CN102412867B - 基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统，其中所述方法包括：在发送端：依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；在接收端：对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

Description

基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统。

背景技术

目前，一般的无线通信接收机系统采用中频双转换方式，它拥有良好的镜像消除性能，中频双转换方式使用中频表面声波滤波器(IF SAW)，以便降低镜像干扰。然而，其中的超外差调谐器需要复杂的两级式混频：先把信号从射频波段降至高中频，再通过第二级混频电路把信号降至基带。

零中频方式的接收机仅需一次混频就能将射频信号从射频波段直接降至基带，直接转换接收机并没有镜像干扰的问题，并且，它还可简化调谐器架构，进而缩小芯片面积、降低功耗，并减少外部元器件数目和总系统成本，另外，零中频调谐器的显著优点是能将ADC输入端的采样带宽减至最小。

但是，超宽带零中频接收机也有其缺点：因为零中频下变频方式的1／f噪声会与复基带信号频谱重叠，越靠近信号基带零频（直流）点，该噪声就越强，所以1／f混频器噪声会导致接收机的基带信号的信噪比大幅下降。这个问题对于CMOS工艺的集成电路设计尤其严重，因此需要在基带模拟信号回路中采用高通滤波器来滤除该1／f混频器低频噪声。但这样做会导致信号的波形变化而产生跨符号干扰（ISI），从而使得传输信号的误码率（BER）性能大幅度降低。

采用OFDM调制方式的MB-OFDM超宽带标准采用了一种子载波留空的方式（参见图1所示的基带NULL子载波），由于OFDM通过在发送端采用IFFT的方式，可把宽带信号划分为一些很窄的并行子载波来进行通信。故可以在发送端的频域就把零频子载波留空出来不传输信号，从而消除发送信号中的直流分量。

但是，MB-OFDM超宽带标准的缺点是OFDM的硬件结构相当复杂，耗能也高。由于信号被分割为多个子载波（设为n个），当所有子载波信号的符号都相同的时候，总的信号的幅度就为原来的K倍。这样就会有信号的幅度叠加问题，称之为峰均功率比问题（PAPR）。峰均功率比问题使得发射耗能增加十数倍，也对自动电平控制以及高频部分电路的线性提出了很高的要求。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统，用以消除单载波系统中的直流分量，从而避免由高通滤波器导致的ISI干扰，提高超宽带传输误码性能。

为了解决上述问题，本申请公开了一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法，包括：

在发送端：

依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，所述K个数据块组合在一起形成的发送信号的直流分量为0；其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；所述获得K个数据块的步骤包括：将第k-1个数据块的数据通过一定规则进行扰序，第k个数据块的第m个数据对应第k-1个数据块的第m_shift个数据，然后将扰序后的数据相位旋转

便得到第k个数据块；

从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

在接收端：

对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

优选的，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

对所述N个数据块进行线性合并。

优选的，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子步骤：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子步骤：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

优选的，所述线性合并为采用最大比算法对所述N个数据块进行的合并。

优选的，所述方法还包括：

对所述合并后的数据块进行线性均衡。

另一方面，本申请还公开了一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服系统，包括发送装置和接收装置，其中，

发送装置包括：

数据处理模块，依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，所述K个数据块组合在一起形成的发送信号的直流分量为0；其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；所述获得K个数据块的步骤包括：将第k-1个数据块的数据通过一定规则进行扰序，第k个数据块的第m个数据对应第k-1个数据块的第m_shift个数据，然后将扰序后的数据相位旋转

便得到第k个数据块；

传送模块，从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

接收装置包括：

相加模块，用于对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

线性合并模块，用于对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

优选的，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

反处理模块，对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

线性合并子模块，用于对所述N个数据块进行线性合并。

优选的，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子模块：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子模块：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

