CN104660539A - 基于多载波的包含时域训练序列的调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于多载波的包含时域训练序列的调制解调方法。本发明的调制方法为：构建多组OFDM符号；根据长度为P的已知序列，生成长度为P+Q的训练序列，其中Q为小于P且能整除P的自然数，Q不随OFDM符号变化；将训练序列插入到每一组OFDM序号之后，得到基带符号。本发明的解调方法包括同步、信道估计和重构循环卷积步骤，信道估计步骤包括：构造参考序列；根据满足特定条件的部分接收信号估计参考序列；根据参考序列和已知序列得到信道冲激响应。采用了本发明的技术方案，可以只通过加减法与平均来完成循环卷积的重构，且使信道估计能够灵活地应对不同长度的信道冲击响应。

Description

基于多载波的包含时域训练序列的调制解调方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统中的调制解调方式，更具体地说，涉及一种基于多载波的包含时域训练序列的调制解调方法。

背景技术

CP-OFDM技术在现代通信系统中已广泛使用。而与之不同的TDS-OFDM系统，如DTMB的多载波模式，则在OFDM符号之间插入时域训练序列，利用时域训练序列完成接收端的同步与信道估计等功能。TDS-OFDM技术有效地提高了频率资源利用率。然而，由于不使用循环前缀，TDS-OFDM系统在对抗较长多径信道时会增加信道估计的复杂度，同时由于恢复频域的数据时必须重构循环卷积，因而在重构的过程中，也会增加复杂度。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种基于多载波的包含时域训练序列的调制解调方法，来解决现有技术中TDS-OFDM信道估计与重构循环卷积复杂度高，以及动态信道下重构循环卷积不准确的问题。

依据上述目的，实施本发明的基于多载波的包含时域训练序列的调制方法，其包括以下步骤：构建多组OFDM符号；根据长度为P的已知序列，生成长度为p+Q的训练序列，其中Q为小于P且能整除P的自然数，Q不随OFDM符号变化；将训练序列插入到每一组OFDM符号之后，得到基带符号。

优选的，已知序列为p=[p₀,p₁,…,p_P-1]，训练序列为 ${\hat{p}}_k=[p_{{\mathrm{kQ}}_{\mathrm{mod}}P},p_{\mathrm{kQ}+1_{\mathrm{mod}}P},\·\·\·,p_{P+(k+1)Q-1_{\mathrm{mod}}P}],$ 其中k表示OFDM符号的组号。

优选的，基带符号为 $x_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{P+\mathrm{kQ}+m-N\mathrm{mod}P}& N\&le;m<N+P+Q\\ s_{k,m}& 0\&le;m<N\end{array}\right.$

，其中s_k，m表示OFDM符号，N为OFDM符号的子载波个数。

依据上述目的，实施本发明的基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，包括同步、信道估计和重构循环卷积步骤，信道估计步骤包括：构造参考序列；根据满足特定条件的部分接收信号估计参考序列；根据参考序列和已知序列得到信道冲激响应。

优选的，参考序列为

$z_m=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{m-l_{\mathrm{mod}}P}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,P-1$

，其中h_l表示信道冲激响应。优选的，满足特定条件的部分接收信号为：

y_{k，N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}=z_m+n_{k,N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}m=0,1,…,P-1，其中z_m表示参考序列，k满足(m-(k+1)QmodP)≥L-1，L为信道冲激响应的长度，N为OFDM符号的子载波个数。

优选的，重构循环卷积步骤包括：构造均衡序列为OFDM符号与信道冲激响应的卷积；根据接收信号和参考序列估计均衡序列；根据均衡序列和信道冲激响应得到OFDM符号。

优选的，均衡序列r_k,m为：

$r_{k,m}=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{m-l\mathrm{mod}N}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N-1$

，其中s_k,m表示OFDM符号；估计均衡序列的方法为：

${\hat{r}}_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{k,m}+y_{k,m+N}-{\hat{z}}_{m+k{Q}_{\mathrm{mod}}P}& 0\&le;m<L-1\\ y_{k,m}& L-1\&le;m<N\end{array}\right.,$ 其中为均衡序列的估计序列，为参考序列的估计序列。

采用了本发明的技术方案，可以只通过加减法与平均来完成循环卷积的重构，且使信道估计能够灵活地应对不同长度的信道冲击响应。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明调制方法的流程图；

