CN1734956A - 一种二维扩频码片级差分检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维扩频码片级差分检测方法，它是利用二维扩频矩阵具有的时频二维结构，通过映射将发送信号的能量分布在时频域中，并且在数据映射时没有完全使用所有的扩频码，以利用纯码片位置上的信道信息，对受到信道影响的数据码片消除信道对信号的影响，充分收集信道时频相干区域内信号的能量，获得远大于传统意义上的扩频增益，改善系统的误码率性能。按照本发明方法组成的二维扩频码片级差分信号发送接收机具有广泛的应用范围、低的系统复杂度、易集成、改善了系统误码率性能、对芯片的要求降低、减小了系统开销、低成本的等特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种二维扩频码片级差分检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，它特别涉及扩频码片级差分检测技术。

背景技术

众所周知，在现有的通信技术中，广泛地采用扩展频谱的方法来达到抗干扰，保密等目的。扩展频谱采用扩频序列与原始信号相乘的方法，达到对原始信号的频谱的扩展。扩展频谱的通信方法具有的优点是：原始信号低的被截获概率；较强的抗窄带干扰性能；较强的对抗信道畸变的能力。

现有的主要扩展频谱的方法(技术)及其优缺点可以参考专利“一种二维扩展频谱的通信方法”(发明人：唐友喜，申请号：02113688.2)。

传统意义上的差分是指利用前后符号的相对相位变化传送数字信息，从而不需要接收载波参考相位信息的非相干检测方案。由于信道的时变特性、发射机接收机频率源的不稳定性、用户的快速移动等特性，决定了在某些无线应用环境中，对信道的精确估计十分困难，采用差分检测技术可以不需要知道参考相位，因此可以不需要进行信道估计。而在一个符号持续时间内，由于信道相位的变化很快，使得基于符号的差分检测性能受到严重影响，但基于码片的差分检测方案由于信道相关区域内码片间受信道的影响可以认为具有强烈相关性，使扩频系统具有更强的抵抗信道的频率、时间选择性衰落的能力。

现有的主要码片级差分方法(技术)有：

(1)时间域码片差分：差分的实现基于时间上相邻的码片，认为在相邻码片的持续时间内信道变化是相关的。详细内容见：A.Cavallini，F.Giannetti，M.Luise and R.Reggiannini.Chip-level differential encoding/detection of spread-spectrum signals forCDMA radio transmissions over fading channels[J].IEEE Trans.on Commun.，vol.45，pp.456-463，Apr.1997。该方法的具体实现过程可以参见图1和图2，此处不再赘述。

(2)频率域码片差分：基于上述思想，差分的实现也可以基于频率上相邻的码片，认为在频率相邻码片间信道变化是相关的。目前对频域码片差分的分析尚未见文献报道。

现有的基于码片差分的方法(技术)存在的缺点是：

(1)时间域差分不能克服频率选择性衰落带来的影响，如果不采用其他的技术(如RAKE合并)，其误码率的性能很差。

(2)频率域差分分析未见文献报道。

二维扩频的码片级差分方法目前尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维扩频码片级差分检测方法，按照本发明方法组成的二维扩频码片级差分信号发送接收机具有广泛的应用范围、低的系统复杂度、易集成、改善了系统误码率性能、对芯片的要求降低、减小了系统开销、低成本的等特点。

本发明提供的一种二维扩频码片级差分检测方法，它包括发射机差分方法和接收机的解差分方法。

所述的发射机差分方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1  二维扩频矩阵生成  固定输入数据k通过二维扩频(2DSS：TwoDimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块11生成二维扩频矩阵；二维扩频矩阵发生器模块11包括乘法器模块，DS扩频单元、DMC扩频单元、时域扩频码α＝(a₁ a₂ … a_n … a_Nt)、频域扩频码β_m，n，如图3所示；

具体生成步骤是：

首先，将固定输入数据k和时域扩频码α相乘完成时域扩频，得到时域扩频结果k·α＝(k·a₁ k·a₂ … k·a_n … k·a_Nt)；

然后，将每一个时域扩频结果k·a_n复制到DMC扩频单元中的各个扩频支路上，每一个时域扩频结果与复制到的扩频支路上对应的频域扩频码β_m，n相乘，完成频域扩频，得到二维扩频矩阵C＝(C_1，n … C_m，n … C_Nf，n)^T，其中C_m，n＝(α₁β_m，1 … a_nβ_m，n  … α_Ntβ_m，Nt)，m＝1…Nf，n＝1…Nt；

步骤2  将输入数据b(t)映射到二维扩频矩阵中实现二维扩频差分  在映射模块12中将输入数据b(t)映射到经过步骤1得到的二维扩频矩阵C中实现二维差分扩频；

具体的映射步骤是：

首先，定义纯码片为二维扩频矩阵中不和输入数据b(t)相乘的扩频码片，数据码片为扩频矩阵中余下的需要和输入数据b(t)相乘的扩频码片，在扩频矩阵中确定纯码片和数据码片位置的方法是：在数据码片的相干时间和相干带宽区域内必须有纯码片；

