CN101534278A - 时频扩展的正交频分复用收发装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时频扩展的正交频分复用收发装置、方法及系统，涉及卫星通信领域中的正交频分复用技术。本发明通过发射装置先对信号进行时域扩频处理，经数据转换后，再进行频域扩频处理，最终通过正交频分复用方式，发送至信道；每个用户的接收装置对接收到的信号分别进行频域解扩，数据转换后，再进行时域解扩，从而得到原始信号，使信号在时间和频率两个维度上都利用完整的资源，充分提高了信道利用率及系统的抗干扰能力。

Description

时频扩展的正交频分复用收发装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域中的ETF-OFDM(Expanded Time andFrequency-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，时域扩展的正交频分复用技术)，该技术结合了现有的DS-CDMA(DirectSequence-Code Division Multiple Access，直接序列码分多址)技术和MC-CDMA(Multicarrier-Code Division Multiple Access，多载波码分多址)技术，具体涉及一种时频扩展的正交频分复用系统中下行链路的信号收发方法，及一种时频扩展的正交频分复用系统中的下行链路装置及系统。

背景技术

下一代卫星通信系统的目标是为用户提供更高的数据传输速率和更好的服务质量，系统容量也将得到大幅度提高。因此提高信道利用率以及提高通信系统的抗干扰能力已经成为下一代无线通信技术的一个重要研究课题。

DS-CDMA技术是CDMA标准中的重要部分。作为一种扩频方式，DS-CDMA通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘，获得宽带扩频信号，接收端通过用与发射端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。DS-CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。然而，DS-CDMA也存在一些问题，比如，不适用于非常高的速率传输，这是制约其进一步发展的一个瓶颈。

基于以上传统DS-CDMA系统的性能，特别是针对DS-CDMA的传输速率问题，人们将DS-CDMA和OFDM相结合，形成了适用于高速率传输的MC-CDMA。作为一种多载波多址通信方式，MC-CDMA将CDMA技术和OFDM技术结合起来，让每一个频道使用所能提供的全部频谱，把原先在一个信道内传输的数据分到若干个信道中进行传输，即通过将扩频序列的不同码片调制到不同的子载波上实现频域扩展，在提高系统容量的同时还提高了频带的利用率。

目前，MC-CDMA系统虽然技术成熟、应用广泛，然而还是有以下两个问题存在：第一，在遇到频率选择性衰落信道时，如果相对信道时延扩展来说，发射端发射的是一个时间宽度较窄的脉冲信号，在频域传输带宽则相对较大，若传输带宽比信道相干带宽大，这时信号之间的相关性变差。这时信道在一个符号带宽内变化剧烈，则进入深衰落。第二，在遇到时间选择性衰落信道时，如果相对最大多普勒频移来说，发射端发射的是一个带宽较窄的频域信号，在时域符号周期较长，若取样时间间隔大于相干时间，信号的相关性变差。这时信道在一个符号周期内变化剧烈，则进入深衰落。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够充分提高信道利用率同时能够提高系统的抗干扰能力的一种ETF-OFDM下行链路的发射接收装置、方法及通信系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种时频扩展的正交频分复用收发装置、方法及系统。

一种时频扩展的正交频分复用发射装置，包括：

信号生成模块，用于为所有用户产生L路调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L，其中L表示用户的个数，x^l表示第l个用户的调制信号；

时域扩频模块，用于利用每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]将该用户的所述调制信号进行时域扩频处理，得到时域扩频码片X^l，其中W^l表示第l个用户的时域扩频码，X^l表示第l个用户的时域扩频码片；以及

频域扩频模块，用于将每个用户的所述时域扩频码片按照预定的规则进行符号重建，再进行频域正交扩频处理，将频域正交扩频处理后的数据进行快速傅丽叶反变换IFFT，再经过预定的信号处理之后送入信道发射。

所述时域扩频处理方式是：将每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]与该用户的调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L相乘，得到所述时域扩频码片 $X^l=x^l{W_k}^l,$ 其中不同用户的时域扩频码相互正交。

所述频域扩频模块包括：

符号重组模块，用于将每个用户的所述时域扩频码片X^l进行串并变换，将所述时域扩频码片X^l变换为P路速率为的并行信号S_p，q ^l，其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ S_p，q ^l表示第l个用户的并行信号；

