专利名称：一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调系统及方法
技术领域：
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调 系统及方法。
背景技术：
当前无线通信技术主要解决的问题是如何在有限的带宽内可靠地提高传输速率。在无线 电波传播过程中，由于多径效应产生时延扩展，从而产生信道的频率选择性衰落，即符号间 干扰；另外，由于接收机和发射机间的相对移动和传播环境中物理的运动产生多普勒扩展， 从而造成信道的时间选择性衰落。
在数据块传输(BlockTransmission)系统中，信道频率选择性衰落(符号间干扰)，表现为 块间干扰和块内干扰两种形式。对抗符号间干扰的方法之一是采用以数据块为单位的传输技 术，如多载波(如正交频分复用)和单载波频域均衡技术。
为了避免多径干扰产生的数据块间干扰， 一般在数据块之间加入保护间隔，其长度大于 信道的最大延时，这样保护间隔之间的数据块就不会发生块间干扰；对于没有块间干扰的系 统，通过保护间隔的已知信息，可以消除保护间隔对数据块的干扰；通过数据解调可以消除 数据块对保护间隔的干扰；通过信道估计和信道均衡可以消除在数据块之内存在的符号间干 扰。而保护间隔的填充方法有多种，包括循环前缀(Cyclic Prefix, CP)，零填充(Zero Padding, ZP) 和训练序列填充。训练序列填充方法在对抗块间干扰的同时还可以辅助进行接收机同步、信 道估计和噪声估计等，保障无线系统的可靠传输。
上述多载波和单载波频域均衡技术可以解决数据传输中的信道频率选择性衰落，但是， 与频率选择性衰落同时存在(对偶)的时间选择性衰落的问题却依然存在。而在如视距传播
(Line Of Sight, LOS)的无线移动传输环境，时间选择性衰落通常是调制解调系统设计面临
的主要的问题。
现有技术中，两类对抗时间选择性衰落的方法第一类是纠错编码结合长交织，如采用 Turbo码或者低密度校验码(Low Density Parity Check, LDPC)码结合长交织，但是需要 采用低码率的纠错编码才能达到较好的抗时间选择性效果，降低了效率；另外，用于时间选
择性衰落信道的纠错编码的码长往往很长，实时性不好；第二类是时间分集，通过在不同时 间发送相同的信号，满足接收信号不相关的时间间隔就能较好的对抗时间选择性衰落，但是 该方法同样降低了传输效率。
发明内容
为了解决在对抗信道时间选择性衰落中效率低，实时性差的问题，本发明提出一种对抗 时间选择性衰落信道的调制解调系统及其方法。 具体技术方案如下
一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法，所述方法包括
a. 在调制端，接收比特信息，根据所述比特信息生成符号数据块，然后将所述符号数据 块并行传输；
b. 计算导时序列，将所述导时序列插入到所述符号数据块中，
其中，所述导时序列由下式确定p(Z) = V—乂P-￡^(0)， P(/)为填充的导时序列，F为 WxW的FFT矩阵，E为一个GxW矩阵，由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，第(m力号 元素为expG'2;r(iV-G + zn)4/W)/V^ ， P ^S，g,…,&f是固定的频域保护间隔序列，xW)为Wxl矩 阵，W为每个数据块的长度，G为频域保护间隔的长度；
C.根据所述符号数据块和所述导时序列，获得频道信号，将所述频道信号发射到解调端；
d. 在解调端，接收并选取所需的频道信号，将所述频道信号转换为基带信号；
e. 根据所述基带信号，对时变信道进行估计，得到时变信道冲击响应的估计值，根据所 述估计值，生成比特信号，
所述时变信道的冲激响应&')，由下式确定
