CN112165441A - 一种基于正交多载波技术的无线通信方法、终端、系统以及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正交多载波技术的无线通信方法、终端、系统以及可读存储介质，该方法包括：信号发射端发射基带信号，基带信号以编码后的复数信号形式进行传输；基于复数信号构建共轭对称的复数数组信号；对复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；基于正交多载波技术以一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的幅度系数构建出调制信号，并将调制信号发送给信号接收端；信号接收端接收调制信号并进行采样，再利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；基于一维实数信号反求解FFT得到共轭对称的复数数组信号，最终得到复数信号。所述方法提供了一种算法更加简单的调制和调解方式。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于正交多载波技术的无线通信方法、终端、系统以及可读存储介质。
背景技术
目前市场上的通用芯片都是采用远距离通信算法，无法买到正交多载波的专属芯片。即便是买到了正交多载波的方案，也是基于远距离移动的通信算法，而基于远距离移动的通信算法过于复杂，导致需要耗费过多的乘法器，对FPGA的规模要求比较苛刻。然而，对于大多数近距离，比如3-5米以内，根本用不到那么复杂的算法，因此，研究一种近距离空间内算法简单、FPGA更容易实现的点对点的通信模式和算法架构是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于正交多载波技术的无线通信方法，终端，系统以及可读存储介质，具体是提供一种简易调制和调解的信号通信方式，为近距离的通信提供了一种有效可行的全新方式。
本发明提供一种基于正交多载波技术的无线通信方法，包括如下步骤：
S1：信号发射端发射基带信号，所述基带信号以编码后的复数信号形式进行传输，每个复数对应一个二进制字节；
S2：基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
S3：对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
S4：基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的幅度系数构建出调制信号，并将所述调制信号发送给信号接收端；
S5：所述信号接收端接收调制信号并进行采样，再利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
S6：基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
进一步优选，步骤S5中得到所述一维实数信号的过程如下：
首先，对调制信号进行采样，，所述调制信号由M个正弦波叠加，所述一维实数信号中每个实数分别作为一个所述正弦波的幅值系数，所述采样瞬态值y(k)如下：
式中，M等于调制信号中正弦波的最高次，ci为一维实数信号中第i个实数，fi为基波频率fo的倍频，倍数为i；然后，基于采样信号并利用和积算法分别计算出调制信号中每个正弦波次对应的检波MtJIANBO得到[Mt1,......MtM]，检波公式如下：
式中，检波的波次JLANBO的取值为：{1,2,……,M}，y(k)表示第k个采样对应的采样瞬态值，N为一个信号周期内的采样总数，fJIANBO为波次JLANBO对应的频率，等于基波频率fo的JLANBO倍数的倍频，Ts为信号接收端在一个信号周期内单位采样间隔时间，k表示一个信号周期内的第k个采样；
最后，基于检波与一维实数信号中实数的正比关系计算出一维实数信号[c1,c2,……,cM]，c1、c2、cM分别为所述一维实数信号中第1个、第2个以及第M个实数。
进一步优选，步骤S4中所述调制信号如下：
式中，fo为基波频率，单位为Hz，fi为fo的倍频，倍数为i，t为时间，ci为一维实数信号中第i个信号，M等于一维实数信号中离散信号总个数，一维实数信号表示为:[c1,c2,……,cM]，c1、c2、cM分别为所述一维实数信号中第1个、第2个以及第M个实数。
进一步优选，所述基带信号上以串行比特码元每八位的长度做信源编码的单位码元，所述复数信号表示为ai+jbi，ai为实部，bi为虚部，j为虚数单位；若复数信号的类别数为n，则M＝n×2+2。
譬如，通过星座编码QAM256原则进行编码得到复数信号，则n＝256，M＝514；若QAM64编码，则n＝64，M＝130。
本发明还提供一种基于正交多载波技术的无线通信方法，应用于信号发射端，包括如下步骤：
S11：发射基带信号，所述基带信号以编码后的复数形式进行传输；
S12：基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
S13：对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
S14：基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建出调制信号，并将所述调制信号发送给信号接收端，以供所述信号接收端采用和积方式对调制信号进行解调得到一维实数信号，进而基于所述一维实数信号得到所述复数信号。
本发明还提供一种基于正交多载波技术的无线通信方法，应用于信号接收端，包括如下步骤：
S21：接收信号发射端发射的调制信号；
其中，所述调制信号是信号发射端基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建的，所述一维实数信号是由信号发射端上共轭对称的复数数组信号进行IFFT计算得到的，所述共轭对称的复数数组信号是基于以复数信号表示的基带信号构建的；
