CN109088836A - 单载波频域均衡soqpsk-tg信号的数据块构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单载波频域均衡SOQPSK‑TG信号的数据块构造方法，主要解决现有技术插入的intrafix符号片段过长及不符合相位连续的问题。其实现方案是：在发送端将随机产生的二进制符号分成两个子块，并将第二个子块作为循环前缀；根据第一个子块、SOQPSK‑TG信号的任一种相位状态相等及其四状态转移网格图，得到infrafix符号片段；将infrafix符号片段插在第一个子块和第二个子块之间，并将循环前缀插在第一个子块前面，构造出SOQPSK‑TG信号数据块。本发明能保证频域均衡和相位连续性，减少插入intrafix符号片段的长度，提高带宽的利用率，可用于数据传输、循环前缀的插入或频域均衡。

Description

单载波频域均衡SOQPSK-TG信号的数据块构造方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种数据块的构造方法，可用于数 据传输、循环前缀的插入、频域均衡来消除码间串扰。

背景技术

随着现代航空通信技术的发展，导致通信环境越来越复杂，通信资源也日益 匮乏，因此通信系统的功率利用率和带宽利用率显得尤为重要。连续相位调制CPM 具有恒包络特性和高效频谱特性，这两方面的特性使得CPM特别适合航空通信。 成形偏移四相相移键控SOQPSK信号就属于CPM信号的一种，具有完全恒包络 特性、频谱利用率高、功率利用率等一系列优势，常被用于一些功率和带宽双重 受限的军事通信、卫星通信、遥测通信等领域中。但是随着航空通信数据传输速 率的不断提高，其频率选择性衰落特别明显，带来了严重的码间干扰，因此在接 收机检测前对其进行均衡显得尤为重要。

在传输系统中，消除码间串扰ISI，补偿信道影响的装置被称为均衡器。均衡 器的种类很多，其中性能最优的是时域均衡的最大似然符号检测MLSD均衡器， 但是在信道冲击响应较长的情况下，复杂度极其高，实际应用中难以实现。后来， 虽然提出了一些降低复杂度的判决反馈均衡器，但是在信道冲击响应过长的情况 下，仍然需要比较高的复杂度。相对于时域均衡，频域均衡可以提供低复杂度对 抗严重多径干扰的方法。

目前频域均衡的研究方向主要集中在均衡方法、信道估计、循环前缀的设计 以及与其它新技术相结合等方面。迫零均衡ZF和最小均方误差MMSE均衡是到 目前为止较为经典的两种均衡方法，在这两种均衡方法的基础上，人们相继提出 了FD-DFE、FDE-NP以及MMSE-RISIC判决反馈均衡以及自适应均衡等方法。 但是这些关于频域均衡的研究只适用于线性调制信号，不适用于SOQPSK信号， 因为SOQPSK信号属于非线性调制。对于线性调制，频域均衡需要发送块的信号 满足周期性，这个可以通过插入循环前缀来实现。而对于非线性调制如SOQPSK， 不仅需要插入循环前缀，而且还需要额外的符号片段来保证相位的连续性。Jun Tan and Gordon L.Stüber在“Frequency-Domain Equalization for ContinuousPhase Modulation”中提到一种数据块构造的方法，即相位归零法，需要插入两段同等长度的尾符号，但是没有解释具体的计算方法，只是根据CPM的状态网格图来确定 尾符号的长度使其从状态网格图的任一状态返回到零状态；Tayyaba Azmat和 Salman Fayyaz Khan等人在“Frequency Domain Equalization of SOQPSK for Aeronautical TelemetryNetworks”中又提出一种数据块的构造方法，即在数据块之 间插入一段intrafix符号片段，但是其得出的intrafix符号片段在理论上不符合相位 连续的条件。

发明内容

本发明的目的在于针对以上现有技术存在的问题，提出一种单载波频域均衡SOQPSK-TG信号数据块的构造方法，以保证相位连续性，减少插入符号的长度， 提高带宽的利用率。

本发明的技术思路是：构造SOQPSK-TG信号的数据块构造，即插入循环前 缀和插入intrafix符号片段，来保证相位的连续性，其实现方案包括如下：

(1)在发送端，随机产生第l块长度为N-K的二进制符号序列a_fs ^(l)，将其分 成两个子块和第一子块第二子块则二进制符号序列a_fs ^(l)表示为a_fs ^(l)＝[a_f ^(l),a_s ^(l)]， 其中：表示第l块的第i个二进制符号，i表示第一子块中二进制符号的下标 索引值，i＝N_p,N_p+1,…,N-K-1；表示第l块的第j个二进制符号，j表示第 二子块中二进制符号的下标索引值，j＝N,N+1,…,N+N_p-1，N表示数据块进 行FFT变换的点数，N_p表示循环前缀的长度，N_p≥L_D+L，L_D为信道的最大时 延，L为SOQPSK-TG信号的相位约束长度，L＝8，K表示后面待插入的intrafix 符号片段的长度，K＝9；

