CN102957635A - 基于信息块传输的数字宽带通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号传输领域，公开了一种基于信息块传输的数字宽带通信方法及系统。本发明以信号帧为基本单元进行传输，信号帧由信号帧头和帧体数据两部分组成，其中帧头为一段已知的训练序列。通过对生成的训练序列进行时频变换，可以得到两组互相关联的训练序列，并将两组训练序列交替地插入到相邻信号帧中作为帧头序列。接收端则可利用相邻信号帧的训练序列进行灵活的信道估计和均衡。该方法可以适应单载波传输方式或者多载波传输方式，可以兼容单用户系统或者多用户系统，可以有效的提高系统的灵活性，提高信道估计和均衡的精度和适应性，降低系统的实现复杂度。

Description

基于信息块传输的数字宽带通信方法及系统

技术领域

本发明涉及信号传输领域，尤其涉及一种基于信息块传输的数字宽带通信方法及系统。

背景技术

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，用户希望能够随时随地的收到任何感兴趣的各种服务，如视频服务、音频服务、数据服务，等等。因此，各种数字信号传输技术都在为能够在有效的带宽内提供更高的传输速率、能够在各种复杂传输环境下可靠工作、能够适应多样的不同业务的灵活需求而采取各种有效的处理手段。其中包括单/多载波技术、编码调制技术、同步技术以及信道估计与均衡技术等等。

宽带无线传输，由于其传输信息的物理信道情况复杂多变，因此其面临的最大问题是，传输信号在多径信道下，会发生频率选择性以及时间选择性衰落，并造成严重的符号间干扰(Inter SymbolInterference，ISI)。在数字信号传输系统中，通常采用均衡技术来对抗信道所带来的非理想传输因素，例如传统的单载波时域均衡器，以及目前被广泛应用的多载波频域均衡技术等。在进行信道均衡时，接收端需要能够对传输信道的特性信息进行有效地估计，从而指导均衡器对信道特性进行补偿。因此，需要从接收信号中提取出传输信道信息，帮助接收端恢复信号。一种有效的手段是在传输信号中引入已知的辅助数据。虽然辅助数据的加入降低了传输效率，但是其直接决定了系统消除ISI和跟踪信道动态变化等方面的信道估计能力。同时辅助数据还可以用于完成包括信号同步、传输模式识别和跟踪相位噪声等功能。

地面无线数字电视传输技术是目前宽带无线数字通信领域中的重要组成部分。世界上已经存在的地面数字电视传输标准中，美国高级电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee，ATSC)数字电视标准采用了单载波调制；欧洲地面数字视频广播(DigitalVideo Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)标准、日本地面综合业务数字广播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)，以及中国数字电视国家标准(Digital Television Multimedia Broadcast，DTMB)都采用了基于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术的多载波调制方式。多载波技术由于其将原始高速的串行数据流转化为低速的并行数据流，从而显著提高了信号的符号周期，能够有效地对抗频率选择性衰落。如图1所示，ATSC单载波系统将每一个信号帧分为了场和段的概念，每个场含有312个数据段和1个场同步段。如图2所示为DVB-T的多载波系统结构，其中采用编码的OFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)传输，随机插入了导频信号，主要分为连续导频和离散导频两种，目的是通过导频上的数据传送发射端约定的参量或测试信道的特性。

与DVB-T所采用的OFDM技术不同，中国DTMB系统采用了独创的时域同步正交频分复用技术(Time Domain Synchronous-OrthogonalFrequency Division Multiplexing，TDS-OFDM)。在TDS-OFDM系统中，已知的伪随机序列(Pseudo-random Noise，PN)代替了OFDM中的循环前缀并用于时间同步、频率同步和信道估计。已知训练序列在对抗块间干扰时起到保护间隔作用的同时，还可以辅助进行同步、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等。

