CN111682923B - 一种基于wfrft的数据块内部能量交织ofdm信号传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法，涉及无线通信技术领域，是为了解决在信道存在突发错的情况下，某一符号发生深衰，对于出错的符号缺少信号层保障方法，进而导致系统性能受到限制的问题，本发明提出一种基于数据块内变换域能量交织的OFDM信号传输方法，在一个数据块内，通过对信号进行扩展加权分数傅里叶变换，将信号能量在时频平面完成交织，相比于不改变信号能量分布的传统符号交织，能量交织增加了对于出错的符号的信号层保障，将一个符号的能量与其他多个符号混合扩展，在能量上实现了符号的时频交织，当一个符号在传输中发生损失时，由于能量交织，该符号的能量损失被分散到了所有参与交织的符号上，而减少了单个符号的损失，使接收端可以还原该符号，提升了系统的抗干扰性能。

Description

一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于变换域能量交织的OFDM信号传输方法。

背景技术

正交频分复用是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是把高速的数据流通过串并转换，分配到多个并行的正交子载波上，同时进行数据传输，由于它具有频谱利用率高和抗频率选择性衰落等优势，目前被广泛推广并应用在各种数字通信系统中。

交织编码作为一种对抗信道存在的突发差错的信号处理手段，其原理是利用发送端的交织器和接收端的解交织器，将一个有记忆的突发信道改造为一个随机独立差错信道，以便更适合于纠正随机独立差错的信道编码来利用，这一特性也使得交织与解交织技术在大部分通信系统中得到了广泛的应用。

然而，在信道存在突发错的情况下，某一符号发生深衰，由于传统的符号交织技术不改变信号的能量分布，使其不能对该符号的能量损失进行补偿，即对于出错的符号缺少信号层保障方法，从而限制了系统性能。

发明内容

本发明是为了解决在信道存在突发错的情况下，某一符号发生深衰，对于出错的符号缺少信号层保障方法，进而导致系统性能受到限制的问题，从而提供一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法。

基于变换域能量交织的OFDM信号传输方法，其信号发射过程：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带映射，获得星座映射后的调制结果；

步骤二、将步骤一获得的调制结果进行串/并转换，获得M路并行信号X，每路信号N点；

步骤三、将步骤二获得的M路并行信号X通过能量交织器，得到X经过数据块内变换域能量交织的M路并行信号F；

步骤四、将步骤三获得的经过能量交织的M路并行信号F做IDFT，得到X经过变换域能量交织的OFDM信号K；

步骤五、将步骤四获得的每个OFDM符号进行添加CP操作；

步骤六、将步骤五获得的添加CP后的信号进行并/串转换，获得一路串行信号；

步骤七、将步骤六获得的一路串行信号通过数/模转换器，获得模拟调制信号；

步骤八、将步骤七获得的模拟信号进行上变频处理，并将上变频处理后的信号发射至信道；

其信号接收过程：

步骤九、信号通过信道的传输到达接收端，接收机将接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤十、将步骤九获得的处理后信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号；

步骤十一、将步骤十获得的一路信号进行串/并转换，获得含有CP的OFDM信号；

步骤十二、将步骤十一获得的每个OFDM符号分别进行去CP操作，得到M路并行信号K1；

步骤十三、将步骤十二获得的M路并行信号K1做DFT，得到M路并行信号F1；

步骤十四、将步骤十三获得的M路并行信号F1通过能量解交织器，得到经过数据块内变换域能量解交织的M路并行信号XA；

步骤十五、将步骤十四获得的M路并行信号XA进行并/串转换，获得一路串行信号；

步骤十六、将步骤十五获得的一路信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据流。

步骤三中，对步骤二获得的M路并行信号X进行能量交织，其具体方法为对其进行参数为θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换，得到X经过变换域能量交织的M路并行信号F，扩展加权分数傅里叶变换后数据的具体形式为：

F(X₀)＝w₀X₀+w₁X₁+w₂X₂+w₃X₃；

式中，X₀为原始向量，X₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为原始向量X₀的反转向量，X₃为傅里叶变换后向量X₁的反转向量，w₀,w₁,w₂,w₃为加权系数，其具体表达形式为：

步骤十四中，将步骤十三获得的原始信号F1通过解交织器，其具体方法是通过进行参数为θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换逆变换来完成能量的解交织过程，得到信号F1经过变换域能量解交织的M路并行信号XA，扩展加权分数傅里叶变换逆变换后数据的具体形式为：

式中，X₀为原始向量，X₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为原始向量X₀的反转向量，X₃为傅里叶变换后向量X₁的反转向量，

