CN112803973A

CN112803973A - 一种mimo-ofdm系统及其分集方法、装置、系统

Info

Publication number: CN112803973A
Application number: CN202110355029.1A
Authority: CN
Inventors: 辜方林; 侯茂斌; 魏急波; 范艺馨
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2041-04-01
Also published as: CN112803973B

Abstract

本发明公开了一种MIMO‑OFDM系统及其分集方法、装置、系统，该方案中，针对MIMO‑OFDM系统采用BPSK调制时导致系统自动增益控制（AGC）模块工作紊乱，影响系统正常工作的问题，在发送端利用串并变换将一路高速信号转化为N路OFDM信号后，会将N路OFDM信号分为M组，并对各组OFDM信号进行特定的相位旋转，从而使得对相位旋转后的OFDM信号进行SFBC编码得到的编码信号中的各元素不仅包括实部，还包括虚部，又任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，有效避免了接收端出现的OFDM信号叠加或者抵消的情形，提高了MIMO‑OFDM系统的通信性能。

Description

一种MIMO-OFDM系统及其分集方法、装置、系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种MIMO-OFDM系统及其分集方法、装置、系统。

背景技术

MIMO-OFDM（Multiple-Input Multiple-Output-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，多输入多输出-正交频分复用技术）系统是在OFDM系统的接收端和发射端同时布置多个天线构成的MIMO系统，由于结合了MIMO系统分集增益高、系统容量大以及OFDM系统抗频率选择性衰落、频谱利用率高的诸多特点，在新一代移动通信对高容量、低成本的要求驱动下，正受到越来越多的关注。

在MIMO技术中，从提高空间分集的角度来看，STBC（Space-Time Block Coding,空时分组码）由于其正交性设计，使得最大似然译码只需要线性复杂度，因而目前研究最为广泛。将空时分组码与OFDM结合，便构成SFBC（Space Frequency Block Code，空频分组码）。此时，空时码对于信道时域特性的要求也转而变为对信道频域特性的要求。

请参照图1，图1为一种基于SFBC的MIMO-OFDM系统的经典框架示意图。发射端在接收到输入信号后，会对输入信号进行调制及串并转换，得到多路OFDM信号，再对多路OFDM信号进行SFBC编码，然后分流并进行OFDM调制得到发射信号，再送往各根发射天线。接收端先对各根天线收到的发射信号进行OFDM解调，然后对解调后的OFDM信号进行信道估计，并将由此得到的频域信道信息连同频域接收数据一起送往SFBC译码器进行译码，在经过解调恢复得到输入信号。

BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）调制是最简单的一种数字调制方式，它具有最低的解调信噪比要求，因而在许多实际通信系统中通常被用于传输可靠性要求最高的控制信号，例如，IEEE 802.11a/IEEE 802.11n等。然而，当在采用SFBC编码的MIMO-OFDM系统中利用BPSK调制时，由于BPSK二相的特点，接收端在对接收到的多组OFDM信号处理时会出现信号叠加或者抵消的情形，导致接收信号发生畸变（引起AGC的乱调等现象），图2为一种OFDM信号的控制段采用BPSK调制方式、数据段采用QPSK（Quadrature PhaseShift Keying，正交相移键控）调制方式时控制段信号出现信号抵消的示意图，图3为一种OFDM信号的控制段和数据段均采用BPSK调制方式时信号出现信号抵消的示意图，可以看出，当系统采用BPSK调制时均会发生信号抵消的情况，严重恶化了系统的通信性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种MIMO-OFDM系统及其分集方法、装置、系统，有效避免了接收端出现的OFDM信号抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MIMO-OFDM系统的分集方法，包括：

在接收到输入信号经过BPSK调制及串并转换处理得到的N路OFDM信号后，将N路OFDM信号分为M组，M小于N，M为不小于2的整数，N为2的幂次；

对各组OFDM信号进行相应相位旋转，且任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，k为整数；

对相位旋转后的各组OFDM信号进行SFBC编码，得到编码信号，以便接收端在将基于所述编码信号得到的发射信号恢复为M组OFDM信号后，对恢复的各组译OFDM信号进行相应相反方向的相位旋转，并基于相位旋转后的OFDM信号得到所述输入信号。

