CN102891821B - 一种正交频分复用系统及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交频分复用系统及应用该系统的信号处理方法。发射机以通过符号映射进行低阶调制的方式和/或调整信号发射功率的方式插入伪导频。接收机接收OFDM信号，对其进行伪导频辅助的相位噪声抑制，并根据系统性能要求修改伪导频的设置信息和编码凿孔图案，控制发射机插入伪导频。本发明通过挑选一系列子载波进行低阶调制或者调整这些子载波上信号的发射功率，使这些子载波上的解调数据充当伪导频，代替导频辅助完成高效的相位噪声抑制，同时结合编码凿孔可以达到极高的频谱效率。

Description

一种正交频分复用系统及信号处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及正交频分复用系统的关键技术，具体涉及一种正交频分复用系统以及应用该系统进行信号处理的方法，可以抑制相位噪声并提高系统频谱效率。

背景技术

正交频分复用（OFDM）是一种将发送的数据调制到一系列正交的子载波上传送出去的技术。目前OFDM被广泛的应用于宽带数字通信、基于无线信道或者同轴线信道传输的数字电视及广播系统、无线网络以及LTE移动通信系统等方面。

其中，基于同轴线信道传输的OFDM系统，传输距离比较短，信道较好，该系统在调制方式上希望能够采用高阶调制，如1024QAM，甚至是4096QAM，同时尽量不使用导频或者使用极少量导频来提高频谱效率。但是众所周知，多载波的相干OFDM系统和单载波系统相比，对发射机中晶体振荡器引入的相位噪声更加敏感，特别是在子载波间隔较小或者使用上述高阶调制的情况下，振荡器相位噪声会严重影响OFDM系统的传输性能。

相位噪声在OFDM系统中会引起公共相位误差（CPE）和子载波间干扰（ICI），相位噪声的抑制对于OFDM系统来说是必不可少的。目前广泛应用的性能较好的相位噪声抑制方法基本都是导频辅助的方法，相位噪声对于每个OFDM符号，甚至是每个子载波信号的影响都不同，导频辅助的相位噪声抑制方法需要发射机在传输数据块中插入导频，在接收机处利用导频估计相位噪声对当前OFDM符号的影响并实时地均衡这一影响。导频辅助的方法是公认的性能较好的相位噪声抑制方法，具体可参考如下文献：1）X.Yi et.al.,“Phase noise effects onhigh spectral efficiency coherent optical OFDM transmission”,Journal of Lightwave Technology，vol.26,no.10,pp.1309-1316,2008；2）W. Shieh,“Maximum-likelihood phase and channelestimation for coherent optical OFDM”,IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.12,pp.919-921,2008；3）S.Wu et.al.,“Aphase noise suppression algorithm for OFDM-based WLANs”,IEEE Communication Letters,vol.6,no.12,pp.535-537,2002；4）C.Yang et.al.，Phase noisesuppression for coherent optical block transmission systems:a unified framework,Optics Express,vol.19,no.18,Optics Express,2011。

但是，导频的使用不可避免的降低了系统的频谱效率和传输效率。

发明内容

本发明针对基于同轴线信道传输OFDM系统的特点，提出一种新型的OFDM系统及OFDM信号的处理方法；其不使用导频，而是挑选一系列子载波通过符号映射进行低阶调制或者调整这些子载波上信号的发射功率，使这些子载波上解调出来的数据充当伪导频，代替导频辅助如上面所列的相位噪声抑制方法工作，同时结合编码凿孔达到提高系统频谱效率的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种正交频分复用系统的信号处理方法，如图1所示，其步骤包括：

1）发射机对传输的数据进行编码和符号映射，对一系列子载波通过符号映射进行低阶调制和/或调整所述子载波信号的发射功率，然后进行OFDM调制；

2）接收机从发射机接收OFDM信号并进行解调，利用所述子载波信号的解调数据充当伪导频，代替导频辅助进行相位噪声抑制；

3）接收机根据正交频分复用系统的性能要求修改所述伪导频的设置信息，并将更新后的伪导频设置信息传输至发射机，控制发射机进行低阶调制和/或信号发射功率的调整。

进一步的，发射机对编码后的数据进行凿孔，然后进行所述符号映射；接收机还根据正交频分复用系统的性能要求设置编码凿孔图案，并传输至发射机，控制发射机进行凿孔。进行编码凿孔可以在抑制相位噪声的同时，达到提高系统频谱效率的目的。

