng)不同，SC-FDE可以不采用編碼來對(duì)抗頻率選擇性。
[0016]第三、SC-FDE對(duì)載波頻偏不敏感，減小了接收信號(hào)時(shí)頻率同步的代價(jià)。
[0017]通過圖1與圖2的對(duì)比可見，單載波頻域均衡是由基于FFT的OFDM發(fā)展而來的，它是將串行收發(fā)的數(shù)據(jù)在接收端分成相同大小的分塊，對(duì)每一個(gè)分塊進(jìn)行FFT處理得到頻域表示，在頻域?qū)⑿诺拦烙?jì)的結(jié)果在各個(gè)頻點(diǎn)上除以該頻點(diǎn)的信道增益，均衡后用IFFT處理恢復(fù)出時(shí)域信號(hào)進(jìn)行譯碼。(所謂信道估計(jì)，就是從接收數(shù)據(jù)中將假定的某個(gè)信道模型的模型參數(shù)估計(jì)出來的過程。)
[0018]SC-FDE幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。將每個(gè)數(shù)據(jù)塊末尾的一段數(shù)據(jù)復(fù)制后置于該數(shù)據(jù)塊前面作CP，以消除ISI。每個(gè)數(shù)據(jù)塊及其前端的CP組成一個(gè)SC-FDE符號(hào)。由于CP的未知性，SC-FDE方法很難利用CP進(jìn)行同步、信道估計(jì)以及均衡等操作，即使能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能，其算法復(fù)雜度也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法。本方法不僅保留了單載波頻域均衡技術(shù)發(fā)射端復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，而且使得接收端對(duì)信道響應(yīng)的估計(jì)更加準(zhǔn)確，更適合于寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)。
[0020]本發(fā)明提出的采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法，包括以下步驟:
[0021]I)將發(fā)送端產(chǎn)生的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個(gè)符號(hào)；
[0022]2)將上述映射后的多個(gè)符號(hào)組成一個(gè)并行數(shù)據(jù)塊；
[0023]3)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行TFU-SCM調(diào)制:設(shè)UW為一個(gè)參考序列；在所述數(shù)據(jù)塊前端插入由一個(gè)或多個(gè)UW構(gòu)成的導(dǎo)頻，并在后端插入一個(gè)UW作保護(hù)間隔，數(shù)據(jù)塊與后端的UW組成FFT塊，由導(dǎo)頻塊和FFT塊構(gòu)成一個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)(簡(jiǎn)稱TFU-SCM符號(hào))塊后通過信道發(fā)射出去；
[0024]4)接收端從接收到的TFU-SCM符號(hào)塊提取數(shù)據(jù)塊前端的導(dǎo)頻，進(jìn)行符號(hào)同步和頻率同步；
[0025]5)完成符號(hào)同步和載波同步后，利用所述的導(dǎo)頻估計(jì)出對(duì)應(yīng)TFU-SCM符號(hào)塊通過信道時(shí)的信道各頻點(diǎn)的頻域增益；
[0026]6)刪除每個(gè)TFU-SCM符號(hào)塊中的前端的導(dǎo)頻，得到各個(gè)FFT塊；[0027]7)對(duì)所述FFT塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時(shí)域FFT塊對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)；
[0028]8)利用(5)中的頻域增益對(duì)所述頻域信號(hào)進(jìn)行均衡操作，得到均衡后的頻域信號(hào);
[0029]9)對(duì)所述均衡操作后的頻域信號(hào)進(jìn)行IFFT操作，去除各FFT塊后端的UW，獲得恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊；
[0030]10)對(duì)上述恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊依次進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼，得到原始信息。
[0031]本發(fā)明提出的采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是:
[0032]本發(fā)明稱該技術(shù)為時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制(Time domain and Frequencydomain United-Single Carrier Modulation,以下簡(jiǎn)稱 TFU-SCM)技術(shù)。TFU-SCM 以特殊字(Unique Word,以下簡(jiǎn)稱UW)組成的循環(huán)后綴作保護(hù)間隔、以一個(gè)或多個(gè)UW組成的特殊訓(xùn)練序列作導(dǎo)頻(可以根據(jù)系統(tǒng)性能的要求靈活地選擇導(dǎo)頻中UW的個(gè)數(shù))構(gòu)成TFU-SCM符號(hào)，通過對(duì)導(dǎo)頻在頻域的操作，可以方便地在接收端進(jìn)行同步，信道估計(jì)以及均衡等操作。
[0033]本發(fā)明采用了在時(shí)域加導(dǎo)頻，但在頻域利用導(dǎo)頻進(jìn)行同步、信道估計(jì)以及均衡等操作的單載波調(diào)制技術(shù)來對(duì)抗寬帶無線移動(dòng)通信中由多徑傳播，以及多普勒頻偏等帶來的信道衰落等問題。
