專利名稱：Ofdm系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法，屬于寬帶無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
OFDM系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)為滿足未來無線多媒體應(yīng)用的要求，無線通信系統(tǒng)必須能提供寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸。近年來，美國(guó)、歐洲及日本已廣泛開展寬帶無線接入(BWA-Broadband Wireless Access)系統(tǒng)的研究。
實(shí)現(xiàn)寬帶無線接入需要解決的首要問題之一是信號(hào)的多徑傳輸，能有效對(duì)抗多徑衰落的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)成為首選。目前，寬帶高性能的示范性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)正在建立。另外，由于OFDM潛在的抗多徑衰落能力，且可以和其他接入方式結(jié)合成衍生的系統(tǒng)，所以O(shè)FDM已被列入3G以后無線通信系統(tǒng)的可能解決方案，受到眾多研究者的廣泛關(guān)注。
與OFDM相關(guān)的通信技術(shù)也在不斷發(fā)展。在調(diào)制技術(shù)方面，OFDM系統(tǒng)中的各種調(diào)制技術(shù)得到廣泛研究。為提高信息傳輸速率，在頻帶受限的情況下，OFDM的每個(gè)子載波需采用高階調(diào)制。目前無論是歐洲的DTVB標(biāo)準(zhǔn)和日本的ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)，還是IEEE802.11a、IEEE802.11g和歐洲的HiperLAN2標(biāo)準(zhǔn)，在低速率數(shù)據(jù)傳輸中，采用的調(diào)制方式無一例外是BPSK或QPSK，而在高速率數(shù)據(jù)傳輸中通常采用MQAM(M≥16)。然而QAM信號(hào)必須采用相干解調(diào)，這需要了解每個(gè)OFDM子載波上的信道失真，也就是要做信道估計(jì)。相干解調(diào)信道估計(jì)的計(jì)算量大，并且需要在數(shù)據(jù)流中插入訓(xùn)練符號(hào)序列。與相干解調(diào)技術(shù)相比，差分解調(diào)不需要信道估計(jì)，其代價(jià)是用一定的信噪比損失換取系統(tǒng)復(fù)雜度的降低。以往的差分調(diào)制只應(yīng)用在相位調(diào)制中，即差分相位調(diào)制(DPSK)。1991年，A.R.Nix等學(xué)者首先將高階幅度相位調(diào)制(16APSK)引入移動(dòng)通信，同時(shí)也說明了移動(dòng)衰落信道下絕對(duì)幅度相位調(diào)制信號(hào)檢測(cè)的復(fù)雜性。1992年，Y.C.Chow和A.R.Nix等人提出了差分幅度相位調(diào)制(DAPSK)，研究了Rayleigh衰落信道下16 DAPSK系統(tǒng)的誤碼性能，并給出了差分幅度調(diào)制的優(yōu)化電平比和優(yōu)化判決閾值。這一研究成果為16DAPSK在移動(dòng)衰落信道下的實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。1995年，德國(guó)的H.Rohling等學(xué)者將MDAPSK調(diào)制應(yīng)用到數(shù)字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)中，開發(fā)了34Mbps高速率64DAPSK-OFDM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。1998年，日本學(xué)者S.Moriyama等將16DAPSK-OFDM應(yīng)用到HDTV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。2001年，日本通信綜合研究所(CRL)的研究人員將16DAPSK-OFDM應(yīng)用到WLAN實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，開發(fā)了100Mbps毫米波室內(nèi)寬帶無線接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?，F(xiàn)有MDAPSK-OFDM差分調(diào)制技術(shù)由于OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)成塊傳輸，差分調(diào)制可以在時(shí)間或頻率方向上進(jìn)行。根據(jù)信道在時(shí)間和頻率上相關(guān)狀況的不同，現(xiàn)有OFDM系統(tǒng)采用時(shí)域差分調(diào)制或頻域差分調(diào)制時(shí)域差分當(dāng)信道的相干時(shí)間大于符號(hào)持續(xù)時(shí)間時(shí)，以第一個(gè)OFDM符號(hào)作為參考符號(hào)，在時(shí)域上進(jìn)行差分。設(shè)第i(i≠1)個(gè)OFDM符號(hào)第k個(gè)子載波上的時(shí)域差分系數(shù)為DXi,k=ρi,kejΔθi,k,]]>則
Si，k＝DXi，k·Si-1，k(1)圖1示出了OFDM數(shù)據(jù)塊進(jìn)行時(shí)域差分的過程。這里，子載波數(shù)為16，OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)為10。
以圖1中第一個(gè)OFDM符號(hào)作為參考符號(hào)，基于這些已知復(fù)信號(hào)，依次從左向右，可以得到其它所有時(shí)域差分符號(hào)。