图2是本发明解调方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明主要公开一种能够简化循环卷积的重构，并且使信道估计灵活应对不同长度的信道冲激响应的调制解调方法，本发明的调制解调方法基于多载波OFDM调制，其特点是一种使用时域训练序列的调制解调方法。

参照图1和图2，本发明包括发射端基带部分的调制方法与接收端基带部分的解调方法。

如图1所示，本发明在发射端主要由2个步骤组成：

1.构建OFDM符号

2.插入时域训练序列

如图2所示，本发明在接收端主要由3个步骤组成：

1.同步

2.信道估计

3.重构循环卷积

下面来详细说明上述各个步骤的具体内容。

构建OFDM符号

本发明的输入数据符号在构建OFDM符号之前可以先经过任意的编码和映射步骤，因此输入数据符号可以是信息比特流经过各种前向纠错码与星座点映射而得到，前向纠错码可以是LDPC码、RS码、BCH码、卷积码等，星座点映射可以是各种QAM、PSK或APSK，本发明对此不作限定。

在构建OFDM符号时，先将输入数据符号以N个为一组分组，N为OFDM符号的子载波个数，如第k组的输入数据符号可以表示为S_k,0,S_k,1,…,S_k,N-1。

接下来，对上述的每组输入数据符号进行如下变换：

$s_{k,m}=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{k,l}{e}^{j2\mathrm{\&pi;ml}/N},m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N-1$

由上述公式可见，每一组输入数据符号S_k,0,S_k,1,…,S_k,N-1均能通过变换得到一个时域的OFDM符号。进一步的，将上述经过变换得到的OFDM符号也以N个为一组分组，从而得到的s_k,0,s_k,1,…,s_k,N-1即为一组OFDM符号，依照上述方法可以构建任意数量的OFDM符号组，该数量与发射的信息比特流长度相关。

插入时域训练序列

定义长度P的时域信号p=[p₀,p₁,…,p_P-1]为已知序列。在本发明中，p可以是PN、频域PN的时域表示或CAZAC序列等，本发明对此不作限定。进一步地，根据已知序列p=[p₀,p₁,…,p_P-1]，为每一组OFDM符号生成长度为P+Q的时域训练序列，其中Q为小于P且能整除P的自然数，且Q不随OFDM符号变化。

例如，第k组OFDM符号生成长度为P+Q的时域训练序列为：

${\hat{p}}_k=[p_{{\mathrm{kQ}}_{\mathrm{mod}}P},p_{\mathrm{kQ}+1_{\mathrm{mod}}P},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,p_{P+(k+1)Q-1_{\mathrm{mod}}P}]$

将插入到每组时域数据之后，得到x_k,0,x_k,1,…,x_k,N+P+Q-1。其中：

$x_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{\mathrm{kQ}+m-N_{\mathrm{mod}}P}& N\&le;m<N+P+Q\\ s_{k,m}& 0\&le;m<N\end{array}\right.,$

将上述得到的一组组数据顺序输出就得到了时域的基带符号，并且由上式可以看出，发射端的时域基带符号是以N+P+Q的长度为一组的。

同步

同步的作用为找到接收到的信号的OFDM符号的位置，消除载波频偏与采样钟偏差。本发明可以采用任意现有的同步方法，对与具体同步方法的选择不做限定，均能实现本发明所要达到的目的。

与接收端类似，本发明的发射端同样预先设定已知序列p=[p₀,p₁,…,p_P-1]和训练序列 ${\hat{p}}_k=[p_{P+\mathrm{kQ}\mathrm{mod}P},p_{P+\mathrm{kQ}+1\mathrm{mod}P},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,p_{P+\mathrm{kQ}-1\mathrm{mod}P}],$ 其定义、设定和生成方法与发射端相同。

在本发明中，定义同步输出的第k组数据是y_k,0,y_k,1,…,y_k,N+P+Q-1，由于发射端的基带符号的长度以N+P+Q为一组，接收端经过同步输出的信号也是以N+P+Q的长度为一组，并且可以定义：

x_k,-m=x_k-1,N+P+Q-m m=1,2,…,N+P+Q

则经过同步输出的接收信号可以表现为发射端的基带符号与信道的卷积加上噪声的形式：

$y_{k,m}=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{k,m-l}{h}_l+n_{k,m},m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N+P+Q-1$

