CN114500212B - 一种基于fpga的咬首差分ofdm通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线移动通信技术领域，公开了一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统及方法，该通信系统采用时频符号混合差分OFDM技术设计，使用FPGA搭建；系统包括：发送端发送数据流；信道编码；串并转化；时频符号混合双比特差分调制；星座映射；OFDM调制；RF发送模块进行发送。接收端RF接收模块接收信息；OFDM解调；时频符号混合非相干双比特差分解码；并串转化；信道解码；恢复数据。本发明采用时频符号混合双比特差分编解码，只需一个参考符号，系统具有最大的信息传输效率；接收端不需要进行信道估计，避免接收机相位反转导致的解码失败；FPGA的并行性和OFDM的高频谱利用率使得在高杂度通信、高动态场景下充分利用现有的频谱资源，抗衰落、误码率低、稳定性好。

Description

一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统及方法
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的咬首差分 OFDM通信系统及方法。
背景技术
目前，在无线移动通信技术领域，无线频谱资源日益紧张，对数据网络的高速要求。OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)系统作为一种多载波通信技术系统中，将信道分成若干个正交子信道，将高速串行数据信号转换成并行的低速子数据流信号，调制到每个正交子信道上进行传输，正交信号数据在接收端采用解调的相关技术分开来减少信道之间的互相干扰，因此每个子信道上的衰落效应可以看成是平坦衰落。
然而，随着现代信息化程度的不断提高，通信环境变得错综复杂，信号传输过程中的气象条件、地形、电路长度、建筑物等会导致接收信号的电平均值变化进而导致接收信号的功率损耗，收发端之间的高速相对移动会导致接收信号的幅度和相位产生随机的起伏变化。因此，在现代的通信系统设计中，需要考虑衰落效应对信号的严重影响，当无线电信号在大尺度和中尺度距离的信道中传输时，无线通信信道是一种高动态时变信道，信道具有恒定增益且线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，数据在传输过程中容易发送数据频移，因此现有技术需要一种可以抵抗衰落效应，提高数据传输符号正确率的方法；OFDM 系统一般依靠快速傅里叶逆变换IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)和快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transformation)作为核心技术来实现，IFFT和FFT 需要进行大量的算数运算，同时，在系统设计中需要考虑收发端对数据的采样、信号处理过程中需要整形滤波等问题，FPGA(Field Programmable Gate Array) 具有并行的优势，适合用于做高速信号处理、可以解决采样、整形滤波、IFFT、FFT等复杂的数据运算带来的大量资源消耗问题，FPGA的低功耗、稳定、高集成度对于OFDM系统的应用前景和改进有一定参考意义，有较高的实用价值。
中国专利CN 112398771 A公开了调频调制恒包络OFDM通信系统的信号传输方法、系统及设备，该发明中采用了正交相移键控QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)调制方式，但其缺点在于没办法克服信道衰落、仍需要做复杂的信道估计。四相相对相移键控技术DQPSK(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying)把要传的信号先进行差分编码再进行QPSK调制方式， DQPSK技术成熟、实现复杂度适中，功率以及频带利用率高，因为传递的信息为相邻码元的相位信息，因此系统可以抗信道衰落。采用此技术的通信系统接收端可以做非相干解调，不需要进行信道估计，具有较好的抗干扰能力，对复杂多变的通信环境不敏感，能够提高系统的抗干扰能力。但是，使用DQPSK技术需要在系统中设置很多参考符号，会导致系统传输信息的效率下降。本发明采用时频符号混合差分调制方法，符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，只需要设置一个参考符号，可使系统在抗衰落的情况下，信息传输效率最高。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：通信环境变得日益复杂，信号传输过程中的气象条件、地形、电路长度、建筑物等会导致接收信号的电平均值变化进而导致接收信号的功率损耗，收发端之间的高速相对移动会导致接收信号的幅度和相位产生随机的起伏变化，同时需要考虑系统实现的处理效率及开销情况。
解决以上问题及缺陷的难度为：现有无线通信系统设计方案复杂，信号传输过程中易受到噪声的干扰。OFDM系统子载波的频谱互相交叠，通信环境错综复杂，无线信道存在时变性，传输过程中出现多普勒频移，会破坏OFDM子载波之间的正交性，降低OFDM通信系统传输符号正确率。
解决以上问题及缺陷的意义为：可以提供一种基于FPGA的咬首差分OFDM 通信系统，系统在采用DQPSK技术的基础上对信号做时频符号间混合差分调制，采用载波咬首的形式进行差分编码，系统调制过程中只需要一个参考符号；系统具有抗衰落、误码率低的优点，同时具有最高的信息传输效率。且系统在 FPGA上实现，具有较高的系统稳定性和实用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于FPGA的咬首差分OFDM 通信系统及方法，尤其涉及一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统及方法。