优选的，所述线性合并为采用最大比算法对所述N个数据块进行的合并。

优选的，所述系统还包括：

线性均衡模块，用于对所述合并后的数据块进行线性均衡。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

首先，本申请在采用单载波频域均衡的条件下，通过对发送端数据的重排及相位旋转克服直流分量，接收端通过最大比合并恢复发送信号。本方法消去了单载波系统的零点功率谱分量，可以解决超宽带零中频接收机的混频器1/f噪声干扰，尤其是对于成本较低的CMOS集成电路，通过一个高通滤波器，就可以滤除该混频器噪声干扰。因为信号在频域的零点附近并没有功率谱分量，所以不会造成接收机的附加ISI干扰，保证了传输信号的误码率性能。

其次，由于采用单载波调制，不存在峰均比问题，大大降低了对射频器件的线性度要求，降低了设计成本、实现复杂度和射频功耗，特别适合电池供电的手持超宽带无线设备。

附图说明

图1是背景技术中MB-OFDM的时频域输入输出关系示意图；

图2是本申请一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法实施例的流程图；

图3是本申请发送端对进行数据重排和相位旋转后的数据块重复发送的示意图；

图4是本发明一种在接收端的解调算法示意图；

图5是本申请一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服系统实施例的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的核心构思之一在于，提出一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法，通过对发送端数据进行数据重排及相位旋转克服直流分量，然后在接收端通过最大比合并恢复发送信号。本方法消去了单载波系统的零点功率谱分量，可以解决超宽带零中频接收机的混频器1/f噪声干扰，尤其是对于成本较低的CMOS集成电路，通过一个高通滤波器，就可以滤除该混频器噪声干扰。因为信号在频域的零点附近并没有功率谱分量，所以不会造成接收机的附加ISI干扰，保证了传输信号的误码率性能。

参照图2，示出了本申请一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法实施例的流程图，具体可以包括：

在发送端：

步骤101，依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；

本实施例中，可由发送端对原始数据块进行数据重排及相位旋转，并传送K次，其中，每重排旋转并传送一次，会导致频谱利用率的下降，这使得总的传输系统的数据速率下降，但是也会提高发送信号的功率，并且增加频域子频带的分集增益。因此，本领域技术人员，可以根据系统的最低传输速率的要求和信道的好坏情形，来调整数据块发送的次数N，以达到信号传输性能和频谱利用率的最佳折衷。

步骤102，从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

在实际中，步骤101每重排得到一个数据块，步骤102即可传送该数据块。

参照图3，示出了本申请发送端对进行数据重排和相位旋转后的数据块重复发送的示意图。其中，第一个传送的数据块为原始数据块，第二个数据块为将原始数据块进行数据重排和相位旋转得到的新数据块，第三个数据块为将第二个数据块进行数据重排和相位旋转得到的新数据块，以此类推，将数据块重复发送K次。

将每个数据块的长度设置为M，第一次发送的数据块（即原始数据块）表示为S⁽⁰⁾，第二次发送的数据块（即第一个经数据重排和相位旋转得到的数据块）表示为S⁽¹⁾，以此类推，则第k个经数据重排和相位旋转得到的数据块表示为S^(k)，

$S^{\left(k\right)}\left(m\right)=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{K}}{S}^{(k-1)}\left(m_{\mathrm{shift}}\right)$

上式的含义为首先将第k-1个数据块的数据通过一定规则进行扰序，第k数据块的第m个数据对应第k-1数据块的第m_shift个数据，然后将扰序后的数据相位旋转便得到k数据块。其中，1≤k≤K-1，0≤m≤N-1。

也可用矩阵表示数据块S^(k)，为：

$S^{\left(k\right)}=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{K}}A{S}^{(k-1)}=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{K}k}{A}^k{S}^{\left(0\right)}$

其中，S⁽⁰⁾为原始数据块，A表示M×M的扰序矩阵（M为数据块的长度），它是一个置换矩阵，每行每列只有1个‘1’，其余位置为‘0’。同时在该扰序规则下，A是g-circulant矩阵，满足UAU^-1＝A^T，其中，U为M×M的FFT矩阵。

