CN101184078A - 一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法及其通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法及其通信系统，属于数字信息传输技术领域。所述方法包括：序列长度选择、序列选择、序列填充结构选择、信道估计算法，在上述步骤中使用广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列。广义勒让德序列包括勒让德符号、勒让德序列、扩展勒让德序列。使用广义勒让德序列或其逆傅立叶变换作为训练序列的优点是，广义勒让德序列长度选择更多，可以较完整填充保护间隔；频域平坦；时域二值或三值，且具有对称性，时域处理容易；频域二值或三值，信道估计运算复杂度低，估计精度高。

Description

一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法及其通信系统

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)多载波系统(Multi Carrier，MC)或单载波(Single Carrier，SC)系统中基于训练序列(Training Sequence，TS)作为保护间隔填充的通信系统。

背景技术

通信系统的核心是如何在有限的带宽内提高传输效率和可靠性。因此，在数字电视或计算机系统中，每个传输帧的净荷或有效数据部分应该占传输帧尽可能大的部分，以便提高系统的传输效率。同时，系统应该能够识别和补偿传输信道的特性变化，以便实现可靠传输。要实现上述高效率和高可靠性，系统要能从信道传输的特定信号中恢复时钟、恢复载波和估计信道特性，并且此信号也作为传输信号的保护间隔和帧同步。

此外单载波和多载波调制系统在无线多径传输信道下，会产生频率选择性衰落，即符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)，对以数据块为单位传输的系统会造成块间干扰(InterBlock Interference，IBI)。对抗多径干扰的一种方法是在传输数据块之间加入保护间隔(GuardInterval，GI)。通常保护间隔的长度不小于信道的最大多径延时，则保护间隔之间的数据块没有块间干扰。保护间隔的填充方法有多种：循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，零填充(Zero Padding，ZP)。循环前缀填充的OFDM系统帧结构如图1所示，DFT(离散傅立叶变换)(或者FFT，快速傅立叶算法)块A2位于循环前缀段A1之后，循环前缀用作DFT的保护间隔。零填充的OFDM系统帧结果如图2所示，DFT块后面跟着零填充段，此零填充段用作DFT块的保护间隔。参见文献[Muquet B，Wang Z，Giannakis G.B，Courville M.de，and Duhamel P，CyclicPrefixing or Zero Padding for Wireless Multicarrier Transmissions，IEEE Trans.onCommunications，2002，50(12)：2136-2148]。CP-OFDM(循环前缀的正交频分复用系统)目前已经得到了广泛应用，如数字音频广播(DigitalAudio Broadcasting，DAB)，地面数字视频广播(Terestrial Digital Video Broadcasting，DVB-T)，IEEE 802.11a、HIPERLAN/2无线局域网标准等都使用到了CP-OFDM。

清华大学申请的中国发明专利[正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法，申请号01124144.6]提出了第三种OFDM帧格式。如图3所示，DFT块后面跟着伪随机序列(Pseudorandom Noise，PN)填充，此PN填充段用作DFT块的保护间隔。该结构称为PN填充的OFDM(PN Padding OFDM，PNP-OFDM)。PN序列作为训练序列具有自相关特性好，时域是二值，时域处理简单等特点。一般PN序列特指m序列，m序列长度为2^M-1，其中M为正整数，在信道估计时用FFT/IFFT辅助计算循环卷积时不方便，并且保护间隔长度选择很少，因此需要考虑m序列的扩展或截断。m序列的扩展或截断可看作广义PN序列，如中国数字电视地面传输标准中的PN420和PN945就为m序列的延拓，其帧结构如图4所示。而PN595为m序列的截断，它们都可以看作是广义PN序列。参见文献[数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，中华人民共和国国家标准GB20600-2006]。由于广义PN序列在频域一般不是平坦的，因此序列在使用FFT进行信道估计时会放大噪声。以中国地面数字标准中填充所用的一个长度L＝420的广义PN序列为例，在DFT变换域的最小幅度低达标准差的0.08。经过DFT域的除法运算后，最小幅度DFT点的噪声被放大1/0.08倍。经过计算得到，噪声功率平均被放大了4.09倍，即噪声被放大了6.11dB。

中国发明专利[基于二值全通序列保护间隔填充的频域信道估计方法，申请号200710065404.9]提出了一种利用二值全通序列(Binary All Pass，BAP)的填充方法。BAP序列具有频域幅度恒定，自相关特性好等特点，且进行频域信道估计时运算复杂度低，估计精度高。BAP序列的缺点是峰均比值较高，时域相关比较复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，对基于训练序列填充的调制系统，为了降低时域相关复杂度、信道估计复杂度和提高时域相关精度、信道估计精度，本发明提出了一种利用广义勒让德序列或者其离散傅立叶逆变换作为训练序列的填充方法以及采用该方法的通信系统。