本发明是这样实现的，一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统采用咬首差分OFDM技术设计，使用FPGA搭建；系统包括发送端和接收端；发送端将信号通过无线信道发送到接收端；
所述发送端包括：
数据流模块：用于针对高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，设置固定长度的零一频域数据流；
信道编码模块：用于对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、里所RS (Reed-solomon)码或卷积码等信道编码方式进行编码，对信息进行信道编解码可以增加系统编解码过程中的纠错功能，进一步提高数据传输正确率；
串并转换模块；用于对信道编码模块编码好的频域符号数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域符号数据流，将信息由串行转为并行方便下一步进行差分编码算法；
时频符号混合DQPSK调制模块：用于对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，对信息进行双比特差分调制来克服传输过程中复杂多变环境的影响，进行时频符号混合调制只需一个参考符号，可提高信息传输效率，进行QPSK调制映射至星座图将信息调制为适合传输的基带信号；
OFDM调制模块：用于对映射好的数据采用IFFT调制到不同的载波上，IFFT 调制通过XILINX公司的Fast Fourier Transform IP核来实现，信号在发送端进行 IFFT调制后分散至多个子信道进行传输，节省传输带宽；
RF(Radio Frequency)发送模块：用于将信号发出；信号经过信道编码模块进行编码后，在串并转换模块转换为并行，并行数据送入时频符号混合DQPSK调制模块进行调制，调制信号送入OFDM调制模块进行IFFT调制，对数据添加同步序列或者导频数据之后通过RF发送模块向接收端发出；
所述接收端包括：
RF接收模块：用于接收来自发送端RF发送模块发送的信号；
OFDM解调模块：用于对接收到的数据流采用FFT调制进行载波解调，FFT 调制通过XILINX公司的Fast FourierTransform IP核来实现，在硬件FPGA中进行 FFT运算处理能有效提高系统信号处理速度；
时频符号混合非相干差分解调模块：用于对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；对接收到的信息进行相应的差分解码，接收端不需要进行信道估计，实现复杂度适中，系统具有较好的抗干扰能力；
并串转换模块：用于对非相干差分解调模块解码好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；将信息由串行转为并行方便下一步进行解码；
信道解码模块：用于对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码；对信息进行信道编解码可以增加系统编解码过程中的纠错功能，进一步提高数据传输正确率； RF发送模块和RF接收模块由发射天线和接收天线来实施。
进一步，所述接收端将RF接收模块接收到的数据信号，先根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列，然后经过OFDM解调模块、时频符号混合非相干差分解调模块、并串转换模块、信道解码模块得到原始数据。
进一步，本发明的另一目的在于提供基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法包括以下步骤：
步骤一，针对所述高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，并对数据流模块输入待发送的OFDM符号；先对系统整体进行分析，设置合适的参数，设置OFDM系统传输信息的符号数量，长度等。
步骤二，信道编码模块对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、里所 RS码或卷积码等信道编码方式进行编码；串并转换模块对信道编码模块编码好的频域符号数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域符号数据流；对信息进行信道编解码可以增加系统编解码过程中的纠错功能，进一步提高数据传输正确率。将信息由串行转为并行方便下一步进行差分编码算法。
步骤三，时频符号混合DQPSK调制模块对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码；对信息进行双比特差分调制来克服传输过程中复杂多变环境的影响，进行时频符号混合调制只需一个参考符号，可提高信息传输效率；进行QPSK调制映射至星座图将信息调制为适合传输的基带信号。
步骤四，对映射好的数据在OFDM调制模块采用IFFT调制到不同的载波上；对数据添加同步序列或者导频数据之后在RF(Radio Frequency)发送模块发出；接收端的RF接收模块接收信号；根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列；OFDM解调模块对接收到的数据流采用 FFT调制进行载波解调，IFFT和FFT调制通过XILINX公司的Fast Fourier Transform IP核来实现；信号在收发端分别进行IFFT调制和FFT调制，信号分散至多个子信道进行传输，节省传输带宽。
