連續(xù)相位調(diào)制的空時分組編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線通信領(lǐng)域?qū)⑦B續(xù)相位調(diào)制技術(shù)與空時分組碼技術(shù)緊密結(jié)合 并進行綜合優(yōu)化的連續(xù)相位調(diào)制編碼方法及其編碼器設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)相位調(diào)制（CPM)是一類恒包絡(luò)且相位連續(xù)變化的非線性調(diào)制方式。與以相移 鍵控（PSK)為代表的線性調(diào)制方式相比，CPM信號由于在相鄰符號之間相位變化是連續(xù)的， 具有較小的頻譜旁瓣，從而有較高的帶寬利用率；同時，由于包絡(luò)恒定，CPM信號對功放的 非線性特性不敏感，從而具有較高的功率效率，是各種新型移動通信、無線電臺的主要調(diào)制 模式之一。其優(yōu)越的性能使其特別適用于移動通信、衛(wèi)星通信和深空通信當中。比如，在全 球移動通信系統(tǒng)（GSM)的標準中就使用了 CPM的一種典型--高斯最小偏移鍵控（GMSK)。 但是，在無線傳輸中，CPM信號和線性調(diào)制信號一樣，也容易受到信道多徑衰落的影響，從而 使性能惡化。
[0003] 為了減弱無線信道多徑衰落的影響，研究人員提出了空時編碼（STC)技術(shù)，其基 本思想是：在不同時刻、不同天線上發(fā)射同一數(shù)據(jù)的多個副本，且這些副本滿足某種特性。 此特性使得即使在僅有一個接收天線的情形下，STC也能獲得顯著的空間分集增益，從而極 大改善無線通信系統(tǒng)在衰落信道中的性能。與其他分集方式（如時間分集、頻率分集等） 相比，STC的一個顯著優(yōu)點是：能充分利用空間資源實現(xiàn)分集增益，而不浪費時頻資源。此 優(yōu)點在目前無線頻譜資源日益緊張的情形下對系統(tǒng)設(shè)計而言無疑具有極強的吸引力。
[0004] 最初，Tarokh等提出了 STC的第一個子類--空時格碼（STTC，（Tarokh論 文 Space-time codes for high data rate wireless communications:performance analysis and code construction，發(fā)表于 IEEE Transaction on Information 的第 44 卷 (1998)第2期的第744 - 765頁）。它能實現(xiàn)滿空間分集增益和一定的編碼增益，但由于其 譯碼復(fù)雜度過高，在實際系統(tǒng)中很難應(yīng)用。
[0005] 空時分組碼（STBC)是STC的另一個重要子類。首先，Alamouti針對兩個發(fā)射天線， 提出了簡單的發(fā)射分集方法--Alamouti碼（參見Alamouti所著論文A simple transmit diversity technique for wireless communications，發(fā)表于 IEEE Journal on Selected Areas in Communications 的第 16 卷（1998)第 8 期的第 1451 - 1458 頁）。隨后，Tarokh 等將其推廣，提出了針對更多發(fā)射天線數(shù)的STBC(參見Tarokh等所著論文Space-time block codes from orthogonal design，發(fā)表于 IEEE Transaction on Information 的第 45 卷（1999)第5期的第1456 - 1467頁）。后來人們將兩發(fā)射天線的Alamouti碼和Tarokh 提出的多發(fā)射天線STBC統(tǒng)稱為STBC。與STTC相比，STBC的發(fā)射信號具有符號級空時正交 特性，使得接收機可用簡單的線性合并方式實現(xiàn)最大似然譯碼的性能。因此，在各種STC技 術(shù)中，STBC憑借其編譯碼簡單、空間分集增益高的優(yōu)點具有很強的競爭力，已在第三代移動 通信系統(tǒng)（3G)、長期演進系統(tǒng)（LTE)等通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。
