利用差分数据作为导频的OFDM信号收发方法及其装置

摘要

本发明公开了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号收发方法及其装置，该发送方法包括以下步骤：A1，接收待传输的主通道数据和附加数据；A2，对所述附加数据依次进行交织、信道编码和差分调制运算，得到差分星座映射符号；A3，对所述主通道数据依次进行交织、信道编码和相干调制运算，得到相干星座映射符号；A4，按照OFDM的帧结构和预设的插入图样，将所述差分星座映射符号作为导频数据插入到所述相干星座映射符号中，并构成OFDM信号帧，然后发送该OFDM信号帧。本发明的技术方案能够提高系统的传输效率和频谱利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，尤其涉及一种利用差分数据作为导频的OFDM信号收发方法及其装置。

背景技术

近二十年来，随着现代通信技术的飞速发展以及人们对无线通信业务需求的日益增长，传输各种业务的数字信号传输系统广泛应用于无线局域网、固定无线接入、有线无线数字音频和视频广播传输标准(数字电视地面广播标准：Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)，如欧洲标准数字视频地面广播(Digital Video TerrestrialBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)和中国国家标准(Digital TelevisionTerrestrial Multimedia Broadcast，DTMB)。同时随着标准的演进，多级传输的需求也越来越多。日本数字电视标准使用One-Segment方式达到多级传输的目的。同时，欧洲也推出了DVB-H技术支持手机电视业务。这些标准的共同点是，新的移动电视传输标准兼容原有的地面数字电视传输标准，是原有地面数字电视传输标准的补充。同时，新的业务不可避免的增加了系统设计的复杂性。

在当前无线通信系统中，面临着两个矛盾，一个是日益增长的用户数和有限频谱资源的矛盾，另一个是用户对业务质量的需求和无线传播环境的矛盾。其中，宽带无线通信传输技术面临的最大问题是，单载波或多载波调制系统在多径传输信道下，会发生频率选择性衰落，即符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。

同时，用户的需求使通信系统需要支持越来越多的业务。所以支持多种业务的多级传输就成为通信系统必须具备的要素。多业务的多级传输，要求一个通信系统能够传输服务质量、接收场景、数据率和接收复杂度等方面各不相同的业务。这就更增加了系统设计的难度和复杂度。例如，兼容手机电视的数字电视地面传输系统，就既要求系统能够传输固定接收的高数据率的高清晰数字电视节目，又要求系统能够支持对数据率要求相对较低，但要移动环境下接收的手机电视业务。如何能够降低多业务多级传输系统的复杂度，成为一个亟需解决的问题。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术可以在频率选择性衰落信道中可靠地实现高速率传输，已经广泛应用于如无线局域网、固定无线接入、数字音频和视频广播等无线通信系统中。OFDM技术是一种有效的块传输技术，其技术核心是由传输符号组成频域数据块的块调制技术。OFDM块调制首先将待传输符号组合成频域数据块，经过离散傅立叶反变换后得到时域数据块。时域数据块和频域数据块是数据块的两种表现形式，二者互为离散傅立叶变换或反变换。频域符号定义为子载波，可以是待传输数据符号(有效子载波)，也可以是零符号(虚拟子载波)，或者是待传输已知符号(导频)。根据传输符号和子载波之间的映射关系，存在多种OFDM块调制技术，如子载波全部为有效子载波、部分子载波为虚拟子载波、部分子载波为导频、有效子载波数目可配置、和有效子载波中心位置可移动等。

为准确地估计信道信息以对抗信道衰落，OFDM传输系统中会按特定的插入规则，插入一些训练符号作为导频。这些导频能够对抗信道衰落和其他干扰，从而帮助接收端恢复信号。导频的密度和性能直接决定系统消除ISI和跟踪信道动态变化等的信道估计能力。但密集的导频数据，会导致频谱利用率降低。传统的传输系统中，导频不携带数据，这就导致随着系统导频数目的增加，系统的效率会出现很大的下降。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种能够提高系统的传输效率和频谱利用率的利用差分数据作为导频的OFDM信号传输方案。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号发送方法，包括以下步骤：

