一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法与流程

本发明涉及数字通信领域，尤其涉及一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法。

背景技术：

在数字通信系统中，调制与解调是必不可少的部分，一种好的调制解调技术可以方便快捷的提高通信系统的差错性能。在传统的数字通信系统中，多进制相移键控(MPSK)和多进制正交幅度调制(MQAM)是较为常用的调制方法，其均采用基于二维信号星座图的映射方式，即每b＝log₂M比特分为一组作为星座中对应信号点的索引信号，M表示星座图的尺寸，星座图中的每个信号具有复数形式，包括实部和虚部两个信号分量，即同相分量和正交分量。在接收端，多采用最大似然解调方案，即在星座图中通过查表法查找与接收信号最接近的点作为解调信号。但是，在二维信号空间，随着二维信号星座图尺寸的增加，同样的信道环境下噪声容限将会下降，系统的差错性不能有效的改善。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可以提供更大噪声容限、提高数字通信系统差错性能的基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法。

本发明的实施例提供了一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法，包括以下步骤：

(1)将来自信源的二进制序列通过映射模块处理得到四维信号，所述四维信号包含两个具有复数形式的信号，所述四维信号的第一维和第三维为两个复数形式信号的实数部分，所述四维信号的第二维和第四维为两个复数形式信号的虚数部分，二进制序列通过映射模块处理后输入发送处理模块进行发送；

(2)发送处理模块发送的信号经过信道后输入接收处理模块，所述接收处理模块将接收的信号处理后输入解映射模块，所述解映射模块将输入的信号恢复为原始的二进制序列。

进一步，所述步骤(1)中，映射模块包括串并转换模块、四维信号映射模块和四维信号映射重组模块，所述二进制序列输入串并转换模块，经串并转换模块转换后，每b＝log₂M比特分为一组作为四维星座图中对应信号点的索引信号，M表示四维信号星座图的尺寸；将索引信号输入四维信号映射模块进行处理，每个索引信号与四维星座图中的信号点一一对应，映射后得到的四维列向量输入四维信号映射重组模块，所述四维信号映射重组模块将四维列向量组成两个具有复数形式的信号。

进一步，所述四维信号映射模块的输出信号可以用一个四维列向量表示为S＝(x,y,z,k)^T，x、y、z、k表示信号点在星座图中的坐标，并均具有实数形式，T表示转置；所述四维列向量经四维信号映射重组模块后的输出信号表示为S＝(x+jy,z+jk)^T，

进一步，所述步骤(2)中，解映射模块包括四维信号映射解重组模块、四维信号解映射模块和并串转换模块，所述接收处理模块将接收的四维信号输入四维信号映射解重组模块，所述四维信号映射解重组模块将两个复数信号的实数部分分别作为解调四维向量的第一维和第三维，两个复数信号的虚数部分分别作为解调四维向量的第二维和第四维，从而得到解调后的四维列向量S’＝(x’,y’,z’,k’)^T；再将解调后的四维列向量输入四维信号解映射模块，利用最大似然方法，通过比较距离，查找与四维星座图中最近的信号点作为解调信号，得到该四维信号点对应的索引信号，再输入并串转换模块，所述并串转换模块将索引信号恢复为原始的二进制序列。

进一步，所述步骤(1)中，发送处理模块将输入的四维信号以四维列向量中的坐标作为调制系数乘以相应的正交基函数得到四个相互正交的信号，四个相互正交的信号叠加得到基带信号，再经频率为f的载波进行上变频处理即可发送至信道。

进一步，所述四个相互正交的信号叠加后表示为：

s(t)＝xφ_x(t)+yφ_y(t)+zφ_z(t)+kφ_k(t)

式中：φ_x(t)、φ_y(t)、φ_z(t)和φ_k(t)分别表示与调制系数相乘的正交基函数，x和z具有实数形式，y和k具有虚数形式。

进一步，发送的信号被接收处理模块接收，在接收处理模块中进行下变频和低通滤波处理，得到原基带信号，所述基带信号再通过相干解调得到四维信号坐标，并以复数信号形式输出，所述基带信号通过相乘器和积分器进行相干解调。

