CN108667756A - 一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法，其特征是，包括最优旋转角度选取和信号传输，包括如下过程：发送序列号，编码、数字调制、串并转换，多载波调制（设置顺时针旋转角度范围），并串转换，信号进入信道，串并转换，并串转换、多载波解调(设置逆时针旋转角度范围)、解码，接收序列信号，得到最优旋转角度，将最优旋转角度带入进行信号传输。这种方法，步骤简单、使用方便，通过选取最优旋转角度的办法能够减少信号在通过信道时受到的码间干扰和符号间干扰。

Description

一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法

技术领域

本发明涉及高速移动环境下宽带无线通信技术领域，具体涉及一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法。

背景技术

高速移动无线通信环境下的信道呈现双弥散的特性，即同时具有时间选择性衰落和频率选择性衰落。多载波宽带无线传输系统通过该信道的信号会受到以下两方面的影响，一种是由于频率选择性衰落引起的符号间干扰，另一种是由于时间选择性衰落引起的子载波间干扰。要使得通信信号在传输过程中减少干扰，必须提高通信系统的性能，则需要抑制以上两种干扰。

多载波调制技术从实现方式上主要有基于快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，简称FFT)的多载波和基于小波变换的多载波。基于FFT变换的多载波系统在发送端采用逆快速傅里叶变换实现多载波调制，在接收端采用FFT实现多载波解调，该多载波系统存在两个问题：一个是当对信号进行FFT时，前后两帧数据会有较大的频谱重叠，在信道畸变时会产生较大的码间干扰；另一个是子载波之间的正交性具有严格的要求，然而在双选信道下，由于无线信道存在时变性，传输过程中会出现信号频率的偏移，使得子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子载波间干扰，用小波变换代替FFT就可构成基于小波变换的多载波调制，在发送端利用小波基重构实现多载波调制，在接收端利用小波基分解实现多载波解调。与基于FFT的多载波相比，可充分利用小波变换的多尺度和多分辨率，灵活的配置子载波，从而可在一定程度上抑制码间干扰和子载波间干扰，然而在移动速度较快，即多谱勒频偏较大的情况下，基于小波变换的多载波系统性能依然会严重下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法。这种方法，步骤简单、使用方便，通过选取最优旋转角度的办法能够减少信号在通过信道时受到的码间干扰和符号间干扰。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法，与现有技术不同的是，包括最优旋转角度选取和信号传输：

首先，最优旋转角度选取包括如下步骤：

1)数据源产生一串具有和传输信号长度相同且结构相同的训练序列

X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

2)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

3)对步骤2)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

4)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

5)利用步骤4)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤3)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

6)第一并行转串行将步骤5)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

7)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

8)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

9)将步骤8)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤7)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

10)第二并行转串行将步骤9)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

11)将步骤10)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控(2DPSK)解调得到信号R₃；

12)将步骤11)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

13)将接收端得到的信号Y与发送端发送的序列信号X进行比较，依据误码率大小，确定一个能够使得系统误码率性能最优的旋转角度，即为最优旋转角度α_opt；

将上述步骤1)到步骤13)得到的最优旋转角度α_opt设置为系统小波基旋转角度，执行信号通过系统的步骤：

14)数据源产生信号X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

15)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

16)对步骤15)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

17)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

18)利用步骤17)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度为α_opt，对步骤16)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

19)第一并行转串行将步骤18)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

20)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

21)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

22)将步骤21)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度为α_opt，对步骤20)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

23)第二并行转串行将步骤22)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

24)将步骤23)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控(2DPSK)解调得到信号R₃；

25)将步骤24)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

26)将接收端得到的信号Y与发送端发送的信号X进行误码率大小的比较，完成信号传输。

这种方法，步骤简单、使用方便，通过选取最优旋转角度的办法能够减少信号在通过信道时受到的码间干扰和符号间干扰。

附图说明

图1为实施例中最优旋转角度选取流程示意图；

图2为实施例中基于旋转小波基的多载波系统传输方法的实现框图；

图3为实施例中最优旋转角度下选取的误码率比较示意图；

图4为实施例中不同旋转角度下的误码率比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种基于旋转小波基的多载波系统传输方法最优旋转角度选取流程图，包括步骤如下：

1)数据源产生一串具有和传输信号长度相同且结构相同的训练序列

X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

2)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

3)对步骤2)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

4)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

5)利用步骤4)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤3)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

6)第一并行转串行将步骤5)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

7)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

8)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

9)将步骤8)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤7)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

10)第二并行转串行将步骤9)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

11)将步骤10)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控(2DPSK)解调得到信号R₃；

12)将步骤11)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

13)将接收端得到的信号Y与发送端发送的序列信号X进行比较，依据误码率大小，确定一个能够使得系统误码率性能最优的旋转角度，即为最优旋转角度α_opt；

本例将不同的旋转角度作为比较对象，采取最优旋转角度选取的方法将使得误码率最低的角度选取出来，如图1所示的流程图中，在信号的发送端，发送的子载波个数N＝128个子载波，子载波间的间隔是15kHz，并且每一个符号持续的时间是T_d＝66.67us，系统的采样频率是T_s＝0.52us，小波变换存在很多种小波基函数，在本例中选择haar小波基函数，建立一个2径延迟和归一化多普勒频移(F_d*T_d)为0.4和0.6的双选择性衰落信道，将信噪比设置为SNR＝15dB，通过仿真寻找能使得误码率最小的旋转角度，如图3所示，从图3中可以看出当F_d*T_d为0.4和0.6时分别存在一个最优旋转角度各为和

