CN112383493B - 一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置，该方法包括：导出移位寄存器产生的PN序列；对所述PN序列增加一个直流分量D，生成独特字序列UW。本申请的方法生成的独特字序列UW，它具有理想的循环自相关函数特性，即除了自相关函数峰值外，其它位置自相关值为0，将直流修正后的PN序列作为SC_FDE的UW，可以测量得到准确的信道传输特性，对接收信号进行信道特性校正，提高接收性能。

Description

一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置

技术领域

本申请涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置。

背景技术

单载波频域均衡技术用于无线通信。多径干扰和信道涨落是无线通信必须处理的问题，尤其是宽带、移动通信的无人机通信的环境中。OFDM技术具有优良的抗多径能力，但也有一些缺点：信号的峰均比过高，对发射机线性要求较高和对频偏敏感。和OFDM技术相比，单载波频域均衡(SC-FDE)具有和OFDM相近的抗多径干扰能力，但信号峰均比低，能大大提高发射机的效率和降低散热要求。

SC-FDE的信号采用常规信号调制方式，如QPSK、16QAM等，区别在于数据调制符号分为数据段DATA，每段插入一段预定循环前缀的序列，称为独特字序列(UW)。该序列用于通道特性检测，在接收处理时，接收机首先处理UW,通过UW处理获得接收数据的通道特性、延迟等，对后续数据段进行处理，消除传输通道多径传输造成的频域起伏，然后对数据正确解调。

上述处理过程中独特字序列UW的循环自相关特性非常重要。理想的UW序列的循环自相关函数应当为除了相关峰值外，其它位置都为0。这样的UW有下列好处：

1.预存的UW频谱模板UW_FFT_NORM的各个点的幅度相等，没有幅度起伏，所以不存在幅度过小的频点，也不会有求倒数处理时将噪声过分放大，造成的信噪比恶化的问题。如果UW在频域有幅度起伏，幅度低的频谱位置容易受噪声的干扰，得到的信道特性误差较大，均衡后会信号幅度误差也会加大；

2.预存的UW频域特性UW_FFT_NORM的各点的幅值相等，这样在进行UW_FFT/UW_FFT_NORM运算时，不再需要除法运算，而用UW_FFT*conj(UW_FFT_NORM)代替，大大减低运算量和数据处理难度；

3.UW_FFT*conj(UW_FFT_NORM)对应于时域内冲击响应为UW逆向共轭序列的匹配滤波器处理，这样在频域内的UW_FFT*conj(UW_FFT_NORM)处理，可以化为时域内先对UW数据进行匹配滤波处理，再进行FFT，得到UW_FFT。

4.UW数据的时域匹配滤波处理输出，相当于理想的冲击响应施加到无线传输通道上产生的输出，能得到精确地反映信道时域传输特性，清晰地区分多径效应造成的各个尖峰。

如果UW序列的循环自相关函数除了相关峰值外，其它位置不接近于0，上述好处就随着相关杂峰的幅度增大而逐步消失，解调性能相应地恶化，计算复杂程度随之升高。目前流行的是采用Frank-Zadoff或Chu序列作为UW，而这两种序列的杂散相关分量仍然有一定的幅度。如下图1所示的Chu和Frank-Zadoff序列自相关曲线。

如果UW的时间长度为N，其杂散相关分量峰值和主峰之间的能量之比大约在20*log10(3/N)左右，这些杂散相关分量会造成信道特性估计误差，UW的频域幅度特性起伏过大，在幅度特性低的地方噪声影响严重。

发明内容

本申请提供了一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置，旨在解决上述问题。

第一方面，本申请提供了一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法，所述方法包括：

导出标准的PN序列，周期长度为N＝2^M-1,M为大于3的正整数；

将PN序列进行极性转换；

对转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

第二方面，本申请提供了一种信号调制和解调方法，所述方法包括：

发送时产生PN序列，将PN序列进行极性转换，对转换后的序列增加一个直流分量D，生成独特字序列UW；

将所述独特字序列UW和编码后的用户数据结合，进行发射波形合成、DA转换、变频、放大、滤波等处理，经天线发射出去；

在天线接收时，经过放大、滤波、变频、AD转换等无线接收处理后，对发射的UW序列进行FIR匹配滤波；

将接收到的UW经过匹配滤波器后进行FFT变换得到UW_FFT，再除以预存的UW频谱模板UW_FFT_NORM，得到频域的无线通道传输特性CH_FFT＝UW_FFT/UW_FFT_NORM；