其次，将输入数据b(t)与二维扩频矩阵中的数据码片相乘，得到包含有输入数据信息的二维扩频矩阵；

步骤3  反离散傅立叶变换处理  将经过步骤2处理得到的二维扩频矩阵的一列进行点数为Nf(Nf为频域扩频因子)点的反离散傅里叶变换(IDFT：InverseDiscrete Fourier Transform)，二维扩频矩阵中总共有Nt列，对每一列进行Nf点的IDFT变换，经过Nt(Nt为时域扩频因子)组IDFT变换，可以完成对一个二维扩频矩阵的处理；

步骤4  添加保护时隙  将经过步骤3处理后得到的二维扩频矩阵添加保护时隙；

步骤5  射频处理及发射  经过步骤4处理后的二维扩频矩阵进行射频处理和发射。

经过以上步骤后，可以完成对输入数据b(t)的二维扩频差分发送处理。

所述的码片级差分方法发射机部分组成：图3和图4概括了本发明二维扩频差分信号的发射机的组成：乘法器1、二维扩频矩阵发生器模块11、数据映射到二维扩频矩阵模块12、IDFT处理模块13、添加保护时隙模块14、射频处理模块15和发射天线16。

所述的接收机的解差分方法包括以下步骤：

步骤6  射频处理  将接收天线收到经过二维扩频差分发送处理的信号进行射频处理和A/D转换；

步骤7  同步处理  将步骤6输出得到的信号进行同步处理；

步骤8  去保护时隙处理  将经过步骤7同步处理后得到的信号进行去保护时隙处理后得到信号r(t)；

步骤9  离散傅立叶变换处理  将经过步骤8处理后得到的信号r(t)进行点数为Nf点的离散傅立叶变换(DFT：Discrete Fourier Transform)；

其特征是它还包括以下步骤：

步骤10  恢复原二维扩频矩阵  固定输入数据k通过二维扩频(2DSS：TwoDimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块23生成与步骤1得到的二维扩频矩阵相同的二维扩频矩阵；

步骤11  生成二维扩频差分矩阵  重复步骤9，对于步骤8得到的信号r(t)进行Nt次DFT变换，得到包含有发射数据b(t)的二维扩频矩阵；将该矩阵中每个元素除以步骤10得到的二维扩频矩阵的相同位置元素，得到包含有信道信息及数据比特信息的二维差分矩阵；

步骤12  差分检测  将步骤11生成的包含有信道信息和数据比特信息的二维差分矩阵输入差分检测模块25进行差分检测，差分检测模块25的差分检测采用下面的步骤：

首先，依次选取二维差分矩阵中所有的数据比特；

然后，将选中的每一个数据比特相干时间及相干带宽内的信道信息与该数据比特共轭乘或直接除，得到消除了信道影响的数据比特；

步骤13  积分并判决  将经过步骤12得到的所有消除了信道影响的数据比特在积分模块27中加权累加后输出，完成频域和时域的解扩，并通过判决模块28得到对原信息比特的估计值(t)。

经过以上步骤后，可以完成对二维扩频发送信号的差分检测接收和解扩，在接收端得到发送信息比特的估计值(t)。

所述的码片级差分方法解差分接收机部分组成：图7为本发明接收机组成：接收天线模块17、射频处理模块18、A/D转换模块19、同步模块20、去保护时隙模块21、DFT模块22、二维扩频矩阵发生器模块23、扩频矩阵对应元素相除处理模块24、差分检测模块25、解扩积分模块27、判决模块28。其中框图26所包含的模块是本发明接收部分的创新内容。

需要说明的是：

对于本发明二维扩频码片级差分发射机部分：

在步骤1中，所述的二维扩频(2DSS：Two Dimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块11生成二维扩频矩阵的输入k可以是任意已知数据，也可以不需要输入，直接由时域频域扩频向量按矩阵乘的方式生成二维扩频矩阵，这种情况下可等价认为输入数据为“1”；并且在生成二维扩频矩阵的过程中，该输入可以任意改变，对所生成的二维扩频矩阵而言只是不同的位置有了不同的已知加权因子，并不影响接收处理；

所述的二维扩频矩阵发生器模块11生成二维扩频矩阵的时域频域扩频并不存在特定的先后关系，这里只是说明了生成二维扩频矩阵的一种方式，两者既可以是同时进行，也可以是按照具体的实现形式先后进行。

所述的二维扩频矩阵发生器模块11其频域扩频因子为Nf，时域扩频因子为Nt，Nf和Nt的取值可以根据通信信道的状况及通信系统的具体需要设置；Nf和Nt的具体取值，可以是将一维扩频发射端的扩频序列(长度为N)分成 $\frac{N}{\mathrm{Nf}}=\mathrm{Nt}$ 段，每一段中含有Nf个按频率顺序排列的扩频序列元素，经IDFT变换后输出Nf路信号；可以是利用长度分别为Nf和Nt的时域扩频向量和频域扩频向量进行矩阵乘生成所需的二维扩频矩阵；可以是将M个大小为Nf·Nt的二维扩频矩阵按时间顺序或频率顺序组合起来，做M·Nf路IDFT变换，M为任意整数；对于特殊结构的二维扩频矩阵，例如Nf＝1或Nt＝1对应了时域一维扩频、频域一维扩频，等等；

