CN1777168A - Ofdm系统时频域混合差分调制方法 - Google Patents

Abstract

OFDM系统时频域混合差分调制方法。在第一个OFDM符号内先从上到下做频域差分，随后的OFDM符号以前一个OFDM符号为参考符号从左到右做时域差分，得到频域－时域差分调制信号；或先在第一个OFDM符号内从上到下做频域差分，从第二个OFDM符号开始，先在第一个子载波上做时域差分，得到该OFDM符号的参考信号，再在该OFDM符号内从上到下做频域差分，得到时域－频域差分调制信号。采用频域－时域差分调制可以得到与时域差分调制相当的系统误码性能，采用时域－频域差分调制可得到与频域差分调制相当的系统误码性能，但新方法只需要一个参考符号，系统的信息传输效率达到最大。

Description

OFDM系统时频域混合差分调制方法

所属技术领域

本发明涉及OFDM系统时频域混合差分调制方法，属于宽带无线通信技术领域。

背景技术

OFDM系统中的调制技术：

为满足未来无线多媒体应用的要求，无线通信系统必须能提供宽带高速数据传输。近年来，美国、欧洲及日本已广泛开展宽带无线接入(BWA-Broadband Wireless Access)系统的研究。

实现宽带无线接入需要解决的首要问题之一是信号的多径传输，能有效对抗多径衰落的正交频分复用(OFDM)技术成为首选。目前，宽带高性能的示范性实验系统和标准正在建立。另外，由于OFDM潜在的抗多径衰落能力，且可以和其他接入方式结合成衍生的系统，所以OFDM已被列入3G以后无线通信系统的可能解决方案，受到众多研究者的广泛关注。

与OFDM相关的通信技术也在不断发展。在调制技术方面，OFDM系统中的各种调制技术得到广泛研究。为提高信息传输速率，在频带受限的情况下，OFDM的每个子载波需采用高阶调制。目前无论是欧洲的DTVB标准和日本的ISDB-T标准，还是IEEE802.11a、IEEE802.11g和欧洲的HiperLAN2标准，在低速率数据传输中，采用的调制方式无一例外是BPSK或QPSK，而在高速率数据传输中通常采用MQAM(M≥16)。然而QAM信号必须采用相干解调，这需要了解每个OFDM子载波上的信道失真，也就是要做信道估计。相干解调信道估计的计算量大，并且需要在数据流中插入训练符号序列。与相干解调技术相比，差分解调不需要信道估计，其代价是用一定的信噪比损失换取系统复杂度的降低。以往的差分调制只应用在相位调制中，即差分相位调制(DPSK)。1991年，A.R.Nix等学者首先将高阶幅度相位调制(16APSK)引入移动通信，同时也说明了移动衰落信道下绝对幅度相位调制信号检测的复杂性。1992年，Y.C.Chow和A.R.Nix等人提出了差分幅度相位调制(DAPSK)，研究了Rayleigh衰落信道下16 DAPSK系统的误码性能，并给出了差分幅度调制的优化电平比和优化判决阈值。这一研究成果为16DAPSK在移动衰落信道下的实际应用提供了依据。1995年，德国的H.Rohling等学者将MDAPSK调制应用到数字视频广播(DVB)系统中，开发了34Mbps高速率64DAPSK-OFDM实验系统。1998年，日本学者S.Moriyama等将16DAPSK-OFDM应用到HDTV实验系统中。2001年，日本通信综合研究所(CRL)的研究人员将16DAPSK-OFDM应用到WLAN实验系统中，开发了100Mbps毫米波室内宽带无线接入实验系统。现有MDAPSK-OFDM差分调制技术：

由于OFDM系统的数据成块传输，差分调制可以在时间或频率方向上进行。根据信道在时间和频率上相关状况的不同，现有OFDM系统采用时域差分调制或频域差分调制：

时域差分：

当信道的相干时间大于符号持续时间时，以第一个OFDM符号作为参考符号，在时域上进行差分。设第i(i≠1)个OFDM符号第k个子载波上的时域差分系数为 $D{X}_{i,k}={\mathrm{\ρ}}_{i,k}{e}^{j{\mathrm{\Δ\θ}}_{i,k}},$ 则

S_i，k＝DX_i，k·S_i-1，k           (1)

图1示出了OFDM数据块进行时域差分的过程。这里，子载波数为16，OFDM符号个数为10。

以图1中第一个OFDM符号作为参考符号，基于这些已知复信号，依次从左向右，可以得到其它所有时域差分符号。

时域差分由于存在一个OFDM符号的系统开销，因此它适合于长数据帧传输的情况。所传输的数据量越大，有效信息传输效率越高。

频域差分：

当信道的相干带宽大于子载波间隔时，可将第一个OFDM子载波信道上的符号作为参考符号，在频域上进行差分。设第i个OFDM符号第k(k≠1)个子载波上的频域差分系数为

