一种重叠二次相位耦合的频差UNB通信传输方法与流程
本发明属于数字信息传输技术领域，具体涉及一种重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方法。
背景技术
在5g物联网通信技术快速发展的时代，大规模物联网移动终端设备的部署，不仅使得新一代通信技术不断朝着高时延性、高可靠性、低延时性，网络通信信息交互的智能化、多元化、综合化发展；而且也使得信息交互所需空间、物资成本的急剧上升。从数字通信领域的角度来看，信息传输的发射端信号调制技术是解约频谱资源的有效关键技术之一。在面临有限的频谱匮乏现状阶段，科技学者们已逐步从超宽带(ultra-wideband，uwb)调制技术的研究领域转向了超窄带(ultra-narrowband，unb)调制技术的研究。现阶段对unb调制技术的研究，主要有美国工程师h.r.walker研究团队和我国东南大学吴乐南教授及其学生两大团队。他们研究的主要思路是对二元数字调制信号比特“0”和比特“1”对应的载波波形不同，通过对载波波形尽可能的类正弦形式的修正与改进，进一步压缩信号频谱宽度，提升频谱效率。然而这种仅考虑用一个载频及其周围一定频带范围内的频谱表示信号的所有调制信息方式，损失了相当一部分有效信息，也必然降低了信号检测的精度。本文以及其具有代表性的“高频带利用率的信息调制和解调方法”专利(申请号：03152978.x)为参考对比。
在考虑将信号的相位信息同传统大多数调制方式以频率作为信号调制解调的主要变量条件。但是，我们在已有的技术方案中并没有考虑到以更多单频点信息表示一个单频信号的形式。可以说单频信号无法携带调制信息；双频则恰好用于区分二元信息；用三个单频的不同频差区分调制信息，可以克服一定的错误频偏性；那么再进一步考虑，用更多单频点及其频差区分数字调制信号，将会更有效的提升unb通信传输性能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方法，用于实现unb通信中容纳多用户数、各用户间抗干扰能力更强的频差通信模式，基于重叠二次相位耦合多频unb通信技术，提出了一种多频点组合形式下抗干扰、频偏性能更好的无二义性的信号组合传输系统，并将所设计的传输信号称为重叠二次相位耦合频率差分信号(doublequadratic-phasecoupling-basedfrequency-differentialsignal，dqpc-fd)。
本发明通过如下的技术方案予以实现：
一种重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方法，包括以下步骤：
1)dqpc-fd信号发射端模块：在unb通信网络中，使用重叠二次相位耦合实现不同频差区分数字逻辑信息的调制信号编码形式，为每个用户分配包含有更多载频相关性的有效调制，且不同频差的频率组合；
2)dqpc-fd信号接收端模块：在unb通信网络信号接收端，将4点的单频组合分为两组满足二次相位耦合的组合形式，进一步采用多用户检测方式进行系统用户抗干扰性能的分析。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，对多用户发射端信号模型的组合设计，每比特单频信号选取k＝4个单频表示，具体如下：
设码元间隔为t的多频二元数字信号，bit0、bit1分别对应不同的单频信号组合：
同时假设bit1、bit0对应传输信号的频率满足频率耦合特性，即如式(2)所示：
则逻辑符号“0”、“1”对应的信号波形表达式分别对应式(3)中的s0(t)和s1(t)：
式中，信号持续期为[0,t)；ai，k，i＝{0,1}表示bit0、bit1对应的第k个单频信号的幅值；fi,k为比特i，i＝{0,1}对应调制信号的第k单频频率值，其所在的等效基带信号通带范围满足条件：