所述的IDFT变换的点数Nf的取值取决于发射机和接收机的性能指标以及通信信道的状况等因素，图5只是提供了一种具体的设置方式，如果

不是正整数，那么最后一段的元素个数可能会小于Nf，这时可以采用一些信号处理方法使信号处理过程不受影响，所述的信号处理方法可以是序列尾部补零法，也可以是舍去法，等等；

在步骤2中，所述的映射模块12可以根据不同的映射方式对信号和二维扩频矩阵作不同的处理，其作用是实现发送信号的时频域二维扩频；映射后得到的二维扩频矩阵有多种，图5给出了按照前述映射思想实现的一种二维扩频矩阵，其频域扩频因子为Nf，时域扩频因子为Nt，总的扩频增益为Nf·Nt，但其中有效数据扩频增益只有Nf·Nt/2；

在步骤3中，所述的反离散傅立叶变换(IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform)模块13可以采用反离散傅立叶变换技术，也可以采用快速反傅立叶变换(IFFT：Fast InverseFourier Transform)技术；

在步骤4中，所述的添加保护时隙模块14并不需要限制某一种特定的添加保护时隙方法(技术)，并且该模块并不是必需的；添加保护时隙的目的是为了减轻信道多径引起的码间干扰，添加的方法可以参见专利“一种二维扩展频谱的通信方法”(发明人：唐友喜，申请号：02113688.2)；

在步骤5中，所述的射频处理模块15可以根据不同的发射机发射需要做灵活的设置，其作用是使经过射频处理模块15处理后的信号能够满足后级电路的处理需要；所述的发射天线模块16可以根据不同的系统设计方案采用不同的天线数目以适应多天线发射的需要。

对于本发明二维扩频码片级差分的解差分接收机部分需要说明的是：

在步骤6中，所述的接收天线模块17可以根据不同的系统设计方案采用不同的天线数目以适应多天线接收的需要；所述的射频处理模块18可以根据不同的接收机接收需要做灵活的设置，其作用是使经过射频处理模块18处理后的信号能够满足后级电路的处理需要；所述的A/D处理模块19可以根据不同的接收机接收需要做灵活的设置，其作用是使经过A/D转换模块19处理后的信号能够满足后级电路的处理需要；

在步骤7中，所述的同步模块20并不需要限制某一种特定的同步方法(技术)，其作用是提供后级处理所需要的系统同步信息；

在步骤8中，所述的去保护时隙模块21并不需要限制某一种特定的去保护时隙方法(技术)，并且该模块并不是必需的；去保护时隙的目的是去掉在发送时加上的保护时隙以减轻信道多径引起的码间干扰；

在步骤9中，所述的离散傅立叶变换(DFT：Discrete Fourier Transform)模块22可以采用离散傅立叶变换技术，也可以采用快速傅立叶变换(IFFT：Fast Fourier Transform)技术；

在步骤10中，所述的二维扩频矩阵发生器模块23需说明的部分同发射机的二维扩频矩阵发生器模块2的需说明部分，此处不再赘述，其作用是提供解扩用的扩频矩阵信息；恢复出的二维扩频矩阵与步骤1发射时生成的二维扩频矩阵只存在加权因子不同时，并不影响接收的处理，加权因子能够通过一些算法消除或作为不同合并方式的加权，可以根据实际通信需求决定处理方式；

在步骤11中，所述的扩频矩阵对应元素相除模块24其目的是恢复纯码片中包含的信道信息和数据码片中包含的数据信息；图8提供了按照图5的映射方式恢复出的二维差分矩阵(为简便起见，图8中没有标出各码片包含的噪声信息N_m，n，m＝1…Nf，n＝1…Nt)，在原来纯码片的位置上，能够恢复出信道信息，在原来数据码片的位置上，能够恢复出受到信道影响的数据比特信息；

在步骤12中，所述的差分检测模块25并不需要限定一种特定的差分检测方法(技术)，如果只是利用相干时间内的信道信息消除信息比特受到的信道影响，称之为时域解差分；如果只是利用相干带宽内的信道信息消除信息比特受到的信道影响，称之为频域解差分；同时利用了相干时间及相干带宽内的多个信道信息，则称之为时频域二维解差分；

由于每个数据比特的相干时间和相干带宽内有多个可利用的信道信息，解差分时每个数据比特根据解差分的处理方式可以得到多个消除了信道影响的数据比特信息，因此实际的处理增益和差分检测处理的方法有关；将远远大于Nf·Nt/2；

