CN103312656B - 在多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于无线通信技术领域多载波频移键控系统中采用压缩频谱进行子载波映射的方法。包括发射端：符号映射，串并变换，压缩子信道载波映射，频‑时变换处理，上变频处理及信号发射；及接收端：信号接收及下变频处理，时‑频变换处理，压缩子信道载波反映射，并串变换，符号反映射。该发明由于采用压缩频谱技术将最小子信道间隔压缩到Δf=α/T_s，使子信道数增为原来的1/α倍，并采用间隔为α·Δf的子信道载波映射；在相同条件下本发明MC‑MFSK系统比常规MC‑MFSK系统的比特信噪比提高1‑1.2dB（相当于提高数据传输能力26‑31%）。因而具有可大幅度提高系统内各子载波频谱及MC‑MFSK系统的频谱利用率，及多载波无线通信的数据传输能力和效率等特点。

Description

在多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体而言是涉及多载波频移键控（MC-MFSK，Multi CarrierM-ary Frequency Shift Keying）系统中采用压缩频谱进行子载波映射的方法。

背景技术

在无线通信技术中，频谱是最宝贵的资源，多载波无线通信技术将串行的高速数据流分配到各子载波上进行并行传输，提高了频谱利用率(即每秒钟、每Hz可以传输的比特数)。然而频谱资源毕竟是有限的，因此提高多载波无线通信技术的频谱利用率是我们坚持不懈的追求目标。

在《基于IFFT/FFT实现的多载波MFSK水声通信方法》（《声学技术》Aug.,2008,Vol.27,No4:231-234，作者：申晓红,王海燕,黄建国）一文中公开了一种基于IFFT/FFT实现的常规MC-MFSK通信的方法。该方法当系统的工作带宽为W，符号周期为T_s，设子载波最小子信道间隔为Δf，则Δf=1/T_s；附图1即为该方法主流程示意图（方框图），其具体的步骤如下：

发射端A

步骤A-1.符号映射：对收到数据序列进行映射处理生成相应的串行数据符号流；

步骤A-2.串并变换：对步骤A-1生成的串行数据符号流经过串并变换处理，生成多路并行的数据符号；

步骤A-3.连续子信道载波映射：对步骤A-2生成的各路并行数据符号分别在各信道上进行连续的子信道载波映射，各连续子信道之间的最小间隔为Δf=1/T_s，得到各相应信道上待发送的载波符号；

步骤A-4.频-时变换处理：对步骤A-3所得各相应信道上所得载波符号进行IFFT（反傅里叶变换）进行频率-时变换处理，然后对频-时变换后的数据取实部，得到基带信号；

步骤A-5.上变频处理及信号发射：对步骤A-4得到的基带信号经上变频处理，再将处理后所得射频信号后发射；

接收端B

步骤B-1.信号接收及下变频处理：对接收到的发射端发出的射频信号进行下变频处理后，得到基带信号；

步骤B-2.时-频变换处理：对步骤B-1所得基带信号进行FFT（傅里叶变换）处理，将时域信号转换为频域的载波符号；

步骤B-3.连续子信道载波反映射：对步骤B-2所得载波符号分别在各信道上进行连续的子信道载波反映射，各连续子信道之间的最小间隔为Δf=1/T_s，得到各相应信道上的数据符号；

步骤B-4.并串变换：对步骤B-3生成的各信道上的数据符号分别经并串转换处理，生成串行数据符号流；

步骤B-5.符号反映射：对步骤B-4所生成的串行数据符号流进行符号反映射得到接收的串行数据流。

从上述方法中可以看出，该MC-MFSK系统虽然利用多路并行传输信号的方法，在一定程度上提高了频谱的利用率，但为了确保每个子载波中的各相邻子信道间隔正交，防此相邻子信道频谱的泄露，则采用子载波中各子信道之间的最小间隔为Δf=1/T_s（T_s为符号周期）的连续子信道载波映射；因而，就各子载波频谱来说其利用率仍然没有得到提高。因此，上述技术仍然存在因单个载波的频谱利用率较低，因而影响到整个MC-MFSK系统频谱利用率及数据传输能力的进一步提高，以及易引起等缺陷。

