CN112532351B - 一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法 - Google Patents

Abstract

一种加权分数傅里叶变换频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多载波通信方法对抗信道衰落的性能差的问题。本发明针对现行多载波通信系统设计了一种扩展变换域的信号传输方法，通过对频域两分量信号进行交织，可以实现对信号时频能量分布的可控设计。在存在时频衰落的信道条件下，由于信号时频能量的平均化，单个符号的能量损失被分散到参与能量交织过程的多个符号上，大幅度降低了单个符号畸变的程度，有利于接收端恢复原信号，这有效提升了多载波体制的可靠性。同时本发明对现有其他多载波通信方法具有良好的兼容性。本发明可以应用于无线通信技术领域。

Description

一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法

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频域两分量信号的交织传输方法。

背景技术

在无线通信领域，多载波体制由于其具有频带利用率高等优势而被推广并应用在各种数字通信系统中，但其在时频双衰落等较差信道条件下的性能尚有提升空间。近年来，由于具有时频能量平均化的特性，以加权分数傅里叶变换为手段的传统变换域通信方法逐渐被用于增强现行多载波体制的误码性能。但由于受到四项加权分数傅里叶变换形式的限制，其能量平均化的程度尚有较大提升空间，这使得传统变换域信号传输方法对多载波体制可靠性的提升较为有限。因此，现有多载波通信方法对抗信道衰落的性能仍然较差，对其抗干扰性能的缺陷进行补充和优化、进一步提升系统的可靠性成为一个值得关注的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的多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频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频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2^N，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X_i′,i′＝1,2,3,…,M，M为数据块的总个数；

其中：X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀、x₁、…、x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个、…、第2^N个数据；

步骤三、分别对步骤二获得的每一帧数据进行频域能量交织，得到每一帧数据经过频域能量交织获得的输出信号；

将第i′帧数据X_i′经过频域能量交织获得的输出信号表示为X_i′1，X_i′1的表达式具体为：

其中，F_n表示大小为n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，

N＝log₂L；

n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵F_n的表达式为：

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，ω_l为频域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，l＝0,1；

傅里叶变换矩阵

中的元素/>

满足如下关系：

其中：

为傅里叶变换矩阵/>

中的第p行第q列的元素；

ω_l的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1，e是自然对数的底数，i为虚数单位；

步骤四、分别给每一帧数据对应的经过频域能量交织获得的输出信号添加循环前缀，获得每一帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号，将第i′帧数据对应的带有循环前缀的输出信号表示为X_i′0；

步骤五、将各帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₀ X₂₀ … X_i′0 … X_M0]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤六、对步骤五获得的模拟调制信号X_T0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；

步骤七、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；

步骤八、将步骤七获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得模/数转换后的信号数据；对模/数转换后的信号数据进行信道均衡，获得信道均衡后的信号数据X_R；

步骤九、从步骤八获得的信号数据X_R的首位开始，将信号数据X_R分成M个数据块；每个数据块的长度L均为2^N，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做移除循环前缀处理，获得不含循环前缀的各帧数据；

步骤十一、分别对步骤十获得的每一帧数据进行频域能量解交织，得到每一帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号；其中：第j帧数据表示为Y_j＝[y₀ y₁ … y_L-1]，j＝1,2,3,…,M，y₀、y₁、…、y_L-1分别是第j帧数据中的第1个、第2个、…、第L个数据，第j帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

其中，

表示大小为n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，/>

n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵

的表达式具体为：

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，/>

为频域两分量扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数，l＝0,1，/>

的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1；

步骤十二、将各帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₁ Y₂₁ … Y_j1 … Y_M1]；

对信号Y_T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频域两分量信号的交织传输方法，本发明针对现行多载波通信系统设计了一种扩展变换域的信号传输方法，通过利用基于频域两分量扩展加权分数傅里叶变换的频域能量交织及解交织模块代替原有多载波系统中的傅里叶变换及反变换模块，可以实现对信号时频能量分布的可控设计。在存在时频衰落的信道条件下，由于信号时频能量的平均化，单个符号的能量损失被分散到参与能量交织过程的多个符号上，大幅度降低了单个符号畸变的程度，有利于接收端恢复原信号，这有效提升了多载波通信方法对抗信道衰落的性能，提升了多载波体制的可靠性。同时本发明对现有其他多载波通信方法具有良好的兼容性。

本发明采用能量交织及能量解交织技术，可以实现无线通信系统抗干扰性能的提升。

附图说明

图1是本发明的一种加权分数傅里叶变换频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频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。

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频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2^N，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X_i′,i′＝1,2,3,…,M，M为数据块的总个数；

其中：X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀、x₁、…、x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个、…、第2^N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2^N个数据为调制结果中的第2^N个数据，…，第2帧数据中的第1个数据为调制结果中的第2^N+1个数据，第2帧数据中的第2^N个数据为调制结果中的第2^N+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频域能量交织，得到每一帧数据经过频域能量交织获得的输出信号；

将第i′帧数据X_i′经过频域能量交织获得的输出信号表示为X_i′1，X_i′1的表达式具体为：

其中，F_n表示大小为n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，

即n＝2,4,…,L，N＝log₂L；

n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵F_n的表达式为：

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，ω_l为频域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，l＝0,1；

