专利名称：宽带无线传输系统、发射器和接收器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及宽带无线通信领域，尤其涉及ー种高速移动环境下的宽带无线传输系统、发射器和接收器。
背景技术：
随着经济发展和科技进步，人们乘坐长途客车、地铁、火车等公共交通工具出行日益頻繁，交通工具的运行速度越来越快，高速公路上客车速度最高可达120km/h，地铁运行速度一般达80km/h,高铁列车速度可达250km/h以上,磁悬浮列车速度可达600km/h。在交通车辆高速运行中，如何为在途旅客提供更好更快的上网、收发邮件等服务，如何将车内信息及行车状态实时传输到地面以保证行车安全，这都对宽带无线传输技术提出了更高的要求。 高速移动条件下宽带无线传输主要解决“双高”问题一高速移动、高速数据传输。目前国内外各公司应用于车地间宽带无线通信系统的技术主要有WiFi、WiMAX, LTE，其物理层均米用正交频分复用(OFDM :0rthogonal Frequency Division Multiplexing)传输技木。交通车辆高速运行于复杂多变的地理环境中，无线通信电波传播环境十分复杂，无线电波传播为多种反射与直射的叠加结果，多径效应明显，车辆高速运动将会使接收信号产生严重的多普勒频移及扩展。OFDM技术依靠循环前缀可以有效对抗多径传播引起的码间干扰，高速移动对其主要影响如下I.子载波间的干扰问题(ICI :Inter_Carrier Interference)对相位噪声和载波频偏十分敏感这是OFDM技术ー个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。当车辆高速移动时，多普勒频移和多普勒扩展明显，使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，子载波间干扰将使OFDM系统性能急剧下降。WiFi,WiMAX及LTE中均依靠子载波间的间隔来减小ICI的影响，一般认为频偏为子载波间隔2%以下时可以忽略，2%-4%间时有一定影响，超过4%时影响较大。2.信道估计问题OFDM的子载波采用PSK调制或QAM调制方式，接收端采用相干检测方式，而相干检测需要精确的信道信息。车辆的高速运动以及地理环境的变化，使得无线传输信道的信道參数随时间快速变化，很难进行精确的信道估计，现有的信道估计算法的误差随车辆运动速度上升而増大，这也是限制OFDM在车地间通信的主要原因。WiFi、WiMAX及LTE中采用的基于导频的传统信道估计技术，在高速移动条件下，传输信道快速变化，信道估计的精度下降，使得通信性能急剧下降。由于以上原因，WiFi、WiMAX及LTE的性能均随着移动速度的上升而下降，WiFi最高支持80Km/h移动速度，传输速率降为约10Mbps，WiMAX在120km/h移动速度下，传输速率约为8Mbps，LTE的能够为350km/h时高速移动用户提供大约IOOkbps的接入服务。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供ー种高速移动环境下的宽带无线传输系统、发射器和接收器，其能够克服多径传播引起的码间干扰和高速移动带来的多普勒频偏，由于无需进行信道估计、因而大大筒化接收硬件结构。本实用新型的原理是发射端串行输入的高速基带信号经过串并转换，转换成低速并行基带信号，然后进行多频率差分调制(MFDM)映射，将时域基带信号转换成频域基带信号，再经逆快速傅立叶变换(IFFT)转换回时间域，经插入循环前缀(CP)及井串转换后，送射频模块到天线发送出去；接收端将天线接收信号经射频模块转换成数字基带信号，经过同步模块实现位帧同步，然后串并转换并去循环前缀(CP)，送快速傅立叶变换(FFT)模块转换成频率域基带信号，再经多频率差分调制(MFDM)解映射，恢复出时域基带信息。本实用新型一种宽带无线传输系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括编码模块、发射串并转换模块、MFDM调制模块、IFFT模块、CP插入模块、井串转换模块和发射射频模块；其中，编码模块将用户待传输的信号进行编码；发射串并转换模块根据OFDM子载波的调制阶数将编码模块输出的串行数字基带信号转换成速率较低的并行数字基带信号；MFDM调制模块将发射串并转换模块转换后的基带信号进行MFDM调制映射，将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号；IFFT模块将MFDM调制模块输出的ー个OFDM符号的频域信号转换成OFDM符号的时域信号；CP插入模块在IFFT模块输出的OFDM符号前插入CP ；并串转换模块将CP插入模块输出的信号进行并串转换；发射射频模块将并串转换模块输出的OFDM基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射；所述接收端包括接收射频模块、同步模块、接收串并转换模块、去CP模块、FFT模块、MFDM解调模块和解码模块；其中，接收射频模块将天线接收的OFDM射频信号经放大和混频处理后变换成数字基带信号；同步模块对接收射频模块接收的基带信号进行同步处理,实现位帧同步；接收串并转换模块将同步模块输出的基带信号进行串并转换；去CP模块将接收串并转换模块输出的基带信号去掉CP ；FFT模块将去掉CP的基带信号进行FFT，将时域的基带信号转换为频域基带信号;MFDM解调模块根据MFDM调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携帯的信息解调出来；解码模块将MFDM解调模块输出的解调信息恢复为用户传输的信号。本实用新型一种宽带无线发射器，其特征在于它主要由编码模块、发射串并转换模块、MFDM调制模块、IFFT模块、CP插入模块、井串转换模块和发射射频模块组成；其中，编码模块将用户待传输的信号进行编码；发射串并转换模块根据OFDM子载波的调制阶数将编码模块输出的串行数字基带信号转换成速率较低的并行数字基带信号；MFDM调制模块将发射串并转换模块转换后的基带信号进行MFDM调制映射，将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号；IFFT模块将MFDM调制模块输出的ー个OFDM符号的频域信号转换成OFDM符号的时域信号；CP插入模块在IFFT模块输出的OFDM符号前插入CP ；并串转换模块将CP插入模块输出的信号进行并串转换；发射射频模块将并串转换模块输出的OFDM基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射。本实用新型ー种宽带无线接收器，其特征在于它主要由接收射频模块、同步模块、接收串并转换模块、去CP模块、FFT模块、MFDM解调模块和解码模块组成；其中，接收射频模块将天线接收的OFDM射频信号经放大和混频处理后变换成数字基带信号；同步模块对接收射频模块接收的基带信号进行同步处理处理，实现位帧同步；接收串并转换模块将同步模块输出的基带信号进行串并转换；去CP模块将接收串并转换模块输出的基带信号去掉CP ；FFT模块将去掉CP的基带信号进行FFT，将时域的基带信号转换为频域基带信号;MFDM解调模块根据MFDM调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携帯的信息解调出来；解码模块将MFDM解调模块输出的解调信息恢复为用户传输的信号。与现有技术相比，本实用新型具有如下特点(I)采用插入循环前缀(CP)的OFDM技术克服多径传播引起的码间干扰。根据传输环境的时延统计特性，合理选择OFDM符号的循环前缀长度，使其大于信道的最大时延扩展，这样ー个OFDM符号的多径分量不会对下ー个符号造成干扰。(2)采用非相干检测方法无需信道估计。OFDM中子载波的调制方式为PSK或QAM，接收时需要采用相干解调，需要精确的信道信息来恢复幅度及相位。0FDM-MFDM采用的是子载波MFDM调制技术，用子载波的频率差分来携帯信息，接收端可以采用非相干解调方式，不需信道信息及载波相位信息，即不需要在高速移动的环境下进行信道估计，与OFDM相比，可极大简化接收机硬件复杂度。(3)采用子载波差分调制克服多普勒频偏。由于采用非相干解调的MFDM调制技术，利用子载波频率差分传递信息，多普勒频偏对无线传输系统的影响可以忽略。
图I为ー种宽带无线传输系统(包括发射端和接收端)框图。 图2为0FDM-5FDM原理结构图。[0052]图3高斯信道中0FDM-5FDM接收误比特率曲线。图4莱斯时变信道下0FDM-5FDM接收误比特率曲线。图5多径时变信道下0FDM-5FDM接收误比特率曲线。
具体实施方式
ー种高速移动环境下的宽带无线传输系统，如图I所示，包括发射端和接收端。其中所述发射端即宽带无线发射器主要由编码模块、发射串并转换模块、MFDM调制模块、IFFT模块、CP插入模块、井串转换模块和发射射频模块组成。编码模块将用户待传输的信号进行编码；发射串并转换模块根据OFDM子载波的调制阶数将编码模块输出的串行数字基带信号转换成速率较低的并行数字基带信号；MFDM调制模块将发射串并转换模块转换后的基带信号进行MFDM调制映射，将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号；IFFT模块将MFDM调制模块输出的ー个OFDM符号的频域信号转换成OFDM符号的时域信号； CP插入模块在IFFT模块输出的OFDM符号前插入CP ；并串转换模块将CP插入模块输出的信号进行并串转换；发射射频模块将并串转换模块输出的OFDM基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射；所述接收端即宽带无线接收器主要由接收射频模块、同步模块、接收串并转换模块、去CP模块、FFT模块、MFDM解调模块和解码模块组成。