在初始化时，发射机可以对编码后的数据不进行凿孔，也可以根据一预设的凿孔图案进行凿孔；发射机可以不插入伪导频（即不进行低阶调制或信号发射功率调整），也可以根据一预设的伪导频设置方案插入伪导频。相应的接收机可以在解调后的数据中选择若干子载波的解调数据作为伪导频进行伪导频辅助的相位噪声抑制，进而根据正交频分复用系统的性能要求进行伪导频和凿孔图案的设置，选择伪导频数据时，可以均匀选择，也可以不均匀选择；或者利用插入的伪导频进行伪导频辅助的相位噪声抑制，进而根据正交频分复用系统的性能要求更新系统伪导频和凿孔图案的设置。

所述接收机可以通过计算解调后信号的星座图信噪比来判断解调后的信号是否满足所述正交频分复用系统的性能要求。如果星座图信噪比满足正交频分复用系统的性能要求，则不修改当前系统的伪导频设置方案和编码凿孔图案；如果星座图信噪比未满足正交频分复用系统的性能要求，则进行所述步骤3）。除星座图信噪比外，也可以采用其它方法，如计算误码率等，也可实现判断解调信号是否达到系统要求。

所述凿孔的方式包括：分布式凿孔、集中式凿孔。

所述伪导频设置信息的修改方式可以选自下列方式中的一种或多种：1）改变伪导频的密度；2）改变伪导频对应的子载波的调制格式阶数；3）改变伪导频对应的子载波上信号的发射功率。即可以单独使用、两两结合使用，或者三种方式同时使用。

所述伪导频辅助的相位噪声抑制方法可以是现有的一大类导频辅助的相位噪声抑制方法做如下改动即可：不采用导频辅助相位噪声估计而采用伪导频替代导频进行相位噪声估计。

上述方法中，当仅采用通过符号映射进行低阶调制的方式插入伪导频时，可以通过如下系统实现：

一种正交频分复用系统，包括发射机和接收机，其间通过信道连接；

所述发射机包括依次连接的编码模块、符号映射模块和调制模块，分别对传输数据进行编码、符号映射并通过符号映射以低阶调制的方式插入伪导频、以及OFDM调制；

所述接收机包括：

解调模块，用于从所述发射机接收OFDM信号并进行信道均衡、伪导频辅助的相位噪声抑制和解调；

伪导频设置模块，连接所述解调模块，用于根据正交频分复用系统的性能要求设置伪导频的分布以及伪导频对应的一系列子载波的调制格式；

控制模块，分别连接所述伪导频设置模块和所述符号映射模块，用于根据伪导频设置信息控制所述符号映射模块进行符号映射；

解码模块，连接所述解调模块，用于对解调后的信号进行解码并输出。

进一步地，在所述编码模块与所述符号映射模块之间设置一凿孔模块，用于对编码后的数据进行凿孔；所述控制模块还连接所述凿孔模块，并根据伪导频设置信息确定编码凿孔图案，控制所述凿孔模块进行凿孔。

进一步地，在所述符号映射模块与所述调制模块之间还可设置一功率调整模块，用于实现同时以符号映射方式和调整信号发射功率的方式插入伪导频；此时所述伪导频设置模块还用于设置信号的发射功率；所述控制模块还连接所述功率调整模块，并控制其进行功率调整。

在同时包含符号映射模块与功率调整模块时，可以使符号映射模块仅用于符号映射，而不进行低阶调制，此时可实现仅通过调整信号发射功率的方式插入伪导频。在这种情况下，凿孔模块可以省去。这种方式的具体方案如下：

一种正交频分复用系统，包括发射机和接收机，其间通过信道连接；

所述发射机包括依次连接的编码模块、符号映射模块、功率调整模块和调制模块，分别对传输数据进行编码、符号映射、以调整信号发射功率的方式插入伪导频、以及OFDM调制；

所述接收机包括：

解调模块，用于从所述发射机接收OFDM信号并进行信道均衡、伪导频辅助的相位噪声抑制和解调；

伪导频设置模块，连接所述解调模块，用于根据正交频分复用系统的性能要求设置信号的发射功率；

控制模块，分别连接所述伪导频设置模块和所述功率调整模块，用于根据设置的信号发射功率控制所述功率调整模块进行功率调整；

解码模块，连接所述解调模块，用于对解调后的信号进行解码并输出。

本发明提出的新型OFDM系统及信号处理方法，不使用导频，而是挑选一系列子载波进行低阶调制或者调整这些子载波上信号的发射功率，使这些子载波上的解调数据充当伪导频，代替导频辅助完成高效的相位噪声抑制；同时利用编码凿孔，和不使用导频以及伪导频的OFDM系统比并不损失频谱效率。从而本发明在实现高效相位噪声抑制的同时，还能实现极高频谱效率的传输。