优选地，M=2时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

将第一组OFDM信号旋转π/L，将第二组OFDM信号旋转π/L-π/2，L为大于1的整数。优选地，每组包括N/2路OFDM信号。

优选地，π/L=π/4。

优选地，M=4时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

对4组OFDM信号分别旋转π/L、π/J+π/4、π/L-π/2及π/L-3π/4，J为大于1的整数，π/L-π/J≠kπ+π/2。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种MIMO-OFDM系统的分集系统，包括：

分组单元，用于在接收到输入信号经过BPSK调制及串并转换处理得到的N路OFDM信号后，将N路OFDM信号分为M组，M小于N，M为不小于2的整数，N为2的幂次；

相位旋转单元，用于对各组OFDM信号进行相应相位旋转，且任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，k为整数；

编码单元，用于对相位旋转后的各组OFDM信号进行SFBC编码，得到编码信号，以便接收端在将基于所述编码信号得到的发射信号恢复为M组OFDM信号后，对恢复的各组译OFDM信号进行相应相反方向的相位旋转，并基于相位旋转后的OFDM信号得到所述输入信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种MIMO-OFDM系统的分集装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述MIMO的分集方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种MIMO-OFDM系统，包括如上述所述的MIMO-OFDM系统的分集装置。

本发明提供了一种MIMO-OFDM系统及其分集方法、装置、系统，该方案中，在接收到N路OFDM信号后，会将N路OFDM信号分为M组，并对各组OFDM信号进行相应地相位旋转，从而使得对相位旋转后的OFDM信号进行SFBC编码得到的编码信号中的各元素不仅包括实部，还包括虚部，又任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，从而极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同或者相反的元素的数量，有效避免了接收端出现的OFDM信号叠加、抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为一种基于SFBC的MIMO-OFDM系统的经典框架示意图；

图2为一种OFDM信号的控制段采用BPSK调制方式、数据段采用QPSK调制方式时控制段信号出现信号抵消的示意图；

图3为一种OFDM信号的控制段和数据段均采用BPSK调制方式时信号出现信号抵消的示意图；

图4为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集方法的过程流程图；

图5为本发明提供的一种OFDM信号的控制段采用BPSK调制方式时采用相位旋转控制段信号不会出现信号抵消的示意图；

图6为本发明提供的一种OFDM信号的控制段和数据段均采用BPSK调制方式时采用相位旋转不会出现信号抵消的的示意图；

图7为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集框图；

图8为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种MIMO-OFDM系统及其分集方法、装置、系统，有效避免了接收端出现的OFDM信号抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了方便分析问题，以MIMO-OFDM系统中2个发射天线和2个接收天线为例，当采用SFBC编码的MIMO-OFDM系统中采用BPSK调制，BPSK调制采用{1，-1}进行映射，则SFBC编码只有以下2种情形。其中，以频域相邻2个OFDM信号为（C1,C2）为例，则SFBC的编码矩阵为

。

情形1：频域相邻2个符号相同的情形，此时（C1,C2）=（1,1）or（-1,-1），则SFBC编码后，编码信号分别为：

or

情形2：频域相邻2个符号不同的情形，此时（C1,C2）=（1,-1）or（-1,1），则SFBC编码后，编码信号分别为：

or

进一步，以其中1根发射天线为例，将采用BPSK调制且经过SFBC编码后的N路编码信号表示为：

其中，

表示天线1和天线2发射符号相同的子载波集合与将天线1和天线2发射的符号相反的子载波集合取值为0构成一个新的编码信号，

表示天线1和天线2发射符号相同的子载波集合取值为0与将天线1和天线2发射的符号相反的子载波集合构成一个新的编码信号。即，任意编码信号可以分解为一个相同编码信号与一个取反编码信号的和。

