一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法，屬于數字信息傳輸【技術領域】，該方法首先將發(fā)送端產生的信息依次進行信道編碼和星座映射，得到映射后的符號；對映射后的若干個符號組成一個數據塊，并在數據塊前端插入由若干個UW構成的導頻，并在后端插入一個UW，以構成一個時頻域聯合單載波調制符號塊；接收端利用接收到的時頻域聯合單載波調制符號塊中的數據塊前端的導頻和后端的UW，完成進行符號同步、頻率同步、頻域均衡等操作，以及依次進行星座逆映射、信道譯碼，恢復原始信息。本發(fā)明方法保留了SC-FDE技術發(fā)送端復雜度低的優(yōu)點，而且使得接收端對信道響應的估計更加準確，系統(tǒng)處理效率更高，更適合于寬帶無線移動通信系統(tǒng)。
【專利說明】一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于數字信息傳輸【技術領域】，尤其涉及寬帶無線移動通信系統(tǒng)中的單載波調制技術。
【背景技術】
[0002]在寬帶無線移動通信系統(tǒng)中，發(fā)射信號在傳播過程中往往會受到環(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，形成多條路徑信號分量到達接收機。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。這種衰落會使得接收機的接收信號產生失真，降低通信的可靠性。此外，如果發(fā)射機或接收機處于相對移動狀態(tài)，由于多普勒效應的存在，接收信號會產生更為嚴重的失真。傳統(tǒng)的時域均衡可以消除多徑帶來的碼間干擾(InterSymbol Interference,以下簡稱ISI)的,它利用均衡器產生的時間波形去直接校正已畸變的波形，使包括均衡器在內的整個系統(tǒng)的沖擊響應滿足無碼間干擾條件。由于時域均衡的計算復雜度與最大時延擴展成正比關系，這大大增加了時域均衡系統(tǒng)的實現復雜度，限制了其在寬帶無線移動通信中的應用。(所謂最大時延擴展，就是指最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值，即最后一個可分辨的時延信號與第一個時延信號到達時間的差值，實際上就是脈沖展寬的時間。)
[0003]正交頻分復用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,以下簡稱OFDM)系統(tǒng)的信號傳輸流程如圖1所示。信源經信道編碼后進行星座映射得到數據流，然后將數據流轉換成多路并行數據塊并對數據塊進行快速傅立葉反變換(Inverse Fast FourierTransform,以下簡稱IFFT)將數據塊轉換到時域，最后在時域的各數據塊前插入循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,以下簡稱CP)后形成OFDM信號發(fā)射出去；OFDM信號通過信道傳輸后到達接收端，接收端在對接收到的信號去除CP后進行快速傅立葉變換(Fast FourierTransform,以下簡稱FFT)轉換回頻域，經均衡后進行星座逆映射、信道譯碼恢復出原始信息(宿)。
[0004]上述傳輸方法是一種高效的調制方式，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)點而被廣泛地應用到寬帶無線移動通信的各個領域。但是，OFDM也有峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,以下簡稱PAPR)過大、對頻偏敏感等不足。相對于0FDM，作為寬帶無線移動通信中另一種有效的對抗信道衰落特性的方法，單載波頻域均衡(Single Carrier-Frequency Domain Equalization,以下簡稱 SC-FDE)被提了出來,其系統(tǒng)的信號傳輸流程如圖2所示，包括以下幾個步驟:
[0005]I)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進行信道編碼和星座映射，得到映射后的信息；
[0006]2)對上述映射后的信息分塊后，在每塊前端加CP形成SC-FDE符號后發(fā)射出去；
[0007]3)接收端從信道中接收上述SC-FDE符號；
[0008]4)對上述SC-FDE符號同步后除去SC-FDE符號中的CP，得到SC-FDE符號中的數據塊；[0009]5)對上述數據塊進行FFT操作，將其轉換至頻域；
