CN114221672A - 一种基于ifft的频域稀疏信号收发系统实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，改善了现有技术中多频段数字信号处理模块的复杂度仍需降低的问题。该发明含有以下步骤，步骤1、信息码序列生成；步骤2、基带信号调制；步骤3、串行信号转换为并行信号；步骤4、频域稀疏信号生成；步骤5、频域稀疏信号发送，将步骤4中生成的并行信号结果转换为串行信号；对调制后的波形进行基带脉冲成型处理，用传输函数进行平滑操作；步骤6、接收信号处理；步骤7、频域稀疏信号分离；步骤8、信息解码。该技术通过较少的数字信号处理模块处理多个频段上的信号，降低多频段数字信号处理模块的复杂度，提升数字信处理模块的可复用性，可维护性。

Description

一种基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法
技术领域
本发明涉及基带数字通信信号处理领域，特别是涉及一种基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法。
背景技术
随着通信数字信号处理技术的飞速发展，数字信号处理的电路模块越来越成熟，FFT/IFFT的计算成本也逐渐降低。目前在很多场景下我们需要发送指定若干频点的稀疏信号，在仿真实验中，可以利用稀疏信号生成技术来模拟发送地震波；在无线通信中，可以利用稀疏信号生成技术来发送不同频段的信息供各频段的接收端进行解调。
孟庆丰等作者在其发表的论文《新体制卫星导航系统的多频点多信号复合生成技术研究》中提出并设计了一种多频点多信号复合生成技术，该技术主要研究并涉及了三个频点的复合信号生成技术，首先生成基带信号，再通过载波调制将信号变频到指定的频点，最后将各频点信号独立发送。该技术需要通过三个频点不同的载波生成模块，导致该数字信号生成技术的计算复杂度较高，而且系统存在冗余部分。
张祥丽、张慧敏等作者在其发表的论文《基于FPGA的基带信号发生器的设计》中提出并设计了一种基于FPGA的多调制方式信号生成技术，该技术利用EDA和FPGA实现直接数字频率综合器DDS的设计。可以实现快速的频率切换，相位连续等功能。但是该技术在FPGA模块中实现信号生成技术中主要是利用FFT生成一路信号，无法实现利用单模块同时生成多频段信号。
发明内容
本发明的目的在于改善上述现有技术存在的不足，提供一种复杂度低、具有可复用性和可维护性的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法：含有以下步骤，
步骤1、信息码序列生成；
步骤2、基带信号调制；
步骤3、串行信号转换为并行信号；
步骤4、频域稀疏信号生成；
步骤5、频域稀疏信号发送；
步骤6、接收信号处理；
步骤7、频域稀疏信号分离；
步骤8、信息解码。
优选地，所述步骤1中信源需要产生数字业务信号，由0和1组成的数字信号为通信系统待发送的业务信号。
优选地，所述步骤2中基带信号为未经过调制的原始电信号，通过频谱搬移和变换对基带数字信号采用数字键控的方法来实现数字调制，采用BPSK和QPSK方法，分别对指定频段的信号进行调制，二进制相移键控信号的时域表达式为：
eBPSK＝|∑ang(t-nTs)cosωct|
当发送二进制符号1时，已调信号eBPSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，eBPSK(t)取180°相位。
优选地，所述步骤3中的信号经过基带信号调制之后，将一路信号转换为多路并行信号，如将各频段信号转换为4路并行信号。
优选地，所述步骤4中含有以下步骤：
步骤4a、确定并行信号的对应的频段，采用128点IFFT来产生三个频段的稀疏信号来设计稀疏矩阵，经过IFFT处理的信号表示为：
Figure BDA0003413589720000021
对应数据信息位，N对应IFFT点数，k对应为进行IFFT的稀疏矩阵中数据存储的位置，128点IFFT代表将带宽B分割为128份，其中相邻子载波中心频率距离为B/128，根据背景三路信号中心频率分别aMHZ,bMHZ和cMHZ，得出各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值；