A1，接收待传输的主通道数据和附加数据；

A2，对所述附加数据依次进行交织、信道编码和差分调制运算，得到差分星座映射符号；

A3，对所述主通道数据依次进行交织、信道编码和相干调制运算，得到相干星座映射符号；

A4，按照OFDM的帧结构和预设的插入图样，将所述差分星座映射符号作为导频数据插入到所述相干星座映射符号中，并构成OFDM信号帧，然后发送该OFDM信号帧。

其中，所述主通道数据和附加数据分别为宽带数据和窄带数据，二者均由外部输入。

其中，在所述步骤A2中，所述差分调制运算为两帧之间的差分运算或者多帧之间的差分运算。

其中，在所述步骤A2中，所述差分调制运算为相位运算的差分调制和幅度运算的差分调制。

其中，在所述步骤A4中，将所述差分星座映射符号作为导频插入到所述相干星座映射符号中，并构成OFDM信号帧的步骤具体为：A41，将所述差分星座映射符号进行逆傅立叶变换，构成插入序列，同时将所述相干星座映射符号进行逆傅立叶变换，构成数据体后将所述插入序列插入到所述数据体的头部或尾部，合成TDS-OFDM信号帧；或者A42，将所述差分星座映射符号离散地插入到所述相干星座映射符号中之后进行逆傅立叶变换，并插入循环前缀，得到CP-OFDM信号帧。或者A43，将所述差分星座映射符号进行逆傅立叶变换并插入循环前缀，构成导频信号帧，将所述差分星座映射符号进行逆傅立叶变换并插入循环前缀，构成数据信号帧，两者混合构成OFDM信号帧。

本发明还提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号发送装置，包括：

数据接收模块，接收待传输的主通道数据和附加数据；

差分星座映射符号计算模块，对所述附加数据依次进行交织、信道编码和差分调制运算，得到差分星座映射符号；

相干星座映射符号计算模块，对所述主通道数据依次进行交织、信道编码和相干调制运算，得到相干星座映射符号；

组帧模块，按照OFDM的帧结构和预设的插入图样，将所述差分星座映射符号作为导频数据插入到所述相干星座映射符号中，并构成OFDM信号帧，然后发送该OFDM信号帧。

本发明还提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号接收方法，包括以下步骤：

B1，通过傅立叶变换恢复OFDM符号，并从中提取出差分星座映射符号和相干星座映射符号；

B2，对差分星座映射符号，通过解差分运算将差分数据解调，得到恢复后的差分数据符号，并将所述恢复后的差分数据符号依次进行信道解码和解交织，以恢复调制在所述差分星座映射符号上的附加数据；

B3，利用恢复后的前几帧差分星座映射符号和恢复后的当前帧的准确差分数据符号，得到恢复后的当前帧的差分星座映射符号，并利用恢复后的当前帧的差分星座映射符号作为已知数据，得到相应的导频位置的信道估计值；其中，所述恢复后的当前帧的准确差分数据符号通过将恢复后的当前帧的差分数据符号进行硬判决并将恢复后的附加数据重新依次进行交织和信道编码之后得出；

B4，利用得到的导频位置的信道估计值对所述相干星座映射符号进行信道估计，得到针对相干星座映射符号的当前帧的信道估计值，并将该当前帧的信道估计值进行后处理之后应用于相干星座映射符号解调，得到解调后的数据。

其中，所述解差分运算为两帧之间的解差分运算或者多帧之间的联合解差分运算。

其中，在步骤B3中，所述导频位置的信道估计的获取途径为将附加数据符号硬判决后与前面的多帧已恢复的导频进行差分编码得到，或者将附加数据符号通过纠错码解码后重新编码，得到经过纠错的附加数据星座图，再与前面多帧已恢复的导频进行差分编码得到。