发明内容

本发明的目的是在背景技术基础上，改进设计一种在多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法，通过提高系统内各单个载波频谱的利用率，以达到进一步提高MC-MFSK系统的频谱利用率，从而有效提高多载波无线通信的数据传输能力和效率等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术为了确保每个子载波上的子信道正交，采用各子信道之间的最小间隔为Δf=1/T_s而带来的各子载波频谱利用率不高的弊病；而将各子信道之间的最小间隔改设为Δf=α/T_s（其中α为频谱压缩率），以提高各子载波上子信道的密度，进而有效提高各子载波频谱的利用率；同时在映射处时将背景技术的连续子信道载波映射，改成间隔为α·Δf的子信道载波映射，使各子信道的峰值与相邻子信道的零点对应，从而确保每个子载波上的子信道仍然正交、以避免由于频谱压缩带来相邻子信道频谱的泄露问题；本发明即以此实现其发明目的。附图2即为本发明方法流程示意图（方框图），因而本发明用于多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法如下：

发射端A

步骤A-1.符号映射：对待发送的数据序列按常规（背景技术）方式进行映射处理，以生成相应的串行数据符号流；

步骤A-2.串并变换：对步骤A-1生成的串行数据符号流经过串并变换处理，生成多路并行的数据符号；

步骤A-3.压缩子信道载波映射：将子信道之间的最小间隔设置为Δf=α/T_s，其中α为频谱压缩率、T_s为符号周期，然后对步骤A-2生成的各路并行数据符号分别在各信道上进行子信道载波映射，子载波各子信道间隔设置为α·Δf，得到各相应信道上待发送的载波符号；

步骤A-4.频-时变换处理：对步骤A-3所得各相应信道上所得载波符号进行IFFT（反傅里叶变换）进行频率-时变换处理，然后对频-时变换后的数据取实部，得到基带信号；

步骤A-5.上变频处理及信号发射：对步骤A-4得到的基带信号经上变频处理，再将处理后所得射频信号后发射；

接收端B

步骤B-1.信号接收及下变频处理：对接收到的发射端发出的射频信号进行下变频处理后，得到基带信号；

步骤B-2.时-频变换处理：对步骤B-1所得基带信号进行FFT（傅里叶变换）处理，将时域信号转换为频域的载波符号；

步骤B-3.压缩子信道载波反映射：将子信道之间的最小间隔设置为Δf=α/T_s，对步骤B-2所得载波符号分别在各信道上进行子信道载波反映射，各子信道之间的间隔为α·Δf，得到各相应信道上的数据符号；

步骤B-4.并串变换：对步骤B-3生成的各信道上的数据符号分别经并串转换处理，生成串行数据符号流；

步骤B-5.符号反映射：对步骤B-4所生成的串行数据符号流进行符号反映射得到接收的串行数据流。

在步骤A-3和步骤B-3中所述频谱压缩率α的取值范围为1/4≤α≤1/2。

本发明由于采用压缩频谱技术将背景技术的最小子信道间隔从Δf=1/T_s压缩到Δf=α/T_s，在相同的工作带宽上，子信道数增加为原来的1/α倍，因而在一定的工作频段上就可以有更多可以利用的子信道；为克服子信道经间隔压缩后各子信道的峰值不再与相邻子信道的零点对应、相邻子信道由于不是相互正交而造成相邻子信道出现频谱泄露的问题，本发明在映射处理时则采用间隔为α·Δf的子信道载波映射，从而使各子信道的峰值仍与相邻子信道的零点对应、确保了每个子载波上的子信道仍然正交，从而克服了每个子载波上相邻子信道频谱的泄露问题。在相同条件下本发明MC-MFSK系统比常规MC-MFSK系统的比特信噪比可提高1-1.2dB（即相当于提高数据传输能力26-31%）。因而本发明具有大幅度提高了系统内各个子载波频谱及MC-MFSK系统的频谱利用率，从而有效提高了多载波无线通信的数据传输能力和效率等特点。