附图说明

图1为本发明的正交频分复用系统的信号处理方法的步骤流程图。

图2为实施例中不包含功率调整模块的OFDM系统的组成结构示意图。

图3为实施例中包含功率调整模块的OFDM系统的组成结构示意图。

图4为图3中OFDM接收机的工作流程示意图。

图5为实施例中OFDM系统的编码凿孔方案示意图。

其中：1-编码模块，2-凿孔模块，3-符号映射模块，4-调制模块，5-信道，6-解调模块，7-伪导频设置模块，8-控制模块，9-解码模块，10-功率调整模块；S1~S9-步骤。

具体实施方式

下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。

本发明提出的新型OFDM系统及信号处理方法，不使用导频，而是挑选一系列子载波进行低阶调制或者调整这些子载波上信号的发射功率，使这些子载波上的解调数据充当伪导频，代替导频辅助完成高效的相位噪声抑制。

图2所示为一个实施例的OFDM系统的组成结构示意图。该OFDM系统包含发射机和接收机，发射机中不包含功率调整模块。传输的数据进入OFDM发射机，首先通过模块1进行编码，之后通过模块2进行凿孔。凿孔后的比特数据流进入模块3进行符号映射，通过对子载波进行低阶调制插入伪导频，然后进入模块4进行OFDM调制，调制后的OFDM模拟信号进入信道5。在接收机处，解调模块6对接收到的OFDM信号进行信道均衡、伪导频辅助相位噪声抑制、最后进行解调。解调模块6通过对系统传输性能的分析，控制伪导频设置模块7完成伪导频的设置更新。伪导频为一个OFDM符号中设置为进行较低阶调制的子载波上的解调信号，伪导频设置模块7输出伪导频在一个OFDM符号中的分布以及其对应的一系列子载波采用的调制格式，模块7输出信号给控制模块8。在不降低系统传输效率前提下，控制模块8根据伪导频设置模块7的输出设置更新编码凿孔图案，并反馈控制信令，对凿孔模块2和符号映射模块3进行控制，完成编码凿孔和符号映射。

图3所示为另一个实施例的OFDM系统的组成结构示意图，该系统在符号映射模块与调制模块之间设置了一个功率调整模块10，用于实现同时以符号映射方式和调整信号发射功率的方式插入伪导频。此时控制模块8还连接功率调整模块10，并控制其进行功率调整。伪导频设置模块7可以设置不同的伪导频设置信息，如改变伪导频的密度、改变伪导频对应的子载波的调制格式阶数、改变伪导频对应的子载波上信号的发射功率等，在模块8控制下实现发射机的不同的伪导频插入过程。

上述实施例中的OFDM系统中，在通过插入伪导频辅助完成高效的相位噪声抑制的同时，还进行编码凿孔，以达到同时提高系统频谱效率的目的。本领域技术人员可以理解，当仅考虑抑制系统的相位噪声时，发射机可以不包含凿孔模块，接收机也不需要设置编码凿孔图案。

在同时包含符号映射模块与功率调整模块时，还可以使符号映射模块仅用于符号映射，而不对凿孔后图案进行低阶调制，此时可实现仅通过调整信号发射功率的方式插入伪导频。在这种情况下，凿孔模块可以省去；控制模块分别连接伪导频设置模块和功率调整模块，不再连接符号映射模块。

图4为图3中OFDM接收机的工作流程示意图。主要包括初始化阶段和完成初始化设置后的工作阶段，分别描述如下：

在初始化阶段，首先执行步骤S1，由伪导频设置模块7设置伪导频的分布以及伪导频对应的一系列子载波的调制格式或者发射功率调整值。例如：可以设置为D（D=1,2，...）个伪导频均匀的分布在N（N=1,2，...）个OFDM子载波中间，N>D；假设OFDM符号非伪导频对应的子载波为2^MQAM（M=0,1,2，...）调制，发射功率为1dBm，那么伪导频对应的子载波设置为2^MdQAM（M_d=0,1,2,…）调制，发射功率为2dBm，这里M_d≤M。模块7完成初始化，并将信息传递给控制模块8，控制模块8执行步骤S2，根据参数D，N，M以及M_d计算出插入伪导频后，在不降低系统传输效率（每秒传输的信息比特数不变）的前提下，编码凿孔模块2应该凿掉的比特位数量，并给出凿孔图案。例如：可以是分布式的凿掉这些比特位，也可以集中的凿掉这些数量的比特位。然后执行步骤S3，由控制模块8反馈以上设置伪导频以及凿孔方式的控制信令给模块2、模块3和模块10，完成这些模块的初始化设置。