[0006] 因此，為了改善CPM信號的抗多徑衰落性能，可以設(shè)想將CPM和STBC二者結(jié)合，以 綜合實現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)點。然而，經(jīng)典STBC是針對線性調(diào)制設(shè)計，若將它的符號級正交特 性直接應(yīng)用于CPM，會嚴重破壞信號的連續(xù)相位特性。另一方面，已有一些方法針對一般的 STC(非STBC)和CPM結(jié)合設(shè)計，但它們的接收機往往需要采用疊加了空間維度的多維序列 檢測算法，計算復(fù)雜度近似為單發(fā)單收CPM系統(tǒng)計算復(fù)雜度的V次方（V為發(fā)射天線數(shù)）。 總之，目前還缺乏既保證編碼后的信號保持連續(xù)相位特性，又使得接收機能取得計算復(fù)雜 度和譯碼性能良好折衷的行之有效的CPM-STBC編碼方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種編碼簡單，且接收計算 復(fù)雜度較低的基于連續(xù)相位調(diào)制的空時分組碼（CPM-STBC)編碼方法及設(shè)備。
[0008] 本發(fā)明的目的通過如下措施達到。一種連續(xù)相位調(diào)制的空時分組碼編碼方法，其 特征在于包括如下步驟：在CPM-STBC編碼器中，將輸入串并轉(zhuǎn)換器（101)的NU個待編碼符 號，先通過串并轉(zhuǎn)換器101分成并行的U路符號流，每一路符號流包含N個符號，用向量分 別表示為％ (i = 1，2,…，U);再將U路符號流分別輸入CPM調(diào)制器（102)進行連續(xù)相位調(diào) 制，把輸出的U路并行的信號分別記SCl(t) (i = 1，2, "·，υ);然后將Cl(t) (i = 1，2, "·，υ) 輸入基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器（103)，根據(jù)經(jīng)典的符號級STBC編碼映射規(guī)則對 CPM信號進行子塊級編碼，并在每一路信號的每連續(xù)兩個數(shù)據(jù)子塊之間插入一個相位補償 子塊，輸出V路并行的信號分別記SX](t)(j = 1，2,…，V);最后，通過數(shù)模變換器DAC將X](t)(j = 1，2，···，ν)作數(shù)模變換處理后，通過V個天線分別發(fā)射。
[0009] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果：
[0010] 本發(fā)明充分挖掘STBC和CPM的特性，并克服已有方法的不足，在保證編碼后的信 號具有連續(xù)相位特性的前提下，使得接收機能以較低的計算復(fù)雜度獲得經(jīng)典STBC的滿分 集增益。
[0011] 本發(fā)明最大的創(chuàng)新之處在于：在繼承經(jīng)典的符號級STBC編碼映射規(guī)則基礎(chǔ)上，提 出子塊級STBC編碼映射規(guī)則；根據(jù)子塊級STBC編碼映射規(guī)則對CPM信號進行子塊級編 碼，并在每一路信號的每連續(xù)兩個數(shù)據(jù)子塊之間插入一個相位補償子塊。這樣，CPM-STBC 編碼器的輸出信號具有兩大特點：一是相位補償子塊能保證同一發(fā)射天線的信號具有連續(xù) 相位特性，從而保持CPM信號的良好特性；二是STBC編碼映射規(guī)則保證不同發(fā)射天線之間 的信號具有子塊級正交性，這種正交性使得接收機能以簡單的線性合并方法處理接收到的 CPM信號，并獲得與經(jīng)典的符號級STBC相似的滿分集增益（單接收天線時的分集度為V)， 從而減輕無線信道衰落的影響。
[0012] 因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的CPM-STBC編碼器具有編碼簡單，對應(yīng)接收 機能以較低計算復(fù)雜度（近似為單發(fā)單收CPM接收計算復(fù)雜度的U倍）獲得滿分集增益和 優(yōu)異譯碼性能的優(yōu)點，非常適于移動通信、衛(wèi)星通信等無線通信系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明提出的CPM-STBC編碼器原理示意圖。
[0014] 圖2是CPM-STBC編碼器中基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器原理的一個實施例 示意圖。
[0015] 圖3是2發(fā)1收分組碼CPM-STBC和1發(fā)1收CPM的誤碼率仿真性能比較曲線示 意圖。
[0016] 圖中：101串并轉(zhuǎn)換器、102CPM調(diào)制器，103基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器， 201初相提取模塊，202相位補償子塊初相計算模塊，203相位補償子塊符號序列生成模塊， 204相位補償子塊波形生成模塊，205STBC編碼塊整體波形生成模塊。