进一步，所述步骤(1)中，发送处理模块包括一第二并串转换模块，输入发送处理模块的四维信号经第二并串转换模块处理后进行传输，再经频率为f的载波进行上变频处理即可发送至信道；所述四维信号经第二并串转换模块转换为依次发送的两个复数信号，以每个复数信号的实部和虚部作为调制系数乘以相应的正交基函数得到基带信号，所述基带信号表示为：

s(t)＝xφ_x(t)+yφ_y(t)

式中：φ_x(t)和φ_y(t)分别表示同相基函数和正交基函数，x具有实数形式，y具有虚数形式。

进一步，发送的信号被接收处理模块接收，在接收处理模块中进行下变频和低通滤波处理，得到基带信号，所述基带信号再通过相干解调得到二维信号，每两个二维信号经第二串并转换模块处理后得到原四维信号，所述基带信号通过相乘器和积分器进行相干解调。

进一步，所述步骤(1)中，发送处理模块包括二维反傅里叶变换模块和第三并串转换模块，输入发送处理模块的信号经过二维反傅里叶变换模块进行调制，把频域的信号调制到时域，所述输入发送处理模块的信号为每N个四维信号组成一个频域四维正交频分复用信号，N表示四维正交频分复用信号的子载波数，再经过第三并串转换模块处理后送入信道传输至接收处理模块，所述接收处理模块包括第三串并转换模块和二维傅里叶变换模块，所述第三串并转换模块接收信号并转换为原时域四维正交频分复用信号，再经二维傅里叶变换模块处理，即得到原始的频域四维正交频分复用信号，所述频域四维正交频分复用信号表示为：

式中：每一列表示一个四维信号，每个子载波包含两个复数信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将四维信号星座图引入数字通信领域，给出了映射与解映射方法，较传统的二维和三维信号星座图，在星座图尺寸不变的情况下，四维信号星座图中的每对相邻信号点间具有更大的欧几里德距离，可以提供更大的噪声容限，提高数字通信系统的差错性能，且本发明提供的映射与解映射方法对于改善数字通信系统差错性能更为简单方便。

附图说明

图1是本发明一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法的一示意图。

图2是实施例1的一示意图。

图3是实施例2的一示意图。

图4是实施例3的一示意图。

图5是本发明一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法的系统差错性能曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法，包括以下步骤：

(1)将来自信源的二进制序列通过映射模块1处理得到四维信号。

映射模块1包括串并转换模块11、四维信号映射模块12和四维信号映射重组模块13，所述二进制序列输入串并转换模块11，经串并转换模块11转换后，每b＝log₂M比特分为一组作为四维星座图中对应信号点的索引信号，M表示四维信号星座图的尺寸；将索引信号输入四维信号映射模块12进行处理，每个索引信号与四维星座图中的信号点一一对应，四维信号映射模块12的输出信号可以用一个四维列向量S＝(x,y,z,k)^T来表示，x、y、z、k表示信号点在星座图中的坐标，均具有实数形式，T表示转置。

以四维信号星座图尺寸为8、星座图中所有信号点归一化后的平均功率为1为例，可得如表1所示的对应关系。

表1比特组、索引信号、信号点和坐标的对应关系

将四维信号映射模块12的输出信号输入四维信号映射重组模块13，四维信号映射重组模块13将四维列向量组成两个具有复数形式的信号，四维列向量经四维信号映射重组模块后的输出信号表示为S＝(x+jy,z+jk)^T，所述四维信号的第一维x和第三维z为两个复数形式信号的实数部分，所述四维信号的第二维y和第四维k为两个复数形式信号的虚数部分，重组后的信号如表2所示。二进制序列通过映射模块1处理后输入发送处理模块2进行发送。

表2每一信号点对应的复数

(2)发送处理模块2将步骤(1)发送的信号经过信道3输入接收处理模块4，接收处理模块4将接收的信号处理后输入解映射模块5。

发送处理模块2将输入的四维信号以四维列向量中的坐标作为调制系数乘以相应的正交基函数得到四个相互正交的信号，四个相互正交的信号叠加得到基带信号，四个相互正交的信号叠加后表示为：

s(t)＝xφ_x(t)+yφ_y(t)+zφ_z(t)+kφ_k(t)

