专利名称：一种变换域通信系统收发机及其实现方法
技术领域：
本发明涉及变换域通信系统(TDCS，Transform Domain CommunicationSystem)，尤指一种变换域通信系统收发机及其实现方法。
背景技术：
TDCS的基本思想是，通过在给定的频谱范围内动态改变发射信号频谱，避免已有用户对该发射信号的干扰，以及避免该发射信号对已有用户的干扰。
通常，TDCS发射机中，调制使用循环移位键控调制(CCSK，Cyclic CodeShift Keying)，CCSK是一种M进制调制方式。最简单的CCSK调制的实现方式为，先选出一个基函数(Base Function)b(t)，然后根据要发送的数据对基函数做循环移位，最后发送经过循环移位的基函数。
图1是现有技术基于傅立叶变换的TDCS发射机组成框图，如图1所示，基于傅立叶变换的TDCS发射机包括以下功能模块频谱估计(EstimateSpectrum)模块、空闲频谱标记(Spectrum Magnitude)模块、随机相位生成(Random Phase)模块、缩放(Scale)模块、离散傅立叶逆变换(IDFT)模块、存储(Memory)模块、调制(Modulation)模块、发送(Transmitter)模块及完成乘法功能的乘法器。
其中，频谱估计模块，用于确定无干扰的频谱区域。确定的方法可以是本领域公知的周期图、自回归图或基于小波的技术等；空闲频谱标记模块，用于确定通信信道内哪些频点空闲，哪些频点被占用。确定的方法通常是根据信道频谱范围内的信号平均功率，预先设定一个频谱幅度门限值，通过频谱估计获取频谱估计值；比较频谱估计值与该频谱幅度门限值，将超过该频谱幅度门限值的频点设定为0以表示被占用，将未超过该频谱幅度门限值的频点设定为1以表示空闲，从而生成频谱幅度序列A(ω)；随机相位生成模块，用于生成一个多值的复随机相位序列ejθ(ω)，该复随机相位序列ejθ(ω)用于将幅度序列A(ω)的相位随机化，即实现加扰。复随机相位序列ejθ(ω)与频谱幅度序列A(ω)对应元素经乘法器相乘得到复序列Bb(ω)；缩放模块如功放，用于对复序列Bb(ω)进行幅度缩放，使得到的序列B(ω)中的所有信号具有相同的能量，这样可以充分利用功放效率；离散傅立叶逆变换模块，用于将频域的序列B(ω)转换为时域的基函数b(t)。可见，生成的基函数b(t)只在空闲的频谱区域内有能量；存储模块，用于存储生成的基函数b(t)；调制模块，用于对存储模块中的基函数进行调制。TDCS使用CCSK调制，通过基函数的不同循环移位来传送数据信号d(t)；由于调制是在时域完成的，需要大容量的存储模块来存储中间数据。
发送模块，用于发送经过调制的数据信号d(t)。
相应地，图2是现有技术基于傅立叶变换的TDCS接收机组成框图，如图2所示，基于傅立叶变换的TDCS接收机包括以下功能模块空闲频谱标记模块、随机相位生成模块、离散傅立叶逆变换模块、取共轭模块、相关模块、最大似然判决模块及完成乘法功能的乘法器。
其中，空闲频谱标记模块，用于确定通信信道内哪些频点空闲，哪些频点被占用，生成频谱幅度序列A′(ω)；随机相位生成模块，用于生成一个多值的复随机相位序列ejθ′(ω)，生成的复随机相位序列ejθ′(ω)与频谱幅度序列A′(ω)对应元素经乘法器相乘获得频域矢量A ′(ω)ejθ(ω)；