(2)将第二个子块放在数据块的最前端作为循环前缀a_p ^(l)，即其中，表示第l块的第m个二进制符号，m 表示循环前缀a_p ^(l)中二进制符号的下标索引值，m＝0,1,…,N_p-1；

(3)构造intrafix二进制符号片段并将intrafix二进制片段分成两个片段

(3.1)根据第l-1块在n＝N_T点的相关状态与第l块在n＝N点的相关状态需要 相等的特性，得到第一片段的长度为2，第二片段的长度为7以及该预 编码对应的三进制符号 其中：是 第l-1块的第t个二进制符号预编码得到的三进制符号， t＝N_T-7,N_T-6,…,N_T-1；N_T＝N+N_p表示整个数据块的长度；

(3.2)计算累积相位的值P，其中：是第l块的 第s个二进制符号通过预编码得到的三进制符号，s＝0,1,…,N-K-1；(.)₄是 对括号里的数值进行模4操作；

(3.3)根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和 选择第一片段的两个二进制符号和

(3.4)根据第一片段以及第二片段预编码对应的三进制符号依照SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图，得到第二片段 其中，是第l块的第q个二进制符号，q是 第二片段中二进制符号的下标索引值，q＝N-K+2,N-K+3,…,N-1；

(4)在发送端的第一子块前面插入循环前缀在第一子块和第二子 块中间插入intrafix符号片段构成SOQPSK-TG信号的数据块 a^(l)＝[a_p ^(l),a_f ^(l),a_r ^(l),a_s ^(l)]。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于根据SOQPSK-TG信号的任意一种相位状态相等来确定所 需要插入的intrafix符号片段，其结果在理论上满足了相位连续性，保证了 SOQPSK-TG信号良好的功率谱特性及频域均衡的性能。

第二，本发明由于需要插入intrafix符号片段的长度比现有相位归零法减少 了一半，节省开销，减少了频谱资源的浪费，提高了带宽的利用率。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中构造的SOQPSK-TG信号的第l块数据结构示意图；

图3为本发明中使用的SOQPSK-TG信号的预编码示意图；

图4为本发明中使用的SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图；

图5为对本发明构造的SOQPSK-TG信号数据块进行调制后的相位轨迹仿真图；

图6为分别用本发明与现有的相位归零法对SOQPSK-TG频域均衡的性能仿真 对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例和效果做进一步的描述：

参照图1，本发明实现步骤如下：

步骤1，初始化参数。

初始化l＝1，M＝1000，其中：l表示数据块的索引值，M为总的数据块数；

步骤2，在发送端产生二进制符号，并进行分块处理。

(2.1)在发送端，随机产生第l块长度为N-K的二进制符号a_fs ^(l)，其中：N 表示数据块进行FFT变换的点数，K表示待插入的intrafix符号片段的长度，K＝9；

本实施例数据块进行FFT变换的点数为256，即N＝256；

(2.2)将该二进制符号序列a_fs ^(l)分成两个子块和

(2.21)将二进制符号序列a_fs ^(l)的前N-K-N_p个二进制符号作为第一子块 表示为其中：为第l块的第i个二进制 符号，i为第一子块中二进制符号的下标索引值，i＝N_p,N_p+1,…,N-K-1，N_p为循环前缀的长度，N_p≥L_D+L，L_D为信道的最大时延，L为SOQPSK-TG信号 的相位约束长度，L＝8；

本实施循环前缀的长度为32，即N_p＝32；

(2.22)将二进制符号a_fs ^(l)的后N_p个二进制符号作为第二子块表示为其中：为第l块的第j个二进制符号，j为 第二子块中二进制符号的下标索引值，j＝N,N+1,…,N+N_p-1；

(2.23)将二进制符号a_fs ^(l)表示为a_fs ^(l)＝[a_f ^(l),a_s ^(l)]。

步骤3，确定循环前缀a_p ^(l)。

将第二子块放在数据块的最前端作为循环前缀a_p ^(l)，即其中，表示第l块的第m个二进制符号，m 表示循环前缀a_p ^(l)中二进制符号的下标索引值，m＝0,1,…,N_p-1。

步骤4，构造intrafix二进制符号片段并将intrafix二进制符号片段分成 两个子片段

(4.1)确定两个子片段各自的长度以及第二子片段预编码对应的三 进制符号

(4.11)根据第l-1块在n＝N_T点的相关状态与第l块在n＝N点的相关状态需 要相等的特性，得到第二子片段的长度为L-1＝7以及该第二子片段预编码 对应的三进制符号 其中：是第l-1块 的第t个二进制符号预编码得到的三进制符号，t＝N_T-7,N_T-6,…,N_T-1； N_T＝N+N_p表示整个数据块的长度；