步骤五，时频符号混合非相干差分解调模块对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；对接收到的信息进行相应的差分解码，接收端不需要进行信道估计，实现复杂度适中，系统具有较好的抗干扰能力。
步骤六，并串转换模块对时频符号混合非相干差分解调模块解码好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；将信息由串行转为并行方便下一步进行解码。
步骤七，信道解码模块对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码；对信息进行信道编解码可以增加系统编解码过程中的纠错功能，进一步提高数据传输正确率。
进一步，所述步骤一中的数据比特符号设置为固定长度的零一频域数据流。
进一步，所述步骤三中的时频符号混合DQPSK调制模块对数据流做时频符号混合DQPSK调制，将发送信号的绝对码转换成相对码，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，所述时频符号混合规则为：以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号，在第一个OFDM符号内按照子载波上双比特符号的顺序做双比特差分；第二个 OFDM符号的第一个子载波上的双比特符号以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号做双比特差分编码，第二个OFDM符号内后续子载波上的双比特符号再以第一个子载波上的相对码为参考符号依次进行双比特差分编码。所述双比特编码规则为：编码器当前输出的数据Ck-1、Dk-1，当前的输入绝对码数据Ak、Bk，编码后的相对码数据CkDk,第一种情况，当前输出数据时，编码器的输出/>第二种情况，当前输出数据/>时，编码器的输出/>
进一步，所述步骤五中的时频符号混合非相干差分解码模块中对接收信号进行非相干差分解调，判决接收端接收的码元前后码元之前的相位差，将接收端得到的相对数据序列转换为绝对码。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1，通信结构易于实现，稳定性好。
2，本发明通过将差分调制解调技术应用于OFDM通信系统环境，OFDM 通信系统环境便不需要进行信道估计，DQPSK调制解调方式利用当前比特的载波相位与前一比特的载波相位的相位差来传递当前码字，DQPSK调制解调方式恒包络、能够克服相位模糊、适合快变信道的优点来解决高动态信道下的信号传输。本发明在DQPSK技术的基础上对待传输的符号进行时频符号混合 DQPSK调制，符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，使系统兼具DQPSK技术的优点的同时，不需要传输太多的预设参考信息，系统拥有最高的信息传输效率。
3.无线通信对信号处理所需要的计算量都提出了极高的要求，FPGA支持并行计算，且FPGA的高集成度和稳定性对于OFDM系统的应用前景和改进有参考意义，有较高的实用价值。
综上所述，本发明提供的一种基于频域差分调制的基于FPGA的咬首差分 OFDM通信系统及方法结构合理，在OFDM调制解调使用的IFFT和FFT的通信方法上，对数据流使用时频时频符号混合DQPSK差分调制解调方式，采用载波咬首的形式进行差分编码，可以充分利用现有的频谱资源，具有更高的频谱效率和性能，能有效避免因接收机相位反转导致的解码失败；FPGA的并行性和 OFDM的高频谱利用率，使得本发明能在高杂度通信、高动态场景下充分利用现有的频谱资源，同时具有抗衰落、误码率低、稳定性好、信息传输效率高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的OFDM通信系统的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的OFDM通信方法流程图。
图3是本发明实施例提供的时频符号混合规则示意图。
图4是本发明实施例提供的双比特差分编码示意图。
图5是本发明实施例提供的非相干差分解码模块示意图。
图6是本发明实施例提供的数据源为长度20480的零一频域数据流得到的发送信号频域仿真图。
图7是本发明实施例提供的awgn信道和通信环境复杂的瑞利信道下的传输符号正确率结果图的仿真结果示意图。
图8是本发明实施例提供的在硬件系统中的基带信号发送端rtl图。
图9是本发明实施例提供的在硬件系统中的基带信号接收端rtl图。
图10是本发明实施例提供的在硬件系统中的仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
OFDM已经被实践证实是一种拥有高速数据传输速率和高频谱利用率的调制解调技术。考虑到日益复杂的通信环境，提出在OFDM通信系统中采用时频符号混合DQPSK调制解调技术，采用载波咬首的形式进行差分编码，系统有 DQPSK技术功率、频带利用率高，好的抗干扰能力，对复杂多变的通信环境不敏感，同时相比仅使用DQPSK技术，系统只需要一个参考符号，拥有最高的信息传输效率。系统在FPGA上实现，稳定性好、集成度高，对于OFDM系统的应用前景和改进有参考意义，有较高的实用价值。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于FPGA的咬首差分OFDM 通信系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统采用咬首差分OFDM技术设计，使用FPGA搭建；系统包括发送端和接收端；发送端将信号通过无线信道发送到接收端；
