CN104333527A - 一种飞机用cofdm调制解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机载宽带调制解调技术领域，特别涉及一种飞机用COFDM调制解调方法。该飞机用COFDM调制方法包括以下步骤：获取数字基带信号；将数字基带信号分割为多路信号；对每一路信号依次进行扰码处理、RS编码处理、卷积编码处理、以及交织处理，得出对应的交织后数据；每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制，得出对应的OFDM符号；将每个OFDM符号进行傅里叶逆变换，得到对应的时域OFDM符号数据；在每个时域OFDM符号数据的前端插入循环前缀、前导训练序列，得到发送数据；得到待发送脉冲波形，将待发送脉冲波形进行存储；当收到来自MAC层的信号发射指令后，利用存储的脉冲波形对载波进行调制发射。

Description

一种飞机用COFDM调制解调方法
技术领域
本发明属于机载宽带调制解调技术领域，特别涉及一种飞机用COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing，编码正交频分复用)调制解调方法，本发明是一种能在典型的空-空、空-地信道，即一种高速衰落的多径信道中，实现较高传输速率和较低传输时延的调制解调方法，特别适合应用于有较多数量的空中、地面节点需要自组织组网、并支持话音、数据、图像和视频等多媒体业务的应用场合。
背景技术
典型的空-空信道近似为一个多普勒赖斯信道，节点的最大移动速度可达2.6倍音速，而典型的空-地信道则近似为一个多普勒多径衰落信道，节点的最大移动速度为1.3倍音速，其最大多径时延扩展为1.6μs。
由于空中、地面节点间的距离通常都比较远，因此空中、地面节点间多媒体信息的传输往往需要借助其他节点的多跳中继才能实现，所以自组网技术已成为未来机载通信领域内的一项关键技术。
在机载宽带自组网中，为了使网络层能够支持话音、数据、图像、视频等多媒体业务，物理层需要在L频段的空-空信道或空-地信道中，实现2Mbps以上的传输速率、3ms以下的传输时延，同时具有尽可能低的体积、重量和功耗。IEEE 802.11a/g、IEEE 802.16、DVB-T等通信体制虽然采用了C-OFDM技术，但这些现有通信体制都无法满足前面所述的指标要求，具体缺点如下：1)IEEE 802.11a/g，在IEEE 802.11a/g通信体制中，由于符号长度较短，故由信道编解码、交织/解交织、同步以及信道估计和均衡引起的时延均较小，同时其抗多普勒频移和频率扩展的能力也较强，但其抗多径时延扩展的能力最大不超过0.8μs，所以无法满足前述要求。2)IEEE 802.16和DVB-T。IEEE802.16通信体制和DVB-T通信体制由于采用了较长的符号长度，故它们的抗多径时延扩展的能力均超过10μs，但它们的抗多普勒频移和频率扩展的能力则较弱，故只适合在地面上使用，且DVB-T通信体制由编解码、交织/解交织、同步、信道估计与均衡引起的传输时延较大，不能很好地支持实时性要求较高的业务。
发明内容
本发明的目的在于提出一种飞机用COFDM调制解调方法。本发明L频段的空-空信道或空-地信道中，实现了2Mbps以上的传输速率、3ms以下的传输时延，从而使较多数量的空中、地面节点能够实现自组织组网，并支持话音、数据(包括：实时数据)、图像、视频等多媒体业务。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种飞机用COFDM调制方法包括以下步骤：
获取数字基带信号；将数字基带信号分割为多路信号；对每一路信号依次进行扰码处理、RS编码处理、卷积编码处理、以及交织处理，得出对应的交织后数据；
每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制，得出对应的OFDM符号；将每个OFDM符号进行傅里叶逆变换，得到对应的时域OFDM符号数据；在每个时域OFDM符号数据的前端插入循环前缀，得到对应的插入循环前缀的时域OFDM符号数据，将每个插入循环前缀的时域OFDM符号数据组合成传输数据；在传输数据的前端插入用于实现COFDM同步的前导训练序列，得到发送数据；对发送数据进行脉冲成形处理，得到待发送脉冲波形，将待发送脉冲波形进行存储；当收到来自MAC层的信号发射指令后，利用存储的脉冲波形对载波进行调制发射。
本技术方案的特点和进一步改进在于：