^) = FH[6T(!')0lx(JV_G/2)f 其中，fi'(/) = P:Q， P抓为(G/2)x(G/2)循环矩阵，其第一行为[S,/^，Pd，，...，P2]， Ol><(w—c/2) 为l)c(W-G/2)零矩阵，FH为矩阵F的共轭转置。
将所述导时序列插入到所述符号数据块中，具体包括
所述导时序列位于所述符号数据块的最后G个符号；或，等间隔的分布于所述符号数据 块中；或，位于所述符号数据块中的任意G个位置。
所述时变信道估计，用于均衡时域传输数据或对时域传输数据进行解映射得到比特的硬 判决或者软判决结果，提供给后续的信道译码模块。
一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调系统，包括
编码模块，用于过滤噪声；
映射模块，用于将比特信息转换为符号信息，传送到串并转换模块； 串并转换模块，用于将串行信号转换为并行信号，传送到导时序列产生器模块； 并串转换模块，用于将所述导时序列和所述符号信息组成的并行信号转换为串行传输； 发射机模块，用于将串联信号经过脉冲成型和数模转换，并上变频到所需的频道，经过 天线发射；
接收机模块，用于通过天线接收并选取所需频道的信号，经过下变频、模数转换和匹配 滤波得到基带信号；
解映射，用于将符号转换为比特的硬判决或者软判决结果； 译码模块，用于将硬判决或者软判决结果译码，得到比特结果；
导时序列产生器模块，用于产生导时序列，所述导时序列由下式确定 p(/) = V—、P-SX(/)), p(/)为填充的导时序列，F为WxW的FFT矩阵，E为一个GxW矩阵， 由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，第(^a)号元素为exp(y'2;r(W-G +附)I,/iV)/^ ， P-[P^,…,Af是固定的频域保护间隔序列，x,(/)为iVxl矩阵，W为每个数据块的长度，G为 频域保护间隔的长度；
时变信道估计模块，用于获取时变信道冲击响应的估计值，所述时变信道的冲激响应^')， 由下式确定6(/) = F"[fiT(/)0lx(w_c/2);r，其中，fi'(Z) = P:Q， P^为(G/2)x(G/2)循环矩阵， 其第一行为[S，i^,/^—，,...，尸2], 0^—。,2)为lx(W-G/2)零矩阵，F"为矩阵F的共轭转置。
本发明的技术方案具有如下优点
首先，发射信号块具有的固定频域保护间隔结构，为接收机估计时变信道提供了便利的 条件；其次，以发射信号的频域形式具有两段相同长度的已知序列为例，提出了一种低复杂
度的时变信道估计方法；最后，固定频域保护间隔得到的时变信道估计可用于均衡时域传输 数据或对时域传输数据进行解映射得到比特的硬判决或者软判决结果，提供给后续的信道编 码模块。
图1是现有技术中的多普勒频移产生的示意图2是现有技术中典型的多普勒功率谱示意图3是本发明实施例1提供的调制解调方法的流程图4是本发明实施例1提供的调制解调方法的详细流程图5是本发明实施例2提供的调制解调系统的结构框图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进 一步地详细描述。 -
对于无线传播环境而言，由于移动用户的移动以及/或者周围存在的散射体，信道表现为 线性的同时也是时变的。因此，无线信道会在发射信号中引入频移，这种现象称为多普勒效 应，所以引入的频移称为多普勒频移。
如图l所示，基站(BS)以频率y;发射单音信号，移动台(MS)以恒定的速度r沿z轴 运动。设ew表示移动台在f时刻接收到的信号与^轴方向的夹角，则移动终端在f时刻接收到 的信号的频率为y;+K'), w)为多普勒频移，由下式给出
v(,)=^4C0,) = fc—,) (i)
式中c为光速，A表示载波波长。由式(1)可见，多普勒频移随着信号频率/。和用户移动速 度K的增大而增大。v(0的最大值为力，K/A，称为最大多普勒频移(DPSD)。不考虑时延扩展 的无线信道的时变冲激响应W，,)可以表示为
/ (r,C). (2) 设发射信号为W)，在没有噪声的情况下，接收信号为 .
