CN104202289B - 一种用于短距离无线通信的抗iq不平衡失真的信号判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，它包括以下多个步骤：S1：基于网格化计算聚类质心；S2：分别计算信号点与各聚类质心的欧式距离，为每个信号点选取最短距离所对应的聚类编号；S3：对每一簇的信号点进行求平均，计算出下次迭代使用的聚类质心；S4：计算新质心与原质心的差值平方和，并判断迭代是否结束，若需继续迭代，则返回步骤S2。本发明简化了短距离无线通信系统中发送机的结构，发送机无需进行预失真或校正与补偿IQ不平衡失真，简化了无线发送模块的电路与结构，能够在保证通信速率的同时降低无线传感节点的体积与功耗；将改进的网格K‑means聚类算法用于接收机信号的聚类判决，迭代次数较少，算法可快速收敛。

Description

一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法

技术领域

本发明涉及短距离无线通信技术领域，特别是涉及一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法。

背景技术

无线通信的飞速发展给人们的生活带来了巨大的影响，以短距离无线通信为基础的无线传感网(WSN)和无线体域网(WBAN)的广泛研究与应用，正在极大地推动着社会生活的改变和产业技术的变革。在无线传感网和无线体域网中，传感节点都具有体积小、计算能力受限、电源能量有限等特点，为了有效延长电池寿命，避免频繁更换电池，无线传感节点对功耗有着严格的要求。

随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块功耗变得越来越低，无线传感节点的大部分能量都消耗在无线通信模块上。如何在保证通信质量的前提下进一步降低无线节点的功耗成为了一个研究的热点。

无线传感节点由于应用的不同传输速率也会有很大的不同，从几Kbit/s的简单数据到几Mbit/s的视频数据均有可能，但其相同点是通信模块活动状态下的功耗比待机状态下的功耗都要大得多。为了在获得较高传输速率的同时降低平均功耗，应该尽量降低无线发送模块的占空比，为此可采用高阶调制最大化能量利用率。然而目前的短距离无线传感节点大多采用BPSK或者QPSK等低阶调制方式，原因在于高阶调制(如16QAM、64QAM等)中发送模块硬件电路制造的缺陷将导致IQ支路不平衡失真等因素也使得高阶调制的性能加剧恶化。为克服IQ不平衡失真，传统方法在通信系统的发送端进行补偿处理或预失真处理，这些方法增加了发送端电路的复杂度或功耗，在发送端对体积和功耗有着严格限制时并不适用。

在WSN和WBAN的很多应用场景中，网络结构仅由感知并上传信息的传感节点和接收并处理信息的中央基站(Base Station,BS)节点组成。中央基站节点与传感节点相比具有较强的计算能力与充足的能量，而WSN和WBAN对通信实时性的要求又低于传统的移动通信，使得在BS端采用耗时较长的复杂接收/解调判决算法成为可能。

IQ不平衡失真包括增益不平衡、相位不平衡和直流偏移三个部分。

以正交调制器为例，输入到正交调制器的两路信号的增益通常存在着一定差异，这就造成了增益不平衡失真；正交调制器中需要两路完全正交的载波信号，然而当载波信号分离器将本振信号分离成两路相位相差90度的载波信号时，实际硬件电路中要达到完全精确的90度几乎是不可能的，该相位误差就是相位不平衡失真；正交调制器还存在着载波泄露，本振信号会泄露到射频输出端，从而造成直流偏移误差。与正交调制器产生IQ失真的原理相似，正交解调器也存在着IQ不平衡失真。

以发送端为例对IQ不平衡失真进行建模，设输入的正交信号为x(t)＝x_i(t)+jx_q(t)，α和β分别表示I路和Q路信号各自的增益，d_i和d_q为直流偏移。为简化分析，可将相位误差θ全部归结到正交支路，经正交上变频调制后的射频信号可以表示为：

y(t)＝α[x_i(t)+d_i]cos(2πft)+β[x_q(t)+d_q]sin(2πft+θ)

＝{α[x_i(t)+d_i]+βsinθ[x_q(t)+d_q]}cos(2πft)

