CN113179107B

CN113179107B - 一种基于子载波扩频的动态调整ofdm体制数据链码率的方法

Info

Publication number: CN113179107B
Application number: CN202110167286.2A
Authority: CN
Inventors: 夏传荣; 郭晓峰; 孙作亮
Original assignee: Xi'an Yufei Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Yufei Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-07
Filing date: 2021-02-07
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2041-02-07
Also published as: CN113179107A

Abstract

本发明公开了一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，在OFDM调制算法处理流程中增加一个子载波扩频模块，OFDM解调算法处理时则需要增加一个子载波解扩频模块，OFDM解调处理后的数据经解扰处理，随后进行子载波解扩频处理，子载波解扩频处理是子载波扩频处理的逆过程，子载波解扩频处理可以得到扩频处理增益，此基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，抵抗衰落和多径干扰的能力更强，传输时延更低，OFDM调制解调处理的算法结构相对简单，设计实现的复杂度较低，消耗的资源更少，相同的功能和性能指标要求下设备的尺寸更小、功耗更低、重量更轻，并且系统的频谱利用率更高，降低码率后可以提升作用距离性能指标。

Description

一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法

技术领域

本发明涉及子载波扩频技术领域，具体为一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法。

背景技术

在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径多为复杂的情况，如建筑物阻隔、车辆快速移动等。而发射信号在传播过程中往往会受到环境中各种物体所引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和幅度，并附加有信道噪声。它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。这种衰落往往会使接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，或因为移动而产生多普勒频移现象而导致通信系统的误码性能恶化，甚至通信失效。

OFDM作为无线通信系统的成熟的调制技术，是一种多载波传输解决方案，它能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰，OFDM技术在数字广播电视、宽带移动通信等领域得到了广泛应用。超近程、近程数据链系统因为空中节点飞行高度较低，地空链路受地形、环境影响较大，一般选用OFDM的工作体制来消除多径信道的影响。

现有技术中，用于OFDM体制通信系统动态调整码率的方法包括动态调整调制方式方法、动态调整信号带宽方法。

使用动态调整信号带宽的方法来动态调整码率也是宽带移动通信系统中较为常用的方法。基于OFDM体制的通信系统通过设置不同的物理层参数，即采样频率、FFT长度、占用子载波数量等参数,占用不同的信号带宽资源，从而取得不同的传输速率。当需要较高的码率时，可以根据需要设置较高的采样频率、较大的FFT处理长度、占用较多的子载波数，则会占用较宽的信号带宽；反之，则设置较低的采样频率、较小的FFT处理长度、占用较少的子载波数，则会占用较窄的信号带宽。

OFDM系统中一个OFDM符号在频域上包含FFT长度个子载波，包含左保护子载波、左有效子载波、DC直流子载波、右有效子载波以及右保护子载波。其中左有效、DC直流和右有效子载波之和对应占用的子载波数目，会占用频谱资源、信号带宽；而左、右保护子载波被置零，为频域的保护间隔并不会占用信号带宽。

OFDM调制处理时，有效的数据位流在频域按照规定的调制方式被映射到左、右有效子载波上，然后通过IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，逆向快速傅里叶变换)运算变换至时域,OFDM解调处理时，则将时域信号通过FFT运算变换至频域，然后在频域解调提取出有效的数据。如果通过动态调整信号带宽的方法来动态调整OFDM通信系统的码率，则需要动态改变调制解调处理过程中涉及的采样频率、IFFT/FFT处理模块的长度，这样OFDM调制解调处理的算法架构变化较大，复杂度较高，不易于实现并且会消耗更多的资源，这对于尺寸、重量、功耗有严格限制的数据链应用来说不太适用,为此，我们提出一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，包括以下步骤：