S22：利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
S23：基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
本发明还提供一种终端，为信号发射端或信号接收端，其包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述存储器存储的计算机程序以执行：所述方法的步骤。
本发明还提供一种基于上述终端的通信系统，包括相互通信的信号发射端以及信号接收端。
本发明还提供一种通信系统，包括相互通信的信号发射端和信号接收端；所述信号发射端包括：复数信号生成模块，复数数组信号生成模块，计算模块，调制信号生成模块以及传输模块；所述信号接收端包括：采样模块，解调模块，复数信号求解模块以及收发模块；其中，所述复数信号生成模块用于对基带信号进行编码得到复数信号；
复数数组信号生成模块，用于基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
计算模块，用于对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
调制信号生成模块，基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建出调制信号；
传输模块，用于将所述调制信号发送给信号接收端；
收发模块，用于接收信号发送端发射的调制信号；
采样模块，用于对接收调制信号进行采样；
解调模块，用于利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
复数信号求解模块，用于基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行所述方法的步骤。
有益效果
1.本发明提供的所述调制解调方式属于高速无线通信的一种调制解调方式，在整个编码解码的实现上，采用简单的乘积和的模式，就能解调出相关载波系数，省去了循环卷积的复杂过程，而循环卷积将給系统带来巨大的运算量，消耗大，价格昂贵；因此，本发明所述方法的实现对FPGA或者ASIC的实现来说，芯片规模代码规模要低一个数量级，更容易实现。
2.本发明所述方法基于算法简单，其从数学上和物理上就非常适合短距离快速响应。
附图说明
图1是本发明实施例提供的信号发射端的示意图；
图2是本发明实施例提供的信号接收端的示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种基于正交多载波技术的无线通信方法是一种点对点的通信模式，尤其是针对近距离的通信，本发明算法简单，FPGA更容易实现。下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例中，一种基于正交多载波技术的无线通信方法，包括如下步骤：
S1：信号发射端A发射基带信号，所述基带信号以编码后的复数信号形式进行传输。本实施例中，信源的串行比特码元每八位的长度做信源编码的单位码元，通过星座编码QAM256的原则，转换乘一个模拟向量得到复数形式。
复数表示为：ai+jbi。根据QAM256的原则为：16乘16，所以ai,bi分别都有16个取值，ai+jbi则有256个不同模值和相位的向量。为了增大信噪比，拉大间距，本实施例中，其值选择如下，但是本发明并不限于下述取值：
ai∈{-15,-13,-11,-9,-7,-5,-4,-1,1,3,5,7,9,11,13,15}
bi∈{-15,-13,-11,-9,-7,-5,-4,-1,1,3,5,7,9,11,13,15}
S2:基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号。
首先，基于上述256个ai+jbi，构建共轭复数对，则得到256对共轭复数对，表示为：
然后，在前面和中间加0形成了共轭对称的复数数组信号，即514长度的混合复数组，如下：
[0,a1+jb1,...,a256+jb256,0,a256-jb256,...,a1-jb1]
应当理解，本实施例中因为采用QAM256进行编码，因此混合复数组的长度为514，若采用其他编码方式，混合复数组的长度会同步变化，但是构建共轭对称的的复数数组信号的方式不变，即最前以及中间位置加0。
S3：对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号[c1,c2,…ci…,c514]。其中，在FPGA中基本都有现在的IFFT模块，可以直接调用运算。共轭对称的复数数组信号经过IFFT的计算可以将复数信号全变成了实数信号，即原来要处理很多二维数据，变成了一维数据，变成一维数据后还有利于做正交子载波的幅度系数。对于目前所有正交子载波基本都是一维正弦波。它们的系数，分别都是实数。
S4：以所述一维实数信号作为子载波系数构建调制信号，并将所述调制信号发送给信号接收端。其中，调制信号如下：
fi＝i·fo
式中，fo为基波频率，单位为Hz，fi为fo的倍频，倍数为i，t为时间，ci为一维实数信号中第i个信号。本实施例中，fo取值为15KHz。
S5：信号接收端B接收调制信号并进行采样，再利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号。应当理解，解调目的为就求ci数组，根据共轭对称的复数数组与ci数组为一一对应关系求出ci数组。
首先设置：Ts＝1/fsample，Ts为信号接收端在一个信号周期内单位采样间隔时间，fsample的信号接收端在一个信号周期内的采样频率，根据采样定理，调制信号最高的模拟频率为f0的最高次波，即f0的256次波，也就是15k×256为3.84MHz，若要满足采样定理，至少要3.84M的两倍以上，当然工程上可以取4-10倍采样频率都是可行的。本实施例中，取fsample为38.4M。
