CN107171713A - 一种信号发射方法及相应的接收端波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号发射方法及相应的接收端波束成形方法，属于信号处理技术领域。其发射方法包括将原始信号映射为数字信号形式、插入梳状导频、将信号变换为时域数字信号、对时域数字信号依次进行串并转换、加入循环前缀、并串转换和数/模变换以形成模拟信号，以及将模拟信号通过双选信道发射出去等步骤。本发明方法将基于最小均方误差的波束成形技术应用于混合载波系统，既实现了基于分数傅里叶变换的混合载波系统对抗双选信道的天然优势，又实现了波束成形算法对符号间干扰的抑制效果，从而极大地提升了通信系统的传输性能，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种信号发射方法及相应的接收端波束成形方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是指一种信号发射方法及相应的接收端波束成形方法。

背景技术

随着现代通信技术的快速发展，通信领域对于信息传输可靠性的要求在不断提高。但是，由于通信环境的复杂性，信号传输受到的来自时域和频域的双选信道的干扰不可避免，这种干扰严重影响了通信质量。

例如，信号在传输过程中，会受到由于相对移动而引起的多普勒效应的影响，还会受到由于多径传输而引起的多径效应的影响。实际场景中，上述两种信道衰落形式往往同时存在，因此这种情况也被称为双选信道。

现有技术中，为了实现时频双选信道下的抗码间串扰(Intersymbolinterference，ISI)，研究人员提出了波束成形技术(Beamforming Technology)。波束成形技术是性能较好的信号处理技术，是智能天线技术中的重要研究内容。但是，现在技术对于波束成形技术的研究主要集中在传统的单载波系统和正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统，不能应用到混合载波系统中。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种信号发射方法及相应的接收端波束成形方法，其能够将波束成形技术应用到混合载波系统中，对于抑制双选信道中的多径干扰具有良好效果。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于分数傅里叶变换调制的信号发射方法，其应用于信号发射端，包括以下步骤：

(1)将原始信号映射为数字信号形式；

(2)在映射后的数字信号中等间隔插入梳状导频；

(3)选择变换阶数α，通过-α阶的4-WFRFT(4-weighted fractional Fouriertransform，四项加权型分数阶傅里叶变换)将插入导频的信号变换为时域数字信号；

(4)对时域数字信号依次进行串并转换、加入循环前缀、并串转换和数/模变换，形成模拟信号；

(5)将模拟信号通过双选信道发射出去。

此外，本发明还提供一种基于混合载波解调的波束成形方法，其应用于接收阵列天线，用于接收用如上所述方法发射的信号，其中，接收阵列天线具有根据最小均方误差算法的算法复杂度设计的16～32个接收天线阵元，该方法包括以下步骤：

(1)估计多径时延，并通过多径时延估计出接收多径信号的波达方向；

(2)通过双选信道接收波达方向上的模拟信号，并通过模/数变换将模拟信号转换为数字信号；

(3)通过已知的参考梳状导频信号以及估计得到的波达方向，确定接收阵列天线上每个接收天线阵元的最优权值；

(4)根据最优权值对每个接收天线阵元接收到的数字信号进行加权合成处理，并将合成后的信号依次进行串并转换、去循环前缀和并串转换处理，得到时域信号；

(5)对时域信号依次进行α阶的4-WFRFT变换以及数字解调，得到原始的α阶的加权分数域数字信号；

(6)对原始的α阶的加权分数域数字信号进行与发射端信号处理相应的去导频和逆映射处理，得到原始信号。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

本发明将基于最小均方误差的波束成形技术应用于混合载波系统，既实现了基于分数傅里叶变换的混合载波系统对抗双选信道的天然优势，又实现了波束成形算法对符号间干扰的抑制效果，从而极大地提升了通信系统的传输性能，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为实例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中发射端的一种原理图；

图2是本发明实施例中接收端的一种原理图；

图3是本发明实施例与现有技术的一种仿真对比数据图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

一种基于分数傅里叶变换调制的信号发射方法，其应用于信号发射端，包括以下步骤：

(1)通过合适的映射方式，比如正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)方法，将原始信号映射为便于信号处理的数字信号形式S'；

(2)在映射后的数字信号中等间隔插入梳状导频，得到插入导频后的信号S；梳状导频用于在接收端获取参考信号；

(3)选择合适的变换阶数α，将S作为分数域信号，通过-α阶的4-WFRFT将S变换为时域数字信号X：

X＝F^-α(S)；

式中，F^-α(S)表示对S进行-α阶四项加权分数傅里叶变换(即4-WFRFT)；

(4)对时域数字信号X依次进行串并转换、加入循环前缀、并串转换和数/模变换，形成模拟信号；

(5)将模拟信号通过双选信道发射出去。

另一方面，在接收端通过一种基于混合载波解调的波束成形方法接受上述信号，其中，接收端为接收阵列天线，且接收阵列天线具有根据最小均方误差算法(Minimum MeanSquare Error，MMSE)的算法复杂度设计的16～32个接收天线阵元，该方法包括以下步骤：

