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基于连续相位调制的椭圆球面波多载波索引调制.docx
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基于连续相位调制的椭圆球面波多载波索引调制.docx
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椭圆球面波函数(prolate spheroidal wave functions, PSWFs)是由文献[1]提出的一类非正
弦函数集合,受到了国内外学者的广泛关注和研究。PSWFs 信号具有最佳时频能量聚集
性、完备正交性、时间带宽积灵活可控、时域奇偶对称等优良基础特性
[2]
,在无线通信、
超宽带通信、卫星通信等领域都有所应用
[3-5]
。在多载波通信中,正交频分复用(orthogonal
frequency division multiplexing, OFDM)多载波调制信号采用的矩形窗时间带宽积为固定的
[6]
,而 PSWFs 信号的时间带宽积灵活可控,可产生任意时间带宽积信号,且利用固定时间
带宽积条件下的不同阶 PSWFs 作为载波信号,其本身为最佳带限信号的优势,可为下一代
无线通信
[7]
、卫星通信
[8]
等提供一种新的灵活波形设计方案。
文献[9-10]最早提出了将正交椭圆球面波函数信号作为脉冲组加载信息的调制方法。
该方法通过构建时域椭圆球面波正交脉冲集,选择多路时域正交脉冲叠加,不但易于形成
大相对带宽信号,便于提高系统容量,而且可使已调信号在频域上相互混叠,有效提高系
统频带利用率。为了进一步提高基于 PSWFs 的多载波调制信号频带利用率,文献[11-12]通
过对 PSWFs 信号分组优化、利用信号索引与脉冲幅度调制进行 2 个维度的信息加载,提出
了基于信号分组优化的椭圆球面波多载波调制方法(multi-carrier modulation scheme based on
PSWFs with signal grouping optimization, MCM-PSWFs-SGO)。该方法在不增加信号路数和
信号间干扰的前提下,既可保证信号高能量聚集性,又可有效提高现有信号频带利用率。
但由于符号信息映射采用脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation, PAM)方式,因此同传统
的多载波调制技术一样,该方法仍然存在叠加后高信号峰均功率比(peak to average power
ratio, PAPR)的问题。MCM-PSWFs-SGO 信号高 PAPR 带来的直接问题是要求系统部分设备
(如模/数、数/模、功放等)具有较宽的动态范围以适应该信号,否则会引起信号严重的非线
性失真,导致子载波间的正交特性被破坏,进而导致系统性能大幅降低。因此有效降低现
有方法多载波调制信号 PAPR,对促进 PSWFs 在无线通信系统中的应用,尤其是在当前绿
色通信及低功耗需求的无线通信应用场景中具有重要意义。
连续相位调制(continuous phase modulation, CPM)是一类数字角度调制方式,其信号相
位是连续的,且具有频谱效率、功率效率高的特点
[13-14]
,广泛应用于移动通信和卫星通
信、软件无线电通信等领域
[15-17]
。与传统的 PAM、相移键控(phase shift keying, PSK)等调制
方式不同,CPM 调制通过信息符号序列在相位上的累加,保证相邻码元之间的相位连续
性,从而使得调制信号包络是恒定的,其调制信号本身具有编码效应。充分利用这种 CPM
信号前后码元相关联特性,以 CPM 作为符号预调制方式,再将 CPM 调制后的信号加载到
PSWFs 载波信号上,通过选择合适的调制指数参数,可有效降低现有 MCM-PSWFs-SGO
调制信号的 PAPR。
本文采用具有编码、网格特性的连续相位调制作为索引星座符号映射方式,以优化组
合后的 PSWFs 信号作为索引调制载波波形,提出一种基于 CPM 的 PSWFs 信号多载波索
引调制方法(multi-carrier index modulation based on PSWFs with CPM, MCM-PSWFs-IM-
CPM)。在信号接收端,基于最大似然检测(maximum likelihood, ML)和 CPM 差分检测,实
现 MCM-PSWFs-IM-CPM 信号的检测与解调,并对其调制解调信号性能进行分析。
1. MCM-PSWFs-IM-CPM 信号调制解调方法
现有 MCM-PSWFs-SGO 信号调制解调方法主要包括:PSWFs 信号选择与分组、信号
索引设计与调制符号产生、基于顺序统计量的信号索引检测方法等
[11]
。这些方法主要是在
信号发射端,采用 PAM 作为符号信息预调制方式,然而,多个 PSWFs 信号加载信息并叠
加后,当相位一致时,调制信号会产生很大的幅值功率,因此,MCM-PSWFs-SGO 调制信
