专利名称：车载无线传输系统、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，尤其涉及车载移动环境下的一种宽带无线传输技术即车载无线传输系统、发射器和接收器。
背景技术：
高速列车、地铁、长途客车等公共交通工具是人们出行的主要交通工具，然而行进中的列车却依然是信息的孤岛，每年有数十亿旅客在列车上度过数百亿小时与Internet隔离的时光。如今，越来越多的旅客随身携带笔记本电脑、个人助理、智能手机等移动网络设备，有在列车上随时上网的强烈需求。另外，将在途车辆的牵引系统、制动系统、走行系统、辅助系统及车体状态等安全状态数据实时传输到地面控制中心，对车辆状态实时监控，是实现车辆安全运行的重要保证。再次，将车厢内的视频图像及音频信息传输到地面控制中心，及时发现和制止盗窃、抢劫等犯罪活动，可极大震慑犯罪分子，维护公共交通工具治安安全。从行进中的车辆将信息传输到地面，满足以上三种传输需求(传输业务)，只能通过无线传输方式。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。三种传输业务对无线传输质量(QOS:Quality of Service)的要求是不同的，车辆运行状态数据的传输要求高实时性及高传输质量，即低误码率，对带宽的要求不高；音视频监控信息的传输要求高实时性，高带宽；而旅客的个人信息业务则要求高带宽，对实时性及传输质量要求不高。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:WiF1、WiMAX> LTE,其物理层均米用正交频分复用(OFDM:Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing)传输技术。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谱勒频移及扩展。WiF1、WiMAX、LTE采用的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，但其子载波采用PSK调制或QAM调制方式，接收器必需采用相干检测方式，即需要精确的信道信息，在车辆高速运动以及地理环境多变条件下，现有信道估计算法无法实现精确的信道估计，这使得现有的三种无线传输技术在高速运动场合性能急剧下降。另外，现有的技术并没有考虑车载三种传输业务对QOS的不同要求，实现宽带无线传输，同时满足三种不同的传输业务是十分困难的。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够同时考虑三种传输业务对QOS的不同要求，以实现高速移动环境下宽带无线传输的车载无线传输系统、发射器和接收器。本实用新型的原理是:一种高速移动环境下车载宽带无线通信系统OFDM混合调制技术，在发射器根据不同业务对QOS的要求不同，将OFDM子载波进行相应的分组，对于行车状态业务数据采用频移键控(FSK)调制方式以实现较好误码率性能，对于车厢监控信息数据采用差分相位调制(DPSK)调制方式，对于旅客上网业务数据采用差分幅度相位调制(DAPSK)调制方式，在接收器采用非相干检测接收技术，因而无需进行信道估计，可在车辆高速移动中同时满足三种传输业务的要求。为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的:—种车载无线传输系统，包括有发射器和接收器，其中:所述发射器主要由发射串并转换模块、MFSK调制模块、MDPSK调制模块、MDAPSK调制模块、子载波组合模块、快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块、发射射频模块和发射天线构成；发射串并转换模块的3个输出端分别连接MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输入端，MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输出端共同连接至子载波组合模块的输入端，子载波组合模块的输出端依次经由快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块和发射射频模块与发射天线相连；所述接收器主要由接收天线、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、子载波分组模块、MFSK解调模块、MDPSK解调模块、MDAPSK解调模块及接收并串转换模块构成；接收天线连接在接收射频模块的输入端上，接收射频模块的输出端依次经由同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块与子载波分组模块的输入端相连，子载波分组模块的3个输出端分别连接MFSK解调模块、MDPSK解调模块和MDAPSK解调模块的输入端，MFSK解调模块、MDPSK解调模块的MDAPSK解调模块输出端共同连接在接收并串转换模块的输入端上。