CN102957636B - 超帧信号生成方法、信道估计方法及信号传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超帧信号生成方法，涉及数字信息传输技术领域，包括：生成已知的训练序列C，且C由N个时域符号组成；将训练序列C在时域分成K段相等长度的部分，按照从左到右的顺序分别记为C1，C2，…，CK，每一段的长度为N/K；将训练序列C进行循环块移位，得到K个训练序列；在K个训练序列后面分别插入相应长度为N/K的循环后缀，得到K个帧头序列；将所述K个帧头序列分别插入到帧体数据之前形成信号帧，并将K个信号帧组合得到超帧信号。还公开了基于上述超帧信号的信道估计方法及信号传输系统。本发明同时保证了低复杂度的数据重构以及高精度信道估计的同时显著的提高了系统的频谱利用率。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种超帧信号生成方法、信道估计方法及信号传输系统。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展以及人们对无线通信业务需求的日益增长，人们希望能够在有限的信号带宽内取得尽可能高的数据传输率。随着频率资源日趋紧张，迫切需要能够采取各种有效的手段来提高频谱利用率，降低各种不必要系统开销。各种信号处理方法，诸如单多载波传输技术、编码调制技术、自适应均衡技术等等，都为提高系统传输的鲁棒性和有效性提供了有力的技术手段。
而宽带传输系统，尤其是无线宽带传输系统，由于传输信道的多径效应以及时变效应，会带来严重的频率选择性和时间选择性，从而对传输信号造成严重的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。多载波正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是目前无线通信系统中广泛应用的一种信号传输方式。由于在多载波系统中，高速串行的数据流被分割成为低速并行的数据流，并且映射到频域正交的子载波上，从而每个子载波的时域符号显著增长。通过引入循环前缀或者保护间隔，OFDM系统可以有效地消除符号间干扰，并且可以应用非常简便的频域均衡方法消除多径效应。正是由于上述优点，OFDM被广泛应用于各种无线传输标准中。
与传统的OFDM系统不同，时域同步正交频分复用(TimeDomain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)技术作为一种新型的多载波传输方法，已被中国地面数字电视传输DTMB标准采用为其核心关键技术。在TDS-OFDM系统中，已知的伪随机序列(Pseudo-randomNoise，PN)代替了OFDM中循环前缀并用于时间同步、频率同步和信道估计。已知训练序列在对抗块间干扰起到保护间隔作用的同时，还可以辅助进行同步、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等。TDS-OFDM系统的信号传输结构如图1所示。然而，由于训练序列和帧体数据之间在多径信道下存在互相干扰，因此需要采用复杂的迭代干扰消除方法来消除PN对数据的干扰以及数据对PN的干扰，不但增加了系统的实现复杂度，而且会带来残留的干扰误差，从而造成了在采用更高阶的星座映射方式时会带来性能恶化。
在传统TDS-OFDM帧结构的基础上，一种改进型的帧结构如图2所示。该帧结构中，每个信号帧头均由两段相同的PN序列构成，即双PN结构，前一个PN序列构成了后一个序列的循环保护，从而消除了数据对PN序列的干扰。在信道长度不超过单个PN序列的长度时，接收端可以直接利用第二个PN序列对信道状态进行估计，从而得到非常干净的信道估计结果。同时，由于帧体数据前后均为固定的已知PN序列，PN序列对数据的干扰则可以通过非常高效的加减消除或者数据重构的方式实现，其信道估计与数据重构算法如图3所示。该结构有效的降低了系统的实现复杂度，并且用于信道估计的训练序列不会受到干扰，可适用于高阶星座调制的传输情况，传输数据率高。