对每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制的过程为：采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK调制方式将每一路交织后数据调制映射为对应的初始OFDM符号，对每个初始OFDM符号进行时域差分调制，得出对应的OFDM符号。
对每个初始OFDM符号进行时域差分调制的过程为：将当前时刻的初始OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位与前一时刻的初始OFDM符号对应子载波上的复数据符号的相位相加，得到当前时刻的OFDM符号。
所述发送数据包括依次排列的前导训练序列和传输数据；所述前导训练序列由彼此相邻的第一训练序列和第二训练序列组成。
技术方案二：
一种飞机用COFDM解调方法，基于上述种飞机用COFDM调制方法，包括以下步骤：
接收经COFDM调制后发射的无线信号，对经COFDM调制后发射的无线信号进行下变频处理，得到下变频后模拟信号；对下变频后模拟信号进行模数转换，得到下变频后数字信号；利用脉冲成形滤波器对下变频后数字信号进行匹配滤波处理，得出接收数据；
对接收数据进行符号同步及频偏估计处理，在经符号同步及频偏估计处理后的数据去除循环前缀，得出去除循环前缀后数据；将去除循环前缀后数据进行傅里叶变换，得出去除循环前缀后的频域数据；对去除循环前缀后的频域数据进行频域信道估计与均衡处理，得出对应的多个OFDM符号；对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调，得出对应的解调后数据；
对每一路解调后数据依次进行解交织处理、卷积解码处理、RS解码处理、解扰码处理，得出对应的解扰码后数据；将各路解扰码后数据进行合并，得到合并处理后数据。
本技术方案的特点和进一步改进在于：
对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调的过程为：对每个OFDM符号进行时域差分解调，得出对应的时域差分解调后OFDM符号；采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK解调方式将每个时域差分解调后OFDM符号解映射为应的解调后数据。
对每个OFDM符号进行时域差分解调的过程为：将当前时刻的对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位减去前一时刻对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位，得到对应的时域差分解调后OFDM符号。
本发明的有益效果为：
1)本发明中COFDM调制解调方法采用了13.89μs的总符号长度(传输数据长度)，从而可以有效对抗最大2.78μs的多径时延扩展、最大1768Hz的多普勒频偏，最小239μs的信道相关时间，同时降低了传输时延。
2)本发明采用了时域DBPSK、DQPSK、D8PSK、D16PSK对各子载波进行调制，降低了高速衰落信道中由信道估计和均衡带来的传输时延和算法复杂度。
3)本发明采用了64点FFT运算，降低了发送信号的峰均比、以及算法复杂度。
4)本发明C-OFDM采用了预先发射技术，即物理层在利用无线媒介发射信号之前，先对所要发送的数据，进行编码、交织、调制，并将所要发送的波形储存在存储器中，而当MAC层协议送来发射指令后，立即利用存储的波形对载波进行调制发射，来减小传输延时，最终实现了较高的传输速率和较小的传输时延。
附图说明
图1为本发明的一种飞机用COFDM调制解调方法的原理示意图；
图2为本发明的待发送脉冲波形的功率谱；
图3为本发明实施例中发送数据的帧结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1，为本发明的一种飞机用COFDM调制解调方法的原理示意图。该飞机用COFDM调制解调方法包括飞机用COFDM调制方法和飞机用COFDM解调方法。
上述飞机用COFDM调制方法包括以下步骤：
获取数字基带信号；将数字基带信号分割为多路信号；对每一路信号依次进行扰码处理、RS编码处理、卷积编码处理、以及交织处理，得出对应的交织后数据。
具体地说，本发明实施例的硬件基础包括数据终端设备(DTE，DataTerminal Equipment)和数据电路终接设备(DCE，Data Circuit-terminatingEquipment)。使用MAC/PHY接口接收数字基带信号。数字基带信号为串行信号，将数字基带信号分割为多路信号的过程指：将串行信号转换为多路并行信号。