一种车载无线发射器，主要由发射串并转换模块、MFSK调制模块、MDPSK调制模块、MDAPSK调制模块、子载波组合模块、快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块、发射射频模块和发射天线构成；发射串并转换模块的3个输出端分别连接MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输入端，MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输出端共同连接至子载波组合模块的输入端，子载波组合模块的输出端依次经由快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块和发射射频模块与发射天线相连。一种车载无线接收器，主要由接收天线、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、子载波分组模块、MFSK解调模块、MDPSK解调模块、MDAPSK解调模块及接收并串转换模块构成；接收天线连接在接收射频模块的输入端上，接收射频模块的输出端依次经由同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块与子载波分组模块的输入端相连，子载波分组模块的3个输出端分别连接MFSK解调模块、MDPSK解调模块和MDAPSK解调模块的输入端，MFSK解调模块、MDPSK解调模块的MDAPSK解调模块输出端共同连接在接收并串转换模块的输入端上。与现有技术相比，本实用新型具有如下特点:(I)采用OFMD混合调制以满足不同业务对QOS的要求。针对行车状态业务数据、车厢监控信息及旅客上网等三种业务对QOS的要求不同，采用频移键控(FSK)调制方式传输业务I数据，以实现较高误码率性能，采用差分相位调制(DPSK)调制方式传输业务2数据，实现较高数据传输速率及较好误码率性能，采用差分幅度相位调制(DAPSK)调制方式传输业务3数据，以实现极高数据传输速率。因此，该OFDM混合调制方法可在车辆高速移动中同时满足三种传输业务的要求。(2)采用非相干检测方法无需信道估计。OFDM混合调制方式采用MFSK、MDPSK及MDAPSK，与传输方法中采用PSK及QAM调制不同，用子载波的频率、频率域幅度及相差分来携带信息，接收器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，与传统OFDM相比，可极大简化接收机硬件复杂度。(3)对多普勒频偏有较好的稳健性。由于采用非相干解调的接收技术，利用子载波频率域差分传递信息，多普勒频偏对无线传输系统的影响比传统的相干OFDM要小得多。
图1为一种宽带OFDM混合调制的无线传输系统(包括发射器和接收器)框图。[0021 ]图2为OFDM混合调制的原理结构图。图3为16DAPSK采用2DASK和8DPSK相结合的调制方式的调制星座图。图4为高斯信道中0FDM-8FSK、0FDM-4DPSK、0FDM-16DAPSK接收误比特率曲线。图5为莱斯时变信道下0FDM-8FSK接收误比特率曲线。图6为莱斯时变信道下0FDM-4DPSK接收误比特率曲线。图7为莱斯时变信道下0FDM-16DAPSK接收误比特率曲线。
具体实施方式
—种车载无线传输系统，如图1所示，包括有发射器和接收器。所述发射器主要由发射串并转换模块、MFSK调制模块、MDPSK调制模块、MDAPSK调制模块、子载波组合模块、快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块、发射射频模块和发射天线构成。行车状态业务数据、车厢监控信息数据和旅客上网业务数据从发射串并转换模块的3个输入端输入，发射串并转换模块的3个输出端分别连接MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输入端，MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输出端共同连接至子载波组合模块的输入端，子载波组合模块的输出端依次经由快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块和发射射频模块与发射天线相连。发射串并转换模块:根据三种业务的MFSK、MDPSK及MDAPSK调制阶数将串行数字
基带信号转换成三路速率较低的并行数字基带信号。MFSK调制模块:将业务I即行车状态业务数据的基带信号进行MFSK调制映射，即将时域基带信号转换成频域由子载波频率构成的基带信号。MDPSK调制模块:将业务2即车厢监控信息数据的基带信号进行MDPSK调制映射，即将时域基带信号转换成频域由子载波频率差分相位调制的基带信号。MDAPSK调制模块:将业务3即旅客上网业务数据的基带信号进行MDAPSK调制映射，即将时域基带信号转换成频域由子载波幅度及相位差分调制的基带信号。[0033]子载波组合模块:将三种业务调制后的频域基带调制信号进行组合，构成混合调制的OFDM频率域基带信号。快速傅里叶逆变换(IFFT)模块:将混合调制的OFDM调制模块输出的频域信号转换成OFDM符号的时域信号。循环前缀(CP)插入模块:在IFFT模块输出的OFDM符号前插入CP。发射并串转换模块: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，经过功率放大后送发射天线发射。所述接收器主要由接收天线、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、子载波分组模块、MFSK解调模块、MDPSK解调模块、MDAPSK解调模块及接收并串转换模块构成。