ko = ￡ / (r, /)j" - r = ￡ [/ (,)外)〗^ - =(3 ) 式(3)说明，时变信道对发射信号的影响表现为乘性干扰。/KO的功率谱密度o("称为多普 勒功率谱密度，如图2所示，其标称带宽&=2;^2/,称为多普勒扩展。也就是说，发射信号 经过时变信道后会发生频率色散，频谱被扩展的幅度为A。信道变化的速率可以用信道的相
干时间 ;来表征，7;与多普勒频移成反比 .
7>l/5d. (4)
若信道相干时间远大于发射信号的符号间隔，由于信道变化的速率远小于符号传输速率，因 此信道表现出对信号的慢衰落，反之则为快衰落，亦即时间选择性衰落。 实施例1
下面具体叙述本发明提出的对抗时间选择性衰落的调制解调系统，均考虑信号的时间离 散形式。由于时变信道对发射信号的影响在时域表现为乘性干扰，在频域表现为多普勒扩散，可 以在时域以数据块的形式传输信号，并且其在频域具有类似于时域块传输系统的保护间隔形 式。
本发明实施例在对抗频率选择性衰落的调制解调系统设计基础土，根据无线衰落信道的 时频对偶性，设计对抗时间选择性衰落的调制解调系统，包括1、块传输系统设计方法，方 便使用快速傅立叶变换/反变换(FFT/IFFT)的信号处理技术；2、保护间隔的引入，方便消 除数据块之间的干扰；3、训练序列用于时变信道估计，方便对接收数据进行均衡。
如图3所示为本发明实施例提供的调制解调方法的流程图，具体步骤如下
a. 在调制端，接收比特信息，根据该比特信息生成符号数据块，然后将该符号数据块并 行传输；
b. 计算导时序列，将该导时序列插入到符号数据块中，
其中，导时序列由下式确定p(0 = V-'(P-E^(Z))， p(/)为填充的导时序列，F为iVxW 的FFT矩阵，E为一个GxW矩阵，由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，第(M,/t)号元素 为6邻(/'2"(^-0 + —4/WV^ ， P4S,A，…，尸c^是固定的频域保护间隔序列，、(0为iVxl矩阵， W为每个数据块的长度，G为频域保护间隔的长度；
c. 根据符号数据块和导时序列串行传输，获得频道信号，将该频道信号发射到解调端；
d. 在解调端，接收并选取所需的频道信号，将该频道信号转换为基带信号；
e. 根据基带信号，对时变信道进行估计，得到时变信道冲击响应的估计值，根据估计值， 生成比特信号，
所述时变信道的冲激响应ii(O，由下式确定
^) = F，(/)0 2)f
其中，fi'(/) = P^Q， P^为(G/2)x(G/2)循环矩阵，其第一行为[尸p/^,P。,w,…,尸2]， 0lx(w—c/2) 为lx(W-G/2)零矩阵，F"为矩阵F的共轭转置。
如图4所示为本发明实施例提出的对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法的详细流程 图，具体步骤如下
步骤101:接收比特信息，根据该比特信息生成符号信息，符号信息转换为符号数据块， 然后将该符号数据块并行传输。具体包括如下步骤 步骤101a:对比特信息进行编码处理； 步骤101b:对经过编码处理后的比特信息进行映射处理； 步骤101c;生成符号信息，并转换为符号数据块； 步骤101d:将该符号数据块的传输模式由串行传输转换为并行传输。 步骤102:分别计算每一个符号数据块中要填充的导时序列。
设W为每个符号数据块的长度，亦即快速傅立叶变换(FFT)的长度，G为频域保护间隔 的长度，亦即在时域插入导时序列的符号数目，通常情况下，符号数据块的长度大于保护间 隔的长度，即N〉G。第/个发射的时域信号矢量表示为x(/)-W) + x,(Z)，其中x,(/)为数据符号 矢量，x力)代表填充序列矢量，它在数据符号位置L4^^…,4f上填充导时序列p0^[A,A,…，/^r，
在其它位置上填充零符号。发射信号x(!')的频域表示具有x^[x,，^,…，;^，i^,…,尸J的形式，