由上述步骤得到系统旋转小波基最优旋转角度后，参照图2，实现信号的传输：

包括步骤如下：

14)数据源产生信号X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

15)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

16)对步骤15)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

17)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

18)利用步骤17)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度为αo_pt，对步骤16)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

19)第一并行转串行将步骤18)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

20)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

21)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

22)将步骤21)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度为α_opt，对步骤20)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

23)第二并行转串行将步骤22)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

24)将步骤23)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控(2DPSK)解调得到信号R₃；

25)将步骤24)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

26)将接收端得到的信号Y与发送端发送的信号X进行误码率大小的比较，完成信号传输。

本例选取几个不同的旋转角度来比较不同信噪比下误码率的大小，通过这样的比较更能说明本例多载波系统选取最优旋转角度时的优越性，如图2所示的传输方法实现框图，在信号的发送端，发送的子载波个数N＝128个子载波，子载波间的间隔是15kHz，并且每一个符号持续的时间是T_d＝66.67us，系统的采样频率是T_s＝0.52us，本例中选择haar小波基，建立一个2经延迟和F_d*T_d为0.4的双选择性衰落信道，由实施例1中得出最优旋转角度为为了更能突出最优旋转角度的存在，如图4所示，选取最优旋转角度依次为α＝0、 和分别做不同信噪比下误码率大小的比较，由图3可得，当旋转角度选取在0到1之间时会获得更低的误码率，尤其是在选取了最优旋转角度时，即时会得到更加明显低的误码率，当信噪比SNR＝20dB时甚至几乎达到了10^-6误码率，由此可见选取不同的旋转角度能够提升系统的性能。

Claims (1)

1.一种基于旋转小波基的多载波系统的传输方法，其特征是，包括最优旋转角度选取和信号传输：

首先，最优旋转角度选取包括如下步骤：

1)数据源产生一串具有和传输信号长度相同且结构相同的训练序列X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

2)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

3)对步骤2)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

4)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

5)利用步骤4)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤3)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

6)第一并行转串行将步骤5)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

7)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

8)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

9)将步骤8)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度α从角度训练序列[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]*π/2中依次选择，对步骤7)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

10)第二并行转串行将步骤9)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

11)将步骤10)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控(2DPSK)解调得到信号R₃；

12)将步骤11)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

13)将接收端得到的信号Y与发送端发送的序列信号X进行比较，依据误码率大小，确定一个能够使得系统误码率性能最优的旋转角度，即为最优旋转角度α_opt；

将上述步骤1)到步骤13)得到的最优旋转角度α_opt设置为系统小波基旋转角度，执行信号通过系统的步骤：

14)数据源产生信号X＝[x₀,x₁…x_N-1],其中N＝128后发送；

15)对信号X进行卷积编码得到信号T₁，卷积编码采用编码速率为1/2的多项式发生器；

16)对步骤15)产生的信号T₁进行数字调制，数字调制采用二进制相移键控(2DPSK)调制，得到信号T₂，第一串行转并行将信号T₂转换成并行信号D_m,n；

17)设定小波基函数为haar函数、小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0N-1]，并对小波基函数作顺时针旋转，旋转角度α范围为[0π/2]，此顺时针旋转小波基函数为

式中，m和n表示小波核函数经过平移和扩展的参数，N表示发送的子载波个数，是m和n的索引值，是对母小波函数ψ进行翻转和平移后所得函数的离散化形式，而K_-α(u,k)为旋转因子函数，

其中，

式中，α叫做旋转角度，α的取值范围为0到π/2，该旋转因子表示在旋转小波基变换中将信号在小波域和时域中旋转的角度，当α＝0的时候旋转小波基变换为传统的小波变换，当α＝π/2的时候旋转小波基变换为傅里叶变换和小波变换相结合的双频变换；

18)利用步骤17)顺时针旋转后的小波基函数旋转角度为α_opt，对步骤16)产生的信号D_m,n进行多载波调制，得到并行信号d(u)：

19)第一并行转串行将步骤18)产生的信号d(u)转换成串行的信号T₃后通过天线发送到双选择性衰落信道中；

20)信号T₃经过了信道在接收端通过天线接收到串行信号s(g)，通过信道的公式为：

式中，定义h为信道冲击响应的离散表达式，第二串行转并行将信号s(g)转换成并行信号R₁；

21)设定小波基函数为haar函数、以及小波参数即尺度因子m＝1、平移因子n＝[0 N-1]，并对小波基函数作逆时针旋转，旋转角度α范围为[0 π/2]，此逆时针旋转小波基函数为

其中，

式中，

22)将步骤21)逆时针旋转后的小波基函数旋转角度为α_opt，对步骤20)产生的信号R₁进行多载波解调得到并行信号Y(r)：

W(n)表示的是对高斯白噪声ω(n)进行解调，即

23)第二并行转串行将步骤22)得到的信号Y(r)转换成串行信号R₂；

24)将步骤23)得到的信号R₂进行数字解调，数字解调采用二进制相移键控解调得到信号R₃；

25)将步骤24)得到的信号R₃进行解码后在接收端得到信号Y＝[y₀,y₁…y_N-1]，其中N＝128；

26)将接收端得到的信号Y与发送端发送的信号X进行误码率大小的比较，完成信号传输。