为逆变换的加权系数，其具体表达形式为：

步骤三、步骤十四中，θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)为角度参数，其选取决定了能量在时频平面的分配方式。

本发明提出一种基于数据块内变换域能量交织的OFDM信号传输方法，在一个数据块内，通过对信号进行扩展加权分数傅里叶变换，将信号能量在时频平面完成交织，相比于不改变信号能量分布的传统符号交织，能量交织增加了对于出错的符号的信号层保障，将一个符号的能量与其他多个符号混合扩展，在能量上实现了符号的时频交织，当一个符号在传输中发生损失时，由于能量交织，该符号的能量损失被分散到了所有参与交织的符号上，而减少了单个符号的损失，使接收端可以还原该符号，提升了系统的抗干扰性能，同时，对于交织之后的数据块，做常规OFDM或者FBMC、GFDM、UFMC等信号处理，形成的输出信号仍具有原系统信号的形式，与现有多载波传输系统具有完全的信号兼容性。

附图说明

图1是本发明的信号传输流程原理示意图。

图2是能量交织示意图。

图3是采用能量交织方式、传统交织方式和不进行交织操作情况下的OFDM系统误码率性能仿真对比曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本发明的信号发送与接收流程具体实施方式；

其信号发射过程：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带映射，获得星座映射后的调制结果，其采用的调制方式为相移键控BPSK方式，所得结果为一路串行信号，本发明对于各种调制方式均兼容，本实施方式以相移键控BPSK方式为例；

步骤二、将步骤一获得的调制结果进行串/并转换，获得M路并行信号，每路信号N点，形成M路的原始信号向量X；

步骤三、将步骤二获得的M路的原始信号向量X通过能量交织器，得到X经过数据块内能量交织的输出信号F，变换域能量交织器对M路的信号向量进行参数为：θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换，完成能量在时频平面的扩散，如图2所示，得到X经过变换域能量交织的M路信号向量F，扩展加权分数傅里叶变换后数据的具体形式为：

F(X₀)＝w₀X₀+w₁X₁+w₂X₂+w₃X₃；

式中，X₀为支路0原始向量，X₁为支路1原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为支路2原始向量X₀的反转向量，X₃为支路3傅里叶变换后向量X₁的反转向量，w₀,w₁,w₂,w₃为加权系数，其具体可以表示为：

其中，θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)为角度参数，之后，通过对X₀、X₁、X₂、X₃这四个分量进行加权求和，得到M路的扩展分数傅里叶变换向量F，即是能量交织器的输出结果；

步骤四、步骤三获得的经过变换域能量交织的M路并行信号F可表示为：F＝[F₁,F₂,L,F_M]，之后对其进行M点离散傅里叶变换逆变换，其变换过程可表示为

得到M路的信号向量X经过变换域能量交织的OFDM信号K，离散傅里叶变换逆变换的具体过程可用快速傅里叶变换逆变换来实现；

步骤五、对每个OFDM符号进行添加CP操作，其具体方法是将每个OFDM符号的一段尾部样点复制到OFDM符号的前面作为循环前缀，其长度为M_CP，应大于信道的最大时延扩展长度；

步骤六、将步骤五获得的M+M_CP路信号进行并/串转换，获得一路长度为：(M+M_CP)×N的串行信号数字信号X_T；

步骤七、将步骤六获得的一路长度为(M+M_CP)×N的串行数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号；

步骤八、将步骤七获得的模拟信号进行上变频处理，并将上变频处理后的信号发射至信道，调制到相应载波频率上的数据X₁的形式为：

其中，X_r1为调制后数据X₁的等效低通信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，j是虚数单位，Re[·]代表取实部；

其信号接收过程：

步骤九、接收机将接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号，天线接收到的信号的形式为Y₁，Y₁的表达式具体为：Y₁＝HX₁+N，其中，H为信道状态信息矩阵，N为随机噪声；

步骤十、将步骤九获得的处理后信号通过模/数转换器，获得一路长度为F：(M+M_CP)×N的串行数字信号X_R；

步骤十一、将步骤十获得的一路信号进行串/并转换，获得M+M_CP路信号向量K；

步骤十二、将步骤十一获得的每个OFDM符号分别进行去CP操作，得到M路N点的信号向量K1；

步骤十三、步骤十二获得的信号矩阵K1可表示为K1＝[K₁,K₂,L,K_M]，之后对其进行M点离散傅里叶变换，得到M路信号K1经过DFT的输出信号向量F1，离散傅里叶变换的具体过程可用快速傅里叶变换来实现；

