CN112003804B - 一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法 - Google Patents

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CN112003804B CN202010914440.3A CN202010914440A CN112003804B CN 112003804 B CN112003804 B CN 112003804B CN 202010914440 A CN202010914440 A CN 202010914440A CN 112003804 B CN112003804 B CN 112003804B
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Abstract

一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法，属于无线通信技术中的解调技术领域。将参考信号和信息承载信号通过多个并行通路传输，在接收端将接收到的参考信号和信息承载信号进行相关运算得到相关值和似然值，似然值作为权值对各个信号加权求和得到新的参考信号，由此降低参考信号的噪声，用新的参考信号进行反馈迭代，从而在提升系统的BER性能，最后用计算机仿真验证有效性。AWGN信道和瑞利衰落信道下的仿真表明，多路多元DCSK迭代接收方法可以提供系统的可靠性。使用本发明的迭代接收机无需传送参考信号的副本，在接收端对参考信号进行迭代更新，从而抑制噪声，提高系统BER性能，提高系统传输可靠性。

Description

一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法
技术领域
本发明属于无线通信技术中的解调技术领域，涉及一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法。
背景技术
混沌信号具有宽频谱特性和优良的相关特性，使得混沌通信系统具有很好的抗多径衰落性能。此外，由于对初始条件的敏感性，易于产生大量的、不重复的混沌载波，混沌信号可以用简单的电路实现。
差分混沌移位键控(DCSK)方案是在CSK和COOK的基础上改进而来，发射机采用差分的方式实现键控，接收机采用差分相干接收方式进行接收。DCSK系统需要半比特周期的时间来发送参考混沌信号，用另半比特周期的时间来发送信息承载信号，并且有一半的比特能量用于传输参考信号。从而导致传输数据率和能量效率较低，只有传统系统的一半。此外，参考信号和信息承载信号在传输中均会受到噪声的污染，从而导致系统的性能损失。
基于以上问题，正交混沌移位键控(QCSK)和多元DCSK(M-ary DCSK)被提出，QCSK将参考信号及其希尔伯特变换进行正交相移键控调制，使系统在同样的带宽下相比于DCSK系统获得了两倍的数据率。更进一步地，有学者通过采用更高的调制阶数进一步提升系统的数据率。然而，多元DCSK系统的BER性能随调制阶数的增加而降低。
为了实现在不牺牲BER性能的前提下提高系统的数据率，有学者将多载波技术应用到DCSK系统中，提出多载波DCSK(MC-DCSK)系统，该系统首先使用一个预设的子载波用于传输参考信号，用剩下的子载波传输多路信息承载信号。采用多载波可以有效提高数据率，但是MC-DCSK系统存在匹配滤波复杂和硬件实现复杂的问题，并且，在子载波之间具有一定的频率间隔，这也造成了频带的浪费。
近年来，一些高可靠性的MC-DCSK方案被陆续提出，降噪DCSK(Noise ReductionDCSK,NR-DCSK)系统首先在发射端缩短参考序列并重复发送，在接收端用与初始混沌信号相同长度的移动平均滤波器分别对接收到的参考信号和信息承载信号求平均值，从而提升参考序列的信噪比，以降低信道噪声对系统性能的影响。NR-MC-DCSK(Noise ReductionMC-DCSK)系统将NR-DCSK的思想应用于MC-DCSK。子载波辅助MC-DCSK(SubcarriersAllocation aidedMC-DCSK,SA-MC-DCSK)系统在多个子载波传输相同的参考信号，在接收端处对这些经过信道的参考信号取平均以提高系统的可靠性。以上几种方案均是发射相同的参考信号以实现提升系统的可靠性。这些方案需要传输多个参考信号的副本，降低了系统的有效性。
为了保证系统有效性的同时提高传输的可靠性，有学者提出了MC-DCSK迭代接收机算法(MC-DCSK-IR)，利用参考信号与各个信号的相关值，将其作为权值对所有信号进行加权求和得到新的参考信号，新的参考信号提高了信噪比，从而提升了传输的可靠性。此方案有良好的适应性，可以适应不同的发射机。但该方案只能应用于2元DCSK，导致数据传输效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的差分混沌移位键控的迭代接收系统数据传输率不高等问题(二元调制)，提供能够提高数据传输率的一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法(MP-MDCSK-IR)。