定义的广义勒让德序列包括勒让德符号、勒让德序列、扩展勒让德序列。勒让德符号是基于二次剩余构造的，其长度L为质数，其构造方法是：

勒让德符号c＝[c(0)，c(1)，c(L-1)]的频域C满足：

$C\left(i\right)=\sqrt{L}c\left(i\right),$ 0≤i＜L，L≡1(mod4)

$C\left(i\right)=-j\sqrt{L}c\left(i\right),$ 0≤i＜L，L≡3(mod4)

即勒让德符号的频域、时域满足线性关系。且L≡3(mod4)时勒让德符号具有奇对称性，L≡1(mod4)时勒让德符号具有偶对称性。参见文献[M.R.Schroeder，Number Theory in Scienceand Communication：With Applications in Cryptography，Physics，Digital Information，Computing，and Self-Similarity，Fourth Edition，Springer，2006，pp.181-189]。

勒让德序列是一个基于Hadamard差集的具有最佳周期自相关函数的二进制序列，其长度L为质数，且满足模4余3，其构造方法与勒让德符号相似：

参见文献[H.J.Zepernick，A.Finger，Pseudo Random Signal Processing：Theory andApplication，John Wiley & Son，2005，pp.106-112]。

勒让德序列c＝[c(0)，c(1)，c(L-1)]的频域C满足：

$C\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& i=0\\ 1-j\sqrt{L}c\left(i\right),& 0<i<L\end{array}\right.$

扩展勒让德序列是本发明定义的一种勒让德序列，其长度L为质数，且满足模4余1，其构造方法是：

其中j²＝-1。扩展勒让德序列c＝[c(0)，c(1)，c(L-1)]的频域C满足：

$C\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}j,& i=0\\ \sqrt{L}c\left(i\right)+j,& 0<i<L\end{array}\right.$

此外，前述扩展勒让德序列的取反、翻转、循环移位后得到的构造序列也都可以归纳为扩展勒让德序列。

广义勒让德序列较m序列可选择长度更多，通常可以找到更接近保护间隔长度的广义勒让德序列，从而避免采用图4形式的帧结构，该帧结构在多径信道下可能使同步过程捕捉到错误的主峰位置和前径位置。一个长度为192的广义PN序列滑动相关结果如图5所示，一个长度为191的勒让德序列滑动相关结果如图6所示。图5中，在高斯白噪声信道下，广义PN序列出现了3个峰值；而在图6中，广义勒让德序列只有一个峰值。由于采用广义PN序列与广义勒让德序列相比出现了更多的干扰峰值，使得在采用广义PN序列时，容易捕捉到错误的前径位置；因此在多径情况下，广义PN序列更可能出现捕捉错误的情况。此外，由于勒让德序列具有奇对称性或偶对称性，因此可以利用相关器结构来简化相关运算复杂度。例如，可以采用如图7所示的一种相关器结构来简化相关运算复杂度。

广义勒让德序列时域二值或三值，且时域、频域平坦。一个长度为192的广义PN序列的时域、频域幅度特性如图8所示，一个长度为191的勒让德序列的时域、频域幅度特性如图9所示。由图8可以看出，广义PN序列频域不平坦，进行信道估计会放大误差；由图9可以看出，勒让德的序列频域平坦，进行信道估计精度高。此外使用广义勒让德序列的离散傅立叶逆变换作为训练序列，其频域二值，频域信道估计复杂度低。

综上，本发明提出了一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法及其通信系统。

其中，所述的一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法具体包括：

一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法，在系统的传输数据之间，利用广义勒让德序列或者其离散傅立叶逆变换作为训练序列来填充保护间隔，其步骤如下：

步骤A：根据给定的保护间隔长度，搜索最接近该长度的广义勒让德序列；

步骤B：选择广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列；

步骤C：根据选定的长度，选择训练序列的填充帧结构；

步骤D：发端将训练序列与传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；

步骤E：收端接收发射信号，通过将接收信号与发射训练序列作相关得到相关峰获得定时、载波偏差信息，并校正定时、载波偏差；

步骤F：收端分离数据和训练序列，并重构训练序列与信道估计的的循环卷积；

步骤G：计算训练序列与信道估计循环卷积的离散傅立叶变换，完成信道估计。

进一步，所述的广义勒让德序列为：

勒让德符号；

或者，

勒让德序列；

或者，

扩展勒让德序列，所述的扩展勒让德序列的长度为L，L为质数，L模4余1，其构造方法是：

第一个符号为j，其余符号利用二次剩余方法构造，其中j²＝-1。

进一步，所述的广义勒让德序列为：

将所述构造方法得到的构造序列取反后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列翻转后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列循环移位后得到的构造序列。

