超幀信號生成方法、信道估計方法及信號傳輸系統的製作方法
2023-08-02 05:45:56 3
專利名稱：超幀信號生成方法、信道估計方法及信號傳輸系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及數字信息傳輸技術領域，特別涉及一種超幀信號生成方法、信道估計方法及信號傳輸系統。
背景技術：
·
隨著現代通信技術的飛速發展以及人們對無線通信業務需求的日益增長，人們希望能夠在有限的信號帶寬內取得儘可能高的數據傳輸率。隨著頻率資源日趨緊張，迫切需要能夠採取各種有效的手段來提高頻譜利用率，降低各種不必要系統開銷。各種信號處理方法，諸如單多載波傳輸技術、編碼調製技術、自適應均衡技術等等，都為提高系統傳輸的魯棒性和有效性提供了有力的技術手段。而寬帶傳輸系統，尤其是無線寬帶傳輸系統，由於傳輸信道的多徑效應以及時變效應，會帶來嚴重的頻率選擇性和時間選擇性，從而對傳輸信號造成嚴重的符號間幹擾(Inter Symbol Interference, ISI)。多載波正交頻分復用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM)技術是目前無線通信系統中廣泛應用的一種信號傳輸方式。由於在多載波系統中，高速串行的數據流被分割成為低速並行的數據流，並且映射到頻域正交的子載波上，從而每個子載波的時域符號顯著增長。通過引入循環前綴或者保護間隔，OFDM系統可以有效地消除符號間幹擾，並且可以應用非常簡便的頻域均衡方法消除多徑效應。正是由於上述優點，OFDM被廣泛應用於各種無線傳輸標準中。與傳統的OFDM系統不同，時域同步正交頻分復用(Time Domain SynchronousOFDM, TDS-0FDM)技術作為一種新型的多載波傳輸方法，已被中國地面數位電視傳輸DTMB標準採用為其核心關鍵技術。在TDS-OFDM系統中，已知的偽隨機序列(Pseudo-randomNoise,PN)代替了 OFDM中循環前綴並用於時間同步、頻率同步和信道估計。已知訓練序列在對抗塊間幹擾起到保護間隔作用的同時，還可以輔助進行同步、定時恢復、載波恢復、信道估計和噪聲估計等。TDS-OFDM系統的信號傳輸結構如圖I所示。然而，由於訓練序列和幀體數據之間在多徑信道下存在互相干擾，因此需要採用複雜的迭代幹擾消除方法來消除PN對數據的幹擾以及數據對PN的幹擾，不但增加了系統的實現複雜度，而且會帶來殘留的幹擾誤差，從而造成了在採用更高階的星座映射方式時會帶來性能惡化。在傳統TDS-OFDM幀結構的基礎上，一種改進型的幀結構如圖2所示。該幀結構中，每個信號幀頭均由兩段相同的PN序列構成，即雙PN結構，前一個PN序列構成了後一個序列的循環保護，從而消除了數據對PN序列的幹擾。在信道長度不超過單個PN序列的長度時，接收端可以直接利用第二個PN序列對信道狀態進行估計，從而得到非常乾淨的信道估計結果。同時，由於幀體數據前後均為固定的已知PN序列，PN序列對數據的幹擾則可以通過非常高效的加減消除或者數據重構的方式實現，其信道估計與數據重構算法如圖3所示。該結構有效的降低了系統的實現複雜度，並且用於信道估計的訓練序列不會受到幹擾，可適用於高階星座調製的傳輸情況，傳輸數據率高。然而，由於每個幀頭均由兩段PN序列構成，雙PN幀結構在降低複雜度、提高信號處理精度的同時也降低了頻譜利用率。因此，本發明的目的在於設計一種既能保持雙PN結構的信號處理精度和複雜度，又能夠顯著提高頻譜利用率的信息傳輸方法。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何在保證信號處理精度和複雜度的情況下，顯著提高頻譜利用率。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種超幀信號生成方法，包括以下步驟SI :生成已知的訓練序列C，且C由N個時域符號組成；S2:將所述訓練序列C在時域分成K段相等長度的部分，按照從左到右的順序分別·記為C1, C2, ···, Ck,每一段的長度為N/K, N ^ K ^ I ；S3 :將所述訓練序列C進行循環塊移位，得到K個訓練序列；S4 :在K個訓練序列後面分別插入相應長度為N/K的循環後綴，得到K個幀頭序列；S5 :將所述K個幀頭序列分別插入到事先生成的K個幀體數據之前形成K個信號幀，並將K個信號幀組合得到超幀信號。