离散傅立叶逆变换模块，用于将频域的矢量A′(ω)ejθ′(ω)转换为时域的参考函数c(t)；取共轭模块，用于将时域参考函数c(t)进行共轭运算，然后对经过共轭运算的参考函数c(t)进行等间隔的M次循环移位，得到M个矢量cj(t)，j＝0，...，M-1，其中，M是预先设置的调制阶数，即发射端可以传输的信息集中信息的个数；相关模块，用于对接收到的信号进行相关运算，通常就是一个相关器。将通过天线接收到的来自TDCS发射机输出的数据信号d(t)，在TDCS接收机中称为数据信号r(t)，及取共轭模块输出的M个矢量cj(t)经乘法器相乘后输入相关器，进行相关运算，得到相关结果zj(t)；最大似然判决模块，用于从M个相关结果zj(t)中找出幅度最大的值所对应的下标k，k是j中的一个值，即找出循环移位序列ck(t)，从而得到与循环移位序列ck(t)相对应的传送的数据符号的估计值 从上述现有基于傅立叶变换的TDCS收发机及其实现方法可见，对于TDCS发射机，由于调制是在时域完成的，需要大容量的存储模块来存储中间数据，增加了设备的成本；对于TDCS接收机，需要复杂的相关器，提高了设备的成本，而且复杂的相关运算，延长了TDCS接收机的实现时间。另外，在多径传输环境中，当传播时延超过一个码片的长度时，为了利用多径信号实现时间分集，需要采用复杂的Rake接收机来接收数据信号r(t)，以便合并多径信号，否则接收机性能将下降，Rake接收机属于本领域公知技术，可以参考相关资料，这里不再详细描述。
另外，目前还有一种低截获率通信系统收发机方案，与基于傅立叶变换的TDCS收发机方案相似，低截获率通信系统发射机与基于傅立叶变换的TDCS发射机相同，这里不再重述；低截获率通信系统接收机对接收到的信号进行快速傅立叶变换，将变换所得结果乘上独立生成的、与低截获率通信系统发射机所使用的序列复Bb(ω)一样的复序列，然后去掉相乘所得结果矢量中的极大值，最后将对所得到的矢量再执行快速傅立叶变换，得到判决序列，在判决序列中查找幅度最大的元素所对应的下标，从而得到发射数据符号的估计值 。这里，判决时需要执行全局搜索，而全局搜索是一个耗费时间的过程，并且全局搜索时会搜索未经CCSK调制的元素，当这些元素受到强干扰时，将会出现误判，增加了接收端总的误判概率。
基于现有的两种TDCS收发机的实现方案，主要存在的问题是TDCS收发机的实现复杂，从而降低了设备的抗干扰能力，也提高了设备的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种变换域通信系统收发机，能够简单实现TDCS收发机，提高设备的抗干扰能力，同时降低设备的成本。
本发明的另一目的在于提供一种变换域通信系统收发机的实现方法，能够简单实现TDCS收发机，提高设备的抗干扰能力，同时降低设备的成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的一种变换域通信系统TDCS收发机，包括TDCS发射机和TDCS接收机，TDCS发射机包括基序列生成单元、调制单元和OFDM发射机；其中，基序列生成单元，用于生成基序列；调制单元，用于接收来自基序列产生单元的基序列，利用该基序列对待发送的数据信号进行调制；OFDM发射机，用于将来自调制单元的调制后的数据信号转换为时域数据信号，添加循环前缀后发射；TDCS接收机包括OFDM接收机、基序列生成单元和解调单元；其中，OFDM接收机，用于接收数据信号，将接收到的数据信号去掉循环前缀，并转换为频域数据信号后输出给解调单元；基序列生成单元，用于生成基序列，并将生成的基序列输出给解调单元；解调单元，用于利用接收到的基序列，对接收到的数据信号进行解调，获得OFDM发射机发送的数据信号。
所述基序列生成单元包括频谱估计模块、空闲频谱标记模块和随机相位生成模块。
所述调制单元包括数据映射模块及乘法器；所述数据映射模块，接收待发送的数据信号、来自所述基序列生成单元的基序列；将接收到的待发送的数据信号映射为频域数据信号，并经过所述基序列的调制后，输出给OFDM发射机。
所述解调单元包括取共轭模块、快速傅立叶逆变换模块、取实部模块、最大值下标搜索模块及乘法器；取共轭模块，接收来自基序列生成单元的基序列，并对该基序列取共轭，取共轭后的基序列经乘法器与来自所述OFDM接收机的数据信号相乘后输出给快速傅立叶逆变换模块；快速傅立叶逆变换模块，用于将接收到的数据信号转换为时域接收矢量，并发送给取实部模块；取实部模块，用于对接收到的时域接收矢量取实部，获得实部接收矢量，并发送给最大值下标搜索模块；最大值下标搜索模块，用于从接收到的实部接收矢量中抽取判决序列，在判决序列中查找幅度最大值元素所对应的下标，获取与该下标对应的接收的数据信号。