进一步，所述的勒让德符号的时域、频域均是{0，-1，+1}的三值序列，时域、频域相同；

或者，

所述的勒让德序列的时域是{-1，+1}的二值序列，频域是三值序列；

或者，

所述的扩展勒让德序列的时域是{-1，+1，j}的三值序列，频域是三值序列；

或者，

勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域是{-1，+1}的二值序列，时域是三值序列；

或者，

扩展勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域序列频域是{-1，+1，j}的三值序列，时域是三值序列；

进一步，所述步骤C包括：

如果保护间隔长度N大于训练序列长度L，则采用训练序列延拓的帧结构；

如果保护间隔长度N小于训练序列长度L，则采用训练序列和数据重叠的帧结构；

如果保护间隔长度N等于训练序列长度L，则直接采用训练序列填充保护间隔。

所述的采用上述保护间隔的填充方法的通信系统具体如下：

一种正交频分复用调制系统中基于训练序列作为保护间隔填充的通信系统，在系统的传输数据之间，利用广义勒让德序列或者其离散傅立叶逆变换作为训练序列来填充保护间隔，所述的通信系统中还包括以下单元：

搜索单元：根据给定的保护间隔长度，搜索最接近该长度的广义勒让德序列，将搜索得到的广义勒让德序列传递给选择单元；

选择单元：选择广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列，将选择后的训练序列传递给帧结构填充单元；

帧结构填充单元：根据选定的长度，选择训练序列的填充帧结构，将选定的填充帧结构传递给发端；

发端：发端将训练序列与传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；

收端：收端接收发射信号，通过将接收信号与发射训练序列作相关得到相关峰获得定时、载波偏差信息，并校正定时、载波偏差；收端分离数据和训练序列，并重构训练序列与信道估计的的循环卷积，并传递给信道估计单元；

信道估计单元：信道估计单元计算训练序列与信道估计循环卷积的离散傅立叶变换，完成信道估计。

本发明提出的采用广义勒让德序列或者其离散傅立叶逆变换作为训练序列的通信方法及其通信系统，具有训练长度选择多，时域相关简单，频域信道估计复杂度低、精度高等特点。使用广义勒让德序列或其逆傅立叶变换作为训练序列的优点是，广义勒让德序列长度选择更多，可以较完整填充保护间隔；频域平坦；时域二值或三值，且具有对称性，时域处理容易；频域二值或三值，信道估计运算复杂度低，估计精度高。

附图说明

图1是现有多载波系统中CP-OFDM帧格式的一种结构示意图；

图2是现有多载波系统中ZP-OFDM帧格式的一种结构示意图；

图3是现有多载波系统中PNP-OFDM帧格式的一种结构示意图；

图4是中国数字电视地面传输标准中定义的PN420、PN945帧结构示意图；

图5是长度为192的广义PN序列滑动相关结果；

图6是长度为191的勒让德序列滑动相关结果；

图7是勒让德序列相关器的结构示意图；

图8是长度为192的广义PN序列的时域、频域幅度特性；

图9是长度为191的勒让德序列的时域、频域幅度特性；

图10是勒让德序列及其离散傅立叶逆变换作为训练序列填充的方法流程图；

图11是基于序列延拓的帧结构示意图；

图12是基于序列重叠的帧结构示意图；

图13是基于训练序列填充的多载波调制系统发射端结构框图；

图14是长度192的广义PN192序列的信道估计结果；

图15是长度193的扩展勒让德训练序列的逆离散傅立叶变换序列的信道估计结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、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。

本发明实施提供的使用勒让德序列及其离散傅立叶逆变换作为训练序列的通信系统，具有长度选择多样的特性，可以更好的满足训练序列的长度接近整个保护间隔长度的需求；广义勒让德序列的时域取值集合小且具有对称性，可简化相关复杂度；广义勒让德序列的频域平坦可提高信道估计精度；广义勒让德序列的离散傅立叶逆变换序列的频域具有二值特性，简化信道估计复杂度。

