CN104168243A - 基于tdcs系统的信号发送方法和信号接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于TDCS系统的信号发送和信号接收方法，所述方法包括：利用基于对第一环境频谱采样而获得的第一频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由N/2个序列单元组构成的第一随机相位复序列，获得第一频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，N等于对第一环境频谱采样的采样点的个数；通过对第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形；将待传送的比特数据依次取i位后，再依照最右位最高位原则，分别获得与所i位待传送的比特数据对应的十进制映射值，其中，i＝log₂(N/2)；基于所述十进制映射值，获得发射信号，并利用正交频分复用发射模块将发射信号进行发射。

Description

基于TDCS系统的信号发送方法和信号接收方法

技术领域

本发明涉及变换域通信领域，尤其是涉及基于TDCS系统的信号发送方法和信号接收方法。

背景技术

随着无线通信的快速发展，频谱资源的利用越来越紧张，变换域通信系统(TransformDomain Communication System，TDCS)作为认知无线电(Cognitive Radio，CR)的一种备选技术，能够实现对频谱资源的合理利用。

TDCS通过检测当前频段的利用情况，在频域合成相应的基础调制波形(FundamentalModulation Waveform，FMW)，再基于FMW加载数据，从而既能够避免影响当前使用的用户，又能够有效利用当前空闲频段进行通信传输。TDCS中包含两个关键的技术：伪随机相位匹配技术(Pseudo Phase Mapping，PPM)和循环移位调制技术(Cyclic Code Shift Keying，CCSK)。PPM使本地FMW具有类似嗓声的良好自相关和互相关特性，适合多用户传输，而CCSK使得调制解调过程只需简单的傅里叶变换，简化了操作，并有效提高了抗截获性能。

在现有技术中，TDCS系统的发送端包括频谱采样估计模块、随机相位匹配模块、IFFT模块、CCSK调制模块和射频发射模块，而,TDCS系统的接收端包括FFT模块、去随机相位模块、IFFT模块、信号检测判决与CCSK解调模块。

其中，发送端的数据处理过程包括如下步骤：

1)频谱采样模块对环境频谱采样，并将采样结果与预设阈值进行比较，高于或等于阈值时，置1，反之，置0，从而得到频谱遮罩序列A＝[A₀，A₁，...，A_N-1]，其中，此序列中的元素为0或1，N为采样点数，同FMW序列长度。

2)同时，随机相位匹配模块产生一组具有伪随机噪声统计特性的N长随机序列Ω(如m序列)，将Ω与A逐项相乘，得到N长频域基础波形矢量B＝A*Ω，其中，“*”为逐点相乘运算符，B中第k个元素

3)将B乘以归一化因子λ，然后通过IFFT模块，从而得到时域基础调制波形其中，为IFFT符号，N_c为A中取值为1的点数。将b存储起来，以备后续CCSK调制使用。

4)在CCSK调制模块中，每次取k比特数据，其中，k＝log₂(M_c)，M_c为调制阶数，不失一般性，令M_c＝N。再，按照最右位、最高位原则，得到该k比特数据的十进制表示S。由于CCSK调制实质上是对时域FMW序列进行S个单位的循环移位，因此，其频域对应等效操作为乘以一个相位因子e^(-j2πSk/N)。

5)综上，TDCS系统的发射信号序列x[n]可以表示为：

$x\left[n\right]=\mathrm{\λ}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{A_k{e}^{{\mathrm{jm}}_k}{e}^{(-j2\mathrm{\πSk}/N)}\right\}{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N}$

其中，n＝0,1,...,N-1。最后，将上述发射信号经过常规射频发射模块进行发射，从而完成发送端的工作。

而，接收端的数据处理过程包括如下步骤：

1)首先，将接收信号r经过一个FFT模块，得到频域接收信号

2)频谱采样模块和去随机相位模块进行与发送端相同的工作，得到并存储与发送端相同的频域矢量B，再对其取共轭，并与逐项相乘，完成随机相位去除。

3)将上述结构通过一个IFFT模块，得到时域的周期相关函数(Periodic CorrelationFunction，PCF)矢量y，用于检测判决，y可以表示为：

其第τ项元素为：

$y\left[\mathrm{\τ}\right]=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{2}}{A_k}^2\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{(-j2\mathrm{\πSk}/N)}\right\}{e}^{j2\mathrm{\πk\τ}/N}$