所述基序列生成单元还包括存储模块，用于存储所述基序列。
一种变换域通信系统TDCS收发机的实现方法，该方法包括发射端在频域对待发送的数据进行调制后，经OFDM发射机发射该调制后的数据信号；接收端经OFDM接收机接收数据信号，并通过解调获取TDCS发射机发送的数据。
在所述发射端中进行调制的方法为A1.确定无干扰频谱区域，并在该无干扰的频谱区域中生成频谱幅度序列；
A2.生成随机相位序列，并根据生成的随机相位序列及频谱幅度序列获取基序列；A3.利用获得的基序列对所述待发送的数据进行调制。
步骤A2中，所述获取基序列的方法为计算所述随机相位序列与频谱幅度序列对应元素的乘积。
步骤A3中，所述调制的方法为将所述待发送的数据信号映射后得到频域数据信号，再计算得到的频域数据信号与所述基序列的乘积。
所述OFDM发射机发射数据信号的方法为对接收到的数据信号进行离散傅立叶逆变换得到时域数据信号，并对得到的时域数据信号添加循环前缀后发射。
在所述接收端中进行解调的方法为B1.将接收到的数据信号去掉循环前缀并转换为频域数据信号；生成随机相位序列，并根据生成的随机相位序列及频谱幅度序列获取基序列；B2.对获得的基序列取共轭获取共轭值，并计算获得的共轭值与所述频域数据信号的乘积，并去掉随机相位后得到接收矢量；B3.将得到的接收矢量转换为时域接收矢量，并获取接收的数据信号。
所述步骤B3具体包括B31.对所述接收到的接收矢量进行快速傅立叶变换，获得时域接收矢量；B32.对所述时域接收矢量取实部，得到实部接收矢量；B33.从所述实部接收矢量中获取判决序列，在判决序列中查找幅度最大值元素所对应的下标，获取该下标所对应得接收数据。
由上述技术方案可见，本发明TDCS发射机在频域对待发送的数据进行调制后，经OFDM发射机发射该调制后的数据信号；TDCS接收机经OFDM接收机接收数据信号，并通过OFDM接收机和快速傅立叶逆变换实现解调后，获取TDCS发射机发送的数据。从本发明方案可见，TDCS发射机基于OFDM发射机，通过应用成熟的OFDM发射机技术，有利于与现有OFDM技术兼容，比如可以直接利用OFDM发射机中的离散傅立叶逆变换功能，并在变换后加入循环前缀等；采用OFDM接收机和离散傅立叶逆变换实现解调，避免了复杂的相关器，从而使得本发明基于OFDM的TDCS收发机实现简单；另外，与直接使用OFDM发射机进行信息传输相比，由于发射信号是在随机化的频谱幅度序列上采用CCSK调制，而随机化的频谱幅度序列一般都是峰平比值比较低的序列，因此，本发明基于OFDM的TDCS发射机发送的数据信号有较低的峰平比值；在衰落信道和多径传播环境中，由于接收机使用OFDM技术，信道估计容易实现，从而避免了复杂的Rake接收机，使实现变得更加简单；通过缩小实部信号矢量搜索范围即只搜索预先设置的调制阶数M个点，而不是全局搜索，提高了搜索速度和通信系统的性能。
图1是现有技术基于傅立叶变换的TDCS发射机组成框图；图2是现有技术基于傅立叶变换的TDCS接收机组成框图；图3是本发明基于OFDM的TDCS发射机组成框图；图4是本发明基于OFDM的TDCS接收机组成框图。
具体实施例方式
本发明的核心思想是TDCS发射机在频域对待发送的数据进行调制后，经OFDM发射机发射该调制后的数据信号；TDCS接收机经OFDM接收机接收数据信号，并通过解调获取TDCS发射机发送的数据。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举较佳实施例，对本发明进一步详细说明。
