CN107395548A - 一种基于阵列天线的qam调制信号发射方法 - Google Patents
一种基于阵列天线的qam调制信号发射方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，涉及无线电通信技术领域。本发明将QAM调制信号分解为多个独立的BPSK调制信号，经饱和功率放大器放大后由阵列天线同时向外辐射，通过空间功率合成在期望方向上产生QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变，可实现QAM调制信号的高效线性发射，降低了发射机的热损耗，并具有保密通信功能。
Description
技术领域
本发明涉及无线电通信技术领域，更具体地说涉及一种基于阵列天线的QAM调制信号的发射方法。
背景技术
正交幅度调制(quadratic amplitude modulation，QAM)是一种幅度与相位联合调制技术，具有很高的频谱效率。对于当前日益紧张的频谱资源而言，QAM是一种非常重要的调制方式，在移动通信、卫星通信等领域都有着广泛的应用。QAM是一种非恒包络调制技术，功率放大器的非线性会使QAM信号产生严重失真，影响信号的接收解调。因此，QAM调制对功率放大器的线性度提出了很高的要求。
QAM信号可看作是两路正交的多电平振幅键控信号的叠加，传统的QAM调制信号发射机直接用功率放大器放大QAM调制信号，为控制QAM信号的非线性失真，功率放大器必须工作在回退状态，导致功率放大器的效率很低，大部分功率都通过发热而损失，给发射机的设计带来很大的挑战。
国家知识产权局于2005年1月5日，公开了一件公开号为CN1183730C，名称为“用于QAM编码数据的发射机”的发明专利，该发明专利公开了一种高效的16QAM调制信号发射方法，将16QAM信号分解为两个QPSK信号，分别经饱和功率放大器放大并按比例进行缩放，通过功率合成器将两支路信号进行合并。该方法对功率合成器的设计有很高的要求，也会带来一定的功率合成损耗。文献“卫星通信系统中适用于16QAM信号的一种预失真方法”针对宽带卫星通信系统中由记忆功率放大器引起的16QAM信号非线性失真问题，提出了一种基于通用记忆多项式模型的预失真线性化系统，使用QR分解递归最小二乘算法动态更新预失真参数。功率放大器的非线性模型以及自适应算法直接影响数字预失真系统的性能，构建可靠稳定并且可硬件实现的自适应算法仍有很大的难度。现有技术方案还无法很好的解决QAM信号的高效线性发射问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，本发明将QAM调制信号分解为多个独立的BPSK调制信号，经饱和功率放大器放大后由阵列天线同时向外辐射，通过空间功率合成在期望方向上产生QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变，可实现QAM调制信号的高效线性发射，降低了发射机的热损耗，并具有保密通信功能。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
所述A步骤中，对信息序列进行符号映射得到QAM符号，具体是指：对信息序列进行串并转换，每L比特信息映射为一个M-QAM符号，其中M＝2L；其表达式为：
x(n)＝mI(n)+jmQ(n)；其中x(n)为基带M-QAM符号，mI(n)为同相支路基带数据，mI(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)；
mQ(n)为正交支路基带数据，mQ(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)。
所述B步骤中对QAM符号进行BPSK符号分解，具体是指：将A步骤中得到的M-QAM符号分解为多个BPSK符号，具体表示如下：
其中，bIk(n)为同相支路BPSK符号，bQk(n)为正交支路BPSK符号。
所述BPSK符号分解，是通过查找表的方式实现，所述同向支路与正交支路的BPSK符号分解由两个独立的查找表实现。
单个查找表的输入地址位宽为L/2，输出数据位宽为2L/2-1。
所述将分解得到的BPSK符号进行天线映射，具体是指：将BPSK符号进行随机排列，对应到天线发射通道。
所述C步骤中，对各支路BPSK符号进行成形滤波，具体是指，通过成形滤波器对各支路BPSK符号进行成形滤波，所述成形滤波器为根升余弦滤波器。
所述D步骤中，对各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，具体是指：根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系，确定各支路的移相值θIk与θQk，k＝1,2,…,2L/2-1；对数字上变频产生的同相与正交中频载波进行相位控制，得到相位补偿后的同相与正交中频载波cos(w0t+θIk)、sin(w0t+θQk)；各支路基带调制信号分别与对应的中频载波相乘，即可得到各支路数字中频调制信号；其数学表达式为：
sIk_IF(t)＝sIk(t)·cos(w0t+θIk)
sQk_IF(t)＝sQk(t)·sin(w0t+θQk)
其中，sIk(t)与sIk_IF(t)分别为第k个同相支路的基带与中频调制信号，sQk(t)与sQk_IF(t)分别为第k个正交支路的基带与中频调制信号，k＝1,2,…,2L/2-1。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的保密性能。
2、本发明创造性的利用阵列天线同时辐射多个独立的BPSK调制信号，通过空间功率合成产生QAM调制信号，与现有技术相比，不需要额外的功率合成器，实现了QAM调制信号的高效线性发射。
3、本发明中，将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变，具有保密通信的功能。
4、本发明中，将QAM调制信号分解为多个独立的BPSK调制信号，经过饱和功率放大器放大，各支路功率放大器工作状态一致，不需要按比例进行缩放。
附图说明
图1为本发明阵列天线QAM调制信号发射机总体实现框图；
图2为本发明BPSK符号分解单元实现框图；
图3为本发明数字上变频与相位控制单元实现框图。
具体实施方式
实施例1
作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：
一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
本实施例将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的保密性能。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：
基于阵列天线的QAM调制信号发射机实现框图如图1所示，主要由数字分系统、射频分系统以及阵列天线组成。其硬件架构与传统数字阵列发射机相同，不同之处在于数字分系统部分。传统数字阵列发射机中各天线单元辐射的是QAM调制信号，通过控制各天线单元信号的相位，使得在期望方向上的信号功率最大；本发明中各天线单元辐射的是独立的BPSK调制信号，通过控制各天线单元信号的相位，在期望方向上产生QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变。具体实现方案如下：
A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