在本申请的一种优选实施例中，为了保证发送数据流无直流分量，本申请采用零填充（ZP，zero padding）作为保护间隔的帧结构，即在每个数据块的末端都加入一定长度的数据0作为保护间隔。这样，通过接收端的简单处理，将接收到的数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加，即可使有用数据的等效信道矩阵呈现循环特性，从而可以方便的实现频域均衡。

通过上述的数据重排和相位旋转，发送信号的直流分量表示为：

$\mathrm{\η}=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}^{\left(k\right)}\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{K}k}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}^{\left(0\right)}\left(m\right)$

由于式中

故发送信号的直流分量η＝0。

在接收端：

步骤103，对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

在接收端，将每个数据块末端的保护间隔中的数据加入到该数据块的前端，加入方法为：将保护间隔中的第一个数据与该数据块中的第一个数据相加，相加结果作为该数据块的第一个数据；将保护间隔中的第二个数据与该数据块中的第二个数据相加，相加结果作为该数据块的第二个数据；依次类推，直至将保护间隔中的所有数据加入到该数据块中。

步骤104，对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

参照图3，示出了本申请发送端对进行数据重排和相位旋转后的数据块重复发送的示意图。

接收端可以采用所示解调算法对所述K个数据块进行处理，其处理流程为：射频前端（RF Front End）→ADC+数字滤波器（ADC and Digital Filtering）→与保护间隔相加→线性合并（Linear Combination）→MMSE线性均衡（MMSE FDE）→符号判决或信道解码→数据输出（Data Output），“→”代表数据流向。其中，线性合并（Linear Combination）也即本步骤要完成的工作。

在实际中，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

子步骤1：对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

子步骤2：对所述N个数据块进行线性合并。

由于在发送端对数据块进行了数据重排和相位旋转，因此，在接收数据块时，要对其进行数据反重排和相位反旋转，以使其对应于原始数据块。

其中，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子步骤：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子步骤：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

以N=3为例，由于所述3个数据块在时间上是有延迟的，所以，本实施例可以在接收到前两个数据块后，即将其进行合并得到一个新数据块；而在接收到第3个数据块后，只需将该新数据块与第3个数据块进行合并即可。

在本发明的一种优选实施例中，可以采用最大比（MRC，maximum ratiocombining）算法对所述N个数据块进行线性合并。

例如，在合并时，可以设定第i个数据块的可变增益加权系数为该数据块的瞬时信噪比（信号幅度与噪声功率之比）；采用最大比的分集合并，可以使得接收信噪比最大，也即可获得MRC合并的最佳分集阶数。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下对N=2时的接收端解调算法进行详细说明，该示例参照图3所示的解调算法，其中省去了射频前端、ADC和数字滤波、线性均衡以及符号判决或信道解码的操作，具体可以包括：

步骤S1，与保护间隔相加；

首先对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加。

步骤S2，线性合并；

两数据块分别表示为S⁽⁰⁾、S⁽¹⁾，将原始数据块S⁽⁰⁾进行数据重排和相位旋转后得到的数据块S⁽¹⁾为：

$S^{\left(1\right)}=e^{\frac{2\mathrm{\π}}{2}}A{S}^{\left(0\right)}=-A{S}^{\left(0\right)}$

此时显然发送信号中无直流分量。

发送数据块S⁽⁰⁾、S⁽¹⁾分别对应接收数据块y⁽⁰⁾和y⁽¹⁾，将两个数据块向量视作同一向量y，采用如下表达式：

$\begin{array}{c}y=\left[\begin{array}{c}{y}^{\left(0\right)}\\ y^{\left(1\right)}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}{H}_0\\ H_1\end{array}\right]s+\left[\begin{array}{c}{n}_0\\ n_1\end{array}\right]\\ =\mathrm{Hs}+n\end{array}$

其中，s＝S⁽⁰⁾，H₀是一个M×M循环的信道矩阵；而H₁＝-H₀A是一个对H0进行相位旋转和列重新排列得到的信道矩阵；H是一个2M×M复合的信道矩阵，其包括H₀和H₁；n、n₀、n₁分别代表噪声向量。

