基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方法，属于无线通信技术领域。本发明在发送端通过将相位调制后的第二路信号作乘以?j处理，再与相位调制后的第一路信号进行相加构造复用信号，j为虚数单位；在接收端对接收信号分别取实部和虚部得到两路信号，再将两路信号做泰勒级数展开，进行联合解调，对解调后的信号依次进行快速傅里叶变换、共轭序列反变换和正交幅度调制(QAM)符号反映射，得到最终信号。本发明实现了两路信号的发送和接收，提高了频谱效率，使得系统频谱效率相比于传统CE?OFDM技术提高1倍，并且最大功率峰值与均值比(PAPR)为3dB。
【专利说明】
基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及一种应用于宽带无线通信的基于恒包络正交 频分复用系统的单天线双流数据收发方法。
【背景技术】
[0002] 在宽带无线通信系统中，信息通过被调制的电磁波在空间传输到达接收机。由于 复杂的通信环境使电磁波在空间传输时受到反射、漫射和散射等影响，会在接收机处产生 多路不同时延和信号强度的接收信号，使通信信道具有时变的频率选择性衰落特性。为了 有效消除宽带通信信道的频率选择性衰落，多载波调制技术将宽带信道分成多个子信道， 在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是 非平坦并具有频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的。正交频分复用((FDM)是多载 波调制技术的一种，其子载波间相互正交，具有很高的频谱利用率;并且可以利用离散傅里 叶反变换/离散傅里叶变换（IDFT/DFT)代替多载波调制和解调。但0FDM系统中发送数据的 离散傅里叶逆变换（IFFT)处理使合成信号有可能产生比较大的峰值功率，使得0FDM信号的 功率峰值与均值比（PAPR)大，导致射频放大器的功率效率较低，因此需要研究低PAPR的多 载波技术，如恒包络正交频分复用(CE-0FDM)技术。
[0003] CE-0FDM技术可以降低PAPR，其信号具有恒定的包络，有利于发射机采用非线性大 功率功放。目前这种调制方法可通过将发送信号构建成中心共辄对称数据后进行IDFT处 理，得到纯实数序列，用该序列进行相位调制得到恒包络发送信号。但是由于共辄对称步骤 的存在，CE-0FDM系统中传输N个复数符号，如正交幅度调制(QAM)，需要2N+2个子载波，因此 其频谱效率低于0FDM系统的50%，因此难以满足宽带通信的数据传输速率需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于CE-(FDM系统的单天线双流数据收发方法。该方法 在维持信号低峰均比的基础上，发送端通过移相叠加的方法利用2N+2个子载波传输2N个复 数数据符号，接收端通过泰勒级数展开的方法恢复出双流符号，使得频谱效率相比于单流 提高1倍，以解决宽带通信中数据传输速率需求问题。
[0005] 具体地，本发明提供了一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发 方法，在发送端和接收端的流程分别如下：
[0006] (1)发送端处理流程为:两路信号分别依次经过QAM符号映射、共辄序列构造、IFFT 和相位调制，相位调制后的第二路信号作乘以_j处理，j表示虚数符号，再与相位调制后的 第一路信号进行相加得到复用信号，将复用信号进行D/A转换后传输;D/A表示数字信号转 模拟信号；
[0007] (2)接收端处理流程为:将接收到的信号先经过A/D转换成数字信号，然后对数字 信号分别取实部和虚部得到两路信号，将两路信号做泰勒级数展开，进行联合解调，对解调 后的信号依次进行FFT、共辄序列反变换和QAM符号反映射，得到最终信号;A/D表示模拟信 号转数字信号;FFT表示快速傅里叶变换。
[0008] 本发明的优点与积极效果在于:本发明从现有多载波技术中存在的高PAPR问题出 发，提出一种基于恒包络正交频分复用调制方法的数据复用技术，通过在发射端构造发射 信号，提升了频谱效率，在接收端应用泰勒级数展开，进行联合解调，恢复出两路信号上承 载的信息，从而实现了两路信号的发送和接收，使得系统频谱效率相比于传统CE-0FDM技术 提高1倍，并且最大PAPR为3dB。本发明降低了 PAPR，提高了频谱效率，使得CE-0FDM技术在实 际场景中具有应用的可行性。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明的单天线双流CE-0FDM系统发送端的流程示意图；
[0010]图2是本发明的单天线双流CE-0FDM系统接收端的流程示意图；
[0011] 图3是本发明的单天线双流数据收发方法与单流CE-0FDM的误码率的对比图；