将CH_FFT的每个频点求倒数，得到1/CH_FFT；

再将1/CH_FFT乘以理想通道传输特性，得到均衡特性EQU_FFT；

将数据段DATA也进行FFT变换，得到数据的频域表达DATA_FFT；

将DATA_FFT乘以EQU_FFT，得到频域均衡后的频域数据EQU_DATA_FFT；

将EQU_DATA_FFT进行IFFT，得到均衡后的时域数据EQU_DATA；

对EQU_DATA中包含的数据信号进行判决，得到调制数据符号序列。

第三方面，本申请还提供了一种单载波频域均衡独特字序列的生成装置，所述装置包括：

PN序列单元，用于导出标准的PN序列，周期长度为N＝2^M-1,M为大于3的正整数；

极性转换单元，用于将PN序列进行极性转换；

直流偏移单元，对转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

本申请公开了一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法和装置，直流修正后的PN序列作为SC_FDE的UW(PN序列+直流分量D)，可以获得理想的信道传输特性，进行信道特性校正。而现有的其它UW形式，杂散相关分量会造成信道特性估计误差，该误差会引入额外噪声，使检测性能恶化。具体恶化的程度，和杂散相关分量的总功率和相关峰值的功率之比相关。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的Chu和Frank-Zadoff序列自相关曲线；

图2是本申请的实施例提供的单载波频域均衡独特字序列的生方法的示意流程图；

图3为本申请实施例提供的一种单载波频域均衡独特字序列的生装置的示意性框图；

图4是本申请的实施例提供的信号调制和解调方法的示意流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图2，图2是本申请的实施例提供的一种单载波频域均衡独特字序列的生成方法的示意流程图。该生成方法包括步骤S101至步骤S103。

S101、导出标准的PN序列，周期长度为N＝2^M-1,M为大于3的正整数。

具体地，PN序列是通信理论中的标准，可以用移位寄存器产生的PN序列(或称m序列)，目前已经有大量研究和文献资料，它的特性都被人熟知，具体产生方式这里不再描述。M个移位寄存器可以产生周期为N＝2^M-1的0、1序列，M可以为大于3的任意正整数。

S102、将PN序列进行极性转换。

具体地，将序列进行极性转换，即对PN序列进行双极性转换得到1和-1序列。标准的PN序列为0和1组成，在一个周期内1的个数比0的个数多1个。需要转换为双极性序列，可以将1转换幅度1,0转换幅度-1，至于1对应具体幅度多少，完全根据使用时信号幅度决定。这种转换方式称为正常双极转换，在一个周期内，1的个数比-1的个数多1个。如果是将1转换-1,0转换为1，就称为反常双极转换，在一个周期内，1的个数比-1的个数少1个。

S103、转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

具体地，本步骤可以为直流偏移产生和叠加。对PN序列极性转换后增加一个直流分量D，生成独特字序列UW，使得UW自相关函数在非相关峰值时刻的相关数值为0。假定PN序列双极性转换后的序列为P(i)，i＝0～N，N＝2^M-1，序列中1的个数比-1的个数多1个，即：

循环自相关函数COR_P(k)在相关峰位置为相关数值为N，在非相关峰位置相关数值为-1,即：

一个序列的自相关处理相当于将该序列输入到一个匹配滤波器，该滤波器的时域冲击响应特性是该序列的共轭反序序列。在PN序列中增加一个直流电平D，信号成P(i)+D，i＝0～N，其匹配滤波输出的自相关函数其表达式为：

在非相关峰值的相关函数表达式为：

Cor_p(k)＝-1+2*D+N*D²,k≠0

为了使非相关峰值的数值为0，解方程：

-1+2*D+N*D²＝0

可以得出:

此时相关峰值可以计算出为：

Cor_p(k)＝N+1,k＝0。

需要补充说明，如果在极性转换时采用反常极性转换，即序列中1转换为幅度-1，序列中的0转换为1，转换后的单个周期的序列中1的个数比-1的个数少1个，上述公式中计算的需要添加的直流分量D需要乘以-1。

本申请将直流修正后的PN序列作为SC_FDE的UW(PN序列+直流分量D)，可以获得理想的信道传输特性，进行信道特性校正。而现有的其它UW形式，杂散相关分量会造成信道特性估计误差，该误差会引入额外噪声，使检测性能恶化。具体恶化的程度，和杂散相关分量的总功率和相关峰值的功率之比相关。

在一个可选的实施例中，增加的直流分量D的计算公式为

N＝2^M-1，其中M为产生该PN序列的移位寄存器的个数。有实际意义的UW应用中，M>3,这样N为大于7的正整数。在一些较较优的实施例中，为了使直流偏移较小，上式中的±选择+，即直流分量D的计算公式为/>