其中，所述循環塊移位的方式為第I個訓練序列為訓練序列C在時域向左循環移位(1-1)N/K個符號長度，I = 1，2，…，K。其中，所述訓練序列C為時域序列、頻域序列或者時頻序列的變形或組合。其中，所述幀體數據的調製方式為單載波調製方式或多載波調製方式。本發明還提供了一種信道估計方法，包括以下步驟Al :接收按上述任一項所述的超幀信號生成方法生成超幀信號並同步，分離幀體數據和幀頭序列；A2 :對超幀信號中的K個信號幀，分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號的循環後綴；A3 :將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，重構長度為N的訓練序列C'；A4 :通過重構之後的訓練序列C'與已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息。其中，所述步驟A4中採用基於循環卷積的信道估計方式對傳輸多徑信道進行估計。本發明還提供了一種信號傳輸系統，包括信號發射端設備，用於上述任一項所述的超幀信號生成方法生成超幀信號並發射；信號接收端設備，用於接收所述超幀信號，並從其中解調出源信息。其中，所述信號發射端設備包括幀體數據生成模塊、訓練序列生成模塊、訓練序列循環移位模塊、循環後綴插入模塊、信號幀生成模塊及後處理模塊，所述幀體數據生成模塊調製待發送的源信息生成K個幀體數據，並將所述幀體數據輸出給所述信號幀生成模塊；所述訓練序列生成模塊生成已知的訓練序列C，並將訓練序列C輸出給所述訓練序列循環移位模塊； 所述訓練序列循環移位模塊將所述訓練序列C分成K段並進行循環塊移位,生成一個超幀中的K個訓練序列，並將K個訓練序列輸出給所述循環後綴插入模塊；所述循環後綴插入模塊在訓練序列循環移位模塊生成的K個訓練序列的末尾分別插入循環後綴，得到K個幀頭序列，並將K個幀頭序列輸出給所述信號幀生成模塊；信號幀生成模塊將幀頭序列和幀體數據組合成K個信號幀，並將K個信號幀復接在一起，得到超幀信號，並將超幀信號輸出給所述後處理模塊；後處理模塊對所述超幀信號經過進行信號後處理之後得到發送信號進行發射。其中，所述信號接收端設備包括幀體數據分離模塊、訓練序列重構模塊、信道估計模塊、信道均衡模塊及數據解調模塊，所述幀體數據分離模塊接收信號發射端設備發送的信號並同步，分離幀體數據和幀頭序列，並將幀體數據輸出給所述信道均衡模塊，將幀頭序列輸出給所述訓練序列重構模塊；所述訓練序列重構模塊分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號 的循環後綴，將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，重構長度為N的訓練序列C,，並將重構的訓練序列C,輸出給所述信道估計模塊；所述信道估計模塊通過重構的訓練序列C'和已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息，並將所述傳輸信道狀態信息輸出給所述信道均衡模塊；所述信道均衡模塊對所述幀體數據進行信道補償，並將補償後的幀體數據輸出給所述數據解調模塊；所述數據解調模塊對補償後的幀體數據進行解調，從而恢復出源信息。(三)有益效果本發明通過構造循環塊移位訓練序列的超幀信號將原雙PN結構中PN序列的循環保護由一段完整PN序列縮短為PN序列的1/K，顯著的提高了系統的頻譜利用率；同時基於本發明的信號傳輸方法及其信道估計與均衡方法，同時保證了低複雜度的數據重構以及高精度信道估計。
圖I為現有的DTMB系統中TDS-OFDM幀結構示意圖；圖2為現有的基於雙PN結構的TDS-OFDM幀結構示意圖；圖3為現有的雙PN幀結構的信道估計與均衡示意圖；圖4為本發明實施例的一種超幀信號生成方法流程圖；圖5為本發明提供的超幀信號的信號幀結構示意圖；圖6為本發明基於圖4中生成的超幀信號的一種信道估計方法流程圖；圖7為圖6中信道估計方法中信道估計算法框圖；圖8為本發明實施例的一種信號傳輸系統的信號發射端設備結構示意圖9為本發明實施例的一種信號傳輸系統的信號接收端設備結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