由FFT变换的性质可知，其时域波形是一个类冲激的形状。

4)在解调检测模块中，取y[τ]的实部，找到最大值的下标即为

$\tilde{S}=\underset{\mathrm{\τ}\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}}{\arg \max }\left\{\mathrm{Real}\left(y\right[\mathrm{\τ}\left]\right)\right\}$

5)再将反映射，得到k位比特数据，即完成了判决解调，对比前后比特数据，即可得BER性能。

但是，现有技术的TDCS系统中，往往存在子载波间干扰，尤其是载波频率偏移(CarrierFrequency Offset，CFO)干扰。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供基于TDCS系统的信号发送方法，应用于所述系统的发射端，所述方法包括：

利用基于对第一环境频谱采样而获得的第一频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由N/2个序列单元组构成的第一随机相位复序列，获得第一频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，N等于对第一环境频谱采样的采样点的个数；

通过对第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形；

将待传送的比特数据依次取i位后，再依照最右位最高位原则，分别获得与所述i位待传送的比特数据对应的十进制映射值，其中，i＝log₂(N/2)；

基于所述十进制映射值，获得发射信号，并利用正交频分复用发射模块将发射信号进行发射。

进一步的，获得第一频谱遮罩序列，具体为：

通过对第一环境频谱采样，并将采样结果与预设阈值比较，获得第一频谱遮罩序列。

进一步的，获得时域的基础调制波形，具体包括：

通过将所述第一频域基础波形矢量乘以归一化因子，对第一频域基础波形矢量归一化；

对归一化的第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形。

进一步的，所述归一化因子其中，N_c为第一频谱遮罩序列中取值为1的点的个数。

基于同一发明构思，本申请提供基于TDCS系统的信号接收方法，应用于所述系统的接收端，所述方法包括：

利用正交频分复用接收模块进行信号的接收，获得接收信号；

通过快速傅里叶变换，将接收信号变换到频域，获得第一频域接收信号；

利用最小均方误差均衡器消除第一频域接收信号的码间干扰，获得第二频域接收信号；

将获得的第二频域基础波形矢量的共轭与第二频域接收信号逐项相乘，去除第二频域基础波形矢量的随机相位，其中，利用基于对第二环境频谱采样而获得的第二频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由P/2个序列单元组构成的第二随机相位复序列，获得第二频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，P等于对第二环境频谱采样的采样点的个数；

通过快速傅里叶逆变换，将去除随机相位的第二频域基础波形矢量变换到时域，获得周期相关函数矢量；

利用解调检测模块，获取周期相关函数矢量的绝对值，并获取所述绝对值中最大值对应的序列号；

将所述序列号反射成比特数据，从而完成解调。

进一步的，在去除第二频域基础波形矢量的随机相位之前，所述方法还包括：

获取第二频域基础波形矢量。

进一步的，所述第二频域基础波形矢量与所述系统的发射端的第一频域基础波形矢量相同。

本发明的有益效果是：发送端在随机相位生成时，首先随机生成FMW序列长度一半的相位，同时将每个相位取反，之后再间隔插入已生成的随机相位中，最后得到FMW序列长度的随机相位，再利用CCSK方式调制，对时域FMW进行循环移位，最后已调FMW发送出去，同样地，接收端在去随机相位处理时，产生的随机相位与发送端方法一样，得到FMW序列长度的随机相位，在解调检测模块时，取时域的周期相位函数矢量的绝对值，找到最大值的下表，完成判决解调，本申请通过自消除，抑制了子载波间干扰，尤其是CFO干扰，提高了系统的性能。

附图说明

图1是本发明基于TDCS系统的信号发送方法的流程图；

图2是本发明基于TDCS系统的信号接收方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。

基于TDCS系统的信号发送方法，应用于所述系统的发射端，所述方法包括：利用基于对第一环境频谱采样而获得的第一频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由N/2个序列单元组构成的第一随机相位复序列，获得第一频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，N等于对第一环境频谱采样的采样点的个数；通过对第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形；将待传送的比特数据依次取i位后，再依照最右位最高位原则，分别获得与所述i位待传送的比特数据对应的十进制映射值，其中，i＝log₂(N/2)；基于所述十进制映射值，获得发射信号，并利用正交频分复用发射模块将发射信号进行发射。