频域正交扩频模块，用于将每个用户的所述并行信号S_p，q ^l与该用户的频域正交扩频码C_p，q ^l[C_p，q，0 ^l，C_p，q，1 ^l，…，C_p，q，M-1 ^l]相乘，得到输出数据，再将所有用户的输出数据分别对位相加，即将对应相同子载波的输出数据叠加，得到信号 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l,$

其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ M表示子载波的个数，C_p，q ^l表示第l个用户的频域正交扩频码，不同用户的频域正交扩频码相互正交；

IFFT变换模块，用于将所述信号S进行IFFT变换；

信号处理模块，用于将所述IFFT变换后的信号进行并串变换，然后送入信道发射。

所述信号处理模块将IFFT变换后的信号进行并串变换后加循环前缀。

所述预定的规则用于使得各个用户的并行信号S_p，q ^l之间的相关性尽可能的小。

一种时频扩展的正交频分复用发射方法，包括以下步骤：

S1，利用信号生成模块为所有用户产生L路调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L，其中L表示用户的个数，x^l表示第l个用户的调制信号；

S2，根据每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]，利用时域扩频模块对该用户的调制信号进行时域扩频处理，得到时域扩频码片X^l，其中W^l表示第l个用户的时域扩频码，X^l表示第l个用户的时域扩频码片；

S3，利用频域扩频模块将所述时域扩频码片按照预定的规则进行符号重建，再进行频域正交扩频处理，将频域正交扩频处理后的数据进行快速傅丽叶反变换IFFT，再经过预定的信号处理之后送入信道发射。

所述步骤S2的时域扩频处理方式是：将每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]与该用户的调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L相乘，得到所述时域扩频码片 $X^l=x^l{W_k}^l$ ，其中不同用户的时域扩频码相互正交。

所述步骤S3具体为：

S31，利用频域扩频模块中的符号重组模块将每个用户的所述时域扩频码片X^l进行串并变换，将所述时域扩频码片X^l变换为P路速率为

的并行信号S_p，q ^l，其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ S_p，q ^l表示第l个用户的并行信号；

S32，利用频域扩频模块中的频域正交扩频模块将所述并行信号S_p，q ^l与该用户的频域正交扩频码C_p，q ^l[C_p，q，0 ^l，C_p，q，1 ^l，…，C_p，q，M-1 ^l]相乘，得到输出数据，不同用户的频域正交扩频码相互正交，再将所有用户的输出数据分别对位相加，即将对应相同子载波的输出数据叠加，得到信号 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l,$ 其中，C_p，q ^l表示第l个用户的频域正交扩频码，M表示子载波的个数；

S33，利用频域扩频模块中的IFFT变换模块将所述信号S进行IFFT变换；

S34，利用频域扩频模块中的信号处理模块将所述IFFT变换后的信号进行并串变换，然后送入信道发射。

所述步骤C4还包括：将所述IFFT变换后进行并串变换后的信号加循环前缀。

所述预定的规则为使得各个用户的所述并行信号S_p，q ^l之间的相关性尽可能的小。

一种时频扩展的正交频分复用接收装置，包括：

频域解扩模块，用于将从信道接收的第l个用户的数据进行串并变换，得到信号r(n)，对信号r(n)进行快速傅丽叶变换FFT，得到信号R，然后对信号R进行频域解扩处理，得到信号R_p，q，再将信号R_p，q按照预定的规则进行符号合并，得到信号Y，其中n为正整数，且n＝0，1，…，M-1，M表示子载波的个数，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ L为系统中用户的个数，为系统的发射装置中的符号重组模块产生的并行信号的速率，P为所产生的并行信号的路数；以及

时域解扩模块，用于将所述符号合并后的信号Y进行时域解扩处理，得到用户l的原始调制信号。

所述用户接收装置还包括判决输出模块，用于将所述用户的原始调制信号进行解调之后判决输出。

所述频域解扩模块包括：

FFT变换模块，用于将从所述信道接收的数据进行串并变换，然后进行FFT变换得到信号R；

频域正交解扩模块，用于将FFT变换后的信号R分别与用户l的频域正交扩频码C_p，q ^l相乘，得到信号

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right);$

符号合并模块，用于按照预定的规则对所述频域解扩后的信号R_p，q进行反向选择和并串变换，得到信号Y。

所述FFT变换模块将从所述信道接收的数据进行串并变换之后去循环前缀。

所述时域解扩处理为将信号Y与时域扩频码W^l相乘并相加，得到信号 $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right),$ 信号y^l为用户l的原始调制信号。

