CN107426126A - 调频调制恒包络ofdm系统 - Google Patents

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Abstract

调频调制恒包络OFDM通信系统，涉及无线通信领域，本发明是OFDM调制和调频调制结合的一种通信系统，具有恒包络属性。针对该系统，本发明还设计了相应的帧结构、同步符号以及相应的定时同步、频率同步方案。与调相调制的恒包络OFDM通信系统相比，本系统更方便控制带宽，并且由于国内外模拟调频设备应用更广，所以相比于调相调制恒包络OFDM系统，本发明这种结构具有更好的应用场景，可以直接在现有大功率模拟设备上进行数字化改造。

Description

调频调制恒包络OFDM系统
·技术领域：
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种调频调制恒包络OFDM通信系统。
·技术背景：
在无线宽带通信领域中，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术已经展示了其巨大的能力，它具有更高的频谱利用率和良好的抗干扰能力，在移动环境中具有抗多径干扰的能力，并可根据应用场景灵活选用不同的调制方式，同时OFDM波形本身提供了良好的频谱抑制并支持多样化融合等一系列要求使其易于和其他多种接入方法结合使用，能够提供了高速、可靠、异构、分组交换等各种业务。正因如此OFDM已经成为各领域的核心技术，例如移动通信4G(第四代移动通信标准)下行链路标准、数字广播 DAB(Digital Audio Broadcasting，数字声音广播欧洲标准)等标准以及若干专用无线传输协议均采用OFDM技术；
OFDM技术有以上诸多优点，但固有缺陷之一就是高PAPR(Peak to Average PowerRatio，峰值平均功率比)问题。PAPR值过高使得功率放大器D/A、A/D转换器需要有很大的动态范围，这些部件的非线性会使OFDM系统对发射机功放引起的非线性扭曲异常敏感，如果没有足够的功率补偿，系统会产生频谱加宽、互调失真，导致性能退化，尽管这些问题可以通过增加功率来弥补，但是弥补措施会大大降低了功放效率，对于靠电池供电的移动设备来说这是个根本问题，因此如何采用OFDM技术对于移动设备来说也是个极其具有挑战性的问题，这也就是为什么大部分手持移动设备上行标准不采用OFDM技术的主要原因；
2005年Steve C.Thompson公开文献1《Constant Envelope OFDM PhaseModulation》，提出了CE-OFDM(Constant Envelope恒包络)的系统架构，并通过仿真详尽分析了CE-OFDM系统在AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)、频率选择行衰落信道下的调制误码率以及与传统OFDM系统的性能比较，该论文证明了通过OFDM和相位调制(PM，Phase Modulation)这种结合的调制方式，可使系统的PAPR值达到0dB，得到恒包络的基带信号，同时在频率选择信道下CE-OFDM还具有传统OFDM的性能；
为了解决相位调制存在的解调门限问题，2006年公开文献2《Constant EnvelopeOFDM》提出了利用相干解调方法进行相位解调；
为了解决子载波干扰抑制问题，2010年公开文献3《恒包络OFDM子载波干扰抑制技术研究》，通过仿真分析发现了相位调制带来分集增益的同时还会带来子载波干扰，并通过接收端过采样插零方式增强系统性能；
许多文献在应用领域对CE-OFDM进行了性能分析，如2015年公开文献4《Transmission of CE-OFDM Signals Over MMF Links Using Directly Modulated 850-nm VCSELs》，以及 2014年公开文献5《Experimental Demonstration of Nonlinearityand Phase Noise Tolerant 16-QAM OFDM W-Band(75-110GHz)Signal Over FiberSystem》等，各国学者在卫星通信、光纤通信等领域对CE-OFDM进行了应用性能分析。
·发明内容：
本发明提出了一种利用调频调制技术实现恒包络OFDM的通信系统，针对该通信系统设计了发射信号的组帧方式、同步符号以及相应的定时同步方法和频率同步方法。
基于调频调制的恒包络OFDM通信系统的信号发射方法为：
步骤一、原始信息比特b＝[b0，b1，b2，…，bM-1]∈{0，1}，M为偶数，经过QPSK调制，获得序列
步骤二、求序列d的共轭对称，获得序列
步骤三、把序列d和d*进行排序并插零，获得序列其中是一个长度为Nzero的全零序列，序列x，其长度为Nx，Nx＝2+M+Nzero，且Nx为2的n次方：