[0010]6)利用信道估計出來的信道信息，對上述轉換至頻域中的數據進行均衡，得到均衡后的頻域數據；
[0011]7)將均衡后的頻域數據進行IFFT操作，將其轉換回時域；
[0012]8)將轉換回時域中的數據進行星座逆映射、信道譯碼后恢復出原信息(信宿)。
[0013]上述SC-FDE方法相比OFDM有以下幾個優(yōu)勢:
[0014]第一、SC-FDE在信道中傳送的是直接在時域上調制的信號，包絡是多進制相移鍵控(Multiple Phase Shift Keying,以下簡稱MPSK)或多進制正交幅度調制(MultipleQuadrature Amplitude Modulation,以下簡稱MQAM)的信號，包絡比較恒定，PAPR低，而OFDM信號是由一系列的子載波信號重疊起來的，當其各子載波相位相同時會產生很高的PAPR0因此，相對于OFDM，SC-FDE降低了射頻成本。
[0015]第二、與非自適應的OFDM系統(tǒng)不同，SC-FDE可以不采用編碼來對抗頻率選擇性。
[0016]第三、SC-FDE對載波頻偏不敏感，減小了接收信號時頻率同步的代價。
[0017]通過圖1與圖2的對比可見，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)的數據在接收端分成相同大小的分塊，對每一個分塊進行FFT處理得到頻域表示，在頻域將信道估計的結果在各個頻點上除以該頻點的信道增益，均衡后用IFFT處理恢復出時域信號進行譯碼。(所謂信道估計，就是從接收數據中將假定的某個信道模型的模型參數估計出來的過程。)
[0018]SC-FDE幀結構如圖3所示。將每個數據塊末尾的一段數據復制后置于該數據塊前面作CP，以消除ISI。每個數據塊及其前端的CP組成一個SC-FDE符號。由于CP的未知性，SC-FDE方法很難利用CP進行同步、信道估計以及均衡等操作，即使能夠實現這些功能，其算法復雜度也較高。

【發(fā)明內容】

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

【附圖說明】
[0035]圖1是已有OFDM技術的系統(tǒng)流程框圖。
[0036]圖2是已有SC-FDE技術的系統(tǒng)流程框圖。
[0037]圖3是已有SC-FDE技術中的SC-FDE幀結構示意圖。
[0038]圖4是本發(fā)明提出的信號傳輸方法中的TFU-SCM符號結構框圖。
[0039]圖5是本發(fā)明提出的信號傳輸方法中信號發(fā)送的流程框圖。
[0040]圖6是本發(fā)明提出的信號傳輸方法中信號接收的流程框圖。
【具體實施方式】
[0041]本發(fā)明提出的一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法結合附圖及實施例詳細說明如下:
[0042]本發(fā)明提出的一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0043]I)將發(fā)送端產生的信息依次進行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個符號；
[0044]2)將上述映射后的多個符號組成一個數據塊；
[0045]3)對每個數據塊進行TFU-SCM調制:設UW為一個參考序列；在所述數據塊前端插入由一個或多個UW構成的導頻，并在后端插入一個UW作保護間隔，數據塊與后端的UW組成FFT塊，由導頻塊和FFT塊構成一個時頻域聯合單載波調制符號(簡稱TFU-SCM符號)塊后通過信道發(fā)射出去；
[0046]4)接收端從接收到的TFU-SCM符號塊提取數據塊前端的導頻，進行符號同步和頻率同步；
[0047]5)完成符號同步和載波同步后，利用所述的導頻估計出對應TFU-SCM符號塊通過信道時的信道各頻點的頻域增益；
[0048]6)刪除每個TFU-SCM符號塊中的前端的導頻，得到各個FFT塊；
[0049]7)對所述FFT塊進行傅里葉變換，得到時域FFT塊對應的頻域信號；
[0050]8)利用5)中的頻域增益對所述頻域信號進行均衡操作，得到均衡后的頻域信號；
[0051]9)對所述均衡操作后的頻域信號進行IFFT操作，去除各FFT塊后端的UW，獲得恢復后的數據塊；
[0052]10)對上述恢復后的數據塊依次進行星座逆映射、信道譯碼，得到原始信息。
[0053]上述TFU-SCM符號的結構如圖4所示，由圖4可見，一個TFU-SCM的符號包括兩部分:一部分是由一個或多個UW組成的導頻塊，另一部分是由數據塊及其后面的一個UW組成的FFT塊。
[0054]本發(fā)明提出的一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法的實施例，如圖
