CN108366034A - 高阶单通道数模一体化通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高阶单通道数模一体化通信方法，发射机端获取数字信号及模拟信号，对模拟信号进行采样，对数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵，对输入信息矩阵进行频率分配，根据分配的频率进行编码，再进行OFDM调制并发射，接收机端对发射信号进行OFDM解调，然后通过ALS算法进行半盲解调，分离出模拟信号与数字信号，由于仅对模拟信号的幅值进行采样处理，然后将模拟信号的幅度采样值与数字信号组成输入信息矩阵共同进行处理，在接收机端，通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，可直接对接收信号进行分离，降低了系统的复杂度与量化误差，该方法将模拟信号的幅度采样值与数字信号进行了混合，能够实现对信号的加密，可应用于保密通信当中。

Description

高阶单通道数模一体化通信方法及系统

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体地说，涉及一种高阶单通道数模一体化通信方法及系统。

背景技术

目前的单通道多信号数字发射机与接收机虽然能够实现数字信号与模拟信号的统一发射和接收，但是实际上对于模拟信号的处理均采用了采样、量化、PCM编码等模数转换操作，这就增加了系统的复杂度且会引入一定的量化误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高阶单通道数模一体化通信方法，所述方法包括：

发射机端获取数字信号及模拟信号；

发射机端对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵；

发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果；

发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射；

接收机端接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调；

接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离；

接收机端输出分离出的模拟信号及数字信号。

一种实施方案中，所述发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配包括：

所述发射机端通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

一种实施方案中，所述发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射还包括：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

一种实施方案中，所述接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，包括：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵，表示由交替最小二乘ALS算法恢复的输入信息矩阵。

本发明实施例还提供一种高阶单通道数模一体化通信系统，所述系统包括：

发射机端，用于获取数字信号及模拟信号，对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵，对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果，对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射；

接收机端，用于接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调，将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离，输出分离出的模拟信号及数字信号。

一种实施方案中，所述发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配，用于：

通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

一种实施方案中，所述发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射还用于：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

一种实施方案中，所述接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，用于：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵，表示由交替最小二乘ALS算法恢复的输入信息矩阵。

本申请提出了一种高阶单通道数模一体化通信方法及系统，仅对模拟信号的幅值进行采样处理，而不进行量化、PCM编码等操作，然后将模拟信号的幅度采样值与数字信号组成输入信息矩阵共同进行处理，在接收机端，通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，可直接对接收信号进行分离，降低了系统的复杂度与量化误差。该方法将模拟信号的幅度采样值与数字信号进行了混合，能够实现对信号的加密，可应用于保密通信当中。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的高阶单通道数模一体化通信方法流程图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的高阶单通道数模一体化通信装置流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请用小写粗斜体字母表示向量，如s，大写粗斜体字母表示矩阵，如S，在大写粗斜体字母下加横线表示张量，如X。用大写、小写斜体字母表示变量，如R，M，r，n。用字母和表示实数集和复数集。用T和表示转置和伪逆。一个三阶张量的三种矩阵切片表示为X _··n，X _·f·，X_m··，矩阵的第n列表示为s_·n，第r行表示为s_r·。diag(s_·n)表示由矩阵S的第n列s_·n形成的对角矩阵。

如图1所示，本发明提供了一种高阶单通道数模一体化通信方法，所述方法包括：

S101、发射机端获取数字信号及模拟信号；

S102、发射机端对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵；

S103、发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果；

S104、发射机端对所述编码结果进行正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)调制生成发射信号并发射；

S105、接收机端接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调；

S106、接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘(Alternating Least Square，ALS)算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离；

S107、接收机端输出分离出的模拟信号及数字信号。

本申请提出的高阶单通道数模一体化通信方法，仅对模拟信号的幅值进行采样处理，而不进行量化、PCM编码等操作，然后将模拟信号的幅度采样值与数字信号组成输入信息矩阵共同进行处理，在接收机端，通过ALS算法进行半盲解调，可直接对接收信号进行分离，降低了系统的复杂度与量化误差。该方法将模拟信号的幅度采样值与数字信号进行了混合，能够实现对信号的加密，可应用于保密通信当中。

一种实施方案中，所述发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配包括：

所述发射机端通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

一种实施方案中，所述发射机端对所述编码结果进行OFDM调制生成发射信号并发射还包括：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

一种实施方案中，所述接收机端将解调后的信号通过ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，包括：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵。

在本申请提供的高阶单通道数模一体化通信方法当中，假设用户使用数据流传输模拟信号，数据流传输数字信号，每个数据流的长度为N。发射机端对于数字信号首先进行基带调制如PSK、QAM等，对于模拟信号仅进行采样操作，然后直接与基带调制后的数字信号组成用户的输入信息矩阵然后利用频率编码矩阵对输入信息进行频率的分配与编码，F表示子载波个数，频率编码矩阵表示对输入信息矩阵在频率上的分配和编码，能够决定用户使用哪些子载波和使用哪些频率编码方式，如扩频码等。然后对数据进行OFDM调制，将调制后的信号利用天线分配矩阵分配到不同的天线上发射，M表示发射天线数目，天线分配矩阵的取值为0或1，其中0代表该天线不分配数据流，1代表分配。该过程的数学表达式为：