一种时频扩展的正交频分复用接收方法，包括以下步骤：

S1，利用频域解扩模块将从信道接收的第l个用户的数据进行串并变换，得到信号r(n)，对信号r(n)进行快速傅丽叶变换FFT，得到信号R，然后对信号R进行频域解扩处理，得到信号R_p，q，再将信号R_p，q按照预定的规则进行符号合并，得到信号Y，其中n为正整数，且n＝0，1，…，M-1，M表示子载波的个数，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ L为系统中用户的个数，

为在系统的发射装置中的符号重组模块中产生的并行信号的速率，P为所产生的并行信号的路数；以及

S2，利用时域解扩模块将所述符号合并后的信号Y进行时域解扩处理，得到用户的原始调制信号。

所述步骤S2之后还包括将所述用户的原始调制信号进行解调之后判决输出的步骤。

所述步骤S1具体为：

S11，利用频域解扩模块中的FFT变换模块将从所述信道接收的数据进行串并变换，然后进行FFT变换得到信号R；

S12，利用频域解扩模块中的频域正交解扩模块将FFT变换后的信号R分别与用户l的频域正交扩频码C_p，q ^l相乘，得到信号

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right);$

S13，利用频域解扩模块中的符号合并模块按照所述预定的规则对所述频域解扩后的信号进行反向选择和并串变换，得到原始的时域扩频码片。

所述步骤S11还包括：将从所述信道接收的数据进行串并转换之后去循环前缀。

所述时域解扩处理为将信号Y与时域扩频码W^l相乘并相加，得到信号 $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right),$ 信号y^l为用户l的原始调制信号。

一种时频扩展的正交频分复用收发系统，包括所述时频扩展的正交频分复用发射装置和L个所述时频扩展的正交频分复用接收装置，其中L表示系统中用户的个数，所述接收装置从信道上接收经所述发射装置处理后的信号。

一种时频扩展的正交频分复用收发方法，包括以下步骤：

信号发射步骤，采用所述时频扩展的正交频分复用发射方法发射信号；以及

信号接收步骤，采用所述时频扩展的正交频分复用接收方法接收上述信号。

上述技术方案具有如下优点：通过在时间和频域两个维度对信号进行扩频处理，提高了信号在传输过程中的抗干扰能力；通过使每个用户的信号充分占用的时间和频率上的资源，从而提高了信道利用率。

附图说明

图1是本发明的ETF-OFDM收发方法流程图；

图2是本发明的ETF-OFDM收发系统的下行链路系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的ETF-OFDM收发方法流程图如图1所示：

步骤101，利用信号生成模块为所有用户产生调制信号。具体步骤为产生L路调制信号

x¹，x²，…，x^l，…，x^L，

其中x^l表示第l个用户的发射数据，符号速率为R，l＝1，2，…，L，L为系统中的总用户数目；

步骤102，根据每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]，利用时域扩频模块对该用户的调制信号进行时域扩频处理。具体步骤为将第l个用户的发射数据x^l与对应的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]相乘进行时域扩频，扩频之后得到信号X^l，其码片长度为N，码片速率为LR，且 $X^l=x^l{W_k}^l$ 。所有用户的时域扩频码形成矩阵W，每一行W^l均为一个时域扩频码序列，该矩阵的行与行之间互相正交，即不同用户的时域扩频码相互正交；

上述时域扩频码W具有良好的自相关和互相关特性，在序列同步的前提下具体满足：1)良好的自相关特性：自相关值呈现尖峰状，旁瓣接近于0；2)良好的互相关特性：互相关特性正交，互相关值为0；满足上述特点的时域扩频码序列有很多种，比如PN码、Walsh码、Gold码等，并不构成对本发明的限制。这里时域扩频码W用来区分用户，因此需要良好的互相关特性，对自相关特性的要求就相对较低。所以这里可以选用互相关特性正交、自相关特性欠佳的Walsh码序列。