然而，由于每个帧头均由两段PN序列构成，双PN帧结构在降低复杂度、提高信号处理精度的同时也降低了频谱利用率。因此，本发明的目的在于设计一种既能保持双PN结构的信号处理精度和复杂度，又能够显著提高频谱利用率的信息传输方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在保证信号处理精度和复杂度的情况下，显著提高频谱利用率。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超帧信号生成方法，包括以下步骤：
S1：生成已知的训练序列C，且C由N个时域符号组成；
S2：将所述训练序列C在时域分成K段相等长度的部分，按照从左到右的顺序分别记为C1，C2，…，CK，每一段的长度为N/K，N≥K≥1；
S3：将所述训练序列C进行循环块移位，得到K个训练序列；
S4：在K个训练序列后面分别插入相应长度为N/K的循环后缀，得到K个帧头序列；
S5：将所述K个帧头序列分别插入到事先生成的K个帧体数据之前形成K个信号帧，并将K个信号帧组合得到超帧信号。
其中，所述循环块移位的方式为：第l个训练序列为训练序列C在时域向左循环移位(l-1)N/K个符号长度，l＝1，2，…，K。
其中，所述训练序列C为时域序列、频域序列或者时频序列的变形或组合。
其中，所述帧体数据的调制方式为单载波调制方式或多载波调制方式。
本发明还提供了一种信道估计方法，包括以下步骤：
A1：接收按上述任一项所述的超帧信号生成方法生成超帧信号并同步，分离帧体数据和帧头序列；
A2：对超帧信号中的K个信号帧，分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀；
A3：将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，重构长度为N的训练序列C′；
A4：通过重构之后的训练序列C′与已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息。
其中，所述步骤A4中采用基于循环卷积的信道估计方式对传输多径信道进行估计。
本发明还提供了一种信号传输系统，包括：
信号发射端设备，用于上述任一项所述的超帧信号生成方法生成超帧信号并发射；
信号接收端设备，用于接收所述超帧信号，并从其中解调出源信息。
其中，所述信号发射端设备包括：帧体数据生成模块、训练序列生成模块、训练序列循环移位模块、循环后缀插入模块、信号帧生成模块及后处理模块，
所述帧体数据生成模块调制待发送的源信息生成K个帧体数据，并将所述帧体数据输出给所述信号帧生成模块；
所述训练序列生成模块生成已知的训练序列C，并将训练序列C输出给所述训练序列循环移位模块；
所述训练序列循环移位模块将所述训练序列C分成K段并进行循环块移位，生成一个超帧中的K个训练序列，并将K个训练序列输出给所述循环后缀插入模块；
所述循环后缀插入模块在训练序列循环移位模块生成的K个训练序列的末尾分别插入循环后缀，得到K个帧头序列，并将K个帧头序列输出给所述信号帧生成模块；
信号帧生成模块将帧头序列和帧体数据组合成K个信号帧，并将K个信号帧复接在一起，得到超帧信号，并将超帧信号输出给所述后处理模块；
后处理模块对所述超帧信号经过进行信号后处理之后得到发送信号进行发射。
其中，所述信号接收端设备包括：帧体数据分离模块、训练序列重构模块、信道估计模块、信道均衡模块及数据解调模块，
所述帧体数据分离模块接收信号发射端设备发送的信号并同步，分离帧体数据和帧头序列，并将帧体数据输出给所述信道均衡模块，将帧头序列输出给所述训练序列重构模块；
所述训练序列重构模块分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀，将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，重构长度为N的训练序列C′，并将重构的训练序列C′输出给所述信道估计模块；
所述信道估计模块通过重构的训练序列C′和已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息，并将所述传输信道状态信息输出给所述信道均衡模块；
所述信道均衡模块对所述帧体数据进行信道补偿，并将补偿后的帧体数据输出给所述数据解调模块；