其后面G个符号组成固定的频域保护间隔序列P-W,g，…,/g、它不随/的变化而变化。由上 述定义可知
<formula>formula see original document page 9</formula>(5) 其中F为FFT矩阵，它是一个WxW矩阵，第(/K，W号元素为exp(力2扁yk/W)/V^。考虑X(,')的后 面G个符号构成的频域保护间隔矢量P，有如下关系
<formula>formula see original document page 9</formula> (6) 其中，F为快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)矩阵，是一个WxW已知的常数矩 阵，E为一个GxW矩阵，由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，第(附力号元素为 exp(y'2;r(iV-G + w:^/A0/V^。由式(6)可以得到时域填充的第i个导时序列为
<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
步骤103:在符号数据块中插入上述导时序列，第；个发射的时域信号矢量表示为 X(0 = Xd(,) + Xp(/)，其中，Xp(/)代表填充序列矢量，它在数据符号位置L-[I^,…,i^上填充已 知的导时序列p(/)-[A,/^，…，A^，在其它位置上填充零符号，x力)为Wxl矩阵，代表数据符号 矢量；
导时序列插入符号数据块中的位置I^[A,^…，^r，可以位于符号数据块的最后G个符 号，也可以等间隔的分布于符号数据块中，还可以位于任意G个位置。类似的，可以在频域 加入导频序列经过变换后在时域得到固定填充训练序列。
发射信号x(/)经过时变信道h(/)^/^A,…，^f ，并且受到加性高斯白噪声(AWGN) w(/)的 干扰。假设发射信号x(/)的频域保护间隔长度G大于时变信道的最大多普勒频移，根据式(3)， 接收信号可以表示为
<formula>formula see original document page 9</formula> (8) 其中Z)^(W))表示以h(0为对角矢量的对角矩阵。在接收端，对接收到的时域信号y(0做FFT 可以得到
Y(O = Fy(/) = FDZflg(h(/))x(！) + Fw(/), (9 )
根据调制定理(S. K. Mitra， Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach, 3rd Edition, The McGraw-Hill Co. ， Inc, 2005),长度为W的积序列W。g(h(,'))x(,')的JV点FFT， 可以由H(z') = Fh(,')和X(,')的圆周巻积来实现，即
Y(0 = H_(,) + W(/) (10) 其中W(0为w(/)的频域形式，H^(,)为一个W阶循环矩阵，其第一行为[//,，/^,/^,，…，//2]。由 式(10)可知，时变信道对发射信号的影响在频域转化为循环巻积关系。进一步可以得知， 由于上一个数据块X(,-l)后面部分的已知序列P充当了下一个数据块X(Z)的保护间隔，而且P 的长度大于最大多普勒扩展，所以数据块X(,'-1)不会干扰X(')。
步骤104:将所述符号数据块和所述导时序列转换为串行传输并输出，生成串联信号； 将一次性发射的数据块接收，然后依次一个一个发射出去。
步骤105:将所述串联信号经过脉冲成型和数模转换处理，然后进行上变频处理，得到 所需的频道，经过天线发射。
步骤106:从所述天线接收，并选取所需频道的信号，然后经过下变频、模数转换和匹 配滤波处理后得到基带信号。
步骤107:对时变信道进行估计，得到时变信道冲击响应的估计值。
根据式(10)，本发明提出一种利用频域固定保护间隔序列估计时变信道的方法。设发射 的频域信号中的已知重复序列P'由两段相同的长度为G/2的序列P组成，并假设每段序列P