本实施例SOQPSK-TG信号整个数据块的长度为N_T＝N+N_p＝256+32＝288；

(4.12)根据intrafix符号片段的长度K＝9和第二子片段的长度为L-1＝7， 得到第一子片段的长度为K-(L-1)＝2；

(4.2)计算累积相位的值P：

(4.21)参照图3，通过预编码计算第l块第s个二进制符号的三进制符号

其中：是第l块的第s-1个二进制符号，是第l块的第s-2个二进制符 号，是第l块的第s个二进制符号，s＝0,1,…,N-K-1；

(4.22)计算累积相位的值P：

其中：(.)₄是对括号里的数值进行模4操作；

(4.3)根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和 选择第一子片段的两个二进制符号和得到第一子片段

(4.31)设从0时刻到N-1时刻的累积相位值Q为0： 得到两个三进制符号和其中，是第l-1块的第N_T-k个二进制符号预编码得到的三进制符号，k＝1,2,…,7； 是第l块的第s个二进制符号预编码得到的三进制符号， s＝0,1,…,N-K-1；是第一子片段中第一个二进制符号预编码对应 的三进制符号，是第一子片段中第二个二进制符号预编码对应的三 进制符号；

(4.32)根据SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图建立第一子片段映射表：

参照图4，本步骤的具体实现如下：

(4.32a)，由于N-K＝247是奇数，因此选择奇数时刻Q路，再根据第一子块 的最后两个二进制符号和以及(4.31)中得到的第一个三进制符号 得到第一子片段中的第一个二进制符号

(4.32b)由于N-K+1＝248，因此选择偶数时刻I路，再根据第一子块的 最后一个二进制符号第一子片段中的第一个二进制符号以及(4.31) 中得到的第二个三进制符号得到第一子片段中的第二个二进制符号

从而建立第一子片段映射表，如表1所示：

表1第一子片段映射表

(4.33)根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和 从第一子片段映射表选择出第一子片段的两个二进制符号和 得到第一子片段

(4.4)根据第一子片段以及第二子片段预编码对应的三进制符号依照SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图，得到第二片段

(4.41)初始化q＝N-K+2＝N-7，其中：q是第二子片段的二进制符号 的下标索引值；

(4.42)判断q是奇数还是偶数，若是偶数，执行(4.43)，若是奇数，执行(4.44)；

参照图4，本步骤的具体实现如下：

(4.43)选择偶数时刻I路，根据当前二进制符号的前两个二进制符号和以及当前二进制符号预编码对应的三进制符号得到当前二进制符号

(4.44)选择奇数时刻Q路，根据当前二进制符号的前两个二进制符号和以及当前二进制符号预编码对应的三进制符号得到当前二进制符号

(4.45)令q＝q+1，若q≤N-1，则返回(4.42)，否则，得到第二子片段其中，是第l块的第q个二进制符号，q是 第二子片段的下标索引值，q＝N-K+2,N-K+3,…,N-1。

步骤5，根据步骤3得到的循环前缀和步骤4得到的intrafix符号片段构造SOQPSK-TG信号的数据块。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

在发送端的第一子块前面插入循环前缀在第一子块和第二子块中间插入intrafix符号片段构成SOQPSK-TG信号的数据块 a^(l)＝[a_p ^(l),a_f ^(l),a_r ^(l),a_s ^(l)]。

步骤6，令l＝l+1，如果l大于M，结束，否则，重复执行步骤2-步骤5。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真系统参数设置

本发明的仿真使用MATLAB R2014a仿真软件，仿真参数设置与上面所述步 骤中所用参数一致，数据块进行FFT变换的点数为256，即N＝256；循环前缀的 长度为32，即N_p＝32；intrafix符号片段的长度K＝9，SOQPSK-TG信号整个数 据块的长度为288，即N_T＝288；信道模型的相对增益和其对应的延迟时间分别为 [1,0.1,0.03]和[0,20,800]ns，发送端的调制方式为SOQPSK-TG调制，接收端频域 均衡方法为MMSE均衡，解调用的是MAX-LOG-MAP算法解调。

2.仿真内容

仿真1，对本发明构造的SOQPSK-TG信号数据块进行调制后的相位轨迹仿真 图，结果如图5所示。

从图5可以看出，对本发明构造的数据块进行SOQPSK-TG调制后，第l块的 循环前缀和第二子块对应的相位轨迹完全一致，满足循环周期性条件；第l 块n＝0和n＝N时刻的相位相同，同时第l块起始时刻n＝0的相位也与第l-1块终 止时刻n＝N_T的相位相等，保证了相位连续性，符合原先构造数据块的目的。