步骤4b、生成包含各频段信号的稀疏矩阵DN×128，将该矩阵输入IFFT数字信号处理模块，同时生成指定频段的信号，其中
Figure BDA0003413589720000022
优选地，所述步骤5中含有以下步骤：
步骤5a、将步骤4中生成的并行信号结果转换为串行信号；
步骤5b、对调制后的波形进行基带脉冲成型处理，由于平方根升余弦成形波满足奈奎斯特条件，利用该传输函数H(f)进行平滑操作，平滑程度用参数α表示，称为滚降系数，其中滚降系数α、码片速率Rc和频带利用率η的关系如下式所示，
Figure BDA0003413589720000023
优选地，所述步骤6中含有以下步骤：基带接收信号匹配滤波，为了在抽样时刻使输出信噪比最大，匹配滤波器得到最大输出信噪比就等于最佳接收时理论上能达到的最高输出信噪比，假设信道传输函数C(f)＝1，则理想最佳传输系统的基带传输特性为：
H(f)＝GT(f)·GR(f)
其中GT(f)为发送端成形滤波器传输特性，GR(f)为接收端匹配滤波器传输特性，当接收匹配滤波器满足上式时，实现最佳接收，
Figure BDA0003413589720000031
在AWGN信道条件下的最佳匹配滤波器系统函数是成形滤波器的共轭匹配，本方案的匹配滤波器在时域上的形式为发送端进行信号脉冲成型的时域倒置波形，即相同滚降系数的升余弦脉冲波形。
优选地，所述步骤7含有以下步骤：
频域稀疏信号分离；
(7a)将匹配滤波得到信号进行串/并变换；
(7b)对并行的频域稀疏信号进行预处理，将并行信号根据步骤4进行逆处理，对得到的S(t)进行FFT变换，如式：
Figure BDA0003413589720000032
得到各频段的并行信号。
优选地，所述所述步骤8含有以下步骤：
步骤8a、获取各频段的并行信号，根据步骤4a在发送信号时所选各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值，提取出对应频段的并行信号；
步骤8b、获取发送码字，将4路并行信号转换为串行信号，之后进行BPSK解调，得到发送的码字。
与现有技术相比，本发明基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法具有以下优点：
1、在发送端生成稀疏信号矩阵，利用IFFT数字信号处理模块同时生成指定的多个频段信号；在接收端利用FFT数字信号处理模块恢复稀疏信号矩阵，同时获取多个频段的数字信号。通过较少的数字信号处理模块处理多个频段上的信号，降低多频段数字信号处理模块的复杂度，提升数字信处理模块的可复用性，可维护性。
2、利用IFFT实现频域稀疏信号的生成。首先通过IFFT公式计算指定频段对应的频点，接着将并行信号放置在指定的数据位，组成信号稀疏矩阵，最后输入IFFT数字信号处理模块可直接得到对应的频域稀疏信号。相较于传统的频域稀疏信号生成方法少了复杂的多路变频数字信号处理模块，简化了数字信号发送系统的设计，降低了硬件系统的设计和实现成本。
3、利用FFT实现频域稀疏信号的解调，首先将信号进行串并转换，再输入到FFT数字信号处理模块即可直接得到对应的信号稀疏矩阵，最后将稀疏矩阵中的并行信号进行并/串转换，即可得到发送的码字。相较于传统的多频带信号处理过程需要经过多个降频，低通滤波器等数字信号处理模块之后，才能获取业务信号，本发明仅需要通过FFT获取稀疏信号矩阵即可获得各频带信号，而且根据IFFT生成方法独具的信号频域正交特性，从而避免了时域重叠时各频段信号产生干扰的问题，使得该通信系统的误码率也会更低。
附图说明
图1为本发明中的频域稀疏信号发送端流程示意图；
图2为本发明中的频域稀疏信号接收端流程示意图；
图3为本发明中的频域稀疏信号发送频谱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法作进一步说明：如图所示，本实施例中包括如下步骤：
步骤1)信息码序列生成；信源需要产生数字业务信号，由0和1组成的数字信号为通信系统待发送的业务信号。
步骤2)基带信号调制；基带信号(信息源，也称发终端)指发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。