本发明包括以下步骤：
1)初始化：迭代接收机将接收到的受到加性高斯白噪声和多径衰落影响的接收信号r(t)进行分离，得到参考信号r0和信息承载信号r1,r2,…,rN-1，分离出的信号经MDCSK解调后得到初始估计量
Figure GDA0003176717230000021
将初始估计量送入MPSK解映射模块可得估计比特序列
Figure GDA0003176717230000022
再将估计比特序列
Figure GDA0003176717230000023
送入MPSK映射模块得到新的符号序列
Figure GDA0003176717230000024
设最大迭代次数为I；(文中涉及到的粗体变量均表示向量或者矩阵)
2)通过接收到的参考信号r0和信息承载信号r1,r2,…,rN-1计算权重因子并更新参考信号cx与cy；
3)进行反馈迭代，达到预设的最大迭代时停止迭代，输出最终解调结果。
在步骤1)中，所述初始化具体包括以下步骤：
(1.1)迭代接收机将接收到的经过噪声污染的接收信号和信息承载信号r(t)经模数转换并进行串并转换，得到1个经过噪声污染的参考信号r0和N-1个经过噪声污染的信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]；
(1.2)信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]与参考信号cx＝r0的转置相乘，即按照公式(1)得到
Figure GDA0003176717230000031
Figure GDA0003176717230000032
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]和经过希尔伯特变换的参考信号cy＝Hilbert(cx)的转置相乘，即按照公式(2)得到
Figure GDA0003176717230000033
Figure GDA0003176717230000034
基于
Figure GDA0003176717230000035
和
Figure GDA0003176717230000036
得到初始判决统计量：
Figure GDA0003176717230000037
将
Figure GDA0003176717230000038
送入MPSK解映射模块，可得到初始的估计比特
Figure GDA0003176717230000039
将估计的比特送入MPSK星座映射模块，得到映射后的
Figure GDA00031767172300000310
令p＝0。
在步骤2)中，所述更新参考信号cx与cy包括以下步骤：
(2.1)p＝p+1；
(2.2)更新参考信号cx：利用再映射后得到的
Figure GDA00031767172300000311
去除cy带来的影响并计算权重因子；
Figure GDA00031767172300000312
imag(x)表示取复变量x的虚部，归一化权重因子
Figure GDA00031767172300000313
Figure GDA00031767172300000314
更新参考信号cx；
Figure GDA00031767172300000315
更新cx：
(2.3)更新cy：对cx进行希尔伯特变换
Figure GDA00031767172300000316
在步骤3)中，所述迭代接收包括以下步骤：
(3.1)令
Figure GDA00031767172300000317
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]与参考信号cx的转置相乘，即，
Figure GDA0003176717230000041
得到
Figure GDA0003176717230000042
令
Figure GDA0003176717230000043
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]和参考信号cy的转置相乘，即：
Figure GDA0003176717230000044
得到
Figure GDA0003176717230000045
基于
Figure GDA0003176717230000046
和
Figure GDA0003176717230000047
得到第p次迭代的判决统计量：
Figure GDA0003176717230000048
将
Figure GDA0003176717230000049
送入MPSK解映射模块，可得到估计比特
Figure GDA00031767172300000410
再将估计的比特送入MPSK星座映射模块，得到映射符号
Figure GDA00031767172300000411
(3.2)若迭代次数p＜I则重复步骤2)和3)；若p＝I，则停止迭代，并输出估计比特