的长度大于最大多普勒频移，所以第一段序列可以充当第二段序列的循环前缀。由式(io)
可以知道，对应第二段已知序列的接收信号为
Q = Hdre(/)P + W' (11) 其中W'为(G/2)xl噪声矩阵，H附(0为(G/2)x(G/2)循环矩阵，其第一行为[A A,2,/^—,，…，W 。 根据巻积的交换定理(S. K. Mitra, Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach, 3rd Edition, The McGraw-Hill Co. ， Inc, 2005)，式(11)也可以写成
Q = PcircH'(/) + W' (12) 其中P^为(G/2)x(G/2)循环矩阵，其第一行为W,P。,2,/^一,…，A]， 11(,) = [//1,//2，-.,//。/2犷为时变 信道的频域表示。由式(12)， H'(/)可以被估计为
H'。 = P^Q (13) 为了使得P^是可转置的，需要设计P使得P^是一个满秩矩阵。由于已经假设时变信道的最 大多普勒频移小于G/2，所以H'(0包含了时变信道的所有信息。进一步的，时变信道冲激响
应可以被估计为
6(i)=nfi'r(oolxOV_G/2);T
其中0一—一为lx(iV-G/2)零矩阵，(.)"表示共轭转置。
步骤108:将所述时变信道冲击响应的估计值进行解映射处理，然后送给译码器进行译 码，实现调制解调。
时变信道冲激响应的估计直接用于对时域信号进行均衡，或作为接收的时域信号y(,〕 的软信息， 一并送给译码器进行译码。
本实施例通过获取导时序列，将其填充到符号数据块中，并提出了利用频域固定保护间 隔序列估计时变信道的方法，解决了在对抗信道时间选择性衰落中效率低，实时性差的问题。
实施例2
本发明实施例提供一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调系统，如图5所示，包括如
下模块
编码模块，用于过滤噪声；
映射模块，用于将比特信息转换为符号信息，传送到串并转换模块； 串并转换模块，用于将串行信号转换为并行信号，传送到导时序列产生器模块； 并串转换模块，用于将所述导时序列和所述符号信息组成的并行信号转换为串行传输；
发射机模块，用于将串联信号经过脉冲成型和数模转换，并上变频到所需的频道，经过 天线发射；
接收机模块，用于通过天线接收并选取所需频道的信号，经过下变频、模数转换和匹配 滤波得到基带信号；
解映射，用于将符号转换为比特的硬判决或者软判决结果 译码模块，用于将硬判决或者软判决结果译码，得到比特结果；
导时序列产生器模块，用于产生导时序列，所述导时序列由下式确定 p(0二V—'(P-Exrf(0)，其中，p(!')为填充的导时序列，F为WxJV的FFT矩阵，E为一个GxW 矩阵，由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，P^[/^,…,i^是固定的频域保护间隔序列， x,W为Wxl矩阵，W为每个数据块的长度，G为频域保护间隔的长度；
时变信道估计模块，用于获取时变信道冲击响应的估计值,所述时变信道的冲激响应& ， 由下式确定
^ ) = F,(0O,G/2/
其中，ft'(,') = P:Q， P。"为(G/2)x(G/2)循环矩阵，其第一行为W，尸。,2，/^-,，…,/U， Oww-。,2,
为lx(W-G/2)零矩阵，F"为矩阵F的共轭转置。