发送端由数据流模块、信道编码模块、串并转换模块、时频符号混合DQPSK 调制模块、OFDM调制模块、RF发送模块组成；
数据流模块针对高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，设置固定长度的零一频域数据流；
信道编码模块对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、里所RS码或卷积码等信道编码方式进行编码；
串并转换模块对信道编码模块编码好的频域符号数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域符号数据流；
时频符号混合DQPSK调制模块对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码；
OFDM调制模块对映射好的数据采用IFFT调制到不同的载波上，IFFT调制通过XILINX公司的FastFourierTransform IP核来实现；
RF发送模块将信号发出；
接收端由RF接收模块、OFDM解调模块、时频符号混合非相干差分解调模块、并串转换模块、信道解码模块组成；
OFDM解调模块对接收到的数据流采用FFT调制进行载波解调，FFT调制通过XILINX公司的Fast FourierTransform IP核来实现；
时频符号混合非相干差分解调模块对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；
并串转换模块对非相干差分解调模块解码好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；
信道解码模块对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码；
如图2所示，本发明实施例提供的基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法包括以下步骤：
S101，针对所述高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，并对数据流模块输入待发送的OFDM符号；
S102，信道编码模块对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、RS码或卷积码的信道编码方式进行编码；串并转换模块对信道编码模块编码好的频域数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域数据流；
S103，时频符号混合DQPSK调制模块对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上；
S104，对映射好的数据在OFDM调制模块采用IFFT调制到不同的载波上；对数据添加同步序列或者导频数据之后在RF发送模块发出；接收端的RF接收模块接收数据；根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列；OFDM解调模块对接收到的数据流采用FFT调制进行载波解调；
S105，时频符号混合非相干差分解调模块对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；
S106，并串转换模块对时频符号混合非相干差分解调模块解调好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；
S107，信道解码模块对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
为实现上述增加通信系统在错综复杂的高动态时变信道中的抗衰落的目的，本发明提出了一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统及方法。
本发明提供如下技术方案：
优选地，在无线通信系统的信号传输过程中，针对不同的环境，接收端的信号将会受到不同的影响，接收端的信号幅度随收发端间的距离有慢衰落和快衰落损耗，传输路径中有建筑物，发送信号在传输过程中发生反射、被建筑物等吸收导致接收信号发生损耗，发送信号和接收信号的功率之差、路径损失PL(d) 为其中，pt和pr为发送和接受功率，Gt和Gr为发送端和接收端的天线的增益，λ为电磁波长。此外，收发端之间存在相互运动，产生多普勒效应，在高速运动和信号频率日益增高的情况下，多普勒效应对信号的影响变大。此外，接收端收到的信息为发送信号反射或绕射出信号的矢量和。所述基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统及方法构建的无线通信系统模型如图2所示配有任意个发射天线i和接收天线j，每个天线采用带有多个子载波的 OFDM调制器，发射天线和接收天线之间具有任意功率延迟分布的独立延迟路径，发射天线和接受天线之间的基带等效信道表示为：
其中，表示发射天线i和接收天线j再第k个OFDM符号的信道系数，Γi表示第i个路径时延，/>表示方差为σ2的高斯加性白噪声信道。
优选地，所述方案中本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码。
优选地，所述方案中通过判断前一输入数据和后一输入数据的相位差，利用前后码元之间的相对相位变化来表示码元的数字信息，若以前一码元的相位作为参考，令ΔθK为当前码元和前一码元之间的相位差，那么将输入比特信息与载波相位之间的关系以列表的形式给出如表1所示。