步骤四、对序列x进行长度为Nx的IFFT变换，获得OFDM信号C[n]，可表示为
步骤五、对OFDM信号进行调频调制，获得信号S(t)，可表示为S(t)＝cos[2πfct+ 2πkf∫OFDM(t)dt]，其中fc是载波频率，kf是调频系数；
步骤六、对信号S(t)进行组帧操作，首先在信号S(t)前面加保护间隔，保护间隔为信号S(t) 的后1/4，然后插入同步符号，同步符号为三个连续的CAZAC序列构造而成，第一个CAZAC 序列和第二个CAZAC序列相同，长度为Nx/2，第三个CAZAC序列长度为Nx并发送到无线信道中；
基于调频调制的恒包络OFDM通信系统的信号接收方法为：
步骤七、对接收到的信号进行定时同步，把接收到的信号与同步符号进行相关，相关后最大值的位置即为定时同步位置，得到信号R(t)；
步骤八、进行频率同步，得到信号R′(t)，首先进行整数倍频率偏移εi，可表示为εi＝ 2(test2-Ne-test1)，其中test1是第一个CAZAC序列与接收到的信号进行相关的最大值位置， test2是第三个CAZAC序列与接收到的信号进行相关的最大值位置，然后进行小数倍频率偏移εf，可表示为其中Ag(t)为定时同步后，第一个CAZAC序列和第二个 CAZAC序列相关的值，然后进行εi+εf的频率补偿；
步骤九、进行调频解调，通过反正切操作、解卷绕操作和微分操作完成，得到信号m(t)；
步骤十、进行FFT变换，得到信号m′(t)；
步骤十、进行QPSK解调，得到解调后的信息比特b′＝[b′0，b′1，b′2，…，b′M-1]∈{0，1}，并输出。
附图说明：
图1是系统结构图；
图2是序列x排序示意图；
图3是组帧操作示意图；
具体实施方式：
下面，结合附图和一个实验案例详细说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明的系统结构图，如图一所示，假定原始信息比特b共有256个，那么经过 QPSK调制后，可得到128个QPSK符号，即序列d。
对序列d求共轭对称，得到d*，此时d和d*共计256个符号，那么按照图2的方式进行插零，得到序列x，第一位插一个零，然后是序列d，然后再插入255个零，然后是序列d*，这样序列x的长度就是512。
再对序列x进行长度为512的IFFT变换，得到OFDM符号C[n]，C[n]的长度也是512，由于序列x是共轭对称的，那么C[n]是一个实数序列，这符合傅里叶变换的特点。
对C[n]进行调频调制得到S(t)，此时需要根据限定的带宽、频率等因素设置载波频率中 fc和调频系数kf，kf越大调频调制后占用的带宽就越大。为了方便仿真与实际应用比较，我们选择fc为90Mhz，kf为200，这是传统模拟调频广播的有代表性的参数。
随后进行组帧操作，首先给S(t)加保护间隔，保护间隔长度为S(t)的1/4，那么加入保护间隔后，一个数据符号长度为512+128＝640。
如图3所示，同步符号又三个连续的CAZAC序列组成，同步符号应放在每一帧的最前端，总长度为1024。
如图3所示，同步符号后就是一个或多个数据符号，这个数据符号的数量，根据无线信道条件、数据率等因素来设定，在这个实验案例中我们选择一个同步符号搭配25个数据符号组成一帧。
组帧后的数据，即可发送到无线信道中。
接收到的数据，首先要进行定时同步，通过同步符号与接收到的数据进行相关，便能得到同步符号的具体位置，这样就知道了数据符号的起始位置。
由于无线信道的影响，接收到的数据还有频率上的偏差，要通过频率同步进行频偏补偿。例如通过整数倍频偏和小数倍频偏计算，我们得到εi+εf＝2.5，这说明接收信号的频率偏移了 2.5个频率样点，根据数据率、采样率等可确定每个频率样点的频率值，就可知道整个信号偏移了多少频率，这样信号整体进行相应的频率补偿，就能得到发射的时候正确的频率值。
对进行过频率补偿后的信号进行接调频，通过反正切操作、解卷绕和微分操作得到信号。
再对信号进行512点的FFT变换，此时可得到对应x的序列，在找到对应x中d序列的位置，进行QPSK解调，就可以得到信息比特b′。
信息比特b′相对于原始信息b，根据无线信道环境、调制系数等有所误差。根据蒙特卡罗仿真测试，在高斯白噪声情况下，当信噪比大于12时候，误码率低于3*10-5：在多径为2 径，第一径与第二径能量比为4dB，延时为30个采样点的情况下，通过公式折算信噪比，其中α为路径平均能量，得到在信噪比大于12时候，误码率低于2*10-4。
本发明利用调频调制与OFDM结合方式，设计了一套完整的无线传输系统。不同于文献 1，本发明是利用调频调制的，而文献1采用的是调相调制，在相同调制系数的前提下，调相调制的带宽很大，不利于实现，而跳频调制与之相比更容易控制信号带宽；由于现有调频广播都采用调频调制，本发明可直接在现有设备基础上进行升级改造，大大提高了传统设备的利用价值，使得本发明更易在实际应用中推广。

