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双模椭圆球面波多载波索引调制解调方法.docx
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双模椭圆球面波多载波索引调制解调方法.docx
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1. 引言
随着移动通信业务需求的迅速增长,对信息传输的频谱效率和能量聚集度提出了更高
的要求,如何实现更加灵活、高效的通信已成为现阶段通信研究的热点问题
[1-3]
。近年来,
围绕如何提高频谱效率和能量聚集度,一系列解决方案相继被提出。一方面,从提升信号
能量聚集度的角度出发,一系列高灵活性、高能量聚集性的调制方法被提出,统一滤波多
载波(Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC)
[4]
、广义频分复用(Generalized Frequency
Division Multiplexing, GFDM)
[5]
、基于椭圆球面波函数的多载波调制(Multi-Carrier
Modulation based on Prolate Spheroidal Wave Functions, MCM-PSWFs)
[6,7]
等。其中,相比于
UFMC,GFDM,MCM-PSWFs 将具有完备正交性、时域奇偶对称性和最佳时频能量聚集性等
优良基础特性的椭圆球面波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions, PSWFs)
[7-9]
作为基础信
号,具有信号波形设计灵活、高能量聚集性以及高系统频带利用率(Spectral Efficiency,
SE)
[7]
的优势,非常符合下一代通信系统对能量聚集度的需求,具有巨大的应用潜力,极具
有应用前景
[6,7]
。另一方面,从拓展信息映射维度、提高系统频带利用率角度出发,Nyquist
传输(Faster Than Nyquist, FTN)
[10]
、时域波形复用技术(OVerlapped Time Domain
Multiplexing, OVTDM)
[11]
、多载波索引调制(Multi-Carrier Modulation with Index Modulation,
MCM-IM)
[12-14]
等高系统频带利用率的信号波形相继被提出。其中,相比于
FTN,OVTDM,MCM-IM 作为空间索引调制的拓展
[12]
,具有同时利用信号索引和多进制调制
符号来进行信息映射,大幅提升系统频带利用率的优势
[14]
。
为进一步提升 MCM-PSWFs 的系统频带利用率,鉴于 MCM-PSWFs,MCM-IM 的上述
优势,文献[15]将 IM 引入 MCM-PSWFs,提出了基于信号分组优化的 PSWFs 多载波调制
方法(Multi-Carrier Modulation based on PSWFs with Signal Grouping Optimization, MCM-
PSWFs-SGO)。本方法首先对 PSWFs 信号进行分组优化,再利用信号索引、脉冲幅度调制
2 个维度进行信息映射,具有高能量聚集度、高频谱效率的优势。尽管如此,由于部分未
被激活的子载波没有用来传递信息,MCM-PSWFs-SGO 仍有部分频谱资源可进一步被利
用,这在一定程度上限制了其系统频带利用率的提升。在解决基于正交频分复用
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的索引调制
[15]
存在的频谱资源未被充分
利用的问题中,清华大学的 Mao 等人
[16]
提出了双模辅助的 OFDM 索引调制技术(Dual-
Mode index modulation aided OFDM, DM-OFDM),其主要思想是采用两个互不重叠的星座
图进行比特信息映射的方式,使得全部子载波均被利用,有效解决了频谱资源未被充分利
用的问题,实现了系统频带利用率的进一步提升。这为解决 MCM-PSWFs-SGO 的频谱资
源得到进一步利用问题提供了很好的思路。
围绕如何提高 MCM-PSWFs-SGO 的系统频带利用率,本文将 DM-IM
[16]
引入 MCM-
PSWFs-SGO,提出双模 PSWFs 多载波索引调制方法(Multi-Carrier index Modulation based
on PSWFs with Dual-Mode, DM-MCM-PSWFs),利用双星座图进行比特信息映射,有效增
