CN107026808A - 基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法，解决了现有技术中连续相位调制与频域均衡结合的通信系统中的复杂度高以及频谱利用率、传输速率和可靠性低的问题。本发明实现的主要步骤：(1)符号映射；(2)连续相位调制；(3)混沌交织；(4)采样；(5)频域均衡。本发明采用了直接对多进制连续相位调制信号进行过采样频域均衡的方法，该方法有效地消除了多径衰落信道的多径干扰，同时提高了系统的频谱利用率以及传输速率。本发明同时采用混沌交织方法，该方法通过改变信号样本序列的顺序，降低信号样本点之间的相关性，减小多径信道传输信号的差错率，提高了系统的可靠性。

Description

基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及数字通信技术领域中的一种混沌交织的多进制连续相位调制CPM(Continuous Phase Modulation)与单载波频域均衡结合的方法。本发明可用于移动通信、卫星通信、军事战术通信等技术领域，实现高频谱利用率、高功率效率以及高传输速率的无线通信传输。
背景技术
目前，国内外通信系统中，一般采用二进制连续相位调制CPM(Continuous PhaseModulation)频域均衡方法，或者是多进制连续相位调制非相干检测方法，来提高系统的频谱效率、功率效率和可靠性。
浙江大学在其公开的专利申请文献“连续相位调制频域均衡调制解调方法”(申请日：2009.11.12，申请号：CN200910154569.2，申请公布号：CN101707579A)中提出了一种二进制连续相位调制单载波频域均衡方法。该方法通过正交分解的方法，消除连续相位调制信号自身的相关性，然后将其变换到频域做信道估计与均衡，大大降低了系统复杂度，尤其是在频率选择性衰落信道下。但是，该方法仍然存在的不足之处是：该方法只适用于二进制连续相位调制，不能用于多进制连续相位调制，系统频谱利用率较低。
中国电子科技集团公司第五十研究所在其公开的专利申请文献“连续相位调制信号的非相干检测方法及装置”(申请日：2011.05.26，申请号：CN201110139524.5，申请公布号：CN102801674A)中提供一种多进制连续相位调制信号的非相干检测方法。该方法采用的是非线性均衡判决反馈均衡技术，通过对差分相位信号进行匹配滤波及判决反馈均衡处理，得到发送序列的估计，降低了多进制连续相位调制接收机的复杂度。但是，该方法仍然存在的不足之处是：该方法在降低系统复杂度的同时增加了系统误码率，而且在多径衰落信道下，系统性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法。该方法在多径衰落信道下能够有效地消除信道多径干扰，同时提高通信系统的频谱利用率、功率效率以及可靠性。
为了实现上述目的，本发明的具体思路是，首先对发送信息进行格雷码映射，映射后进行多进制连续相位调制，调制后采用混沌交织技术进行交织，交织后送入多径衰落信道传输。然后对传输后得到的信号进行采样，采样后的序列进行离散傅里叶变换到频域，然后进行最小均方误差均衡，最后进行离散傅里叶逆变换，输出均衡后的时域信号。
本发明实现的具体步骤如下：
(1)符号映射：
(1a)发送信息比特序列；
(1b)按照格雷Gray码符号映射规则，将接收到的信息比特序列进行格雷Gray码符号映射，得到格雷码符号序列；
(2)连续相位调制：
将得到的格雷码符号序列进行多进制连续相位调制，得到调制后的信号；
(3)混沌交织：
(3a)将调制后的信号矩阵化，得到信号样本矩阵；
(3b)按照下式，选择密钥：
Skey＝[n1,...,nk]
其中，Skey表示密钥，ni表示密钥中第i个元素，i＝1,...,k，k小于等于信号样本矩阵列数；
(3c)将信号样本矩阵划分成多个子矩阵，每个子矩阵的宽度与密钥元素相等，内部元素数目与信号样本矩阵列数相等；
(3d)从信号样本矩阵右上角向下依次读取每个子矩阵，每个子矩阵内部元素从左下角向上读取，依次将读取的每个子矩阵的元素排列为新矩阵的每一行，得到交织后的信号矩阵；
(3e)将交织后的信号矩阵送入多径衰落信道传输，得到传输后的信号；
(4)进行采样：
将信道传输后的信号逐点进行采样，得到信号样点序列；
(5)利用下式，计算最小均方误差均衡系数：