附图说明

图1是常规MC-MFSK系统框图；

图2是压缩频谱的MC-MFSK系统框图；

图3是常规的MC-MFSK信号示意图；

图4是本发明实施例1频谱压缩率α=1/2时的MC-MFSK信号示意图；

图5是常规MC-MFSK系统与本发明实施例1、2、3在AWGN信道的仿真运行效果曲线对比示意图（坐标图）。

具体实施方式

实施例1：

系统工作频段为：短波频段（2～30MHz）中的11MHz～11.32MHz为工作频段；

子信道最小间隔：选取T_s=200μs，压缩率α=1/2，子信道最小间隔为α/T_s=2.5KHz，均匀选取N=(11.32-11)MHz/2.5KHz=128个子信道作为本实施方式中信号发射与接收的工作频段；

每个子载波携带的数据比特数（BPC，Bit Per Carrier）：4bit；

每个子载波的子信道数：M=2^BPC=16；

工作频段上的子载波数：m=N/M=8；

信源数据：以10000000个随机生成的二进制比特数据作为信源，每32bit作为1个信源数据包；

无线信道环境：在短波衰落信道中进行。

本实施例具体映射方法为：

发射端A

步骤A-1.符号映射：对待发送的数据序列按常规方式依次进行映射处理；以信源数据包01100101011001111001001111110000为例，由于BPC=4bit，数据转换模块将信源数据包中每4个二进制比特数据转换成1个十进制原始数据，生成8个原始串行数据符号流[6，5，6，7，9，3，15，0]；

步骤A-2.串并变换：对步骤A-1生成的串行数据符号流[0，1，1，0，0，1，0，1]经过串并变换处理，生成多路并行的数据符号 $\left[\begin{array}{c}6\\ 5\\ 6\\ 7\\ 9\\ 3\\ 15\\ 0\end{array}\right];$

步骤A-3.压缩子信道载波映射：子信道最小间隔为2.5KHz，每个子载波上子信道的间隔为5KHz，第0个数据符号6在信道0的M（本实施例中M=16）个子信道[0,2,4,…,28,30]上生成M元FSK信号，即待发送的载波符号f_0×32+2×6=f₁₂；第1个符号5在信道1的16个子信道[1,3,5,…,29,31]上生成载波符号f_0×32+1+2×5=f₁₁，依次类推第15个符号0在信道15的16个子信道[97,99,101,…,125,127]上生成载波符号f_3×32+1+2×0=f₉₇，最后经间隔为1/T_s的子信道载波映射后的载波符号为f₁₂、f₁₁、f₄₄、f₄₇、f₈₂、f₇₁、f₁₂₆和f₉₇。

步骤A-4.频-时变换处理：对步骤A-3所得各信道上的载波符号通过IFFT处理进行频-时变换处理，然后对频-时变换后的数据取实部，得到基带信号，分别为cos2πf₁₂、cos2πf₁₁、cos2πf₄₄、cos2πf₄₇、cos2πf₈₂、cos2πf₇₁、cos2πf₁₂₆和cos2πf₉₇，其中f₀为基带零频信号；

步骤A-5.上变频处理及信号发射：对步骤A-4所得基带信号经上变频处理，再将处理后所得射频信号在8个载波频率：11.03MHz、11.0275MHz、11.11MHz、11.1175MHz、11.205MHz、11.1775MHz、11.315MHz和11.2425MHz共8个载波频率发射；

接收端B

步骤B-1.信号接收及下变频处理：对接收到的发射端发出的8个射频载波信号11.03MHz、11.0275MHz、11.11MHz、11.1175MHz、11.205MHz、11.1775MHz、11.315MHz和11.2425MHz共8个载波频率进行下变频处理后得到基带信号cos2πf₁₂、cos2πf₁₁、cos2πf₄₄、cos2πf₄₇、cos2πf₈₂、cos2πf₇₁、cos2πf₁₂₆和cos2πf₉₇；

步骤B-2.时频变换处理：对步骤B-1所得基带信号进行FFT处理，将时域信号转换为频域的载波符号f₁₂、f₁₁、f₄₄、f₄₇、f₈₂、f₇₁、f₁₂₆和f₉₇；

