一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法。


背景技术：

2.在无线通信技术领域，单载波与多载波是目前两种标准化的主流通信体制，单载波信号具有良好的频域能量分布，对于时域弥散较为敏感；多载波信号则因具有良好的时域能量分布而更适用于对抗时间选择性衰落。在此基础上，混合载波体制结合二者优势，通过加权分数傅里叶变换将信号能量在时频平面进行分散和备份，取得了时频双衰落信道下的优势性能。然而，现有方法尚不能实现信号能量在时频平面的完全平均化分布，其分散和补偿信道衰落的能力仍有提升的空间。这导致现有通信方案在对抗信道衰落方面的性能仍然比较差，传输的可靠性较低，因此，对信号的时频能量分布进行设计以进一步提升传输的可靠性成为一个值得研究的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为解决现有方法分散和补偿信道衰落的能力差的问题，而提出了一种信号时频能量完全平均化传输方法。
4.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
5.基于本发明的一个方面，一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法，所述方法在发送端，将信源产生的0、1比特数据分成具有相同长度的若干帧后，分别对每帧数据进行扩展加权分数傅里叶变换，获得各帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号；
6.所述扩展加权分数傅里叶变换的方式为：
[0007][0008]
其中，f
k
代表第k帧数据，f
k1
代表第k帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号，上角标t代表转置，e为变换矩阵，β
l
为加权系数，l为每帧数据的长度，l＝2
n
，n为正整数，l＝0，1，...，l
‑
1；
[0009]
变换矩阵e具体表示为：
[0010]
[e]
m，n
＝δ(<n
‑
m
‑
1>
l
)
[0011]
式中，[
·
]
m，n
表示变换矩阵e中第m行n列元素，m＝0，1，...，l
‑
1，n＝0，1，...，l
‑
1；<
·
>表示取余，<n
‑
m
‑
1>
l
表示n
‑
m
‑
1除以l取余，δ(
·
)表示单位冲激函数；
[0012]
所述单位冲激函数δ(
·
)满足：
[0013]
[0014]
其中，p为单位冲激函数的自变量；
[0015]
加权系数β
l
具体表示为：
[0016][0017]
其中，i为虚数单位，e
r
为中间变量；
[0018]
中间变量e
r
具体表示为：
[0019][0020]
其中，其中，表示向下取整，μ
r
是可变参数，μ
r
∈(０，2π]，mod(n，2)表示取n除以2的余数；
[0021]
再对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，处理后信号发送至信道，其中，k为总帧数。
[0022]
基于本发明的另一个方面，一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法，所述方法在发送端，将信源产生的0、1比特数据分成具有相同长度的若干帧后，分别对每帧数据进行扩展加权分数傅里叶变换，获得各帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号；
[0023]
所述扩展加权分数傅里叶变换的方式为：
[0024][0025]
其中，f
k
代表第k帧数据，f
k1
代表第k帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号，上角标t代表转置，e为变换矩阵，β
l
为加权系数，l为每帧数据的长度，l＝2
n
，n为正整数，l＝0，1，...，l
‑
1；
[0026]
变换矩阵e具体表示为：
[0027]
[e]
m，n
＝δ(<n
‑
m 1>
l
)
[0028]
式中，[
·
]
m，n
表示变换矩阵e中第m行n列元素，m＝0，1，...，l
‑
1，n＝0，1，...，l
‑
1；<
·
>表示取余，<n
‑
m 1>
l
表示n
‑
m 1除以l取余，δ(
·
)表示单位冲激函数；
[0029]
所述单位冲激函数δ(
·
)满足：
[0030][0031]
其中，p为单位冲激函数的自变量；
[0032]
加权系数β
l
具体表示为：
[0033][0034]
其中，i为虚数单位，e
r
为中间变量；
[0035]
中间变量e
r
具体表示为：
[0036][0037]
其中，其中，表示向下取整，μ
r
是可变参数，μ
r
∈(０，2π]，mod(n，2)表示取n除以2的余数；
[0038]
再对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，处理后信号发送至信道，其中，k为总帧数。
[0039]
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法，通过对调制后信号进行扩展加权分数傅里叶变换，使数据块内时域符号能量完全平均化，每谱线包含所有符号能量，且每个符号能量完全等量化，形成一种兼具时域能量平均化特性与频域能量平均化特性的扩展混合载波信号形式。在衰落信道下，由于信号能量在时频平面上的完全平均化分布，单个符号经过时频随机衰落的能量损失被其余符号所分担，其能量得到了较好的保留，因此，对信道衰落的分散和补偿能力得到了提高。接收端只需进行对应反变换即可高概率实现信号的恢复。
[0040]
通过本发明方法对信道衰落进行分散和补偿，有效降低了衰落信道下的误码率，提升了通信系统抗衰落性能和传输可靠性。同时该方法对现有通信体制具有较好的兼容性。
附图说明
[0041]
图1是本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法的发射机系统框图；