基于TDCS系统的信号接收方法，应用于所述系统的接收端，所述方法包括：利用正交频分复用接收模块进行信号的接收，获得接收信号；通过快速傅里叶变换，将接收信号变换到频域，获得第一频域接收信号；利用最小均方误差均衡器消除第一频域接收信号的码间干扰，获得第二频域接收信号；将获得的第二频域基础波形矢量的共轭与第二频域接收信号逐项相乘，去除第二频域基础波形矢量的随机相位，其中，利用基于对第二环境频谱采样而获得的第二频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由P/2个序列单元组构成的第二随机相位复序列，获得第二频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，P等于对第二环境频谱采样的采样点的个数；通过快速傅里叶逆变换，将去除随机相位的第二频域基础波形矢量变换到时域，获得周期相关函数矢量；利用解调检测模块，获取周期相关函数矢量的绝对值，并获取所述绝对值中最大值对应的序列号；将所述序列号反射成比特数据，从而完成解调。

发送端在随机相位生成时，首先随机生成FMW序列长度一半的相位，同时将每个相位取反，之后再间隔插入已生成的随机相位中，最后得到FMW序列长度的随机相位，再利用CCSK方式调制，对时域FMW进行循环移位，最后已调FMW发送出去，同样地，接收端在去随机相位处理时，产生的随机相位与发送端方法一样，得到FMW序列长度的随机相位，在解调检测模块时，取时域的周期相位函数矢量的绝对值，找到最大值的下表，完成判决解调，本申请通过自消除，抑制了CFO干扰，提高了系统的性能。

在本申请中，基于TDCS系统的信号发送方法，应用于TDCS系统中，尤其是应用于基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)收发机的TDCS系统，所述信号发送方法具体应用于所述TDCS系统的发射端，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：利用基于对第一环境频谱采样而获得的第一频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由N/2个序列单元组构成的第一随机相位复序列，获得第一频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，N等于对第一环境频谱采样的采样点的个数。

具体的，通过对第一环境频谱采样，并将采样结果与预设阈值比较，获得第一频谱遮罩序列，同时，利用随机相位匹配模块产生一组具有伪随机噪声统计特性的第一随机相位复序列，如m序列，其中，第一随机相位复序列是由序列单元组构成的，而序列单元组由互为相反数的相位获得，即(m_k,-m_k)，序列单元组为且序列单元组的个数为N等于第一环境频谱的采样点的个数，从而，第一随机相位复序列为：

$\mathrm{\Ω}=[e^{{\mathrm{jm}}_0},e^{-{\mathrm{jm}}_0},e^{{\mathrm{jm}}_1},e^{-{\mathrm{jm}}_1}...,e^{{\mathrm{jm}}_{\frac{N}{2}-1}},e^{-{\mathrm{jm}}_{\frac{N}{2}-1}}].$

在具体实施过程中，当采样结果大于等于预设阈值时，置1，反之，置0，从而得到第一频谱遮罩序列A＝[A₀，A₁，...，A_N-1]，其中，第一频谱遮罩序列中的元素为0或1，第一频域基础波形矢量B＝A*Ω，具体的，第一频域基础波形矢量中第k个元素为：k从0取到表示向下取整。

在完成步骤101之后，本申请执行步骤102：

通过对第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域基础调制波形。

具体的，步骤102包括：

通过将所述第一频域基础波形矢量乘以归一化因子，对第一频域基础波形矢量归一化；

对归一化的第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形。

在具体实施过程中，将B乘以归一化因子λ，其中，N_c为第一频谱遮罩序列A中取值为1的点的个数。再通过快速傅里叶逆变换(IFFT)模块，最后得到时域基础调制波形

在完成步骤102之后，本申请执行步骤103：

将待传送的比特数据依次取i位后，再依照最右位最高位原则，分别获得与所述i位待传送的比特数据对应的十进制映射值，其中，i＝log₂(N/2)。

在具体实施过程中，在CCSK调制模块中，将待传送的每次取i位，其中，i＝log₂(M′_c)，M′_c为调制阶数，与传统的TDCS系统相比，按最右位最高位原则，得到这i位比特数据的十进制映射值S′。由于CCSK调制实质是对时域FMW进行S′个单位的循环移位，因此，其频域对应等效操作为乘以一个相位因子e^{(-j2πS′i/N)}，而S′的取值范围为