完成初始化设置后的接收机工作流程为：

执行步骤S4，在当前时刻，OFDM信号解调模块6计算并输出解调信号星座图信噪比。然后执行步骤S5，判断解调信号星座图信噪比是否达标：如果该值达到系统要求，则执行步骤S6，不更改伪导频设置和编码凿孔方案；如果该值未达到系统要求，则执行步骤S7，通过伪导频设置模块7调整伪导频的设置。判断解调信号星座图信噪比是否达标的功能优选通过模块7完成，但也可以通过模块6来完成。除星座图信噪比外，也可以采用其它方法，如计算误码率等，也可实现判断解调信号是否达标。

模块7调整伪导频设置时可以采用如下方式：1）改变伪导频的密度，即增加D；2）改变伪导频对应的子载波的调制格式阶数，即降低M_d；3）改变伪导频对应的子载波的信号发射功率；4）上述三种方法两两结合或者三种方法一起采用，如：增加D，同时降低M_d；D不变，同时降低M_d；降低D，同时降低M_d；增加D，M_d不变；增加D，降低M_d，同时增大伪导频对应子载波的信号发射功率等等。其中，显然增加D，降低M_d，同时增大伪导频对应子载波的信号发射功率这一伪导频设置方案可以带来最为显著的系统性能提升，这得益于伪导频的数量以及正确率的同时增加。

伪导频设置模块7将伪导频设置更新信息传递给控制模块8，控制模块8在不降低系统传输效率前提下，给出伪导频设置调整后新的凿孔图案，即执行步骤S8。例如可以如图5(a)所示分布式地凿掉这些比特位，也可以如图5(b)所示集中地凿掉这些数量的比特位。最终执行步骤S9，即模块8反馈更新后的伪导频设置信息以及编码凿孔方案信息给模块2、模块3及模块10，指导伪导频的插入。

下面提供本发明的一个具体应用实例：

设定OFDM发射机采用前向纠错码，OFDM符号有1024个子载波，进行4096QAM调制，传输的OFDM信号前插入了伪随机序列作为前导序列进行信道估计。

OFDM信号解调模块可以使用背景技术中参考文献1）-4）所述的OFDM接收系统，这里选择其中的一种，使用论文“Phase noise suppression for coherent optical block transmissionsystems:a unified framework”(Optics Express,vol.19,no.18,pp.17013-17019)中所述的OFDM解调系统来举例说明本应用实例的实施方式，即OFDM信号解调模块使用最大似然的信道估计算法，基于迫零法则的信道均衡算法以及基于正交基展开的相位噪声抑制算法。本实施例基于正交基展开的相位噪声抑制算法使用伪导频信号代替导频来估计相位噪声，再进行时域的相位噪声抑制。

1）初始化阶段（时刻k=1）：

发射机：需传输的数据通过编码模块1进行前向纠错编码，编码后的数据输入凿孔模块2，此时编码后的数据不凿孔，直接输入模块3进行子载波映射，完成4096QAM调制；此时不需要功率调整，映射后的数据在模块4经过OFDM调制，模拟信号进入信道。

接收机：接收到的OFDM信号经过OFDM解调模块6完成解调，得到解调信号的星座图信噪比。其中，解调模块6采用基于正交基展开的相位噪声抑制算法使用伪导频信号来估计相位噪声，再进行时域的相位噪声抑制。在初始化阶段，还未插入伪导频，对于当前的OFDM符号，解调模块6在解调后的1024个数据中可依照一定法则选择一定比例的数据充当伪导频，例如可以均匀选择40个数据。将计算出的解调信号的星座图信噪比输出给模块7伪导频设置模块。

如果解调信号的星座图信噪比已经达到系统的性能要求，则控制模块8发出信令给发射机，不再插入伪导频；如果未达到系统的性能要求，模块7可以如下设置系统的伪导频方案：将40个伪导频均匀的分布在1024个OFDM子载波中间；伪导频对应的子载波采用1024QAM调制，信号发射功率加倍。该40个数据所占比例约为4%，选择约4%~6%比例的数据时，可以实现较高的传输效率。模块7将该信息传递给控制模块8，控制模块8计算出系统插入伪导频后，和不使用导频或者伪导频的系统相比，在不降低传输效率前提下，模块2编码凿孔模块需要凿掉约0.65%的比特位，并给出凿孔图案，凿孔图案可以是分布式的凿掉这些信息，也可以集中的凿掉这些信息。控制模块8反馈包含伪导频设置信息以及编码凿孔方案信息的控制信令给模块2、模块3和模块10，完成模块2、模块3和模块10的初始化设置。