对应地，根据IFFT（Invert Fast Fourier Transformation,反向快速傅里叶变换）的线性性质，时域信号也可以表示：

其中，

表示频域相同编码信号经过IFFT变换获得的时域信号，

表示频域相反编码信号经过IFFT变换获得的时域信号。

上述分析表明，由于BPSK调制二相的特点，使得编码信号很容易被分解为一个相同编码信号与一个取反编码信号的和，当采用SFBC编码的MIMO-OFDM系统中采用BPSK调制时，若不进行恰当的处理，接收端会出现信号抵消的情形，从而急剧恶化系统性能。这一结果与图2和图3所给出的结论一致。

为了解决上述问题，本发明提供了一种MIMO-OFDM系统的分集方法，请参照图4，图4为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集方法的过程流程图。

该方法包括：

S11：在接收到输入信号经过BPSK调制及串并转换处理得到的N路OFDM信号后，将N路OFDM信号分为M组，M小于N，M为不小于2的整数，N为2的幂次；

S12：对各组OFDM信号进行相应相位旋转，且任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，k为整数；

S13：对相位旋转后的各组OFDM信号进行SFBC编码，得到编码信号，以便接收端在将基于编码信号得到的发射信号恢复为M组OFDM信号后，对恢复的各组译OFDM信号进行相应相反方向的相位旋转，并基于相位旋转后的OFDM信号得到输入信号。

具体地，这里的输入信号也即信号比特，发射端在接收到输入信号后，首先对输入信号进行BPSK调制，BPSK调制采用{1，-1}进行映射，并对映射得到的信号进行串并转换，得到N路OFDM信号。考虑到若不对N路OFDM信号进行任何处理，直接进行SFBC编码，则编码信号中的元素只有实部，各组OFDM信号对应地编码信号之间存在很多实部相同或者相反的元素，这会使得接收端出现OFDM信号叠加或者抵消的情形。

为了解决上述问题，本申请中，在得到N路OFDM信号后，会先将OFDM信号分为M组，并对各组OFDM信号进行相应相位旋转，且任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，可见，通过该种方式能够使得各组OFDM信号对应地编码信号中的元素不仅包括实部，还包括虚部，且极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同或者相反的元素的数量。

以M=2，第一组OFDM信号旋转π/4，第二组OFDM信号旋转-π/4为例，则当旋转π/4时：

or

or

当旋转-π/4时：

or

or

可见，在第一组OFDM信号旋转π/4，第二组OFDM信号旋转-π/4时，此时很大程度上与采用QPSK调制方式是一样的。

在对各组OFDM信号相位旋转后，还对对相位旋转后的各组OFDM信号进行SFBC编码，得到编码信号，并基于编码信号得到发射天线的发射信号。接收端通过接收天线接收到发射信号后，对发射信号进行定时同步、串并转换、FFT等处理，将发射信号恢复为M组OFDM信号，并对恢复的各组译OFDM信号进行相应相反方向的相位旋转，也即进行相应地取反操作，并基于相位旋转后的OFDM信号得到输入信号。例如，前期发射端将OFDM信号旋转π/L，则后期接收端将OFDM信号旋转-π/L。该种取反操作并不会影响BPSK的解调性能。

此外，还需要说明的是，这里的SFBC编码具体可以为ALamouti编码。

请参照图5和图6，图5为本发明提供的一种OFDM信号的控制段采用BPSK调制方式时采用相位旋转控制段信号不会出现信号抵消的示意图，图6为本发明提供的一种OFDM信号的控制段和数据段均采用BPSK调制方式时采用相位旋转不会出现信号抵消的的示意图。可以看出，当采用本发明提出的相位旋转实现MIMO空间分集时，即使采用BPSK调制时均也不会发生信号叠加或者抵消的情况，从而保证了系统的通信性能。

综上，本发明提供了一种MIMO-OFDM系统及其分集方法，该方案中，在接收到N路OFDM信号后，会将N路OFDM信号分为M组，并对各组OFDM信号进行相应地相位旋转，从而使得对相位旋转后的OFDM信号进行SFBC编码得到的编码信号中的各元素不仅包括实部，还包括虚部，又任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，从而极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同或者相反的元素的数量，有效避免了接收端出现的OFDM信号叠加或者抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，M=2时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