傅里叶变换矩阵

中的元素/>

满足如下关系：

/>

其中：

为傅里叶变换矩阵/>

中的第p行第q列的元素；

ω_l的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1，θ_k∈[0,2π)，e是自然对数的底数，i为虚数单位；

步骤四、分别给每一帧数据对应的经过频域能量交织获得的输出信号添加循环前缀，获得每一帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号，将第i′帧数据对应的带有循环前缀的输出信号表示为X_i′0；

步骤五、将各帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₀ X₂₀ … X_i′0 … X_M0]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤六、对步骤五获得的模拟调制信号X_T0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；

步骤七、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；

步骤八、将步骤七获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得模/数转换后的信号数据；对模/数转换后的信号数据进行信道均衡，获得信道均衡后的信号数据X_R；

步骤九、从步骤八获得的信号数据X_R的首位开始，将信号数据X_R分成M个数据块；每个数据块的长度L均为2^N，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做移除循环前缀处理，获得不含循环前缀的各帧数据；

步骤十一、分别对步骤十获得的每一帧数据进行频域能量解交织，得到每一帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号；其中：第j帧数据表示为Y_j＝[y₀ y₁ … y_L-1]，j＝1,2,3,…,M，y₀、y₁、…、y_L-1分别是第j帧数据中的第1个、第2个、…、第L个数据，第j帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

其中，

表示大小为n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，/>

n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵

的表达式具体为：/>

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，/>

为频域两分量扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数，l＝0,1，/>

的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1，θ_k∈[0,2π)；

步骤十二、将步骤十一获得的各帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₁ Y₂₁ … Y_j1 … Y_M1]；

对信号Y_T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多载波系统均适用。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述置换矩阵Π_n的表达式为：

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤六中，对步骤五获得的模拟调制信号X_T0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，X_T1为上变频处理后的信号，f_c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X_T0进行上变频处理是指：将模拟调制信号X_T0调制到相应载波频率上，得到相应载波频率上的数据X_T1。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤七中，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Y_R1的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述变换参数θ_k的取值为θ_k∈[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 (5)

1.一种加权分数傅里叶变换频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2^N，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X_i′,i′＝1,2,3,...,M，M为数据块的总个数；

其中：X_i′＝[x₀ x₁...x_L-1]，x₀、x₁、…、x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个、…、第2^N个数据；

步骤三、分别对步骤二获得的每一帧数据进行频域能量交织，得到每一帧数据经过频域能量交织获得的输出信号；

将第i′帧数据X_i′经过频域能量交织获得的输出信号表示为X_i′1，X_i′1的表达式具体为：

其中，F_n表示大小为n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，

n×n的频域两分量扩展加权分数傅里叶变换矩阵F_n的表达式为：

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，ω_l为频域两分量扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，l＝0,1；

傅里叶变换矩阵

中的元素

满足如下关系：

其中：

为傅里叶变换矩阵

中的第p行第q列的元素；

ω_l的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1，e是自然对数的底数，i为虚数单位；

步骤四、分别给每一帧数据对应的经过频域能量交织获得的输出信号添加循环前缀，获得每一帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号，将第i′帧数据对应的带有循环前缀的输出信号表示为X_i′0；

步骤五、将各帧数据所对应的带有循环前缀的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₀ X₂₀…X_i′0…X_M0]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤六、对步骤五获得的模拟调制信号X_T0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；

步骤七、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；

步骤八、将步骤七获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得模/数转换后的信号数据；对模/数转换后的信号数据进行信道均衡，获得信道均衡后的信号数据X_R；

步骤九、从步骤八获得的信号数据X_R的首位开始，将信号数据X_R分成M个数据块；每个数据块的长度L均为2^N，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做移除循环前缀处理，获得不含循环前缀的各帧数据；

步骤十一、分别对步骤十获得的每一帧数据进行频域能量解交织，得到每一帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号；其中：第j帧数据表示为Y_j＝[y₀ y₁...y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，y₀、y₁、…、y_L-1分别是第j帧数据中的第1个、第2个、…、第L个数据，第j帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

其中，

表示大小为n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵，0_n表示大小为n×n的零矩阵，

n×n的频域扩展加权分数傅里叶反变换矩阵

的表达式具体为：

式中，

为大小为n×n的傅里叶变换矩阵，Π_n为大小为n×n的置换矩阵，

为频域两分量扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数，l＝0,1，

的表达式为：

其中，θ_k为变换参数，k＝0,1；

步骤十二、将各帧数据经过频域能量解交织获得的输出信号表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₁ Y₂₁…Y_j1…Y_M1]；

对信号Y_T进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

2.根据权利要求1所述的一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法，其特征在于，所述置换矩阵Π_n的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法，其特征在于，所述步骤六中，对步骤五获得的模拟调制信号X_T0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，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部。

4.根据权利要求3所述的一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法，其特征在于，所述步骤七中，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Y_R1的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

5.根据权利要求1所述的一种加权分数傅里叶变换频域两分量信号的交织传输方法，其特征在于，所述变换参数θ_k的取值为θ_k∈[0,2π)。

Images