在完成步骤103之后，本申请执行步骤104：

基于所述十进制映射值，获得发射信号，并利用正交频分复用发射模块将发射信号进行发射。

在具体实施过程中，发射信号其中，n＝0,1,...,N-1。再，利用OFDM发射模块将发射信号进行发射，从而完成发射端的工作。

需要说明的是，常规OFDM发射模块包括IFFT、加CP、加窗、并/串转换、DAC、射频发射等。

在本申请中发送端在随机相位生成时，首先随机生成FMW序列长度一半的相位，同时将每个相位取反，之后再间隔插入已生成的随机相位中，最后得到FMW序列长度的随机相位。再利用CCSK方式调制时，对时域FMW进行循环移位，循环移位量为传统方法的一般，最后将已调FMW发送出去。

基于同一发明构思，本申请的基于TDCS系统的信号接收方法，应用于所述TDCS系统的接收端，如图2所示，所述方法包括：

步骤201：利用正交频分复用接收模块进行信号的接收，获得接收信号。

在具体实施过程中，首先，对经过信道作用的到达信号进行常规的OFDM接收，具体包括常用的射频接收、ADC、去CP、串/并转换等，并完成定时/频率同步和信道估计。最后，获得接收信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]，而假设信道模型包含多经信道和高斯信道，则有：r＝h*x+w，其中，*为时域卷积操作，h＝[h₀,h₁,...,h_N-1]为多经信道的时域响应矢量，w＝[w₀,w₁,...,w_N-1]表示高斯噪声矢量。

在完成步骤201之后，本申请执行步骤202：

通过快速傅里叶变换，将接收信号变换到频域，获得第一频域接收信号。

在完成步骤202之后，本申请执行步骤203：

利用最小均方误差均衡器消除第一频域接收信号的码间干扰，获得第二频域接收信号。

在具体实施过程中，将r进行FFT变换，再经过一个最小均方误差(Minimum Mean SquareError，MMSE)均衡器，以消除码间干扰的影响，即ISI，从而获得由均衡器输出的第二频域接收信号D＝[D₀,D₁,...,D_N-1]，其第k项为：

$D_k=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{2}}{G}_k{H}_k\left\{A_k{e}^{{\mathrm{jm}}_k}(e^{(-j2\mathrm{\π}{S}_{I}k/N)}+j\·e^{(-j2\mathrm{\π}{S}_{Q}k/N)})\right\}+G_k\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{e}^{-j2\mathrm{\πkn}/N}\right)$

其中，H＝[H₀,H₁,...,H_N-1]为多经信道频域响应矢量，G＝[G₀,G₁,...,G_N-1]为均衡器的权值，w_n同样为高斯噪声分量。

在完成步骤203之后，本申请执行步骤204：

将获得的第二频域基础波形矢量的共轭与第二频域接收信号逐项相乘，去除第二频域基础波形矢量的随机相位，其中，利用基于对第二环境频谱采样而获得的第二频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由P/2个序列单元组构成的第二随机相位复序列，获得第二频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，P等于对第二环境频谱采样的采样点的个数。

进一步的，在本申请中，在去除第二频域基础波形矢量的随机相位之前，所述方法还包括：获取第二频域基础波形矢量。

在具体实施过程中，与上述发射端合成第一频域基础波形矢量B相同的方法，获得第二频域基础波形矢量，具体的，P的值等于N的值，第二频域基础波形矢量与第一频域基础波形矢量相同。

再将B取共轭，并与D逐项相乘，完成随机相位去除。

在完成步骤204之后，本申请执行步骤205：

通过快速傅里叶逆变换，将去除随机相位的第二频域基础波形矢量变换到时域，获得周期相关函数矢量。

在具体实施过程中，将去除随机相位的第二频域基础波形矢量通过IFFT模块，得到时域的周期相关函数矢量y＝[y₀,y₁,...,y_N-1]，用于检测判决，周期相关函数矢量第τ项为：

$y\left[\mathrm{\τ}\right]=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{2}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{G_k{H}_k{A_k}^2{e}^{(-j2\mathrm{\π}{S}^{\′}k/N)}\right\}{e}^{j2\mathrm{\πk\τ}/N}+n_{\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{2}}{R}_{\⟨\mathrm{\τ}-S^{\′}\⟩}+n_{\mathrm{\τ}}$