对发送的二元数字信号进行采样处理，设采样频率为fshz，则采样周期为ts＝1/fs，则上述连续周期的离散采样信号表述为式(4)：
式中，l表示对连续信号的第l,l＝0,1,...t/ts个采样；
经过信号选择器，设{an}表示bit0、bit1对应的二进制等概率逻辑符号序列，那么一个二次相位耦合的多频点组合调制信号表示如式(5)：
即，当an＝1信号选择器选择bit1对应的时域信号波形；反之，选择bit0对应的时域信号波形，离散时间序列下的形式如式(6)：
本发明进一步的改进在于，步骤1)中重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方案的设计步骤如下，其中针对每一用户的一比特信号而言，每比特单频信号选取k＝4个单频点组合：
101)给定单频信号总数nf，确定频差组合
频率编号对应{1,2,3,...,nf}，从中找出频率组合编号满足fi,1＜fi,2＜fi,3＜fi,4的四个单频信号编码组成一个单频信号组合，记为fi＝{fi,1,fi,2,fi,3,fi,4}，其中，fi,3＝fi,1+fi,2，fi,4＝fi,2+fi,3＝2fi,2+fi,1；且该单频信号组合所对应的频差组合为{δfi,1,δfi,2,δfi,3}，其中，δfi,1＝fi,2-fi,1，δfi,2＝fi,3-fi,2＝fi,1，δfi,3＝fi,4-fi,3＝fi,2；
102)选取初始频率组合f1＝{f1,1,f1,2,f1,3,f1,4}＝{98,1,99,100}，并将其列入已选中的单频信号所组成的集合为：
103)记未选中的单频信号所组成的集合为：
f＝{f1,f2,...,fu,...,fu},u＜nf(8)
从中选取最小频点编号fu＜nf/2∈f，记为fu＝fi,2；进一步选取频点编号fj＝fi,1，且使得fj满足nf/2＜fj＜nf∈f，1≤u≤j≤m-2，存在满足频率组合fk＝{fj,fu,fu+fj,2fu+fj}中的四个频点均属于集合f中的元素，且
104)令
105)重复步骤102)至104)，直到
此时，所有选出的可用单频信号组合，构成了满足重叠二次相位耦合特征、频差唯一性条件的频率差分组合。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，对dqpc-fd信号接收系统中，按预先设定好的频点对应波形分别对应不同用户，为降低多用户信号间的相关性，同非重叠相位耦合的多用户频差unb通信传输方法qpc-fd信号对比，采用gold序列构造各用户对应的特征波形；各用户传输信号幅值am，m＝1,2,...,m，设用户信号调制波形的互相关系数为|ρxy|＝1/15，x≠y，x,y＝1,2,...,m，相关矩阵记为r，如下所示；
对用户m采用mmse检测器进行线性检测，将dqpc-fd信号与非重叠相位耦合的三单频二次相位耦合多用户频差unb通信信号qpc-fd及vwdk调制技术进行线性形式检测下的mmse传输误码性能的比较分析；其中，mmse检测器信号输出表达式为：
其中，σ2为高斯白噪声的功率。
本发明进一步的改进在于，非重叠相位耦合的三单频二次相位耦合多用户频差unb通信信号qpc-fd，每一比特信号对应单频信号选取k＝3个单频点，对qpc-fd信号的频差组合筛选步骤为：
401)给定单频信号总数nf，确定频差组合；
频率编号对应{1,2,3,...,nf}，从中找出频率组合编号满足fi,1＜fi,2＜fi,3的三个单频信号组成一个单频信号组合，记为{fi,1,fi,2,fi,3}，且该单频信号组合所对应的频差组为{δfi,1,δfi,2}，其中，δfi,1＝fi,2-fi,1，δfi,2＝fi,3-fi,2；所有可能存在的频差组构成集合δf有：
δf＝{{δf1,1,δf1,2},{δf1,1,δf1,2},...,{δfu,1,δfu,2},...,{δfn,1,δfn,2}}(11)