本实施例通过获取导时序列，将其填充到符号数据块中，并提出了利用频域固定保护间 隔序列估计时变信道的方法，解决了在对抗信道时间选择性衰落中效率低，实时性差的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法，其特征在于，所述方法包括a.在调制端，接收比特信息，根据所述比特信息生成符号数据块；b.计算导时序列，将所述导时序列插入到所述符号数据块中，其中，所述导时序列由下式确定p(i)＝V-1(P-Fxd(i))，p(i)为填充的导时序列，F为N×N的FFT矩阵，F为一个G×N矩阵，由F的最后G行组成，V是一个G×G矩阵，第(m，k)号元素为P＝[P1，P2，…，PG]T是固定的频域保护间隔序列，xd(i)为N×1矩阵，N为每个数据块的长度，G为频域保护间隔的长度；c.将所述符号数据块和所述导时序列串行传输，获得频道信号，将所述频道信号发射出去；d.在解调端，接收并选取所需的频道信号，将所述频道信号转换为基带信号；e.根据所述基带信号，对时变信道进行估计，得到时变信道冲击响应的估计值，根据所述估计值，生成比特信号，所述时变信道的冲激响应由下式确定
2. 根据权利要求1所述的对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法，其特征在于，将所 述导时序列插入到所述符号数据块中的方式是指将所述导时序列置于所述符号数据块的最后 G个符号。
3. 根据权利要求1所述的对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法，其特征在于，将所 述导时序列插入到所述符号数据块中的方式是指将所述导时序列等间隔地分布于所述符号数 据块中。
4. 根据权利要求1所述的对抗时间选择性衰落信道的调制解调方法，其特征在于，将所 述导时序列插入到所述符号数据块中的方式是指将所述导时序列置于所述符号数据块中的任 意G个位置。
5. —种对抗时间选择性衰落信道的调制解调系统，包括 编码模块，用于过滤噪声；映射模块，用于将比特信息转换为符号信息，传送到串并转换模块；串并转换模块，用于将串行信号转换为并行信号，传送到导时序列产生器模块； 并串转换模块，用于将所述导时序列和所述符号信息组成的并行信号转换为串行传输；发射机模块，用于将串联信号经过脉冲成型和数模转换，并上变频到所需的频道，经过天线发射；接收机模块，用于通过天线接收并选取所需频道的信号，经过下变频、模数转换和匹配 滤波得到基带信号；解映射，用于将符号转换为比特的硬判决或者软判决结果； 译码模块，用于将硬判决或者软判决结果译码，得到比特结果； 其特征在于，所述系统还包括导时序列产生器模块，用于产生导时序列，所述导时序列由下式确定 p(/) = V—'(P-iX(/))， p(/)为填充的导时序列，F为WxW的FFT矩阵，E为一个GxW矩阵， 由F的最后G行组成，V是一个GxG矩阵，第号元素为expC/'2;rC￥-G + w)it/W)/V^ ， P-[/^,…，/^是固定的频域保护间隔序列，、(/)为7Vxl矩阵，W为每个数据块的长度，G为 频域保护间隔的长度；时变信道估计模块，用于获取时变信道冲击响应的估计值，所述时变信道的冲激响应6(/)， 由下式确定ii(/) = F"[AT(/)0lx(w_c/2):r，其中，A'(/) = P^Q， P^为(G/2)x(G/2)循环矩阵， 其第一行为W,i^，L,，…，尸2]， O,,—一为lx(W-G/2)零矩阵，^为矩阵F的共轭转置。
全文摘要
本发明公开了一种对抗时间选择性衰落信道的调制解调系统及方法，所述方法包括在调制端，接收比特信息，根据比特信息生成符号数据块，然后将符号数据块并行传输；计算导时序列，将导时序列插入到符号数据块中；根据符号数据块和导时序列，获得频道信号，将频道信号发射到解调端；在解调端，接收并选取所需的频道信号，将频道信号转换为基带信号；根据基带信号，对时变信道进行估计，得到时变信道冲击响应的估计值，根据估计值，生成比特信号。所述系统包括编码模块，映射模块，串并转换模块，导时序列产生器模块，并串转换模块，发射机模块，接收机模块，时变信道估计模块，解映射，译码模块。本发明具有运算简单、便利等优点。
文档编号H04L1/00GK101170383SQ20071017885
公开日2008年4月30日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者唐世刚, 健 宋, 彭克武, 杨知行, 潘长勇 申请人:清华大学