所述数据解调模块对补偿后的帧体数据进行解调，从而恢复出源信息。
(三)有益效果
本发明通过构造循环块移位训练序列的超帧信号将原双PN结构中PN序列的循环保护由一段完整PN序列缩短为PN序列的1/K，显著的提高了系统的频谱利用率；同时基于本发明的信号传输方法及其信道估计与均衡方法，同时保证了低复杂度的数据重构以及高精度信道估计。
附图说明
图1为现有的DTMB系统中TDS-OFDM帧结构示意图；
图2为现有的基于双PN结构的TDS-OFDM帧结构示意图；
图3为现有的双PN帧结构的信道估计与均衡示意图；
图4为本发明实施例的一种超帧信号生成方法流程图；
图5为本发明提供的超帧信号的信号帧结构示意图；
图6为本发明基于图4中生成的超帧信号的一种信道估计方法流程图；
图7为图6中信道估计方法中信道估计算法框图；
图8为本发明实施例的一种信号传输系统的信号发射端设备结构示意图；
图9为本发明实施例的一种信号传输系统的信号接收端设备结构示意图。
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。
如图4所示，为本发明的一种超帧信号生成方法流程图，该超帧信号基于循环块移位训练序列的数字信息块生成，每个超帧由K个信号帧组成，每个信号帧均包含帧头序列和传输帧体数据两部分，帧头序列又包括已知的训练序列和循环后缀两部分。该方法包括：
步骤S401，生成已知(发射端和接收端已经互相约定)的训练序列C，且C由N个时域符号组成。训练序列C可以为时域序列、频域序列或者时频序列的变形或组合，如：时域二值序列、频域二值序列、时频实数序列或上述序列的组合形式。
步骤S402，将训练序列C在时域分成K段相等长度的部分，按照从左到右的顺序分别记为C1，C2，…，CK，每一段的长度为N/K。
步骤S403，将训练序列C进行循环块移位，得到K个训练序列。本实施例中，采用的循环块移位的方式为：第l个训练序列为训练序列C在时域向左循环移位(l-1)N/K个符号长度，l＝1，2，…，K。如果将序列C表示为[C1，C2，…，CK]，则根据上述规则第l个信号帧的训练序列可表示为[Cl，Cl+1，…，CK，C1，…，Cl-1]。
步骤S404，在K个训练序列后面分别插入相应长度为N/K的循环后缀，得到K个帧头序列。则第l个信号帧的帧头序列可表示为[Cl，Cl+1，…，CK，C1，…，Cl-1，Cl]。
步骤S405，将所述K个帧头序列分别插入到事先生成的K个帧体数据之前形成K个信号帧，并将K个信号帧组合得到超帧信号。
当然在步骤S405之前还包括调制待发送的源信息生成帧体数据，帧体数据的调制方式可以为单载波调制方式或多载波调制方式。
如图5所示为本发明中一个超帧的信号帧结构。一个超帧由K个信号帧组成。每个信号帧都包含帧头序列和帧体数据两部分，其中帧头序列的长度为(N+N/K)，由长度为N的训练序列和长度为N/K的循环后缀组成。每一个信号帧的训练序列均由基本的训练序列C按上述循环块移位得到。
本实施例中还提供了一种基于上述超帧信号的信道估计方法，如图6所示，具体包括：
步骤S601，按上述步骤S401～S405的步骤生成超帧信号，将超帧信号经过成形滤波、正交上变频等后处理之后，得到待发送的信号并发送。
步骤S602，接收S601发送的信号并同步，同步后可得到一个超帧信号的起始参考位置，从而分离帧体数据和帧头序列。
步骤S603，对超帧信号中的K个信号帧，分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀。
步骤S604，将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，得到重构之后的长度为N的接收训练序列C′。
步骤S605，通过重构之后的训练序列C′与已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息。
在得到传输信道状态信息后，根据信道状态信息对帧体数据进行信道补偿，以消除多径信道造成的传输失真，之后对补偿后的帧体数据进行解调，恢复出源信息。