现有TDS-OFDM系统中，由于训练序列和帧体数据之间在多径信道下存在互相干扰，因此需要采用复杂的信号处理方法来消除PN对数据的干扰以及数据对PN的干扰，从而增加了系统的实现复杂度，并且在采用更高阶的星座映射方式时会带来性能恶化。因此，如何设计更为有效的帧结构，使得系统既能满足传输效率的要求，又能为接收端的信号处理带来简单高效的实现方式，同时进一步提高系统的传输性能成为了系统设计的一个核心问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种适用于多载波传输系统或者单载波传输系统的数字宽带通信方法及系统，以提高系统的频谱利用率，改善系统在多径信道下的传输性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于信息块传输的数字宽带通信方法，该方法包括步骤：

S1，生成已知训练序列，作为训练序列C₁；

S2，将训练序列C₁经过时频变换，得到训练序列C₂；

S3，将传输信息根据预定的调制方式进行调制，然后根据预设的帧体数据长度进行分组，形成待传输的帧体数据；

S4，将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预定的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

S5，将得到的信号帧通过后处理之后进行发送。

其中，步骤S2中通过时频变换得到训练序列C₂的方式为：将训练序列C₁在时域分为前后两个等长度的子序列A和B；然后将子序列A和B的顺序在时域进行交换，得到的新序列为训练序列C₂。

其中，所述规定的调制方式为单载波调制方式或多载波调制方式。

其中，步骤S4中与帧体数据进行复接形成信号帧的规则为：将得到的训练序列C₁和训练序列C₂交替地插入到所述帧体数据之前。

其中，所述训练序列C₁和C₂为时域二值序列、频域二值序列和时频实数序列中的一种，或这三种序列的变形或组合。

其中，在步骤S5之后还包括接收端进行信道估计的步骤，具体包括步骤：

S61，从接收到的信号中分离出帧头信号和帧体信号；

S62，将当前信号帧中训练序列的后半部分与下一信号帧中训练序列的后半部分进行组合，重构得到新的接收训练序列；

S63，利用当前信号帧的帧头信号对传输信道特性进行估计；

S64，利用重构得到的新的接收训练序列对传输信道特性进行估计；

S65，利用帧体信号以及步骤S63和S64输出的信道估计结果对接收到的信号进行信道补偿；

S66，根据预设的调制方式对信道补偿后得到的信号进行解调，恢复出原始的发送数据。

本发明还提供了一种基于信息块传输的数字宽带通信系统，包括：

训练序列生成模块，用于生成已知训练序列，作为训练序列C₁；

训练序列时频处理模块，用于将训练序列C₁经过时频变换，得到训练序列C₂；

帧体数据生成模块，用于将传输信息根据预定的调制方式进行调制，然后根据预设的帧体数据长度进行分组，形成待传输的帧体数据；

信号帧生成模块，用于将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预定的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

后处理模块，用于将得到的信号帧通过后处理之后进行发送。

其中，所述系统还包括接收端，接收端具体包括：

帧头和帧体数据分离模块，用于从接收到的信号中分离出帧头信号和帧体信号；

帧头序列重构模块，用于将当前信号帧中训练序列的后半部分与下一信号帧中训练序列的后半部分进行组合，重构得到新的接收训练序列；

第一信道估计模块，用于利用当前信号帧的帧头信号对传输信道特性进行估计；

第二信道估计模块，用于利用重构得到的新的接收训练序列对传输信道特性进行估计；

信道均衡模块，用于利用帧体信号以及第一信道估计模块和第二信道估计模块输出的信道估计结果对接收到的信号进行信道补偿；

数据解调模块，用于根据预设的调制方式对信道均衡模块输出的信号进行解调，恢复出原始的发送数据。

(三)有益效果

本发明采用兼容多种序列形式的已知训练序列来代替循环前缀，可以在有效避免符号间干扰的同时节省频域导频的开销，提高了系统的频谱利用率，改善了系统在多径信道下的传输性能。本发明可以适应单载波传输和多载波传输体制，增加了系统应用的灵活性和适应性。通过所设计的训练序列插入规则，系统可以兼容多种信道估计和均衡方法，可以在不同传输环境下得到性能和复杂度的有效合理分配。