参见图10，显示了本发明实施提供的使用勒让德序列及其离散傅立叶逆变换作为训练序列填充的方法流程，具体包括以下步骤：

步骤101：根据给定的保护间隔长度，搜索最接近该长度的广义勒让德序列；

假设调制系统保护间隔长度N＝192，帧体长度M＝1536。搜索接近192的质数得到，191和193均为质数，且191≡3(mod4)，193≡1(mod4)，因此有长度191的勒让德序列和长度193的扩展勒让德序列。

步骤102：选择广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列；

可选择长度为191的勒让德序列或长度193的扩展勒让德序列的离散傅立叶逆变换作为训练序列。

步骤103：根据选定的长度，选择训练序列的填充帧结构；

长度为191的勒让德序列的长度小于保护间隔长度，因此选择延拓的帧结构，如图11所示；

长度为193的扩展勒让德序列的离散傅立叶逆变换长度大于保护间隔长度，但是其第一个符号幅度仅为其他符号功率的即其他符号能量比第一个符号大22dB，因此可以选择重叠的帧结构，将第一个符号与上一帧帧体的最后一个符号重叠在一起，如图12所示；

步骤104：发端将训练序列与传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；

输入信号经过信道编码、映射、成帧适配、多载波/单载波调制，然后将训练序列按照上述方法插入帧体之间，通过射频前端发射出去。如图13所示。

步骤105：收端接收发射信号，通过将接收信号与发射训练序列作相关得到相关峰获得定时、载波偏差信息，并校正定时、载波偏差；

通过本地广义勒让德序列与接收信号的滑动相关得到相关峰，利用相关峰的特性得到定时和载波偏差的信息。可参考文献[Z.X Yang，J.Wang，C.Y. Pan，et al.A combined codeacquisition and symbol timing recovery method for TDS-OFDM，IEEE Trans.Broadcast.，vol 49，no 3，pp.304-308，Sept.2003]。

步骤106：收端分离数据和训练序列，并重构训练序列与信道估计的的循环卷积；

基于训练序列填充的信道估计算法，存在训练序列和数据相互干扰的问题，通过迭代的方法分离训练序列和数据。可参考文献[J.Wang，Z.Yang，C.Y. Pan，et al.Iterative PaddingSubtraction of the PN Sequence for the TDS-OFDM over Broadcast Channels，IEEE Trans.Consumer Electronics，vol.51，no.4，pp.1148-1152，Nov.2005]。可以得到长度为L的训练序列c(n)与长度为L的信道冲激响应h(n)的线性卷积：

r(n)＝c(n)*h(n)+v(n)，0≤n＜2L

其中“*”表示线性卷积。重构得到训练序列与信道冲激响应的循环卷积：

y(n)＝c(n)h(n)+w(n)，0≤n＜L

其中“”表示循环卷积，w(n)v(n)是循环卷积结果叠加的噪声，y(n)由下式重构得到：

y(n)＝r(n)+r(n+L)

步骤107：计算训练序列与信道估计循环卷积的离散傅立叶变换，完成信道估计；

训练序列c(n)和训练序列与信道估计循环卷积y(n)的离散傅立叶变换分别为C(k)、Y(k)，0≤k＜L如果训练序列为勒让德序列的离散傅立叶逆变换则C(k)是{+1，-1}的二值序列，则信道冲激响应的估计为：

$\hat{h}\left(n\right)=\mathrm{IDFT}\left(\frac{Y\left(k\right)}{C\left(k\right)}\right)$

由于X(k)是{+1，-1}的二值序列，信道估计的除法运算十分简单。此外由于勒让德序列的频域平坦，信道估计的精度高。可参考文献[Y.Zeng；T.S.Ng，Pilot cyclic prefixed single carriercommunication：channel estimation and equalization，IEEE Signal Processing Letters，Vol 12，Issue1，Jan.2005，pp.56-59]。假设信道h(n)＝0.5δ(n-10)+0.5δ(n-30)，信噪比SNR＝10dB，并忽略数据对训练序列的干扰。使用长度192的广义PN192序列的信道估计结果如图14所示，使用长度193的扩展勒让德训练序列的逆离散傅立叶变换序列的信道估计结果如图15所示，可以看出长度193的扩展勒让德训练序列的逆离散傅立叶变换序列的信道估计结果较广义PN192序列准确。进一步地，本实施例提供的长度为193的扩展勒让德序列的信道估计对于勒让德序列、勒让德符号也是类似的，其步骤与本实施例中类似，这里不再赘述。

