CN101237438A - 一种应用于无线传感网的多载波解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线传感网的多载波解调装置，至少包括去CP器、多载波解调器、子载波提取器、信道估计器、均衡器和判决器，多载波解调器和去CP器相连，子载波提取器和多载波解调器相连，均衡器分别与子载波提取器和信道估计器相连，判决器和均衡器相连，解扰器与判决器相连。本发明通过将可用频段划分成若干个子载波，在每个子载波上传输低速的数据流，同时允许各个子载波的频谱互相重叠，从而有效克服无线信道中多径造成的符号间干扰，能获得较高的频谱效率。另外，本发明采用快速傅立叶变换来实现多载波解调，大大简化了实现的复杂度。本发明的多载波解调装置适用于能量受限低成本的无线传感网中。

Description

一种应用于无线传感网的多载波解调装置

技术领域

本发明涉及一种基于多载波传输体制的无线传感网络的传输节点，尤其涉及一种应用于无线传感网的多载波解调装置。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境信息或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式，可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

在已有的无线传感网络中，如图1所示，基带调制都基于单载波调制。对于无线传输信道中的多径造成的符号间干扰都采用接收端时域均衡的办法或者对传输的数据进行扩频的方法来消除。基于这种单载波时域均衡方式的无线传感网络节点解调装置至少包括中频解调器，时域均衡器，并串变换器和判决器四个模块。基于扩频方式的无线传感网络节点调制装置与基于单载波时域均衡方式的节点调制装置相比，只是把时域均衡器替换为解扩器。

基于单载波时域均衡方式的无线传感网络节点中的解调装置将接收到的信号送入中频解调器进行解调，得到同相和正交两路的基带信号；通过时域均衡器来消除多径造成的ISI，恢复出发送的数据；最后由判决器根据所算则得调制方式对解调出的符号进行判决，得到比特流。所述的中频解调器包含一个数字本振产生一个数字中频信号分别送给同相解调器和一个90°移相器，90°移相器对数字中频信号的相位旋转90°，得到一个与输入中频信号正交的数字中频信号，并送给正交解调器。同相解调器和正交解调器分别从接收到的信号中解调出I和Q路数据。所述的时域均衡器由一个系数可调的滤波器组成，在训练序列中对滤波器的各个系数进行训练，得到一组与信道特性对应的系数，在数据传输过程中用这组系数对邻近的符号进行加权相加，已消除由于多径造成的ISI的影响。所述的并串变换器将均衡后的I、Q两路符号合为一路。所述的判决器根据所选择的调制方式设置判决的门限，将输入的符号与门限比较进行判决。

所述的解扩器在基于扩频方式的无线传感网络节点调制装置中才会使用。解扩器是一个与选用的扩频序列对应的匹配滤波器，与并串变换器的输出端相连，将输入的码片序列与扩频码序列相关，得到相关结果送入判决器。

上面所述的基于单载波时域均衡方式的无线传感网络节点解调装置，在多径丰富的无线环境中，会存在严重的ISI。时域均衡器为了克服ISI，需要选用阶数很大的滤波器，这样一方面实现复杂度较高，另一方面也很难准确训练出滤波器的每个系数，难以保证均衡的性能，因此不适合在成本受限的无线传感网节点中应用。基于扩频方式的无线传感网络节点调制装置需要对传输的数据进行频谱扩展，这样就导致传输的频谱效率很低，另外由于系统工作时钟的限制，这样的调制装置支持的数据传输速率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于无线传感网中与多载波调制装置一起工作的多载波解调装置。

本发明要解决的是现有单载波时域均衡方式调制装置或扩频方式调制装置存在的问题。现有单载波时域均衡方式调制装置在多径丰富的无线环境中，存在严重的ISI，而时域均衡器为了克服ISI，需要选用阶数很大的滤波器，这样一方面实现复杂度较高，另一方面也很难准确训练出滤波器的每个系数，难以保证均衡的性能，因此单载波时域均衡方式节点解调装置不适合在成本受限的无线传感网节点中应用。现有扩频方式调制装置中频谱效率不高，不能提供高速率服务的问题。

为了达到上述目的，本发明的应用于无线传感网的多载波调制装置至少包括去CP器、多载波解调器、子载波提取器、信道估计器、均衡器和判决器，多载波解调器和去CP器相连，子载波提取器和多载波解调器相连，均衡器分别与子载波提取器和信道估计器相连，判决器和均衡器相连，解扰器与判决器相连；去CP器位于整个调制装置的最前端，给出解调使能信号指示OFDM符号有用部分的位置；多载波解调器，利用各个子载波之间的正交性，对时域的采样信号进行FFT变换，解调出每个子载波上所传输的符号；子载波提取器，从多载波解调出的符号中提取出有用子载波上的符号；信道估计器，根据导频子载波上接收到的符号对所有有用子载波上的信道响应进行估计；均衡器，根据信道估计结果对数据子载波上的解调符号进行均衡；判决器，对均衡的结果进行判决；解扰器，对经过扰码的数据进行解扰，恢复出原始发送的数据。