Figure GDA00031767172300000412
作为最后的解调结果。
本发明的有益效果如下：
解调器结合多元差分混沌移位键控(MDCSK:M-ary Differential Chaos ShiftKeying)具有高数据传输率的特性和多路传输系统中一个参考序列辅助多个信息承载序列的特性。本发明公开了一种多路多元差分混沌移位键控系统的迭代接收方法，将参考信号和信息承载信号通过多个并行通路传输，在接收端将接收到的参考信号和信息承载信号进行相关运算得到相关值和似然值，似然值作为权值对各个信号加权求和得到新的参考信号，由此降低参考信号的噪声，用新的参考信号进行反馈迭代，从而在提升系统的BER性能，最后用计算机仿真验证了本发明的有效性。AWGN信道和瑞利衰落信道下的仿真表明，多路多元DCSK迭代接收方法可以提供系统的可靠性。使用多路多元差分混沌移位键控系统的迭代接收机无需传送参考信号的副本，在接收端对参考信号进行迭代更新，从而抑制噪声，提高系统的BER性能，提高系统传输的可靠性。
附图说明
图1为MP-MDCSK-IR系统在发射端发射信号的帧结构图；
图2为MP-MDCSK-IR系统的发射端框图；
图3为MP-MDCSK-IR系统的接收端框图；
图4为N＝32，β＝100的情况下MP-DCSK-IR系统和MP-MDCSK-IR系统在AWGN信道下的BER性能；
图5为N＝32，β＝100的情况下MP-DCSK-IR系统和MP-MDCSK-IR系统在瑞利衰落信道下的BER性能；
图6为N＝32，β＝100的情况下MP-MDCSK-IR系统在AWGN信道不同迭代次数下的BER性能；
图7示出了N＝32，β＝100的情况下MP-MDCSK-IR系统在瑞利衰落信道不同迭代次数下的BER性能。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
图1示出了MP-MDCSK-IR系统在发射端发射信号的帧结构图，图2和图3分别示出了MP-MDCSK-IR系统的发射端和接收端框图；
其具体工作过程如下：
在发射端，参考信号和信息信号通过N路传输。首先产生N个信号向量，每一个信号长度均为β，β为扩频因子。第1路传送混沌参考信号，第2路至第N-1路传送信息承载信号。混沌信号发生器产生长度为β的参考信号，由二阶切比雪夫映射生成混沌序列c＝[c1,c2,…,cβ]
Figure GDA0003176717230000051
cμ是混沌序列第μ个元素，cμ∈(-1,1)，μ＝1,2,…,β。c1为预设的初始值，通过此初始值与公式(10)可以生成后续β-1个值。
发射机首先将二进制比特流b通过串并转换得到：
Figure GDA0003176717230000052
其中，M为调制阶数。N-1路比特序列经MPSK星座映射模块映射后得到符号序列d＝[d1,d2,…,dN-1]＝[a1+jg1,a2+jg2,…aN-1+jgN-1]。参考信号在第1路发射，记为cx＝[cx,1,cx,2,…,cx,β]，参考信号经过希尔伯特变换得到cy＝[cy,1,cy,2,…,cy,β]。
令第一路的参考序列m0＝cx；
cx和cy以及N-1路并行信息流经过MDCSK调制得到N-1个信息承载序列：
Figure GDA0003176717230000061
第1路的参考序列和第2至N-1路的信息承载序列经过并行通道发射。
在接收端接收到信号：
Figure GDA0003176717230000062
其中，L表示信道多径数，λl和τl分别表示第l径的信道系数和延迟，e(t)代表发射信号，n(t)表示加性噪声，其均值为零，方差为N0/2，*代表卷积操作。此外，每个路径的信道系数服从瑞利分布并且在传输符号周期内保持恒定。特别地，当L＝1，λl＝1，τl＝0时，信道退化为AWGN信道。
将接收到的经过噪声污染的参考信号和信息承载信号r(t)进行串并转换，使r(t)分离成1个经过噪声污染的参考信号r0和N-1个经过噪声污染的信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]。
估计
Figure GDA0003176717230000063
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]与参考信号的转置矩阵相乘按照
Figure GDA0003176717230000064
得到
Figure GDA0003176717230000065
估计
Figure GDA0003176717230000066
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]和经过希尔伯特变换的参考信号的转置矩阵相乘按照
Figure GDA0003176717230000067
得到
Figure GDA0003176717230000068
基于
Figure GDA0003176717230000069
和
Figure GDA00031767172300000610
得到初始判决统计量：