步骤B-3.压缩子信道载波反映射：子信道最小间隔为2.5KHz，每个子载波上子信道的间隔为5KHz，对步骤B-2所得载波符号分别在各信道上进行压缩的子信道载波反映射，得到各相应信道上的数据符号码 $\left[\begin{array}{c}6\\ 5\\ 6\\ 7\\ 9\\ 3\\ 15\\ 0\end{array}\right];$

步骤B-4.并串变换：对步骤B-3生成的各信道上的数据符号分别经并串转换处理，生成串行数据符号流[6,5,6,7,9,3,15，0]；

步骤B-5.符号反映射：对步骤B-4所生成的串行数据符号流进行符号反映射处理后，即得发射端所发射的数据序列0110 0101 0110 0111 1001 0011 1111 0000。

在相同传输条件、误比特率均为1×10^-4时，经仿真运行：本实施例MC-MFSK系统（BPC=4，M=16）的比特信噪比性能较常规MC-MFSK系统（BPC=3，M=8）提高1dB（相当于提高数据传输能力26%）；其仿真运行效果曲线对比参见图5所示相应部分。

实施例2：

本实施例频谱压缩率α=1/4，此时在压缩频谱的MC-MFSK系统中BPC=5，M=32；其余均与实施例1相同；经仿真运行：本实施例MC-MFSK系统的比特信噪比性能较常规MC-MFSK系统提高1.2dB（相当于提高数据传输能力31%）；其仿真运行效果曲线对比亦参见图5所示的相应部分。

实施例3：

本实施例频谱压缩率α=1/8，此时在压缩频谱的MC-MFSK系统中BPC=6，M=64；其余均与实施例1相同；经仿真运行：本实施例MC-MFSK系统的比特信噪比性能较常规MC-MFSK系统提高1.21dB；仿真运行效果曲线对比亦参见图5所示的相应部分。

此时由于多个载波间的干扰增加，其多载波频移键控系统的数据传输能力的提高率受限即较实施例2仅提高了0.01dB，其意义不大；因而本发明最佳频谱压缩率为1/4≤α≤1/2。

Claims (2)

1.一种在多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法，其方法为：

发射端A

步骤A-1.符号映射：对待发送的数据序列按常规方式进行映射处理，以生成相应的串行数据符号流；

步骤A-2.串并变换：对步骤A-1生成的串行数据符号流经过串并变换处理，生成多路并行的数据符号；

步骤A-3.压缩子信道载波映射：将子信道之间的最小间隔设置为Δf＝α/T_s，其中α为频谱压缩率、T_s为符号周期，然后对步骤A-2生成的各路并行数据符号分别在各信道上进行子信道载波映射，子载波各子信道间隔设置为α·Δf，得到各相应信道上待发送的载波符号；

步骤A-4.频-时变换处理：对步骤A-3所得各相应信道上所得载波符号进行IFFT频-时变换处理，然后对频-时变换后的数据取实部，得到基带信号；

步骤A-5.上变频处理及信号发射：对步骤A-4得到的基带信号经上变频处理，再将处理后所得射频信号发射；

接收端B

步骤B-1.信号接收及下变频处理：对接收到的发射端发出的射频信号进行下变频处理后，得到基带信号；

步骤B-2.时-频变换处理：对步骤B-1所得基带信号进行FFT处理，将时域信号转换为频域的载波符号；

步骤B-3.压缩子信道载波反映射：将子信道之间的最小间隔设置为Δf＝α/T_s，对步骤B-2所得载波符号分别在各信道上进行子信道载波反映射，各子信道之间的间隔为α·Δf，得到各相应信道上的数据符号；

步骤B-4.并串变换：对步骤B-3生成的各信道上的数据符号分别经并串转换处理，生成串行数据符号流；

步骤B-5.符号反映射：对步骤B-4所生成的串行数据符号流进行符号反映射得到接收的串行数据流。

2.按权利要求1所述在多载波频移键控系统中采用压缩频谱的子载波映射方法，其特征在于步骤A-3和步骤B-3中所述频谱压缩率α的取值范围为1/4≤α≤1/2。