[0042]
图2是本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法的接收机系统框图；
[0043]
图3是扩展加权分数傅里叶变换的示意图；
[0044]
图中：分别为当前帧数据的第1位、第2位、第i 1位、第l位、第i位、第l
‑
1位、第3位，代表当前帧数据的第(i
‑
l 1)modl位，(i
‑
l 1)modl代表(i
‑
l 1)除以l取余，t代表时域，f代表频域，e代表符号能量；
[0045]
图4是本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法在衰落信道下的误码率曲线图。
[0046]
其中，sc表示单载波系统、mc表示多载波系统、hc表示混合载波系统、ehc表示本发明所提方案。
具体实施方式
[0047]
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法，所述方法在发送端，将信源产生的
0、1比特数据分成具有相同长度的若干帧后，分别对每帧数据进行扩展加权分数傅里叶变换，获得各帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号；
[0048]
所述扩展加权分数傅里叶变换的方式为：
[0049][0050]
其中，f
k
代表第k帧数据，f
k1
代表第k帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号，上角标t代表转置，e为变换矩阵，β
l
为加权系数，l为每帧数据的长度，l＝2
n
，n为止整数，l＝0，1，...，l
‑
1；
[0051]
变换矩阵e具体表示为：
[0052]
[e]
m，n
＝δ(<n
‑
m
‑
1>
l
)
[0053]
式中，[
·
]
m，n
表示变换矩阵e中第m行n列元素，m＝0，1，...，l
‑
1，n＝0，1，...，l
‑
1；<
·
>表示取余，<n
‑
m
‑
1>
l
表示n
‑
m
‑
1除以l取余，δ(
·
)表示单位冲激函数；
[0054]
所述单位冲激函数δ(
·
)满足：
[0055][0056]
其中，p为单位冲激函数的自变量；
[0057]
加权系数β
l
具体表示为：
[0058][0059]
其中，i为虚数单位，e
r
为中间变量；
[0060]
中间变量e
r
具体表示为：
[0061][0062]
其中，其中，表示向下取整，μ
r
是可变参数，μ
r
∈(0，2π]，mod(n，2)表示取n除以2的余数；
[0063]
再对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，处理后信号发送至信道，其中，k为总帧数。
[0064]
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述方法在发送端，对信源产生的0、1比特数据进行分帧之前，还需要经过如下的处理步骤：
[0065]
对信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制结果。
[0066]
本发明中，对星座映射后的调制结果进行分帧处理，分帧处理的具体过程为：
[0067]
将调制结果的第1位，第2位，
…
，第2
n
位数据作为第一帧，将调制结果的第2
n
1位，第2
n
2位，
…
，第2
n 1
位数据作为第二帧，以此类推。
[0068]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0069]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，其具体为：
[0070]
将各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k表示为一路串行数字信号f，f＝[f
11 f
21
ꢀ…ꢀ
f
k1
ꢀ…ꢀ
f
k1
]，信号f再依次经过数/模转换和上变频处理，处理后的信号发射至信道。
[0071]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0072]
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述方法在接收端，接收到的信号依次经过下变频、模/数转换和信道均衡处理；
[0073]
再将处理后的信号分成具有相同长度的k帧信号，分别对每帧信号进行扩展加权分数傅里叶反变换后，得到每一帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号；
[0074]
将各帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号表示为一路串行数字信号h，再对信号h进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
[0075]
接收端采用与发送端相同的分帧方式，从经过信道均衡的信号的起始点开始，将经过信道均衡的信号均分为长度相等的k帧信号。
[0076]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0077]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述扩展加权分数傅里叶反变换的方式为：
[0078][0079]
其中，h
k
′
为对经过信道均衡的信号进行分割获得的第k
′
帧信号，h
k
′1为第k
′
帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号，k
′
＝1，2，
…
，k，τ
l
为加权系数；
[0080]
加权系数τ
l
具体表示为：
[0081][0082]
其中，中间变量f
r
＝
‑
e
r
。
[0083]
将各帧信号对应的输出信号表示为一路串行数字信号h，h＝[y