1)在OFDM调制算法处理流程中增加一个子载波扩频模块，该模块介于信道编码模块与导频插入模块之间；

2)OFDM解调算法处理时则需要增加一个子载波解扩频模块，子载波解扩频模块介于解扰模块与信道译码模块之间；

3)子载波解扩频模块介于解扰模块与信道译码模块之间，OFDM解调处理后的数据经解扰处理，随后进行子载波解扩频处理，子载波解扩频处理是子载波扩频处理的逆过程，子载波解扩频处理可以得到扩频处理增益。

优选的，所述的子载波解扩频的方法扩频算法流程为：

第一步：将信道编码处理后的数据块DC按顺序分成K份，得到K份数据块DK；

第二步：将每份数据块DK复制Ns份，重复Ns次的数据块DK按顺序拼接在一起，得到数据块DS；

第三步：以一个0FDM符号为单位对数据块DS进行调制映射，相同的数据块DK复制Ns份被映射到一个0FDM符号不同的数据子载波上；

第四步：对映射到一个0FDM符号上的数据块DS进行加扰处理，得到数据块DR，完成子载波扩频处理。

优选的，所述信道编码处理为：

首先，信道编码处理后的1个数据块即6144个bit数据记为Dc0、Dc1……、Dc6143，将Dc0、Dc1……、Dc6143按顺序分成K＝Nm*Ns份，每份数据大小为L＝6144/k个bit，记为DKi0、DKi1、……、DKi(L-1)，则DKij＝DC(iL+j)，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(L-1)的整数；

第二步，将每份DKi0、DKi1……、DKi(L-1)数据复制Ns份，按顺序拼接起来得到1个大小为N＝6144/Nm个bit的数据块，记为DSi0、DSi1、……、DSi(N-1),则DSij＝DS(jmodl)，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(N-1)的整数，mod为取余运算；

第三步，以一个OFDM符号为单位进行调制映射，即将DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)数据按规定的调制方式进行调制映射，调制映射在频域按顺序进行，BPSK调制方式下每个数据子载波对应1bit数据，QPSK调制方式下每个数据子载波对应2bit数据，因此每个数据块DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)与一个OFDM符号的数据子载波完全对应，子载波扩频处理的实质是相同的DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)数据复制份被映射到一个OFDM符号的不同的数据子载波上进行传输，在数据子载波的调制映射的同时进行导频数据的插入和调制映射；

第四步，对映射到一个OFDM符号3072个数据子载波上的DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)进行加扰处理，得到DRi0、DRi1、……、DRi(N-1)，则，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(N-1)的整数，xor表示异或运算，为扰码序列，加扰处理的作用是对数据进行随机化和能量分散，使得本质上相同的几份DKi0、DKi1、……、DKi(N-1)数据变为形式上不同的DRi0、DRi1、……、DRi(N-1)调制到一个OFDM符号的3072个数据子载波上，至此，整个子载波扩频处理完毕，后续进行其它OFDM调制处理生成OFDM波形。

优选的，所述子载波解扩频处理的算法流程为：

第一步，将0FDM解调后的数据块R进行解扰处理，得到数据块DS；

第二步，将数据块DS按顺序分成Ns份，得到数据块组DL(0)、DL(1)、..DL(Ns-1)；

第三步，将Ns个数据块组DL(0)、DL(1)、..DL(Ns-1)进行累加积分，求取其平均值，得到数据块DK；

第四步，将K份数据块邱按顺序进行拼接得到数据块DC输出至信道译码模块。

优选的，所述0FDM解调后为：

第一步，将0FDM解调后的数据块DRi0、DRi1、……、DRi(N-1)进行解扰处理，得到数据块DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)，则DSij＝DRijxorMij,其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(N-1)的整数，xor表示异或运算，RMij为与加扰处理所使用的相同的扰码序列，解扰处理是加扰处理的逆过程；

第二步，将数据块DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)按顺序分成份数据块DLi0、DLi1、……、DLi(N-1)，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(-1)的整数；