[0034]本發(fā)明可根據(jù)系統(tǒng)性能的要求可以靈活地選擇導(dǎo)頻中UW的個(gè)數(shù)，通過對(duì)導(dǎo)頻在頻域的操作，可以方便地在接收端進(jìn)行同步，信道估計(jì)以及均衡等操作。這樣不僅保留了單載波頻域均衡技術(shù)發(fā)射端復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，而且使得接收端對(duì)信道響應(yīng)的估計(jì)更加準(zhǔn)確。在頻率選擇性衰落或時(shí)間選擇性衰落的信道條件下，仍然具有十分優(yōu)良的性能。相比已有的信號(hào)傳輸方法，本發(fā)明方法更適合于寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是已有OFDM技術(shù)的系統(tǒng)流程框圖。
[0036]圖2是已有SC-FDE技術(shù)的系統(tǒng)流程框圖。
[0037]圖3是已有SC-FDE技術(shù)中的SC-FDE幀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖4是本發(fā)明提出的信號(hào)傳輸方法中的TFU-SCM符號(hào)結(jié)構(gòu)框圖。
[0039]圖5是本發(fā)明提出的信號(hào)傳輸方法中信號(hào)發(fā)送的流程框圖。
[0040]圖6是本發(fā)明提出的信號(hào)傳輸方法中信號(hào)接收的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]本發(fā)明提出的一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下:
[0042]本發(fā)明提出的一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0043]I)將發(fā)送端產(chǎn)生的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個(gè)符號(hào)；
[0044]2)將上述映射后的多個(gè)符號(hào)組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊；
[0045]3)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行TFU-SCM調(diào)制:設(shè)UW為一個(gè)參考序列；在所述數(shù)據(jù)塊前端插入由一個(gè)或多個(gè)UW構(gòu)成的導(dǎo)頻，并在后端插入一個(gè)UW作保護(hù)間隔，數(shù)據(jù)塊與后端的UW組成FFT塊，由導(dǎo)頻塊和FFT塊構(gòu)成一個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)(簡(jiǎn)稱TFU-SCM符號(hào))塊后通過信道發(fā)射出去；
[0046]4)接收端從接收到的TFU-SCM符號(hào)塊提取數(shù)據(jù)塊前端的導(dǎo)頻，進(jìn)行符號(hào)同步和頻率同步；
[0047]5)完成符號(hào)同步和載波同步后，利用所述的導(dǎo)頻估計(jì)出對(duì)應(yīng)TFU-SCM符號(hào)塊通過信道時(shí)的信道各頻點(diǎn)的頻域增益；
[0048]6)刪除每個(gè)TFU-SCM符號(hào)塊中的前端的導(dǎo)頻，得到各個(gè)FFT塊；
[0049]7)對(duì)所述FFT塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時(shí)域FFT塊對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)；
[0050]8)利用5)中的頻域增益對(duì)所述頻域信號(hào)進(jìn)行均衡操作，得到均衡后的頻域信號(hào)；
[0051]9)對(duì)所述均衡操作后的頻域信號(hào)進(jìn)行IFFT操作，去除各FFT塊后端的UW，獲得恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊；
[0052]10)對(duì)上述恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊依次進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼，得到原始信息。
[0053]上述TFU-SCM符號(hào)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖4可見，一個(gè)TFU-SCM的符號(hào)包括兩部分:一部分是由一個(gè)或多個(gè)UW組成的導(dǎo)頻塊，另一部分是由數(shù)據(jù)塊及其后面的一個(gè)UW組成的FFT塊。
[0054]本發(fā)明提出的一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法的實(shí)施例，如圖
5、6所示,包括以下步驟:
[0055]I)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個(gè)符號(hào);
[0056]其中的信道編碼的方式可以為卷積碼(Convolutional Code, CC),低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check, LDPC),里德-所羅門石馬(Reed Solomon, RS)等等。