仿真2，分别用本发明与现有的相位归零法进行SOQPSK-TG调制，经过同样 的AWGN信道和多径衰落信道，在接收端先用频域均衡方法中的MMSE均衡进 行均衡，再用MAX-LOG-MAP算法解调，计算误码率，得到BER曲线，如图6 所示。

从图6可以看出，本发明与现有的相位归零法相比，误码率BER性能损失最 大不超过0.2dB，说明两者都能达到均衡效果，但是本发明需要插入intrafix符号 片段的长度比现有相位归零法减少了一半，节省了开销，减少了频谱资源的浪费， 提高了带宽的利用率。

Claims (4)

1.单载波频域均衡SOQPSK-TG信号的数据块构造方法，其特征在于，包括：

(1)在发送端，随机产生第l块长度为N-K的二进制符号序列a_fs ^(l)，将其分成两个子块和第一子块第二子块则二进制符号序列a_fs ^(l)表示为a_fs ^(l)＝[a_f ^(l),a_s ^(l)]，其中：表示第l块的第i个二进制符号，i表示第一子块中二进制符号的下标索引值，i＝N_p,N_p+1,…,N-K-1；表示第l块的第j个二进制符号，j表示第二子块中二进制符号的下标索引值，j＝N,N+1,…,N+N_p-1，l表示数据块的索引值，N表示数据块进行FFT变换的点数，N_p表示循环前缀的长度，N_p≥L_D+L，L_D为信道的最大时延，L为SOQPSK-TG信号的相位约束长度，L＝8，K表示后面待插入的intrafix符号片段的长度，K＝9；

(2)将第二个子块放在数据块的最前端作为循环前缀a_p ^(l)，即其中，表示第l块的第m个二进制符号，m表示循环前缀a_p ^(l)中二进制符号的下标索引值，m＝0,1,…,N_p-1；

(3)构造intrafix二进制符号片段并将intrafix二进制片段分成两个子片段

(3.1)根据第l-1块在n＝N_T点的相关状态与第l块在n＝N点的相关状态需要相等的特性，得到第一子片段的长度为2，第二子片段的长度为7以及该预编码对应的三进制符号 其中：是第l-1块的第t个二进制符号预编码得到的三进制符号，t＝N_T-7,N_T-6,…,N_T-1；N_T＝N+N_p表示整个数据块的长度；

(3.2)计算累积相位的值P，其中：是第l块的第s个二进制符号通过预编码得到的三进制符号，s＝0,1,…,N-K-1；(.)₄是对括号里的数值进行模4操作；

(3.3)根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和选择第一子片段的两个二进制符号和

(3.4)根据第一子片段以及第二子片段预编码对应的三进制符号依照SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图，得到第二子片段其中，是第l块的第q个二进制符号，q是第二子片段中二进制符号的下标索引值，q＝N-K+2,N-K+3,…,N-1；

(4)在发送端的第一子块前面插入循环前缀在第一子块和第二子块中间插入intrafix符号片段构成SOQPSK-TG信号的数据块a^(l)＝[a_p ^(l),a_f ^(l),a_r ^(l),a_s ^(l)]。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中随机产生第l块长度为N-K的二进制符号a_fs ^(l)分成两个子块和是将二进制符号a_fs ^(l)的前N-K-N_p个二进制符号作为第一子块将二进制符号a_fs ^(l)的后N_p个二进制符号作为第二子块

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3.2)中通过预编码得到第l块第s个二进制符号的三进制符号通过如下公式进行：

其中：是第l块的第s-1个二进制符号，是第l块的第s-2个二进制符号，是第l块的第s个二进制符号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3.3)中根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和选择第一子片段的两个二进制符号和按如下步骤进行：

(3.3a)设从0时刻到N-1时刻的累积相位值Q为0：＝0，得到两个三进制符号和其中，是第l-1块的第N_T-k个二进制符号预编码得到的三进制符号，k＝1,2,…,7，是第l块的第s个二进制符号预编码得到的三进制符号，s＝0,1,…,N-K-1；是第一子片段中第一个二进制符号预编码对应的三进制符号，是第一子片段中第二个二进制符号预编码对应的三进制符号；

(3.3b)根据第一子块的最后两个二进制符号和以及(3.3a)中得到的三进制符号依照SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图，得到第一子片段中的第一个二进制符号再根据第一子块的最后一个二进制符号第一子片段中的第一个二进制符号以及(3.3a)中得到的第二个三进制符号依照SOQPSK-TG信号的四状态转移网格图，得到第一子片段中的第二个二进制符号从而建立第一片段映射表；

(3.3c)根据累积相位的值P、第一子块的最后两个二进制符号和从第一子片段映射表选择出第一子片段的两个二进制符号和