如圖4所示，為本發明的一種超幀信號生成方法流程圖，該超幀信號基於循環塊移位訓練序列的數字信息塊生成，每個超幀由K個信號幀組成，每個信號幀均包含幀頭序列和傳輸幀體數據兩部分，幀頭序列又包括已知的訓練序列和循環後綴兩部分。該方法包括步驟S401，生成已知(發射端和接收端已經互相約定)的訓練序列C，且C由N個時域符號組成。訓練序列C可以為時域序列、頻域序列或者時頻序列的變形或組合，如時域二值序列、頻域二值序列、時頻實數序列或上述序列的組合形式。步驟S402，將訓練序列C在時域分成K段相等長度的部分，按照從左到右的順序分另Ij記為C1, C2,…，Ck，每一段的長度為N/K。步驟S403，將訓練序列C進行循環塊移位，得到K個訓練序列。本實施例中，採用的循環塊移位的方式為第I個訓練序列為訓練序列C在時域向左循環移位(1-1)N/K個符號長度，I = 1,2,…，K。如果將序列C表示為[C1, C2,…，CJ，則根據上述規則第I個信號中貞的訓練序列可表不為[C1, C1+1, ···, CK, C1, ···, C1-J。步驟S404，在K個訓練序列後面分別插入相應長度為N/K的循環後綴，得到K個幀頭序列。則第I個信號幀的幀頭序列可表示為[C1, C1+1，…，CK, C1,…，C1^1, C1]。步驟S405，將所述K個幀頭序列分別插入到事先生成的K個幀體數據之前形成K個信號幀，並將K個信號幀組合得到超幀信號。當然在步驟S405之前還包括調製待發送的源信息生成幀體數據，幀體數據的調製方式可以為單載波調製方式或多載波調製方式。如圖5所不為本發明中一個超巾貞的信號巾貞結構。一個超巾貞由K個信號巾貞組成。每個信號幀都包含幀頭序列和幀體數據兩部分，其中幀頭序列的長度為(N+N/K)，由長度為N的訓練序列和長度為N/K的循環後綴組成。每一個信號幀的訓練序列均由基本的訓練序列C按上述循環塊移位得到。本實施例中還提供了一種基於上述超幀信號的信道估計方法，如圖6所示，具體包括步驟S601，按上述步驟S401 S405的步驟生成超幀信號，將超幀信號經過成形濾波、正交上變頻等後處理之後，得到待發送的信號並發送。步驟S602，接收S601發送的信號並同步，同步後可得到一個超幀信號的起始參考位置，從而分離幀體數據和幀頭序列。步驟S603，對超幀信號中的K個信號幀，分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號的循環後綴。步驟S604，將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，得到重構之後的長度為N的接收訓練序列CT。步驟S605，通過重構之後的訓練序列C'與已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息。在得到傳輸信道狀態信息後，根據信道狀態信息對幀體數據進行信道補償，以消除多徑信道造成的傳輸失真，之後對補償後的幀體數據進行解調，恢復出源信息。如圖7所示，為信號傳輸方法中信道估計示意圖。本實施例中以K = 2為例，即一個超幀由兩個信號幀組成。訓練序列C在時域被分為相等的兩部分CdP C2，則兩個信號幀的幀頭序列分別為[CpCyC1]和[CyC1, C2]。經過多徑信道之後的信號如圖7所示。為了分析方便，圖中分別給出了信號幀中每一部分的多徑時延擴展，並分別用不同的圖示標識。其中，多徑信道的最大時延擴展不超過訓練序列C的長度N，此時幀頭序列中的最後一部分，即循環後綴將不會受到任何幀體數據的幹擾。為了進行信道估計，將兩個信號幀中幀頭序列的兩段循環後綴分別取出，如圖所示，按照Cp C2的順序組合在一起，即可得到一段重構出的接收訓練序列。由於本發明的幀頭序列結構特點，拼接後的循環後綴恰好構成了序列C= [C17C2]與多徑信道的循環卷積。因此，採用基於循環卷積的信道估計方法對傳輸信道特性進行估計。