步骤103，利用符号重组模块进行符号重建处理。具体为按照一定的设计规则，对信号X^l进行选择，并根据选择结果做串并变换，即将一路串行信号X^l变换为P路速率为

的并行信号S_p，q ^l，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ 设计规则用于使得每一路输出信号之间的相关性尽可能的小。通过串并变换降低了信号的传输速率从而提高了信号的时域长度；

步骤104，利用频域正交扩频模块进行频域扩频处理。具体步骤为将第l个用户的符号重建处理后的并行信号S_p，q ^l分别与其对应的频域扩频码序列

${C_{p,q}}^l=[{C_{p,q,0}}^l,{C_{p,q,1}}^l,\·\·\·,{C_{p,q,M-1}}^l],p=\mathrm{1,2},\·\·\·,P;q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P}$

相乘，得到频域扩频信号，并将所有用户的频域扩频信号分别对位相加，即将对应相同子载波的频域扩频信号叠加到一起，得到信号S，其中子载波个数为M。定义 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l;$ 所有用户的频域扩频码形成矩阵C，每一行C^l均为一个频域扩频码序列，该矩阵的行与行之间互相正交，即不同用户的频域扩频码相互正交；

上述频域扩频码C具有良好的自相关和互相关特性，在序列同步的前提下具体满足：1)良好的自相关特性：自相关值呈现尖峰状，旁瓣接近于0；2)良好的互相关特性：互相关特性正交，互相关值为0；满足上述特点的频域扩频码序列有很多种，比如PN码、Walsh码、Gold码等，并不构成对本发明的限制。这里频域扩频码C用来区分码片，需要良好的互相关特性。而不同用户的信号已经通过时域扩频码W来进行区分，所以不同用户的频域扩频码C可以相同，也可以不同。因此这里可以选用互相关特性正交、自相关特性欠佳的Walsh码序列。

步骤105，利用IFFT变换模块对信号S进行OFDM调制即IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅丽叶反变换)变换，其输出为s(n)，且

$s\left(n\right)=M\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}S{e}^{j2\mathrm{\πnm}/M}=M\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}^l{W}_k^l{C_{p,q}}^l{e}^{j2\mathrm{\πnm}/M};$

步骤106，利用信号处理模块将经过IFFT变换之后的信号s(n)作并串变换，处理之后发射到卫星信道。作并串变换的目的是提高信号的传输速率。发射之前还可以对信号进行其它处理，例如加循环前缀。

步骤107，从AWGN(Additive White Gaussion Noise，加性高斯白噪声)信道接收信号，利用FFT变换模块将从信道接收的第l个用户的数据进行串并变换，得到信号r(n)，对其做FFT(Fast FourierTransform，快速傅丽叶变换)变换，即进行OFDM解调。得到信号 $R=\frac{1}{M}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}.$ 其中，n为正整数，且n＝0，1，…，M-1。如果在上述步骤中进行了加循环前缀则在经过串并转换之后还有进行去掉循环前缀处理。

步骤108，利用频域正交解扩模块进行频域解扩。由于频域扩频码C的各行之间相互正交，因此将OFDM解调后得到的信号R分别与对应的频域扩频码序列C_p，q ^l相乘并相加，得到信号R_p，q，

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right),$

这时已经去掉了频域扩频的调制信息；

步骤109，利用符号合并模块进行符号合并。根据在发射装置中符号重组的选择规则，对信号R_p，q进行反向选择和并串变换，得到信号Y，这时Y恢复了经过时域扩频之后的顺序，同时经过并串变换之后信号速率提高，信号的时域长度减小，即将信号恢复为经过时域扩频之后的码片速率和码片长度；

步骤110，利用时域扩频码W各行之间的正交性，将信号Y与对应的时域扩频序列W^l相乘并相加，得到时域解扩之后的信号y^l， $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right).$ 得到的y^l即为原始产生的第l个用户的调制信号。

步骤111，对信号y^l解调之后通过判决输出。

上述步骤103中的设计规则是因情况而定的，具体需要满足：

(1)串并转换后的并行信号路数与子载波个数相同；

(2)并行的每路信号里的信号之间相关性尽可能小；

满足上述特点的选择规则有很多种，在满足(1)的前提下尽可能好地满足(2)即可，并不构成对本发明的限制。比如将一路串行信号[s₁，s₂，s₃，s₄，s₅，s₆]进行简单选择后，可转换成3路并行信号[s₁，s₄]、[s₂，s₅]和[s₃，s₆]。

