CN101127750B - 一种单载波或多载波块传输系统及其保护间隔填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单载波或多载波块传输系统及其保护间隔的填充方法，涉及数字信息传输技术领域。本发明使用时频实数序列填充保护间隔，所述时频实数序列的时域和频域均为实数序列。采用本发明实施例可消除数据块间的干扰，并且保护间隔填充的序列具有对称性、描述简单和运算简化等优点。本发明进一步提出一种兼容时域二值时频实数序列(BTR)和频域二值时频实数序列(BFR)的两种时频实数序列(TFR)保护间隔填充的单载波或多载波块传输系统。

Description

一种单载波或多载波块传输系统及其保护间隔填充方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种单载波或多载波块传输系统及在所述块传输系统中基于时频实数序列的保护间隔填充方法。 

背景技术

当前无线通信技术主要解决的问题是如何在有限的带宽内可靠地提高传输速率。单载波和多载波调制系统在多径传输信道下，会发生频率选择性衰落，即符号间干扰(Inter SymbolInterference，ISI)。在数据块传输(Block Transmission)系统中，符号间干扰表现为块间干扰和块内干扰两种形式。图1.a所示为块传输系统中块间干扰的示意图(Inter Block Interference，IBI)，其中，每一个数据块会对下一个数据块产生干扰。块间干扰的最大长度是信道的最大多径延时，即图1.a中阴影部分的长度。 

解决块间干扰的一种有效方法是在传输数据块之间加入保护间隔(Guard Interval，GI)。如图1.b所示，在数据块Block0、Block1、Block2、Block3之间分别加入了保护间隔P1、P2、P3。通常当保护间隔的长度不小于信道的最大多径延时时，则经过多径传输信道后保护间隔之间的数据块没有干扰，如图1.c所示。因此，在数据传输中存在以下三种符号间干扰：数据块对保护间隔的干扰、保护间隔对数据块的干扰和数据块内部的干扰。 

通过保护间隔的已知信息可以消除保护间隔对数据块的干扰，通过数据解调可以消除数据块对保护间隔的干扰；通过信道估计和信道均衡的方法可以消除在数据块之内存在的符号间干扰。 

最终多径传输信道引入的符号间干扰通过加入保护间隔的块传输系统得到了抑制和消除。 

保护间隔的填充方法有多种，包括循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，零填充(Zero Padding，ZP)和训练序列填充。现有技术中的训练序列填充方式包括伪随机或伪噪声序列(Pseudo Noise，PN)填充和二值全通序列(Binary All Pass，BAP)填充，如图1.d所示。训练序列填充方法在对抗块间干扰的同时还可以辅助进行帧同步(数据块同步)、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等，保障无线系统的可靠传输，因此在多载波和单载波系统中得到广泛应用。 

对于PN序列填充的系统，训练序列在时域是二值实数，为+1或-1，但在离散傅立叶变换域(以下称为频域)为多值复数。对于BAP序列填充的系统，训练序列在频域是二值实数，为+1或-1，但在时域一般为多值复数。训练序列填充方法只要求填充的序列为已知序列，其时域、频域、和自相关等特性可根据需要设计。例如训练序列填充方法也可以选择CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation)序列。CAZAC序列在时域和频域均是恒定幅度，但时域和频域一般为多值复数。 

对于训练序列填充的系统，解调端需要对训练序列进行时域操作，如实现帧同步和定时恢复的时域相关操作，同时也需要对训练序列进行频域操作，如频域信道估计的除法运算。因此从实际系统出发，需要训练序列在时域和频域都能简单描述，以降低系统复杂度和运算复杂度。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种单载波或多载波块传输系统中保护间隔的填充方法，通过提供一种时频实数序列，以消除数据块间干扰，降低现有训练序列中频域和时域多值，运算复杂的问题。 

本发明的另一目的在于提供一种单载波或多载波传输系统，通过提供时频实数序列，保护间隔填充可以兼容BTR和BFR两种序列，数据传输可兼容单载波和多载波两种传输方式。 

基于上述目的，本发明实施例提供一种新型训练序列，即一种时频实数序列，所述时频实数序列的时域是实数序列，所述时频实数序列的离散傅立叶变换也是实数序列。 

本发明实施例还提供了一种单载波或多载波传输系统中保护间隔的填充方法，所述方法包括以下步骤： 

生成符合系统保护间隔长度的时频实数序列，所述时频实数序列的时域是实数序列，所述时频实数序列的离散傅立叶变换是实数序列，所述时频实数序列包括时域二值的实数序列和频域二值的实数序列，所述时域二值的实数序列与所述频域二值的实数序列互为离散傅立叶变换和反变换对； 

生成符合系统要求的单载波或多载波串行符号； 

在保护间隔期间，依次串行输出TFR序列符号，在数据块期间，依次串行输出单或多载波符号，最后得到基于时频实数序列保护间隔填充的块传输系统帧。 

本发明实施例还提供了一种块传输系统，所述系统包括纠错编码及星座映射模块、串并转换模块(S/P)、反离散傅立叶变换模块(IDFT)、并串转换模块(P/S)、第一选通开关、组 帧模块和后端处理模块，所述系统还包括： 