其中，Uk表示最小均方误差均衡系数，表示多径衰落信道矩阵的伴随矩阵，Hk表示多径衰落信道矩阵，|·|2表示对矩阵的行列式取平方操作，N0表示复高斯白噪声的方差；
(6)频域均衡：
(6a)将信号样点序列进行离散傅里叶变换，得到频域样点序列；
(6b)将频域样点序列与最小均方误差均衡系数相乘，得到频域信号；
(6c)将频域信号进行离散傅里叶逆变换，得到均衡后的时域输出信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明采用了混沌交织技术对信号样本矩阵进行交织，克服了现有技术中存在的系统误码率较高的不足，本发明通过改变信号样本矩阵序列的顺序，降低样本点之间的相关性，降低传输信号的差错率，提高了系统的可靠性。
第二，由于本发明采用了多进制连续相位调制技术对格雷码符号序列进行调制，克服了现有技术中存在的只能用于二进制连续相位调制的不足，使得本发明提高了系统的传输速率以及频谱利用率。
第三，由于本发明采用了频域均衡技术对信号样点序列进行均衡，克服了现有技术中存在的多径衰落信道下系统性能较差的不足，使得本发明能够有效的对抗信道的多径干扰，降低了系统的误码率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明混沌交织步骤中矩阵变化的示意图；
图3为本发明的性能仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1所示的本发明的流程图，本发明的详细步骤如下：
步骤1，符号映射。
发送信息比特序列。
按照格雷Gray码符号映射规则，将接收到的信息比特序列进行格雷Gray码符号映射。所述的格雷码符号映射操作规则是指，信息比特序列中第一位的符号位不变，其余符号位依次与前一符号位做异或运算，得到格雷码符号序列。
步骤2，连续相位调制。
将得到的格雷码符号序列进行多进制连续相位调制，得到调制后的信号。
所述的多进制连续相位调制是按照下式完成的：
其中，s(t)表示多进制连续相位调制后得到的随时间t变化的调制信号，表示开方操作，ε表示调制信号的码元能量，T表示调制信号的码元周期，cos表示余弦操作，π表示圆周率，fc表示调制信号的载波频率，表示调制信号的相位函数，表示格雷码符号序列，表示调制信号的初始相位。
步骤3，混沌交织。
本发明的混沌交织方法，是在现有技术的基于二维混沌贝克图映射技术基础上，分为以下五个步骤：
第1步，将调制后的信号矩阵化，得到信号样本矩阵。
第2步，按照下式，选择密钥：
Skey＝[n1,...,nk]
其中，Skey表示密钥，ni表示密钥中第i个元素，i＝1,...,k。所述的密钥是指，密钥中的所有元素相加之和与信号样本矩阵的列数相等。
第3步，将信号样本矩阵划分成多个子矩阵，每个子矩阵的宽度与密钥元素相等，内部元素数目与信号样本矩阵列数相等。
第4步，从信号样本矩阵右上角向下依次读取每个子矩阵，每个子矩阵内部元素从左下角向上读取，依次将读取的每个子矩阵的元素排列为新矩阵的每一行，得到交织后的信号矩阵。
参照附图2，对本发明的混沌交织步骤的矩阵变化做进一步的描述。图2中矩阵a表示为信号样本矩阵，矩阵a中的加粗线条表示将矩阵按密钥划分隔开的界线，矩阵b表示为交织后的矩阵，矩阵c表示为解交织后的矩阵，浅色阴影表示产生的一维突发差错，深色阴影表示产生的二维突发差错。本发明的混沌交织方法所选择的密钥Skey＝[n1,n2,n3]＝2,4,2。由图2可以看出本发明的混乱交织方法，通过选择的密钥改变样本矩阵的排列顺序，产生的突发差错解交织后会分散扩展开，变成单突发差错。由此可见，使用本发明提出的混沌交织方法可以有效的对抗突发差错。
第5步，将交织后的信号矩阵送入多径衰落信道传输，得到传输后的信号。
步骤4，进行采样。
将信道传输后的信号逐点进行符号采样，得到信号样点序列。
步骤5，利用下式，计算最小均方误差均衡系数：
其中，Uk表示最小均方误差均衡系数，表示多径衰落信道矩阵的伴随矩阵，Hk表示多径衰落信道矩阵，|·|2表示对矩阵的行列式取平方操作，N0表示复高斯白噪声的方差；
上式是基于最小均方误差准则，在信道传输的信号经过采样并进行离散傅里叶变换后推导出来的，可以直接对多进制连续相位调制信号进行均衡。
步骤6，进行频域均衡。
将信号样点序列进行离散傅里叶变换，得到频域样点序列。
将频域样点序列与最小均方误差均衡系数相乘，得到频域信号。
