CN112714090B - 一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法 - Google Patents

Abstract

一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法，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，传输的可靠性低的问题。本发明为提升单载波通信体制的误码性能而设计一种扩展混合载波信号传输方法，通过对星座映射后信号进行扩展混合载波调制，形成一种时域能量平均化的抗衰落信号形式用于通信传输，实现了对信道时间选择性衰落的平均化处理，使得单个符号的能量损失被参与变换过程的多个符号所分摊，大幅度降低了单个符号由于畸变过大而导致误判的概率，有效降低了衰落信道下的误码率，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扩展混合载波传输方法

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扩展混合载波传输方法。

背景技术

在无线通信技术领域，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，但由于其抗频率色散性能较差，使得单载波通信方法在存在时域深衰落的信道条件下的性能尚有提升的空间。近年来，出于对现行单载波系统传输可靠性的提升，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得到了研究，并取得了一定的成果。然而，现有的混合载波通信方法受加权分数傅里叶变换四分量形式的限制，不能实现信号能量在时域的完全平均化分布，这使其抗时间选择性衰落的能力尚有提升的空间，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，传输的可靠性较低，因此，对信号形式进行设计以进一步提升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，传输的可靠性低的问题，而提出了一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法。

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扩展混合载波传输方法，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；

X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀，x₁，…，x_L-1分别为第i′帧数据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扩展混合载波调制，得到每一帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号；

将第i′帧数据经过扩展混合载波调制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，k＝0,1,...,N-1，上角标T代表转置，N＝log₂L，Λ为中间变量矩阵，F_d ^k的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

步骤四、将各帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁ … X_i′1 … X_M1]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤五、对步骤四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X_R；

步骤八、将步骤七获得的信号X_R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进行扩展混合载波解调，得到每一帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号；其中：将步骤九获得的第j帧数据表示为Y_j＝[y₀y₁ ... y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，y₀，y₁，…，y_L-1分别为第j帧数据中的第1个，第2个，…，第2^N个数据，第j帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

其中，上角标T代表转置，

的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

步骤十一、将步骤十获得的输出信号Y_j1，j＝1,2,3,...,M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：本发明为提升现有单载波通信体制的误码性能而设计了一种扩展混合载波信号传输方法，通过对调制后信号进行组合式扩展加权分数傅里叶变换，形成一种时域能量平均化的抗衰落信号形式用于通信传输，同时由于该过程去除了传统加权分数傅里叶变换反转模块首位不动的影响，使其可以实现进一步平均信道时域深衰落影响的效果，从而大幅度降低了单个符号由于畸变过大而导致误判的概率，有效降低了衰落信道下的误码率，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。

本发明采用一种扩展混合载波调制及解调技术，可以实现无线通信系统抗衰落性能和传输可靠性的提升。

附图说明

图1是本发明的一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波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扩展混合载波传输方法扩展混合载波调制模块的信号处理流程示意图；

图3是本发明的一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波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、HC表示经典混合载波系统、EHC表示本发明所提的扩展混合载波系统。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和图2所示。本实施方式所述的一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法，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；

X_i′＝[x₀ x₁ ... x_L-1]，x₀，x₁，…，x_L-1分别为第i′帧数据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扩展混合载波调制，得到每一帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号；

将第i′帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号表示为X_i′1，X_i′1的表达式具体为：

X_i′1 ^T＝F_EHCX_i′ ^T

其中，k＝0,1,...,N-1，上角标T代表转置，N＝log₂L，Λ为中间变量矩阵，

表示组合式加权分数傅里叶变换的第k级，

的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

步骤四、将各帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁ … X_i′1 … X_M1]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤五、对步骤四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X_R；

步骤八、将步骤七获得的信号X_R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进行扩展混合载波解调，得到每一帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号；其中：将步骤九获得的第j帧数据表示为Y_j＝[y₀y₁ … y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，y₀，y₁，…，y_L-1分别为第j帧数据中的第1个，第2个，…，第2^N个数据，第j帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

Y_j1 ^T＝F_EHC ^-1Y_j ^T

其中，上角标T代表转置，

表示组合式加权分数傅里叶逆变换的第k级，

的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

步骤十一、将步骤十获得的输出信号Y_j1，j＝1,2,3,...,M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单载波系统均适用。

通过图3可以看出，与单载波系统和经典混合载波系统相比，采用本发明方法可以显著提高无线通信系统的抗衰落性能和传输可靠性。

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

的表达式为：

式中，e为自然对数的底数，

为单位矩阵，θ₀∈[0,2π)为变换参数，i为虚数单位，

为置换矩阵。

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

的表达式为：

式中，e为自然对数的底数，

为单位矩阵，θ₀∈[0,2π)为变换参数，i为虚数单位，

为置换矩阵。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述置换矩阵

的表达式具体为：

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述中间变量矩阵Λ的表达式具体为：

Λ^i″＝[0_2×1 I_2×2]^T

式中，

0_2×1表示大小为2×1的零矩阵，I_2×2表示大小为2×2的单位矩阵。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤五中，对步骤四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。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：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。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述

的表达式为：

本实施方式中的参数定义均与具体实施方式二中相同，对角矩阵中对角线上每个元素相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述

的表达式为：

本实施方式中的参数定义均与具体实施方式三中相同，对角矩阵中对角线上每个元素相同。

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)

1.一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法，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；

X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀，x₁，…，x_L-1分别为第i′帧数据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扩展混合载波调制，得到每一帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号；

将第i′帧数据经过扩展混合载波调制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，k＝0,1,...,N-1，上角标T代表转置，N＝log₂L，Λ为中间变量矩阵，

的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

所述

的表达式为：

或

式中，e为自然对数的底数，

为单位矩阵，θ₀∈[0,2π)为变换参数，i为虚数单位，

为置换矩阵；

所述置换矩阵

的表达式具体为：

所述中间变量矩阵Λ的表达式具体为：

Λ^i″＝[0_2×1 I_2×2]^T

式中，

0_2×1表示大小为2×1的零矩阵，I_2×2表示大小为2×2的单位矩阵；

步骤四、将各帧数据经过扩展混合载波调制获得的输出信号表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁ … X_i′1 … X_M1]，将X_T通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤五、对步骤四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X_R；

步骤八、将步骤七获得的信号X_R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进行扩展混合载波解调，得到每一帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号；其中：将步骤九获得的第j帧数据表示为Y_j＝[y₀ y₁… y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，y₀，y₁，…，y_L-1分别为第j帧数据中的第1个，第2个，…，第2^N个数据，第j帧数据经过扩展混合载波解调获得的输出信号表示为Y_j1；

Y_j1的表达式具体为：

其中，上角标T代表转置，

的表达式具体为：

式中，

为分块对角矩阵

中的子块，j′＝0,1,…,2^k-1；

所述

的表达式为：

或

步骤十一、将步骤十获得的输出信号Y_j1，j＝1,2,3,…,M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扩展混合载波传输方法，其特征在于，所述步骤五中，对步骤四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。

3.根据权利要求2所述的一种加权分数傅里叶变换扩展混合载波传输方法，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。

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