请参阅图3，图3是本申请一实施例提供的一种单载波频域均衡独特字序列的生成装置的示意性框图，该生成装置用于执行前述的单载波频域均衡独特字序列的生成方法。该装置300，包括：PN序列单元301、极性转换单元302和直流偏移单元302。

PN序列单元301，用于导出标准的PN序列。

极性转换单元302，用于将PN序列进行极性转换。

直流偏移单元302，对转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和各单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

如图4所示，本申请还保护一种采用了上述的载波频域均衡独特字序列的生成方法的信号调制和解调方法，其包括步骤S201-S210。

S201、发送时产生PN序列，将PN序列进行极性转换，对转换后的序列增加一个直流分量D，生成独特字序列UW。

即根据上述的单载波频域均衡独特字序列的生成方法产生UW序列，包括PN序列产生、极性转换、直流偏移产生和叠加。

S202、将所述独特字序列UW和编码后的用户数据结合，进行发射波形合成、DA转换、变频、放大、滤波等处理，经天线发射出去。发射信号时将UW序列周期性地插入编码处理后的用户数据符号序列中。

S203、在天线接收时，经过放大、滤波、变频、AD转换等无线接收处理后，对发射的UW序列进行FIR匹配滤波。

具体地，接收时对发射的UW序列(PN序列+直流分量)进行FIR匹配滤波，FIR滤波器的冲击响应是反序的UW序列

接收时对发射的UW序列(PN序列+直流分量)进行FIR(有限冲击响应)匹配滤波。其中FIR滤波器的冲击响应是反序的UW序列。

S204、将接收到的UW经过匹配滤波器后进行FFT变换得到UW_FFT，再除以预存的UW频谱模板UW_FFT_NORM，得到频域的无线通道传输特性。即在接收到的UW经过FIR匹配滤波器后进行FFT变换得到频域的无线通道传输特性CH_FFT。

CH_FFT＝UW_FFT/UW_FFT_NORM。

S205、将CH_FFT的每个频点求倒数，得到1/CH_FFT。

S206、再将1/CH_FFT乘以理想通道传输特性，得到均衡特性EQU_FFT。

S207、将数据段DATA也进行FFT变换，得到数据的频域表达DATA_FFT。

S208、将DATA_FFT乘以EQU_FFT，得到频域均衡后的频域数据EQU_DATA_FFT。

S209、将EQU_DATA_FFT进行IFFT，得到均衡后的时域数据EQU_DATA。

S210、对EQU_DATA中包含的数据信号进行判决，得到调制数据符号序列。

对于用户数据如何进行编码得到编码序列，以及接收得到的编码序列如何解调，本专利不做限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种采用单载波频域均衡独特字序列的生成方法的信号调制和解调方法，其特征在于，所述单载波频域均衡独特字序列的生成方法包括：

导出标准的PN序列，周期长度为N＝2^M-1,M为大于3的正整数；

将PN序列进行极性转换；

对转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

所述信号调制和解调方法包括：

发送时产生PN序列，将PN序列进行极性转换，对转换后的序列增加一个直流分量D，生成独特字序列UW；

将所述独特字序列UW和编码后的用户数据结合，进行发射波形合成、DA转换、变频、放大、滤波等处理，经天线发射出去；

在天线接收时，经过放大、滤波、变频、AD转换等无线接收处理后，对发射的UW序列进行FIR匹配滤波；

将接收到的UW经过匹配滤波器后进行FFT变换得到UW_FFT，再除以预存的UW频谱模板UW_FFT_NORM，得到频域的无线通道传输特性CH_FFT＝UW_FFT/UW_FFT_NORM；

将CH_FFT的每个频点求倒数，得到1/CH_FFT；

再将1/CH_FFT乘以理想通道传输特性，得到均衡特性EQU_FFT；

将数据段DATA也进行FFT变换，得到数据的频域表达DATA_FFT；

将DATA_FFT乘以EQU_FFT，得到频域均衡后的频域数据EQU_DATA_FFT；

将EQU_DATA_FFT进行IFFT，得到均衡后的时域数据EQU_DATA；

对EQU_DATA中包含的数据信号进行判决，得到调制数据符号序列。

2.一种单载波频域均衡独特字序列的生成装置，用于实现如权利要求1所述的单载波频域均衡独特字序列的生成方法，其特征在于，包括：

PN序列单元，用于导出标准的PN序列，周期长度为N＝2^M-1,M为大于3的正整数；

极性转换单元，用于将PN序列进行极性转换；

直流偏移单元，对转换后的序列增加一个直流分量D，形成发射独特字序列UW，直流分量D的计算公式为：

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