基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法，屬于無線通信技術領域。本發(fā)明在發(fā)送端通過將相位調(diào)制后的第二路信號作乘以?j處理，再與相位調(diào)制后的第一路信號進行相加構造復用信號，j為虛數(shù)單位；在接收端對接收信號分別取實部和虛部得到兩路信號，再將兩路信號做泰勒級數(shù)展開，進行聯(lián)合解調(diào)，對解調(diào)后的信號依次進行快速傅里葉變換、共軛序列反變換和正交幅度調(diào)制(QAM)符號反映射，得到最終信號。本發(fā)明實現(xiàn)了兩路信號的發(fā)送和接收，提高了頻譜效率，使得系統(tǒng)頻譜效率相比于傳統(tǒng)CE?OFDM技術提高1倍，并且最大功率峰值與均值比(PAPR)為3dB。
【專利說明】
基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及一種應用于寬帶無線通信的基于恒包絡正交 頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法。
【背景技術】
[0002] 在寬帶無線通信系統(tǒng)中，信息通過被調(diào)制的電磁波在空間傳輸?shù)竭_接收機。由于 復雜的通信環(huán)境使電磁波在空間傳輸時受到反射、漫射和散射等影響，會在接收機處產(chǎn)生 多路不同時延和信號強度的接收信號，使通信信道具有時變的頻率選擇性衰落特性。為了 有效消除寬帶通信信道的頻率選擇性衰落，多載波調(diào)制技術將寬帶信道分成多個子信道， 在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是 非平坦并具有頻率選擇性的，但是每個子信道是相對平坦的。正交頻分復用((FDM)是多載 波調(diào)制技術的一種，其子載波間相互正交，具有很高的頻譜利用率;并且可以利用離散傅里 葉反變換/離散傅里葉變換（IDFT/DFT)代替多載波調(diào)制和解調(diào)。但0FDM系統(tǒng)中發(fā)送數(shù)據(jù)的 離散傅里葉逆變換（IFFT)處理使合成信號有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，使得0FDM信號的 功率峰值與均值比（PAPR)大，導致射頻放大器的功率效率較低，因此需要研究低PAPR的多 載波技術，如恒包絡正交頻分復用(CE-0FDM)技術。
[0003] CE-0FDM技術可以降低PAPR，其信號具有恒定的包絡，有利于發(fā)射機采用非線性大 功率功放。目前這種調(diào)制方法可通過將發(fā)送信號構建成中心共輒對稱數(shù)據(jù)后進行IDFT處 理，得到純實數(shù)序列，用該序列進行相位調(diào)制得到恒包絡發(fā)送信號。但是由于共輒對稱步驟 的存在，CE-0FDM系統(tǒng)中傳輸N個復數(shù)符號，如正交幅度調(diào)制(QAM)，需要2N+2個子載波，因此 其頻譜效率低于0FDM系統(tǒng)的50%，因此難以滿足寬帶通信的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于CE-(FDM系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法。該方法 在維持信號低峰均比的基礎上，發(fā)送端通過移相疊加的方法利用2N+2個子載波傳輸2N個復 數(shù)數(shù)據(jù)符號，接收端通過泰勒級數(shù)展開的方法恢復出雙流符號，使得頻譜效率相比于單流 提高1倍，以解決寬帶通信中數(shù)據(jù)傳輸速率需求問題。
[0005] 具體地，本發(fā)明提供了一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā) 方法，在發(fā)送端和接收端的流程分別如下：
[0006] (1)發(fā)送端處理流程為:兩路信號分別依次經(jīng)過QAM符號映射、共輒序列構造、IFFT 和相位調(diào)制，相位調(diào)制后的第二路信號作乘以_j處理，j表示虛數(shù)符號，再與相位調(diào)制后的 第一路信號進行相加得到復用信號，將復用信號進行D/A轉(zhuǎn)換后傳輸;D/A表示數(shù)字信號轉(zhuǎn) 模擬信號；