本发明的ETF-OFDM收发系统中的下行链路系统，包括发射装置和接收装置。该系统可以包含多个接收装置，接收装置的个数取决于用户的个数，在本发明的实施例中，如图2所示，具有三个接收装置，分别为用户1的接收装置209，用户2的接收装置210以及用户3的接收装置212，每个接收装置的内部结构相同，在此以用户3的接收装置212为例说明。如图2所示，其中，

发射装置201包括信号生成模块203、时域扩频模块204以及频域扩频模块202，其中频域扩频模块202包括符号重组模块205、频域正交扩频模块206、IFFT变换模块207以及信号处理模块208。用户3的接收装置212包括频域解扩模块211、时域解扩模块216以及判决输出模块217，其中频域解扩模块211包括FFT变换模块213、频域正交解扩模块214、符号合并模块215。发射装置中，

信号生成模块，用于为所有用户产生调制信号。具体步骤为产生L路调制信号

x¹，x²，…，x^l，…，x^L，

其中x^l表示第l个用户的发射数据，符号速率为R，l＝1，2，…，L，L为系统中的总用户数目；

时域扩频模块，用于进行时域扩频处理。将第l个用户的发射数据x^l与对应的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]相乘进行时域扩频，扩频之后得到信号X^l，其码片速率为LR，且 $X^l=x^l{W_k}^l$ 。所有用户的时域扩频码形成矩阵W，每一行W^l均为一个时域扩频码序列，该矩阵的行与行之间互相正交，即不同用户的时域扩频码相互正交；上述时域扩频码W具有良好的自相关和互相关特性，在序列同步的前提下具体满足：1)良好的自相关特性：自相关值呈现尖峰状，旁瓣接近于0；2)良好的互相关特性：互相关特性正交，互相关值为0；满足上述特点的时域扩频码序列有很多种，比如PN码、Walsh码、Gold码等，并不构成对本发明的限制。这里时域扩频码W用来区分用户，因此需要良好的互相关特性，对自相关特性的要求就相对较低。所以这里可以选用互相关特性正交、自相关特性欠佳的Walsh码序列。

频域扩频模块用于符号重组处理、频域正交扩频处理、IFFT变换以及信号处理。其中，

符号重组模块用于进行符号重建处理。具体为按照一定的设计规则，对信号X^l进行选择，并根据选择结果做串并变换，即将一路串行信号X^l变换为P路速率为

的并行信号

S_p，q ^l，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ 设计规则用于使得每一路输出信号之间的相关性尽可能的小。通过串并变换降低了信号的传输速率从而提高了信号的时域长度；其中，设计规则是因情况而定的，具体需要满足：

(1)串并转换后的并行信号路数与子载波个数相同；

(2)并行的每路信号里的信号之间相关性尽可能小；

满足上述特点的选择规则有很多种，在满足(1)的前提下尽可能好地满足(2)即可，并不构成对本发明的限制。比如将一路串行信号[s₁，s₂，s₃，s₄，s₅，s₆]进行简单选择后，可转换成3路并行信号[s₁，s₄]、[s₂，s₅]和[s₃，s₆]。

频域正交扩频模块用于将符号重组模块处理后的信号进行频域扩频处理。具体步骤为将第l个用户的符号重建处理后的并行信号S_p，q ^l分别与其对应的频域扩频码序列

${C_{p,q}}^l=[{C_{p,q,0}}^l,{C_{p,q,1}}^l,\·\·\·,{C_{p,q,M-1}}^l],p=\mathrm{1,2},\·\·\·,P;q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P}$

相乘，得到频域扩频信号，并将所有用户的频域扩频信号分别对位相加，即将对应相同子载波的频域扩频信号叠加到一起，得到信号S，其中子载波个数为M。定义 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l;$ 所有用户的频域扩频码形成矩阵C，每一行C^l均为一个频域扩频码序列，该矩阵的行与行之间互相正交，即不同用户的频域扩频码相互正交；上述频域扩频码C具有良好的自相关和互相关特性，在序列同步的前提下具体满足：1)良好的自相关特性：自相关值呈现尖峰状，旁瓣接近于0；2)良好的互相关特性：互相关特性正交，互相关值为0；满足上述特点的频域扩频码序列有很多种，比如PN码、Walsh码、Gold码等，并不构成对本发明的限制。这里频域扩频码C用来区分码片，需要良好的互相关特性。而不同用户的信号已经通过时域扩频码W来进行区分，所以不同用户的频域扩频码C可以相同，也可以不同。因此这里可以选用互相关特性正交、自相关特性欠佳的Walsh码序列。