在步骤13中，所述的积分模块27并不需要限定某一种特定的积分方法(技术)，其作用是对差分或信道估计后的接收信号做时频域二维解扩，得到接收信号的一个估计值；所述的判决模块28其作用是对估计值进行判决，得到发送信号的判决值(t)。

本发明并没有特定说明发射机中信息比特b(t)的处理方式，如果在发射机中对原始的信息比特做了某些处理(如，加密、信源编码、纠错编码、信道编码、交织等)，那么在本发明的接收机中也可在后级电路中对这些处理进行反处理(解密、解码、去交织等)，这些并不影响本发明的一种直接序列扩频信号的接收方法的核心思想。

本发明提供的一种二维扩频码片级差分检测方法，它包括发射机差分方法和接收机的解差分方法。

本发明的二维扩频码片级差分发射机部分工作过程：如图4所示，固定输入数据k通过二维扩频(2DSS：Two Dimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块11生成二维扩频矩阵；二维扩频矩阵发生器模块11包括乘法器模块，DS扩频单元、DMC扩频单元、时域扩频码α＝(a₁ a₂ … a_n … a_Nt)、频域扩频码β_m，n，如图3所示；具体生成步骤是：首先，将固定输入数据k和时域扩频码α相乘完成时域扩频，得到时域扩频结果k·α＝(k·a₁ k·a₂ … k·a_n … k·a_Nt)；然后，将每一个时域扩频结果k·a_n复制到DMC扩频单元中的各个扩频支路上，每一个时域扩频结果与复制到的扩频支路上对应的频域扩频码β_m，n相乘，完成频域扩频，得到二维扩频矩阵C＝(C_1，n … C_m，n … C_Nf，n)^T，其中C_m，n＝(α₁β_m，1 … α_nβ_m，n … α_Ntβ_m，Nt)，m＝1…Nf，n＝1…Nt；在映射模块12中将输入数据b(t)映射到经过步骤1得到的二维扩频矩阵C中实现二维差分扩频，具体的映射步骤是：首先，定义纯码片为二维扩频矩阵中不和输入数据b(t)相乘的扩频码片，数据码片为扩频矩阵中余下的需要和输入数据b(t)相乘的扩频码片，在扩频矩阵中确定纯码片和数据码片位置的方法是：在数据码片的相干时间和相干带宽区域内必须有纯码片；其次，将输入数据b(t)与二维扩频矩阵中的数据码片相乘，得到包含有输入数据信息的二维扩频矩阵；将经过处理得到的二维扩频矩阵的一列进行点数为Nf(Nf为频域扩频因子)点的反离散傅里叶变换(IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform)，二维扩频矩阵中总共有Nt列，对每一列进行Nf点的IDFT变换，经过Nt(Nt为时域扩频因子)组IDFT变换，可以完成对一个二维扩频矩阵的处理；将经过IDFT处理后得到的二维扩频矩阵输入到添加保护时隙模块14中添加保护时隙；然后对二维扩频矩阵进行射频处理和发射。

本发明的码片级差分方法解差分接收机部分工作过程：将接收天线收到经过二维扩频差分发送处理的信号进行射频处理和A/D转换；将A/D转换输出得到的信号输入到同步处理模块20进行同步处理；将经过同步处理后得到的信号进行去保护时隙处理后得到信号r(t)；将信号r(t)输入到DFT模块22进行点数为Nf点的离散傅立叶变换(DFT：DiscreteFourier Transform)，同时固定输入数据k通过二维扩频(2DSS：Two Dimensional SpreadSpectrum)矩阵发生器模块23生成与步骤1得到的二维扩频矩阵相同的二维扩频矩阵；重复IDFT处理，对得到的信号r(t)进行Nt次DFT变换，得到包含有发射数据b(t)的二维扩频矩阵；将该矩阵中每个元素除以恢复出的二维扩频矩阵的相同位置元素，得到包含有信道信息及数据比特信息的二维差分矩阵；将生成的包含有信道信息和数据比特信息的二维差分矩阵输入差分检测模块25进行差分检测，差分检测模块25的差分检测采用下面的步骤：首先，依次选取二维差分矩阵中所有的数据比特；然后，将选中的每一个数据比特相干时间及相干带宽内的信道信息与该数据比特共轭乘或直接除，得到消除了信道影响的数据比特；将得到的所有消除了信道影响的数据比特在积分模块27中加权累加后输出，完成频域和时域的解扩，并通过判决模块28得到对原信息比特的估计值(t)。

本发明的创新：本发明的创新是利用二维扩频(2DSS：Two Dimensional SpreadSpectrum)矩阵具有的时频二维结构，通过映射将发送信号b(t)的能量分布在时频域中，并且在数据映射时没有完全使用所有的扩频码，以利用纯码片位置上的信道信息，对受到信道影响的数据码片消除信道对信号的影响，充分收集信道时频相干区域内信号的能量，获得远大于传统意义上的扩频增益，改善系统的误码率性能。