其中，表示高斯噪声项经过以上处理后的输出，其仍是高斯噪声，而，根据FFT的性质，其时域波形实际上是一个类冲激波形，即检测矢量PCF。

在完成步骤205之后，本申请执行步骤206：

利用解调检测模块，获取周期相关函数矢量的绝对值，并获取所述绝对值中最大值对应的序列号。

在具体实施过程中，取y[τ]的绝对值，找到最大值的序列号，即下标，为具体的：

$\tilde{S}\underset{\mathrm{\τ}\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}}{\arg \max }\left\{\mathrm{abs}\left(y\right[\mathrm{\τ}\left]\right)\right\}.$

在完成步骤206之后，本申请执行步骤207：将所述序列号反射成比特数据，从而完成解调。

在具体实施过程中，将反映射成i比特数据，从而完成判决解调。

而，将前后比特数据进行对比，可的BER性能。

在本申请中，发送端在随机相位生成时，首先随机生成FMW序列长度一半的相位，同时将每个相位取反，之后再间隔插入已生成的随机相位中，最后得到FMW序列长度的随机相位。再利用CCSK方式调制时，对时域FMW进行循环移位，循环移位量为传统方法的一般，最后将已调FMW发送出去。同样地，接收端在去随机相位处理时，产生的随机相位与发送端方法一样，得到FMW序列长度的随机相位。在解调检测模块时，取时域的周期相位函数矢量的绝对值，找到最大值的下表，完成判决解调，对比前后比特数据可得BER性能。本申请通过自消除的方法，抑制了子载波间干扰，尤其是CFO的干扰，提高了系统的性能。

Claims (7)

1.基于TDCS系统的信号发送方法，应用于所述系统的发射端，其特征在于，所述方法包括：

利用基于对第一环境频谱采样而获得的第一频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由N/2个序列单元组构成的第一随机相位复序列，获得第一频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，N等于对第一环境频谱采样的采样点的个数；

通过对第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形；

将待传送的比特数据依次取i位后，再依照最右位最高位原则，分别获得与所述i位待传送的比特数据对应的十进制映射值，其中，i＝log₂(N/2)；

基于所述十进制映射值，获得发射信号，并利用正交频分复用发射模块将发射信号进行发射。

2.如权利要求1所述的基于TDCS系统的信号发送方法，其特征在于，获得第一频谱遮罩序列，具体为：

通过对第一环境频谱采样，并将采样结果与预设阈值比较，获得第一频谱遮罩序列。

3.如权利要求1所述的基于TDCS系统的信号发送方法，其特征在于，获得时域的基础调制波形，具体包括：

通过将所述第一频域基础波形矢量乘以归一化因子，对第一频域基础波形矢量归一化；

对归一化的第一频域基础波形矢量进行快速傅里叶逆变换，获得时域的基础调制波形。

4.如权利要求3所述的基于TDCS系统的信号发送方法，其特征在于，所述归一化因子其中，N_c为第一频谱遮罩序列中取值为1的点的个数。

5.基于TDCS系统的信号接收方法，应用于所述系统的接收端，其特征在于，所述方法包括：

利用正交频分复用接收模块进行信号的接收，获得接收信号；

通过快速傅里叶变换，将接收信号变换到频域，获得第一频域接收信号；

利用最小均方误差均衡器消除第一频域接收信号的码间干扰，获得第二频域接收信号；

将获得的第二频域基础波形矢量的共轭与第二频域接收信号逐项相乘，去除第二频域基础波形矢量的随机相位，其中，利用基于对第二环境频谱采样而获得的第二频谱遮罩序列，以及具有伪随机噪声统计特性且由P/2个序列单元组构成的第二随机相位复序列，获得第二频域基础波形矢量，其中，序列单元组包括互为倒数的两个元素，P等于对第二环境频谱采样的采样点的个数；

通过快速傅里叶逆变换，将去除随机相位的第二频域基础波形矢量变换到时域，获得周期相关函数矢量；

利用解调检测模块，获取周期相关函数矢量的绝对值，并获取所述绝对值中最大值对应的序列号；

将所述序列号反射成比特数据，从而完成解调。

6.如权利要求5所述的基于TDCS系统的信号接收方法，其特征在于，在去除第二频域基础波形矢量的随机相位之前，所述方法还包括：

获取第二频域基础波形矢量。

7.如权利要求5所述的基于TDCS系统的信号接收方法，其特征在于，所述第二频域基础波形矢量与所述系统的发射端的第一频域基础波形矢量相同。