信道估計可以採用頻域估計，也可以採用時域估計。由上面的分析可以看·出，雖然幀頭序列只有長度為N/K的保護循環後綴，但通過K個幀頭的聯合處理，可以實現對長度為N的多徑信道的有效估計，從而顯著提高了系統頻譜利用率。本實施例中還提供了一種信號傳輸系統，包括信號發射端設備和信號接收端設備。信號發射端設備按上述任一超幀信號生成方法生成超幀信號並發射；信號接收端設備接收超幀信號，並從其中解調出源信息。如圖8所示，信號發射端設備包括幀體數據生成模塊801、訓練序列生成模塊802、訓練序列循環移位模塊803、循環後綴插入模塊804、信號幀生成模塊805及後處理模塊806。訓練序列生成模塊802連接訓練序列循環移位模塊803，訓練序列循環移位模塊803連接循環後綴插入模塊804，幀體數據生成模塊801和循環後綴插入模塊804分別連接信號幀生成模塊805，信號幀生成模塊805連接後處理模塊806。幀體數據生成模塊801調製待發送的源信息生成幀體數據。調製方式可以為單載波調製方式或多載波調製方式等。並將幀體數據輸出給信號幀生成模塊805。訓練序列生成模塊802生成已知的訓練序列C，並將訓練序列C輸出給訓練序列循環移位模塊803。訓練序列循環移位模塊803將訓練序列C分成K段並進行循環塊移位,生成一個超幀中的K個訓練序列，並將K個訓練序列輸出給循環後綴插入模塊804 ；循環後綴插入模塊804在訓練序列循環移位模塊生成的K個訓練序列的末尾分別插入循環後綴，得到K個幀頭序列，並將K個幀頭序列輸出給信號幀生成模塊805 ；信號幀生成模塊805將幀頭序列和幀體數據組合成K個信號幀，並將K個信號幀復接在一起，得到超幀信號，並將超幀信號輸出給後處理模塊806 ；後處理模塊806對超幀信號經過進行成形濾波、正交上變頻等信號後處理之後得到發送信號進行發射。如圖9所示，信號接收端設備包括幀體數據分離模塊901、訓練序列重構模塊902、信道估計模塊903、信道均衡模塊904及數據解調模塊905。訓練序列重構模塊902連接信道估計模塊903，幀體數據分離模塊901和信道估計模塊903分別連接信道均衡模塊904，信道均衡模塊904連接數據解調模塊905。
幀體數據分離模塊901接收信號發射端設備發送的信號並同步，分離幀體數據和幀頭序列，並將幀體數據輸出給信道均衡模塊904，將幀頭序列輸出給訓練序列重構模塊902 ；訓練序列重構模塊902分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號的循環後綴，將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，重構長度為N的訓練序列C,，並將重構的訓練序列C,輸出給信道估計模塊903;信道估計模塊903通過重構的訓練序列C'和已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息，並將傳輸信道狀態信息輸出給信道均衡模塊904 ；信道均衡模塊904對幀體數據進行信道補償，以消除多徑信道造成的傳輸失真，
並將補償後的幀體數據輸出給數據解調模塊905 ；數據解調模塊905對補償後的幀體數據進行解調，從而恢復出源信息。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種超幀信號生成方法，其特徵在於，包括以下步驟 51:生成已知的訓練序列C，且C由N個時域符號組成； 52:將所述訓練序列C在時域分成K段相等長度的部分，按照從左到右的順序分別記為C1, C2, ···, Ck,每一段的長度為N/K, N彡K彡I ; 53:將所述訓練序列C進行循環塊移位，得到K個訓練序列； 54:在K個訓練序列後面分別插入相應長度為N/K的循環後綴，得到K個幀頭序列； 55:將所述K個幀頭序列分別插入到事先生成的K個幀體數據之前形成K個信號幀，並將K個信號幀組合得到超幀信號。
2.如權利要求I所述的超幀信號生成方法，其特徵在於，所述循環塊移位的方式為 第 I個訓練序列為所述訓練序列C在時域向左循環移位(1-1)N/K個符號長度，I = 1,2,…，K0