本方法中对基带数字信号采用数字键控的方法来实现数字调制，即采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)和QPSK(Quadrature Phase Keying)方法，分别对指定频段的信号进行调制。二进制相移键控信号的时域表达式为：
eBPSK＝|∑ang(t-nTs)cosωct|
当发送二进制符号1时，已调信号eBPSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，eBPSK(t)取180°相位。
步骤3)串行信号转换为并行信号；
经过基带信号调制之后，为了在稀疏生成信号时可以充分的利用某一频段范围内的所有可用频点，需要将一路信号转换为多路并行信号，这样可以保证某一频段信号通过IFFT的方式搭载尽可能多的信息量。本发明中将各频段信号转换为4路并行信号。
步骤4)频域稀疏信号生成；
(4a)确定并行信号的对应的频段。本方法采用128点IFFT来产生三个频段的稀疏信号，据此我们可以来进行稀疏矩阵的设计。经过IFFT处理的信号表示为：
Figure BDA0003413589720000041
对应数据信息位，N对应IFFT点数，k对应为进行IFFT的稀疏矩阵中数据存储的位置。本方法中128点IFFT意味着将带宽B分割为128份，其中相邻子载波中心频率距离为B/128。同时根据背景三路信号中心频率分别aMHZ,bMHZ和cMHZ，可以得出各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值。
(4b)生成包含各频段信号的稀疏矩阵DN×128，将该矩阵输入IFFT数字信号处理模块，可同时生成指定频段的信号。
Figure BDA0003413589720000051
步骤5)频域稀疏信号发送；
(5a)将步骤(4)生成的并行信号结果转换为串行信号。
(5b)基带信号脉冲成型。为了减小码间串扰，尽可能大的减少传输带宽，提高频带利用率。需要对调制后的波形进行基带脉冲成型处理，本次设计采用平方根升余弦成形波。由于平方根升余弦成形波满足奈奎斯特条件，利用该传输函数H(f)进行平滑操作，升余弦成形波的传输函数H(f)在一定条件下进行平滑，这种平滑操作称为“滚降”，平滑程度用参数α表示，也称为滚降系数，其中滚降系数α、码片速率Rc和频带利用率η的关系如下式所示。
Figure BDA0003413589720000052
步骤6)接收信号处理；
基带接收信号匹配滤波，该作用是为了在抽样时刻使输出信噪比最大，而匹配滤波器得到最大输出信噪比就等于最佳接收时理论上能达到的最高输出信噪比，而理想最佳传输系统的基带传输特性为(假设信道传输函数C(f)＝1)：
H(f)＝GT(f)·GR(f)
其中GT(f)为发送端成形滤波器传输特性，GR(f)为接收端匹配滤波器传输特性。当接收匹配滤波器满足上式时，可以实现最佳接收。
Figure BDA0003413589720000053
即在AWGN信道条件下的最佳匹配滤波器系统函数是成形滤波器的共轭匹配，所以本方案的匹配滤波器在时域上的形式即是发送端进行信号脉冲成型的时域倒置波形，即相同滚降系数的升余弦脉冲波形。
步骤7)频域稀疏信号分离；
(7a)将匹配滤波得到信号进行串/并变换。
(7b)对并行的频域稀疏信号进行预处理。即将并行信号根据步骤(4)的方法进行逆处理，对得到的S(t)进行FFT变换，如下式所示：
Figure BDA0003413589720000054
就可以得到各频段的并行信号。
步骤8)信息解码；
(8a)获取各频段的并行信号。根据步骤(4a)在发送信号时所选各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值，提取出对应频段的并行信号。
(8b)获取发送码字。将4路并行信号转换为串行信号，之后进行BPSK解调，得到发送的码字。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：含有以下步骤，
步骤1、信息码序列生成；
步骤2、基带信号调制；
步骤3、串行信号转换为并行信号；
步骤4、频域稀疏信号生成；
步骤5、频域稀疏信号发送；
步骤6、接收信号处理；
步骤7、频域稀疏信号分离；
步骤8、信息解码。
2.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤1中信源需要产生数字业务信号，由0和1组成的数字信号为通信系统待发送的业务信号。