[0007] (2)接收端處理流程為:將接收到的信號先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后對數(shù)字 信號分別取實部和虛部得到兩路信號，將兩路信號做泰勒級數(shù)展開，進行聯(lián)合解調(diào)，對解調(diào) 后的信號依次進行FFT、共輒序列反變換和QAM符號反映射，得到最終信號;A/D表示模擬信 號轉(zhuǎn)數(shù)字信號;FFT表示快速傅里葉變換。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于:本發(fā)明從現(xiàn)有多載波技術中存在的高PAPR問題出 發(fā)，提出一種基于恒包絡正交頻分復用調(diào)制方法的數(shù)據(jù)復用技術，通過在發(fā)射端構造發(fā)射 信號，提升了頻譜效率，在接收端應用泰勒級數(shù)展開，進行聯(lián)合解調(diào)，恢復出兩路信號上承 載的信息，從而實現(xiàn)了兩路信號的發(fā)送和接收，使得系統(tǒng)頻譜效率相比于傳統(tǒng)CE-0FDM技術 提高1倍，并且最大PAPR為3dB。本發(fā)明降低了 PAPR，提高了頻譜效率，使得CE-0FDM技術在實 際場景中具有應用的可行性。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的單天線雙流CE-0FDM系統(tǒng)發(fā)送端的流程示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明的單天線雙流CE-0FDM系統(tǒng)接收端的流程示意圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法與單流CE-0FDM的誤碼率的對比圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法與單流CE-0FDM的頻譜效率對比圖；
[0013] 圖5是本發(fā)明的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法的PAPR示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0015] 結合圖1和圖2，說明單天線雙流CE-0FDM系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的流程。
[0016] (1)發(fā)送端流程說明如下。
[0017]如圖1所示，兩路信號分別依次經(jīng)過QAM符號映射、共輒序列構造、IFFT和相位調(diào)制 后，相位調(diào)制后的第二路信號作乘以_j處理，j表示虛數(shù)符號，再與相位調(diào)制后的第一路信 號進行相加，得到的信號進行D/A(數(shù)字信號/模擬信號)轉(zhuǎn)換后傳輸。
[0018] 標記QAM符號映射前為A處，共輒序列構造前為B處，IFFT后為C處，相位調(diào)制后為D 處，兩路信號求和輸出為E處。
[0019] 設雙流信號在A處的形式分別為4及42,假設每路采用16QAM調(diào)制方式，則兩路信 號經(jīng)過QAM符號映射后在B處的形式為4及讀,1^ = 0,1，. . .，N-1，每路調(diào)制為N個QAM符號。
[0020] 每路符號按式（1)的方式構造共輒序列，其中GAV,,_2_,V是長度為心 fft_2_N的0序列， Nifft為IFFT的長度。在高頻子載波上補零再IFFT后，相當于對時域序列做過采樣，不影響頻 譜效率及符號持續(xù)時間。因此由式（1)可以看出，每路信號在頻域上占用2N+2個子載波發(fā)送 N個QAM符號，因此單路的頻譜效率低于0FDM技術的50%。
[0021]
[0022] 分別對序列4 4
[0023] 為了簡單起見，假設過采樣倍數(shù)為1，則IFFT后C處的兩路信號可由式(2)表示，此 處4及<為歸一化的0FDM信號。
[0024] y Wl '' "
[0025] 經(jīng)相位調(diào)制后D處的兩路信號可由式（3)表示，其中A1，A2及h 1，h2分別為兩路CE-0FDM信號的幅度及相位調(diào)制因子。
[0026]
[0027] 經(jīng)相位調(diào)制后的兩路信號，對其中一路信號乘以-j，然后和另一路信號相加，構成 最終的發(fā)射信號，通過這個操作實現(xiàn)頻域上的復用，提升了頻譜效率。
[0028] 本發(fā)明提出一種移相疊加的數(shù)據(jù)復用方法，以式(4)或式(5)的方式構造 E點處的 復用信號。
[0029]
[0030] 力.