時(shí)域差分由于存在一個(gè)OFDM符號(hào)的系統(tǒng)開銷，因此它適合于長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)那闆r。所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，有效信息傳輸效率越高。
頻域差分當(dāng)信道的相干帶寬大于子載波間隔時(shí)，可將第一個(gè)OFDM子載波信道上的符號(hào)作為參考符號(hào)，在頻域上進(jìn)行差分。設(shè)第i個(gè)OFDM符號(hào)第k(k≠1)個(gè)子載波上的頻域差分系數(shù)為 則Si，k＝DYi，k·Si，k-1(2)圖2所示為8個(gè)子載波10個(gè)OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)塊的頻域差分過程。以圖中第一個(gè)子載波上的OFDM符號(hào)作為參考符號(hào)，依次從上到下，可以得到其它所有頻域差分符號(hào)。
采用頻域差分，子載波的數(shù)目越多，有效信息傳輸效率越高。與時(shí)域差分相比，頻域差分更適合于短數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高現(xiàn)有差分調(diào)制技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸效率，本發(fā)明提出OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法。
在現(xiàn)有的時(shí)域差分調(diào)制中，以第一個(gè)OFDM符號(hào)作為參考符號(hào)；在頻域差分調(diào)制中，以每個(gè)OFDM符號(hào)的第一個(gè)子載波信道上的符號(hào)作為參考符號(hào)。參考符號(hào)過多的引入，將導(dǎo)致通信系統(tǒng)傳輸效率的降低。本發(fā)明的目的是根據(jù)OFDM系統(tǒng)業(yè)務(wù)及傳播環(huán)境的不同，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)和差分調(diào)制方法，在系統(tǒng)誤碼性能與現(xiàn)有差分調(diào)制方法相當(dāng)?shù)那疤嵯?，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率達(dá)到最大。
考慮到時(shí)域和頻域差分的特點(diǎn)和適用環(huán)境，可將時(shí)域和頻域差分結(jié)合起來應(yīng)用。本發(fā)明給出兩種適用于OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法頻域—時(shí)域差分調(diào)制方法如圖3所示，以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的符號(hào)作為參考符號(hào)，基于這一已知復(fù)信號(hào)，在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)先從上到下做頻域差分，隨后的OFDM符號(hào)以前一個(gè)OFDM符號(hào)為參考符號(hào)從左到右做時(shí)域差分，得到頻域一時(shí)域差分調(diào)制信號(hào)；時(shí)域—頻域差分調(diào)制方法如圖4所示，以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的符號(hào)作為參考符號(hào)，基于這一已知復(fù)信號(hào)，先在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，從第二個(gè)OFDM符號(hào)開始，先在第一個(gè)子載波上做時(shí)域差分，得到該OFDM符號(hào)的參考信號(hào)，再在該OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，得到時(shí)域—頻域差分調(diào)制信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是首先，與現(xiàn)有的時(shí)域或頻域差分調(diào)制方法相比，時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法只需要一個(gè)參考符號(hào)，系統(tǒng)的信息傳輸效率達(dá)到最大；其次，與現(xiàn)有的時(shí)域差分相比，頻域—時(shí)域差分不僅可以大幅度提高短數(shù)據(jù)流的傳輸效率，而且系統(tǒng)誤碼性能與時(shí)域差分相當(dāng)。與現(xiàn)有的頻域差分相比，時(shí)域—頻域差分不僅可以提高數(shù)據(jù)流的傳輸效率，而且系統(tǒng)誤碼性能與頻域差分相當(dāng)。下面從時(shí)域相關(guān)性和頻域相關(guān)性兩方面予以說明。
時(shí)域相關(guān)性對(duì)不同差分調(diào)制系統(tǒng)BER的影響通信系統(tǒng)中收發(fā)信機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致接收機(jī)接收載頻產(chǎn)生多譜勒頻移。多譜勒頻移對(duì)OFDM系統(tǒng)誤碼性能影響的大小取決于信道相干時(shí)間和相鄰OFDM符號(hào)間隔的相對(duì)大小。這里假定相鄰OFDM符號(hào)間隔一定，通過計(jì)算機(jī)仿真來說明多譜勒頻移對(duì)采用不同差分調(diào)制技術(shù)的OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響。
基于本專利實(shí)施例中描述的系統(tǒng)，圖5給出每比特平均信噪比Eb/N0一定時(shí)，四種差分編碼方法的誤比特率與多譜勒頻移關(guān)系的仿真結(jié)果。