号存在高峰均功率比的问题。
CPM 信号具有占用带宽小、旁瓣衰减快、不同调制指数情况下性能不同的特点。在
OFDM 系统中,通过采用 CPM 符号映射方式,充分利用 CPM 的网格特性及前后码元之间
的相关性,可以降低其调制信号的峰均功率比
[18]
。因此,为进一步改善 MCM-PSWFs-SGO
信号性能,充分利用 CPM 相位状态相关的特点,本文提出 MCM-PSWFs-IM-CPM 信号调
制解调方法,其原理如图 1 所示。
图 1 MCM-PSWFs-IM-CPM 信号调制解调原理
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.1 MCM-PSWFs-IM-CPM 信号调制方法
在信号发射端,首先产生用于信息加载的 PSWFs 信号,路数为 c−l(l∈[1,c−1]c−l(l∈
[1,c−1],c 表示基带 PSWFs 信号时间带宽积)、信号分组数为 G、每组信号路数为 N、激活
载波信号路数为 K,对能量聚集性高的 PSWFs 信号进行优选和分组;其次,利用索引比特
来选择激活的 PSWFs 载波信号位置,并采用符号映射信息进行 CPM 预调制;然后将 CPM
调制后的信息加载到 G 组 N 阶 PSWFs 载波信号上,其中真正用于传输 CPM 符号数据的
PSWFs 载波数为 K 个,空载波数为 N−K 个;最后,将每组 CPM 调制后的信号加载到
PSWFs 载波上后进行叠加,从而产生 MCM-PSWFs-IM-CPM 调制信号(如图 1 左半部分所
示)。
MCM-PSWFs-IM-CPM 调制信号产生具体流程如下。
1.1.1 PSWFs 信号产生、选择与分组
由于 PSWFs 信号在一定时间带宽积条件下,产生的不同阶 PSWFs 信号能量聚集度不
同,因此可根据系统对信号能量聚集性的要求、PSWFs 信号选择参数和载波数目等,尽可
能地选择能量聚集性较高的 PSWFs 信号用于传输信息。通常需要信号能量聚集度大于 λ′λ′
时,选择前 c−l 阶 PSWFs 信号,且 l 满足
l=⌊[ln(1/λ′−1)log(2πc−−√)]/π2⌋l=⌊[ln(1/λ′−1)log(2πc)]/π2⌋。PSWFs 信号的产生,由以
下椭圆球面波函数积分定义式得到:
∫T/2−T/2ψi(c,τ)sinB(t−τ)π(t−τ)dτ=ψi(c,τ)λi(c)∫−T/2T/2ψi(c,τ)sinB(t−τ)π(t−τ)dτ=ψi(c,τ)λi(c)
(1)
式中,ψi(c,t)ψi(c,t)是带限于[−B,B][−B,B]、又在时域区间[−T/2, T/2]上集中分布的共 i
阶椭圆球面波函数,i=0,1,2,⋯,⋯,且 i 为整数,c=BT(Hz·s)是 PSWFs 的时间带宽积;λiλi 是
对应于 ψi(c,t)ψi(c,t)的特征值,如 ψ0(c,t)ψ0(c,t)是 0 阶 PSWF 信号,λ0λ0 就是对应于
ψ0(c,t)ψ0(c,t)的特征值,不同阶 PSWFs 信号对应各自的特征值。
将产生的共 i 阶 PSWFs 载波信号取前 c−lc−l 阶 PSWFs 信号,并将 c−l(l∈[1,c−1])c−l(l
∈[1,c−1])支路信号平均分为 G=⌊(c−l)/N⌋G=⌊(c−l)/N⌋组,每组有 NN 个 PSWFs 载波信号。
1.1.2 产生比特流数据及数据分组
如果每个 PSWFs 符号有 M 个载波信号去传输 A 比特信息,那么将这 A 比特信息经过
比特分流器后分为 G 组,每组有 p 比特信息,其中 A=pG。每组 p 比特信息映射到一个长
度为 N 的 PSWFs 子载波组上,其中,N=M/G。
1.1.3 信号索引方案与调制符号产生
传输到每组的 p 比特信息被分为 p
1
和 p
2
两部分,其中,p
1
为索引比特,用来控制活
跃 PSWFs 载波信号的位置。这里采用查表法(look-up table, LUT)
[19]
来实现索引比特与活跃
载波位置的映射,表 1 是表格大小 κ=4κ=4,(N,K)=(4,3)(N,K)=(4,3)时,查表法对应的
PSWFs 载波索引方案,其中 K 表示活跃载波路数。在发送端和接收端建立一张大小为
κ=2p1κ=2p1 的表格,在发送端通过查表,将 p
1
比特映射到载波位置上,在信号接收端,
根据活跃子载波的位置去查表得到相应的比特。p
2
用于产生调制符号,在每组 PSWFs 载波
信号中,不是每个 PSWFs 载波都传输星座符号,而是 N 个子载波中有 K 个传输星座符
号,其余的 N−K 个子载波为空子载波,这里的星座映射采用具有相位编码特性的 CPM 调
制方式,且该星座映射图与 CPM 调制指数有关,CPM 映射星座图如图 2 所示(以调制指数
h=0.5 为例)。
表 1 索引调制查表法映射表 (N, K)=(4,3)
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