在介绍本发明方案之前，先对现有正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)技术做简单介绍。OFDM是将高速串行数据分成多路低速并行数据，并分别对不同的载频进行调制，同时通过在发射端加上循环前缀，在接收端去除循环前缀以抵抗多径时延。OFDM发射机用于将发射信号进行快速傅立叶逆变换，并将变换后得到的时域序列或称为时域数据信号加上循环前缀后发射出去，OFDM接收机用于估计无线信道特征，将接收到的时域序列中的循环前缀去掉，并将去掉循环前缀的时域序列进行离散傅立叶变换，对变换后的序列进行信道均衡，从而抵抗符号间干扰和频率选择性衰落。OFDM发射机可以方便地实现多载波并行传输，但随着载波数的增多，其发射信号的峰平比值会增大，从而对功放的线性度提出了更高的要求，导致设备成本增加，如果能够选择峰平比值较低的序列进行发射，则可以降低这一点对系统成本的影响。
图3是本发明基于OFDM的TDCS发射机组成框图，包括基序列生成单元、调制单元和OFDM发射机。对各单元的描述如下基序列生成单元，用于生成基序列，并将生成的基序列输出给调制单元，基序列生成单元包括频谱估计模块、空闲频谱标记模块、随机相位生成模块和存储模块。
其中，频谱估计模块，用于确定无干扰的频谱区域。确定的方法可以是本领域公知的周期图、自回归图或基于小波的技术等；空闲频谱标记模块，用于确定无干扰的频谱区域中通信信道内哪些频点空闲，哪些频点被占用。确定的方法通常是根据信道频谱范围内的信号平均功率，预先设定一个频谱幅度门限值，通过频谱估计得到的频谱估计值与该频谱幅度门限值的比较，将超过该频谱幅度门限值的频点设定为0以表示被占用，将未超过该频谱幅度门限值的频点设定为非0值以表示空闲，从而生成频谱幅度序列Ak，其中，k＝0，1，…，N-1，其中N为信道频谱范围内的频点个数；随机相位生成模块，用于生成一个随机相位序列ejθ(k)。其中，k＝0，1…N-1。随机相位序列ejθ(k)与频谱幅度序列Ak对应元素经乘法器相乘后得到基序列Akejθ(k)，其中，k＝0，1…N-1；存储模块，用于存储生成的基序列Akejθ(k)。也可以不需要该存储模块，那么，每生成一次基序列，即发送给调制单元，对待发送的数据进行一次调制。
调制单元，用于接收来自基序列产生单元的基序列，利用该基序列对待发送的数据信号进行调制，调制单元可以由数据映射模块及乘法器组成数据映射模块，用于执行数据映射操作，即将待发送的数据Si映射为频域的数据 ，其中，k＝0，1…N-1，经过映射后的待发数据 与基序列Akejθ(k)经乘法器相乘实现CCSK调制，调制得到的数据信号 输入给OFDM发射机。
OFDM发射机，用于对接收到的调制后的数据信号 进行离散傅立叶逆变换，得到时域数据信号S(t)=1NΣk=0N-1Akejθ(k)e-j2πSikMej2πknN,]]>其中，n＝0，1，…N-1；然后对s(t)添加循环前缀后发射。
相应地，图4是本发明基于OFDM的TDCS接收机组成框图，包括OFDM接收机、基序列生成单元和解调单元。对各单元的描述如下OFDM接收机，用于接收TDCS发射机发射的数据信号s(t)经无线信道后到达TDCS接收机的信号，在TDCS接收机中将该信号称为数据信号r(t)，接收到的数据信号r(t)经过OFDM接收机处理后，去掉循环前缀并从时域数据信号r(t)转换为频域数据信号R(k)并输出给解调单元，R(k)=Akejθ(k)e-j2πSikM+no1[k],]]>其中，k＝0，1…N-1，no1[k]表示频域中的加性白高斯噪声。
基序列生成单元，用于生成基序列，并将生成的基序列输出给解调单元，基序列生成单元包括空闲频谱标记模块、随机相位生成模块。
其中，频谱估计模块、空闲频谱标记模块和随机相位生成模块分别采用与本发明TDCS发射机中相同的方法，生成频谱幅度序列A′k和随机相位序列ejθ′(k)，所得的随机相位序列ejθ′(k)与频谱幅度序列A′k对应元素经乘法器相乘后得到基序列A′kejθ′(k)，其中，k＝0，1…N-1。