本发明的实质：本发明中通过将发送信号映射到二维扩频(2DSS：Two DimensionalSpread Spectrum)矩阵中来实现时频域二维扩频；由于纯码片位置上的数据可以认为是已知的，因此可以在接收时通过除以恢复出的二维扩频矩阵相同位置上的扩频码得到信道信息，而在数据码片的位置上可以恢复出受到衰落信道影响的数据信息；在一定的相干带宽和相干时间所限定的二维相干区域中，可以认为纯码片受到的信道影响和数据码片中数据受到的信道影响是高度相关的，因此可以利用纯码片位置上的信道信息对数据码片中的接收数据进行解差分处理，充分利用接收信号散布在时域和频域上的能量，得到同一发送符号的多个码片信息(根据差分方法不同，扩频增益可以远大于Nf·Nt/2)，并通过解扩降低噪声N_m，n的影响，获得良好的误码率性能。

按照本发明方法构成的二维扩频码片级差分发送接收机与现有的其它的扩频信号发送接收机相比，有如下优点：

(1)由于本发明二维扩频(2DSS：Two Dimensional Spread Spectrum)矩阵可以等效为一维扩频系统的扩频序列，因此本发明所涉及的二维差分方法也可以用到各种一维扩频系统中，具有广泛的应用前景。

(2)由于本发明发射部分采用了时域扩频及频域扩频，因此可以将发送信号的能量散布到时域和频域上，并且由于映射的方法并不固定，增大了被截获及被干扰的难度。

(3)由于本发明接收时不需要为每一条支路都配有捕获跟踪模块，降低了系统的复杂度；

(4)由于本发明采用IFFT和FFT算法，克服了RAKE接收机中采用声表面波(SAW)器件或者基带数字匹配滤波器实现时不易集成的缺点，而IFFT和FFT芯片技术已经相当成熟，这样有利于系统的集成实现；

(5)由于采用IFFT和FFT技术对信号进行发送接收处理，因此本发明可以充分利用信号的所有能量，降低径间干扰的影响，有利于系统误码率性能的改善；

(6)本发明在进行Nf点的DFT运算时，Nf的取值可以小于发射机中的扩频处理增益N，与现有的时域直接序列扩频信号频域等效接收方法中做N点的DFT运算相比，本发明的DFT运算对芯片的要求低，减小了系统开销，降低了成本；

(7)本发明在进行Nf点的IDFT和DFT运算时，Nf的取值可以小于扩频处理增益N，与一维频域码片级差分发送接收方法中做N点的IDFT和DFT运算相比，本发明的运算对芯片的要求低，减小了系统开销，降低了成本；

(8)本发明利用扩频矩阵中纯码片来完成对信道信息的准确估计，并将解差分处理的范围控制在时频域相干区域内，能更准确的消除衰落信道对发送数据的影响，充分利用发送数据散布在时域频域上的能量，能获得极大的等效扩频增益；

(9)本发明对数据进行差分映射和解差分的方法(技术)并不限定，并且解差分时利用的信道信息范围也不限定，可以根据不同的信道状况及通信需求设计，能满足各种应用的需求，并获得良好的误码率性能；

(10)由于本发明特有等效扩频增益能远大于传统意义上的扩频增益，与一般的扩频系统相比能获得更好的频谱利用效率，并且不需要复杂的信道估计技术；

综上所述，采用本发明所提出的一种二维扩频码片级差分方法，降低了现有的一维扩频信号发送接收系统的复杂度，采用FFT算法，利用成熟的FFT芯片技术，有利于系统的集成，可以充分利用信号的时频域所有能量，降低径间干扰的影响，有利于系统误码率性能的改善，并容易获得较大的扩频增益及良好保密抗截获性能，具有广泛的应用范围及前景。

特别说明的是，本发明提供的是新的扩频信号的差分思想，它的出现填补了国内外扩频通信研究的一项空白，有利于我国民族通信产业的发展及壮大。

附图说明

图1是时域码片级差分发射机模型

其中，1是乘法器模块，2是差分模块，3是射频处理模块，4是发射天线，b(t)是发送信号，α是时域扩频码，将b(t)与α相乘完成时域扩频后送入差分模块2完成时域差分处理。图2是时域码片级解差分接收机系统模型

其中，5是接收天线模块，6是射频处理模块，7是A/D转换模块，8是时域解差分模块，9是积分模块，10是判决模块，α^*是时域扩频码片取共轭，(t)是对发射的信息比特b(t)的估计值。

图3是二维扩频(2DSS：Two Dimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块

其中，1是乘法器模块；在DS扩频单元中固定输入数据k和时域直接序列扩频码α相乘完成时域扩频后，将每一个时域扩频结果k·a_n复制到DMC扩频单元中的各个扩频支路上，每一个时域扩频结果与复制到的扩频支路上对应的频域扩频码β_m，n相乘，完成频域扩得到二维扩频矩阵C＝(C_1，n … C_m，n … C_Nf，n)^T，其中C_m，n＝(α₁β_m，1 … α_nβ_m，n … α_Ntβ_m，Nt)，m＝1…Nf，n＝1…Nt；