则

S_i，k＝DY_i，k·S_i，k-1                      (2)

图2所示为8个子载波10个OFDM符号数据块的频域差分过程。以图中第一个子载波上的OFDM符号作为参考符号，依次从上到下，可以得到其它所有频域差分符号。

采用频域差分，子载波的数目越多，有效信息传输效率越高。与时域差分相比，频域差分更适合于短数据帧数据传输。

发明内容

为了提高现有差分调制技术的数据传输效率，本发明提出OFDM系统时频域混合差分调制方法。

在现有的时域差分调制中，以第一个OFDM符号作为参考符号；在频域差分调制中，以每个OFDM符号的第一个子载波信道上的符号作为参考符号。参考符号过多的引入，将导致通信系统传输效率的降低。本发明的目的是根据OFDM系统业务及传播环境的不同，选择适当的系统参数和差分调制方法，在系统误码性能与现有差分调制方法相当的前提下，使系统数据传输效率达到最大。

考虑到时域和频域差分的特点和适用环境，可将时域和频域差分结合起来应用。本发明给出两种适用于OFDM系统的时频域混合差分调制方法：频域—时域差分调制方法：

如图3所示，以第一个OFDM符号内第一个子载波上的符号作为参考符号，基于这一已知复信号，在第一个OFDM符号内先从上到下做频域差分，随后的OFDM符号以前一个OFDM符号为参考符号从左到右做时域差分，得到频域一时域差分调制信号；

时域—频域差分调制方法：

如图4所示，以第一个OFDM符号内第一个子载波上的符号作为参考符号，基于这一已知复信号，先在第一个OFDM符号内从上到下做频域差分，从第二个OFDM符号开始，先在第一个子载波上做时域差分，得到该OFDM符号的参考信号，再在该OFDM符号内从上到下做频域差分，得到时域—频域差分调制信号。

本发明的有益效果是：首先，与现有的时域或频域差分调制方法相比，时频域混合差分调制方法只需要一个参考符号，系统的信息传输效率达到最大；其次，与现有的时域差分相比，频域—时域差分不仅可以大幅度提高短数据流的传输效率，而且系统误码性能与时域差分相当。与现有的频域差分相比，时域—频域差分不仅可以提高数据流的传输效率，而且系统误码性能与频域差分相当。下面从时域相关性和频域相关性两方面予以说明。

时域相关性对不同差分调制系统BER的影响：

通信系统中收发信机的相对运动导致接收机接收载频产生多谱勒频移。多谱勒频移对OFDM系统误码性能影响的大小取决于信道相干时间和相邻OFDM符号间隔的相对大小。这里假定相邻OFDM符号间隔一定，通过计算机仿真来说明多谱勒频移对采用不同差分调制技术的OFDM系统误码性能的影响。

基于本专利实施例中描述的系统，图5给出每比特平均信噪比Eb/N0一定时，四种差分编码方法的误比特率与多谱勒频移关系的仿真结果。

可见，时域相关性对频域差分和时域—频域差分OFDM系统误码性能的影响相当；对时域差分和频域—时域差分OFDM系统误码性能的影响相当。频域相关性对不同差分调制系统BER的影响：

同样，通信系统中无线信号的多径传输导致频率选择性衰落。多径对通信系统BER的影响取决于子载波间隔与信道相干带宽的相对大小。为说明信道频域相关性对不同差分调制技术BER的影响，下面的仿真假定子载波间隔和子载波数目一定。当信道相干带宽变化时，子载波间的相关性随之变化，在此基础上仿真信道频域相关性对BER性能的影响。

图6仿真了E_b/N₀一定时，四种差分调制方法的误比特率与信道相干带宽B_coh之间的关系。图中横坐标是信道相干带宽B_coh与OFDM信号总带宽NΔf之比。

仿真结果说明，频域相关性对频域差分和时域—频域差分OFDM系统误码性能的相当；对时域差分和频域—时域差分OFDM系统误码性能的影响相当。

综合图5、6的结果，采用时域—频域差分调制可得到与频域差分调制相当的系统误码性能；采用频域—时域差分调制可以得到与时域差分调制相当的系统误码性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1时域差分过程；