第二选通开关，用于选择时域二值时频实数序列或频域二值时频实数序列，并将选择后的序列发送到所述组帧模块； 

离散傅立叶变换模块(DFT)，用于将时域二值时频实数序列变换为频域二值时频实数序列，并将所述频域二值时频实数序列发送到所述第二选通开关； 

输入数据经纠错编码星座映射模块后，通过第一选通开关发送给组帧模块，或者经过串并转换模块、反离散傅立叶变换模块和并串转换模块后，再通过第一选通开关送给组帧模块； 

BTR序列通过第二选通开关发送给组帧模块，或者经过离散傅立叶变换模块得到BFR序列后，再通过第二选通开关送给组帧模块； 

所述组帧模块将输出的信号发送到所述后端处理模块，得到基带输出。 

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：提出一种新的训练序列保护间隔填充方法，该方法可以消除数据块间产生的干扰，降低基于保护间隔的数据块传输系统中训练序列的时域操作和频域操作复杂度；提供了兼容BTR和BFR两种TFR序列的基于保护间隔填充的单载波或多载波块传输系统，使得系统配置和实施方案更灵活。 

附图说明

图1.a为现有技术中块间干扰(Inter Block Interference，IBI)的示意图； 

图1.b为现有技术中保护间隔(Guard Interval，GI)的示意图； 

图1.c为现有技术中保护间隔可消除块间干扰的示意图； 

图1.d为现有技术中基于一种训练序列的保护间隔填充方法示意图； 

图1.e描述了本发明实施例1所述的保护间隔填充方法示意图； 

图2为本发明实施例1所述保护间隔填充方法流程图； 

图3为本发明实施例2所述兼容BTR序列和BFR序列的单载波或多载波调制系统的示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

实施例1 

本发明实施例提出了一种新的基于训练序列的保护间隔填充方法，可用于正交分频复用 单载波或多载波系统。该填充方法主要针对块传输系统的组帧，块传输系统的组帧包括保护间隔符号和数据块符号。一帧包括一个保护间隔和保护间隔之后的一个数据块。如图2所示，在数字集成电路或计算机中，本发明实施例的具体实施方式如下： 

步骤101：生成符合系统保护间隔长度的时频实数序列(Time-Frequency Real Sequence，TFR序列)。 

本发明实施例提出了一种新的训练序列，即TFR序列。该TFR序列在时域为实数序列，其离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)也是实数序列。TFR序列包括两种二值序列，时域二值的BTR序列和频域二值的BFR序列，二者互为离散傅立叶变换和反变换对。 

以BTR序列为例，假定序列长度为N，{x(n)}是BTR序列，{x(k)}是{x(n)}的离散傅立叶变换，则x(n)＝+1或-1，其中n＝0，1，...，N-1。根据离散傅立叶变换性质，由于{x(k)}的虚部为0，则x(n)满足对称性，即x(n)＝x(mod(N-n，N))，其中n＝0，1，...，N-1。 

因此根据上述两个约束条件，时域二值和时域对称性，可产生BTR序列。类似地，根据离散傅立叶变换和反变换性质，可设计BFR序列，如BTR的离散傅立叶变换就是BFR序列。 

由于满足定义的TFR序列很多，在设计基于TFR序列的传输系统时，可兼顾其它指标，根据系统的性能参数选择满足要求的时频实数序列。以BFR序列为例，假定序列长度为N，{y(k)}是BFR序列，{y(n)}是{y(k)}的反离散傅立叶变换。选择峰均比作为性能参数，搜索满足该性能要求的BFR。定义某个序列的峰均比为：此序列的峰值功率和平均功率之比。不同BFR序列的时域峰均比(Peak-to-Average-Power-Ratio，PAPR)不一样，考虑到峰均比是多载波和单载波无线通信系统的一个重要特性，因此搜索峰均比低的BFR序列是十分必要的。以N＝192为例，考虑到约束条件，共有2⁹⁷个序列满足BFR序列定义。可以利用Monte Carlo方法从2⁹⁷的序列空间随机选择序列，搜索峰均比最小的序列。实验中，随机搜索5000000次，搜索到的BFR序列二进制表示如下：{X(k)}＝[0111010111001010 01101110110001100010001000010111 1000100001110000 1011000011010111 00110110010010011100100100110110 0111010110000110 1000011100001000 11110100001000100011000110111011 0010100111010111]，其中比特1代表+1，比特0代表-1，其峰均比为4.73dB。选择搜索到的BFR填充到保护间隔中。 

根据定义，BFR序列也是BAP序列，因此BAP序列的搜索方法可类似地应用于BFR序列的搜索，如利用频域PN序列截断的方法。类似地，根据离散傅立叶变换和反变换性质，可搜索BTR序列。 