+βcosθ[x_q(t)+d_q]sin(2πft)。

由于IQ不平衡失真的引入，导致上变频后的信号出现了失真，可以等效地把失真归到基带信号中，于是基带IQ信号的两个分量可以分别表示为：

v_i＝α[x_i(t)+d_i]+βsinθ[x_q(t)+d_q]

v_q＝βcosθ[x_q(t)+d_q]。

由此可分析得到信号星座的整体形状虽然变化了，但信号星座的聚类特性却没有改变，所以本发明采用改进的基于网格的K-means算法作为高阶QAM信号的判决算法，能在发送端存在较严重的IQ不平衡失真的情况下，获得良好的解调性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，针对短距离无线通信系统中受到IQ不平衡失真的高阶QAM信号，将传统的K-means聚类算法改进为基于网格的K-means聚类算法并用于失真QAM信号的判决，较传统判决方法性能更佳。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，对于正交解调后的I路数据为X_I＝{x_I1,x_I2,...,x_In}，Q路数据为X_Q＝{x_Q1,x_Q2,...,x_Qn}，QAM调制阶数为K，样本个数Ts，所述的抗IQ不平衡失真的信号判决方法包括以下多个步骤：

S1，网格化计算聚类质心：

所述的网格化计算聚类质心步骤包括以下多个子步骤：

S11，边界计算：分析解调后的基带信号，估算数据点分布的四边形区域的范围；

S12，等分网格化：分别对四边形区域的两条边进行多等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到多条不相交的线段，再对该多条线段分别进行同等数量的等分，由此得到一个由所有等分点构成的伪矩形星座；

S13，对比与编号：

将该伪矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的星座映射方式与短距离无线通信的发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同；

S2，信号聚类：分别计算信号点与各聚类质心的欧式距离，为每个信号点选取最短距离所对应的聚类编号；

S3，更新聚类质心：对每一簇的信号点进行求平均，计算出下次迭代使用的聚类质心；

S4，迭代停止判断：计算新质心与原质心的差值平方和，并判断迭代是否结束，若需继续迭代，则返回步骤S2信号聚类步骤。

所述的边界的计算过程为：

分别在四边形区域的四个象限中计算出I路数据X_I与Q路数据X_Q绝对值最大的Ts个样本值，并分别对其Ts个样本求平均，由此计算出四边形区域的四个顶点坐标，定义max_i(H)表示集合H中第i大的数据，Ts的值为向下取整，定义P_m(px_m,py_m)为第m象限的顶点，第m象限的顶点的计算公式为：

所述的等分网格化的过程为：

将四边形区域的边P₁P₄和P₂P₃分别进行M-1等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到M条不相交的线段，再对M条线段分别进行M-1等分，由此得到具有M²个交点的伪矩形星座，M的大小取决于矩形星座排列的行数或列数。

所述的对比与编号的过程为：

将具有M²个交点的矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的方式与发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同，编号后的质心表示为C＝{c₁,c₂,...,c_K}。

所述的信号聚类的过程为：

分别计算信号点X_i(x_Ii,x_Qi)与各聚类质心c_k的欧式距离d(*)，为每个信号点选取最短距离所对应的质心编号为聚类编号，即

所述的更新聚类质心的过程为：

分别对属于每一类的数据点X_i(x_Ii,x_Qi)求平均，计算出新的聚类质心，若N_k为第k类数据点的个数，新质心c_k′计算公式为如下：

所述的迭代停止判断的过程为：

计算新旧质心之间的误差和判断迭代是否结束，若E≤ε，则算法收敛迭代结束并继续下一步，若E＞ε，则返回执行步骤S2和步骤S3后再继续迭代，直至算法收敛，所述的ε为可设置的迭代停止阈值。

本发明的有益效果是：本发明简化了短距离无线通信系统中发送机的结构，发送机无需进行预失真或校正与补偿IQ不平衡失真，简化了无线发送模块的电路与结构，能够在保证通信速率的同时降低无线传感节点的体积与功耗。将改进的网格K-means聚类算法用于接收机信号的聚类判决，迭代次数较少，算法可快速收敛。

本发明针对短距离无线通信系统中受到IQ不平衡失真的高阶QAM信号，将传统的K-means聚类算法改进为基于网格化的K-means聚类算法并用于失真QAM信号的判决，较传统判决方法性能更佳。

