CN102984110B - 正交频分复用信号的高效编码、调制与组帧方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种正交频分复用信号的高效调制、编码和组帧方法，以及采用该方法的正交频分复用系统。该方法采用前向纠错编码与自适应调制技术，发射机根据FEC码长和当前自适应调制方案调整OFDM信号若干子载波的调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，其中L为自然数。该系统主要在发射机中设置组帧控制模块，通过其与编码模块、符号映射模块和自适应调制设置模块的配合来实现上述功能。本发明实现了纠错编码技术和自适应调制技术在OFDM系统中的匹配工作，使系统在自适应调制的前提下仍然可以一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，提高了系统的传输效率和频谱利用率。

Description

正交频分复用信号的高效编码、调制与组帧方法及系统

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，具体涉及一种高效的编码、调制与组帧方法和实现该方法的新型正交频分复用系统。

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，具备极高的频谱效率和抗多径的能力，目前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。

OFDM系统通过在传输信号中加入足够长的循环前缀（CP）来消除系统中线性效应导致的码间串扰（ISI）。对于系统中非线性效应导致的性能差损抑制，采用前向纠错编码（FEC）技术是OFDM系统广泛使用的策略。FEC技术通过在信号中加入冗余来检测纠正信号在传输过程中由于各种不利因素导致的误码，以一定的有效带宽损失来大大提高通信系统的传输性能。

由于通信信道对宽带OFDM信号呈现出频率选择性，OFDM系统的传输误码通常集中在深衰落的子载波上，如果对所有的OFDM子载波采用相同的调制格式，将会严重影响整个系统的性能。因此，在OFDM传输系统中，通常使用自适应调制技术，基于接收机反馈的信道估计结果，在各个子载波之间灵活的分配功率和传输比特数，提高整个OFDM系统的误码性能。

在OFDM系统中使用FEC技术，希望一个OFDM子帧正好能够传输L（L为自然数）个码字。当OFDM符号各个子载波采用相同的调制格式时，这一需求很容易实现，但是，当系统使用自适应调制技术时，因为同一个物理子帧可承载的比特数是动态变化的，这一需求就较难达到了。针对这一矛盾，常用的解决方法是采用“填充零”、“编码凿孔”或者“重复编码”的方法。当一个OFDM子帧传输L个码字后还有少数空闲子载波，这些子载波将传输“0”；当一个OFDM子帧无法完整传输L个码字，则对系统编码后的码字进行凿孔，使L个码字可以正好调制在一个OFDM子帧上；或者一个OFDM子帧中只传输一个码字，该码字重复L次，选择其中一个OFDM子帧能承载的比特数进行传输。参考文献：3GPP TS 36.212：“Evolved universal terrestrial radio access;multiplexing and channel coding。

为了使FEC技术和自适应调制技术匹配工作，使一个OFDM子帧正好能够传输L个码字，“填充零”以及“重复编码”的方法由于加入了无用的冗余会降低系统的传输效率和频带利用率，“编码凿孔”在需要大量凿孔的情况下极有可能降低系统的传输性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新的高效调制、编码和组帧方法，以及采用该方法的OFDM系统，当OFDM系统使用自适应调制技术时，采用前向纠错编码（FEC）可以使一个OFDM子帧正好能够传输L（L为自然数）个码字。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于正交频分复用系统的高效编码、调制与组帧方法，采用前向纠错编码与自适应调制技术，其特征在于：发射机根据FEC码长和当前自适应调制方案调整OFDM信号若干子载波的调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，其中L为自然数。

优选地，所述自适应调制为2^M-QAM调制。

进一步地，所述发射机根据所述接收机反馈的子载波传输质量信息确定系统的自适应调制方案，即确定OFDM符号各个子载波映射的比特数，进而通过调整所述OFDM符号若干子载波上的映射比特数，调整所述若干子载波调制格式的阶数。具体的调整方法为：如果一个OFDM子帧传输L个FEC码字后还有少数空闲子载波，则降低若干子载波的调制格式阶数；如果一个OFDM子帧无法完整传输L个码字，则提高若干子载波的调制格式阶数。

所述降低若干子载波调制格式阶数的方式包括：

1）在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波，降低其调制格式的阶数；

2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，降低其调制格式的阶数；可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波；

3）在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较差的子载波，降低其调制格式的阶数。

所述提高若干子载波调制格式阶数的方式包括：

1）在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波，提高其调制格式的阶数；

2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，提高其调制格式的阶数；可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波；

3）在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较好的子载波，提高其调制格式的阶数。

一种实现上述方法的正交频分复用系统，包括发射机和接收机，

所述发射机包括依次连接的编码模块、符号映射模块和OFDM调制模块，分别用于对传输数据进行FEC编码、自适应调制和OFDM调制；所述发射机还包括：

自适应调制设置模块，用于根据所述接收机反馈的子载波传输质量信息确定自适应调制方案；

组帧控制模块，分别连接所述编码模块、所述符号映射模块和所述自适应调制设置模块，用于根据FEC码长和所述自适应调制方案调整OFDM符号若干子载波调制格式的阶数，使一个OFDM子帧传输L个FEC码字；