图4是本发明的二维扩频码片级差分发射机模型

其中，11是二维扩频矩阵发生器模块，12是数据到二维扩频矩阵的映射处理模块，13是反离散傅里叶变换模块，14是添加保护时隙模块，15是射频处理模块，16是发射天线，b(t)是发送信号，C_m，n(m＝0…Nf，n＝0…Nt)是二维扩频矩阵的一个行向量，是二维扩频矩阵发生器在第m个子载波上的输出信号，Y_m，n(m＝0…Nf，n＝0…Nt)是发送数据完成到二维扩频矩阵上的映射后在该子载波上的输出信号，f(t)是包含发送信号信息的二维扩频矩阵经过IDFT变换后的输出信号。

图5是经过数据映射后二维扩频矩阵的一种可能结构的示意图

其中，α_n(n＝1…Nt)是时域扩频码，β_m，n(m＝0…Nf，n＝0…Nt)是频域扩频码，其乘积构成了二维扩频矩阵的一个二维扩频码α_nβ_m，n，b是发送数据，在该二维扩频矩阵中，数据映射方式是简单的行列隔位相乘，每一行代表占用同一频率点的时间连续的扩频数据(包括纯码片和数据码片)，每一列代表同一时间在不同正交频率点上的扩频数据。图6是按照图5的映射方式接收到的二维扩频矩阵与恢复出的原二维扩频矩阵相同位置元素相除得到的二维扩频差分矩阵示意图

其中，H_i，j(i＝1…N_t，j＝1…N_f)是纯码片位置上恢复出的信道信息，b是二维扩频矩阵中数据码片位置上包含的发送信号信息，H_i，jb是需要通过解差分以消除衰落信道对发送数据影响的数据码片；图中显示出了一个5×5的时频相干区域，当信道相干时间和相干带宽大于等于此区域时，可以认为在此相干区域内，所有纯码片受到的信道影响与位于中心点的数据码片H_i，jb是高度相关的，因此可以利用H_i，jb附近纯码片恢复出的信道信息如H_i-1，j、H_i+1，j、H_i，j-1，H_i，j+1等对H_i，jb进行时频域二维解差分，得到多个消除了信道影响的数据比特；由图5和图6可以看到，如果采用示例所述的差分映射和解差分方法，一个数据码片最多可以得到12个消除了信道影响的数据比特用于解扩，大大提高了其扩频增益。注意，为简便起见，本图中没有标出纯码片及数据码片位置上应有的噪声信息N_m，n，由于噪声N_m，n的影响，将导致解差分的准确性下降，恶化误码率性能，这是不可避免的，与本发明的实质无关。

图7是本发明接收机的系统模型

其中，17是接收天线模块，18是射频处理模块，19是A/D转换模块，20是同步模块，21是去保护时隙模块，22是离散傅里叶变换模块，23是二维扩频矩阵发生器模块，24是扩频矩阵对应元素相除模块，25是差分检测模块，26所包含的模块是本发明的二维扩频码片级解差分接收方法的创新部分，27是积分处理模块，28是判决模块，Y_m，n(m＝0…Nf，n＝0…Nt)是经过DFT变换后恢复出的二维扩频矩阵行向量，(t)是对发射的信息比特b(t)的估计值。

具体实施方式

下面以总扩频增益N＝64，频域处理增益Nf＝8，时域处理增益Nt＝8，二维扩频(2DSS：Two Dimensional Spread Spectrum)矩阵的固定输入为“1”，采用IDFT和DFT的快速算法IFFT和FFT，添加保护时隙的方式为添加循环前缀，采用图5所示的映射方式，采用图6所示的解差分方式，差分时频域相干区域为5×5为例，具体说明本发明的信号处理步骤。

本发明的码片级差分方法发射机部分组成：图3和图4概括了本发明二维扩频差分信号的发射机的组成：乘法器1、二维扩频矩阵发生器模块11、数据映射到二维扩频矩阵模块12、IDFT处理模块13、添加保护时隙模块14、射频处理模块15和发射天线16。

所述的发射机差分方法，采用以下步骤实现：

步骤1  二维扩频矩阵生成  固定输入数据“1”通过二维扩频(2DSS：TwoDimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块11生成二维扩频矩阵；二维扩频矩阵发生器模块11包括乘法器模块，DS扩频单元、DMC扩频单元、时域扩频码α＝(a₁ a₂ … a_n … a₈)、频域扩频码β_m，n，如图3所示；

具体生成步骤是：

首先，将固定输入数据“1”和时域扩频码α相乘完成时域扩频，得到时域扩频结果1·α＝(a₁ a₂ … a_n … a₈)；

然后，将每一个时域扩频结果α_n复制到DMC扩频单元中的各个扩频支路上，每一个时域扩频结果与复制到的扩频支路上对应的频域扩频码β_m，n相乘，完成频域扩频，得到二维扩频矩阵C＝(C_1，n … C_m，n … C_8，n)^T，其中C_m，n＝(α₁β_m，1 … α_nβ_m，n … α₈β_m，8)，m＝1…8，n＝1…8；