5、6所示,包括以下步驟:
[0055]I)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個符號;
[0056]其中的信道編碼的方式可以為卷積碼(Convolutional Code, CC),低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check, LDPC),里德-所羅門石馬(Reed Solomon, RS)等等。
[0057]對信道編碼后的信息進行星座映射，其映射方式可以為二進相移鍵控(BinaryPhase Shift Keying,以下簡稱 BPSK),正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,以下簡稱QPSK), 16點正交幅度調制(16-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡稱16QAM),64 點正交幅度調制(64-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡稱 64QAM)和256 點正交幅度調制(256-Quadrature Amplitude Modulation,以下簡稱 256QAM)等。
[0058]2)將上述映射后的多個符號組成并行數據塊；
[0059]3)對每個數據塊進行TFU-SCM調制:設置UW為一個參考序列；在上述數據塊前端插入由一個或多個UW構成的多個符號導頻，并在后端插入一個UW，數據塊與后端的UW組成FFT塊，由導頻塊和FFT塊構成一個時頻域聯合單載波調制(TFU-SCM)符號塊后(如圖5的虛框中所示)，將各路TFU-SCM符號塊組成幀信號后通過信道發(fā)送。具體TFU-SCM符號塊的生成過程如下:
[0060]3-1)生成UW序列，本實施例中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聯合提出)作為Uff序列，其長度為2的正整數次冪，長度最大值不超過256。UW用作保護間隔時，UW序列長度不小于信道最大時延的長度。例如，系統(tǒng)帶寬為IOMHz時，UW長度可以取64，本實施例的導頻塊中包含4個UW。
[0061]長度為U(U為正整數)的UW序列的同相(In-phase，以下簡稱I)路和正交(Quadrature,以下簡稱Q)路信號分別由下式產生(:
[0062]I [n] = cos (θ [η]) (I)
[0063]Q[η] = sin ( θ [η]) (2)[0064]其中η為O到U— I范圍內的任意整數。
[0065]其中相位θ [η]可以有兩種選擇，當產生Frank-Zadoff序列時，取θ [η]=θ Frank [nI，當產生 CtlU 序列時，θ [η] = Θ chu [η]。
[0066]θ Frank [η]的表達式為:
【權利要求】
1.一種采用時頻域聯合的單載波調制的信號傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將發(fā)送端要發(fā)送的信息依次進行信道編碼和星座映射，得到映射后的多個符號； 2)將上述映射后的多個符號組成一個并行數據塊； 3)對每個數據塊進行TFU-SCM調制:設UW為一個參考序列；在上述數據塊前端插入由若干個UW構成的導頻，并在后端插入一個UW，數據塊與后端的UW組成FFT塊，由導頻塊和FFT塊構成一個時頻域聯合單載波調制符號塊，將各路TFU-SCM符號塊組成幀信號后通過信道發(fā)送； 4)接收端從接收到的時頻域聯合單載波調制符號塊提取數據塊前端的導頻，進行符號同步和頻率同步； 5)完成符號同步和載波同步后，利用所述的導頻估計出對應時頻域聯合單載波調制符號塊通過信道時的信道各頻點的頻域增益； 6)刪除每個時頻域聯合的單載波調制符號塊中的前端的導頻，得到各個FFT塊； 7)對所述FFT塊進行傅里葉變換，得到時域FFT塊對應的頻域信號； 8)利用(5)中的頻域增益對上述頻域信號進行均衡操作，得到均衡后的頻域信號； 9)對上述均衡后的頻域信號進行IFFT操作，去除各數據塊后端的UW，將獲得恢復后的數據塊； 10)對上述恢復后的數據塊依次進行星座逆映射、信道譯碼，得到原始信息。
【文檔編號】H04L27/26GK103973619SQ201410190722
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】曾捷, 粟欣, 劉莉莉, 容麗萍, 李澤嬌 申請人:清華大學