其中，
402)从上述频差组合集δf中选出对应满足二次相位耦合的频率组合fi,1+fi,2＝fi,3的频差对；
从频差组集合δf中取δv＝{δfv,1,δfv,2},1≤v≤n；从未选中单频信号集合f＝{f1,f2,...,fu,...,fu}中选任一单频点fu∈f，构造单频信号组合fu＝{fu,fu+δfv,1,fu+δfv,1+δfv,2}，即满足fi,1+fi,2＝fi,3的频率耦合特性；若fu所包含的三个单频信号均属于集合f，且满足二次相位耦合频率耦合特性，即：
fu+(fu+δfj，1)＝fu+δfv，1+δfv，2(12)
则将fu加入备选集合fcandidate；
403)从频差相同的多个有效单频组合中，随机选出其中一个组合；
设已选中的单频信号所组成的集合为
且
404)令δf＝δf-{δv}，
405)重复步骤402)至404)，直到
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提出的一种重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方法，该方法通过通信系统发射端对多个用户的数字信息对应的不同频差组合分配方案的设计，结合重叠频率和重叠相位的二次耦合技术特征，给出多频通信系统发射信号满足频率耦合特性的条件下，以相位耦合为约束条件，所得到以相位重叠耦合为二元数字调制系统检测性能明显优于数字信号全耦合情形下的误码率结论。进一步，通过对用户之间接收信号干扰性能的消除分析，对该信号设计进行的线性检测(mmse检测)。相比无重叠的二次相位耦合特性信号qpc-fd信号和vwdk调制信号，存在明显的低误码特性优势。
附图说明
图1为重叠二次相位耦合频率差分系统发射端框图。
图2为dqpc-fd信号在不同的相关耦合关系下，六用户数的mmse检测曲线图。
图3为可区分重叠二次耦合相位条件下，dqpc-fd与qpc-fd、vwdk在相同传输速率(rate＝1kbps)下的误码性能比较图。
图4为dqpc-fd信号在可区分重叠二次耦合相位条件下，传输速率为fs＝2mhz时的不同系统用户数的信号传输检测曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种重叠二次相位耦合的频差unb通信传输方法，目的实现unb通信中容纳多用户数、各用户间抗干扰能力更强的频差通信模式，基于重叠二次相位耦合多频unb通信技术，将所设计的传输信号称为重叠二次相位耦合频率差分信号(doublequadratic-phasecoupling-basedfrequency-differentialsignal，dqpc-fd)。该方法包括以下步骤：
1)dqpc-fd信号发射端模块：在unb通信网络中，使用重叠二次相位耦合实现不同频差区分数字逻辑信息的调制信号编码形式，为每个用户分配包含有更多载频相关性的有效调制，且不同频差的频率组合；
其中，对多用户发射端信号模型的组合设计，具体如下(每比特单频信号选取k＝4个单频表示)：
设码元间隔为t的多频二元数字信号，bit0、bit1分别对应不同的单频信号组合：
同时假设bit1、bit0对应传输信号的频率满足频率耦合特性，即如式(2)所示：
则逻辑符号“0”、“1”对应的信号波形表达式分别对应式(3)中的s0(t)和s1(t)：
式中，信号持续期为[0,t)；ai，k，i＝{0,1}表示bit0、bit1对应的第k个单频信号的幅值；fi,k为比特i，i＝{0,1}对应调制信号的第k单频频率值，其所在的等效基带信号通带范围满足条件：
对发送的二元数字信号进行采样处理，设采样频率为fshz，则采样周期为ts＝1/fs，则上述连续周期的离散采样信号表述为式(4)：
式中，l表示对连续信号的第l,l＝0,1,...t/ts个采样；