11 y
21
ꢀ…ꢀ
y
k，1
ꢀ…ꢀ
t
k1
]，对信号h进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
[0084]
本实施方式中，e
l
和e
r
的定义与发送端相同。
[0085]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0086]
具体实施方式六、结合图1和图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的信号时频能量完全平均化传输方法，所述方法在发送端，将信源产生的0、1比特数据分成具有相同长度的若干帧后，分别对每帧数据进行扩展加权分数傅里叶变换，获得各帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号；
[0087]
所述扩展加权分数傅里叶变换的方式为：
[0088][0089]
其中，f
k
代表第k帧数据，f
k1
代表第k帧数据经过扩展加权分数傅里叶变换后的输出信号，上角标t代表转置，e为变换矩阵，β
l
为加权系数，l为每帧数据的长度，l＝2
n
，n为正
整数，l＝0，1，...，l
‑
1；
[0090]
变换矩阵e具体表示为：
[0091]
[e]
m，n
＝δ(<n
‑
m 1>
l
)
[0092]
式中，[
·
]
m，n
表示变换矩阵e中第m行n列元素，m＝0，1，...，l
‑
1，n＝0，1，...，l
‑
1；<
·
>表示取余，<n
‑
m 1>
l
表示n
‑
m 1除以l取余，δ(
·
)表示单位冲激函数；
[0093]
所述单位冲激函数δ(
·
)满足：
[0094][0095]
其中，p为单位冲激函数的自变量；
[0096]
加权系数β
l
具体表示为：
[0097][0098]
其中，i为虚数单位，e
r
为中间变量；
[0099]
中间变量e
r
具体表示为：
[0100][0101]
其中，其中，表示向下取整，μ
r
是可变参数，μ
r
∈(0，2π]，mod(n，2)表示取n除以2的余数；
[0102]
再对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，处理后信号发送至信道，其中，k为总帧数。
[0103]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述方法在发送端，对信源产生的0、1比特数据进行分帧之前，还需要经过如下的处理步骤：
[0104]
对信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制结果。
[0105]
本发明中，对星座映射后的调制结果进行分帧处理，分帧处理的具体过程为：
[0106]
将调制结果的第1位，第2位，
…
，第2
n
位数据作为第一帧，将调制结果的第2
n
1位，第2
n
2位，
…
，第2
n 1
位数据作为第二帧，以此类推。
[0107]
其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
[0108]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：所述对各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k进行处理，其具体为：
[0109]
将各帧数据对应的输出信号f
k1
，k＝1，2，
…
，k表示为一路串行数字信号f，f＝[f
11 f
21
ꢀ…ꢀ
f
k1
ꢀ…ꢀ
f
k1
]，信号f再依次经过数/模转换和上变频处理，处理后的信号发射至信道。
[0110]
其它步骤及参数与具体实施方式六或七相同。
[0111]
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述方法在接收端，接收到的信号依次经过下变频、模/数转换和信道均衡处理；
[0112]
再将处理后的信号分成具有相同长度的k帧信号，分别对每帧信号进行扩展加权分数傅里叶反变换后，得到每一帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号；
[0113]
将各帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号表示为一路串行数字信号h，再对信号h进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
[0114]
其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。
[0115]
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：所述扩展加权分数傅里叶反变换的方式为：
[0116][0117]
其中，h
k
′
为对经过信道均衡的信号进行分割获得的第k
′
帧信号，h
k
′1为第k
′
帧信号经过扩展加权分数傅里叶反变换获得的输出信号，k
′
＝1，2，
…
，k，τ
l
为加权系数；
[0118]
加权系数τ
l
具体表示为：
[0119][0120]
其中，中间变量f
r
＝
‑
e
r
。
[0121]
将各帧信号对应的输出信号表示为一路串行数字信号h，h＝[y
11 y
21
ꢀ…ꢀ
y
k
′1ꢀ…ꢀ
y
k1
]，对信号h进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
[0122]
本实施方式中，e
l
和e
r
的定义与发送端相同。
[0123]
其它步骤及参数与具体实施方式六至九之一相同。
[0124]
通过图4可以看出，与单载波系统、多载波系统和混合载波系统相比，采用本发明方法可以显著提高无线通信系统的抗衰落性能和传输可靠性。
[0125]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。