将第一组OFDM信号旋转π/L，将第二组OFDM信号旋转π/L-π/2，L为大于1的整数。

具体地，在得到N路OFDM信号后，可以将N路OFDM信号分为2组，分别为第一组OFDM信号和第二组OFDM信号，例如有4路OFDM信号，则可以将前两路OFDM信号作为第一组，后两路OFDM信号作为第二组。

在得到第一组OFDM信号和第二组OFDM信号后，将第一组OFDM信号旋转π/L，将第二组OFDM信号旋转π/L-π/2，可见，通过该种方式使得第一组OFDM信号和第二组OFDM信号正交，从而极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同、符号相反的元素的数量，有效避免了接收端出现的OFDM信号抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

作为一种优选地实施例，每组包括N/2路OFDM信号。

具体地，本申请中，由于N为2的幂次，也即N为偶数，可以将N路OFDM信号的前一半作为第一组，N路OFDM信号的后一半作为第二组。当然，这里也可以采用其他分组方式，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，π/L=π/4。

请参照图7，图7为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集框图。

具体地，可以将第一组OFDM信号旋转π/4，将第二组OFDM信号旋转-π/4，可见，通过该种方式使得第一组OFDM信号和第二组OFDM信号正交，从而极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同、符号相反的元素的数量，有效避免了接收端出现的OFDM信号抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

作为一种优选地实施例，M=4时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

对4组OFDM信号分别旋转π/L、π/J+π/4、π/L-π/2及π/L-3π/4，J为大于1的整数。

本申请，还可以将N路OFDM信号分为4组，且第一组OFDM信号旋转π/L，第二组OFDM信号旋转π/J+π/4，第三组OFDM信号旋转π/L-π/2，第四组OFDM信号旋转π/L-3π/4。通过该种方式，使得第一组OFDM信号、第二组OFDM信号、第三组OFDM信号和第四组OFDM信号每相邻两组两两正交，通过该种方式可以极大地减少了各组OFDM信号对应地编码信号之间实部和虚部相同或者相反的元素的数量，有效避免了接收端出现的OFDM信号叠加或者抵消的情形，提高了MIMO-OFDM系统的通信性能。

请参照图8，图8为本发明提供的一种MIMO-OFDM系统的分集系统的结构示意图。

该分集系统包括：

分组单元1，用于在接收到输入信号经过BPSK调制及串并转换处理得到的N路OFDM信号后，将N路OFDM信号分为M组，M小于N，M为不小于2的整数，N为2的幂次；

相位旋转单元2，用于对各组OFDM信号进行相应相位旋转，且任意相邻两组OFDM信号旋转的相位的相位差≠kπ，k为整数；

编码单元3，用于对相位旋转后的各组OFDM信号进行SFBC编码，得到编码信号，以便接收端在将基于编码信号得到的发射信号恢复为M组OFDM信号后，对恢复的各组译OFDM信号进行相应相反方向的相位旋转，并基于相位旋转后的OFDM信号得到输入信号。

对于本发明提供的MIMO-OFDM系统的分集系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种MIMO-OFDM系统的分集装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如上述MIMO的分集方法的步骤。

对于本发明提供的MIMO-OFDM系统的分集装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明还提供了一种MIMO-OFDM系统，包括如上述的MIMO-OFDM系统的分集装置。

对于本发明提供的MIMO-OFDM系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种MIMO-OFDM系统的分集方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统的分集方法，其特征在于，M=2时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

3.如权利要求2所述的MIMO-OFDM系统的分集方法，其特征在于，每组包括N/2路OFDM信号。

4.如权利要求2所述的MIMO-OFDM系统的分集方法，其特征在于，π/L=π/4。

5.如权利要求1所述的MIMO-OFDM系统的分集方法，其特征在于，M=4时，对各组OFDM信号进行相应方向的相位旋转，包括：

6.一种MIMO-OFDM系统的分集系统，其特征在于，包括：

7.一种MIMO-OFDM系统的分集装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述MIMO的分集方法的步骤。

8.一种MIMO-OFDM系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的MIMO-OFDM系统的分集装置。