经过信号选择器，设{an}表示bit0、bit1对应的二进制等概逻辑符号序列，那么一个二次相位耦合的多频点组合调制信号表示如式(5)：
即，当an＝1信号选择器选择bit1对应的时域信号波形；反之，选择bit0对应的时域信号波形，离散时间序列下的形式如式(6)：
其中针对每一用户的一比特信号而言，每比特单频信号选取k＝4个单频点组合：
101)给定单频信号总数nf，确定频差组合
频率编号对应{1,2,3,...,nf}，从中找出频率组合编号满足fi,1＜fi,2＜fi,3＜fi,4的四个单频信号编码组成一个单频信号组合，记为fi＝{fi,1,fi,2,fi,3,fi,4}，其中，fi,3＝fi,1+fi,2，fi,4＝fi,2+fi,3＝2fi,2+fi,1；且该单频信号组合所对应的频差组合为{δfi,1,δfi,2,δfi,3}，其中，δfi,1＝fi,2-fi,1，δfi,2＝fi,3-fi,2＝fi,1，δfi,3＝fi,4-fi,3＝fi,2；
102)选取初始频率组合f1＝{f1,1,f1,2,f1,3,f1,4}＝{98,1,99,100}，并将其列入已选中的单频信号所组成的集合为：
103)记未选中的单频信号所组成的集合为：
f＝{f1,f2,...,fu,...,fu},u＜nf(8)
从中选取最小频点编号fu＜nf/2∈f，记为fu＝fi,2；进一步选取频点编号fj＝fi,1，且使得fj满足nf/2＜fj＜nf∈f，1≤u≤j≤m-2，存在满足频率组合fu＝{fj,fu,fu+fj,2fu+fj}中的四个频点均属于集合f中的元素，且
104)令
105)重复步骤102)至104)，直到
此时，所有选出的可用单频信号组合，构成了满足重叠二次相位耦合特征、频差唯一性条件的频率差分组合。
2)dqpc-fd信号接收端模块：在unb通信网络信号接收端，将4点的单频组合分为两组满足二次相位耦合的组合形式，进一步采用多用户检测方式进行系统用户抗干扰性能的分析。
对dqpc-fd信号接收系统中，按预先设定好的频点对应波形分别对应不同用户，为降低多用户信号间的相关性，采用gold序列构造各用户对应的特征波形；各用户传输信号幅值am，m＝1,2,...,m，设用户信号调制波形的互相关系数为|ρxy|＝1/15，x≠y，x,y＝1,2,...,m，相关矩阵记为r，如下所示；
对用户m采用mmse检测器进行线性检测，将dqpc-fd信号与非重叠形式的三单频二次相位耦合多用户频差unb通信信号qpc-fd及vwdk调制技术进行线性形式检测下的mmse传输误码性能的比较分析。其中，mmse检测器信号输出表达式为：
其中，σ2为高斯白噪声的功率。
3)qpc-fd信号作为对比方案：非重叠三单频unb频差组合qpc-fd信号发射端模块：如步骤1)，qpc-fd信号的设计模式为，每一比特信号对应单频信号选取k＝3个单频点。具体信号频率的组合方法为：
301)给定单频信号总数nf，确定频差组合；
频率编号对应{1,2,3,...,nf}，从中找出频率组合编号满足fi,1＜fi,2＜fi,3的三个单频信号组成一个单频信号组合，记为{fi,1,fi,2,fi,3}，且该单频信号组合所对应的频差组为{δfi,1,δfi,2}，其中，δfi,1＝fi,2-fi,1，δfi,2＝fi,3-fi,2；所有可能存在的频差组构成集合δf有：
δf＝{{δf1,1,δf1,2},{δf1,1,δf1,2},...,{δfu,1,δfu,2},...,{δfn,1,δfn,2}}(11)
其中，
302)从上述频差组合集δf中选出对应满足二次相位耦合的频率组合fi,1+fi,2＝fi,3的频差对；
从频差组集合δf中取δv＝{δfv,1,δfv,2},1≤v≤n；从未选中单频信号集合f＝{f1,f2,...,fu,...,fu}中选任一单频点fu∈f，构造单频信号组合fu＝{fu,fu+δfv,1,fu+δfv,1+δfv,2}，即满足fi,1+fi,2＝fi,3的频率耦合特性；若fu所包含的三个单频信号均属于集合f，且满足二次相位耦合频率耦合特性，即：