表1 DQPSK差分星座编码映射表
优选地，所述方案中，数据流模块，信道编码模块，信道解码模块的数据流数量一致，时频符号混合DQPSK调制模块，OFDM调制模块和接收端的OFDM 解调模块，时频符号混合非相干差分解调模块，RF发送模块和RF接收模块的数据流数量一致。
本发明提供如下技术方案：
1)针对所述高动态环境，考虑系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置 OFDM系统参数。
2)对数据流模块输入要发送的数据比特符号，这里的数据比特符号为可设置为固定长度的零一频域数据流。
3)信道编码模块对数据流模块输出的数据流采用循环码、RS码或卷积码的信道编码方式进行编码。
4)串并转换模块对信道编码模块编码好的频域数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域数据流。
5)时频符号混合DQPSK调制模块对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上。
其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，所述时频符号混合规则如图3所示：以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号，在第一个OFDM符号内按照子载波上双比特符号的顺序做双比特差分；第二个OFDM符号的第一个子载波上的双比特符号以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号做双比特差分编码，第二个OFDM符号内后续子载波上的双比特符号再以第一个子载波上的相对码为参考符号依次进行双比特差分编码。所述方案中的双比特差分编码原理图如图4所示，编码映射表如表1所示，所述方案中的差分星座映射模块在将发送信号的绝对码转换成相对码，编码器当前输出的数据Ck-1、Dk-1，当前的输入绝对码数据Ak、Bk，编码后的相对码数据Ck、Dk。编码规则为：第一种情况，当前输出数据时，编码器的输出/>第二种情况，当前输出数据/>时，编码器的输出/>
6)对映射好的数据在OFDM调制模块采用IFFT调制到不同的载波上；对数据添加同步序列或者导频数据之后在RF发送模块发出。
7)接收端的RF接收模块接受数据；根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列；OFDM解调模块对得到的数据流采用FFT调制进行载波解调。
其中，所述方案中的OFDM调制模块和OFDM解调模块中的IFFT和FFT通过 XILINX公司的Fast Fourier Transform IP核来实现。
8)时频符号混合非相干差分解调模块对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码。
其中，方案中的非相干差分解调示意图如图5所示，对接收端接收的码元判决前后码元之前的相位差，将接收端得到的相对数据序列用非相干解调的方式转换为绝对码。
9)并串转换模块对时频符号混合非相干差分解调模块解调的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流。
10)信道解码模块对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
本发明提供的方案参数设置为：数据源为10帧长度为2048的OFDM符号，总长度20480的零一频域数据流得到的发送信号，频域仿真图如图6所示。
本发明提供方案，和用来作为对比的方案：不使用差分调制解调的通信系统方案进行的对比，得到了awgn信道和通信环境复杂的瑞利信道下的传输符号正确率结果图的仿真结果，如图7所示；从仿真结果图中可以看出，OFDM系统采用QPSK调制，在复杂通信环境下，几乎无法完成收发端正确通信，而本方案提出的差分OFDM通信方法，在复杂通信环境下，当系统的信噪比为15db 左右，系统误码率降到了10-3，在稍好情况的通信环境下，当系统的信噪比为9 左右，系统误码率降到了10-3。本发明提供方案能提高通信系统在复杂通信环境中的抗干扰能力，降低系统设计中的误码率、提升系统的性能。
本发明提供的方案在硬件系统中的基带信号部分发送端rtl图，如图8所示。
本发明提供的方案在硬件系统中的基带信号部分接收端rtl图，如图9所示。
本发明提供的方案在硬件系统中的仿真图，如图10所示。
本发明提供的方案可在常见的无线通信系统中使用，可以有效提高系统的抗干扰性能，降低系统在复杂通信环境的误码率。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质 (例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统，其特征在于，所述基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统采用时频混合差分OFDM技术设计，使用FPGA搭建；系统包括发送端和接收端；发送端将信号通过无线信道发送到接收端；其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码，时频符号混合规则为：以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号，在第一个OFDM符号内按照子载波上双比特符号的顺序做双比特差分；第二个OFDM符号的第一个子载波上的双比特符号以第一个OFDM符号内第一个子载波上的双比特符号作为参考符号做双比特差分编码，第二个OFDM符号内后续子载波上的双比特符号再以第一个子载波上的相对码为参考符号依次进行双比特差分编码；双比特编码规则为：编码器当前输出的数据Ck-1、Dk-1，当前的输入绝对码数据Ak、Bk，编码后的相对码数据Ck、Dk；第一种情况，当前输出数据时，编码器的输出/> 第二种情况，当前输出数据/>时，编码器的输出
