CN101540748B - 具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法。该方法包括如下步骤：(1)发送端根据当前信道状态信息确定非均匀间距载波，非均匀间距载波由均匀间距载波经过一个函数映射关系得到；(2)发送端用(1)得到的非均匀载波调制待发送信元数据；(3)接收端用一般离散傅里叶变换循环移位特性对接收到的信元数据进行解调。本发明的主要特点是提出多载波系统的载波间距可调，根据信道状态信息采用合适间距的载波进行调制解调，以获得更好的系统性能。本发明与均匀载波间距调制方法相比，降低了系统的误码率，能获得更好的系统性能。

Description

具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法

技术领域

本发明涉及通信系统的调制方法，具体涉及具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法。

背景技术

人们对通信的需求日益增加，无线频谱资源越来越紧张。未来通信系统要求更高的数据速率和更高的频谱利用率。多载波系统通过把数据流分解为若干个子比特流，每个子数据流具有低得多的比特速率，用低速率多状态符号去调制相应的子载波，构成多路低速率符号串并行发送。每路信号是一个带宽很窄的信号，可近似看成具有平坦的信道响应。通过将频率选择性信道看成多个平坦信道，多载波调制可以有效地对抗信道衰落和符号间串扰(ISI)。多载波系统中具有代表性的调制方式是正交频分复用(OFDM)技术，其子载波在频段上均匀分布并相互正交。子载波间可以重叠，从而提高频谱利用率，已经成为第四代移动通信系统的物理层候选技术。有大量的专利技术涉及多载波调制技术在不同方面的改进。关于多载波的专利主要有：

名称为“一种多载波调制的子载波映射和逆映射的方法和装置”、申请号为200710037762.9的中国专利申请提出在多载波调制系统中如何分配子带到多个信道链路多个流的方法。名称为“多载波调制和解调方法和设备及执行与之相关的回波相位偏移校正的方法和设备”、专利号为ZL 98814047.0的中国专利提出多载波调制的脉冲成形的实现。该两个方案均是对传统均匀载波间距的多载波调制方法的实现。名称为“多载波调制系统中峰值对平均值功率比的减小”、专利号97199293.2的中国专利和名称为“降低多载波调制中的峰值功率的系统和方法”、专利号为ZL 02820735.1的中国专利关注多载波调制的峰均功率比问题。名称为“一种多载波调制的子载波映射和逆映射的方法和装置”、申请号为200710037762.9的专利申请提出对编码信号的子载波映射。上述后三个专利申请在传统均匀载波间距的多载波调制方法的基础上提出了改进措施，但均没有对传统多载波调制技术最核心的部分进行修改。这些专利均假设子载波在频带上等间距分布，在载波间距均匀的基础上进行多载波调制技术的实现或改善。现有涉及多载波调制的技术均没有考虑非均匀载波间距的多载波的应用问题。从现有技术状况看，对具体多载波系统，其子载波数一般固定，子载波在频带均匀分布意味着子载波的位置固定。这种方式存在缺陷：当部分子载波所在的频带增益较差时，将降低该载波的接收信噪比，从而影响整个系统性能。一种可能的改进方式是使用可调间距的子载波，在信道状态好的频段采用较密的子载波，而在信道状态差的频段采用较大的子载波间距，更好地利用信道频带的有效信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法。本发明适用于存在反馈信道的通信系统，系统的接收端可以将估计得到的信道状态参数反馈给发送端，发送端再根据信道状态进行自适应调制。本发明通过如下技术方案实现：

具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法，调制的信元数据采用分块处理的方式，每个数据块长度相等，该方法包括如下步骤：

(1)发送端根据当前信道状态信息确定非均匀间距载波，非均匀间距载波由均匀间距载波经过一个函数映射关系得到；

(2)发送端用(1)得到的非均匀载波调制待发送信元数据；

(3)接收端用一般离散傅里叶变换循环移位特性对接收到的信元数据进行解调。

上述的多载波调制解调方法中，步骤(1)所述非均匀间距载波的频点由如下步骤确定：

(1.1)将信道幅度响应积分，再把积分结果归一化，对归一化的结果取反函数，得到所述函数映射关系；

(1.2)取均匀间隔的载波频点作为所述函数映射关系的输入，函数映射关系的输出所确定的频点为所述非均匀间距载波频点。

上述的多载波调制解调方法中，步骤(2)中所述调制待发送信元数据包括：

(2.1)调制矩阵的构造，调制矩阵为一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵或转置矩阵，所述一般离散傅里叶矩阵第i行第j个元素的构造方式如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)j-1的值；(3)-1的平方根；所述i和j的取值范围为0～N-1，N为非均匀载波频点的数目；