【具體實施方式】
[0017] 下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0018] 參閱圖1。在以下描述的實施例中，連續(xù)相位調(diào)制的空時分組碼編碼設(shè)備的 CPM-STBC編碼器，包括：串并轉(zhuǎn)換器101、U個CPM調(diào)制器102和基于相位補償?shù)淖訅K級 STBC編碼器103,其中：U個CPM調(diào)制器102并聯(lián)在串并轉(zhuǎn)換器101和基于相位補償?shù)淖訅K 級STBC編碼器103之間，基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器103通過V個數(shù)模變換器DAC 串聯(lián)V個發(fā)射天線。輸入CPM-STBC編碼器的NU個待編碼符號先通過串并轉(zhuǎn)換器101分成 并行的U路符號，每一路包含N個符號，用向量分別表示為ai(i = 1，2,…，U);再將這U路 符號分別輸入CPM調(diào)制器（102)進行常規(guī)的連續(xù)相位調(diào)制，輸出U路并行的信號，分別記 為Cl (t) (i = 1，2,…，U);然后將Cl (t) (i = 1，2,…，U)輸入基于相位補償?shù)淖訅K級STBC 編碼器103進行編碼，輸出V路并行的信號，分別記為X] (t) (j = 1，2,…，V)，且X] (t) (j = 1，2,…，V)均由W個數(shù)據(jù)子塊和W-l個相位補償子塊組成；最后，將Xj (t) (j = 1，2,…，V) 作數(shù)模變換等其他必要的處理，通過V個天線分別發(fā)射。
[0019] 實施例1。設(shè)發(fā)射天線數(shù)V為2,采用Alamouti碼為基礎(chǔ)進行STBC編碼。Alamouti 碼根據(jù)編碼矩陣S定義編碼映射規(guī)則
[0021] 式中，81和s2為待編碼的線性調(diào)制符號，為復(fù)數(shù)的共輒，其中，編碼矩陣S滿足符 號級正交性SHS = I，I為單位矩陣，H為矩陣的共輒轉(zhuǎn)置，且有U = V = W = 2，V為CPM-STBC 編碼器輸出的并行信號路數(shù)，亦即發(fā)射天線個數(shù)，W為CPM-STBC編碼器輸出的每路信號的 數(shù)據(jù)子塊個數(shù)。根據(jù)式（1)定義的編碼映射規(guī)則含義是：發(fā)射天線1和發(fā)射天線2在時隙 1分別發(fā)送4和s 2，在時隙2分別發(fā)送和 <?？梢则炞C，編碼矩陣S滿足符號級正交性， 即SHS = I，I為單位矩陣，（.）H為矩陣的共輒轉(zhuǎn)置。
[0022] 此時，CPM-STBC編碼器整個處理流程包括以下步驟。
[0023] 首先，將2N個符號輸入串并轉(zhuǎn)換器（101)，生成兩個符號流，用向量分別表示為
[0025] 式中，
為取自符號集
中獨立同分布的Μ元數(shù)據(jù)符號，每符號承載的比特數(shù)為log2M。
[0026] 然后，將aJP a 2輸入CPM調(diào)制器（102)，輸出得到相應(yīng)的兩路CPM波形
[0028] 上式中，&和T s分別表示每符號能量和每符號持續(xù)時間；h和q(t)分別表示所采 用CPM格式的調(diào)制階數(shù)和相位脈沖函數(shù)；和卿2分別表示第一路CPM波形和第二路CPM 波形的初相。函數(shù)q(t)包括但不限于以下兩種形式：
[0029] 方波函數(shù)積分：
[0030] 升余弦函數(shù)積分
[0031] 式⑷和式（5)中的L表示響應(yīng)階數(shù)：當L = 1時，為全響應(yīng)調(diào)制；當L>1時，為部 分響應(yīng)調(diào)制。
[0032] 最后，將Cl(t)和〇2(〇輸入基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器（103)進行編碼， 輸出兩路并行的編碼波形Xl(t)和知(〇?；谙辔谎a償?shù)淖訅K級STBC編碼器（103)是本 發(fā)明的關(guān)鍵所在。在圖2所示實施例中，基于相位補償?shù)淖訅K級STBC編碼器（103)可進一 步細分為初相提取模塊201、相位補償子塊初相計算模塊202、相位補償子塊符號序列生成 模塊203、相位補償子塊波形生成模塊204、STBC編碼塊整體波形生成模塊205五個模塊，其 中，每個模塊采用兩路依次級聯(lián)輸入后端模塊，初相提取模塊（201)的兩路輸入信號^(〇 和c2 (t)通過STBC編碼塊整體波形生成模塊205輸出STBC編碼塊整體CPM波形