所述的去CP器由一个定时器构成，根据OFDM符号有用部分与帧头的相对位置来给出一个解调使能信号，使能信号有效部分对应OFDM符号有用部分。

所述的多载波解调器由一个FFT模块组成，利用各个子载波之间的正交性，对时域的采样信号进行FFT变换，解调出每个子载波上所传输的符号。

所述的子载波提取器由一个写地址产生器，一个读地址产生器，一个实部存储器和一个虚部存储器组成。写地址产生器则为两个存储器产生写地址信号，将多载波解调器解调出的各个子载波上的信号写入存储器中。读地址产生器根据子载波映射的规则为每个有用子载波产生一个读存储器的地址和一个相应的读使能信号，将数据从存储器特定的地址处读出。实部存储器和虚部存储器是两个RAM，RAM中每个存储单元的位数与调制的阶数相同；RAM中存储单元的个数与子载波数相同。两个存储器分别用来存放比特映射器的I路输出和Q路输出。

所述的信道估计器由一个导频子载波提取器，一个LS信道估计器和一个内插器组成。导频子载波提取器根据当前的子载波序号，判断当前子载波是否导频子载波，并给出一个导频子载波指示信号，若是则输出高电平，若否则输出低电平。LS信道估计器则根据LS算法，将接收到的导频符号与预知的导频符号相除，得到信道估计。内插器则根据一阶插值算法对数据子载波上的信道响应进行估计。

所述的均衡器由一个复数除法器组成，将数据子载波上解调出的符号与估计出的信道响应相除，从而消除信道对接收到信号的影响。

所述的判决器由一个并串变换器和一个比较器组成。并串变换器将输入的I和Q路数据合并为一路。比较器根据所选择的调制方式设定若干门限，将输入的信号与门限进行比较，以实现对数据的判决。

所述的解扰器由一个乘法器和一个伪随机序列发生器组成。伪随机序列发生器根据选定的伪随机序列生成多项式进行运算，输出采用双极性编码的伪随机序列。乘法器将输入序列与伪随机序列相乘，实现对经过扰码序列的还原。

本发明通过将可用频段划分成若干个子载波，在每个子载波上传输低速的数据流，同时允许各个子载波的频谱互相重叠，从而有效克服无线信道中多径造成的符号间干扰，能获得较高的频谱效率。另外，本发明采用快速傅立叶变换来实现多载波解调，大大简化了实现的复杂度。本发明适合无线传感网中的应用。

附图说明

图1为现有的单载波解调装置。

图2是本发明应用于无线传感网的多载波解调装置结构图。

图3是本发明的子载波提取器结构图。

图4是本发明的信道估计器结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明；

如图2所示，本发明至少包括去CP器、多载波解调器、子载波提取器、信道估计器、均衡器和判决器，多载波解调器和去CP器相连，子载波提取器和多载波解调器相连，均衡器分别与子载波提取器和信道估计器相连，判决器和均衡器相连，解扰器与判决器相连。

所述的去CP器由一个定时器组成，定时器由帧同步信号驱动，并根据OFDM符号有用部分与帧头的相对位置来设置定时器的定时时间，给出一个与OFDM符号有用部分对应的解调使能信号。

所述的多载波解调器由去CP器输入的解调使能信号控制，对时域的采样信号进行OFDM解调。多载波解调可以用下面的式子来表示

$y\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j*2\mathrm{\πnk}/N),$ 其中k表示子载波序号，x(n)表示第n个采样点。

上面的式子正好与FFT变换的表达式相同，因此可以将FFT变换引入，从而大大简化了多载波解调器的实现复杂度。将OFDM符号的时域采样值送入多载波解调器中的FFT装置进行多载波解调，得到各个子载波上传输的符号。

所述的子载波提取器请参见图3，包括一个写地址产生器，一个读地址产生器，一个实部存储器和一个虚部存储器组成。实部存储器和虚部存储器是两个存储空间与系统的子载波数相同的RAM，其写数据端口分别与多载波解调器的I和Q路输出相连，写地址端口与写地址产生器的输出相连，读地址端口与读地址产生器的输出相连，其每个存储单元与每个子载波相对应。写地址产生器从存储单元的首地址到尾地址依次遍历两个存储器中的各个存储单元，将多载波解调器解调出的各个子载波上传输的数据写入其对应的存储单元中。读地址产生器通过为数据有用子载波产生一个对应的读存储器地址和相应的读使能信号，从而从特定的存储单元中取出有用子载波上的解调结果。