3.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤2中基带信号为未经过调制的原始电信号，通过频谱搬移和变换对基带数字信号采用数字键控的方法来实现数字调制，采用BPSK和QPSK方法，分别对指定频段的信号进行调制，二进制相移键控信号的时域表达式为：
eBPSK＝|∑ang(t-nTs)cosωct|
当发送二进制符号1时，已调信号eBPSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，eBPSK(t)取180°相位。
4.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤3中的信号经过基带信号调制之后，将一路信号转换为多路并行信号，如将各频段信号转换为4路并行信号。
5.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤4中含有以下步骤：
步骤4a、确定并行信号的对应的频段，采用128点IFFT来产生三个频段的稀疏信号来设计稀疏矩阵，经过IFFT处理的信号表示为：
Figure FDA0003413589710000011
对应数据信息位，N对应IFFT点数，k对应为进行IFFT的稀疏矩阵中数据存储的位置，128点IFFT代表将带宽B分割为128份，其中相邻子载波中心频率距离为B/128，根据背景三路信号中心频率分别aMHZ,bMHZ和cMHZ，得出各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值；
步骤4b、生成包含各频段信号的稀疏矩阵DN×128，将该矩阵输入IFFT数字信号处理模块，同时生成指定频段的信号，其中
Figure FDA0003413589710000012
6.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤5中含有以下步骤：
步骤5a、将步骤4中生成的并行信号结果转换为串行信号；
步骤5b、对调制后的波形进行基带脉冲成型处理，由于平方根升余弦成形波满足奈奎斯特条件，利用该传输函数H(f)进行平滑操作，平滑程度用参数α表示，称为滚降系数，其中滚降系数α、码片速率Rc和频带利用率η的关系如下式所示，
Figure FDA0003413589710000021
7.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤6中含有以下步骤：基带接收信号匹配滤波，为了在抽样时刻使输出信噪比最大，匹配滤波器得到最大输出信噪比就等于最佳接收时理论上能达到的最高输出信噪比，假设信道传输函数C(f)＝1，则理想最佳传输系统的基带传输特性为：
H(f)＝GT(f)·GR(f)
其中GT(f)为发送端成形滤波器传输特性，GR(f)为接收端匹配滤波器传输特性，当接收匹配滤波器满足上式时，实现最佳接收，
Figure FDA0003413589710000022
在AWGN信道条件下的最佳匹配滤波器系统函数是成形滤波器的共轭匹配，本方案的匹配滤波器在时域上的形式为发送端进行信号脉冲成型的时域倒置波形，即相同滚降系数的升余弦脉冲波形。
8.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述步骤7含有以下步骤：
频域稀疏信号分离；
(7a)将匹配滤波得到信号进行串/并变换；
(7b)对并行的频域稀疏信号进行预处理，将并行信号根据步骤4进行逆处理，对得到的S(t)进行FFT变换，如式：
Figure FDA0003413589710000023
得到各频段的并行信号。
9.根据权利要求1所述的基于IFFT的频域稀疏信号收发系统实现方法，其特征在于：所述所述步骤8含有以下步骤：
步骤8a、获取各频段的并行信号，根据步骤4a在发送信号时所选各频段的信号中4路并行信号所处IFFT中k的值，提取出对应频段的并行信号；
步骤8b、获取发送码字，将4路并行信号转换为串行信号，之后进行BPSK解调，得到发送的码字。
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