接收天线连接在接收射频模块的输入端上，接收射频模块的输出端依次经由同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块与子载波分组模块的输入端相连，子载波分组模块的3个输出端分别连接MFSK解调模块、MDPSK解调模块和MDAPSK解调模块的输入端，MFSK解调模块、MDPSK解调模块的MDAPSK解调模块输出端共同连接在接收并串转换模块的输入端上，行车状态业务数据、车厢监控信息数据和旅客上网业务数据从接收串并转换模块的3个输出端输出。接收射频模块:将接收天线接收的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。去循环前缀(CP)模块:将接收串并转换模块输出的基带信号去掉CP。快速傅里叶变换(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。子载波分组模块:将频域基带信号分解成业务I即行车状态业务数据、业务2即车厢监控信息数据、以及业务3即旅客上网业务数据频域基带信号。MFSK解调模块:根据MFSK调制映射表，利用非相干解调的方式将子载波频率所携带的业务I即行车状态业务数据信息解调出来。MDPSK解调模块:根据MDPSK调制映射表，利用非相干解调的方式将子载波频率所携带的业务2即车厢监控信息数据信息解调出来。MDAPSK解调模块:根据MDAPSK调制映射表，利用非相干解调的方式将子载波频率所携带的业务3即旅客上网业务数据信息解调出来。接收并串转换模块:将解调出的三种业务的并行基带信号转换成串行基带信号。上述系统所实现的车载无线传输方法，包括如下步骤:在发射端:(I)基带信号串并转换待传输的三种不同业务的数字串行基带信息，业务I即行车状态业务数据根据MFSK调制阶数，业务2即车厢监控信息数据根据MDPSK调制阶数，业务3即旅客上网业务数据根据MDAPSK的调制阶数，分别转换成速率较低的三路并行数字基带信号输出。串并转换和和调制阶数有关，即与每个调制符号携带的信息bit有关。如业务I采用8FSK调制，则每个调制符号携带3bit信息，则串并转换时需要将串行信息每3bit —组进行分组。业务2采用4DPSK，则每调制符号携带2bit信息，需要将串行业务2信息每2bit —组进行分组。业务3采用16DAPSK，则每调制符号携带4bit信息，需要将串行业务3信息每4bit —组进行分组。(2) MFSK 调制映射MFSK调制用于实现业务I的数据传输，是利用不同的子载波频率代表不同的数字信息。将分配给业务I的子载波按照M个相邻子载波为一组进行分组，同一时刻一组中只能有一个子载波频率存在，即M个子载波中同一时刻只能有一个子载波功率不为零，从而
一个分组可调制1g2M bit信息，则MFSK的频带利用率为，可见随着M的增加，MFSK
M
的频带利用率降低，其中M=2及M=4时达到频带利用率最大值，但其误码率随着M的增加而下降，也就是说MFSK能以频带利用率为代价换取较好的误码率性能。(3) MDPSK 调制映射MDPSK调制用于实现业务2的数据传输，是利用前后子载波的相位差来调制信息。分配给业务2传输的子载波组中，可以通过相邻子载波的相位变化调制信息。对于MDPSK调制，子载波Π与子载波fO之间的相位变化可调制1g2M bit信息，子载波f2与子载波f I之间相位的变化也可调制1g2M bit信息，以此类推来传递信息。MDPSK调制的频带利用率随M的增大而增大，但其误码率性能会随M的增大而变差。(4) MDAPSK 调制映射MDAPSK调制用于实现业务`3的数据传输，是利用前后子载波的幅度和相位差来调制信息，其本质上是一种二维差分调制方法。分配给业务3传输的子载波组中，可以通过相邻子载波的幅度及相位变化调制信息。对于MDAPSK调制，子载波Π与子载波fO之间的幅度变化和相位变化可联合调制1g2M bit信息，子载波f2与子载波Π之间幅度及相位的变化也可调制1g2M bit信息，以此类推来传递信息。MDAPSK调制的频带利用率随M的增大而增大，但其误码率性能会随M的增大而变差。(5)子载波组合三种业务的基带数据分别经MFSK、MDPSK及MDAPSK调制映射后，由子载波组合模块根据事先分配原则将三者合并在一起，组成一个完整的OFDM频域基带信号。(6) IFFT 运算三种业务的频域基带信号经子载波组合模块合并，将合并生成的OFDM频域基带信号送IFFT模块进行运算，转换成OFDM符号的时域信号。(7)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。(8)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。(9)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。(10)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。(11)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。(12) 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。(13)子载波分组经FFT运算后的OFDM频域基带信号，按照组合原则将三种业务的频域基带信号分离开，送解调模块分别进行解调。(14) MFSK 解调根据MFSK调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携带的业务I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。