CN116886135B - 基于方向调制的多载波信号生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于方向调制的多载波信号生成方法及装置，其中，所述方法包括：获取天线阵列信号中一个子频率q的权重；根据所述子频率q的权重、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。可以根据利用频率、波长、波速、位置关系等空域信息确定多个子载波之间的数学关系，并通过多个子载波之间的数学关系得到阵列天线中每个频率的最优权重生成信号，从而降低复杂度和运算量，能够实现灵活的波束转向，提升了方向信号的安全性。

Description

基于方向调制的多载波信号生成方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于方向调制的多载波信号生成方法及装置。

背景技术

天线阵列信号处理方面，方向调制作为一种物理层安全技术越来越受到关注。如与传统波束形成和提供定向功率缩放的干扰来解决物理层安全问题不同，方向调制直接在用户处设计接收到的符号，将数字调制星座信号投射到预先定义的空间方向，通常为合法的安全通信方向，同时在自由空间的其他地方置乱星座。也就是说，用户的接收波束具有与预期的数据符号相同的振幅和相位。即使窃听者和用户的信道是相关的，窃听者的接收性能也会因干扰而变差。

在大多数射频发射机系统中，基于天线阵列的前端被用于可实现的增益、空间指向性和可控方向灵活性。在发射机中可以通过以硬件为中心或以软件为中心的方法实现方向调制。现有对于方向调制的多载波波形设计时，则需要为每个子频带设计相应的信号，目前普遍采用各种计算工具利用凸优化方式进行设计，复杂度较高，且运算量较大。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于方向调制的多载波信号生成方法及装置，以解决现有技术中对于方向调制的多载波信号设计生成复杂度较高，且需要较多算力的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于方向调制的多载波信号生成方法，包括：

获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述涉及子频率为天线阵列信号中的一个子频率；

根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；

基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；

根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于方向调制的多载波信号生成装置，包括：

获取模块，用于获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述设计子频率为；天线阵列信号中的一个子频率；

导向矢量计算模块，用于根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；

最优权重计算模块，用于基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；

生成模块，用于根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。

本发明实施例提供的基于方向调制的多载波信号生成方法及装置，通过获取天线阵列信号中一个子频率q的权重；根据所述子频率q的权重、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。可以根据利用频率、波长、波速、位置关系等空域信息确定多个子载波之间的数学关系，并通过多个子载波之间的数学关系得到阵列天线中每个频率的最优权重生成信号，从而降低复杂度和运算量，能够实现灵活的波束转向。能够实现在自由空间的其他地方置乱星座，降低了窃听者的接收性能，进一步提升方向信号的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的基于方向调制的多载波信号生成方法的流程示意图；

图2是示例一中子载波下符号00符号的波束响应示意图；

图3是示例一中子载波下00符号的相位示意图；

图4是示例一中子载波下符号01符号的波束响应示意图；

图5是示例一中子载波下01符号的相位示意图；

图6是示例一中子载波下符号11符号的波束响应示意图；

图7是示例一中子载波下11符号的相位示意图；

图8是示例一中子载波下符号10符号的波束响应示意图；

图9是示例一中子载波下10符号的相位示意图；

图10是示例一中子载波下符号00对应的波束响应图；

图11是示例一中子载波下符号00、01、11、和10对应的相位模式图；

图12是示例一中子载波下符号01的相位模式图；

图13是示例一中子载波下符号11的相位模式图；

图14是示例一中子载波下符号10的相位模式图；

图15是本发明实施例二提供的基于方向调制的多载波信号生成装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的基于方向调制的多载波信号生成方法的流程图，本实施例可适用于生成基于方向调制的多载波信号的情况，该方法可以由基于方向调制的多载波信号生成装置来执行，具体包括如下步骤：

步骤110，获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述设计子频率为天线阵列信号中的一个子频率。

在本实施例中，所述方法适用于多种调制模式，包括 BPSK、QPSK、QAM、16QAM等，以QPSK信号为例，对于方向调制的多载波波形设计，需要为每个子频带设计“00”，“01”，“11”，“10”四个符号，分别对应，对应有Q个子载波。

可选的，所述获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，包括：

根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号；

根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量。

所述根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号，通过如下方式实现：

，

其中，表示第q个频率；/>是第q个子频率下权重矢量，即所有权重的集合；/>为传输角，所有的传输角/>被分为主瓣区域的传输角/>和旁瓣区域的传输角/>分别为主瓣区域和旁瓣区域的期望响应，/>分别为主瓣的导向矩阵和旁瓣的导向矩阵，上标H表示共轭转置；上标T表示转置；

相应的，所述根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量，采用如下方式实现：

，

其中，作为参考量，无实际意义。

步骤120，根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量。

在确定其中一个子频率q的权重矢量后，可以根据其权重矢量和方向调制的多载波的属性计算得到天线阵列的导向矢量，示例性的，所述根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量，采用如下方式实现：