(2.2)计算(2.1)所述一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵和转置矩阵，分别乘以待发送信元数据块，得到两种不同调制信号，计算所述两种不同调制信号峰均比，取峰均比较小的作为调制信号；

(2.3)对所述调制信号补充零符号，零符号的个数不小于信道冲激响应的长度，补零后的信号作为最终调制信号，发送到信道。

上述的多载波调制解调方法中，步骤(2.3)中所述峰均比采用如下定义：调制信号的最大绝对值作为峰值，调制信号的平均绝对值定义为均值，所述峰值除以均值得到峰均比。

上述的多载波调制解调方法中，步骤(3)的解调过程包括如下步骤：

(3.1)按数据块长度截取一个发送信元数据块对应的接收信元数据块，将该接收信元数据块分为两个子数据块：首先截取所述接收数据块中长度等于发送信元数据块的前面部分的数据作为子数据块1，剩下的数据作为子数据块2；

(3.2)将所述子数据块2补零，并使其补零后长度等于子数据块1；

(3.3)将所述一般离散傅里叶矩阵分别乘以(3.1)所述子数据块1和子数据块2，得到解调子数据1和解调子数据2；

(3.4)构造一个对角矩阵，并将该对角矩阵乘以解调子数据2，所述对角矩阵第i个对角元素构造如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)数据块2的长度；(3)-1的平方根；

(3.5)将所述解调子数据1和步骤(3.4)中的对角矩阵乘以解调子数据2所得到的积相加，得到最终解调数据；

(3.6)将所述一般离散傅里叶矩阵乘以信道冲激响应向量，得到的数据为子载波增益数据，将所述最终解调数据的每个元素乘以子载波增益数据中相同位置的元素，得到的数据为接收端对发送端信元数据的恢复。

本发明相对于现有技术具有如下优点：本发明根据信道状态信息进行载波间距的调整，载波间距的疏密程度与信道响应幅度成正比。在信道状态好的地方采用密的载波间距，而在信道状态差的地方采用疏的载波间距，解决了多载波调制的载波间距的可调整问题。考虑到信道对不同载波的衰落不同，通过调整载波间距，用非均匀间距的载波对数据进行调制，可以充分利用信道状态信息，以复杂度为代价获得多载波系统更低的传输误码率。

根据信道状态信息采用合适的载波间距进行调制解调，可以获得更好的系统性能。本发明提出的调制方法与均匀载波间距调制方法相比，降低了系统的误码率。如图3所示，随着信噪比的增加，采用本发明提出的调制方法的系统的误码率改善更为明显。

附图说明

图1为本发明实施方式中的信道响应与载波间距示意图。

图2为本发明实施方式中的频率映射曲线示意图。

图3为本发明实施方式中的误码率曲线示意图。

具体实施方式

本实施方式中的技术方案包括：1)非均匀载波频点的确定；2)发送端调制矩阵的确定；3)接收端解调矩阵的确定。

具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法，调制信元数据采用分块处理的方式，每个数据块长度相等，该方法包括如下步骤：

(1)发送端根据当前信道状态信息确定非均匀间距载波，非均匀间距载波由均匀间距载波经过一个函数映射关系得到；

(2)发送端用得到的非均匀载波频点调制待发送信元数据；

(3)接收端用一般离散傅里叶变换循环移位特性对接收到的信元数据进行解调。

发送端根据当前信道状态信息对当前信元数据块进行调制，调制的具体方法如下：

一、根据当前信道状态参数确定非均匀载波频点，具体步骤如下：

1)将从接收端反馈回来的信道幅度响应积分，再把积分结果归一化，归一化的结果取反函数，得到的函数曲线确定一种函数映射关系。

2)取均匀间隔的载波频点，作为前述函数映射关系的输入，其输出所确定的频点为非均匀载波频点。

二、调制及发送，具体步骤如下：

1)调制矩阵的构造。调制矩阵为一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵或转置矩阵。所述一般离散傅里叶矩阵第i行第j个元素的构造方式如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)j-1的值；(3)-1的平方根，所述i和j的取值范围为0～N-1，N为非均匀载波频点的数目；

