CN112532350A - 一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法 - Google Patents
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Abstract
一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,它属于无线通信技术领域。本发明解决了现有的单载波通信方法对抗信道衰落的性能差的问题。本发明针对现有单载波通信体制设计了一种扩展变换域的信号传输方法,通过对时域两分量信号进行交织,形成一种能量平均化的信号形式用于通信传输。由于该过程将单个符号的能量与其他多个符号混合扩展,达到一种使信号能量在时频平面相对更加均匀分布的效果,对于信道衰落,其带来的能量损失被平均到多个符号上,大幅度降低了大功率信号畸变出现的概率,有效降低了衰落信道下的误码率,提升了系统的可靠性。本发明可以应用于无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法。
背景技术
在无线通信领域,单载波体制由于其具有峰均功率比低、对频率偏移不敏感等优势而被广泛应用于数字通信系统中,但其在时频深衰落信道条件下的误码性能尚有提升空间。近年来,针对现行单载波系统,加权类分数傅里叶变换作为一种具有完备理论体系和较低复杂度并且易于工程实现的信号处理手段逐渐被引入了提升其抗干扰能力的研究领域。然而,经典加权分数傅里叶变换形式所具有的四分量特性使得其对信号时频能量的分散程度受到局限,传统变换域信号处理方法不能实现单载波信号能量在时频平面的进一步分散和平均,导致现有的单载波通信方法在对抗信道衰落方面的性能仍然比较差,因此,对信号形式进行设计以进一步提升其能量平均化程度进而得到更好的误码性能,从而保证信息传输的可靠性成为一个值得研究的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的单载波通信方法对抗信道衰落的性能差的问题,而提出了一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射,获得星座映射后的调制结果;
步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组:从调制结果的首位开始,将调制结果分成M个长度相等的数据块,每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应一帧数据,将第i′帧数据表示为Xi′,i′=1,2,3,...,M,M为数据块的总个数;
Xi′=[x0 x1 ... xL-1],x0,x1,…,xL-1分别为第i′帧数据Xi′中的第1个,第2个,…,第2N个数据;
步骤三、分别对步骤二获得的每一帧数据进行时域两分量能量交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号;
将第i′帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为Xi′1,Xi′1的表达式具体为:
Fn的表达式为:
Fn=ω0In+ω1Πn
式中,In为大小为n×n的单位矩阵,Πn为大小为n×n的置换矩阵,ω0和ω1均为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数;
置换矩阵Πn为n×n的(0,1)矩阵,且满足如下条件:
ΠnΠn T=In
Πn=Πn T
ω0和ω1的表达式为:
其中,θk为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的变换参数,k=0,1,e为自然对数的底数,i为虚数单位;
步骤四、将各帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号XT,XT=[X11 X21 … Xi′1 … XM1],将XT通过数/模转换器获得模拟调制信号XT0;
步骤五、对步骤四获得的模拟调制信号XT0进行上变频处理,获得上变频处理后的信号,并将上变频处理后的信号发射至信道;
步骤六、信号通过信道的传输到达接收端,接收机对接收到的信号进行下变频处理,获得下变频处理后的信号;
步骤七、将步骤六获得的下变频处理后信号通过模/数转换器,获得模/数转换器输出的信号XR;
步骤八、将步骤七获得的信号XR进行信道均衡,得到经过信道均衡的信号数据;
步骤九、从步骤八获得的信号数据的首位开始,将信号数据分成M个数据块;每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应于一帧数据;
步骤十、分别对步骤九获得的每一帧数据进行时域两分量能量解交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号;其中:将步骤九获得的第j帧数据表示为Yj=[y0 y1 ... yL-1],j=1,2,3,...,M,y0,y1,…,yL-1分别为第j帧数据中的第1个,第2个,…,第2N个数据,第j帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号表示为Yj1;
Yj1的表达式具体为:
步骤十一、将步骤十获得的输出信号Yj1,j=1,2,3,...,M表示为一路串行数字信号YT,YT=[Y11 Y21 … Yj1 … YM1],对信号YT进行星座解映射,恢复出0、1比特数据。