在得出对应的交织后数据之后，对每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制，得出对应的OFDM符号(为多个子载波信号的和，与每一路交织后数据对应)；将每个OFDM符号进行傅里叶逆变换(IFFT运算)，得到对应的时域OFDM符号数据；在每个时域OFDM符号数据的前端插入循环前缀，得到对应的插入循环前缀的时域OFDM符号数据，将每个插入循环前缀的时域OFDM符号数据组合成传输数据；在传输数据的前端插入用于实现COFDM同步的前导训练序列，得到发送数据；对发送数据进行脉冲成形处理，得到待发送脉冲波形，参照图2，为待发送脉冲波形的功率谱。将待发送脉冲波形进行存储；当收到来自MAC层的信号发射指令后，利用存储的脉冲波形对载波进行调制发射。
具体地说，对每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制的过程为：采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK调制方式将每一路交织后数据调制映射为对应的初始OFDM符号，每个初始OFDM符号可以看做多个子载波信号之和。然后对每个初始OFDM符号进行时域差分调制，得出对应的OFDM符号。对每个初始OFDM符号进行时域差分调制的过程为：将当前时刻的初始OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位与前一时刻的初始OFDM符号对应子载波上的复数据符号的相位相加，得到当前时刻的OFDM符号。
本发明实施例中，上述发送数据包括依次排列的前导训练序列和传输数据；所述前导训练序列由彼此相邻的第一训练序列和第二训练序列组成。参照图3，为本发明实施例中发送数据的帧结构图。图3中，CP代表循环前缀，训练序列1代表第一训练序列，训练序列2代表第二训练序列。传输数据包括多个OFDM符号(FFT块)，每个OFDM符号前设置循环前缀。优选地，上述传输数据的长度为13.89μs，循环前缀的长度为2.89μs。采用上述发送数据的帧结构后，本发明可以用于突发传输模式，并支持机载宽带自组织组网。
本发明的飞机用COFDM解调方法，基于上述飞机用COFDM调制方法，包括以下步骤：
接收经COFDM调制后发射的无线信号，对经COFDM调制后发射的无线信号进行下变频处理，得到下变频后模拟信号；对下变频后模拟信号进行模数转换，得到下变频后数字信号；利用脉冲成形滤波器对下变频后数字信号进行匹配滤波处理，得出接收数据。
在得出接收数据之后，对接收数据进行符号同步及频偏估计处理，在经符号同步及频偏估计处理后的数据去除循环前缀，得出去除循环前缀后数据；将去除循环前缀后数据进行傅里叶变换，得出去除循环前缀后的频域数据；对去除循环前缀后的频域数据进行频域信道估计与均衡处理，得出对应的多个OFDM符号；对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调，得出对应的解调后数据。
具体地说，符号同步及频偏估计处理包括：粗符号同步及频偏估计、细符号同步及频偏估计。符号同步则用来确定FFT块的位置，频偏估计用来估计、校正收发之间的载波频率偏差，以消除子载波间的干扰(Inter CarrierInterference，ICI)；频域信道估计与均衡的作用是：对信道的幅度和相位进行估计，然后进行校正。
对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调的过程为：对每个OFDM符号进行时域差分解调，得出对应的时域差分解调后OFDM符号；采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK解调方式将每个时域差分解调后OFDM符号解映射为应的解调后数据。对每个OFDM符号进行时域差分解调的过程为：将当前时刻的对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位减去前一时刻对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位，得到对应的时域差分解调后OFDM符号。
在得出对应的解调后数据之后，对每一路解调后数据依次进行解交织处理、卷积解码处理、RS解码处理、解扰码处理，得出对应的解扰码后数据；将各路解扰码后数据进行合并，得到合并处理后数据。
由于L频段的射频前端能够实现的占用带宽通常不大于5MHz,因此本发明COFDM调制解调方法中采样率选为5.76Msps(对下变频后模拟信号进行模数转换的采样率)。FFT的点数选为64，故子载波的间隔为90KHz，有效符号长度为11.11μs，因此此体制可以有效对抗最大1768Hz的多普勒频偏、最小239μs的信道相关时间。若选择循环前缀(CP)的长度为有效符号长度的1/4，即2.78μs，则此体制还可以有效对抗最大2.78μs的多径时延扩展。若选择数据子载波的个数为48，虚拟子载波的个数为16，则此体制的占用带宽小于4.5MHz。本发明的主要参数，如表1中所示。