[0012] 图4是本发明的单天线双流数据收发方法与单流CE-0FDM的频谱效率对比图；
[0013] 图5是本发明的单天线双流数据收发方法的PAPR示意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0015] 结合图1和图2，说明单天线双流CE-0FDM系统发送端和接收端的流程。
[0016] (1)发送端流程说明如下。
[0017]如图1所示，两路信号分别依次经过QAM符号映射、共辄序列构造、IFFT和相位调制 后，相位调制后的第二路信号作乘以_j处理，j表示虚数符号，再与相位调制后的第一路信 号进行相加，得到的信号进行D/A(数字信号/模拟信号)转换后传输。
[0018] 标记QAM符号映射前为A处，共辄序列构造前为B处，IFFT后为C处，相位调制后为D 处，两路信号求和输出为E处。
[0019] 设双流信号在A处的形式分别为4及42,假设每路采用16QAM调制方式，则两路信 号经过QAM符号映射后在B处的形式为4及讀,1^ = 0,1，. . .，N-1，每路调制为N个QAM符号。
[0020] 每路符号按式（1)的方式构造共辄序列，其中GAV,,_2_,V是长度为心 fft_2_N的0序列， Nifft为IFFT的长度。在高频子载波上补零再IFFT后，相当于对时域序列做过采样，不影响频 谱效率及符号持续时间。因此由式（1)可以看出，每路信号在频域上占用2N+2个子载波发送 N个QAM符号，因此单路的频谱效率低于0FDM技术的50%。
[0021]
[0022] 分别对序列4 4
[0023] 为了简单起见，假设过采样倍数为1，则IFFT后C处的两路信号可由式(2)表示，此 处4及<为归一化的0FDM信号。
[0024] y Wl '' "
[0025] 经相位调制后D处的两路信号可由式（3)表示，其中A1，A2及h 1，h2分别为两路CE-0FDM信号的幅度及相位调制因子。
[0026]
[0027] 经相位调制后的两路信号，对其中一路信号乘以-j，然后和另一路信号相加，构成 最终的发射信号，通过这个操作实现频域上的复用，提升了频谱效率。
[0028] 本发明提出一种移相叠加的数据复用方法，以式(4)或式(5)的方式构造 E点处的 复用信号。
[0029]
[0030] 力.
[0031]可见发送信号为两路信号的移相叠加，在频域上占用2N+2个子载波，发送2N个QAM 符号，频谱效率相比于单路信号提高了 1倍，与0FDM的频谱效率基本相同。但是0FDM发送信 号的PAPR与占用的子载波数目N有关，理论上的最高PAPR为101 〇g1Q(N)dB，而本发明中发送 信号为两路CE-0FDM信号的叠加，每路信号的PAPR为OdB，则发送信号的PAPR最高为3dB，与 每路信号占用的子载波数目无关。
[0032] (2)接收流程说明如下。
[0033] 如图2所示，接收端将接收到的信号先经过A/D(数字信号/模拟信号)转换成数字 信号，然后对数字信号分别取实部和虚部得到两路信号，将两路信号做泰勒级数展开，进行 联合解调，对解调后的信号依次进行FFT(快速傅里叶变换）、共辄序列反变换和QAM符号反 映射，得到最终信号。
[0034] 标记A/D转换后为F处，取虚部和实部后为G处，解调后为Η处，共辄序列反变换后为 I处，QAM符号反映射后为J处。
[0035] 复用后的信号如果无法解调，那就没有意义。本发明通过对接收信号分别取实部 和虚部，然后依据泰勒级数展开，进行联合解调，就可以恢复出两路信号上承载的信息。
[0036] 以下以式(4)信号为例阐述接收流程，式(5)信号的流程与式(4)类似。假设发送信 号经历高斯白噪声(AWGN)信道，则F处的接收信号y n可由式(6)表示。
[0037]
[0038] 分别对接收信号取虚部和实部，在G处得到的两路信号乂、可由式(7)表示。
[0039]
[0042]
[0040] 其中，3(.)、M(.)分别表示取虚部和实部。[0041] 对式(6)中的两路信号做泰勒级数展开，可得式(8)及式(9)
[0043]
[0044] 由式(9)可见通过本发明的数据发送方法，接收信号的虚部允及实部.v"2中分别含 有及2;r/t 2￥的幂次项，以下分析幂次项对接收信号的影响以及解调方法。
[0045] 1、当加匕< 0 · 5，2油2 < 0 · 5时，除2疋/^及2減2€的一次幂项外的其余一次以上的 幂项都视作噪声，Η处解调后的两路信号<、d可通过式(10)获得。
[0046]
[0047] 2、当231^ < 0 · 5，0 · 5 < 2油2 < 0 · 7时，在求解时需考虑2瓦/??2的二次幂项，将2病€ 一次以上的幂项和2;^2<二次以上的幂项都视作噪声，两路信号如式(11)及式(12)所示：
[0048]
[0049]
[0050] 其中，njPn2分别表示对η取虚部和实部。将式（12)中< 解出后代入式（11)可解出 4。