调制波形的AD数字化及采样瞬态值如下：
应当理解，调制信号为一个连续信号，进行采样后得到离散信号，如上，y(k)表示第k个采样对应的采样瞬态值，所有采样点的采样瞬态值构成一个采样序列。本实施例中，最高次频率的第514次波中每个波形里面有10次采样，因此，采样点总数N取值为10×514＝5140，存在5140个y(k)。
经过和积算法，简化正交积分运算，便于计算机实现，有下列检波公式：
假定要检波的波次JIANBO∈{1,……,514}：
JIANBO值取1到514，将会得到：[Mt1,......MtM]。
由于Mti正比于ci，可以求出一维实数信号[c1,c2,…ci…,cN]，譬如，比例为K，则存在：Mti＝Kci，其中，本实施例中K值等于2000，在实际获取K的计算公式时，本发明采用预先进行多组模拟运算拟合出K的关系式，本实施中选择模拟出K与N的关系式，在实际应用过程中基于关系式以及N值确定K值。
S6：基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
其中，根据[c1,c2,……,c514]，再反求FFT得到：
[0,a1+jb1,...,a256+jb256,0,a256-jb256,...,a1-jb1]
进而得到：
[a1+jb1,...,a256+jb256]
基于上述步骤，完成了信号传输的过程。
在一些可信的实施例中，本发明还提供一种通信系统，包括相互通信的信号发射端和信号接收端；所述信号发射端包括：复数信号生成模块，复数数组信号生成模块，计算模块，调制信号生成模块以及传输模块；所述信号接收端包括：采样模块，解调模块，复数信号求解模块以及收发模块；其中，所述复数信号生成模块用于对基带信号进行编码得到复数信号；
复数数组信号生成模块，用于基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
计算模块，用于对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
调制信号生成模块，用于基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建出调制信号；
传输模块，用于将所述调制信号发送给信号接收端；
收发模块，用于接收信号发送端发射的调制信号；
采样模块，用于对接收调制信号进行采样；
解调模块，用于利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
复数信号求解模块，用于基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
具体各个模块的实现过程请参照上述方法的内容，在此不再赘述。应该理解到，上述功能模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在一些可行的实施例中，本发明还提供一种终端，为信号发射端或信号接收端，其包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述存储器存储的计算机程序以执行：上述方法中对应终端的执行步骤。
在一些可行的实施例中，本发明还提供一种基于上述终端的通信系统，其包括相互通信的信号发射端以及信号接收端。
在一些可行的实施例中，本发明还提供本发明还提供一种可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行所述方法的步骤。
应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于正交多载波技术的无线通信方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：信号发射端发射基带信号，所述基带信号以编码后的复数信号形式进行传输；
S2：基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
S3：对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
S4：基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的幅度系数构建出调制信号，并将所述调制信号发送给信号接收端；
S5：所述信号接收端接收调制信号并进行采样，再利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
S6：基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S5中得到一维实数信号的过程如下：
首先，对调制信号进行采样，所述调制信号由M个正弦波叠加，所述一维实数信号中每个实数分别作为一个所述正弦波的幅值系数；
然后，基于采样信号并利用和积算法分别计算出调制信号中每个正弦波次对应的检波MtJIANBO得到[Mt1,......MtM]，检波公式如下：
式中，检波的波次JLANBO的取值为：{1,2,……,M}，y(k)表示第k个采样对应的采样瞬态值，N为一个信号周期内的采样总数，fJIANBO为波次JLANBO对应的频率，等于基波频率fo的JLANBO倍数的倍频，Ts为信号接收端在一个信号周期内单位采样间隔时间，k表示一个信号周期内的第k个采样；
最后，基于检波与一维实数信号中实数的正比关系计算出一维实数信号[c1,c2,……,cM]，c1、c2、cM分别为所述一维实数信号中第1个、第2个以及第M个实数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调制信号如下：