其中x_m,f,n表示发射信号张量X的元素，a_m,r、c_f,r、s_r,n分别为表示矩阵A、C、S的元素。可以使用不同的天线对信号进行发送，也可以使用相同的天线进行信号发送，本申请不进行限定。

以MIMO系统进行信号发送为例，在接收机端，发射信号经历了MIMO衰落信道后所得的接收信号为，

其中y_k,f,n表示接收张量信号Y的元素，h_k,m表示MIMO衰落信道矩阵H的元素，K表示接收天线数目。在接收机端首先对接收信号进行OFDM解调，然后对信号采用交替算法进行半盲解调恢复出输入信息，然后对输出的两个数据流进行分离，即可得到解调后的模拟信号和数字信号。

半盲接收机采用ALS算法，首先将接收信号沿接收天线维度、频率维度以及符号维度进行矩阵展开，可以得到令则具体矩阵展开形式如公式(3-5)所示

假设天线分配矩阵A与频率编码矩阵C已知，在噪声存在的情况下，可将接收信号表示为其中V表示高斯白噪声张量，其维度与接收信号维度相同。那么此时的矩阵展开形式可以由来表示，即根据公式(4)和公式(5)利用交替最小二乘算法即可对信道状态信息与发射信号进行半盲恢复，令i表示交替最小二乘算法的迭代次数，迭代的最终目的是使得误差函数值尽可能小，如公式(6)所示

其中，||·||_F表示F-范数，和表示由ALS算法恢复的信号。当数字信号进行基带调制变为复信号时，而模拟信号仍然是实信号，此时为了使系统仍然可以对两个信号进行解调，接收机端在解调时需要对每一次迭代后的结果中模拟信号取实部。此半盲接收机的具体算法如下：

步骤一：初始化i＝0

步骤二：i＝i+1；

步骤三：对输入信号进行恢复，如公式(7)；

步骤四：取出恢复的输入信号中的数据流R₁，对其取实部；

步骤六：重复步骤二至步骤四直至满足收敛条件，如公式(10)。

如图2所示，本发明实施例还提供一种高阶单通道数模一体化通信系统，所述系统包括：

发射机端201，用于获取数字信号及模拟信号，对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵，对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果，对所述编码结果进行OFDM调制生成发射信号并发射；

接收机端202，用于接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调，将解调后的信号通过ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离，输出分离出的模拟信号及数字信号。

一种实施方案中，所述发射机端201对所述输入信息矩阵进行频率分配，用于：

通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

一种实施方案中，所述发射机端201对所述编码结果进行OFDM调制生成发射信号并发射还用于：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

一种实施方案中，所述接收机端202将解调后的信号通过ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，用于：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵，表示由ALS算法恢复的输入信息矩阵。

本申请提出了一种高阶单通道数模一体化通信方法及系统，仅对模拟信号的幅值进行采样处理，而不进行量化、PCM编码等操作，然后将模拟信号的幅度采样值与数字信号组成输入信息矩阵共同进行处理，在接收机端，通过ALS算法进行半盲解调，可直接对接收信号进行分离，降低了系统的复杂度与量化误差。该方法将模拟信号的幅度采样值与数字信号进行了混合，能够实现对信号的加密，可应用于保密通信当中。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种高阶单通道数模一体化通信方法，其特征在于，所述方法包括：

发射机端获取数字信号及模拟信号；

发射机端对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵；

发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果；

发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射；

接收机端接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调；

接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离；

接收机端输出分离出的模拟信号及数字信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配包括：

所述发射机端通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射还包括：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，包括：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵，表示由交替最小二乘ALS算法恢复的输入信息矩阵。

5.一种高阶单通道数模一体化通信系统，其特征在于，所述系统包括：

发射机端，用于获取数字信号及模拟信号，对所述模拟信号进行采样，对所述数字信号进行基带调制，生成输入信息矩阵，对所述输入信息矩阵进行频率分配，并根据分配的频率进行编码，获取编码结果，对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射；

接收机端，用于接收所述发射机端发送的发射信号，对所述发射信号进行OFDM解调，将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，并将输入信息矩阵中的模拟信号与数字信号分离，输出分离出的模拟信号及数字信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述发射机端对所述输入信息矩阵进行频率分配，用于：

通过频率编码矩阵对所述输入信息矩阵进行频率分配。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述发射机端对所述编码结果进行正交频分复用OFDM调制生成发射信号并发射还用于：

将所述发射信号通过天线分配矩阵分配到不同的天线上进行发射。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述接收机端将解调后的信号通过交替最小二乘ALS算法进行半盲解调，获取输入信息矩阵，用于：

根据收敛条件循环执行i＝i+1，根据公式估计输入信息矩阵其中符号表示伪逆，i表示循环次数，V₃表示高斯白噪声张量的一种矩阵展开形式，表示接收信号沿符号维度展开的矩阵，表示由交替最小二乘ALS算法恢复的输入信息矩阵。