附图说明

图1为美国ATSC的数字信号传输方法示意图；

图2为欧洲DVB-T的数字信号传输方法示意图；

图3为本发明提供的信号帧结构示意图；

图4为本发明提供的训练序列插入规则示意图；

图5为本发明信号传输方法的流程图；

图6为依照本发明一种实施方案的数字信号的块传输方法的发送端系统框图；

图7为依照本发明的一种接收端信道估计方法；

图8为依照本发明一种实施方案的数字信号的块传输方法的接收端系统框图。

具体实施方式

本发明提出的数字信号的块传输方法及系统，结合附图和实施例说明如下。

参考图3～图5，依照本发明一种实施方案的数字信号的块传输方法流程图，该方法以信号帧为基本传输单元，信号帧由帧头和帧体两部分组成，该方法包括步骤：

S1.生成已知训练序列，得到训练序列C₁；

S2.将训练序列C₁经过时频变换，得到训练序列C₂；训练序列C₁和C₂为时域二值序列、频域二值序列和时频实数序列中的一种，或这三种序列的变形或组合；

S3.将传输信息根据预设的调制方式和帧体数据长度进行调制和分组，形成待传输的帧体数据；所述预设的调制方式为单载波调制方式或多载波调制方式；

S4.将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预设的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

S5.将得到的信号帧通过后处理之后进行发送。

上述特定长度的已知训练序列C₁和C₂组成帧头。虽然本发明采用了两组训练序列，但两组训练序列之间并不是彼此无关的，而是存在特定的时频映射关系。如图5所示，两组训练序列在时域上的对应关系为：将训练序列C₁在时域分为前后两个相等长度的子序列A和B；将A和B的顺序在时域进行交换，得到的新序列定义为C₂。设C₁在时域可表示为其中N为训练序列长度，T表示转置，则C₁的频域表示为

并且

由上面的对应关系可得，序列C₂的频域信号可表示为：

$Z_k^{\left(2\right)}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{{(n+N/2)}_{\mathrm{mod}}N}\exp (-j\frac{2\mathrm{\πnk}}{N})$

$=Z_k\exp (-\mathrm{jk\π})={(-1)}^{k+1}{Z}_k$

上式清晰地反映了两组训练序列之间在频域的对应关系。

依照本发明，所传输的信号帧中包含两种帧头序列，分别是训练序列C₁和训练序列C₂，如图4所示，并且两组训练序列交替地插入到帧体数据之前。则，如果第l个信号帧之前的训练序列为C_i，i＝1或2，则第(l+1)个帧之前的训练序列为C_mod(i，2)+1，其中，mod(i，2)表示对i进行模2运算。同时，为了信道估计更加简便，可以进一步选择帧体的长度为帧头长度的整数倍。

图6所示为依照本发明所设计的数字信息传输系统的发射端系统框图。包括：

训练序列生成模块101，用于生成已知训练序列，即训练序列C₁；

时频处理模块102，用于将序列C₁进行时域变换生成训练序列C₂；

帧体数据生成模块103，用于将传输信息根据规定的调制方式进行调制，并根据所选帧体数据长度进行分组，形成待传输的帧体数据块；

信号帧生成模块104，用于将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预定的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

后处理模块105，用于将得到的信号帧通过成形滤波和正交上变频等后处理之后进行发送。

图7所示为依照本发明的一种接收端信道估计方法示意图。图中不同的阴影分别表示信号帧中的不同部分在多径信道下的时延扩展。从图7中可以清晰地看出，由于相邻两信号帧之间训练序列的时频关系，当前训练序列的后半部分B和下一训练序列的后半部分A合在一起恰好构成了序列C₂(即BA)与多径信道冲激响应之间的循环卷积形式。因此可以利用本发明的该特点，在接收端利用循环卷积信道估计精度高的优点，得到更准确的信道估计结果，从而提高系统的接收性能。