第三步，将Ns份数据块DLi0、DLi1、……、DLi(N-1)进行累加积分求取其平均值，得到数据块DKi0、DKi1、……、DKi(L-1)，则,其中i为从0到(K-1)的整数，l为从0到(L-1)的整数，Σ为求和操作；

第四步，将K份数据DKi0、DKi1、……、DKi(L-1)按顺序进行拼接，得到1个大小为6144个bit的数据块DC0、DC1、……、DC6143，则，其中i为从0到6143的整数，[]为取整运算，mod为取余运算，数据块DC0、DC1、……、DC6143输出至信道译码模块进行译码处理，至此，子载波解扩频处理完毕。

优选的，所述OFDM调制算法为：将调制数据进行并串转换，进行信道编码，通过子载波扩频进行导频插入，再进行调制映射加扰后，频谱倒置，使用IFFT处理加循环前缀、同步头，形成OFDM成帧，并通过数模转换进行发射信号。

优选的，所述OFDM调制算法为：对信号进行解调，进行模数转换，再进行OFDM同步，并通过频偏估计及纠正，再去循环前加缀，进行FFT处理，在进行频谱倒置，使用导频提取，通过信道估计及信道均衡解扰，再通过子载波解扩频，进行信道译码随后通过串并转换进行解调数据。

优选的，所述子载波扩频比参数为Ns(Ns＝1、2、4、8、16、32，Ns＝1代表不扩频)。

优选的，所述OFDM体制数据链系统设计调制方式为BPSK或QPSK，调制方式参数为Nm(调制方式为BPSK时Nm＝2,调制方式为QPSK时Nm＝1)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法与动态调整调制方式的方法相比，系统的误码率性能指标更好，抵抗衰落和多径干扰的能力更强，传输时延更低,基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法与动态调整信号带宽的方法相比，OFDM调制解调处理的算法结构相对简单，设计实现的复杂度较低，消耗的资源更少，相同的功能和性能指标要求下设备的尺寸更小、功耗更低、重量更轻，并且系统的频谱利用率更高，降低码率后可以提升作用距离性能指标。

2、OFDM体制数据链系统采用基于子载波扩频的方法后，可以通过设置不同的扩频比参数来动态调整系统的码率和作用距离，在码率和作用距离两个关键的性能指标之间进行权衡，在侧重码率的场合可以设置较低的扩频比，在侧重作用距离的场合可以设置较高的扩频比,基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法使用起来比较简单，与现有的其它方法相比更为灵活有效。

附图说明

图1为本发明OFDM调制算法示意图；

图2为本发明FDM解调算法结构图；

图3为本发明子载波扩频处理算法流程图；

图4为本发明子载波解扩频处理算法流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，包括以下步骤：

所述的子载波解扩频的方法扩频算法流程为：

所述信道编码处理为：

所述子载波解扩频处理的算法流程为：

所述0FDM解调后为：

所述OFDM调制算法为：将调制数据进行并串转换，进行信道编码，通过子载波扩频进行导频插入，再进行调制映射加扰后，频谱倒置，使用IFFT处理加循环前缀、同步头，形成OFDM成帧，并通过数模转换进行发射信号。

所述OFDM调制算法为：对信号进行解调，进行模数转换，再进行OFDM同步，并通过频偏估计及纠正，再去循环前加缀，进行FFT处理，在进行频谱倒置，使用导频提取，通过信道估计及信道均衡解扰，再通过子载波解扩频，进行信道译码随后通过串并转换进行解调数据。

所述子载波扩频比参数为Ns(Ns＝1、2、4、8、16、32，Ns＝1代表不扩频)。

所述OFDM体制数据链系统设计调制方式为BPSK或QPSK，调制方式参数为Nm(调制方式为BPSK时Nm＝2,调制方式为QPSK时Nm＝1)。

工作原理：本发明基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法与动态调整调制方式的方法相比，系统的误码率性能指标更好，抵抗衰落和多径干扰的能力更强，传输时延更低,基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法与动态调整信号带宽的方法相比，OFDM调制解调处理的算法结构相对简单，设计实现的复杂度较低，消耗的资源更少，相同的功能和性能指标要求下设备的尺寸更小、功耗更低、重量更轻，并且系统的频谱利用率更高，降低码率后可以提升作用距离性能指标；