IFFT变换模块用于对上述信号S进行OFDM调制即IFFT(InverseFast Fourier Transform，快速傅丽叶反变换)变换，其输出为s(n)，且

$s\left(n\right)=M\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}S{e}^{j2\mathrm{\πnm}/M}=M\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}^l{W}_k^l{C_{p,q}}^l{e}^{j2\mathrm{\πnm}/M};$

信号处理模块将经过IFFT变换之后的信号s(n)作并串变换，处理之后发射到卫星信道。作并串变换的目的是提高信号的传输速率。发射之前还可以对信号进行其它处理，例如加循环前缀。用户3的接收装置214中，

频域解扩模块用于将从信道接收到的信号进行FFT变换、频域正交解扩处理以及符号合并处理。其中，

FFT变换模块用于从AWGN(Additive White Gaussion Noise，加性高斯白噪声)信道接收信号，将该经过串并转换之后得到信号r(n)，对其做FFT(Fast Fourier Transform，快速傅丽叶变换)，即进行OFDM解调。得到信号 $R=\frac{1}{M}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}.$ 其中，n为正整数，且n＝0，1，…，M-1。如果在上述步骤中进行了加循环前缀则在经过串并转换之后还有进行去掉循环前缀处理。

频域正交解扩模块用于进行频域解扩。由于频域扩频码C的各行之间相互正交，因此将OFDM解调后得到的信号R分别与对应的频域扩频码序列C_p，q ^l相乘并相加，得到信号R_p，q，

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right),$

这时已经去掉了频域扩频的调制信息；

符号合并模块用于进行符号合并。根据在发射装置中符号重组的选择规则，对信号R_p，q进行反向选择和并串变换，得到信号Y，这时Y恢复了经过时域扩频之后的顺序，同时经过并串变换之后信号速率提高，信号的时域长度减小，即将信号恢复为经过时域扩频之后的码片速率和码片长度；

时域解扩模块用于利用时域扩频码W各行之间的正交性，将信号Y与对应的时域扩频序列Wl相乘并相加，得到时域解扩之后的信号y^l， $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right).$ 得到的y^l即为原始产生的第l个用户的调制信号。

判决输出模块用于对信号y^l解调之后通过判决输出。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用在现有MC-CDMA系统的发射端增加一级时域扩频模块和一级符号重组模块，并对现有频域扩频模块做一定修改；相对应的，在接收端再增加一级符号合并模块和一级时域解扩模块，并对频域解扩模块做相应的修改，经过时域频域两维扩频之后，便将所有用户的所有码片都调制到所有的子载波上，这样，所有用户的所有信号都占用了所有的时域资源和频域资源，而且时域符号周期和频域传输带宽都相对较大，避免了深衰落问题的出现；同时，信号的时域能量和频域能量都大大降低，易于分辨并抑制突发窄时脉冲干扰和窄带干扰。因此提高了信道利用率和信号在传输过程中的抗干扰能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (22)

1、一种时频扩展的正交频分复用发射装置，其特征在于，包括：

信号生成模块，用于为所有用户产生L路调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L，其中L表示用户的个数，x^l表示第l个用户的调制信号；

时域扩频模块，用于利用每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]将该用户的所述调制信号进行时域扩频处理，得到时域扩频码片X^l，其中W^l表示第l个用户的时域扩频码，X^l表示第l个用户的时域扩频码片；以及

频域扩频模块，用于将每个用户的所述时域扩频码片按照预定的规则进行符号重建，再进行频域正交扩频处理，将频域正交扩频处理后的数据进行快速傅丽叶反变换IFFT，再经过预定的信号处理之后送入信道发射。

2、如权利要求1所述的时频扩展的正交频分复用发射装置，其特征在于，所述时域扩频处理方式是：将每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]与该用户的调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L相乘，得到所述时域扩频码片X^l＝x^lW_k ^l，其中不同用户的时域扩频码相互正交。