(15) MDPSK 解调 根据MDPSK调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携带的业务2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。(16) MDAPSK 解调根据MDAPSK调制映射表，利用非相干解调的方式将OFDM子载波频率所携带的业务3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。(17)并串转换将三种业务解调后的并行信息进行并串转换，还原出串行的三种业务信息。下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步说明。对于OFDM混合调制系统，取OFDM子载波256个，其中使用160个子载波传输信息，将16个子载波分配给业务I传输数据，将64个子载波分配给业务2传输数据，将80个子载波分配给业务3传输数据，一个OFDM混合结构如图2所示。对于业务I数据传输采用8FSK调制，将使用的16个子载波每8个一组分成2组，8FSK依靠载波的频率携带信息，每一组子载波的频率可以调制3bit信息，两组共可调制6bit信息，一个8FSK调制映射表如下:
权利要求1.车载无线传输系统，包括有发射器和接收器，其特征是: 所述发射器主要由发射串并转换模块、MFSK调制模块、MDPSK调制模块、MDAPSK调制模块、子载波组合模块、快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块、发射射频模块和发射天线构成； 发射串并转换模块的3个输出端分别连接MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输入端，MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输出端共同连接至子载波组合模块的输入端，子载波组合模块的输出端依次经由快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块和发射射频模块与发射天线相连； 所述接收器主要由接收天线、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、子载波分组模块、MFSK解调模块、MDPSK解调模块、MDAPSK解调模块及接收并串转换模块构成； 接收天线连接在接收射频模块的输入端上，接收射频模块的输出端依次经由同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块与子载波分组模块的输入端相连，子载波分组模块的3个输出端分别连接MFSK解调模块、MDPSK解调模块和MDAPSK解调模块的输入端，MFSK解调模块、MDPSK解调模块的MDAPSK解调模块输出端共同连接在接收并串转换模块的输入端上。
2.车载无线发射器，其特征是:主要由发射串并转换模块、MFSK调制模块、MDPSK调制模块、MDAPSK调制模块、子载波组合模块、快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块、发射射频模块和发射天线构成； 发射串并转换模块的3个输出端分别连接MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输入端，MFSK调制模块、MDPSK调制模块和MDAPSK调制模块的输出端共同连接至子载波组合模块的输入端，子载波组合模块的输出端依次经由快速傅里叶逆变换模块、循环前缀插入模块、发射并串转换模块和发射射频模块与发射天线相连。
3.车载无线接收器，其特征是:主要由接收天线、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、子载波分组模块、MFSK解调模块、MDPSK解调模块、MDAPSK解调模块及接收并串转换模块构成； 接收天线连接在接收射频模块的输入端上，接收射频模块的输出端依次经由同步模块、接收串并转换模块、去循环前缀模块、快速傅里叶变换模块与子载波分组模块的输入端相连，子载波分组模块的3个输出端分别连接MFSK解调模块、MDPSK解调模块和MDAPSK解调模块的输入端，MFSK解调模块、MDPSK解调模块的MDAPSK解调模块输出端共同连接在接收并串转换模块的输入端上。
专利摘要本实用新型公开一种车载无线传输系统、发射器和接收器，其采用了一种高速移动环境下车载宽带无线通信系统OFDM混合调制技术，在发射器根据不同业务对QOS的要求不同，将OFDM子载波进行相应的分组，对于行车状态业务数据采用频移键控调制方式以实现较好误码率性能，对于车厢监控信息数据采用差分相位调制方式，对于旅客上网业务数据采用差分幅度相位调制方式，在接收器采用非相干检测接收技术，因而无需进行信道估计，可在车辆高速移动中同时满足三种传输业务的要求。本实用新型能够同时考虑三种传输业务对QOS的不同要求，以实现高速移动环境下宽带无线传输的不同需求。
文档编号H04L25/02GK202979012SQ201220678798
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者谢跃雷, 欧阳缮, 韩科委, 丁勇, 晋良念, 陈紫强, 刘庆华, 肖海林, 蒋俊正 申请人:桂林电子科技大学