Claims (4)

1.调频调制恒包络OFDM通信系统，其特征在于：
基于调频调制的恒包络OFDM通信系统的信号发射方法为：
步骤一、原始信息比特b＝[b0，b1，b2，…，bM-1]∈{0，1}，M为偶数，经过QPSK调制，获得序列
步骤二、求序列d的共轭对称，获得序列
步骤三、把序列d和d*进行排序并插零，获得序列其中是一个长度为Nzero的全零序列；
所述序列x，其长度为Nx，Nx＝2+M+Nzero，且Nx为2的n次方；
步骤四、对序列x进行长度为Nx的IFFT变换，获得OFDM信号C[n]；
所述OFDM信号，可表示为
步骤五、对OFDM信号进行调频调制，获得信号S(t)；
所述信号S(t)，可表示为S(t)＝cos[2πfct+2πkf∫OFDM(t)dt]，其中fc是载波频率，kf是调频系数；
步骤六、对信号S(t)进行组帧操作，并发送到无线信道中；
所述组帧操作，首先在信号S(t)前面加保护间隔，保护间隔为信号S(t)的后1/4，然后插入同步符号；
基于调频调制的恒包络OFDM通信系统的信号接收方法为：
步骤七、对接收到的信号进行定时同步，得到信号R(t)；
所述定时同步，是把接收到的信号与同步符号进行相关，相关后最大值的位置即为定时同步位置；
步骤八、进行频率同步，得到信号R′(t)；
步骤九、进行调频解调，得到信号m(t)；
步骤十、进行FFT变换，得到信号m′(t)；
步骤十、进行QPSK解调，得到解调后的信息比特b′＝[b′0，b′1，b′2，…，b′M-1]∈{0，1}，并输出。
2.根据权利要求1所述的调频调制恒包络OFDM通信系统中步骤六所述组帧操作，其特征在于所述同步符号为三个连续的CAZAC序列构造而成，第一个CAZAC序列和第二个CAZAC序列相同，长度为Nx/2，第三个CAZAC序列长度为Nx。
3.根据权利要1所述的调频调制恒包络OFDM通信系统中步骤八所述频率同步，其特征在于分别计算整数倍频率偏移εi和小数倍频率偏移εf；
所述整数倍频率偏移εi，可表示为εi＝2(test2-Ne-test1)，其中test1是第一个CAZAC序列与接收到的信号进行相关的最大值位置，test2是第三个CAZAC序列与接收到的信号进行相关的最大值位置；
所述小数倍频率偏移εf，可表示为其中Ag(t)为定时同步后，第一个CAZAC序列和第二个CAZAC序列相关的值；
根据权利要1所述的调频调制恒包络OFDM通信系统中步骤八所述频率同步，其特征还在于在计算完整数倍频偏εi和小数倍频率偏移εf后，要进行εi+εf的频率补偿。
4.根据权利要求1所述的调频调制恒包络OFDM通信系统中步骤九所述调频解调，是进行反正切操作、解卷绕操作和微分操作完成的。
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