步骤2  将输入数据b(t)映射到二维扩频矩阵中实现二维扩频差分  在映射模块12中将输入数据b(t)映射到经过步骤1得到的二维扩频矩阵C中实现二维差分扩频；

具体的映射步骤是：

首先，定义纯码片为二维扩频矩阵中不和输入数据b(t)相乘的扩频码片，数据码片为扩频矩阵中余下的需要和输入数据b(t)相乘的扩频码片，在扩频矩阵中确定纯码片和数据码片位置的方法是：在数据码片的相干时间和相干带宽区域内必须有纯码片；

其次，将输入数据b(t)与二维扩频矩阵中的数据码片相乘，得到包含有输入数据信息的二维扩频矩阵；

经过映射处理后得到的二维扩频矩阵如图5所示，其中没有和数据比特b相乘的码片为纯码片，如α₁β_1，1、α₃β_1，3、α₂β_2，2等；包含有发送数据比特b的维数据码片，如α₂β_1，2b、α₁β_2，1b、α₃β_2，3b等；

步骤3  反离散傅立叶变换处理  将经过步骤2处理得到的二维扩频矩阵的一列进行点数为8点的反离散傅里叶变换(IDFT：Inverse Discrete FourierTransform)，二维扩频矩阵中总共有8列，对每一列进行8点的IDFT变换，经过8组IDFT变换，可以完成对一个二维扩频矩阵的处理；

步骤4  添加保护时隙  将经过步骤3处理后得到的二维扩频矩阵添加循环前缀作为保护时隙；

步骤5  射频处理及发射  经过步骤4处理后的二维扩频矩阵进行射频处理和发射。

经过以上步骤后，可以完成对输入数据b(t)的二维扩频差分发送处理。

所述的码片级差分方法解差分接收机部分组成：图7为本发明接收机组成：接收天线模块17、射频处理模块18、A/D转换模块19、同步模块20、去保护时隙模块21、DFT模块22、二维扩频矩阵发生器模块23、扩频矩阵对应元素相除处理模块24、差分检测模块25、解扩积分模块27、判决模块28。其中框图26所包含的模块是本发明接收部分的创新内容。

所述的接收机的解差分方法采用以下步骤实现：

步骤6  射频处理  将接收天线收到经过二维扩频差分发送处理的信号进行射频处理和A/D转换；

步骤7  同步处理  将步骤6输出得到的信号进行同步处理；

步骤8  去保护时隙处理  将经过步骤7同步处理后得到的信号进行去保护时隙处理后得到信号r(t)；

步骤9  离散傅立叶变换处理  将经过步骤8处理后得到的信号r(t)进行点数为8点的离散傅立叶变换(DFT：Discrete Fourier Transform)；其特征是它还包括以下步骤：

步骤10  恢复原二维扩频矩阵  固定输入数据“1”通过二维扩频(2DSS：TwoDimensional Spread Spectrum)矩阵发生器模块23生成与步骤1得到的二维扩频矩阵相同的二维扩频矩阵；

步骤11  生成二维扩频差分矩阵  重复步骤9，对于步骤8得到的信号r(t)进行8次DFT变换，得到包含有发射数据b(t)的二维扩频矩阵；将该矩阵中每个元素除以步骤10得到的二维扩频矩阵的相同位置元素，得到包含有信道信息及数据比特信息的二维差分矩阵，如图6所示，其中H_i-1，j-2、H_i+1，j-2、H_i-2，j-1等是从纯码片中恢复出的信道信息，H_i-2，j-2b、H_i，j-2b、H_i-1，j-1b；等是从数据码片中恢复出的收到信道影响的数据比特信息

步骤12  差分检测  将步骤11生成的包含有信道信息和数据比特信息的二维差分矩阵输入差分检测模块25进行差分检测，差分检测模块25的差分检测采用下面的步骤：

首先，依次选取二维差分矩阵中所有的数据比特；

然后，将选中的每一个数据比特相干时间及相干带宽内的信道信息与该数据比特共轭乘或直接除，得到消除了信道影响的数据比特；

当采用相干区域大小为时频域5×5时，最大情况下一个包含有数据比特的码片如H_i，jb可以利用周围12个相干区域内信道信息(分别为H_i-1，j-2、H_i+1，j-2、H_i-2，j-1、H_i，j-1、H_i+2，j-1、H_i-1，j、H_i+1，j、H_i-2，j+1、H_i，j+1、H_i+2，j+1、H_i-1，j+2、H_i+1，j+2)对该数据码片做差分补偿，得到12个消除了信道影响的数据比特进行后续处理，因此可计算出在8×8的二维扩频差分矩阵，5×5的相干解差分范围内，实际参与后续处理的消除了信道影响的数据比特有280个，相应的等效扩频增益可以达到N_等效＝280(24.472dB)，将远远大于N＝32(15.051dB)的发射扩频增益；