本发明的有益效果是:本发明提出了一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,本发明针对现有单载波通信体制设计了一种扩展变换域的信号传输方法,通过对调制后信号进行时域两分量能量交织,形成一种能量平均化的抗干扰信号形式用于通信传输。由于该过程将单个符号的能量与其他多个符号混合扩展,达到一种使信号能量在时频平面相对更加均匀分布的效果,对于信道衰落,其带来的能量损失被平均到多个符号上,大幅度降低了大功率信号畸变出现的概率,有效降低了衰落信道下的误码率,提升了系统的抗干扰能力,提升了单载波系统对抗信道衰落的性能。同时该方法对现有单载波系统具有较好的兼容性。
本发明采用一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织及解交织技术,可以实现无线通信系统抗衰落性能的提升。
附图说明
图1是本发明的一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法的系统框图;
图2是本发明的一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法在衰落信道下的误码率曲线图。
其中,SC表示单载波系统、WFRFT表示经典加权分数傅里叶变换传输方法、EI表示本发明所提的扩展变换域信号传输方法。
具体实施方式
具体实施方式一:如图1所示。本实施方式所述的一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射,获得星座映射后的调制结果;
步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组:从调制结果的首位开始,将调制结果分成M个长度相等的数据块,每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应一帧数据,将第i′帧数据表示为Xi′,i′=1,2,3,...,M,M为数据块的总个数;
Xi′=[x0 x1 ... xL-1],x0,x1,…,xL-1分别为第i′帧数据Xi′中的第1个,第2个,…,第2N个数据;
对于一个当前数据块,该数据块中的数据按照它们在数据块中的顺序进行排序,形成一帧数据,这就得到了当前数据块所对应的一帧数据;比如,对于第1帧数据,第1帧数据中的第1个数据为调制结果中的第1个数据,…,第1帧数据中的第2N个数据为调制结果中的第2N个数据,…,第2帧数据中的第1个数据为调制结果中的第2N+1个数据,第2帧数据中的第2N个数据为调制结果中的第2N+1个数据等等;
步骤三、分别对步骤二获得的每一帧数据进行时域两分量能量交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号;
将第i′帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为Xi′1,Xi′1的表达式具体为:
Fn的表达式为:
Fn=ω0In+ω1Πn
式中,In为大小为n×n的单位矩阵,Πn为大小为n×n的置换矩阵,ω0和ω1均为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数;
置换矩阵Πn为n×n的(0,1)矩阵,且满足如下条件:
ΠnΠn T=In
Πn=Πn T
(0,1)矩阵是指置换矩阵Πn中的元素只能为0或者1;
ω0和ω1的表达式为:
其中,θk为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的变换参数,k=0,1,θk∈[0,2π),e为自然对数的底数,i为虚数单位;
步骤四、将各帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号XT,XT=[X11 X21 … Xi′1 … XM1],将XT通过数/模转换器获得模拟调制信号XT0;
步骤五、对步骤四获得的模拟调制信号XT0进行上变频处理,获得上变频处理后的信号,并将上变频处理后的信号发射至信道;
步骤六、信号通过信道的传输到达接收端,接收机对接收到的信号进行下变频处理,获得下变频处理后的信号;
步骤七、将步骤六获得的下变频处理后信号通过模/数转换器,获得模/数转换器输出的信号XR;
步骤八、将步骤七获得的信号XR进行信道均衡,得到经过信道均衡的信号数据;
步骤九、从步骤八获得的信号数据的首位开始,将信号数据分成M个数据块;每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应于一帧数据;
步骤十、分别对步骤九获得的每一帧数据进行时域两分量能量解交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号;其中:将步骤九获得的第j帧数据表示为Yj=[y0 y1 ... yL-1],j=1,2,3,...,M,y0,y1,…,yL-1分别为第j帧数据中的第1个,第2个,…,第2N个数据,第j帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号表示为Yj1;
Yj1的表达式具体为:
其中,θk∈[0,2π),k=0,1为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的变换参数,与步骤三中相同,i为虚数单位。