其中，h₀,h₁,…,h_L-1是信道冲击响应，n_k,m是噪声，L为信道冲激响应的长度，N为OFDM符号的子载波个数。本发明仅考虑L≤P的情况。

信道估计

本发明的信道估计步骤首先要构造参考序列，将参考序列构造为上述已知序列和信道冲激响应的卷积。具体来说，即定义参考序列为z=[z₀,z₁,…,z_P-1]，其满足以下关系：

$z_m=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{m-l_{\mathrm{mod}}P}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,P-1$

将上述公式代入接收信号y_k,m的表达式，可以得到：

y_{k,N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}=z_m+n_{k,N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}m=0,1,…,P-1

其中k满足(m-(k+1)QmodP)≥L-1。

根据上述定义，信道估计的目的就是在于获得参考序列z_m的估计序列再利用已知序列来获得信道冲激响应h_l的估计

获得估计序列的方法为：根据满足特定条件的部分接收信号来估计参考序列。具体来说，对于每个m=0,1,…,P-1，提取出若干满足(m-(k+1)Q mod P)≥L-1的y_{k,N+Q+(m-(k+1)Q mod P})，并通过它们得到对z_m估计估计的方法可以是任意常见的平均、时域内插等估计方法，本发明对此不作限定，均能实现本发明所要达到的目的。

进一步的，根据参考序列和已知序列得到信道冲激响应，即根据上述参考序列的定义，通过可以得到对信道冲击响应的估计估计的方法可以是任意的频域上的信道估计、时域训练等估计方法，本发明对此不作限定，均能实现本发明所要达到的目的。

重构循环卷积

首先构造均衡序列，将均衡序列构造为发射端的OFDM符号与信道冲激响应的卷积。具体来说，即定义均衡序列为r_k=[r_k,0,r_k,1,…,r_k,N-1]，其满足以下关系：

$r_{k,m}=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{k,m-l_{\mathrm{mod}}N}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N-1$

根据上述定义，重构循环卷积步骤的主要目的在于获得均衡序列r_k的估计序列从而结合在信道估计步骤中估计出的信道冲激响应h_l来还原出发射端所发射的OFDM符号。

估计序列的估计方法为：根据接收信号和参考序列来估计均衡序列。具体来说，通过同步输出的第k组数据计算出对r_k的估计其中

${\hat{r}}_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{k,m}+y_{k,m+N}-{\hat{z}}_{m+k{Q}_{\mathrm{mod}}P}& 0\&le;m<L-1\\ y_{k,m}& L-1\&le;m<N\end{array}\right.,$

最后，根据均衡序列和信道冲激响应得到OFDM符号，而本发明对如何通过进行均衡不作限定，均能实现本发明所要达到的目的。

实施例

下面通过一个具体的实施例来验证上述调制解调方法的各个步骤。

假定在发射端中，已知序列p是一组长度为512的频域二值序列，即P=512。Q为256，则训练序列的长度为P+Q=768。发射端OFDM的子载波个数为4096，即N=4096。在接收端中，信道冲激响应的长度L小于512。

那么，在上述假定的发射端和接收端系统中，根据构建OFDM符号步骤和插入时域训练序列步骤，发射端输出的一组组基带符号的长度为N+P+Q=4864，并且其结构有如下特征：

第0组为：s_0,0,s_0,1,…,s_0,4095,p₂₅₆,p₂₅₇,…,p₅₁₁,p₀,p₁,…,p₅₁₁

第1组为：s_1,0,s_1,1,…,s_1,4095,p₀,p₁,…,p₅₁₁,p₀,p₁,…,p₂₅₅

第2组为：s_2,0,s_2,1,…,s_2,4095,p₂₅₆,p₂₅₇,…,p₅₁₁,p₀,p₁,…,p₅₁₁

第3组为：s_3,0,s_3,1,…,s_3,4095,p₀,p₁,…,p₅₁₁,p₀,p₁,…,p₂₅₅

……以此类推。

而在接收端，首先将接收信号进行同步。在同步之后，对于m=0,1,…,255，通过对y_0,4096+512+m,y_2,4096+512+m,y_4,4096+512+m,…进行平均得到参考序列的估计