本发明还提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号接收装置，包括：

数据提取模块，通过傅立叶变换恢复OFDM符号，并从中提取出差分星座映射符号和相干星座映射符号；

附加数据恢复模块，对差分星座映射符号，通过解差分运算将差分数据解调，得到恢复后的差分数据符号，并将所述恢复后的差分数据符号依次进行信道解码和解交织，以恢复调制在所述差分星座映射符号上的附加数据；

信道估计模块，利用恢复后的前几帧差分星座映射符号和恢复后的当前帧的准确差分数据符号，得到恢复后的当前帧的差分星座映射符号，并利用恢复后的当前帧的差分星座映射符号作为已知数据，得到相应的导频位置的信道估计值；其中，所述恢复后的当前帧的准确差分数据符号通过将恢复后的当前帧的差分数据符号进行硬判决并将恢复后的附加数据重新依次进行交织和信道编码之后得出；

主通道数据恢复模块，利用得到的导频位置的信道估计值对所述相干星座映射符号进行信道估计，得到针对相干星座映射符号的当前帧的信道估计值，并将该当前帧的信道估计值进行后处理之后应用于相干星座映射符号解调，得到解调后的主通道数据。

上述技术方案采用差分调制数据来代替传统OFDM传输中的已知导频，进而能够在不损失传输质量的前提下提高系统容量。

(三)有益效果

本发明技术方案提出的信号传输方案采用了将有效数据作为附加数据，并对其处理之后作为导频数据来组帧的方式，并在数据处理过程中结合了相干调制和差分调制的各自的特点，从而提高了系统的传输效率和频谱利用率；本发明的接收算法简单灵活且不增加主通道数据传输的性能和复杂性，其中的附加数据接收算法适应性强，可用于移动信道的多媒体数据接收，同时，附加数据调制方式可灵活调整，增加了系统多级接收的性能；本发明可扩展应用范围，且可应用于单载波或多载波传输系统。

附图说明

图1为运用本发明实施例的传输方法的CP-OFDM数据体差分符号插入图样；

图2为运用本发明的传输方法的TDS-OFDM帧结构示意图；

图3为运用本发明的传输方法的CP-OFDM帧结构示意图；

图4为本发明实施例在CP-OFDM下的数字信号传输方法示意框图；

图5为本发明实施例在TDS-OFDM下的数字信号传输方法示意框图；

图6A为本发明实施例的发送方法流程图；

图6B为本发明实施例的接收方法流程图；

图7为本发明实施例的传输方法在CP-OFDM下DQPSK(差分正交相移键控)差分调制的性能；

图8为本实施例的传输方法在CP-OFDM下相干调制的性能，调制方式为16QAM(正交幅度调制)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在现有的无线传输的OFDM系统中，为满足接收机同步和信道估计的需求，传输信号需要携带大量的训练信息作为导频，占用了宝贵的频谱资源。为能够提高频谱利用率，同时能够支持多级传输的要求，本发麻的方案提出对导频调制附加数据来提高频谱利用率，同时导频调制的数据可用于传输手机电视业务或其它数据率较低的业务，增加系统的传输效率。

本发明提供了一种结合相干调制和差分调制的OFDM传输方式。在发送端(调制端)，附加数据在调制端可通过多帧差分方式调制，并作为导频数据插入到主通道数据中，然后按照规则进行组帧，然后传出。在接收端，首先按照特定的运算恢复信号帧。然后对在解调并恢复其中的附加数据，然后恢复作信道估计的数据的真实值，最后使对数据体进行信道估计，得到当前帧的信道估计，并进行信道估计的后处理，从而进行整个信号帧的数据解调。

以下详细说明本发明实施例的传输方法(其中包括了发送方法和接收方法)。

如背景技术所述，OFDM系统包含了多种OFDM块调制技术和保护间隔填充技术。本发明实施例中两个实例分别是差分调制数据作导频的TDS-OFDM传输技术和固定位置插入的差分数据作导频的CP-OFDM传输技术(可参考图2～3)。