步骤十一、将步骤十获得的输出信号Yj1,j=1,2,3,...,M表示为一路串行数字信号YT,YT=[Y11 Y21 … Yj1 … YM1],对信号YT进行星座解映射,恢复出0、1比特数据。
步骤一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。
本发明方法对于现行的单载波系统均适用。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述步骤五中,对步骤四获得的模拟调制信号XT0进行上变频处理,获得上变频处理后的信号,所述上变频处理后的信号的具体形式为:
其中,XT1为上变频处理后的信号,fc为载波调制中心频率,t为时序标志,Re[·]代表取实部。
本实施方式中,对信号XT0进行上变频处理是指:将模拟调制信号XT0调制到相应载波频率上,得到相应载波频率上的数据XT1。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是:所述步骤六中,接收机对接收到的信号进行下变频处理,接收机接收到的信号YR1的形式为:
YR1=HXT1+NT
其中,H为信道状态信息矩阵,NT为随机噪声。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述变换参数θk的取值范围为θk∈[0,2π)。
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 (4)
1.一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射,获得星座映射后的调制结果;
步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组:从调制结果的首位开始,将调制结果分成M个长度相等的数据块,每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应一帧数据,将第i′帧数据表示为Xi′,i′=1,2,3,...,M,M为数据块的总个数;
Xi′=[x0 x1...xL-1],x0,x1,…,xL-1分别为第i′帧数据Xi′中的第1个,第2个,…,第2N个数据;
步骤三、分别对步骤二获得的每一帧数据进行时域两分量能量交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号;
将第i′帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为Xi′1,Xi′1的表达式具体为:
Fn的表达式为:
Fn=ω0In+ω1Πn
式中,In为大小为n×n的单位矩阵,Πn为大小为n×n的置换矩阵,ω0和ω1均为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数;
置换矩阵Πn为n×n的(0,1)矩阵,且满足如下条件:
ΠnΠn T=In
Πn=Πn T
ω0和ω1的表达式为:
其中,θk为时域两分量扩展加权分数傅里叶变换的变换参数,k=0,1,e为自然对数的底数,i为虚数单位;
步骤四、将各帧数据经过时域两分量能量交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号XT,XT=[X11 X21…Xi′1…XM1],将XT通过数/模转换器获得模拟调制信号XT0;
步骤五、对步骤四获得的模拟调制信号XT0进行上变频处理,获得上变频处理后的信号,并将上变频处理后的信号发射至信道;
步骤六、信号通过信道的传输到达接收端,接收机对接收到的信号进行下变频处理,获得下变频处理后的信号;
步骤七、将步骤六获得的下变频处理后信号通过模/数转换器,获得模/数转换器输出的信号XR;
步骤八、将步骤七获得的信号XR进行信道均衡,得到经过信道均衡的信号数据;
步骤九、从步骤八获得的信号数据的首位开始,将信号数据分成M个数据块;每个数据块的长度L均为2N,N为正整数,每个数据块对应于一帧数据;
步骤十、分别对步骤九获得的每一帧数据进行时域两分量能量解交织,得到每一帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号;其中:将步骤九获得的第j帧数据表示为Yj=[y0 y1...yL-1],j=1,2,3,...,M,y0,y1,…,yL-1分别为第j帧数据中的第1个,第2个,…,第2N个数据,第j帧数据经过时域两分量能量解交织获得的输出信号表示为Yj1;
Yj1的表达式具体为:
步骤十一、将步骤十获得的输出信号Yj1,j=1,2,3,...,M表示为一路串行数字信号YT,YT=[Y11 Y21…Yj1…YM1],对信号YT进行星座解映射,恢复出0、1比特数据。
3.根据权利要求2所述的一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,其特征在于,所述步骤六中,接收机对接收到的信号进行下变频处理,接收机接收到的信号YR1的形式为:
YR1=HXT1+NT
其中,H为信道状态信息矩阵,NT为随机噪声。
4.根据权利要求1所述的一种加权分数傅里叶变换时域两分量信号的交织传输方法,其特征在于,所述变换参数θk的取值范围为θk∈[0,2π)。
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