式中，fo为基波频率，单位为Hz，fi为fo的倍频，倍数为i，t为时间，ci为一维实数信号中第i个信号，M等于一维实数信号中离散信号总个数，一维实数信号表示为:[c1,c2,……,cM]，c1、c2、cM分别为所述一维实数信号中第1个、第2个以及第M个实数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述基带信号上以串行比特码元每八位的长度做信源编码的单位码元，所述复数信号表示为ai+jbi，ai为实部，bi为虚部，j为虚数单位；若复数信号的类别数为n，则M＝n×2+2。
5.一种基于正交多载波技术的无线通信方法，应用于信号发射端，其特征在于：包括如下步骤：
S11：发射基带信号，所述基带信号以编码后的复数形式进行传输；
S12：基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
S13：对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
S14：基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建出调制信号，并将所述调制信号发送给信号接收端，以供所述信号接收端采用和积方式对调制信号进行解调得到一维实数信号，进而基于所述一维实数信号得到所述复数信号。
6.一种基于正交多载波技术的无线通信方法，应用于信号接收端，其特征在于：包括如下步骤：
S21:接收信号发射端发射的调制信号；
其中，所述调制信号是信号发射端基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建的，所述一维实数信号是由信号发射端上共轭对称的复数数组信号进行IFFT计算得到的，所述共轭对称的复数数组信号是基于以复数信号表示的基带信号构建的；
S22：利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
S23：基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
7.一种终端，为信号发射端或信号接收端，其特征在于：包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述存储器存储的计算机程序以执行：权利要求5或权利要求6所述方法的步骤。
8.一种基于权利要求7所述终端的通信系统，其特征在于：包括相互通信的信号发射端以及信号接收端。
9.一种通信系统，其特征在于：包括相互通信的信号发射端和信号接收端；所述信号发射端包括：复数信号生成模块，复数数组信号生成模块，计算模块，调制信号生成模块以及传输模块；所述信号接收端包括：采样模块，解调模块，复数信号求解模块以及收发模块；其中，所述复数信号生成模块用于对基带信号进行编码得到复数信号；
复数数组信号生成模块，用于基于所述复数信号构建共轭对称的复数数组信号；
计算模块，用于对所述复数数组信号进行IFFT计算得到一维实数信号；
调制信号生成模块，用于基于正交多载波技术以所述一维实数信号中实数分别作为相互正交的各个子载波的系数构建出调制信号；
传输模块，用于将所述调制信号发送给信号接收端；
收发模块，用于接收信号发送端发射的调制信号；
采样模块，用于对接收调制信号进行采样；
解调模块，用于利用和积方式对采样得到调制信号进行解调得到一维实数信号；
复数信号求解模块，用于基于所述一维实数信号反求解FFT得到所述共轭对称的复数数组信号，并基于所述共轭对称的复数数组信号得到所述复数信号。
10.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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| CN202011004413.9A Pending CN112165441A (zh) | 2020-09-22 | 2020-09-22 | 一种基于正交多载波技术的无线通信方法、终端、系统以及可读存储介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112165441A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105245476A (zh) * | 2015-08-27 | 2016-01-13 | 哈尔滨工业大学 | 适用于无循环前缀ofdm/ofdma系统的高效符号循环移位均衡方法 |
| US20190280716A1 (en) * | 2014-03-19 | 2019-09-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Transmitting apparatus and interleaving method thereof |
| CN110545109A (zh) * | 2014-02-19 | 2019-12-06 | 索尼公司 | 接收方法与接收装置 |
| CN111431836A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-17 | 湖南长城信息金融设备有限责任公司 | 用于512路子载波ofdm无线通信中基带波形的构建方法及系统 |
-
2020
- 2020-09-22 CN CN202011004413.9A patent/CN112165441A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110545109A (zh) * | 2014-02-19 | 2019-12-06 | 索尼公司 | 接收方法与接收装置 |
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