假设在每两个连续的数据块，信道脉冲响应（CIR）是静态不变的。基于矩阵操作和以上的设想，得到下式：

$\begin{array}{c}{H}^{H}H=\left[{H_0}^H{H_1}^H\right]\left[\begin{array}{c}{H}_0\\ H_1\end{array}\right]\\ =[H_0^H{H}_0+{(-H_{0}A)}^H(-H_{0}A)]\\ =[H_0^H{H}_0+{\left(H_{0}A\right)}^H\left(H_{0}A\right)]\end{array}$

这里的(·)^H代表一个复共轭转置操作；

也是一个循环矩阵，可以做特征值分解，记其特征值分解的结果为|Λ₀|²，即信道的频域响应（这里Λ₁是一个M×M对角矩阵）。根据A的置换矩阵特性，这里

也是一个特征值置换矩阵，它有特征值|Λ₁|²，为特征值|Λ₀|²的乱序排列。最终的H^HH的特征值的分解结果为}Λ(i，i)|²＝|Λ₀(i，i)|²+|Λ₁(i，i)|²，即|Λ|²是一个对角矩阵，是一组复合信道冲击响应的频域变换分量。这里的分集合并过程等效为一个频域最大比（MRC）的分集合并。

与前述方法实施例相对应，参照图5，示出了本申请一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服系统实施例的流程图，该系统包括发送装置和接收装置，其中，

发送装置包括：

数据处理模块，依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；

传送模块，从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

接收装置包括：

相加模块，用于对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

线性合并模块，用于对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

其中，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

反处理模块，对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

线性合并子模块，用于对所述N个数据块进行线性合并。

在本申请的一种优选实施例中，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子模块：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子模块：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

在另一种优选实施例中，所述线性合并为采用最大比算法对所述N个数据块进行的合并。

此外，本系统还包括：

线性均衡模块，用于对所述合并后的数据块进行线性均衡。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本申请所提供的一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服方法，其特征在于，包括：

在发送端：

依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，所述K个数据块组合在一起形成的发送信号的直流分量为0；其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；所述获得K个数据块的步骤包括：将第k-1个数据块的数据通过一定规则进行扰序，第k个数据块的第m个数据对应第k-1个数据块的第m_shift个数据，然后将扰序后的数据相位旋转

便得到第k个数据块；

从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

在接收端：

对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

对所述N个数据块进行线性合并。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子步骤：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子步骤：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线性合并为采用最大比算法对所述N个数据块进行的合并。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述合并后的数据块进行线性均衡。

6.一种基于时频交织单载波频域均衡的直流分量克服系统，其特征在于，包括发送装置和接收装置，其中，

发送装置包括：

数据处理模块，依据原始数据块进行数据重排和相位旋转，获得K个数据块，所述K个数据块组合在一起形成的发送信号的直流分量为0；其中，原始数据块为第1个数据块，K为自然数；所述获得K个数据块的步骤包括：将第k-1个数据块的数据通过一定规则进行扰序，第k个数据块的第m个数据对应第k-1个数据块的第m_shift个数据，然后将扰序后的数据相位旋转

便得到第k个数据块；

传送模块，从第1个数据块起，依次传送所述K个数据块，其中，每个数据块的传送过程为，将保护间隔加入该数据块末端并传送；

接收装置包括：

相加模块，用于对于接收到的K个数据块，将每个数据块末端的保护间隔移出，并将所述保护间隔中的数据与该数据块前端的数据对应相加；

线性合并模块，用于对所述与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述对与保护间隔相加后的K个数据块进行线性合并包括：

反处理模块，对与保护间隔相加后的K个数据块进行数据反重排和相位反旋转，获得N个数据块，其中，N=K；

线性合并子模块，用于对所述N个数据块进行线性合并。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述对N个数据块进行线性合并的步骤，包括：

合并子模块：将所述N个数据块中的两个数据块合并为一个；

判断子模块：判断接收端中数据块的数目L，若L≥2，则返回合并子步骤。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述线性合并为采用最大比算法对所述N个数据块进行的合并。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

线性均衡模块，用于对所述合并后的数据块进行线性均衡。

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