将频域信号进行离散傅里叶逆变换，得到均衡后的时域输出信号。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。
1.仿真条件：
本发明的仿真使用Matlab仿真软件，在仿真中采用调制指数为1/4的全响应四进制连续相位调制信号，发送信号数据块长度为256，发送符号速率为5MHZ，发送符号周期为200ns，信号采样速率为2，频域均衡离散傅里叶变换点数为512，信号的循环前缀长度为28，信号的尾符号长度为1，收端采用维特比解调，多径信道采用的COST-207多径信道模型的典型城区信道，假设接收端实现理想的同步与信道估计，仿真次数为5000个数据块。
2.仿真内容及其仿真结果分析：
本发明在上述仿真条件下，采用两种交织方法以及不采用交织技术的方法，分别对四进制连续相位调制信号频域均衡进行仿真。得到的误码率的性能结果如图3所示。这两种交织方法分别是本发明的混沌交织方法与现有技术中的块交织方法。
图3中的横坐标表示的是信噪比，单位为dB。图3中的纵坐标表示的是误码率。图3中以矩形标识的曲线表示为不采用交织技术的误码率曲线，以菱形标识的曲线表示为采用块交织方法的误码率曲线，以圆形标识的曲线表示为采用本发明的混沌交织方法的误码率曲线。
由图3可以看出，本发明的混沌交织方法的误码率曲线在误码率为10-3时，与不采用交织技术的方法相比有2dB的信噪比增益，与采用块交织技术的方法相比有1dB的信噪比增益，可见本发明能够有效的提高系统的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法，包括以下步骤：
(1)符号映射：
(1a)发送信息比特序列；
(1b)按照格雷Gray码符号映射规则，将接收到的信息比特序列进行格雷Gray码符号映射，得到格雷码符号序列；
(2)连续相位调制：
将得到的格雷码符号序列进行多进制连续相位调制，得到调制后的信号；
(3)混沌交织：
(3a)将调制后的信号矩阵化，得到信号样本矩阵；
(3b)按照下式，选择密钥：
Skey＝[n1,...,nk]
其中，Skey表示密钥，ni表示密钥中第i个元素，i＝1,...,k，k小于等于信号样本矩阵列数；
(3c)将信号样本矩阵划分成多个子矩阵，每个子矩阵的宽度与密钥元素相等，内部元素数目与信号样本矩阵列数相等；
(3d)从信号样本矩阵右上角向下依次读取每个子矩阵，每个子矩阵内部元素从左下角向上读取，依次将读取的每个子矩阵的元素排列为新矩阵的每一行，得到交织后的信号矩阵；
(3e)将交织后的信号矩阵送入多径衰落信道传输，得到传输后的信号；
(4)进行采样：
将信道传输后的信号逐点进行采样，得到信号样点序列；
(5)利用下式，计算最小均方误差均衡系数：
其中，Uk表示最小均方误差均衡系数，表示多径衰落信道矩阵的伴随矩阵，Hk表示多径衰落信道矩阵，|·|2表示对矩阵的行列式取平方操作，N0表示复高斯白噪声的方差；
(6)频域均衡：
(6a)将信号样点序列进行离散傅里叶变换，得到频域样点序列；
(6b)将频域样点序列与最小均方误差均衡系数相乘，得到频域信号；
(6c)将频域信号进行离散傅里叶逆变换，得到均衡后的时域输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的格雷码符号映射操作规则是指，信息比特序列中第一位的符号位不变，其余符号位依次与前一符号位做异或运算，得到格雷码符号序列。
3.根据权利要求1所述的基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法，其特征在于，步骤(2)中所述的多进制连续相位调制是按照下式完成的：
其中，s(t)表示多进制连续相位调制后得到的随时间t变化的调制信号，表示开方操作，ε表示调制信号的码元能量，T表示调制信号的码元周期，cos表示余弦操作，π表示圆周率，fc表示调制信号的载波频率，表示调制信号的相位函数，表示格雷码符号序列，表示调制信号的初始相位。
4.根据权利要求1所述的基于混沌交织的多进制连续相位调制频域均衡方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的密钥是指，密钥中的所有元素相加之和与信号样本矩阵的列数相等。
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