[0057]對(duì)信道編碼后的信息進(jìn)行星座映射，其映射方式可以為二進(jìn)相移鍵控(BinaryPhase Shift Keying,以下簡(jiǎn)稱 BPSK),正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,以下簡(jiǎn)稱QPSK), 16點(diǎn)正交幅度調(diào)制(16-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡(jiǎn)稱16QAM),64 點(diǎn)正交幅度調(diào)制(64-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡(jiǎn)稱 64QAM)和256 點(diǎn)正交幅度調(diào)制(256-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡(jiǎn)稱 256QAM)等。
[0058]2)將上述映射后的多個(gè)符號(hào)組成并行數(shù)據(jù)塊；
[0059]3)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行TFU-SCM調(diào)制:設(shè)置UW為一個(gè)參考序列；在上述數(shù)據(jù)塊前端插入由一個(gè)或多個(gè)UW構(gòu)成的多個(gè)符號(hào)導(dǎo)頻，并在后端插入一個(gè)UW，數(shù)據(jù)塊與后端的UW組成FFT塊，由導(dǎo)頻塊和FFT塊構(gòu)成一個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制(TFU-SCM)符號(hào)塊后(如圖5的虛框中所示)，將各路TFU-SCM符號(hào)塊組成幀信號(hào)后通過信道發(fā)送。具體TFU-SCM符號(hào)塊的生成過程如下:
[0060]3-1)生成UW序列，本實(shí)施例中UW選取Chu序列(由David C.Chu提出)或Frank-Zadoff序列(由R.L.Frank與S.A.Zadoff聯(lián)合提出)作為Uff序列，其長(zhǎng)度為2的正整數(shù)次冪，長(zhǎng)度最大值不超過256。UW用作保護(hù)間隔時(shí)，UW序列長(zhǎng)度不小于信道最大時(shí)延的長(zhǎng)度。例如，系統(tǒng)帶寬為IOMHz時(shí)，UW長(zhǎng)度可以取64，本實(shí)施例的導(dǎo)頻塊中包含4個(gè)UW。
[0061]長(zhǎng)度為U(U為正整數(shù))的UW序列的同相(In-phase，以下簡(jiǎn)稱I)路和正交(Quadrature,以下簡(jiǎn)稱Q)路信號(hào)分別由下式產(chǎn)生(:
[0062]I [n] = cos (θ [η]) (I)
[0063]Q[η] = sin ( θ [η]) (2)[0064]其中η為O到U— I范圍內(nèi)的任意整數(shù)。
[0065]其中相位θ [η]可以有兩種選擇，當(dāng)產(chǎn)生Frank-Zadoff序列時(shí)，取θ [η]=θ Frank [nI，當(dāng)產(chǎn)生 CtlU 序列時(shí)，θ [η] = Θ chu [η]。
[0066]θ Frank [η]的表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種采用時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制的信號(hào)傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進(jìn)行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個(gè)符號(hào)； 2)將上述映射后的多個(gè)符號(hào)組成一個(gè)并行數(shù)據(jù)塊； 3)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行TFU-SCM調(diào)制:設(shè)UW為一個(gè)參考序列；在上述數(shù)據(jù)塊前端插入由若干個(gè)UW構(gòu)成的導(dǎo)頻，并在后端插入一個(gè)UW，數(shù)據(jù)塊與后端的UW組成FFT塊，由導(dǎo)頻塊和FFT塊構(gòu)成一個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)塊，將各路TFU-SCM符號(hào)塊組成幀信號(hào)后通過信道發(fā)送； 4)接收端從接收到的時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)塊提取數(shù)據(jù)塊前端的導(dǎo)頻，進(jìn)行符號(hào)同步和頻率同步； 5)完成符號(hào)同步和載波同步后，利用所述的導(dǎo)頻估計(jì)出對(duì)應(yīng)時(shí)頻域聯(lián)合單載波調(diào)制符號(hào)塊通過信道時(shí)的信道各頻點(diǎn)的頻域增益； 6)刪除每個(gè)時(shí)頻域聯(lián)合的單載波調(diào)制符號(hào)塊中的前端的導(dǎo)頻，得到各個(gè)FFT塊； 7)對(duì)所述FFT塊進(jìn)行傅里葉變換，得到時(shí)域FFT塊對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)； 8)利用(5)中的頻域增益對(duì)上述頻域信號(hào)進(jìn)行均衡操作，得到均衡后的頻域信號(hào)； 9)對(duì)上述均衡后的頻域信號(hào)進(jìn)行IFFT操作，去除各數(shù)據(jù)塊后端的UW，將獲得恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊； 10)對(duì)上述恢復(fù)后的數(shù)據(jù)塊依次進(jìn)行星座逆映射、信道譯碼，得到原始信息。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK103973619SQ201410190722
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】曾捷, 粟欣, 劉莉莉, 容麗萍, 李澤嬌 申請(qǐng)人:清華大學(xué)