连续相位调制的空时分组编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线通信领域将连续相位调制技术与空时分组码技术紧密结合 并进行综合优化的连续相位调制编码方法及其编码器设备。
【背景技术】
[0002] 连续相位调制（CPM)是一类恒包络且相位连续变化的非线性调制方式。与以相移 键控（PSK)为代表的线性调制方式相比，CPM信号由于在相邻符号之间相位变化是连续的， 具有较小的频谱旁瓣，从而有较高的带宽利用率；同时，由于包络恒定，CPM信号对功放的 非线性特性不敏感，从而具有较高的功率效率，是各种新型移动通信、无线电台的主要调制 模式之一。其优越的性能使其特别适用于移动通信、卫星通信和深空通信当中。比如，在全 球移动通信系统（GSM)的标准中就使用了 CPM的一种典型--高斯最小偏移键控（GMSK)。 但是，在无线传输中，CPM信号和线性调制信号一样，也容易受到信道多径衰落的影响，从而 使性能恶化。
[0003] 为了减弱无线信道多径衰落的影响，研究人员提出了空时编码（STC)技术，其基 本思想是：在不同时刻、不同天线上发射同一数据的多个副本，且这些副本满足某种特性。 此特性使得即使在仅有一个接收天线的情形下，STC也能获得显著的空间分集增益，从而极 大改善无线通信系统在衰落信道中的性能。与其他分集方式（如时间分集、频率分集等） 相比，STC的一个显著优点是：能充分利用空间资源实现分集增益，而不浪费时频资源。此 优点在目前无线频谱资源日益紧张的情形下对系统设计而言无疑具有极强的吸引力。
[0004] 最初，Tarokh等提出了 STC的第一个子类--空时格码（STTC，（Tarokh论 文 Space-time codes for high data rate wireless communications:performance analysis and code construction，发表于 IEEE Transaction on Information 的第 44 卷 (1998)第2期的第744 - 765页）。它能实现满空间分集增益和一定的编码增益，但由于其 译码复杂度过高，在实际系统中很难应用。
[0005] 空时分组码（STBC)是STC的另一个重要子类。首先，Alamouti针对两个发射天线， 提出了简单的发射分集方法--Alamouti码（参见Alamouti所著论文A simple transmit diversity technique for wireless communications，发表于 IEEE Journal on Selected Areas in Communications 的第 16 卷（1998)第 8 期的第 1451 - 1458 页）。随后，Tarokh 等将其推广，提出了针对更多发射天线数的STBC(参见Tarokh等所著论文Space-time block codes from orthogonal design，发表于 IEEE Transaction on Information 的第 45 卷（1999)第5期的第1456 - 1467页）。后来人们将两发射天线的Alamouti码和Tarokh 提出的多发射天线STBC统称为STBC。与STTC相比，STBC的发射信号具有符号级空时正交 特性，使得接收机可用简单的线性合并方式实现最大似然译码的性能。因此，在各种STC技 术中，STBC凭借其编译码简单、空间分集增益高的优点具有很强的竞争力，已在第三代移动 通信系统（3G)、长期演进系统（LTE)等通信系统得到广泛应用。
[0006] 因此，为了改善CPM信号的抗多径衰落性能，可以设想将CPM和STBC二者结合，以 综合实现两种技术的优点。然而，经典STBC是针对线性调制设计，若将它的符号级正交特 性直接应用于CPM，会严重破坏信号的连续相位特性。另一方面，已有一些方法针对一般的 STC(非STBC)和CPM结合设计，但它们的接收机往往需要采用叠加了空间维度的多维序列 检测算法，计算复杂度近似为单发单收CPM系统计算复杂度的V次方（V为发射天线数）。 总之，目前还缺乏既保证编码后的信号保持连续相位特性，又使得接收机能取得计算复杂 度和译码性能良好折衷的行之有效的CPM-STBC编码方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种编码简单，且接收计算 复杂度较低的基于连续相位调制的空时分组码（CPM-STBC)编码方法及设备。
[0008] 本发明的目的通过如下措施达到。一种连续相位调制的空时分组码编码方法，其 特征在于包括如下步骤：在CPM-STBC编码器中，将输入串并转换器（101)的NU个待编码符 号，先通过串并转换器101分成并行的U路符号流，每一路符号流包含N个符号，用向量分 别表示为％ (i = 1，2,…，U);再将U路符号流分别输入CPM调制器（102)进行连续相位调 制，把输出的U路并行的信号分别记SCl(t) (i = 1，2, "·，υ);然后将Cl(t) (i = 1，2, "·，υ) 输入基于相位补偿的子块级STBC编码器（103)，根据经典的符号级STBC编码映射规则对 CPM信号进行子块级编码，并在每一路信号的每连续两个数据子块之间插入一个相位补偿 子块，输出V路并行的信号分别记SX](t)(j = 1，2,…，V);最后，通过数模变换器DAC将X](t)(j = 1，2，···，ν)作数模变换处理后，通过V个天线分别发射。
[0009] 本发明相比现有技术，具有如下有益效果：