步骤102：生成符合系统要求的单载波或多载波串行符号，如图3所示，通过选通开关1 可以产生单载波或多载波串行符号。 

步骤103：在保护间隔期间，依次串行输出TFR序列符号，在数据块期间，依次串行输出单或多载波符号，最后得到基于时频实数序列保护间隔填充的块传输系统帧。采用本发明实施例提出的基于TFR序列的保护间隔填充方法，填充后的内容如图1.e所示。 

与其它训练序列类似，TFR序列也可用于帧同步、定时恢复、载波恢复、和信道估计。由于TFR时域和频域均为实数序列，并且BTR序列具有时域二值特性和BFR序列具有频域二值特性，因此BTR和BFR序列在时域和频域的运算更简单，其中，时频实数序列将复数计算简化为实数运算，二值实数序列将复数乘除运算简化为加减运算。 

本发明实施例提出的BTR序列与PN序列在时域相似，但频域描述更为简单，因此用于PN序列的自相关和信道估计等运算可直接应用于BTR序列，并且频域计算更简单。本发明提出的BFR序列与BAP序列在频域相似，但时域更为简单，因此用于BAP序列的自相关和信道估计等运算可直接应用于BFR序列，并且时域计算更简单。同时由于离散傅立叶变换和反变换的特性，TFR序列在时域和频域均具有对称特性，可用于进一步简化系统设计和序列运算。 

实施例2 

本发明实施例提供了一种兼容BTR和BFR两种序列的单载波或多载波块传输系统。保护间隔填充方法与系统调制方式无关，因此基于训练序列的保护间隔填充方法可以用于单载波和多载波并存的系统。又由于BTR序列和BFR序列互为离散傅立叶变换和反变换，因此本发明提出兼容BTR和BFR两种序列的单载波或多载波块传输系统。 

如图3所示，本发明实施例所述块传输系统具体包括：纠错编码及星座映射模块、串并转换模块、反离散傅立叶变换模块、并串转换模块、第一选通开关、组帧模块和后端处理模块、第二选通开关和离散傅立叶变换模块。 

输入数据经纠错编码和星座映射模块后，可直接通过第一选通开关送给组帧单元，这是单载波调制模式；也可以经过串并转换(S/P)、反离散傅立叶变换(IDFT)、和并串转换(P/S)模块后，再通过第一选通开关送给组帧单元，这是正交频分复用OFDM多载波调制模式。BTR序列可以通过第二选通开关送给组帧单元，这是BTR序列填充模式；也可以经过离散傅立叶变换(DFT)得到BFR序列后，再通过第二选通开关送给组帧单元，这是BFR序列填充模式。因此，通过开关2，可以在BTR序列填充和BFR序列填充之间切换；通过第一选通开关，可以在单载波和OFDM多载波调制模式之间切换。本发明通过兼容多种模式，在系统资源少量增加的情况下，提供了更灵活的系统配置和实施方案。 

上面对本发明的具体实施实例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施实例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的科学技术人员可做出各种修改或改型。 

Claims (5)

1.一种单载波或多载波块传输系统中保护间隔的填充方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

生成符合系统保护间隔长度的时频实数序列，所述时频实数序列的时域是实数序列，所述时频实数序列的离散傅立叶变换也是实数序列，所述时频实数序列包括时域二值的实数序列和频域二值的实数序列，所述时域二值的实数序列与所述频域二值的实数序列互为离散傅立叶变换和反变换对；

生成符合系统要求的单载波或多载波串行符号；

在保护间隔期间，依次串行输出时频实数序列符号，在数据块期间，依次串行输出单载波或多载波符号，最后得到基于时频实数序列保护间隔填充的数据块传输系统帧。

2.如权利要求1所述的保护间隔的填充方法，其特征在于，所述时域二值时频实数序列的时域为二值序列，二值为+1和-1，频域为多值实数序列。

3.如权利要求1所述的保护间隔的填充方法，其特征在于，所述频域二值时频实数序列的频域为二值序列，二值为+1和-1，时域为多值实数序列。

4.如权利要求1-3中任意一项权利要求所述的保护间隔的填充方法，其特征在于，所述方法还包括根据系统的性能参数搜索满足要求的时频实数序列。

5.一种单载波或多载波传输系统，所述系统包括纠错编码及星座映射模块、串并转换模块、反离散傅立叶变换模块、并串转换模块、第一选通开关、组帧模块和后端处理模块，其特征在于，所述系统还包括：

第二选通开关，用于选择时域二值时频实数序列或频域二值时频实数序列，并将选择后的序列发送到所述组帧模块；

离散傅立叶变换模块，用于将时域二值时频实数序列变换为频域二值时频实数序列，并将所述频域二值时频实数序列发送到所述第二选通开关；

输入数据经纠错编码及星座映射模块后，通过第一选通开关发送给组帧模块，或者经过串并转换模块、反离散傅立叶变换模块和并串转换模块后，再通过第一选通开关发送给组帧模块；

时域二值时频实数序列通过第二选通开关发送给组帧模块，或者经过离散傅立叶变换模块得到频域二值时频实数序列后，再通过第二选通开关送给组帧模块；

所述组帧模块将输出的信号发送到所述后端处理模块，得到基带输出。

Images