步骤13  积分并判决  将经过步骤12得到的280个消除了信道影响的数据比特在积分模块27中加权累加后输出，完成频域和时域的解扩，并通过判决模块28得到对原信息比特的估计值(t)。

经过以上步骤后，可以完成对二维扩频发送信号的差分检测接收和解扩，在接收端得到发送信息比特的估计值(t)。

按照本发明具体实施方式提供的发送接收方法，可以降低现有接收系统的复杂度，更充分利用信号在时域频域上的所有能量，降低径间干扰的影响，使整个系统的误码率性能得到改善，并获得良好的保密抗干扰性能。

Claims (1)

1、一种二维扩频码片级差分检测方法，它包括发射机差分方法和接收机的解差分方法，

所述的发射机差分方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1 二维扩频矩阵生成 固定输入数据k通过二维扩频矩阵发生器模块(11)生成二维扩频矩阵；二维扩频矩阵发生器模块(11)包括乘法器模块，DS扩频单元、DMC扩频单元、时域扩频码α＝(α₁ α₂...α_n...α_Nt)、频域扩频码β_m，n；

具体生成步骤是：

首先，将固定输入数据k和时域扩频码α相乘完成时域扩频，得到时域扩频结果k·α＝(k·α₁ k·α₂...k·α_n...k·α_Nt)；

然后，将每一个时域扩频结果k·α_n复制到DMC扩频单元中的各个扩频支路上，每一个时域扩频结果与复制到的扩频支路上对应的频域扩频码β_m，n相乘，完成频域扩频，得到二维扩频矩阵C＝(C_1，n...C_m，n...C_Nf，n)^T，其中C_m，n＝(α₁β_m，1...α_nβ_m，n...α_Ntβ_m，Nt)，m＝1...Nf，n＝1...Nt；

步骤2 将输入数据b(t)映射到二维扩频矩阵中实现二维扩频差分 在映射模块(12)中将输入数据b(t)映射到经过步骤1得到的二维扩频矩阵C中实现二维差分扩频；

具体的映射步骤是：

首先，定义纯码片为二维扩频矩阵中不和输入数据b(t)相乘的扩频码片，数据码片为扩频矩阵中余下的需要和输入数据b(t)相乘的扩频码片，在扩频矩阵中确定纯码片和数据码片位置的方法是：在数据码片的相干时间和相干带宽区域内必须有纯码片；

其次，将输入数据b(t)与二维扩频矩阵中的数据码片相乘，得到包含有输入数据信息的二维扩频矩阵；

步骤3 反离散傅立叶变换处理 将经过步骤2处理得到的二维扩频矩阵的一列进行点数为Nf(Nf为频域扩频因子)点的反离散傅里叶变换，二维扩频矩阵中总共有Nt列，对每一列进行Nf点的IDFT变换，经过Nt(Nt为时域扩频因子)组IDFT变换，可以完成对一个二维扩频矩阵的处理；

步骤4 添加保护时隙 将经过步骤3处理后得到的二维扩频矩阵添加保护时隙；

步骤5 射频处理及发射 经过步骤4处理后的二维扩频矩阵进行射频处理和发射；

所述的接收机的解差分方法包括以下步骤：

步骤6 射频处理 将接收天线收到经过二维扩频差分发送处理的信号进行射频处理和A/D转换；

步骤7 同步处理 将步骤6输出得到的信号进行同步处理；

步骤8 去保护时隙处理 将经过步骤7同步处理后得到的信号进行去保护时隙处理后得到信号r(t)；

步骤9 离散傅立叶变换处理 将经过步骤8处理后得到的信号r(t)进行点数为Nf点的离散傅立叶变换；

其特征是它还包括以下步骤：

步骤10 恢复原二维扩频矩阵 固定输入数据k通过二维扩频矩阵发生器模块(23)生成与步骤1得到的二维扩频矩阵相同的二维扩频矩阵；

步骤11 生成二维扩频差分矩阵 重复步骤9，对于步骤8得到的信号r(t)进行Nt次DFT变换，得到包含有发射数据b(t)的二维扩频矩阵；将该矩阵中每个元素除以步骤10得到的二维扩频矩阵的相同位置元素，得到包含有信道信息及数据比特信息的二维差分矩阵；

步骤12 差分检测 将步骤11生成的包含有信道信息和数据比特信息的二维差分矩阵输入差分检测模块(25)进行差分检测，差分检测模块(25)的差分检测采用下面的步骤：

首先，依次选取二维差分矩阵中所有的数据比特；

然后，将选中的每一个数据比特相干时间及相干带宽内的信道信息与该数据比特共轭乘或直接除，得到消除了信道影响的数据比特；

步骤13 积分并判决 将经过步骤12得到的所有消除了信道影响的数据比特在积分模块(27)中加权累加后输出，完成频域和时域的解扩，并通过判决模块(28)得到对原信息比特的估计值(t)。

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