所述的信道估计器请参见图4，包括导频子载波提取器，LS信道估计器和内插器。

所述的导频子载波提取器与子载波提取器相连，由一个计数器和一个比较器组成，计数器用于计算当前输入的符号对应的子载波序号；比较器用于将计数器计数的子载波序号与导频子载波序号进行比较，比较结果作为导频子载波指示信号输出。

所述的LS信道估计器与导频子载波提取器相连，由一个导频符号存储器和一个复数除法器组成。导频符号存储器由导频子载波提取装置给出的导频子载波指示信号控制，当导频子载波指示信号为高电平时则按次序输出存储的导频符号。复数除法器与导频符号存储器和导频子载波提取装置相连，由导频子载波提取装置给出的导频子载波指示信号来控制其工作状态，当信号为高电平时，复数除法器将输入的导频子载波解调出的符号与导频符号进行相除，得到当前子载波上信道响应的估计结果。

所述的内插器与LS信道估计器相连，根据当前子载波临近的两个导频子载波上的估计结果作为基准，以当前子载波与两个导频子载波之间的距离采用一阶线性插值算法对数据子载波上的信道响应进行插值估计。插值表达式可以表示为h＝h₁*d/D+h₂*(D-d)/D，其中h₁，h₂分别是数据子载波左边和右边的导频子载波上的信道响应，d为数据子载波与左边的导频子载波之间的子载波间隔，D为两个导频子载波之间的子载波间隔。

所述的均衡器由复数除法器构成。将数据子载波上解调出的符号与信道估计器估计出的数据子载波上的信道响应进行复数相除，以消除信道对数据子载波上传输的符号造成的幅度和相位上的失真。

所述的判决器由一个并串变换器和一个比较器组成。并串变换器将经过均衡的I、Q路数据合为一路。比较器根据所选择的调制方式设定若干门限，将输入的信号与门限进行比较，以实现对数据的判决。

所述的解扰器请参见图2，由乘法器和伪随机序列发生器组成。伪随机序列发生器根据采用与发射端的加扰器相同的生成多项式来产生伪随机序列，同时伪随机序列发生器输出的伪随机序列码片的频率与判决器输出的数据频率相同，另外，输出的伪随机序列是采用双极性编码的。乘法器与判决器的输出端口和伪随机序列发生器的输出端口相连，将伪随机序列的码片与输入的数据比特相乘，实现对经过扰码的序列的还原，恢复出原始发射的数据。

综上所述，本发明应用于无线传感网的多载波解调装置通过将可用频段划分成若干个子载波，在每个子载波上传输低速的数据流，可以确保每个子载波上的信道是平坦的，这样通过两个复数除法器即可实现对信道的估计和均衡，大大简化了高速接收机的实现，从而适合无线传感网中的应用。

Claims (9)

1、一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于它至少包括去CP不然器、多载波解调器、子载波提取器、信道估计器、均衡器和判决器，多载波解调器和去CP器相连，子载波提取器和多载波解调器相连，均衡器分别与子载波提取器和信道估计器相连，判决器和均衡器相连，解扰器与判决器相连；去CP器位于整个调制装置的最前端，给出解调使能信号指示OFDM符号有用部分的位置；多载波解调器，利用各个子载波之间的正交性，对时域的采样信号进行FFT变换，解调出每个子载波上所传输的符号；子载波提取器，从多载波解调出的符号中提取出有用子载波上的符号；信道估计器，根据导频子载波上接收到的符号对所有有用子载波上的信道响应进行估计；均衡器，根据信道估计结果对数据子载波上的解调符号进行均衡；判决器，对均衡的结果进行判决；解扰器，对经过扰码的数据进行解扰，恢复出原始发送的数据。

2、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在所述的去CP器由一个定时器构成，根据OFDM符号有用部分与帧头的相对位置来给出一个解调使能信号。

3、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的子载波提取器由由一个写地址产生器，一个读地址产生器，一个实部存储器和一个虚部存储器组成。

4、如权力要求3所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的写地址产生器头至尾依次遍历存储器内各存储单元，引导多载波解调结果写入相应的存储单元中。

5、如权力要求3所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的读地址产生器根据子载波映射的规则为每个有用子载波产生一个读存储器的地址和一个相应的读使能信号，将数据从存储器特定的地址处读出。

6、如权力要求3所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于：所述的实部存储器和虚部存储器由两个RAM组成，每个存储器的存储单元数与系统的子载波数相同。

7、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的信道估计器由一个导频子载波提取器，一个LS信道估计器和一个内插器组成。

8、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的均衡器由一个复数除法器组成，将数据子载波上解调出的符号与估计出的信道响应相除。

9、如权力要求1所述的一种应用于无线传感网的多载波解调装置，其特征在于所述的解扰器由一个乘法器和一个伪随机序列发生器组成。

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