3、如权利要求2所述的时频扩展的正交频分复用发射装置，其特征在于，所述频域扩频模块包括：

符号重组模块，用于将每个用户的所述时域扩频码片X^l进行串并变换，将所述时域扩频码片X^l变换为P路速率为

的并行信号S_p，q ^l，其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ S_p，q ^l表示第l个用户的并行信号；

频域正交扩频模块，用于将每个用户的所述并行信号S_p，q ^l与该用户的频域正交扩频码C_p，q ^l＝[C_p，q，0 ^l，C_p，q，1 ^l，…，C_p，q，M-1 ^l]相乘，得到输出数据，再将所有用户的输出数据分别对位相加，即将对应相同子载波的输出数据叠加，得到信号 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l,$

其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ M表示子载波的个数，C_p，q ^l表示第l个用户的频域正交扩频码，不同用户的频域正交扩频码相互正交；

IFFT变换模块，用于将所述信号S进行IFFT变换；

信号处理模块，用于将所述IFFT变换后的信号进行并串变换，然后送入信道发射。

4、如权利要求3所述的时频扩展的正交频分复用发射装置，其特征在于，所述信号处理模块将IFFT变换后的信号进行并串变换后加循环前缀。

5、如权利要求4所述的时频扩展的正交频分复用发射装置，其特征在于，所述预定的规则用于使得各个用户的并行信号Sp，ql之间的相关性尽可能的小。

6、一种时频扩展的正交频分复用发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用信号生成模块为所有用户产生L路调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L，其中L表示用户的个数，x^l表示第l个用户的调制信号；

S2，根据每个用户的时域扩频码W_l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]，利用时域扩频模块对该用户的调制信号进行时域扩频处理，得到时域扩频码片X^l，其中W^l表示第l个用户的时域扩频码，X^l表示第l个用户的时域扩频码片；

S3，利用频域扩频模块将所述时域扩频码片按照预定的规则进行符号重建，再进行频域正交扩频处理，将频域正交扩频处理后的数据进行快速傅丽叶反变换IFFT，再经过预定的信号处理之后送入信道发射。

7、如权利要求6所述的时频扩展的正交频分复用发射方法，其特征在于，所述步骤S2的时域扩频处理方式是：将每个用户的时域扩频码W^l＝[W₀ ^l，W₁ ^l，…，W_L ^l]与该用户的调制信号x¹，x²，…，x^l，…，x^L相乘，得到所述时域扩频码片X^l＝x^lW_k ^l，其中不同用户的时域扩频码相互正交。

8、如权利要求7所述的时频扩展的正交频分复用发射方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S31，利用频域扩频模块中的符号重组模块将每个用户的所述时域扩频码片X^l进行串并变换，将所述时域扩频码片X^l变换为P路速率为

的并行信号S_p，q ^l，其中，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ S_p，q ^l表示第l个用户的并行信号；

S32，利用频域扩频模块中的频域正交扩频模块将所述并行信号S_p，q ^l与该用户的频域正交扩频码C_p，q ^l＝[C_p，q，0 ^l，C_p，q，1 ^l，…，C_p，q，M-1 ^l]相乘，得到输出数据，不同用户的频域正交扩频码相互正交，再将所有用户的输出数据分别对位相加，即将对应相同子载波的输出数据叠加，得到信号 $S=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{S_{p,q}}^l{C_{p,q}}^l,$ 其中，C_p，q ^l表示第l个用户的频域正交扩频码，M表示子载波的个数；

S33，利用频域扩频模块中的IFFT变换模块将所述信号S进行IFFT变换；

S34，利用频域扩频模块中的信号处理模块将所述IFFT变换后的信号进行并串变换，然后送入信道发射。

9、如权利要求8所述的时频扩展的正交频分复用发射方法，其特征在于，所述步骤C4还包括：将所述IFFT变换后进行并串变换后的信号加循环前缀。

10、如权利要求9所述的时频扩展的正交频分复用发射方法，其特征在于，所述预定的规则为使得各个用户的所述并行信号S_p，q ^l之间的相关性尽可能的小。

11、一种时频扩展的正交频分复用接收装置，其特征在于，包括：

频域解扩模块，用于将从信道接收的第l个用户的数据进行串并变换，得到信号r(n)，对信号r(n)进行快速傅丽叶变换FFT，得到信号R，然后对信号R进行频域解扩处理，得到信号R_p，q，再将信号R_p，q按照预定的规则进行符号合并，得到信号Y，其中n为正整数，且n＝0，1，…，M-1，M表示子载波的个数，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ L为系统中用户的个数，