如图7所示，为信号传输方法中信道估计示意图。本实施例中以K＝2为例，即一个超帧由两个信号帧组成。训练序列C在时域被分为相等的两部分C1和C2，则两个信号帧的帧头序列分别为[C1，C2，C1]和[C2，C1，C2]。经过多径信道之后的信号如图7所示。为了分析方便，图中分别给出了信号帧中每一部分的多径时延扩展，并分别用不同的图示标识。其中，多径信道的最大时延扩展不超过训练序列C的长度N，此时帧头序列中的最后一部分，即循环后缀将不会受到任何帧体数据的干扰。为了进行信道估计，将两个信号帧中帧头序列的两段循环后缀分别取出，如图所示，按照C1、C2的顺序组合在一起，即可得到一段重构出的接收训练序列。由于本发明的帧头序列结构特点，拼接后的循环后缀恰好构成了序列C＝[C1，C2]与多径信道的循环卷积。因此，采用基于循环卷积的信道估计方法对传输信道特性进行估计。信道估计可以采用频域估计，也可以采用时域估计。由上面的分析可以看出，虽然帧头序列只有长度为N/K的保护循环后缀，但通过K个帧头的联合处理，可以实现对长度为N的多径信道的有效估计，从而显著提高了系统频谱利用率。
本实施例中还提供了一种信号传输系统，包括：信号发射端设备和信号接收端设备。信号发射端设备按上述任一超帧信号生成方法生成超帧信号并发射；信号接收端设备接收超帧信号，并从其中解调出源信息。
如图8所示，信号发射端设备包括：帧体数据生成模块801、训练序列生成模块802、训练序列循环移位模块803、循环后缀插入模块804、信号帧生成模块805及后处理模块806。训练序列生成模块802连接训练序列循环移位模块803，训练序列循环移位模块803连接循环后缀插入模块804，帧体数据生成模块801和循环后缀插入模块804分别连接信号帧生成模块805，信号帧生成模块805连接后处理模块806。
帧体数据生成模块801调制待发送的源信息生成帧体数据。调制方式可以为单载波调制方式或多载波调制方式等。并将帧体数据输出给信号帧生成模块805。
训练序列生成模块802生成已知的训练序列C，并将训练序列C输出给训练序列循环移位模块803。
训练序列循环移位模块803将训练序列C分成K段并进行循环块移位，生成一个超帧中的K个训练序列，并将K个训练序列输出给循环后缀插入模块804；
循环后缀插入模块804在训练序列循环移位模块生成的K个训练序列的末尾分别插入循环后缀，得到K个帧头序列，并将K个帧头序列输出给信号帧生成模块805；
信号帧生成模块805将帧头序列和帧体数据组合成K个信号帧，并将K个信号帧复接在一起，得到超帧信号，并将超帧信号输出给后处理模块806；
后处理模块806对超帧信号经过进行成形滤波、正交上变频等信号后处理之后得到发送信号进行发射。
如图9所示，信号接收端设备包括：帧体数据分离模块901、训练序列重构模块902、信道估计模块903、信道均衡模块904及数据解调模块905。训练序列重构模块902连接信道估计模块903，帧体数据分离模块901和信道估计模块903分别连接信道均衡模块904，信道均衡模块904连接数据解调模块905。
帧体数据分离模块901接收信号发射端设备发送的信号并同步，分离帧体数据和帧头序列，并将帧体数据输出给信道均衡模块904，将帧头序列输出给训练序列重构模块902；
训练序列重构模块902分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀，将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，重构长度为N的训练序列C′，并将重构的训练序列C′输出给信道估计模块903；
信道估计模块903通过重构的训练序列C′和已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息，并将传输信道状态信息输出给信道均衡模块904；
信道均衡模块904对帧体数据进行信道补偿，以消除多径信道造成的传输失真，并将补偿后的帧体数据输出给数据解调模块905；
数据解调模块905对补偿后的帧体数据进行解调，从而恢复出源信息。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种超帧信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：生成已知的训练序列C，且C由N个时域符号组成；