，其中，表示子载波间隔，c表示波速，N表示天线个数，/>表示第0根天线到第n根天线的间距。

步骤130，基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重。

示例性的，可以包括：基于天线阵列的导向矢量确定第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式；利用在第q个频率下，为第q个波束的主瓣方向对第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式进行调整；利用子频率的权重矢量关系表达式计算得到q+1频率的权重矢量。

所述第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式为：

,

其中，⊙表示哈达玛积（Hadamard Product），为信号频率，/>,D为阵列天线中天线位置的集合/>；

在得到q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式后，可以根据上述表达式，将第q个波束的主瓣方向代入到上述表达式，调整后的关系表达式为：

，

上述公式中的可以表示为：

，

将上述内容代入调整后的关系表达式，得到：；在通过上述步骤110中的方式，得到第q个频率下的最优解/>,

即，将上述内容代入调整后的关系表达式，可以得到得第q+ 1个频率下的最优权重：

，其中，/>，作为转向算子，利用上述方式可依次得到其它子频带对应的最优权重：

。利用转向算子不仅能够实现灵活的波束转向，同时还可使得不同用户方向上相同符号对应的波形相似。进一步提升方向信号的安全性。

步骤140，根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。

可以设定第n根天线的输出信号为：

,其中，/>表示载波频率，为第q个子频率下第n根天线的权重，/>为子载波间隔。

相应的，离散基带信号可以写为.

根据上述公式可以，对每个子载波进行调制并相加，相当于取一个IDFT。经过IDFT后，以为采样间隔，将数据流从并行转换到串行，然后进行数模转换。最后，将多个基带信号调制到相应的载波上，生成信号，并通过天线进行传输。

在本实施例中，可采用如下示例采用上述方法生成多载波信号并进行验证：

示例一

采用设计参数如下：中心频率：2.4GHz带宽：2.5MHz子载波数量：4合法用户数量：

用户分别位于不同的方向，图2是示例一中子载波下符号00符号的波束响应示意图；图3是示例一中子载波下00符号的相位示意图；图4是示例一中/>子载波下符号01符号的波束响应示意图；图5是示例一中/>子载波下01符号的相位示意图；图6是示例一中/>子载波下符号11符号的波束响应示意图；图7是示例一中/>子载波下11符号的相位示意图；图8是示例一中子载波下符号10符号的波束响应示意图；图9是示例一中子载波下10符号的相位示意图。由上述示意图可以看出，不同频率下的波束分别指向/>，具有良好的指向性和相似的波形，符号00、01、11、和10对应的相位分别为/>，在期望方向上保持了给定的星座映射，同时其它方向的星座图被扰乱。

示例二

示例二采用与示例一相同的设计参数，并设定所有用户位于相同的方向（120），图10是示例二中在子载波下符号00对应的波束响应图；图11是示例二中在子载波下符号00、01、11、和10对应的相位模式图；图12是示例二中在子载波下符号01的相位模式图；图13是示例二中在/>子载波下符号11的相位模式图；图14是示例二中在/>子载波下符号10的相位模式图。由图10-14可以看出，所有用户方向有相似的波束响应与相位模式。

本发明实施例通过获取天线阵列信号中一个子频率q的权重；根据所述子频率q的权重、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。可以根据利用频率、波长、波速、位置关系等空域信息确定多个子载波之间的数学关系，并通过多个子载波之间的数学关系得到阵列天线中每个频率的最优权重生成信号，从而降低复杂度和运算量，能够实现灵活的波束转向。能够实现在自由空间的其他地方置乱星座，降低了窃听者的接收性能，进一步提升方向信号的安全性。

实施例二

图15是本发明实施例二提供的基于方向调制的多载波信号生成装置的结构示意图，如图15所示，所述装置包括：

获取模块210，用于获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述设计子频率为天线阵列信号中的一个子频率；

导向矢量计算模块220，用于根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；

最优权重计算模块230，用于基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；

生成模块240，用于根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。

本实施例提供的基于方向调制的多载波信号生成装置，通过获取天线阵列信号中一个子频率q的权重；根据所述子频率q的权重、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号。可以根据利用频率、波长、波速、位置关系等空域信息确定多个子载波之间的数学关系，并通过多个子载波之间的数学关系得到阵列天线中每个频率的最优权重生成信号，从而降低复杂度和运算量，能够实现灵活的波束转向。能够实现在自由空间的其他地方置乱星座，降低了窃听者的接收性能，进一步提升方向信号的安全性。