fu+(fu+δfj，1)＝fu+δfv，1+δfv，2(12)
则将fu加入备选集合fcandidate；
303)从频差相同的多个有效单频组合中，随机选出其中一个组合；
设已选中的单频信号所组成的集合为
且
304)令δf＝δf-{δv}，
305)重复步骤302)至304)，直到
qpc-fd信号接收端检测方式同步骤3)dqpc-fd信号接收端检测方式。
实施例
表1系统方案实施参数表
系统中存在nf＝100个单频信号时，考虑重叠二次相位耦合中的频率耦合特征后，可以找到12组满足频率耦合条件的单频信号组合，即最多可以分配给通信系统中6个用户。不同考虑情形下频率编码组合结果如表2所示：
表2重叠二次相位耦合信号dqpc-fd频率编码组合
在单边带信道带宽为bw＝500khz的通信系统中，各频点间隔设为δf＝10khz，则个编码对应的实际频率值factual满足关系：
式(15)中参数取值：nf＝100；no.＝{1,2,...,100}为频率编码，转换为系统传输的实际频率值后，取值如表3所示。
表3重叠二次相位耦合信号dqpc-fd实际频率组合
在本发明方案中，我们对发射端信号耦合条件设定其满足重叠二次相位耦合，相位取值关系如表4所示。
表4dqpc-fd信号的相位关系表
其中，固定相位情况中，case1(a)中信号相位取值为零，可以说仅满足频率重叠耦合或称其满足重叠二次耦合；case1(b)满足重叠二次相位耦合。随机相位情况中，case2(a)中bit0相位均匀分布在[0,2π]内，bit1相位
图2为dqpc-fd信号对应不同的相位取值关系表(表4)，在采样频率为fs＝2mhz，系统用户数为6用户时的mmse检测误码性能比较图。观察可见，当信号的设计传输条件满足表4中case1(a)、case1(b)和case2(b)时的信号检测误码性能相差不大；但当二元调制信号传输模式满足case2(a)，即bit1分支信号满足重叠二次相位耦合，bit0分支信号值满足频率的重叠二次耦合时，qpc-fd信号较另外三种情形的信号可区分性具有更低的检测误码率。
针对qpc-fd信号，将其作为dqpc-fd的对比方案之一，我们给出其相应的频率编码组合，如表5所示。
表5二次相位耦合信号qpc-fd频率编码组合
在单边带信道带宽为bw＝500khz的通信系统中，各频点间隔设为δf＝10khz，则个编码对应的实际频率值满足式(16)关系：
factual＝δf*(no.-nf)+bw(16)
其中，no.＝{1,2,...,100}为频率编码。
调整实际信号关系，使得调整后的频率组合表示形式为：fi'＝{fi,1,fi,'2,fi,2},fi,'2＝fi,1+fi,2，与信号相位关系满足式
图3为qpc-fd信号在图2比较的基础之上得到的关于信号相位满足case2(a)情形下，dqpc-fd信号与qpc-fd信号以及单用户vwdk调制(调制指数α＝0.1)信号在相同的传输速率(rate＝1kbps)下的误码性能比较图。其中，qpc-fd信号相位的取值为：bit0对应信号波形的相位均匀分布在[0,2π]内，bit1对应信号波形的相位均匀分布在[0,2π]内，满足二次相位耦合特征
图4为dqpc-fd信号在可区分重叠二次耦合相位条件下，传输速率为fs＝2mhz时，不同系统用户数的信号传输检测曲线图。观察可见，针对以相位满足重叠二次相位耦合特征的频率差分unb传输系统，对不同用户数下的检测性能影响接近，即表明该方式重叠二次相位耦合传输方法可以在相同的传输环境下容纳更多的用户数，节约了通信传输资源成本。
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