${\hat{z}}_m=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{2i,4096+512+m}$

在上式中，M在不同的实施方式中可取不同值。而对于m=256,257,…,511，通过对y_1,4096+256+m,y_3,4096+256+m,…进行平均得到参考序列的估计

${\hat{z}}_m=\frac{1}{M}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_{2i+\mathrm{1,4096}+256+m}$

最后，根据参考序列z_m的定义并结合已知序列p，通过频域信道估计得到信道冲激响应的估计

进一步地，根据同步输出的接收信号和参考序列的估计序列对于偶数的k，对均衡序列r_k的估计为

${\hat{r}}_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{k,m}+y_{k,m+4096}-{\hat{z}}_m& 0\&le;m<511\\ y_{k,m}& 512\&le;m<4096\end{array}\right.$

对于奇数的k，对均衡序列r_k的估计为

${\hat{r}}_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{k,m}+y_{k,m+4096}{-\hat{z}}_{m+256_{\mathrm{mod}}512}& 0\&le;m<511\\ y_{k,m}& 512\&le;m<4096\end{array}\right.$

最后，根据均衡序列r_k的定义，结合已经估计得到的信道冲激响应，可以得到发射端发射的OFDM符号组s_k,m。

所属领域的技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于多载波的包含时域训练序列的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建多组OFDM符号；

根据长度为P的已知序列，生成长度为P+Q的训练序列，其中Q为小于P且能整除P的自然数，Q不随OFDM符号变化；

将所述训练序列插入到每一组所述OFDM符号之后，得到基带符号。

2.如权利要求1所述的基于多载波的包含时域训练序列的调制方法，其特征在于，所述已知序列为p=[p₀,p₁,…,p_P-1]，所述训练序列为 ${\hat{p}}_k=[p_{{\mathrm{kQ}}_{\mathrm{mod}}P},p_{\mathrm{kQ}+1_{\mathrm{mod}}P},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,p_{P+(k+1)Q-1_{\mathrm{mod}}P}],$ 其中k表示OFDM符号的组号。

3.如权利要求2所述的基于多载波的包含时域训练序列的调制方法，其特征在于，所述基带符号为 $x_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{\mathrm{kQ}+m-N_{\mathrm{mod}}P}& N\&le;m<N+P+Q\\ s_{k,m}& 0\&le;m<N\end{array}\right.,$ 其中s_k，m表示所述OFDM符号，N为OFDM符号的子载波个数。

4.一种基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，包括同步、信道估计和重构循环卷积步骤，其特征在于，所述信道估计步骤包括：

构造参考序列；

根据满足特定条件的部分接收信号估计所述参考序列；

根据所述参考序列和所述已知序列得到所述信道冲激响应。

5.如权利要求4所述的基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，其特征在于，所述参考序列为

$z_m=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{m-l_{\mathrm{mod}}P}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,P-1$

，其中h_l表示信道冲激响应。

6.如权利要求5所述的基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，其特征在于，所述满足特定条件的部分接收信号为：

y_{k，N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}=z_m+n_{k，N+Q+(m-(k+1)Q mod P)}m=0，1，…，P-1，其中z_m表示所述参考序列，k表示接收信号的组号，并且满足(m-(k+1)Q mod P)≥L-1，L为信道冲激响应的长度，N为OFDM符号的子载波个数。

7.如权利要求6所述的基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，其特征在于，所述重构循环卷积步骤包括：

构造均衡序列为OFDM符号与信道冲激响应的卷积；

根据接收信号和所述参考序列估计所述均衡序列；

根据所述均衡序列和所述信道冲激响应得到OFDM符号。

8.如权利要求7所述的基于多载波的包含时域训练序列的解调方法，其特征在于，所述均衡序列r_k，m为：

$r_{k,m}=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{k,m-l_{\mathrm{mod}}N}{h}_l,m=\mathrm{0,1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N-1$

，其中s_k，m表示OFDM符号；

估计所述均衡序列的方法为：

${\hat{r}}_{k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{k,m}+y_{k,m+N}-{\hat{z}}_{m+k{Q}_{\mathrm{mod}}P}& 0\&le;m<L-1\\ y_{k,m}& L-1\&le;m<N\end{array}\right.,$ 其中为均衡序列的估计序列，为参考序列的估计序列。