Figure GDA00031767172300000611
将
Figure GDA00031767172300000612
送入MPSK解映射模块，可得到初始的估计比特
Figure GDA00031767172300000613
将估计的比特送入MPSK星座映射模块，得到映射后的符号
Figure GDA00031767172300000614
令p＝0。
接下来利用迭代对cx和cy进行更新以实现加强参考信号，提升SNR，第p次迭代(p＜I,I为最大迭代次数)包括以下步骤：
(1)首先令p＝p+1。利用[r0,r1,…,rN-1]、当前的cx以及再映射后得到的
Figure GDA0003176717230000071
去除cy带来的影响，计算权重因子并归一化，
Figure GDA0003176717230000072
i＝0,1,…N-1。归一化权重因子
Figure GDA0003176717230000073
Figure GDA0003176717230000074
更新cx：
Figure GDA0003176717230000075
更新cy：对cx进行希尔伯特变换
Figure GDA0003176717230000076
(2)在第p次迭代中，令
Figure GDA0003176717230000077
可以估计在第p次迭代
Figure GDA0003176717230000078
其中，i＝0,1,…,N-1。得到
Figure GDA0003176717230000079
令
Figure GDA00031767172300000710
可以估计在第p次迭代
Figure GDA00031767172300000711
得到
Figure GDA00031767172300000712
由
Figure GDA00031767172300000713
可以得到第p次迭代的判决统计量：
Figure GDA00031767172300000714
将
Figure GDA00031767172300000715
送入MPSK解映射模块，可得到估计比特
Figure GDA00031767172300000716
再将估计的比特送入MPSK星座映射模块，可得到映射符号
Figure GDA00031767172300000717
(3)若迭代次数p＜I，则进行下一次迭代，将更新结果反馈给参考信号；若p＝I，则停止迭代，得到最终的解调结果
Figure GDA00031767172300000718
(4)停止迭代时，对最终的解调结果进行判决，计算误码率。
本发明介绍的多路多元差分混沌移位键控系统的迭代接收机(MP-MDCSK-IR)方法。为了更好地阐明其有效性，在此展示计算机仿真结果。仿真中使用的衰落信道是AWGN信道和3径瑞利衰落信道,AWGN信道的高斯白噪声满足均值为零，方差为N0/2。瑞利衰落信道的多径数目为3，多径延迟为τ＝0,τ＝1,τ＝2。
图4比较了在相同扩频因子β＝100，相同支路数N＝32下，MP-MDCSK-IR系统和MP-MDCSK系统在AWGN信道下的BER性能。系统的其他仿真参数为：M＝2,4,8,16,I＝0,1。从图中可以看出：在AWGN信道下，迭代后的MP-MDCSK-IR的BER性能优于迭代前的MP-MDCSK系统。迭代1次可以获得2dB以上的性能增益。对于M-aryDCSK，四元相比于二元性能更好。此后，随着M增大，系统的BER性能逐渐减弱。
图5比较了在相同扩频因子β＝100，相同支路数N＝32下，MP-MDCSK-IR系统和MP-MDCSK系统在瑞利衰落信道下的BER性能。系统的其他仿真参数为：M＝2,4,8,16,I＝0,1。从图中可以看出：在瑞利衰落信道下，迭代后的MP-MDCSK-IR的BER性能优于迭代前的MP-MDCSK系统。在瑞利衰落信道下迭代1次可以获得左右的性能增益。
图6比较了在相同扩频因子β＝100，相同支路数N＝32下，迭代不同次数的MP-MDCSK-IR系统在AWGN信道下的BER性能。系统的其他仿真参数为：M＝4,I＝0,1,2,3,4。从图中可以看出：随着迭代次数增加，系统的BER性能提升。迭代1次可以获得以上的性能增益。迭代2次可以获得接近的性能增益。当I＞2时，系统的性能不再大幅改善，只是略微提升。
图7比较了在相同扩频因子β＝100，相同支路数N＝32下，迭代不同次数的MP-MDCSK-IR系统在瑞利衰落信道下的BER性能。系统的其他仿真参数为：M＝4,I＝0,1,2,3,4。从图中可以看出：随着迭代次数增加，系统的BER性能增强。和高斯信道相似，在瑞利衰落信道下迭代1次可以获得以上的性能增益。迭代2次可以获得接近的性能增益。当I＞2时，系统的性能不再大幅改善，只是略微提升。
以上显示和描述了本发明的基本原理/主要特征和本发明的优点。本发明的多路多元差分混沌键控系统的迭代接收机无需传送参考信号的副本，利用接收端接收到的信号，不断对参考信号进行迭代更新，从而提高系统传输的可靠性。这种设计方案可在保证系统有效性的同时显著提升系统的BER性能。

Claims (1)