按照本发明所提供的数字信号传输方式，图8给出了接收端对接收信号进行处理的系统框图。包括：

帧体数据分离模块201，用于将接收到的信号中帧头和帧体信号进行分离，得到相应的接收帧头信号和帧体信号；

帧头序列重构模块202，用于将当前信号帧中帧头序列的后半部分和下一信号帧中帧头序列的后半部分进行组合，从而重构出新的接收训练序列；重构之前的帧头序列直接经过第一信道估计模块203，得到一组信道估计结果；同时，重构得到的接收训练序列经过第二信道估计模块204得到另一组信道估计结果；

信道均衡模块205，用于利用分离得到的帧体信号和两组信道估计结果对接收信号进行信道补偿处理，以消除多径信道对传输信号的影响；

数据解调模块206，用于将信道均衡模块205输出的信号进行解调，得到原始的发送数据，从而完成传输信息的恢复。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于信息块传输的数字宽带通信方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1，生成已知训练序列，作为训练序列C₁；

S2，将训练序列C₁经过时频变换，得到训练序列C₂；

S3，将传输信息根据预定的调制方式进行调制，然后根据预设的帧体数据长度进行分组，形成待传输的帧体数据；

S4，将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预定的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

S5，将得到的信号帧通过后处理之后进行发送。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中通过时频变换得到训练序列C₂的方式为：将训练序列C₁在时域分为前后两个等长度的子序列A和B；然后将子序列A和B的顺序在时域进行交换，得到的新序列为训练序列C₂。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述规定的调制方式为单载波调制方式或多载波调制方式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中与帧体数据进行复接形成信号帧的规则为：将得到的训练序列C₁和训练序列C₂交替地插入到所述帧体数据之前。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述训练序列C₁和C₂为时域二值序列、频域二值序列和时频实数序列中的一种，或这三种序列的变形或组合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5之后还包括接收端进行信道估计的步骤，具体包括步骤：

S61，从接收到的信号中分离出帧头信号和帧体信号；

S62，将当前信号帧中训练序列的后半部分与下一信号帧中训练序列的后半部分进行组合，重构得到新的接收训练序列；

S63，利用当前信号帧的帧头信号对传输信道特性进行估计；

S64，利用重构得到的新的接收训练序列对传输信道特性进行估计；

S65，利用帧体信号以及步骤S63和S64输出的信道估计结果对接收到的信号进行信道补偿；

S66，根据预设的调制方式对信道补偿后得到的信号进行解调，恢复出原始的发送数据。

7.一种基于信息块传输的数字宽带通信系统，其特征在于，包括：

训练序列生成模块，用于生成已知训练序列，作为训练序列C₁；

训练序列时频处理模块，用于将训练序列C₁经过时频变换，得到训练序列C₂；

帧体数据生成模块，用于将传输信息根据预定的调制方式进行调制，然后根据预设的帧体数据长度进行分组，形成待传输的帧体数据；

信号帧生成模块，用于将所得到的训练序列C₁和训练序列C₂按照预定的规则与帧体数据进行复接，形成信号帧；

后处理模块，用于将得到的信号帧通过后处理之后进行发送。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括接收端，接收端具体包括：

帧头和帧体数据分离模块，用于从接收到的信号中分离出帧头信号和帧体信号；

帧头序列重构模块，用于将当前信号帧中训练序列的后半部分与下一信号帧中训练序列的后半部分进行组合，重构得到新的接收训练序列；

第一信道估计模块，用于利用当前信号帧的帧头信号对传输信道特性进行估计；

第二信道估计模块，用于利用重构得到的新的接收训练序列对传输信道特性进行估计；

信道均衡模块，用于利用帧体信号以及第一信道估计模块和第二信道估计模块输出的信道估计结果对接收到的信号进行信道补偿；

数据解调模块，用于根据预设的调制方式对信道均衡模块输出的信号进行解调，恢复出原始的发送数据。

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