解调单元，用于接收来自基序列产生单元的基序列，利用该基序列对来自OFDM接收机的数据信号进行解调，解调单元可以由区共轭模块、快速傅立叶逆变换模块、取实部模块、最大值下标搜索模块及乘法器组成取共轭模块，用于对基序列A′kejθ′(k)取共轭，生成共轭值A′ke-jθ′(k)，其中，k＝0，1…N-1，生成的共轭值A′ke-jθ′(k)与来自OFDM接收机的频域数据信号R(k)对应元素相乘，并去掉随机相位后得到接收矢量 需要说明的是，OFDM接收机的处理，与空闲频谱标记模块、随机相位生成模块和取共轭模块的处理没有明确的先后顺序，两者可以是并行的或者空闲频谱标记模块、随机相位生成模块和取共轭模块的处理在OFDM接收机的处理之前；快速傅立叶逆变换模块，用于对接收矢量 执行离散傅立叶逆变换得到时域接收矢量 取实部模块，用于对时域接收矢量 取实部，得到实部接收矢量 ；这里也可以对时域接收矢量 取模，包括模和模的平方，取模属于本领域技术人员公知技术，这里不再详述，只是强调可以通过取模来获取接收的信息。
最大值下标搜索模块，用于从实部接收矢量 的起点开始，等间隔地抽取预先设置的调制阶数M个元素作为判决序列，在判决序列中查找幅度最大值元素所对应的下标，从而得到接收数据信号的估计值 从上述本发明TDCS收发机的实现来看，本发明TDCS发射机基于OFDM发射机，通过应用成熟的OFDM发射机技术，有利于与现有OFDM技术兼容，比如可以直接利用OFDM发射机中的离散傅立叶逆变换，并在变换后加入循环前缀等；与直接使用OFDM发射机进行信息传输相比，由于发射信号是在基序列 上采用CCSK调制，而基序列 一般都构造成峰平比较低的序列，因此，本发明基于OFDM的TDCS发射机发送的数据信号有较低的峰平比值；采用OFDM接收机和由解调单元实现对接收到的数据信号的解调，避免了复杂的相关器，从而使得本发明基于OFDM的TDCS收发机实现简单；在衰落信道和多径传播环境中，由于本发明TDCS接收机使用OFDM技术，信道估计容易实现，从而避免了复杂的Rake接收机，使实现变得更叫简单；在TDCS接收机中，通过缩小实部信号矢量搜索范围，即只搜索预先设置的调制阶数M个点，而不是全局搜索提高了搜索速度和通信系统的性能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种变换域通信系统TDCS收发机，其特征在于，包括TDCS发射机和TDCS接收机，TDCS发射机包括基序列生成单元、调制单元和OFDM发射机；其中，基序列生成单元，用于生成基序列；调制单元，用于接收来自基序列产生单元的基序列，利用该基序列对待发送的数据信号进行调制；OFDM发射机，用于将来自调制单元的调制后的数据信号转换为时域数据信号，添加循环前缀后发射；TDCS接收机包括OFDM接收机、基序列生成单元和解调单元；其中，OFDM接收机，用于接收数据信号，将接收到的数据信号去掉循环前缀，并转换为频域数据信号后输出给解调单元；基序列生成单元，用于生成基序列，并将生成的基序列输出给解调单元；解调单元，用于利用接收到的基序列，对接收到的数据信号进行解调，获得OFDM发射机发送的数据信号。
2.根据权利要求1所述的TDCS收发机，其特征在于，所述基序列生成单元包括频谱估计模块、空闲频谱标记模块和随机相位生成模块。
3.根据权利要求1或2所述的TDCS收发机，其特征在于，所述调制单元包括数据映射模块及乘法器；所述数据映射模块，接收待发送的数据信号、来自所述基序列生成单元的基序列；将接收到的待发送的数据信号映射为频域数据信号，并经过所述基序列的调制后，输出给OFDM发射机。