式中：φ_x(t)、φ_y(t)、φ_z(t)和φ_k(t)分别表示与调制系数相乘的正交基函数，x和z具有实数形式，y和k具有虚数形式，x表示四维信号第一个复数的实部，y表示四维信号第一个复数的虚部，z表示四维信号第二个复数的实部，k表示四维信号第二个复数的虚部。

再经频率为f的载波进行上变频处理即可发送至信道3。

经信道3的信号被接收处理模块4接收，并在接收处理模块4中经下变频和低通滤波器40处理后，得到原基带信号，所述基带信号再通过相乘器(图中未示出)和积分器(图中未示出)进行相干解调得到四维信号坐标，并以两个复数信号的形式输入解映射模块5。

解映射模块5包括四维信号映射解重组模块51、四维信号解映射模块52和并串转换模块53，接收处理模块4将接收的四维信号输入四维信号映射解重组模块51，四维信号映射解重组模块51将两个复数信号的实数部分分别作为解调四维向量的第一维和第三维，两个复数信号的虚数部分分别作为解调四维向量的第二维和第四维，从而得到解调后的四维列向量S’＝(x’,y’,z’,k’)^T；再将解调后的四维列向量输入四维信号解映射模块52，利用最大似然方法，通过比较距离，查找与四维星座图中最近的信号点作为解调信号，得到该四维信号点对应的索引信号，并输入并串转换模块53，并串转换模块53将索引信号恢复为原始的二进制序列。在实施例1中，如去掉四维信号映射重组模块13和四维信号映射解重组模块51亦可完成本实施例的基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信。

实施例2

请参考图1和图3，本发明的实施例提供了一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法，包括以下步骤：

(1)将来自信源的二进制序列通过映射模块1处理得到四维信号。

映射模块1包括串并转换模块11、四维信号映射模块12和四维信号映射重组模块13，所述二进制序列输入串并转换模块11，经串并转换模块11转换后，每b＝log₂M比特分为一组作为四维星座图中对应信号点的索引信号，M表示四维信号星座图的尺寸；将索引信号输入四维信号映射模块12进行处理，每个索引信号与四维星座图中的信号点一一对应，四维信号映射模块12的输出信号可以用一个四维列向量S＝(x,y,z,k)^T来表示，x、y、z、k表示信号点在星座图中的坐标，具有实数形式，T表示转置。

将四维信号映射模块12的输出信号输入四维信号映射重组模块13，四维信号映射重组模块13将四维列向量组成两个具有复数形式的信号，四维列向量经四维信号映射重组模块后的输出信号表示为S＝(x+jy,z+jk)^T，所述四维信号的第一维x和第三维z为两个复数形式信号的实数部分，所述四维信号的第二维y和第四维k为两个复数形式信号的虚数部分，二进制序列通过映射模块1处理后输入发送处理模块2进行发送。

(2)将步骤(1)发送的信号经过信道3输入接收处理模块4，接收处理模块4将接收的信号处理后输入解映射模块5。

发送处理模块2包括一第二并串转换模块21，输入发送处理模块2的四维信号经第二并串转换模块21处理后进行传输，四维信号经第二并串转换模块21转换为依次发送的两个复数信号，以每个复数信号的实部和虚部作为调制系数乘以相应的正交基函数得到基带信号，所述基带信号表示为：

s(t)＝xφ_x(t)+yφ_y(t)

式中：φ_x(t)和φ_y(t)分别表示同相基函数和正交基函数，x具有实数形式，y具有虚数形式，x表示每个复数信号的实部，y表示每个复数信号的虚部。

再经频率为f的载波进行上变频处理即可发送至信道3；

经信道3的信号被接收处理模块4接收，并在接收处理模块4中经下变频和低通滤波器40处理后，得到原基带信号，所述基带信号再通过相乘器(图中未示出)和积分器(图中未示出)进行相干解调，每两个复数信号经过第二串并转换模块41处理后输入解映射模块5。