OFDM体制数据链系统采用基于子载波扩频的方法后，可以通过设置不同的扩频比参数来动态调整系统的码率和作用距离，在码率和作用距离两个关键的性能指标之间进行权衡，在侧重码率的场合可以设置较低的扩频比，在侧重作用距离的场合可以设置较高的扩频比,基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法使用起来比较简单，与现有的其它方法相比更为灵活有效。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于包括以下步骤：

3)OFDM解调处理后的数据经解扰处理，随后进行子载波解扩频处理，子载波解扩频处理是子载波扩频处理的逆过程，子载波解扩频处理可以得到扩频处理增益；

所述的子载波扩频模块的算法流程为：

第四步：对映射到一个0FDM符号上的数据块DS进行加扰处理，得到数据块DR，完成子载波扩频处理；

所述子载波解扩频处理的算法流程为：

第一步，将0FDM解调后的数据块DR进行解扰处理，得到数据块DS；

第四步，将K份数据块DK按顺序进行拼接得到数据块DC输出至信道译码模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：所述信道编码处理为：

第四步，对映射到一个OFDM符号3072个数据子载波上的DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)进行加扰处理，得到DRi0、DRi1、……、DRi(N-1)，则，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(N-1)的整数，xor表示异或运算，KM₀为扰码序列，加扰处理的作用是对数据进行随机化和能量分散，使得本质上相同的几份DKi0、DKi1、……、DKi(N-1)数据变为形式上不同的DRi0、DRi1、……、DRi(N-1)调制到一个OFDM符号的3072个数据子载波上，至此，整个子载波扩频处理完毕，后续进行其它OFDM调制处理生成OFDM波形。

3.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：所述0FDM解调后为：

第二步，将数据块DSi0、DSi1、……、DSi(N-1)按顺序分成Ns份数据块DLi0、DLi1、……、DLi(N-1)，其中i为从0到(K-1)的整数，j为从0到(-1)的整数；

第三步，将Ns份数据块DLi0、DLi1、……、DLi(N-1)进行累加积分求取其平均值，得到数据块DKi0、DKi1、……、DKi(L-1)，

则,其中i为从0到(K-1)的整数，l为从0到(L-1)的整数，Σ为求和操作；

第四步，将K份数据DKi0、DKi1、……、DKi(L-1)按顺序进行拼接，得到1个大小为6144个bit的数据块DC0、DC1、……、DC6143，则

其中i为从0到6143的整数，[]为取整运算，mod为取余运算，数据块DC0、DC1、……、DC6143输出至信道译码模块进行译码处理，至此，子载波解扩频处理完毕。

4.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：所述OFDM调制算法为：将调制数据进行并串转换，进行信道编码，通过子载波扩频进行导频插入，再进行调制映射加扰后，频谱倒置，使用IFFT处理加循环前缀、同步头，形成OFDM成帧，并通过数模转换进行发射信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：所述OFDM调制算法为：对信号进行解调，进行模数转换，再进行OFDM同步，并通过频偏估计及纠正，再去循环前加缀，进行FFT处理，在进行频谱倒置，使用导频提取，通过信道估计及信道均衡解扰，再通过子载波解扩频，进行信道译码随后通过串并转换进行解调数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：所述子载波扩频比参数为Ns。

7.根据权利要求1所述的一种基于子载波扩频的动态调整OFDM体制数据链码率的方法，其特征在于：OFDM体制数据链系统设计调制方式为BPSK或QPSK，调制方式参数为Nm。