[0051 ] 以此类推，解出0.5 < 23?1η<0.7，2油2<0.5时的< 及<，此时求解时需考虑2;r/^ 的二次幂项，将2:3??2-次以上的幂项和2;r/2^二次以上的幂项都视作噪声进行处理。
[0052] 3、当23? 2 0.5，2此2 2 0.5时，在求解时需考虑2龙/^及2兀/?2的二次及三次幂 项，将2砵必及2;τΚ的三次以上的幂项都视作噪声进行处理。两路信号如式（13)及式 (14)所示：
[0055] 解调过程如下：
[0053]
[0054]
[0056] (1)忽略式（13)中2以2彳的三次幂项，将2;^乂表示为2以乂方程，如式（15)。
[0057]
[0058] (2)将式（15)代入式（14)并忽略的四次幂项，可得式（16)并求出f的实数解。
[0059]
[0060] (3)将^再代入式(13)，即可得到<的实数解。
[0061 ] 最后，对4及<做FFT及共辄序列反变换，即可得到每个用户的N点QAM符号，对QAM 符号进行解调即可得到每个用户的比特信息。因此，通过本发明提出的双流数据收发方法， 可以系统的频谱效率提升1倍，并维持较低的PAPR。
[0062]若发送端构造如公式(5)所示的复用信号，接收端采用上述同样的原理进行处理， 对信号取虚部和实部，进行泰勒级数展开，再进行联合调制，调制机理相同，对得到的信号 4和 <做FFT、共辄序列反变换和QAM符号反映射。将本发明提供的单天线双流数据收发方法 与单流的CE-0FDM方法进行应用效果比较，如图3~图5所示。从图3可以看出，本发明方法比 单流的CE-ΟΠΜ方法的误码率要稍微高一些，但从图4可以看出，本发明方法比单流的CE-0FDM方法的频谱效率能够提高一倍。同时，从图5看出，本发明方法的PAPR小于3dB。
【主权项】
1. 一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方法，其特征在于，发送 端和接收端的流程分别如下： (1) 发送端处理流程为:两路信号分别依次经过QAM符号映射、共辄序列构造、IFFT和相 位调制，相位调制后的第二路信号作乘以-j处理，j表示虚数符号，再与相位调制后的第一 路信号进行相加得到复用信号，将复用信号进行D/A转换后传输;QAM表示正交幅度调制， IFFT表示离散傅里叶逆变换，D/A表示数字信号转模拟信号； (2) 接收端处理流程为:将接收到的信号先经过A/D转换成数字信号，然后对数字信号 分别取实部和虚部得到两路信号，将两路信号做泰勒级数展开，进行联合解调，对解调后的 信号依次进行FFT、共辄序列反变换和QAM符号反映射，得到最终信号;A/D表示模拟信号转 数字信号;FFT表示快速傅里叶变换。2. 根据权利要求1所述的一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方 法，其特征在于，所述的发送端，设两路信号均采用16QAM调制方式，每路调制为N个QAM符 号;在经过IFFT后得到的归一化的两路信号为^及€，则在相位调制后得到的两路信号 < 和 <表示如下：其中，A1,知及匕如分别为两路信号的幅度及相位调制因子，Nlfft为IFFT的长度； 所述的复用信号XrJI过下面其中一个公式来构造：3. 根据权利要求1或2所述的一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收 发方法，其特征在于，所述的接收端，设经过A/D转换后得到的信号^为： Yn - Xn+η，Π - O，I，· · ·，Nifft-I ; 其中，Xn为发送端构造的复用信号，Nlfft为IFFT的长度； 对yn分别取虚部和实部得到信号乂、乂： 信号纥中含有2%?的幂次项，信号％中含有的幂次项，hihs分别为发送端的两 路信号的相位调制因子，根据^Ih1和23*2的大小，分如下情况进行信号解调： (a)当23?1η<0.5，2Jih2<0.5时，解调时将2坤4和2以2<的一次以上的幂项都视为噪 声； (13)当2油1<0.5,0.5<2油2<0.7时，解调时将2疋/^一次已上的幂项和27^ 2<二次以 上的幂项都视作噪声； 当0.5 < 23?1η<0.7，2Jih2<0.5时，解调时将-次以上的幂项和k/vs,1.二次以上的 幂项都视作噪声； (c)当^h1 2 0.5，2地2 2 0.5时，解调时将2疋/认丨及2以2<三次以上的幂项都视作噪声。4. 根据权利要求3所述的一种基于恒包络正交频分复用系统的单天线双流数据收发方 法，其特征在于，所述的信号解调，以.x_" =4-= …1为例，具体如下：
【文档编号】H04L27/26GK105897642SQ201610133191
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】崔高峰, 王程, 王卫东, 张英海
【申请人】北京邮电大学