CN1599366A - 基于小波包变换的多载波通信系统方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波包变换的多载波通信系统方案。该方案：发送端，信源数据通过RS、交织和TCM－QAM的编码后，加入导频信号进行小波包调制，产生基带信号，经D/A变换为模拟信号，经过射频调制，送入带通信道；在接收端，经A/D变换，估计频率偏差与符号定时，进行小波包解调，再经信道校正，对应发送端，经过维特比译码、反交织和RS译码，还原出信源信息。小波包调制由串/并变换模块、小波包综合模块和脉冲成型模块构成；小波包解调由匹配滤波模块、小波包分解模块和并/串变换模块构成。小波包综合、分解均采用Mallat算法。系统模块可由DSP或FPGA+DSP实现。本发明在抗干扰能力、频谱利用率、数据传输速率和数据安全性比基于快速傅立叶变换的OFDM更具优势。

Description

基于小波包变换的多载波通信系统方案

                              技术领域

本发明提出一种基于小波包变换的多载波通信系统方案。属于通信技术领域，适用于第四代移动通信领域。

                              背景技术

多载波调制(MCM，Multi-Carrier Modulation)是将串行传送的高速率数据流分解成若干低速率子数据流，并用这些数据流并行地调制若干个子载波，实现数据的并行传输。

多载波调制的优势是：在高速无线传输中，能有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰；有效地对抗窄带干扰。

多载波调制可通过正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)和多载波调制(MCM)等技术途径实现。在OFDM中各子载波相互正交，允许子信道的频谱相互交叠，因而频谱利用率高，基本上被公认为是第四代通信的核心技术。

正交频分复用(OFDM)的概念早在60年代就提出来了。在小波分析理论提出之前，OFDM中相互正交的子载波集只使用相互正交的余弦函数-基于快速傅立叶变换的OFDM；小波分析理论提出之后，OFDM中相互正交的子载波集合还可以选用：相互正交的小波基(基于小波变换的多载波调制)和相互正交的小波包基(基于小波包变换的多载波调制)。

以上方案中，基于小波/小波包变换的多载波调制比基于快速傅立叶变换的OFDM，性能更为优良：

基于傅立叶变换的OFDM方案，子波频谱的第一个旁瓣只比峰值下降13dB，易引入ICI和ISI，为消除ICI和ISI，需加循环前缀；而小波/小波包变换的旁瓣比主瓣低45dB，所以其抗ICI、ISI能力比基于傅立叶变换的OFDM强，不需加循环前缀，故其传输速率比基于傅立叶变换的OFDM高。

基于小波包变换的多载波调制与基于小波变换的多载波调制相比，基于小波包变换的多载波调制性能更好：

(1)基于小波变换的多载波调制，相邻子信道带宽为2倍频程关系，信道分配固定。而基于小波包变换的多载波调制，信道分配灵活。

(2)基于小波包变换的多载波调制的抗窄带干扰性能优于基于小波变换的多载波调制。

综上述，以上方案中，基于小波包变换的多载波调制的性能最佳。

近年来，国内外大量文献对基于小波包变换的多载波通信系统的性能进行了仿真和讨论，支持了上述结论，但该系统的完整的具体实现方案未见报道。

                              发明内容

本发明的目的在于提供一种基于小波包变换的多载波通信系统方案，该方案可用于无线信道环境下的通信，对抗恶劣信道环境的能力较强，可提供优质高速的无线传输。

本发明通过下述技术方案加以实现：在发送端，信源数据依次通过RS编码、交织编码和TCM-QAM编码，加入导频信号，进行小波包调制，再经D/A变换及射频调制，送入带通信道；在接收端，经A/D变换，估计频率偏差与符号定时，然后进行小波包解调，再经信道校正，对应发送端的调制方式，依次经过维特比(Viterbi)译码、反交织和RS译码，还原出信源的信息。如图1。

上述的RS编译码、正反交织、TCM-QAM编码和维特比译码都是先进的信道编解码方式。小波包调制是由串/并变换模块、小波包综合模块和脉冲成型模块构成；小波包解调是由匹配滤波模块、小波包分解模块和并/串变换模块构成。

上述的小波包分解模块和小波包综合模块均采用Mallat算法。

对于并行的数据d_i ^{N-k，2n，2n}和d_i ^N-k，2n+1，Mallat综合算法为：

$d_j^{N-k+1,n}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(p_{j-2i}{d}_i^{N-k,2n}+q_{j-2i}{d}_i^{N-k,2n+1})$