在上述各实施例的基础上，所述获取模块，包括：

设定单元，用于根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号；

权重矢量计算单元，用于根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量。

在上述各实施例的基础上，所述设定单元通过如下方式实现：

，

其中，表示第q个频率；/>是第q个子频率下所有权重的集合；/>为传输角，所有的传输角/>被分为主瓣区域的传输角/>和旁瓣区域的传输角分别为主瓣区域和旁瓣区域的期望响应，分别为主瓣的导向矩阵和旁瓣的导向矩阵；

相应的，所述权重矢量计算单元，采用如下方式实现：

,

其中，。

在上述各实施例的基础上，所述导向矢量计算模块，采用如下方式实现：

，

其中，表示子载波间隔，c表示波速，N表示天线个数，/>表示第0根天线到第n根天线的间距。

在上述各实施例的基础上，所述最优权重计算模块包括：

关系表达式确定单元，用于基于天线阵列的导向矢量确定第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式；

调整单元，用于利用在第q个频率下，为第q个波束的主瓣方向对第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式进行调整；

计算单元，用于利用子频率的权重矢量关系表达式计算得到q+1频率的权重矢量。

在上述各实施例的基础上， 所述第q和q+1个频率下的导向矢量的关系表达式为：

，

相应的，所述调整单元，采用如下方式实现：

;

所述计算单元，采用如下方式实现：

。

本发明实施例所提供的基于方向调制的多载波信号生成装置可执行本发明任意实施例所提供的基于方向调制的多载波信号生成方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种基于方向调制的多载波信号生成方法，其特征在于，包括：

获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述设计子频率为天线阵列信号中的一个子频率；

根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；

基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；

根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号；

所述基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重，包括：

基于天线阵列的导向矢量确定第和/>个频率下的导向矢量的关系表达式；

利用在第个频率下，/>为第/>个波束的主瓣方向对第/>和/>个频率下的导向矢量的关系表达式进行调整；

利用子频率的权重矢量关系表达式计算得到q+1频率的权重矢量；

所述第和/>个频率下的导向矢量的关系表达式为：

，

其中，；

相应的，利用在第个频率下，/>为第/>个波束的主瓣方向对第/>和/>个频率下的导向矢量的关系表达式进行调整如下：

；

所述利用子频率的权重矢量关系表达式计算得到q+1频率的权重矢量，采用如下方式实现：

。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，包括：

根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号；

根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号，通过如下方式实现：

，

其中，表示第q个频率；/>，/>是第q个子频率下所有权重的集合；为传输角，所有的传输角/>被分为主瓣区域的传输角/>和旁瓣区域的传输角/>，；/>和/>分别为主瓣区域和旁瓣区域的期望响应，/>和分别为主瓣的导向矩阵和旁瓣的导向矩阵；

相应的，所述根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量，采用如下方式实现：

，

其中，。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量，采用如下方式实现：

，其中，/>表示子载波间隔，/>表示波速，/>表示天线个数，/>表示第0根天线到第/>根天线的间距。

5.一种基于方向调制的多载波信号生成装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取天线阵列信号中设计子频率q的权重矢量，所述设计子频率为天线阵列信号中的一个子频率；

导向矢量计算模块，用于根据所述设计子频率q的权重矢量、子载波间隔、波速和天线个数以及天线间距计算天线阵列的导向矢量；

最优权重计算模块，用于基于天线阵列的导向矢量根据不同频率和不同传输角下的导向矢量计算得到不同频率和不同传输角下的最优权重；

生成模块，用于根据所述阵列天线中每个频率的最优权重生成信号；

所述最优权重计算模块包括：

关系表达式确定单元，用于基于天线阵列的导向矢量确定第和/>个频率下的导向矢量的关系表达式；

调整单元，用于利用在第个频率下，/>为第/>个波束的主瓣方向对第/>和/>个频率下的导向矢量的关系表达式进行调整；

计算单元，用于利用子频率的权重矢量关系表达式计算得到q+1频率的权重矢量；

所述第和/>个频率下的导向矢量的关系表达式为：

；

相应的，所述调整单元，采用如下方式实现：

；

所述计算单元，采用如下方式实现：

。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获取模块，包括：

设定单元，用于根据最小均方误差准则，设定符号级方向调制设计子频率信号；

权重矢量计算单元，用于根据所述设计子频率信号计算得到所述设计子频率q的权重矢量。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述设定单元通过如下方式实现：

，

其中，表示第q个频率；/>，/>是第q个子频率下所有权重的集合；为传输角，所有的传输角/>被分为主瓣区域的传输角/>和旁瓣区域的传输角/>，；/>和/>分别为主瓣区域和旁瓣区域的期望响应，/>和分别为主瓣的导向矩阵和旁瓣的导向矩阵；

相应的，所述权重矢量计算单元，采用如下方式实现：

，

其中，。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述导向矢量计算模块，采用如下方式实现：

，其中，/>表示子载波间隔，/>表示波速，/>表示天线个数，/>表示第0根天线到第/>根天线的间距。