本发明的效果可以通过仿真实验进行进一步验证。
在仿真实验中，当收发频偏为10KHz、相位噪声为-60dBc/Hz100Hz、IQ不平衡幅度为0.5dB、IQ不平衡角度为4°、功率放大器峰均比为6dB时，本发明通过仿真得到的性能参数如表2中所示。
表1 C-OFDM的主要参数
表2 仿真得到的性能参数
表2中，Eb/No为信噪比，Ber为误比特率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种飞机用COFDM调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取数字基带信号；将数字基带信号分割为多路信号；对每一路信号依次进行扰码处理、RS编码处理、卷积编码处理、以及交织处理，得出对应的交织后数据；
每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制，得出对应的OFDM符号；将每个OFDM符号进行傅里叶逆变换，得到对应的时域OFDM符号数据；在每个时域OFDM符号数据的前端插入循环前缀，得到对应的插入循环前缀的时域OFDM符号数据，将每个插入循环前缀的时域OFDM符号数据组合成传输数据；在传输数据的前端插入用于实现COFDM同步的前导训练序列，得到发送数据；对发送数据进行脉冲成形处理，得到待发送脉冲波形，将待发送脉冲波形进行存储；当收到来自MAC层的信号发射指令后，利用存储的脉冲波形对载波进行调制发射。
2.如权利要求1所述的一种飞机用COFDM调制方法，其特征在于，对每一路交织后数据进行OFDM时域差分调制的过程为：采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK调制方式将每一路交织后数据调制映射为对应的初始OFDM符号，对每个初始OFDM符号进行时域差分调制，得出对应的OFDM符号。
3.如权利要求2所述的一种飞机用COFDM调制方法，其特征在于，对每个初始OFDM符号进行时域差分调制的过程为：将当前时刻的初始OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位与前一时刻的初始OFDM符号对应子载波上的复数据符号的相位相加，得到当前时刻的OFDM符号。
4.如权利要求1所述的一种飞机用COFDM调制方法，其特征在于，所述发送数据包括依次排列的前导训练序列和传输数据；所述前导训练序列由彼此相邻的第一训练序列和第二训练序列组成。
5.一种飞机用COFDM解调方法，基于权利要求1所述的一种飞机用COFDM调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收经COFDM调制后发射的无线信号，对经COFDM调制后发射的无线信号进行下变频处理，得到下变频后模拟信号；对下变频后模拟信号进行模数转换，得到下变频后数字信号；利用脉冲成形滤波器对下变频后数字信号进行匹配滤波处理，得出接收数据；
对接收数据进行符号同步及频偏估计处理，在经符号同步及频偏估计处理后的数据去除循环前缀，得出去除循环前缀后数据；将去除循环前缀后数据进行傅里叶变换，得出去除循环前缀后的频域数据；对去除循环前缀后的频域数据进行频域信道估计与均衡处理，得出对应的多个OFDM符号；对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调，得出对应的解调后数据；
对每一路解调后数据依次进行解交织处理、卷积解码处理、RS解码处理、解扰码处理，得出对应的解扰码后数据；将各路解扰码后数据进行合并，得到合并处理后数据。
6.如权利要求5所述的一种飞机用COFDM解调方法，其特征在于，对每个OFDM符号进行OFDM时域差分解调的过程为：对每个OFDM符号进行时域差分解调，得出对应的时域差分解调后OFDM符号；采用DBPSK、DQPSK、D8PSK或D16PSK解调方式将每个时域差分解调后OFDM符号解映射为应的解调后数据。
7.如权利要求6所述的一种飞机用COFDM解调方法，其特征在于，对每个OFDM符号进行时域差分解调的过程为：将当前时刻的对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位减去前一时刻对应的OFDM符号各个子载波上的复数据符号的相位，得到对应的时域差分解调后OFDM符号。
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