为系统的发射装置中的符号重组模块产生的并行信号的速率，P为所产生的并行信号的路数；以及

时域解扩模块，用于将所述符号合并后的信号Y进行时域解扩处理，得到用户l的原始调制信号。

12、如权利要求11所述的时频扩展的正交频分复用接收装置，其特征在于，所述用户接收装置还包括判决输出模块，用于将所述用户的原始调制信号进行解调之后判决输出。

13、如权利要求12所述的时频扩展的正交频分复用接收装置，其特征在于，所述频域解扩模块包括：

FFT变换模块，用于将从所述信道接收的数据进行串并变换，然后进行FFT变换得到信号R；

频域正交解扩模块，用于将FFT变换后的信号R分别与用户l的频域正交扩频码C_p，q ^l相乘，得到信号

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right);$

符号合并模块，用于按照预定的规则对所述频域解扩后的信号R_p，q进行反向选择和并串变换，得到信号Y。

14、如权利要求13所述的时频扩展的正交频分复用接收装置，其特征在于，所述FFT变换模块将从所述信道接收的数据进行串并变换之后去循环前缀。

15、如权利要求13所述的时频扩展的正交频分复用接收装置，其特征在于，所述时域解扩处理为将信号Y与时域扩频码Wl相乘并相加，得到信号 $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right),$ 信号y^l为用户l的原始调制信号。

16、一种时频扩展的正交频分复用接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用频域解扩模块将从信道接收的第l个用户的数据进行串并变换，得到信号r(n)，对信号r(n)进行快速傅丽叶变换FFT，得到信号R，然后对信号R进行频域解扩处理，得到信号R_p，q，再将信号R_p，q按照预定的规则进行符号合并，得到信号Y，其中n为正整数，且n＝0，1，…，M-1，M表示子载波的个数，p＝1，2，…，P； $q=\mathrm{1,2},\·\·\·\frac{\mathrm{LR}}{P},$ L为系统中用户的个数，

为在系统的发射装置中的符号重组模块中产生的并行信号的速率，P为所产生的并行信号的路数；以及

S2，利用时域解扩模块将所述符号合并后的信号Y进行时域解扩处理，得到用户的原始调制信号。

17、如权利要求16所述的时频扩展的正交频分复用接收方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括将所述用户的原始调制信号进行解调之后判决输出的步骤。

18、如权利要求17所述的时频扩展的正交频分复用接收方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11，利用频域解扩模块中的FFT变换模块将从所述信道接收的数据进行串并变换，然后进行FFT变换得到信号R；

S12，利用频域解扩模块中的频域正交解扩模块将FFT变换后的信号R分别与用户l的频域正交扩频码C_p，q ^l相乘，得到信号

$R_{p,q}=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{RC}}_{p,q}}^l\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πin}/M}{C_{p,q}}^l\left(k\right);$

S13，利用频域解扩模块中的符号合并模块按照所述预定的规则对所述频域解扩后的信号进行反向选择和并串变换，得到原始的时域扩频码片。

19、如权利要求18所述的时频扩展的正交频分复用接收方法，其特征在于，所述步骤S11还包括：将从所述信道接收的数据进行串并转换之后去循环前缀。

20、如权利要求19所述的时频扩展的正交频分复用接收方法，其特征在于，所述时域解扩处理为将信号Y与时域扩频码W^l相乘并相加，得到信号 $y^l=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)W^l\left(j\right),$ 信号y^l为用户l的原始调制信号。

21、一种时频扩展的正交频分复用收发系统，其特征在于，包括如权利要求1至5之任一所述的时频扩展的正交频分复用发射装置和L个如权利要求11至15之任一所述的时频扩展的正交频分复用接收装置，其中L表示系统中用户的个数，所述接收装置从信道上接收经所述发射装置处理后的信号。

22、一种时频扩展的正交频分复用收发方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号发射步骤，采用如权利要求6至10之任一所述的时频扩展的正交频分复用发射方法发射信号；以及

信号接收步骤，采用如权利要求16至20之任一所述的时频扩展的正交频分复用接收方法接收上述信号。

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