附图说明

图1为传统的K-means聚类算法流程图；

图2为本发明用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号聚类判决方法流程图；

图3为本发明当K＝32时网格化计算聚类质心示意图；

图4为本发明当K＝32时等分网格化求得矩形星座示意图；

图5为本发明当K＝32时对比与编号步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，K-means算法包括以下四个基本步骤：

步骤1：从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；

步骤2：根据每个聚类对象的均值(中心对象)，计算每个对象与这些中心对象的距离；并根据最小距离重新对相应对象进行划分；

步骤3：重新计算每个(有变化)聚类的均值(中心对象)；

步骤4：计算标准测度函数，当满足一定条件，如函数收敛时，则算法终止；如果条件不满足则回到步骤2。

本发明采用改进的基于网格的K-means算法作为高阶QAM信号的判决算法，能在发送端存在较严重的IQ不平衡失真的情况下，获得良好的解调性能。

如图2所示，一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，对于正交解调后的I路数据为X_I＝{x_I1,x_I2,...,x_In}，Q路数据为X_Q＝{x_Q1,x_Q2,...,x_Qn}，QAM调制阶数为K，样本个数Ts，所述的抗IQ不平衡失真的信号判决方法包括以下多个步骤：

S1，网格化计算聚类质心：

所述的网格化计算聚类质心步骤包括以下多个子步骤：

S11，边界计算：分析解调后的基带信号，估算数据点分布的四边形区域的范围；

S12，等分网格化：分别对四边形区域的两条边进行多等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到多条不相交的线段，再对该多条线段分别进行同等数量的等分，由此得到一个由所有等分点构成的伪矩形星座；

S13，对比与编号：

将该伪矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的星座映射方式与短距离无线通信的发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同；

短距离无线通信的发送端QAM调制时所使用的星座映射方式是可以由多种方式实现的，如格雷映射方式，接收端采用的星座映射方式需和发送端QAM调制时所采用的星座映射方式相同。

S2，信号聚类：分别计算信号点与各聚类质心的欧式距离，为每个信号点选取最短距离所对应的聚类编号；

S3，更新聚类质心：对每一簇的信号点进行求平均，计算出下次迭代使用的聚类质心；

S4，迭代停止判断：计算新质心与原质心的差值平方和，并判断迭代是否结束，若需继续迭代，则返回步骤S2信号聚类步骤。

图3～5为当K＝32时信号星座网格化的示意图。

如图3所示，所述的边界的计算过程为：

分别在四边形区域的四个象限中计算出I路数据X_I与Q路数据X_Q绝对值最大的Ts个样本值，并分别对其Ts个样本求平均，由此计算出四边形区域的四个顶点坐标，定义max_i(H)表示集合H中第i大的数据，Ts的值为向下取整，定义P_m(px_m,py_m)为第m象限的顶点，第m象限的顶点的计算公式为：

如图4所示，所述的等分网格化的过程为：

将四边形区域的边P₁P₄和P₂P₃分别进行M-1等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到M条不相交的线段，再对M条线段分别进行M-1等分，由此得到具有M²个交点的伪矩形星座，M的大小取决于矩形星座排列的行数或列数。

如图5所示，所述的对比与编号的过程为：

将具有M²个交点的伪矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的方式与发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同，编号后的质心表示为C＝{c₁,c₂,...,c_K}。

所述的信号聚类的过程为：

分别计算信号点X_i(x_Ii,x_Qi)与各聚类质心c_k的欧式距离d(*)，为每个信号点选取最短距离所对应的质心编号为聚类编号，即

所述的更新聚类质心的过程为：

分别对属于每一类的数据点X_i(x_Ii,x_Qi)求平均，计算出新的聚类质心，若N_k为第k类数据点的个数，新质心c_k′计算公式为如下：

由于初始聚类中心点并非是数据集中的点，所以有可能造成K-means算法在某次迭代时某一簇的聚类结果为空，此时在更新此簇的质心时会出现分母为0的错误，所以在更新聚类中心点时还应添加每一簇的数量检测，若某簇聚类结果为空，则该簇的聚类中心更新为距原聚类中心最近的数据点。

所述的迭代停止判断的过程为：

计算新旧质心之间的误差和判断迭代是否结束，若E≤ε，则算法收敛迭代结束并继续下一步，若E＞ε，则返回执行步骤S2和步骤S3后再继续迭代，直至算法收敛，所述的ε为可设置的迭代停止阈值。