1.一种多路多元差分混沌移位键控迭代接收方法，其特征在于包括以下步骤：
1)初始化：迭代接收机将接收到的受到加性高斯白噪声和多径衰落影响的接收信号r(t)进行分离，得到参考信号r0和信息承载信号r1,r2,…,rN-1，分离出的信号经MDCSK解调后得到初始估计量
Figure FDA0003176717220000011
将初始估计量送入MPSK解映射模块得估计比特序列
Figure FDA0003176717220000012
再将估计比特序列
Figure FDA0003176717220000013
送入MPSK映射模块得到新的符号序列
Figure FDA0003176717220000014
设最大迭代次数为I；
所述初始化具体包括以下步骤：
(1.1)迭代接收机将接收到的经过噪声污染的接收信号r(t)经模数转换并进行串并转换，得到1个经过噪声污染的参考信号r0和N-1个经过噪声污染的信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]；
(1.2)信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]与参考信号cx＝r0的转置相乘，即按照公式(1)得到
Figure FDA0003176717220000015
Figure FDA0003176717220000016
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]和经过希尔伯特变换的参考信号cy＝Hilbert(cx)的转置相乘，即按照公式(2)得到
Figure FDA0003176717220000017
Figure FDA0003176717220000018
基于
Figure FDA0003176717220000019
和
Figure FDA00031767172200000110
得到初始判决统计量：
Figure FDA00031767172200000111
将
Figure FDA00031767172200000112
送入MPSK解映射模块，得到初始的估计比特
Figure FDA00031767172200000113
将估计的比特送入MPSK星座映射模块，得到映射后的
Figure FDA00031767172200000114
令p＝0；
2)通过接收到的参考信号r0和信息承载信号r1,r2,…,rN-1计算权重因子并更新参考信号cx与cy；
所述更新参考信号cx与cy包括以下步骤：
(2.1)p＝p+1；
(2.2)更新参考信号
Figure FDA0003176717220000021
利用再映射后得到的
Figure FDA0003176717220000022
去除cy带来的影响并计算权重因子；
Figure FDA0003176717220000023
imag(x)表示取复变量x的虚部，归一化权重因子
Figure FDA0003176717220000024
Figure FDA0003176717220000025
更新参考信号cx；
Figure FDA0003176717220000026
(2.3)更新cy：对cx进行希尔伯特变换
Figure FDA0003176717220000027
3)进行反馈迭代，达到预设的最大迭代时停止迭代，输出最终解调结果；
所述迭代接收包括以下步骤：
(3.1)令
Figure FDA0003176717220000028
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]与参考信号cx的转置相乘，即，
Figure FDA0003176717220000029
得到
Figure FDA00031767172200000210
令
Figure FDA00031767172200000211
信息承载信号[r1,r2,…,rN-1]和参考信号cy的转置相乘，即：
Figure FDA00031767172200000212
得到
Figure FDA00031767172200000213
基于
Figure FDA00031767172200000214
和
Figure FDA00031767172200000215
得到第p次迭代的判决统计量：
Figure FDA00031767172200000216
将
Figure FDA00031767172200000217
送入MPSK解映射模块，得到估计比特
Figure FDA00031767172200000218
再将估计的比特送入MPSK星座映射模块，得到映射符号
Figure FDA00031767172200000219
(3.2)若迭代次数p＜I则重复步骤2)和3)；若p＝I，则停止迭代，并输出估计比特
Figure FDA00031767172200000220
作为最后的解调结果。
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