可見，時(shí)域相關(guān)性對(duì)頻域差分和時(shí)域—頻域差分OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響相當(dāng)；對(duì)時(shí)域差分和頻域—時(shí)域差分OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響相當(dāng)。頻域相關(guān)性對(duì)不同差分調(diào)制系統(tǒng)BER的影響同樣，通信系統(tǒng)中無線信號(hào)的多徑傳輸導(dǎo)致頻率選擇性衰落。多徑對(duì)通信系統(tǒng)BER的影響取決于子載波間隔與信道相干帶寬的相對(duì)大小。為說明信道頻域相關(guān)性對(duì)不同差分調(diào)制技術(shù)BER的影響，下面的仿真假定子載波間隔和子載波數(shù)目一定。當(dāng)信道相干帶寬變化時(shí)，子載波間的相關(guān)性隨之變化，在此基礎(chǔ)上仿真信道頻域相關(guān)性對(duì)BER性能的影響。
圖6仿真了Eb/N0一定時(shí)，四種差分調(diào)制方法的誤比特率與信道相干帶寬Bcoh之間的關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)是信道相干帶寬Bcoh與OFDM信號(hào)總帶寬NΔf之比。
仿真結(jié)果說明，頻域相關(guān)性對(duì)頻域差分和時(shí)域—頻域差分OFDM系統(tǒng)誤碼性能的相當(dāng)；對(duì)時(shí)域差分和頻域—時(shí)域差分OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響相當(dāng)。
綜合圖5、6的結(jié)果，采用時(shí)域—頻域差分調(diào)制可得到與頻域差分調(diào)制相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)誤碼性能；采用頻域—時(shí)域差分調(diào)制可以得到與時(shí)域差分調(diào)制相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)誤碼性能。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1時(shí)域差分過程；圖2頻域差分過程；圖3頻域—時(shí)域差分過程；圖4時(shí)域—頻域差分過程；圖5多譜勒頻移對(duì)OFDM系統(tǒng)BER的影響；圖6信道相干帶寬對(duì)OFDM系統(tǒng)BER的影響；圖7長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀四種差分調(diào)制方法的對(duì)比；圖7(a)AWGN信道；圖7(b)2徑信道，最大多普勒頻移fd＝8kHz；圖8短數(shù)據(jù)幀四種差分調(diào)制方法的對(duì)比；圖8(a)AWGN信道；圖8(b)2徑信道，最大多普勒頻移fd＝8kHz。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1圖3中，以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的信號(hào)S1，1作為參考信號(hào)，在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分；隨后第i(i＞1)個(gè)OFDM符號(hào)的第k個(gè)子載波相對(duì)第i-1個(gè)OFDM符號(hào)的同一子載波信號(hào)做時(shí)域差分，以下稱之為頻域一時(shí)域差分，即S1，k＝DY1，k·S1，k-1(3.1)Si，k＝DXi，k·Si-1，k(i≠1) (3.2)圖4中，以S1，1作為參考信號(hào)，第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分；從第二個(gè)OFDM符號(hào)開始，先在第一個(gè)子載波上做時(shí)域差分，得到該OFDM符號(hào)的參考信號(hào)，再在該OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分，以下稱之為時(shí)域—頻域差分，即Si，1＝DXi，1·Si，1(4.1)Si，k＝DYi，k·Si，k-1(4.2)由于這兩種方法都只需要一個(gè)參考符號(hào)，系統(tǒng)的信息傳輸效率達(dá)到最大。
實(shí)施例2根據(jù)OFDM系統(tǒng)業(yè)務(wù)及傳播環(huán)境的不同，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)也不同。就差分調(diào)制而言，采用哪種差分調(diào)制方法，受限于系統(tǒng)參數(shù)、信道模型以及數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度。下面將新的差分調(diào)制方法應(yīng)用到一個(gè)室內(nèi)毫米波寬帶無線接入16DAPSK-OFDM系統(tǒng)，并與采用現(xiàn)有差分調(diào)制方法的系統(tǒng)誤碼性能比較。本系統(tǒng)載頻fo＝36GHz，由四路射頻信號(hào)頻分復(fù)用構(gòu)成。基帶采用DSP四路并行處理，每路子載波數(shù)K＝64，子載波間隔Δf＝250kHz，保護(hù)時(shí)間間隔τ＝1μs。系統(tǒng)信道編碼采用刪余卷積碼，編碼速率2/3，由碼率1/2母碼刪余產(chǎn)生，收端采用Viterbi軟判決譯碼。