步骤A1，接收待传输的主通道数据和附加数据；，该附加数据可用于传输手机电视业务或其它的与主通道数据相比数据率较低的业务；

步骤A2：对附加数据进行交织和信道编码，然后进行差分调制，得到差分星座映射符号；

经过交织和信道编码后，长度为M的差分序列，附加数据为{A_kⁱ}_k＝0^M-1。差分的初始频域训练序列为{C₀(k)}_k＝0^M-1，则第一帧的频域导频序列为随后差分的初始训练序列调制为${\left\{C_i\left(k\right)\right\}}_{k=0}^{M-1}={\left\{C_{i-1}\left(k\right)\right\}}_{k=0}^{M-1}{\left\{A_{i-1}\left(k\right)\right\}}_{k=0}^{M-1}.$

步骤A3：对主通道数据进行交织、信道编码和相干调制，得到相干星座映射符号；

经过交织和信道编码后，第i帧待传输频域符号为{X_i(k)}_k＝0^N-1，可以选择任意的符号调制技术。

步骤A4：按照OFDM的帧结构和预先确定的特定图样(本实施例中如图1所示)，将差分星座映射符号插入到相干星座映射符号中构成OFDM信号帧后发送，发送时的传输模式包括但不限于单用户、多用户、单天线和多天线等传输模式；

对TDS-OFDM系统，频域数据块经离散傅立叶反变换后得到时域数据块{x_i(k)}_k＝0^N-1，时域数据块之间的保护间隔填充长度为M的差分序列。差分后的频域差分调制序列{C_i(k)}_k＝0^M-1经离散傅立叶反变换后，可得到时域填充序列{c₁(k)}_k＝0^M-1。将时域数据块(帧体)和填充序列(帧头)一起组成信号帧。

对TDS-OFDM系统，将{X_i(k)}_k＝0^N-1与{c₁(k)}_k＝0^M-1按照图2的方式放置，得到{S_i(k)}_k＝0^N+M-1，经过IFFT变换得到{s_i(k)}_k＝0^N+M-1，然后将{s_i(k)}_k＝0^N+M-1的后M个时域数据填充到保护间隔，得到信号帧。

如图4所示，本实例中，编码与交织器1首先对数据编码后进行深交织，以保证在快时变信道下附加数据接收的准确性。同时，编码与交织器2对每帧附加数据编码后进行交织，以保证导频的实时性。

接收空中信号，假设本地接收机时间和频率完全同步，则本发明在接收端的方法为：

步骤B1：在接收端，恢复OFDM符号。分别获得经过信道的差分星座映射符号和相干星座映射符号。

对实例1的TDS-OFDM结构，分别取出差分序列和相干调制序列的时域值并作FFT变换，得到和

对实例2的CP-OFDM结构，接收机首先对数据体进行FFT变换，得到并分别抽取相应的差分符号和主数据符号，即和

步骤B2：对差分星座映射符号部分，通过解差分运算，将差分数据解调，得到恢复的差分数据符号，并将解调后的差分数据进行信道解码和解交织，恢复调制在差分星座映射符号上的附加数据。

假设频域导频和数据星座点分别为，和则

${\hat{C}}_i\left(k\right)=C_i\left(k\right)H_i\left(k\right)+n\left(k\right)---\left(1\right)$

${\hat{X}}_i\left(k\right)=X_i\left(k\right)H_i\left(k\right)+n\left(k\right)---\left(2\right)$

获得多帧接收信号帧的训练序列，通过解差分运算将附加数据解调，并进行解映射，对有C_i(k)＝C_i-1(k)A_i-1(k)，在接收端，可以通过解频域差分运算得到调制的附加数据，两帧之间解差分运算原理上可以写成

${\hat{A}}_{i-1}\left(k\right)={\hat{C}}_i\left(k\right)/{\hat{C}}_{i-1}\left(k\right)=A_{i-1}\left(k\right)H_i\left(k\right)/H_{i-1}\left(k\right)+n\left(k\right)---\left(3\right)$