所述接收机包括依次连接的OFDM解调模块、解映射模块和解码模块，分别用于对从所述发射机接收的信号进行OFDM解调、解映射和解码；所述接收机还包括与所述OFDM解调模块连接的传输质量评估模块，用于评估子载波传输质量并反馈至所述自适应调制设置模块。

纠错编码和自适应调制是提高OFDM系统传输性能的关键技术，本发明实现纠错编码技术和自适应调制技术在OFDM系统中的匹配工作，使系统在自适应调制的前提下仍然可以一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，提高了系统的传输效率和频谱利用率。

附图说明

图1是实施例的OFDM系统的工作原理图。

图2是图1中组帧控制模块3的工作流程图。

图3是实施例中选择若干子载波调整其调制格式阶数的示意图，其中(a)为分散选择方式，(b)为集中选择方式。

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。

本实施例的基于高效的编码、调制与组帧方法的正交频分复用系统，包括发射机和接收机。该OFDM发射机如图1所示，发射数据首先通过模块1进行FEC编码，模块1同时将系统使用的FEC码长N发送至组帧控制模块3。编码后的数据输入符号映射模块2进行2^M-QAM自适应调制。模块2由模块3以及自适应调制设置模块4控制。模块4基于OFDM接收机的模块10反馈回来的子载波传输质量信息，例如子载波信噪比等，确定系统的自适应调制方案，即确定OFDM符号各个子载波映射的比特数以及分配的功率，并将该信息传递给模块3。模块3基于此信息同时结合参数N对现有的自适应调制方案进行调整：通过调整OFDM符号若干子载波上的映射比特数，即调整若干子载波调制格式的阶数，使一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字。

映射后的传输数据经过模块5进行OFDM调制，通过信道进行传输。接收机通过模块7进行OFDM解调，模块8进行解映射，模块9进行解码，最后输出。接收机评估子载波的传输质量，例如计算信道子载波信噪比等，反馈给模块4，模块4实时更新自适应调制方案并发送给模块3。

其中，模块3对模块4制定的自适应调制方案的调整是通过调整OFDM符号若干子载波的调制格式阶数来完成的，调整的目标是使一个OFDM子帧正好传递L个FEC码字。模块3的工作流程图2所示。模块3接收模块1编码模块输入FEC码长，接收模块4自适应调制设置模块输入各个子载波的调制格式信息（步骤S1），模块3基于此判断模块4制定的自适应调制方案是否满足一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字（步骤S2）。如果满足这一准则，则不调整模块4制定的自适应调制方案（步骤S3）；如果不满足这一准则，则判断一个OFDM子帧传输L个FEC码字后是否还有少数空闲子载波（步骤S4），可以得到如下两种可能：

1.一个OFDM子帧传输L个FEC码字后，还有少数空闲子载波（步骤S5）；

2.一个OFDM子帧无法完整传输L个码字（步骤S6）。

对于情况1，模块3调整当前的自适应调制方案，降低若干子载波的调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，可以通过如下方式进行调整：

1）在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波降低其调制格式的阶数，如图3(a)所示。

2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波降低其调制格式的阶数。如图3(b)所示，可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波。

3）在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较差的子载波，降低其调制格式的阶数。

对于情况2，模块3调整当前的自适应调制方案，提高若干子载波的调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，可以通过如下方式进行调整：

1）在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波提高其调制格式的阶数，如图3(a)所示。

2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波提高其调制格式的阶数。如图3(b)所示，可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波。

3）在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较好的子载波，提高其调制格式的阶数。

下面进一步说明调整若干子载波调制格式阶数的过程。

设定OFDM系统使用码长为N（N为自然数）的前向纠错码，一个OFDM符号包含Ns（Ns为自然数）个子载波，一个OFDM子帧包含No（No为自然数）个OFDM符号，采用自适应调制，一个OFDM符号中，设第i个子载波的调制格式为（M_i为自然数，i=1,2,…,Ns）。

如果满足一个OFDM子帧正好传输L个FEC码字，则上述变量满足表达式： $\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i*N_o=N*L;$

如果一个OFDM子帧传输L个FEC码字后还有少数空闲子载波，即则降低若干子载波的调制格式阶数，假设1个OFDM符号中挑选N_c（N_c≤N_s）个子载波进行调制格式降阶，其中第j个子载波的调制格式降为调制（为自然数，j=1,2,…,N_c），则降低的若干子载波的调制格式阶数满足表达式

如果一个OFDM子帧无法完整传输L个码字，即则提高若干子载波的调制格式阶数，假设1个OFDM符号中挑选N_c（N_c≤N_s）个子载波进行调制格式升阶，其中第j个子载波的调制格式提高为调制(j=1,2,…,N_c），则提高的若干子载波的调制格式阶数满足表达式 $\underset{j=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\Σ}}}({\tilde{M}}_j-M_j)*N_o=N*L-\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i*N_o.$