這里選擇了兩種信道模型AWGN和最大多普勒頻移為8kHz的2徑Rayleigh衰落信道。這里，最大多普勒頻移取8kHz并不是室內(nèi)毫米波OFDM系統(tǒng)的真實(shí)值，而僅僅是為了對(duì)比在這種信道環(huán)境下，四種差分調(diào)制方法的BER性能。圖7和圖8分別仿真了兩種信道下長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀和短數(shù)據(jù)幀的BER。從時(shí)域差分和頻域—時(shí)域差分的定義上看，兩者的基本方法都是時(shí)域差分，區(qū)別僅在于第一個(gè)OFDM符號(hào)的不同。由仿真結(jié)果可以看出，時(shí)域差分和頻域—時(shí)域差分的誤碼性能接近，但兩者的接近程度與信道模型及數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度有關(guān)。同樣的結(jié)論也適合于基于頻域差分的頻域差分和時(shí)域—頻域差分。
另外，由圖7和圖8比較還可以看出，傳輸短數(shù)據(jù)幀時(shí)，非AWGN信道下四種差分調(diào)制方法的誤碼性能與AWGN信道下的誤碼性能相當(dāng)。因此，短數(shù)據(jù)幀傳輸降低了對(duì)信道的敏感程度。這對(duì)通信系統(tǒng)信令的傳輸極為有利。
權(quán)利要求
1.一種OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法，其特征是根據(jù)時(shí)域和頻域差分的特點(diǎn)和適用環(huán)境，將時(shí)域和頻域差分結(jié)合起來應(yīng)用，有頻域—時(shí)域差分調(diào)制方法以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的符號(hào)作為參考符號(hào)，基于這一已知復(fù)信號(hào)，在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)先從上到下做頻域差分，隨后的OFDM符號(hào)以前一個(gè)OFDM符號(hào)為參考符號(hào)從左到右做時(shí)域差分，得到頻域—時(shí)域差分調(diào)制信號(hào)；或時(shí)域—頻域差分調(diào)制方法以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的符號(hào)作為參考符號(hào)，基于這一已知復(fù)信號(hào)，先在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，從第二個(gè)OFDM符號(hào)開始，先在第一個(gè)子載波上做時(shí)域差分，得到該OFDM符號(hào)的參考信號(hào)，再在該OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，得到時(shí)域—頻域差分調(diào)制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法，其特征是頻域—時(shí)域差分調(diào)制方法以第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)第一個(gè)子載波上的信號(hào)S1，1作為參考信號(hào)，在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分；隨后第i(i＞1)個(gè)OFDM符號(hào)的第k個(gè)子載波相對(duì)第i-1個(gè)OFDM符號(hào)的同一子載波信號(hào)做時(shí)域差分，即S1，k＝DY1，k·S1，k-1Si，k＝DXi，k·Si-1，k(i≠1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法，其特征是時(shí)域—頻域差分調(diào)制方法以S1，1作為參考信號(hào)，第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分；從第二個(gè)OFDM符號(hào)開始，先在第一個(gè)子載波上做時(shí)域差分，得到該OFDM符號(hào)的參考信號(hào)，再在該OFDM符號(hào)內(nèi)做頻域差分，即Si，1＝DXi，1·Si-1，1Si，k＝DYi，k·Si，k-1。
全文摘要
OFDM系統(tǒng)時(shí)頻域混合差分調(diào)制方法。在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)先從上到下做頻域差分，隨后的OFDM符號(hào)以前一個(gè)OFDM符號(hào)為參考符號(hào)從左到右做時(shí)域差分，得到頻域－時(shí)域差分調(diào)制信號(hào)；或先在第一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，從第二個(gè)OFDM符號(hào)開始，先在第一個(gè)子載波上做時(shí)域差分，得到該OFDM符號(hào)的參考信號(hào)，再在該OFDM符號(hào)內(nèi)從上到下做頻域差分，得到時(shí)域－頻域差分調(diào)制信號(hào)。采用頻域－時(shí)域差分調(diào)制可以得到與時(shí)域差分調(diào)制相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)誤碼性能，采用時(shí)域－頻域差分調(diào)制可得到與頻域差分調(diào)制相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)誤碼性能，但新方法只需要一個(gè)參考符號(hào)，系統(tǒng)的信息傳輸效率達(dá)到最大。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1777168SQ200510134239
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者秦雅娟, 劉元安 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué), 北京郵電大學(xué)