图2频域差分过程；

图3频域—时域差分过程；

图4时域—频域差分过程；

图5多谱勒频移对OFDM系统BER的影响；

图6信道相干带宽对OFDM系统BER的影响；

图7长数据帧四种差分调制方法的对比；

图7(a)AWGN信道；

图7(b)2径信道，最大多普勒频移f_d＝8kHz；

图8短数据帧四种差分调制方法的对比；

图8(a)AWGN信道；

图8(b)2径信道，最大多普勒频移f_d＝8kHz。

具体实施方式

实施例1：

图3中，以第一个OFDM符号内第一个子载波上的信号S_1，1作为参考信号，在第一个OFDM符号内做频域差分；随后第i(i＞1)个OFDM符号的第k个子载波相对第i-1个OFDM符号的同一子载波信号做时域差分，以下称之为频域一时域差分，即

      S_1，k＝DY_1，k·S_1，k-1                           (3.1)

      S_i，k＝DX_i，k·S_i-1，k    (i≠1)                 (3.2)

图4中，以S_1，1作为参考信号，第一个OFDM符号内做频域差分；从第二个OFDM符号开始，先在第一个子载波上做时域差分，得到该OFDM符号的参考信号，再在该OFDM符号内做频域差分，以下称之为时域—频域差分，即：

     S_i，1＝DX_i，1·S_i，1                              (4.1)

     S_i，k＝DY_i，k·S_i，k-1                            (4.2)

由于这两种方法都只需要一个参考符号，系统的信息传输效率达到最大。

实施例2：

根据OFDM系统业务及传播环境的不同，系统的设计方案和参数也不同。就差分调制而言，采用哪种差分调制方法，受限于系统参数、信道模型以及数据帧的长度。下面将新的差分调制方法应用到一个室内毫米波宽带无线接入16DAPSK-OFDM系统，并与采用现有差分调制方法的系统误码性能比较。本系统载频f_o＝36GHz，由四路射频信号频分复用构成。基带采用DSP四路并行处理，每路子载波数K＝64，子载波间隔Δf＝250kHz，保护时间间隔τ＝1μs。系统信道编码采用删余卷积码，编码速率2/3，由码率1/2母码删余产生，收端采用Viterbi软判决译码。

这里选择了两种信道模型：AWGN和最大多普勒频移为8kHz的2径Rayleigh衰落信道。这里，最大多普勒频移取8kHz并不是室内毫米波OFDM系统的真实值，而仅仅是为了对比在这种信道环境下，四种差分调制方法的BER性能。图7和图8分别仿真了两种信道下长数据帧和短数据帧的BER。从时域差分和频域—时域差分的定义上看，两者的基本方法都是时域差分，区别仅在于第一个OFDM符号的不同。由仿真结果可以看出，时域差分和频域—时域差分的误码性能接近，但两者的接近程度与信道模型及数据帧的长度有关。同样的结论也适合于基于频域差分的频域差分和时域—频域差分。

另外，由图7和图8比较还可以看出，传输短数据帧时，非AWGN信道下四种差分调制方法的误码性能与AWGN信道下的误码性能相当。因此，短数据帧传输降低了对信道的敏感程度。这对通信系统信令的传输极为有利。

Claims (3)

1.一种OFDM系统时频域混合差分调制方法，其特征是：根据时域和频域差分的特点和适用环境，将时域和频域差分结合起来应用，有频域—时域差分调制方法：

以第一个OFDM符号内第一个子载波上的符号作为参考符号，基于这一已知复信号，在第一个OFDM符号内先从上到下做频域差分，随后的OFDM符号以前一个OFDM符号为参考符号从左到右做时域差分，得到频域—时域差分调制信号；

或时域—频域差分调制方法：

以第一个OFDM符号内第一个子载波上的符号作为参考符号，基于这一已知复信号，先在第一个OFDM符号内从上到下做频域差分，从第二个OFDM符号开始，先在第一个子载波上做时域差分，得到该OFDM符号的参考信号，再在该OFDM符号内从上到下做频域差分，得到时域—频域差分调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种OFDM系统时频域混合差分调制方法，其特征是：

频域—时域差分调制方法：

以第一个OFDM符号内第一个子载波上的信号S_1，1作为参考信号，在第一个OFDM符号内做频域差分；随后第i(i＞1)个OFDM符号的第k个子载波相对第i-1个OFDM符号的同一子载波信号做时域差分，即

        S_1，k＝DY_1，k·S_1，k-1

        S_i，k＝DX_i，k·S_i-1，k          (i≠1)。

3.根据权利要求1所述的一种OFDM系统时频域混合差分调制方法，其特征是：

时域—频域差分调制方法：

以S_1，1作为参考信号，第一个OFDM符号内做频域差分；从第二个OFDM符号开始，先在第一个子载波上做时域差分，得到该OFDM符号的参考信号，再在该OFDM符号内做频域差分，即：

           S_i，1＝DX_i，1·S_i-1，1

           S_i，k＝DY_i，k·S_i，k-1。

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