其中，p和q是小波包综合算法的等效滤波器系数。

对于单路数据，用于解调的Mallat分解算法：

其中，a和b是小波包分解算法的等效滤波器系数。

Mallat算法以简单的滤波器组理论为基础，大大降低了运算的复杂度和所需存储空间。此算法中用到的滤波器系数来源于已经相当完善的小波包理论，应用非常方便。图2中，一路高速数字信号经过串/并变换转化为多路低速信号，用小波包综合算法的等效滤波器系数以Mallat算法进行多次综合，最终形成一路信号，该路信号就包含了原高速数字信号的所有信息。此后经过脉冲成形产生小波包调制基带信号。脉冲成形使用与小波包综合同基的尺度函数等效滤波器滤波，滤波一次即可产生小波包调制基带信号。实际中可以用相同的滤波器进行多次脉冲成形操作以减少码间串扰，同时减小信号带宽，滤波次数可由系统仿真确定。

脉冲成形后的信号经频谱搬移送入信道。在接收端，将频谱反向搬移和匹配滤波，用小波包分解算法的等效滤波器系数进行多级滤波，得到多路并行低速数据，再经并/串变换，最终还原出所传输的高速数据，如图3。

本发明方案中信道编码由内信道编码和外信道编码组成。内信道编码使用了格状编码(TCM)技术，将编码和调制结合在一起，使符号系列映射到信号空间所形成的路径之间的最小欧氏距离为最大，从而在不改变带宽的条件下，通过扩展使用的信号的电平数，使符号错误概率性能得到改善；外信道编码采用RS编码，进一步改善了系统的抗干扰性能。这一信道编码设计与小波包多载波调制有机结合，使本发明方案不仅具有传统的基于正交余弦函数的OFDM的优点，即抗码间串扰性能好，抗多径衰落性能好和频谱利用率高，而且其频谱旁瓣衰减快无需添加循环前缀，从而具有更高的传输速率和更强的抗干扰能力，并兼具信道分配灵活等优点。因此，本发明更适合用于各种无线信道的通信，尤其是移动通信环境。

                              附图说明

图1为本发明的系统结构框图。在频带传输情况下，信号送入信道前要进行射频调制。

图2为小波包调制结构框图。

图3为小波包解调结构框图。

                              具体实施方式

本发明方案的各模块除A/D和D/A外，均可由DSP或FPGA+DSP实现。

下面以DSP实现为例说明：

本发明涉及的技术方案的主体部分(RS编译/码、交织/去交织、TCM-QAM编码/Viterbi译码、小波包调制/小波包解调)已在DSP芯片(TMS320C6701)上编程实现。以8路信号的小波包调制为例，RS编码选用RS(31，23)编码，每组RS码可以补齐到32数据单元，并将数组RS编码进行交织。TCM-QAM编码选用TCM64QAM，TCM-QAM的结果可以灵活分配到小波包调制的各子信道中去。解调过程是调制的逆过程，应注意调制和解调参数选择的一致性。

编程在CCS编译环境下进行。程序先用C语言编写，并使用CCS编译环境提供的C语言优化选项提高性能。由于小波包调制的Mallat算法要进行大量的卷积计算，对程序性能影响较大，故卷积运算关键代码用汇编语言编写并全部用软件流水优化，对数据在存储器中的存储格式和存放位置用伪指令进行规范，防止对相同存储区的存取产生冲突。经过CCS环境的测量，小波包调制共花费17901个时钟周期。结果表明：软件流水方法产生的目标代码达到了DSP处理器的性能上限。

Claims (3)

1、一种基于小波包变换的多载波通信系统方案，其特征在于：发送端，信源数据依次通过RS编码、交织编码和TCM-QAM编码后，加入导频信号进行小波包调制，产生基带信号，经D/A变换为模拟信号，经过射频调制，送入带通信道；在接收端，经A/D变换，估计频率偏差与符号定时，然后进行小波包解调，再经信道校正，然后对应发送端的调制方式，依次经过维特比译码、反交织和RS译码，还原出信源的信息。

2、据权利要求1所述的方案，其特征在于：小波包调制由串/并变换模块、小波包综合模块和脉冲成型模块构成；小波包解调由匹配滤波模块、小波包分解模块和并/串变换模块构成。

3、根据权利要求2所述的方案，其特征在于：小波包综合模块、小波包分解模块均采用Mallat算法。

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