接收射频模块将天线接收的OFDM射频信号经放大和混频处理后变换成数字基带信号；同步模块对接收射频模块接收的基带信号进行同步处理处理,实现位帧同步；接收串并转换模块将同步模块输出的基带信号进行串并转换；去CP模块将接收串并转换模块输出的基带信号去掉CP ；FFT模块将去掉CP的基带信号进行FFT，将时域的基带信号转换为频域基带信号;MFDM解调模块根据MFDM调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携帯的信息解调出来；解码模块将MFDM解调模块输出的解调信息恢复为用户传输的信号。上述传输系统所实现的ー种高速移动环境下的宽带无线传输方法，包括如下步骤在发射端。(I)基带信号串并转换用户待传输的信息通过编码后变为数字基带信号串行输入，根据OFDM的调制阶数，转换成速率较低的并行数字基带信号输出。串并转换和常规的OFDM中串并转换是ー样的，实际和子载波的调制阶数有夫，即子载波携帯的信息bit有夫。如常规的OFDM的子载波采用64QAM调制，则每个子载波携帯6bit信息，则串并转换时需要将串行信息每6bit—组进行分组，本实用新型的MFDM调制方式每个子载波携帯M-Ibit信息，串并转换时需要将串行信息每M-Ibit —组进行分组。(2) MFDM 调制映射MFDM是通过多个子载波的频率差分来调制基带信息，将OFDM的N个使用子载波按照M个相邻子载波为一组进行分组，N为M的整数倍，可将每个子载波组分配给不同的用户，实现0FDMA，也可将所有的子载波组分配给ー个用户，实现高速数据传输。对分组中的子载波，用“ I”表示该子载波在传输中被实际使用(即该频率对应的发射功率非零)，用“O”表示该子载波在传输中未被使用(即该频率对应的发射功率为零)，相邻两个子载波为“11”或“00”(即无变化)表示传输数据“0”，相邻两个子载波为“10”或“01”(即有变化)表示传输数据“I”。这样，利用ー组M个子载波相邻频率间的差分可调制(M-I)bit信息，ー个OFDM N(M-I)(M-V)
符号共可调制\ ,信息，频带利用率为レ.+ /u频带利用率随M増大，但M M bitM bit/Hz,
太大基带调制表会变得复杂。从另ー个角度来看，每组实际使用的子载波的频率组合共有
Zq=2种，其中f的情况(即该分组中所有频率对应的发射功率均为零)表示该分组未
被使用，可以分配给用户，从而它不能用于传递用户数据，所以依靠分组中实际使用子载波的选择也就只能表示2M-1中可能，从而只能传递(M-l)bit。MFDM调制即是从2m-1中选取2 种频率组合构成基带调制表，将串并转换后的基带信号映射到子载波的频率组合，即将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号。(2) IFFT 运算经过MFDM调制的频域基带信号，将ー个OFDM符号的频域信号送IFFT模块进行运算，转换成OFDM符号的时域信号。(3)插入CP及并串转换实际通信系统中，信道接收到的信号是来自不同的传输路径信号之和，因此产生多径效应，引起符号间干扰(ISI)和ICI，严重影响了信息传输速率。在OFDM符号前填入CP信号，只要多径传播时延小于CP时间长度，就不会在解调过程中产生ISI。(4)射频变换将OFDM基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射。在接收端。(5)射频变换天线接收的OFDM射频信号经低噪声小信号放大、混频等处理后变换成数字基带信号。(6)接收同步接收的基带信号经过同步处理模块处理，实现载波同步，接收机的振荡频率要与发送载波同频同相，实现样值同步，接收端和发射端的抽样频率一致，实现OFDM符号同步，IFFT和FFT起止时刻一致。(7)串并转换并去CP基带信号经同步处理后，进行串并转换并去掉CP，送FFT模块进行时域到频域的转换。(8) FFT 运算经过同步及去CP处理后的基带信号，送FFT模块进行傅立叶变换，将时域的基带信号转换为频域基带信号。(9) MFDM 解调根据MFDM调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携帯的信息解调出来，无需信道估计，之后通过解码还原为用户信息。下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步说明。对于0FDM-MFDM调制系统，取OFDM子载波256个，其中使用160个子载波传输信息，ー个0FDM-5FDM结构如图2所示。
对于OFDM的160使用子载波，按5个ー组进行分组，共可分为32组，每组5个子载波的频