2)计算所述一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵和转置矩阵，分别乘以要发送的数据块，得到两种不同调制信号。计算所述两种不同调制信号蜂均比，取峰均比较小的调制信号作为发送信号。

3)所述峰均比采用如下定义：调制信号的最大绝对值作为峰值，调制信号的平均绝对值定义为均值，峰值除以均值得到峰均比。

4)对所述发送信号补充零符号，零符号的个数不小于信道冲激响应的长度。补零后的信号发送到信道。

接收端解调处理，具体步骤如下：

1)截取一个发送数据块对应的接收数据块，将该接收数据块分为两个子数据块。具体方式如下：首先截取所述接收数据块前面长度等于发送数据块的数据作为子数据块1.剩下的数据作为子数据块2.

2)将所述子数据块2补零，并使其补零后长度等于子数据块1。

3)将前述一般离散傅里叶矩阵乘以所述子数据1和子数据2，得到解调子数据1和解调子数据2。

4)构造一个对角矩阵乘以解调子数据2，所述对角矩阵第i个对角元素构造如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)数据块2的长度；(3)-1的平方根。

5)将4)中对角矩阵与解调子数据2的积与所述解调子数据1相加，得到最终的解调数据。

6)将前述一般离散傅里叶矩阵乘以信道冲激响应，得到的数据为子载波增益数据。将所述解调数据的每个元素乘以子载波增益数据中相同位置的元素，得到的数据为接收端对发送数据的恢复。

实施例：以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。本发明根据信道响应调整载波间距，以达到信道条件好的地方载波间距密而信道条件差的地方载波间距疏的要求。如附图1，101为信道响应，102为归一化后的载波频点。

1、产生合适的非均匀间距载波

非均匀间距载波通过对均匀间距载波做频率映射而产生。通过频率映射，把均匀间距的频率ω₀，ω₁，…，ω_N-1映射到非均匀间距的频率

a、先对信道响应做一次傅叶里变换得到信道频率响应并进行归一化处理，得到信道响应g(ω)。

b、对信道频率响应g(ω)进行预处理。如果频率响应的幅度差距动态范围太大，直接做频率映射会导致有些频率过低的地方欠采样，这样会令调制矩阵的逆矩阵非满秩。在这种情况下，可以先对信道频率响应进行削波，即对频率响应太低或太高的地方取极限值，然后再用进行简单的非线性变换，例如可以采用

y＝x^a(0＜a≤1)                 (1)

进行变换，可有效压缩频率响应g(ω)的动态范围。

c、对信道频率响应g(ω)做积分得到一条单调递增的曲线。

$u\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\ω}}{\∫}}g\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

对离散采样数据用累加实现积分。如附图1中曲线101进行积分得到附图2中曲线20示。假设A是u(ω)的最大值，把u(ω)归一化后取反函数得到u^-1(Aω)。

积分曲线的反函数u^-1(Aω)即为原始均匀载波频率和非均匀载波频率的映射关系，如附图2中曲线201。这时由于纵轴数据是非均匀的，但要求经反函数变换后是均匀的，故需要进行线性插值得到反函数插值曲线。

以均匀间距的载波ω₀，ω₁，…，ω_N-1作为频率映射曲线的输入变量，得到非均匀间距的载波

2、利用一般离散傅里叶变换进行调制解调

利用

对数据进行调制。一般傅里叶变换矩阵为：

假设待发送数据为

，在发送端用一般傅里叶矩阵的广义逆矩阵对数据进行调制：

${\stackrel{\→}{S}}_G={\stackrel{\→}{W}}_G^{-1}\stackrel{\→}{x}---\left(5\right)$

得到调制数据

设 $\stackrel{\→}{h}={[h_0,h_1,\·\·\·,h_{L-1}]}^T$ 表示信道响应，将调制数据尾端补零，使其长度为N+L-1，接着补零后向量与调制数据卷积，得到接收信号：

$\stackrel{\→}{r}={\left[\begin{array}{ccccc}{h}_0& & & & \\ \·& \·& & & \\ \·& & \·& & \\ \·& & & \·& \\ h_{L-1}& & & & h_0\\ & \·& & & \·\\ & & \·& & \·\\ & & & \·& \·\\ & & & & h_{L-1}\end{array}\right]}_{(N+L-1)\×N}{\stackrel{\→}{S}}_G---\left(6\right)$