聚类判决结束，对x_i∈U_k，有X_i星座编号判决为k。

本发明简化了短距离无线通信系统中发送机的结构，发送机无需进行预失真或校正与补偿IQ不平衡失真，简化了无线发送模块的电路与结构，能够在保证通信速率的同时降低无线传感节点的体积与功耗。将改进的网格K-means聚类算法用于接收机信号的聚类判决，迭代次数较少，算法可快速收敛。

本发明针对短距离无线通信系统中受到IQ不平衡失真的高阶QAM信号，将传统的K-means聚类算法改进为基于网格化的K-means聚类算法并用于失真QAM信号的判决，较传统判决方法性能更佳。

Claims (6)

1.一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，对于正交解调后的I路数据为X_I＝{x_I1,x_I2,...,x_In}，Q路数据为X_Q＝{x_Q1,x_Q2,...,x_Qn}，QAM调制阶数为K，样本个数为Ts，其特征在于：所述的抗IQ不平衡失真的信号判决方法包括以下多个步骤：

S1，网格化计算聚类质心：

所述的网格化计算聚类质心步骤包括以下多个子步骤：

S11，边界计算：分析解调后的基带信号，估算信号点分布的四边形区域的范围；

S12，等分网格化：对四边形区域的一组对边分别进行多等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到多条不相交的线段，再对该多条线段分别进行同等数量的等分，由此得到一个由所有等分点构成的伪矩形星座；

S13，对比与编号：

将该伪矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的星座映射方式与短距离无线通信的发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同；

S2，信号聚类：分别计算信号点与各聚类质心的欧式距离，为每个信号点选取最短距离所对应的聚类编号；

S3，更新聚类质心：对每一类的信号点进行求平均，计算出下次迭代使用的聚类质心；

S4，迭代停止判断：计算新质心与原质心的差值平方和，并判断迭代是否结束，若需继续迭代，则返回步骤S2信号聚类步骤；

所述的边界的计算过程为：

分别在四边形区域的四个象限中计算出I路数据X_I与Q路数据X_Q绝对值最大的Ts个样本值，并分别对其Ts个样本求平均，由此计算出四边形区域的四个顶点坐标，定义max_i(H)表示集合H中第i大的数据，Ts的值为向下取整，定义P_m(px_m,py_m)为第m象限的顶点，第m象限的顶点的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，其特征在于：所述的等分网格化的过程为：

将四边形区域的一组对边P₁P₄和P₂P₃分别进行M-1等分，再用直线将两边两两对应的等分点连接，得到M条不相交的线段，再对M条线段分别进行M-1等分，由此得到具有M²个交点的伪矩形星座。

3.根据权利要求1所述的一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，其特征在于：所述的对比与编号的过程为：

将具有M²个交点的伪矩形星座与相应调制阶数的理想星座图进行对比，去除其中不用的点，即得到初始聚类质心；

对初始聚类质心进行编号时，采用的方式与发送端QAM调制时所使用的星座映射方式相同，编号后的质心表示为C＝{c₁,c₂,...,c_K}。

4.根据权利要求1所述的一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，其特征在于：所述的信号聚类的过程为：

分别计算信号点X_i(x_Ii,x_Qi)与各聚类质心c_k的欧式距离d(*)，为每个信号点选取最短距离所对应的质心编号为聚类编号，即

5.根据权利要求1所述的一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，其特征在于：所述的更新聚类质心的过程为：

分别对属于每一类的信号点X_i(x_Ii,x_Qi)求平均，计算出新的聚类质心，若N_k为第k类信号点的个数，新质心c_k′计算公式为如下：

${c_k}^{\′}=\frac{1}{N_k}\underset{X_i\∈U_k}{\Σ}{X}_i.$

6.根据权利要求1所述的一种用于短距离无线通信的抗IQ不平衡失真的信号判决方法，其特征在于：所述的迭代停止判断的过程为：

计算新质心与原质心的差值平方和判断迭代是否结束，若E≤ε，则算法收敛迭代结束并继续下一步，若E＞ε，则返回执行步骤S2，直至算法收敛，所述的ε为设置的迭代停止阈值。