(1)估计多径时延，并通过多径时延估计出接收多径信号的波达方向A(θ)；

(2)通过双选信道接收波达方向上的模拟信号X'_R，并通过模/数变换将模拟信号X'_R转换为数字信号X_R；X_R与发射端时域数字信号X的关系如下：

X_R＝H·A(θ)·X+V；

式中，H表示时变信道矩阵，A(θ)＝[A(θ₁),A(θ₂),...A(θ_P)]，表示P个接收天线阵元的波达方向，已有文献表明波达方向可以通过接收端的时延估计得到，V表示高斯白噪声；

(3)通过已知的参考梳状导频信号以及估计得到的波达方向A(θ)，应用最小均方误差算法(即MMSE)确定接收阵列天线上每个接收天线阵元的最优权值，这些最优权值组成矩阵Ω_opt：

其中，表示接收信号的导频部分，S_P表示发送导频序列，表示多项式模值的期望，Ω^H为天线阵列权值矩阵Ω的共轭转置矩阵(该公式中的上标H均表示共轭转置)，arg_Ωmin表示在Ω的取值范围内使大括号中的表达式取最小值时的Ω值；

(4)根据最优权值矩阵Ω_opt对每个接收天线阵元接收到的数字信号X_R进行加权合成处理：

式中，Y为加权合成后的接收信号；

然后，对合成后的信号Y依次进行串并转换、去循环前缀和并串转换处理，得到时域信号；(5)对时域信号依次进行α阶的4-WFRFT和数字解调，得到原始的α阶的加权分数域数字信号

(6)对进行与发射端信号处理相应的逆处理(即去导频和逆映射)，得到对原始信号的估计值。

上述实施例中，4-WFRFT为离散形式的四项加权分数傅里叶变换，其具体方式如下：

对于数字信号S＝(S₁,S₁,...,S_n-1,S_n)，S的四项加权分数傅里叶变换可以表示为：

F^α(S)＝W^αS^T，

其中，F^α(S)表示S的α阶的加权分数傅里叶变换(α∈[0,1])，W^α表示加权矩阵，S^T表示S的转置。W^α可以表示为

这里，A_l表示加权系数：j表示虚数单位；F表示N×N傅里叶变换矩阵，l表示傅里叶变换的次数(l＝1,2,3,4)，[F]_m,n＝e^-j2πmn/N为N×N傅里叶变换矩阵中m行n列的元素(其中，m,n＝0,1,...,N-1)。

特别地，当α＝0时，加权矩阵W^α退化为单位矩阵，当α＝1时，加权矩阵W^α退化为傅里叶变换矩阵。

可见，加权分数傅里叶变换实际是将原始信号的时域形式和频域形式进行了加权求和，这样可以同时抑制时频双衰落的信道情况。

为了验证上述实施例方法的效果，假设多径的波达方向分别为[-20°,20°,60°]，(实际通信过程中可以运用估计多径时延的方式估计多径的波达方向)，调制阶数为0.5阶，分别在混合载波系统中应用波束成形技术和不应用波束成形技术的情况下进行仿真试验，仿真数据如图3所示，可以看出不加波束成形，系统基本无法正常工作，而加入波束成形算法后具有明显的优势，说明联合混合载波和波束成形的可行性和有效性。

需要注意的是，本专利权利要求书中所谓的“步骤”是指用于实现本专利方法的任一具体流程中的一个必要环节，并不包含对步骤执行顺序的限定，本领域普通技术人员完全能够在理解了本专利某一权项中各步骤间的内在逻辑的基础上，对这些步骤的具体执行顺序做出各种符合这种内在逻辑的实际安排。因此，任何一种应用了本专利某一权项中所有步骤的、符合这些步骤间的内在逻辑的、用于实现本专利方法的，且具有特定执行顺序的具体步骤序列，均在本专利的保护范围之内。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的个例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于分数傅里叶变换调制的信号发射方法，其特征在于，应用于信号发射端，包括以下步骤：

(1)将原始信号映射为数字信号形式；

(2)在映射后的数字信号中等间隔插入梳状导频；

(3)选择变换阶数α，通过-α阶的4-WFRFT将插入导频的信号变换为时域数字信号；

(4)对时域数字信号依次进行串并转换、加入循环前缀、并串转换和数/模变换，形成模拟信号；

(5)将模拟信号通过双选信道发射出去。

2.一种基于混合载波解调的波束成形方法，其特征在于，应用于接收阵列天线，用于接收用如权利要求1所述方法发射的信号，所述接收阵列天线具有根据最小均方误差算法的算法复杂度设计的16～32个接收天线阵元，该方法包括以下步骤：

(1)估计多径时延，并通过多径时延估计出接收多径信号的波达方向；

(2)通过双选信道接收波达方向上的模拟信号，并通过模/数变换将模拟信号转换为数字信号；

(3)通过已知的参考梳状导频信号以及估计得到的波达方向，确定接收阵列天线上每个接收天线阵元的最优权值；

(4)根据所述最优权值对每个接收天线阵元接收到的数字信号进行加权合成处理，并将合成后的信号依次进行串并转换、去循环前缀和并串转换处理，得到时域信号；

(5)对时域信号依次进行α阶的4-WFRFT以及数字解调，得到原始的α阶的加权分数域数字信号；

(6)对原始的α阶的加权分数域数字信号进行与发射端信号处理相应的去导频和逆映射处理，得到原始信号。