其中，系统的性能要求可以是解调信号的星座图信噪比达到某个设置值。

2）初始化后系统的工作流程：

k（k=2,3，...）时刻，接收到的OFDM符号插入了D（D=1,2，...）个伪导频，伪导频的调制格式为2^MdQAM（M_d<12）调制，功率为XdBm，使用D个伪导频信号进行相位噪声估计，并进行时域的相位噪声抑制，完成OFDM解调，得到解调信号的星座图信噪比。

如果解调信号的星座图信噪比已经达到系统的性能要求，则控制模块8发出信令给发射机，不更改伪导频的设置以及编码凿孔方案；如果解调信号的星座图信噪比未达到系统的性能要求，则在模块7中，伪导频对应的子载波调制格式更新为2^Md~QAM调制，这里M_d~<M_d，信号发射功率不调整，模块7将更新的伪导频设置信息传递给控制模块8，控制模块8计算出更新伪导频设置后，在不降低系统传输效率前提下，模块2编码凿孔模块需要凿掉（12-M_d~）*D/12288的比特位，并给出凿孔图案，凿孔图案仍然可以是分布式的凿掉这些信息（如图5(a)所示），也可以集中的凿掉这些信息（如图5(b)所示）。控制模块8反馈以上伪导频设置以及编码凿孔方案的更新信息给凿孔模块2、符号映射模块3和功率调整模块10，下一时刻发射机遵照新的控制信令完成OFDM信号的调制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统的信号处理方法，其步骤包括：

1)发射机对传输的数据进行编码、凿孔和符号映射，对一系列子载波通过符号映射进行低阶调制，和/或调整所述子载波信号的发射功率，然后进行OFDM调制；

2)接收机从发射机接收OFDM信号并进行解调，利用所述子载波信号的解调数据充当伪导频，代替导频辅助进行相位噪声抑制；

3)接收机根据正交频分复用系统的性能要求修改所述伪导频的设置信息，根据伪导频设置信息设置编码凿孔图案，并将更新后的伪导频设置信息和编码凿孔图案传输至发射机，控制发射机进行低阶调制和/或信号发射功率的调整，以及控制发射机进行凿孔，在通过插入伪导频实现高效相位噪声抑制的同时，利用编码凿孔提高系统频谱效率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在初始化时：

发射机根据一预设的凿孔图案进行凿孔；

发射机根据一预设的伪导频设置方案进行低阶调制；

发射机根据一预设值调整信号的发射功率；

接收机在解调后的数据中选择若干子载波的解调数据作为伪导频进行伪导频辅助的相位噪声抑制，进而根据正交频分复用系统的性能要求进行伪导频和凿孔图案的设置；或者利用插入的伪导频进行伪导频辅助的相位噪声抑制，进而根据正交频分复用系统的性能要求更新系统伪导频和凿孔图案的设置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在发射机不插入伪导频的初始化方式中，接收机选择4％～6％的解调数据作为伪导频。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凿孔的方式包括：分布式凿孔、集中式凿孔。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下列方式中的一种或多种修改所述伪导频的设置信息：1)改变伪导频的密度；2)改变伪导频对应的子载波的调制格式阶数；3)改变伪导频对应的子载波上信号的发射功率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：接收机通过计算星座图信噪比判断解调信号是否满足所述正交频分复用系统的性能要求。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：接收机采用基于正交基展开的相位噪声抑制算法使用伪导频信号替代导频估计相位噪声，然后进行时域的相位噪声抑制。

8.一种采用权利要求1所述方法的正交频分复用系统，包括发射机和接收机，其间通过信道连接，其特征在于：

所述发射机包括依次连接的编码模块、凿孔模块、符号映射模块、功率调整模块和调制模块，分别对传输数据进行编码、凿孔、以调整信号发射功率的方式插入伪导频、符号映射并通过符号映射以低阶调制的方式插入伪导频、以及OFDM调制；

所述接收机包括：

解调模块，用于从所述发射机接收OFDM信号并进行伪导频辅助的相位噪声抑制和解调；

伪导频设置模块，连接所述解调模块，用于根据正交频分复用系统的性能要求设置伪导频的分布、伪导频对应的一系列子载波的调制格式以及信号的发射功率；

控制模块，分别连接所述伪导频设置模块、所述凿孔模块、所述功率调整模块和所述符号映射模块，用于根据伪导频设置信息确定编码凿孔图案并控制所述凿孔模块进行凿孔，控制所述符号映射模块进行符号映射，以及根据设置的信号发射功率控制所述功率调整模块进行功率调整，在通过插入伪导频实现高效相位噪声抑制的同时，利用编码凿孔提高系统频谱效率；

解码模块，连接所述解调模块，用于对解调后的信号进行解码并输出。