解映射模块5包括四维信号映射解重组模块51、四维信号解映射模块52和并串转换模块53，接收处理模块4将接收的四维信号输入四维信号映射解重组模块51，四维信号映射解重组模块51将两个复数信号的实数部分分别作为解调四维向量的第一维和第三维，两个复数信号的虚数部分分别作为解调四维向量的第二维和第四维，从而得到解调后的四维列向量S’＝(x’,y’,z’,k’)^T；再将解调后的四维列向量输入四维信号解映射模块52，利用最大似然方法，通过比较距离，查找与四维星座图中最近的信号点作为解调信号，得到该四维信号点对应的索引信号，并输入并串转换模块53，并串转换模块53将索引信号恢复为原始的二进制序列。

实施例3

请参考图1和图4，本发明的实施例提供了一种基于四维信号星座图映射与解映射的数字通信方法，包括以下步骤：

(1)将来自信源的二进制序列通过映射模块1处理得到四维信号。

映射模块1包括串并转换模块11、四维信号映射模块12和四维信号映射重组模块13，所述二进制序列输入串并转换模块11，经串并转换模块11转换后，每b＝log₂M比特分为一组作为四维星座图中对应信号点的索引信号，M表示四维信号星座图的尺寸；将索引信号输入四维信号映射模块12进行处理，每个索引信号与四维星座图中的信号点一一对应，四维信号映射模块12的输出信号可以用一个四维列向量S＝(x,y,z,k)^T来表示，x、y、z、k表示信号点在星座图中的坐标，具有实数形式，T表示转置。

将四维信号映射模块12的输出信号输入四维信号映射重组模块13，四维信号映射重组模块13将四维列向量组成两个具有复数形式的信号，四维列向量经四维信号映射重组模块后的输出信号表示为S＝(x+jy,z+jk)^T，所述四维信号的第一维x和第三维z为两个复数形式信号的实数部分，所述四维信号的第二维y和第四维k为两个复数形式信号的虚数部分，二进制序列通过映射模块1处理后输入发送处理模块2进行发送。

(2)将步骤(1)发送的信号经过信道3输入接收处理模块4，接收处理模块4将接收的信号处理后输入解映射模块5。

发送处理模块2包括二维反傅里叶变换模块22和第三并串转换模块23，输入发送处理模块2的信号经过二维反傅里叶变换模块22进行调制，把频域的信号调制到时域，所述输入发送处理模块2的信号为每N个四维信号组成一个频域四维正交频分复用信号，N表示四维正交频分复用信号的子载波数，再经过第三并串转换模块23处理后送入信道3传输至接收处理模块4，所述频域四维正交频分复用信号表示为：

式中：每一列表示一个四维信号，每个子载波包含两个复数信号。

接收处理模块4包括第三串并转换模块42和二维傅里叶变换模块43，第三串并转换模块42接收信号并转换为原时域四维正交频分复用信号，再经二维傅里叶变换模块43处理，即得到原始的频域四维正交频分复用信号。

解映射模块5包括四维信号映射解重组模块51、四维信号解映射模块52和并串转换模块53，接收处理模块4将接收的四维信号输入四维信号映射解重组模块51，四维信号映射解重组模块51将每列两个复数信号的实数部分分别作为解调四维向量的第一维和第三维，每列两个复数信号的虚数部分分别作为解调四维向量的第二维和第四维，从而得到解调后的四维列向量S’＝(x’,y’,z’,k’)^T；再将解调后的四维列向量输入四维信号解映射模块52，利用最大似然方法，通过比较距离，查找与四维星座图中最近的信号点作为解调信号，得到该四维信号点对应的索引信号，并输入并串转换模块53，并串转换模块53将索引信号恢复为原始的二进制序列。

本发明对数字通信系统差错性能的改善程度，通过系统仿真说明。不失一般性，假设上述实施例均采用加性高斯白噪声(AWGN)信道模型，在不考虑传输带宽的情况下，上述实施例中的系统性能相同。四维信号的映射与解映射过程采用上述的八进制四维信号星座图。仿真结果如图5所示，从图5中可以看出，通过本发明，系统的符号错误率在10^-6时较相应的三维信号映射系统可以改善1.8dB左右，这里用于比较的三维信号星座图为八进制正六面体结构星座图。同时，不难验证，通过本发明，系统性能较相应的二维信号映射的通信系统将有更大性能增益。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。