上面对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例。例如，本发明中也可以采取长度为419，593，943等其它长度的广义勒让德序列；以及，使用将广义勒让德序列通过取反、翻转、循环移位等方法得到的序列。在本发明权利要求的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法，其特征在于，在系统的传输数据之间，利用广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列来填充保护间隔，包括步骤如下：

步骤A：根据给定的保护间隔长度，搜索最接近该长度的广义勒让德序列；

步骤B：选择广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列；

步骤C：根据选定的长度，选择训练序列的填充帧结构；

步骤D：发端将训练序列与传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；

步骤E：收端接收发射信号，通过将接收信号与发射训练序列作相关得到相关峰获得定时、载波偏差信息，并校正定时、载波偏差；

步骤F：收端分离数据和训练序列，并重构训练序列与信道估计的的循环卷积；

步骤G：计算训练序列与信道估计循环卷积的离散傅立叶变换，完成信道估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的广义勒让德序列为：

勒让德符号；

或者，

勒让德序列；

或者，

扩展勒让德序列，所述的扩展勒让德序列的长度为L，L为质数，L模4余1，其构造方法是：

第一个符号为j，其余符号利用二次剩余方法构造，其中j²＝-1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的广义勒让德序列为：

将所述构造方法得到的构造序列取反后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列翻转后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列循环移位后得到的构造序列。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述的勒让德符号的时域、频域均是{0，-1，+1}的三值序列，时域、频域相同；

或者，

所述的勒让德序列的时域是{-1，+1}的二值序列，频域是三值序列；

或者，

所述的扩展勒让德序列的时域是{-1，+1，j}的三值序列，频域是三值序列；

或者，

勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域是{-1，+1}的二值序列，时域是三值序列；

或者，

扩展勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域序列频域是{-1，+1，j}的三值序列，时域是三值序列；

5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括：

如果保护间隔长度N大于训练序列长度L，则采用训练序列延拓的帧结构；

如果保护间隔长度N小于训练序列长度L，则采用训练序列和数据重叠的帧结构；

如果保护间隔长度N等于训练序列长度L，则直接采用训练序列填充保护间隔。

6.一种正交频分复用调制系统中基于训练序列作为保护间隔填充的通信系统，其特征在于，在系统的传输数据之间，利用广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列来填充保护间隔，所述的通信系统中还包括以下单元：

搜索单元：根据给定的保护间隔长度，搜索最接近该长度的广义勒让德序列，将搜索得到的广义勒让德序列传递给选择单元；

选择单元：选择广义勒让德序列或其离散傅立叶逆变换作为训练序列，将选择后的训练序列传递给帧结构填充单元；

帧结构填充单元：根据选定的长度，选择训练序列的填充帧结构，将选定的填充帧结构传递给发端；

发端：发端将训练序列与传输数据块依次经组帧和后端处理后得到基带输出；

收端：收端接收发射信号，通过将接收信号与发射训练序列作相关得到相关峰获得定时、载波偏差信息，并校正定时、载波偏差；收端分离数据和训练序列，并重构训练序列与信道估计的的循环卷积，并传递给信道估计单元；

信道估计单元：信道估计单元计算训练序列与信道估计循环卷积的离散傅立叶变换，完成信道估计。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，所述的广义勒让德序列为：

勒让德符号；

或者，

勒让德序列；

或者，

扩展勒让德序列，所述的扩展勒让德序列的长度为L，L为质数，L模4余1，其构造方法是：

勒让德序列第一个符号为j，其余符号利用二次剩余方法构造，其中j²＝-1。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述的广义勒让德序列为：

将所述构造方法得到的构造序列取反后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列翻转后得到的构造序列；或者，

将所述构造方法得到的构造序列循环移位后得到的构造序列。

9.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，

所述的勒让德符号的时域、频域均是{0，-1，+1}的三值序列，时域、频域相同；

或者，

所述的勒让德序列的时域是{-1，+1}的二值序列，频域是三值序列；

或者，

所述的扩展勒让德序列的时域是{-1，+1，j}的三值序列，频域是三值序列；

或者，

勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域是{-1，+1}的二值序列，时域是三值序列；

或者，

扩展勒让德序列的离散傅立叶逆变换频域序列频域是{-1，+1，j}的三值序列，时域是三值序列；

10.根据权利要求6或7或8或9所述的通信系统，其特征在于，所述的帧结构填充单元按照下述方式选择帧结构：

如果保护间隔长度N大于训练序列长度L，则采用训练序列延拓的帧结构；

如果保护间隔长度N小于训练序列长度L，则采用训练序列和数据重叠的帧结构；

如果保护间隔长度N等于训练序列长度L，则直接采用训练序列填充保护间隔。

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