[0031]可見發(fā)送信號為兩路信號的移相疊加，在頻域上占用2N+2個子載波，發(fā)送2N個QAM 符號，頻譜效率相比于單路信號提高了 1倍，與0FDM的頻譜效率基本相同。但是0FDM發(fā)送信 號的PAPR與占用的子載波數(shù)目N有關，理論上的最高PAPR為101 〇g1Q(N)dB，而本發(fā)明中發(fā)送 信號為兩路CE-0FDM信號的疊加，每路信號的PAPR為OdB，則發(fā)送信號的PAPR最高為3dB，與 每路信號占用的子載波數(shù)目無關。
[0032] (2)接收流程說明如下。
[0033] 如圖2所示，接收端將接收到的信號先經(jīng)過A/D(數(shù)字信號/模擬信號)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，然后對數(shù)字信號分別取實部和虛部得到兩路信號，將兩路信號做泰勒級數(shù)展開，進行 聯(lián)合解調(diào)，對解調(diào)后的信號依次進行FFT(快速傅里葉變換）、共輒序列反變換和QAM符號反 映射，得到最終信號。
[0034] 標記A/D轉(zhuǎn)換后為F處，取虛部和實部后為G處，解調(diào)后為Η處，共輒序列反變換后為 I處，QAM符號反映射后為J處。
[0035] 復用后的信號如果無法解調(diào)，那就沒有意義。本發(fā)明通過對接收信號分別取實部 和虛部，然后依據(jù)泰勒級數(shù)展開，進行聯(lián)合解調(diào)，就可以恢復出兩路信號上承載的信息。
[0036] 以下以式(4)信號為例闡述接收流程，式(5)信號的流程與式(4)類似。假設發(fā)送信 號經(jīng)歷高斯白噪聲(AWGN)信道，則F處的接收信號y n可由式(6)表示。
[0037]
[0038] 分別對接收信號取虛部和實部，在G處得到的兩路信號乂、可由式(7)表示。
[0039]
[0042]
[0040] 其中，3(.)、M(.)分別表示取虛部和實部。[0041] 對式(6)中的兩路信號做泰勒級數(shù)展開，可得式(8)及式(9)
[0043]
[0044] 由式(9)可見通過本發(fā)明的數(shù)據(jù)發(fā)送方法，接收信號的虛部允及實部.v"2中分別含 有及2;r/t 2￥的冪次項，以下分析冪次項對接收信號的影響以及解調(diào)方法。
[0045] 1、當加匕< 0 · 5，2油2 < 0 · 5時，除2疋/^及2減2€的一次冪項外的其余一次以上的 冪項都視作噪聲，Η處解調(diào)后的兩路信號<、d可通過式(10)獲得。
[0046]
[0047] 2、當231^ < 0 · 5，0 · 5 < 2油2 < 0 · 7時，在求解時需考慮2瓦/??2的二次冪項，將2病€ 一次以上的冪項和2;^2<二次以上的冪項都視作噪聲，兩路信號如式(11)及式(12)所示：
[0048]
[0049]
[0050] 其中，njPn2分別表示對η取虛部和實部。將式（12)中< 解出后代入式（11)可解出 4。
[0051 ] 以此類推，解出0.5 < 23?1η<0.7，2油2<0.5時的< 及<，此時求解時需考慮2;r/^ 的二次冪項，將2:3??2-次以上的冪項和2;r/2^二次以上的冪項都視作噪聲進行處理。
[0052] 3、當23? 2 0.5，2此2 2 0.5時，在求解時需考慮2龍/^及2兀/?2的二次及三次冪 項，將2砵必及2;τΚ的三次以上的冪項都視作噪聲進行處理。兩路信號如式（13)及式 (14)所示：
[0055] 解調(diào)過程如下：
[0053]
[0054]
[0056] (1)忽略式（13)中2以2彳的三次冪項，將2;^乂表示為2以乂方程，如式（15)。
[0057]
[0058] (2)將式（15)代入式（14)并忽略的四次冪項，可得式（16)并求出f的實數(shù)解。
[0059]
[0060] (3)將^再代入式(13)，即可得到<的實數(shù)解。
[0061 ] 最后，對4及<做FFT及共輒序列反變換，即可得到每個用戶的N點QAM符號，對QAM 符號進行解調(diào)即可得到每個用戶的比特信息。因此，通過本發(fā)明提出的雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法， 可以系統(tǒng)的頻譜效率提升1倍，并維持較低的PAPR。