3.如權利要求I或2所述的超幀信號生成方法，其特徵在於，所述訓練序列C為時域序列、頻域序列或者時頻序列的變形或組合。
4.如權利要求I所述的超幀信號生成方法，其特徵在於，所述幀體數據的調製方式為單載波調製方式或多載波調製方式。
5.一種信道估計方法，其特徵在於，包括以下步驟 Al :接收按權利要求I 4中任一項所述方法生成超幀信號並同步，分離幀體數據和幀頭序列； A2 :對超幀信號中的K個信號幀，分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號的循環後綴； A3 :將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，重構長度為N的訓練序列C'； A4 :通過重構之後的訓練序列C'與已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息。
6.如權利要求5所述的信道估計方法，其特徵在於，所述步驟A4中採用基於循環卷積的信道估計方式對傳輸多徑信道進行估計。
7.—種信號傳輸系統,其特徵在於,包括 信號發射端設備，用於按權利要求I 4中任一項所述的方法生成超幀信號並發射； 信號接收端設備，用於接收所述超幀信號，並從其中解調出源信息。
8.如權利要求7所述的信號傳輸系統，其特徵在於，所述信號發射端設備包括幀體數據生成模塊、訓練序列生成模塊、訓練序列循環移位模塊、循環後綴插入模塊、信號幀生成模塊及後處理模塊， 所述幀體數據生成模塊調製待發送的源信息生成K個幀體數據，並將所述幀體數據輸出給所述信號幀生成模塊； 所述訓練序列生成模塊生成已知的訓練序列C，並將訓練序列C輸出給所述訓練序列循環移位模塊； 所述訓練序列循環移位模塊將所述訓練序列C分成K段並進行循環塊移位,生成一個超幀中的K個訓練序列，並將K個訓練序列輸出給所述循環後綴插入模塊； 所述循環後綴插入模塊在訓練序列循環移位模塊生成的K個訓練序列的末尾分別插入循環後綴，得到K個幀頭序列，並將K個幀頭序列輸出給所述信號幀生成模塊； 信號幀生成模塊將幀頭序列和幀體數據組合成K個信號幀，並將K個信號幀復接在一起，得到超幀信號，並將超幀信號輸出給所述後處理模塊； 後處理模塊對所述超幀信號經過進行信號後處理之後得到發送信號進行發射。
9.如權利要求7或8所述的 信號傳輸系統，其特徵在於，所述信號接收端設備包括幀體數據分離模塊、訓練序列重構模塊、信道估計模塊、信道均衡模塊及數據解調模塊， 所述幀體數據分離模塊接收信號發射端設備發送的信號並同步，分離幀體數據和幀頭序列，並將幀體數據輸出給所述信道均衡模塊，將幀頭序列輸出給所述訓練序列重構模塊； 所述訓練序列重構模塊分別取出每個信號幀中幀頭序列的最後N/K個時域符號的循環後綴，將K個長度為N/K的循環後綴在時域按照接收先後順序拼接，重構長度為N的訓練序列C,，並將重構的訓練序列C,輸出給所述信道估計模塊； 所述信道估計模塊通過重構的訓練序列C'和已知的訓練序列C對傳輸多徑信道進行估計，得到傳輸信道狀態信息，並將所述傳輸信道狀態信息輸出給所述信道均衡模塊；所述信道均衡模塊對所述幀體數據進行信道補償，並將補償後的幀體數據輸出給所述數據解調模塊； 所述數據解調模塊對補償後的幀體數據進行解調，從而恢復出源信息。
全文摘要
本發明公開了一種超幀信號生成方法，涉及數字信息傳輸技術領域，包括生成已知的訓練序列C，且C由N個時域符號組成；將訓練序列C在時域分成K段相等長度的部分，按照從左到右的順序分別記為C1，C2，…，CK，每一段的長度為N/K；將訓練序列C進行循環塊移位，得到K個訓練序列；在K個訓練序列後面分別插入相應長度為N/K的循環後綴，得到K個幀頭序列；將所述K個幀頭序列分別插入到幀體數據之前形成信號幀，並將K個信號幀組合得到超幀信號。還公開了基於上述超幀信號的信道估計方法及信號傳輸系統。本發明同時保證了低複雜度的數據重構以及高精度信道估計的同時顯著的提高了系統的頻譜利用率。
文檔編號H04L27/26GK102957636SQ20111024041
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者王昭誠, 張超, 楊知行 申請人:清華大學