对信息序列进行串并转换，每L比特信息映射为一个M-QAM(M＝2L)符号，其表达式为：
x(n)＝mI(n)+jmQ(n)
其中x(n)为基带M-QAM符号，mI(n)为同相支路基带数据，mQ(n)为正交支路基带数据，mI(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)，mQ(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)；
B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；
分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
将M-QAM符号分解为多个BPSK符号，表示如下：
其中bIk(n)为同相支路BPSK符号，bQk(n)为正交支路BPSK符号；
BPSK符号分解通过查找表的方式实现，其实现框图如图2所示。同相支路与正交支路的BPSK符号分解由两个独立的查找表实现，可以降低硬件资源消耗。单个查找表的输入地址位宽为L/2，输出数据位宽为2L/2-1。
将2L/2+1-2个BPSK符号进行随机排列，对应到2L/2+1-2个天线发射通道。这样可以增加非期望方向上合成信号星座图的随机性，从而提高系统的保密性能。
C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
数字上变频与相位控制单元实现框图如图3所示。根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系，确定各支路的移相值θIk与θQk，k＝1,2,…,2L/2-1。对DDS产生的同相与正交中频载波进行相位控制，得到相位补偿后的同相与正交中频载波cos(w0t+θIk)、sin(w0t+θQk)。各支路基带调制信号分别与对应的中频载波相乘，即可得各支路数字中频调制信号。其数学表达式如下：
sIk_IF(t)＝sIk(t)·cos(w0t+θIk)
sQk_IF(t)＝sQk(t)·sin(w0t+θQk)
其中sIk(t)与sIk_IF(t)分别为第k个同相支路的基带与中频调制信号，sQk(t)与sQk_IF(t)分别为第k个正交支路的基带与中频调制信号，k＝1,2,…,2L/2-1。
E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：
在本实施例中，以基于六元均匀直线阵列天线的16QAM调制信号发射机为例，其实现的步骤如下：
BPSK符号分解与天线映射
将16QAM信号分解为6个BPSK符号，如下所示：
| mI/mQ | bI1/bI2 | bI2/bQ2 | bI3/bQ3 |
| -3 | -1 | -1 | -1 |
| -1 | 1 | -1 | -1 |
| 1 | 1 | 1 | -1 |
| 3 | 1 | 1 | 1 |
将6个BPSK符号进行随机排列，与6个天线单元一一对应，共有种映射关系，具体实现中可随机选择。
2)相位控制
对于六元均匀直线阵列，设阵元间距为d，载波波长为λ。则阵列流形矢量为列向量a(θ)，θ为期望方向，其中第k个元素为
根据BPSK符号与天线单元的映射关系，设bIk对应第ki个天线单元，ki＝1,2,…,6，bQk对应第kq个天线单元，kq＝1,2,…,6。则其移相值分别为：
对于16QAM调制信号，阵列天线并不局限于六元均匀直线阵列。对于更多单元的阵列天线，可将其分为多个子阵，每个子阵包含六个天线单元，各子阵内均进行上述处理即可。
在本实施例中，将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的保密性能。
Claims (8)
1.一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
2.如权利要求1所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述A步骤中，对信息序列进行符号映射得到QAM符号，具体是指：对信息序列进行串并转换，每L比特信息映射为一个M-QAM符号，其中M＝2L；其表达式为：
x(n)＝mI(n)+jmQ(n)；其中x(n)为基带M-QAM符号，mI(n)为同相支路基带数据，mI(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)；
mQ(n)为正交支路基带数据，mQ(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)。
3.如权利要求2所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述B步骤中对QAM符号进行BPSK符号分解，具体是指：将A步骤中得到的M-QAM符号分解为多个BPSK符号，具体表示如下：
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其中，bIk(n)为同相支路BPSK符号，bQk(n)为正交支路BPSK符号。
4.如权利要求1或3所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述BPSK符号分解，是通过查找表的方式实现，所述同向支路与正交支路的BPSK符号分解由两个独立的查找表实现。
5.如权利要求4所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：单个查找表的输入地址位宽为L/2，输出数据位宽为2L/2-1。
6.如权利要求1或3所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述将分解得到的BPSK符号进行天线映射，具体是指：将BPSK符号进行随机排列，对应到天线发射通道。
7.如权利要求1所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述C步骤中，对各支路BPSK符号进行成形滤波，具体是指，通过成形滤波器对各支路BPSK符号进行成形滤波，所述成形滤波器为根升余弦滤波器。
8.如权利要求1所述的一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：所述D步骤中，对各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，具体是指：根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系，确定各支路的移相值θIk与θQk，k＝1,2,…,2L/2-1；对数字上变频产生的同相与正交中频载波进行相位控制，得到相位补偿后的同相与正交中频载波cos(w0t+θIk)、sin(w0t+θQk)；各支路基带调制信号分别与对应的中频载波相乘，即可得到各支路数字中频调制信号；其数学表达式为：
sIk_IF(t)＝sIk(t)·cos(w0t+θIk)
sQk_IF(t)＝sQk(t)·sin(w0t+θQk)
其中，sIk(t)与sIk_IF(t)分别为第k个同相支路的基带与中频调制信号，sQk(t)与sQk_IF(t)分别为第k个正交支路的基带与中频调制信号，k＝1,2,…,2L/2-1。
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