下面提供一个具体应用实例。

本实例设定OFDM系统使用码长为N的前向纠错码，一个OFDM符号包含N_s个子载波，一个OFDM子帧包含N_o个OFDM符号。如图1所示，发射数据首先通过模块1进行FEC编码，模块1同时将系统使用的FEC码长信息发送至模块3，组帧控制模块。编码后的数据输入模块2进行2^M-QAM自适应调制。模块2由模块3以及模块4自适应调制设置模块控制。模块4基于OFDM接收机的模块10反馈回来的子载波传输质量信息，例如子载波信噪比，确定系统的自适应调制方案，即确定OFDM符号各个子载波映射的比特数以及分配的功率，并将该信息传递给模块3。

例如基于反馈回来的子载波信噪比，模块4制定的自适应调制方案是第1~N_s/2号子载波为64QAM调制，第N_s/2+1~N_s号子载波为16QAM调制。模块3基于此信息同时结合参数N对现有的自适应调制方案进行调整。由于现实中L=1的情况比较普遍，所以本实施例采用该值，即调整的目标是一个OFDM子帧正好传递1个FEC码字。

模块3判断（4*Ns/2+6*Ns/2）*No是否等于N：

如果（4*Ns/2+6*Ns/2）*No=N，则说明一个OFDM子帧正好传输1个FEC码字，模块3不需要调整模块4制定的自适应调制方案。

如果（4*Ns/2+6*Ns/2）*No>N，则说明一个OFDM子帧传输1个FEC码字后，还有少数空闲子载波，模块3调整模块4制定的自适应调制方案，从OFDM符号中挑选若干子载波降低其调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输N比特的信息。挑选法则可以是：1）在一个OFDM符号中，如图3(a)所示分散的选择若干子载波；2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，如图3(b)所示，可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波；3）在一个OFDM符号中，选择子载波信噪比最低的若干个子载波。

如果（4*Ns/2+6*Ns/2）*No<N，则说明一个OFDM子帧无法完整传输1个码字，模块3调整模块4制定的自适应调制方案，从OFDM符号中挑选若干个子载波提高其调制格式阶数，使一个OFDM子帧正好传输N比特的信息。挑选法则可以是：1）在一个OFDM符号中，如图3(a)所示分散的选择若干子载波；2）在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，如图3(b)所示，我们可以选择位置靠前、居中或靠后的子载波；3）在一个OFDM符号中，选择子载波信噪比最高的若干个子载波。

经过模块2映射后的数据经过模块5进行OFDM调制，通过信道进行传输。接收机通过模块7进行OFDM解调，模块8进行2^M-QAM解调，模块9进行解码最后输出。接收机的模块10评估子载波的传输质量，例如计算信道子载波信噪比，反馈给模块4，模块4实时更新自适应调制方案并发送给模块3。

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)

1.一种用于正交频分复用系统的高效编码、调制与组帧方法，采用前向纠错编码与自适应调制技术，其特征在于：发射机根据所述前向纠错编码的码长和当前自适应调制方案调整OFDM信号若干子载波的调制格式阶数，如果一个OFDM子帧传输L个FEC码字后还有少数空闲子载波，则降低若干子载波的调制格式阶数，如果一个OFDM子帧无法完整传输L个码字，则提高若干子载波的调制格式阶数，从而在自适应调制的前提下使一个OFDM子帧传输L个FEC码字，其中L为自然数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发射机根据接收机反馈的子载波传输质量信息确定OFDM符号各个子载波映射的比特数，进而通过调整所述OFDM符号若干子载波上的映射比特数调整所述若干子载波调制格式的阶数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述降低若干子载波的调制格式阶数的方式包括：

1)在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波，降低其调制格式的阶数；

2)在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，降低其调制格式的阶数，选择位置靠前、居中或靠后的子载波；

3)在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较差的子载波，降低其调制格式的阶数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述提高若干子载波的调制格式阶数的方式包括：

1)在一个OFDM符号中，分散地选择若干子载波，提高其调制格式的阶数；

2)在一个OFDM符号中，集中地选择若干子载波，提高其调制格式的阶数，选择位置靠前、居中或靠后的子载波；

3)在一个OFDM符号中，挑选若干传输质量较好的子载波，提高其调制格式的阶数。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：通过计算信道子载波信噪比评估所述子载波传输质量。

6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：所述自适应调制为2^M-QAM调制。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：所述L的值为1。

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，其特征在于：

所述发射机包括依次连接的编码模块、符号映射模块和OFDM调制模块，分别用于对传输数据进行FEC编码、自适应调制和OFDM调制；所述发射机还包括：

自适应调制设置模块，用于根据所述接收机反馈的子载波传输质量信息确定自适应调制方案；

组帧控制模块，分别连接所述编码模块、所述符号映射模块和所述自适应调制设置模块，用于根据FEC码长和所述自适应调制方案调整OFDM符号若干子载波调制格式的阶数，使一个OFDM子帧传输L个FEC码字；

所述接收机包括依次连接的OFDM解调模块、解映射模块和解码模块，分别用于对从所述发射机接收的信号进行OFDM解调、解映射和解码；所述接收机还包括与所述OFDM解调模块连接的传输质量评估模块，用于评估子载波传输质量并反馈至所述自适应调制设置模块。