步骤十四、将步骤十三获得的DFT输出信号向量F1通过能量解交织器，得到F1经过能量解交织的输出信号向量X％，其具体方法是：通过进行参数为θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换逆变换来完成能量的解交织过程，得到M路信号向量F1经过变换域能量解交织的信号向量XA，扩展加权分数傅里叶变换逆变换后数据的具体形式为：

式中，X₀为支路0原始向量，X₁为支路1原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为支路2原始向量X₀的反转向量，X₃为支路3傅里叶变换后向量X₁的反转向量，

为逆变换的加权系数，其具体表达形式为：

其中，θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)为角度参数，与发射端相同，之后，通过对X₀、X₁、X₂、X₃这四个分量进行加权求和，得到扩展分数傅里叶变换逆变换输出向量XA，即是能量解交织器的结果；

步骤十五、将步骤十四获得的M路并行信号XA进行并/串转换，获得一路串行信号；

步骤十六、将步骤十五获得的一路信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据流。

本发明提出一种数据块内的变换域能量交织技术，通过将一个符号的能量散布到了更多的符号上，取得了能量平均分配的交织效果，当某一个符号出现深衰时，其他符号同时分担这个衰落所产生的能量损失，实现了对出错符号的信号层保障，可以有效提升现有多载波传输系统的抗干扰能力。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法，其特征是：

它的信号发射方法包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带映射，获得星座映射后的调制结果；

步骤二、将步骤一获得的调制结果进行串/并转换，获得M路并行信号X，每路信号均为N点；

步骤三、将步骤二获得的M路并行信号X进行能量交织，得到信号X经过数据块内变换域能量交织的M路并行信号F；

步骤四、将步骤三获得的经过能量交织的M路并行信号F做IDFT变换，得到X路经过变换域能量交织的OFDM的信号K；

步骤五、将步骤四获得的每个OFDM信号K进行添加CP操作；

步骤六、将步骤五获得的添加CP后的信号进行并/串转换，获得一路串行信号；

步骤七、将步骤六获得的一路串行信号进行数/模转换，获得模拟调制信号；

步骤八、将步骤七获得的模拟信号进行上变频处理，并将上变频处理后的信号发射至信道；

它的信号接收方法包括以下步骤：

步骤九、信号通过信道的传输到达接收端，接收机将接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤十、将步骤九获得的处理后信号进行模/数转换，获得一路串行数字信号；

步骤十一、将步骤十获得的一路串行数字信号进行串/并转换，获得M路并行含有CP的OFDM信号；

步骤十二、将步骤十一获得的每路OFDM信号分别进行去CP操作，得到M路并行信号K1；

步骤十三、将步骤十二获得的M路并行信号K1做DFT变换，得到M路并行信号F1；

步骤十四、将步骤十三获得的M路并行信号F1通过能量解交织操作，得到经过数据块内变换域能量解交织的M路并行信号XA；

步骤十五、将步骤十四获得的M路并行信号XA进行并/串转换，获得一路串行信号；

步骤十六、将步骤十五获得的一路串行信号进行星座解映射，恢复出原始0、1比特数据流。

2.根据权利要求1所述的一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法，其特征在于步骤三中将步骤二获得的M路并行信号X进行能量交织的方法具体为：

对步骤二获得的M路并行信号X进行参数为θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换，得到X经过变换域能量交织的M路并行信号F，扩展加权分数傅里叶变换后数据的具体形式为：

F(X₀)＝w₀X₀+w₁X₁+w₂X₂+w₃X₃；

式中，X₀为原始向量，X₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为原始向量X₀的反转向量，X₃为傅里叶变换后向量X₁的反转向量，w₀,w₁,w₂,w₃为加权系数，其具体表达形式为：

其中，θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)为角度参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于WFRFT的数据块内部能量交织OFDM信号传输方法，其特征在于步骤十四中，将步骤十三获得的M路并行信号F1通过能量解交织操作，得到经过数据块内变换域能量解交织的M路并行信号XA，其具体方法为：

通过进行参数为θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)的扩展加权分数傅里叶变换逆变换来完成能量的解交织过程，得到M路信号向量F1经过变换域能量解交织的信号向量XA，扩展加权分数傅里叶变换逆变换后数据的具体形式为：

式中，X₀为支路0原始向量，X₁为支路1原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂为支路2原始向量X₀的反转向量，X₃为支路3傅里叶变换后向量X₁的反转向量，

为逆变换的加权系数，其具体表达形式为：

其中，θ₀,θ₁,θ₂,θ₃∈[0,2π)为角度参数，与发射端相同。

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