4.根据权利要求1或2所述的TDCS收发机，其特征在于，所述解调单元包括取共轭模块、快速傅立叶逆变换模块、取实部模块、最大值下标搜索模块及乘法器；取共轭模块，接收来自基序列生成单元的基序列，并对该基序列取共轭，取共轭后的基序列经乘法器与来自所述OFDM接收机的数据信号相乘后输出给快速傅立叶逆变换模块；快速傅立叶逆变换模块，用于将接收到的数据信号转换为时域接收矢量，并发送给取实部模块；取实部模块，用于对接收到的时域接收矢量取实部，获得实部接收矢量，并发送给最大值下标搜索模块；最大值下标搜索模块，用于从接收到的实部接收矢量中抽取判决序列，在判决序列中查找幅度最大值元素所对应的下标，获取与该下标对应的接收的数信号。
5.根据权利要求3所述的TDCS收发机，其特征在于，所述基序列生成单元还包括存储模块，用于存储所述基序列。
6.一种变换域通信系统TDCS收发机的实现方法，其特征在于，该方法包括发射端在频域对待发送的数据进行调制后，经OFDM发射机发射该调制后的数据信号；接收端经OFDM接收机接收数据信号，并通过解调获取TDCS发射机发送的数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述发射端中进行调制的方法为A1.确定无干扰频谱区域，并在该无干扰的频谱区域中生成频谱幅度序列；A2.生成随机相位序列，并根据生成的随机相位序列及频谱幅度序列获取基序列；A3.利用获得的基序列对所述待发送的数据进行调制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤A2中，所述获取基序列的方法为计算所述随机相位序列与频谱幅度序列对应元素的乘积。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤A3中，所述调制的方法为将所述待发送的数据信号映射后得到频域数据信号，再计算得到的频域数据信号与所述基序列的乘积。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述OFDM发射机发射数据信号的方法为对接收到的数据信号进行离散傅立叶逆变换得到时域数据信号，并对得到的时域数据信号添加循环前缀后发射。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述接收端中进行解调的方法为B1.将接收到的数据信号去掉循环前缀并转换为频域数据信号；生成随机相位序列，并根据生成的随机相位序列及频谱幅度序列获取基序列；B2.对获得的基序列取共轭获取共轭值，并计算获得的共轭值与所述频域数据信号的乘积，并去掉随机相位后得到接收矢量；B3.将得到的接收矢量转换为时域接收矢量，并获取接收的数据信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤B3具体包括B31.对所述接收到的接收矢量进行快速傅立叶变换，获得时域接收矢量；B32.对所述时域接收矢量取实部，得到实部接收矢量；B33.从所述实部接收矢量中获取判决序列，在判决序列中查找幅度最大值元素所对应的下标，获取该下标所对应得接收数据。
全文摘要
本发明公开了一种变换域通信系统收发机及其实现方法，本发明变换域通信系统(TDCS，Transform Domain Communication System)发射机在频域对待发送的数据进行调制后，经正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)发射机发射该调制后的数据信号；TDCS接收机经OFDM接收机接收数据信号，并通过解调获取TDCS发射机发送的数据。本发明方案简单地实现了TDCS收发机，提高了设备的抗干扰能力，同时降低了设备的成本。
文档编号H04L27/26GK1984108SQ200610066709
公开日2007年6月20日 申请日期2006年4月3日 优先权日2006年4月3日
发明者韩川, 王军, 李少谦, 陈荣标, 李云岗, 王吉滨 申请人:电子科技大学, 华为技术有限公司