率组合共有
权利要求1.宽带无线传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于 所述发射端包括编码模块、发射串并转换模块、多频率差分调制模块、逆快速傅里叶变换模块、循环前缀插入模块、井串转换模块和发射射频模块；其中， 编码模块将用户待传输的信号进行编码； 发射串并转换模块根据正交频分复用子载波的调制阶数将编码模块输出的串行数字基带信号转换成速率较低的并行数字基带信号； 多频率差分调制模块将发射串并转换模块转换后的基带信号进行多频率差分调制映射，将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号； 逆快速傅里叶变换模块将多频率差分调制模块输出的一个正交频分复用符号的频域信号转换成正交频分复用符号的时域信号； 循环前缀插入模块在逆快速傅里叶变换模块输出的正交频分复用符号前插入循环前 并串转换模块将循环前缀插入模块输出的信号进行并串转换； 发射射频模块将并串转换模块输出的正交频分复用基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射； 所述接收端包括接收射频模块、同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块、多频率差分解调模块和解码模块；其中， 接收射频模块将天线接收的正交频分复用射频信号经放大和混频处理后变换成数字基带信号； 同步模块对接收射频模块接收的基带信号进行同步处理，实现位帧同步； 接收串并转换模块将同步模块输出的基带信号进行串并转换； 去循环前缀模块将接收串并转换模块输出的基带信号去掉循环前缀； 快速傅里叶变换模块将去掉循环前缀的基带信号进行快速傅里叶变换，将时域的基带信号转换为频域基带信号； 多频率差分解调模块根据多频率差分调制映射表，利用非相干解调的方式将正交频分复用子载波频率所携帯的信息解调出来； 解码模块将多频率差分解调模块输出的解调信息恢复为用户传输的信号。
2.宽带无线发射器，其特征在于它主要由编码模块、发射串并转换模块、多频率差分调制模块、逆快速傅里叶变换模块、循环前缀插入模块、井串转换模块和发射射频模块组成;其中， 编码模块将用户待传输的信号进行编码； 发射串并转换模块根据正交频分复用子载波的调制阶数将编码模块输出的串行数字基带信号转换成速率较低的并行数字基带信号； 多频率差分调制模块将发射串并转换模块转换后的基带信号进行多频率差分调制映射，将时域基带信号转换成频域由子载波频率组合构成的基带信号； 逆快速傅里叶变换模块将多频率差分调制模块输出的一个正交频分复用符号的频域信号转换成正交频分复用符号的时域信号； 循环前缀插入模块在逆快速傅里叶变换模块输出的正交频分复用符号前插入循环前并串转换模块将循环前缀插入模块输出的信号进行并串转换； 发射射频模块将并串转换模块输出的正交频分复用基带信号调制到射频频段，经过功率放大后送天线发射。
3.宽带无线接收器，其特征在于它主要由接收射频模块、同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块、多频率差分解调模块和解码模块组成；其中， 接收射频模块将天线接收的正交频分复用射频信号经放大和混频处理后变换成数字基带信号； 同步模块对接收射频模块接收的基带信号进行同步处理，实现位帧同步； 接收串并转换模块将同步模块输出的基带信号进行串并转换； 去循环前缀模块将接收串并转换模块输出的基带信号去掉循环前缀； 快速傅里叶变换模块将去掉循环前缀的基带信号进行快速傅里叶变换，将时域的基带信号转换为频域基带信号； 多频率差分解调模块根据多频率差分调制映射表，利用非相干解调的方式将正交频分复用子载波频率所携帯的信息解调出来； 解码模块将多频率差分解调模块输出的解调信息恢复为用户传输的信号。
专利摘要本实用新型公开一种高速移动环境下的宽带无线传输系统、发射器和接收器，其发射端串行输入的高速基带信号经过串并转换，转换成低速并行基带信号，然后进行MFDM映射，将时域基带信号转换成频域基带信号，再经IFFT转换回时间域，经插入CP及并串转换后，送射频模块到天线发送出去；接收端将天线接收信号经射频模块转换成数字基带信号，经过同步模块实现位帧同步，然后串并转换并去CP，送FFT模块转换成频率域基带信号，再经MFDM解映射，恢复出时域基带信息。本实用新型能够克服多径传播引起的码间干扰和高速移动带来的多普勒频偏，由于无需进行信道估计、因而大大简化接收机硬件结构。
文档编号H04L1/00GK202652251SQ20122024657
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者谢跃雷, 欧阳缮, 韩科委, 丁勇, 陈紫强, 李民政, 晋良念, 谢武 申请人:桂林电子科技大学