[0010] 本发明充分挖掘STBC和CPM的特性，并克服已有方法的不足，在保证编码后的信 号具有连续相位特性的前提下，使得接收机能以较低的计算复杂度获得经典STBC的满分 集增益。
[0011] 本发明最大的创新之处在于：在继承经典的符号级STBC编码映射规则基础上，提 出子块级STBC编码映射规则；根据子块级STBC编码映射规则对CPM信号进行子块级编 码，并在每一路信号的每连续两个数据子块之间插入一个相位补偿子块。这样，CPM-STBC 编码器的输出信号具有两大特点：一是相位补偿子块能保证同一发射天线的信号具有连续 相位特性，从而保持CPM信号的良好特性；二是STBC编码映射规则保证不同发射天线之间 的信号具有子块级正交性，这种正交性使得接收机能以简单的线性合并方法处理接收到的 CPM信号，并获得与经典的符号级STBC相似的满分集增益（单接收天线时的分集度为V)， 从而减轻无线信道衰落的影响。
[0012] 因此，与现有技术相比，本发明提出的CPM-STBC编码器具有编码简单，对应接收 机能以较低计算复杂度（近似为单发单收CPM接收计算复杂度的U倍）获得满分集增益和 优异译码性能的优点，非常适于移动通信、卫星通信等无线通信系统。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明提出的CPM-STBC编码器原理示意图。
[0014] 图2是CPM-STBC编码器中基于相位补偿的子块级STBC编码器原理的一个实施例 示意图。
[0015] 图3是2发1收分组码CPM-STBC和1发1收CPM的误码率仿真性能比较曲线示 意图。
[0016] 图中：101串并转换器、102CPM调制器，103基于相位补偿的子块级STBC编码器， 201初相提取模块，202相位补偿子块初相计算模块，203相位补偿子块符号序列生成模块， 204相位补偿子块波形生成模块，205STBC编码块整体波形生成模块。
【具体实施方式】
[0017] 下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0018] 参阅图1。在以下描述的实施例中，连续相位调制的空时分组码编码设备的 CPM-STBC编码器，包括：串并转换器101、U个CPM调制器102和基于相位补偿的子块级 STBC编码器103,其中：U个CPM调制器102并联在串并转换器101和基于相位补偿的子块 级STBC编码器103之间，基于相位补偿的子块级STBC编码器103通过V个数模变换器DAC 串联V个发射天线。输入CPM-STBC编码器的NU个待编码符号先通过串并转换器101分成 并行的U路符号，每一路包含N个符号，用向量分别表示为ai(i = 1，2,…，U);再将这U路 符号分别输入CPM调制器（102)进行常规的连续相位调制，输出U路并行的信号，分别记 为Cl (t) (i = 1，2,…，U);然后将Cl (t) (i = 1，2,…，U)输入基于相位补偿的子块级STBC 编码器103进行编码，输出V路并行的信号，分别记为X] (t) (j = 1，2,…，V)，且X] (t) (j = 1，2,…，V)均由W个数据子块和W-l个相位补偿子块组成；最后，将Xj (t) (j = 1，2,…，V) 作数模变换等其他必要的处理，通过V个天线分别发射。
[0019] 实施例1。设发射天线数V为2,采用Alamouti码为基础进行STBC编码。Alamouti 码根据编码矩阵S定义编码映射规则
[0021] 式中，81和s2为待编码的线性调制符号，为复数的共辄，其中，编码矩阵S满足符 号级正交性SHS = I，I为单位矩阵，H为矩阵的共辄转置，且有U = V = W = 2，V为CPM-STBC 编码器输出的并行信号路数，亦即发射天线个数，W为CPM-STBC编码器输出的每路信号的 数据子块个数。根据式（1)定义的编码映射规则含义是：发射天线1和发射天线2在时隙 1分别发送4和s 2，在时隙2分别发送和 <。可以验证，编码矩阵S满足符号级正交性， 即SHS = I，I为单位矩阵，（.）H为矩阵的共辄转置。
[0022] 此时，CPM-STBC编码器整个处理流程包括以下步骤。
[0023] 首先，将2N个符号输入串并转换器（101)，生成两个符号流，用向量分别表示为
[0025] 式中，
为取自符号集
中独立同分布的Μ元数据符号，每符号承载的比特数为log2M。
[0026] 然后，将aJP a 2输入CPM调制器（102)，输出得到相应的两路CPM波形
[0028] 上式中，&和T s分别表示每符号能量和每符号持续时间；h和q(t)分别表示所采 用CPM格式的调制阶数和相位脉冲函数；和卿2分别表示第一路CPM波形和第二路CPM 波形的初相。函数q(t)包括但不限于以下两种形式：
[0029] 方波函数积分：
[0030] 升余弦函数积分
[0031] 式⑷和式（5)中的L表示响应阶数：当L = 1时，为全响应调制；当L>1时，为部 分响应调制。
[0032] 最后，将Cl(t)和〇2(〇输入基于相位补偿的子块级STBC编码器（103)进行编码， 输出两路并行的编码波形Xl(t)和知(〇。基于相位补偿的子块级STBC编码器（103)是本 发明的关键所在。在图2所示实施例中，基于相位补偿的子块级STBC编码器（103)可进一 步细分为初相提取模块201、相位补偿子块初相计算模块202、相位补偿子块符号序列生成 模块203、相位补偿子块波形生成模块204、STBC编码块整体波形生成模块205五个模块，其 中，每个模块采用两路依次级联输入后端模块，初相提取模块（201)的两路输入信号^(〇 和c2 (t)通过STBC编码块整体波形生成模块205输出STBC编码块整体CPM波形