一般离散傅里叶变换具有以下循环移位特性：

利用循环移位特性，构造两个矩阵：

${\stackrel{\→}{r}}_1={\left[\begin{array}{ccc}r\left(0\right)& \·\·\·& r(N-1)\end{array}\right]}^T---\left(8\right)$

${\stackrel{\→}{r}}_2={\left[\begin{array}{cccccc}r\left(N\right)& \·\·\·& r(N+L-1)& 0& \·\·\·& 0\end{array}\right]}^T---\left(9\right)$

这里有：

接收向量为：

接收向量除去信道响应即为解调数据：

根据信道状态信息进行载波间距的调整，载波间距的疏密程度与信道响应幅度成正比。在信道状态好的地方采用密的载波间距，而在信道状态差的地方采用疏的载波间距，解决了多载波调制的载波间距的可调整问题。这样可以考虑到信道对不同载波的衰落不同，通过调整载波间距，用非均匀间距的载波对数据进行调制，可以充分利用信道状态信息，以复杂度为代价获得多载波系统更低的误码率。

对比采用本发明提出的调制方法的通信系统的误码率与采用均匀载波间距调制方法的系统的误码率性能指标，如图3所示，本发明提出的调制方法较均匀载波间距调制方法降低了系统的误码率。随着信噪比的增加，采用本发明提出的调制方法的系统的误码率改善更为明显。

Claims (2)

1.具有非均匀载波间距的多载波调制解调方法，其特征在于调制的信元数据采用分块处理的方式，每个数据块长度相等，该方法包括如下步骤：

(1)发送端根据当前信道状态信息确定非均匀间距载波，非均匀间距载波由均匀间距载波经过一个函数映射关系得到；所述非均匀间距载波的频点由如下步骤确定：

(1.1)将信道幅度响应积分，再把积分结果归一化，对归一化的结果取反函数，得到所述函数映射关系；

(1.2)取均匀间隔的载波频点作为所述函数映射关系的输入，函数映射关系的输出所确定的频点为所述非均匀间距载波频点。

(2)发送端用(1)得到的非均匀间距载波调制待发送信元数据；所述调制待发送信元数据包括：

(2.1)调制矩阵的构造，调制矩阵为一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵或转置矩阵，所述一般离散傅里叶矩阵第i行第j个元素的构造方式如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)j-1的值；(3)-1的平方根；所述i和j的取值范围为0～N-1，N为非均匀载波频点的数目；

(2.2)计算(2.1)所述一般离散傅里叶矩阵的逆矩阵和转置矩阵，分别乘以待发送信元数据块，得到两种不同调制信号，计算所述两种不同调制信号峰均比，取峰均比较小的作为调制信号；

(2.3)对所述调制信号补充零符号，零符号的个数不小于信道冲激响应的长度，补零后的信号作为最终调制信号，发送到信道；

(3)接收端用一般离散傅里叶变换循环移位特性对接收到的信元数据进行解调；解调过程包括如下步骤：

(3.1)按数据块长度截取一个发送信元数据块对应的接收信元数据块，将该接收信元数据块分为两个子数据块：首先截取所述接收数据块中长度等于发送信元数据块的前面部分的数据作为子数据块1，剩下的数据作为子数据块2；

(3.2)将所述子数据块2补零，并使其补零后长度等于子数据块1；

(3.3)将所述一般离散傅里叶矩阵分别乘以(3.1)所述子数据块1和子数据块2，得到解调子数据1和解调子数据2；

(3.4)构造一个对角矩阵，并将该对角矩阵乘以解调子数据2，所述对角矩阵第i个对角元素构造如下：该元素具有幂指数的形式，所述幂指数的底等于自然对数的底，所述幂指数的指数部分等于以下3个乘积项的乘积：(1)第i个非均匀载波频点的值；(2)数据块2的长度；(3)-1的平方根；

(3.5)将(3.4)中对角矩阵与解调子数据2的积和所述解调子数据1相加，得到最终解调数据；

(3.6)将所述一般离散傅里叶矩阵乘以信道冲激响应向量，得到的数据为子载波增益数据，将所述最终解调数据的每个元素乘以子载波增益数据中相同位置的元素，得到的数据为接收端对发送端信元数据的恢复。

2.根据权利要求3所述的多载波调制解调方法，其特征在于步骤(2.3)中所述峰均比采用如下定义：调制信号的最大绝对值作为峰值，调制信号的平均绝对值定义为均值，所述峰值除以均值得到峰均比。

Images