对附加数据符号进行纠错码解码和解交织以后，就可以得到恢复的附加数据。

步骤B3：利用恢复的前几帧差分星座映射符号和当前帧恢复的准确差分数据符号，得到恢复的当前帧差分星座映射符号。并利用恢复的当前帧差分星座映射符号作为已知数据，得到相应的导频位置的信道估计。

将得到纠错码解码后恢复的数据再进行纠错码编码和交织，得到新的假设此时信噪比在接收门限之上，则可以认为近似等于A_i-1(k)，则可以重构C_i(k)。即如果接收机知道{C₀(k)}_k＝0^M-1，则可以恢复出只要记住上一帧的训练序列并得到当前帧的训练序列，就可以得到

步骤B4：利用得到的导频位置的信道估计，对相干星座映射符号进行信道估计。得到针对相干星座映射符号的当前帧的信道估计值，并利用当前帧的信道估计值进行后处理(包括通常的滤波、去噪等)，应用于相干星座映射符号解调，得到解调的数据。

由于可近似认为等于{C_i(k)}_k＝0^M-1，可以得到

$H\left(k\right)={\tilde{C}}_i\left(k\right)/{\hat{C}}_i\left(k\right)+n\left(k\right)---\left(4\right)$

由LS准则可得信道估计的估计值得到该信道估计值以后，可以根据传统方法来对数据部分进行信道估计后处理和均衡等。

针对例2的CP-OFDM系统，对本发明提出的用于OFDM系统的信道估计方法进行了计算机仿真，主要仿真参数如表1所示，两种信道模型如表2所示。所示信道I是巴西(Brazil)实验场地测试使用的信道模型B，信道II是巴西实验场地测试使用的信道模型A，

表1

  符号率  7.56M符号/秒  子载波符号调制  DQPSK，16QAM  OFDM子载波数M  7778  保护间隔长度L  972

  符号率  7.56M符号/秒  编码方式  LDPC(1944，972)  LDPC(7488，6096)  差分符号插入图样  每帧固定位置插入

表2

图6和7中，AWGN(Additive White Gaussion Noise)表示加性高斯白噪声。

本发明还提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号发送装置，包括：

数据划分模块，接收待传输的主通道数据和附加数据；

差分星座映射符号计算模块，对所述附加数据依次进行交织、信道编码和差分调制运算，得到差分星座映射符号；

相干星座映射符号计算模块，对所述主通道数据依次进行交织、信道编码和相干调制运算，得到相干星座映射符号；

组帧模块，按照OFDM的帧结构和预设的图样，将所述差分星座映射符号作为导频数据插入到所述相干星座映射符号中，并构成OFDM信号帧，然后发送该OFDM信号帧。

本发明还提供了一种利用差分数据作为导频的OFDM信号接收装置，包括：

数据提取模块，通过傅立叶变换恢复OFDM符号，并从中提取出差分星座映射符号和相干星座映射符号；

附加数据恢复模块，对差分星座映射符号，通过解差分运算将差分数据解调，得到恢复后的差分数据符号，并将所述恢复后的差分数据符号依次进行信道解码和解交织，以恢复调制在所述差分星座映射符号上的附加数据；

信道估计模块，利用恢复后的前几帧差分星座映射符号和恢复后的当前帧的准确差分数据符号，得到恢复后的当前帧的差分星座映射符号，并利用恢复后的当前帧的差分星座映射符号作为已知数据，得到相应的导频位置的信道估计值；其中，所述恢复后的当前帧的准确差分数据符号通过将恢复后的当前帧的差分数据符号进行硬判决并将恢复后的附加数据重新依次进行交织和信道编码之后得出；

主通道数据恢复模块，利用得到的导频位置的信道估计值对所述相干星座映射符号进行信道估计，得到针对相干星座映射符号的当前帧的信道估计值，并将该当前帧的信道估计值进行后处理之后应用于相干星座映射符号解调，得到解调后的主通道数据。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例使用差分数据作信道估计，充分利用了差分调制和相干调制各自的特点，增加了传输效率，使系统兼容窄带移动接收和宽带无线传输，有利于降低现有系统的复杂性，提高频谱效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。