所述发送端包括：
数据流模块：用于针对高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，设置固定长度的零一频域数据流；
信道编码模块：用于对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、里所RS码或卷积码信道编码方式进行编码；
串并转换模块：用于对信道编码模块编码好的频域符号数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域符号数据流；
时频符号混合DQPSK调制模块：用于对串并转换模块转换好的符号数据流做时频符号混合DQPSK调制，在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码；
OFDM调制模块：用于对映射好的数据采用IFFT调制到不同的载波上，IFFT调制通过XILINX公司的Fast Fourier Transform IP核来实现；
RF发送模块：用于将信号发出；信号经过信道编码模块进行编码后，在串并转换模块转换为并行，并行数据送入时频符号混合DQPSK调制模块进行调制，调制信号送入OFDM调制模块进行IFFT调制，对数据添加同步序列或者导频数据之后通过RF发送模块向接收端发出；
所述接收端包括:
RF接收模块：用于接收来自发送端RF发送模块发送的信号；
OFDM解调模块：用于对接收到的数据流采用FFT调制进行载波解调，FFT调制通过XILINX公司的Fast Fourier Transform IP核来实现；
时频符号混合非相干差分解调模块：用于对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；
并串转换模块：用于对非相干差分解调模块解码好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；
信道解码模块：用于对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统，其特征在于，所述接收端将RF接收模块接收到的数据信号，先根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列，然后经过OFDM解调模块、时频符号混合非相干差分解调模块、并串转换模块、信道解码模块得到原始数据。
3.一种实施权利要求1所述的基于FPGA的咬首差分OFDM通信系统的基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法，其特征在于，所述基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法包括：
步骤一，针对所述高动态环境，分析系统中存在的多普勒频偏和衰落影响，设置OFDM系统参数，并对数据流模块输入待发送的OFDM符号；
步骤二，信道编码模块对数据流模块输出的OFDM符号采用循环码、RS码或卷积码信道编码方式进行编码；串并转换模块对信道编码模块编码好的频域符号数据流进行串并转换后转换为2行m列的频域符号数据流；
步骤三，时频符号混合DQPSK调制模块对串并转换模块转换好的数据流做时频符号混合DQPSK调制；在每个OFDM符号长度内，先对数据流进行时频符号混合双比特差分编码，从绝对码转换至相对差分码，再将转换好的相对差分信号根据正交相移键控QPSK调制方式映射到星座图上，其中，本符号的首个载波通过与上一个符号的首个载波咬首的形式进行差分编码；
步骤四，对映射好的数据在OFDM调制模块采用IFFT调制到不同的载波上；对数据添加同步序列或者导频数据之后在RF发送模块发出；接收端的RF接收模块接收信号；根据发送端对数据采用的同步序列或者导频数据获得准确的定时点后，得到数据序列；OFDM解调模块对接收到的数据流采用FFT调制进行载波解调，IFFT和FFT调制通过XILINX公司的FastFourier Transform IP核来实现；
步骤五，时频符号混合非相干差分解调模块对OFDM解调模块载波解调后的数据流进行跟发送端对应的时频符号混合解差分规则对数据流进行非相干解调得到信号的绝对码；
步骤六，并串转换模块对时频符号混合非相干差分解调模块解码好的绝对码数据流进行并串转换后转换为1行m*2列的频域数据流；
步骤七，信道解码模块对并串转换模块转换好的数据流根据发送端采用的信道编码方式，进行相应的接收端循环码、RS码或卷积码解码。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法，其特征在于，所述步骤一中的OFDM符号设置为固定长度的零一频域数据流。
5.如权利要求3所述的基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法，其特征在于，所述步骤三中的时频符号混合DQPSK调制模块对数据流做时频符号混合DQPSK调制，将发送信号的绝对码转换成相对码。
6.如权利要求3所述的基于FPGA的咬首差分OFDM通信方法，其特征在于，所述步骤五中的时频符号混合非相干差分解码模块中对接收信号进行非相干差分解调，判决接收端接收的码元前后码元之前的相位差，将接收端得到的相对数据序列转换为绝对码。
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