S2：将所述训练序列C在时域分成K段相等长度的部分，按照从左到右的顺序分别记为C1,C2,…,CK，每一段的长度为N/K，N≥K≥1；
S3：将所述训练序列C进行循环块移位，得到K个训练序列；
S4：在K个训练序列后面分别插入相应长度为N/K的循环后缀，得到K个帧头序列；所述循环后缀是所述训练序列C中的对应段的数据；
S5：将所述K个帧头序列分别插入到事先生成的K个帧体数据之前形成K个信号帧，并将K个信号帧组合得到超帧信号。
2.如权利要求1所述的超帧信号生成方法，其特征在于，所述循环块移位的方式为：第l个训练序列为所述训练序列C在时域向左循环移位(l－1)N/K个符号长度，l＝1,2,…,K。
3.如权利要求1或2所述的超帧信号生成方法，其特征在于，所述训练序列C为时域序列、频域序列或者时频序列的变形或组合。
4.如权利要求1所述的超帧信号生成方法，其特征在于，所述帧体数据的调制方式为单载波调制方式或多载波调制方式。
5.一种信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：接收按权利要求1～4中任一项所述方法生成超帧信号并同步，分离帧体数据和帧头序列；
A2：对超帧信号中的K个信号帧，分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀；
A3：将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，重构长度为N的训练序列C＇；
A4：通过重构之后的训练序列C＇与已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息。
6.如权利要求5所述的信道估计方法，其特征在于，所述步骤A4中采用基于循环卷积的信道估计方式对传输多径信道进行估计。
7.一种信号传输系统，其特征在于，包括：
信号发射端设备，用于按权利要求1～4中任一项所述的方法生成超帧信号并发射；
信号接收端设备，用于接收所述超帧信号，并从其中解调出源信息；
所述信号接收端设备包括：帧体数据分离模块、训练序列重构模块、信道估计模块、信道均衡模块及数据解调模块，
所述帧体数据分离模块接收信号发射端设备发送的信号并同步，分离帧体数据和帧头序列，并将帧体数据输出给所述信道均衡模块，将帧头序列输出给所述训练序列重构模块；
所述训练序列重构模块分别取出每个信号帧中帧头序列的最后N/K个时域符号的循环后缀，将K个长度为N/K的循环后缀在时域按照接收先后顺序拼接，重构长度为N的训练序列C＇，并将重构的训练序列C＇输出给所述信道估计模块；
所述信道估计模块通过重构的训练序列C＇和已知的训练序列C对传输多径信道进行估计，得到传输信道状态信息，并将所述传输信道状态信息输出给所述信道均衡模块；
所述信道均衡模块对所述帧体数据进行信道补偿，并将补偿后的帧体数据输出给所述数据解调模块；
所述数据解调模块对补偿后的帧体数据进行解调，从而恢复出源信息。
8.如权利要求7所述的信号传输系统，其特征在于，所述信号发射端设备包括：帧体数据生成模块、训练序列生成模块、训练序列循环移位模块、循环后缀插入模块、信号帧生成模块及后处理模块，
所述帧体数据生成模块调制待发送的源信息生成K个帧体数据，并将所述帧体数据输出给所述信号帧生成模块；
所述训练序列生成模块生成已知的训练序列C，并将训练序列C输出给所述训练序列循环移位模块；
所述训练序列循环移位模块将所述训练序列C分成K段并进行循环块移位，生成一个超帧中的K个训练序列，并将K个训练序列输出给所述循环后缀插入模块；
所述循环后缀插入模块在训练序列循环移位模块生成的K个训练序列的末尾分别插入相应长度为N/K的循环后缀，得到K个帧头序列，并将K个帧头序列输出给所述信号帧生成模块；所述循环后缀是所述训练序列C中的对应段的数据；
信号帧生成模块将帧头序列和帧体数据组合成K个信号帧，并将K个信号帧复接在一起，得到超帧信号，并将超帧信号输出给所述后处理模块；
后处理模块对所述超帧信号经过进行信号后处理之后得到发送信号进行发射。
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