[0062]若發(fā)送端構造如公式(5)所示的復用信號，接收端采用上述同樣的原理進行處理， 對信號取虛部和實部，進行泰勒級數(shù)展開，再進行聯(lián)合調(diào)制，調(diào)制機理相同，對得到的信號 4和 <做FFT、共輒序列反變換和QAM符號反映射。將本發(fā)明提供的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法 與單流的CE-0FDM方法進行應用效果比較，如圖3~圖5所示。從圖3可以看出，本發(fā)明方法比 單流的CE-ΟΠΜ方法的誤碼率要稍微高一些，但從圖4可以看出，本發(fā)明方法比單流的CE-0FDM方法的頻譜效率能夠提高一倍。同時，從圖5看出，本發(fā)明方法的PAPR小于3dB。
【主權項】
1. 一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方法，其特征在于，發(fā)送 端和接收端的流程分別如下： (1) 發(fā)送端處理流程為:兩路信號分別依次經(jīng)過QAM符號映射、共輒序列構造、IFFT和相 位調(diào)制，相位調(diào)制后的第二路信號作乘以-j處理，j表示虛數(shù)符號，再與相位調(diào)制后的第一 路信號進行相加得到復用信號，將復用信號進行D/A轉(zhuǎn)換后傳輸;QAM表示正交幅度調(diào)制， IFFT表示離散傅里葉逆變換，D/A表示數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號； (2) 接收端處理流程為:將接收到的信號先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號 分別取實部和虛部得到兩路信號，將兩路信號做泰勒級數(shù)展開，進行聯(lián)合解調(diào)，對解調(diào)后的 信號依次進行FFT、共輒序列反變換和QAM符號反映射，得到最終信號;A/D表示模擬信號轉(zhuǎn) 數(shù)字信號;FFT表示快速傅里葉變換。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方 法，其特征在于，所述的發(fā)送端，設兩路信號均采用16QAM調(diào)制方式，每路調(diào)制為N個QAM符 號;在經(jīng)過IFFT后得到的歸一化的兩路信號為^及€，則在相位調(diào)制后得到的兩路信號 < 和 <表示如下：其中，A1,知及匕如分別為兩路信號的幅度及相位調(diào)制因子，Nlfft為IFFT的長度； 所述的復用信號XrJI過下面其中一個公式來構造：3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收 發(fā)方法，其特征在于，所述的接收端，設經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的信號^為： Yn - Xn+η，Π - O，I，· · ·，Nifft-I ; 其中，Xn為發(fā)送端構造的復用信號，Nlfft為IFFT的長度； 對yn分別取虛部和實部得到信號乂、乂： 信號紇中含有2%?的冪次項，信號％中含有的冪次項，hihs分別為發(fā)送端的兩 路信號的相位調(diào)制因子，根據(jù)^Ih1和23*2的大小，分如下情況進行信號解調(diào)： (a)當23?1η<0.5，2Jih2<0.5時，解調(diào)時將2坤4和2以2<的一次以上的冪項都視為噪 聲； (13)當2油1<0.5,0.5<2油2<0.7時，解調(diào)時將2疋/^一次已上的冪項和27^ 2<二次以 上的冪項都視作噪聲； 當0.5 < 23?1η<0.7，2Jih2<0.5時，解調(diào)時將-次以上的冪項和k/vs,1.二次以上的 冪項都視作噪聲； (c)當^h1 2 0.5，2地2 2 0.5時，解調(diào)時將2疋/認丨及2以2<三次以上的冪項都視作噪聲。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種基于恒包絡正交頻分復用系統(tǒng)的單天線雙流數(shù)據(jù)收發(fā)方 法，其特征在于，所述的信號解調(diào)，以.x_" =4-= …1為例，具體如下：
【文檔編號】H04L27/26GK105897642SQ201610133191
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】崔高峰, 王程, 王衛(wèi)東, 張英海
【申請人】北京郵電大學