加了调制符号组合数,进一步提高了系统频带利用率。采用第 2 星座图对剩余子载波进行
额外的信息加载,实现了频谱资源的进一步利用,同时提高了调制符号间的最小欧氏距离
(Minimum Euclidean Distance, MED)。理论与仿真分析表明,相比于 MCM-PSWFs-SGO,
所提方法在具有相同功率谱与峰均功率比的前提下,以增加计算复杂度为代价,具有更优
的系统频带利用率与误码性能。
2. DM-MCM-PSWFs 调制解调与检测方法
MCM-PSWFs-SGO 系统频带利用率提升受限的原因在于,采取单星座图对激活子载
波进行信息加载,其余未被激活子载波则未被利用,频谱效率尚有提升空间。因此,如何
利用未被激活的 PSWFs 信号传输额外的调制符号,是进一步提升 MCM-PSWFs-SGO 系统
频带利用率的关键。
2.1 DM-MCM-PSWFs 调制方法
图 1(a)给出了 DM-MCM-PSWFs 发射端原理框图,图 1(b)为接收端框图。该方法引
入双星座图映射,通过 2 个星座图分别产生调制符号,对全部子载波进行信息加载,利用
I/Q 两个支路进行分别传输,且采用相同的信号索引结构
[15]
。
图 1 DM-MCM-PSWFs 原理框图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
考虑到 PSWFs 信号分组数、每组信号路数、调制星座图进制数以及激活信号路数等
参数直接决定系统整体性能,需要依据可用时频资源大小、系统整体性能需求,进行整体
的设计和选择
[15]
。为便于分析,假设可用时宽为[Math Processing Error]T(s)、带宽为[Math
Processing Error]B(Hz),信号分组数[Math Processing Error]g、每组信号路数为[Math
Processing Error]n、每组激活的信号路数为[Math Processing Error]k,两种星座图的调制阶
数相同,且均为[Math Processing Error]M。
在发射端,首先进行 PSWFs 信号的分组、选择过程,该过程与文献[15]中处理过程
相同。将输入 2m(bit)待传信息比特平均分为 g 组,每组包含[Math Processing
Error]p′=2m/g=pI+pQ(bit)信息,其中[Math Processing Error]pI=pQ=p,pI=[Math Processing
Error]pα,I,1+pα,I,2,[Math Processing Error]pQ=pα,Q,1+pα,Q,2,[Math Processing Error]α
∈
[1,g],[Math Processing Error]pα,I/Q,1 为 I/Q 支路信号索引部分携带信息量,[Math
Processing Error]pα,I/Q,2 为两个星座图产生的调制符号携带的信息量,如图 1(a)所示;而
后,进行双星座图设计与比特信息映射,生成调制符号,并产生 DM-MCM-PSWFs 调制信
号。
(1)星座图设计与比特信息映射:与 MCM-PSWFs-SGO 不同,DM-MCM-PSWFs 将原
有的单一星座图调制方法变更为双星座图调制,由额外的星座图对原本未被利用的子载波
进行信息加载,如图 2 所示。为保证接收端能够顺利解调和检测出信号索引比特所携带的
信息,需对选取的两个星座图有所区分,因此,选择的两个星座图必须满足互不重叠的关
系。
图 2 DM-MCM-PSWFs 与 MCM-PSWFs-SGO 映射原理对比
下载: 全尺寸图片 幻灯片
下面对所提方法具体调制流程进行说明。首先,依据每组 PSWFs 信号路数[Math
Processing Error]n、激活 PSWFs 信号路数[Math Processing Error]k,设计 DM-MCM-
PSWFs 信号索引方案
[15]
。则 I/Q 支路信号索引与由两个星座图分别产生的调制符号携带的
信息量为
[Math Processing
Error]pα,I,1=pα,Q,1=
⌊
log2Cnk
⌋
(bit),pα,I,2=pα,Q,2=pα,I,A,2+pα,I,B,2=pα,Q,A,2+pα,Q,B,2=(n−k)log2M+klog2M(bit)
(1)
其中,[Math Processing Error]pα,I/Q,A,2,pα,I/Q,B,2 分别表示由第 1/2 星座图所生成调
制符号携带的信息量。
从而,信号索引部分依据[Math Processing Error]pα,I,1,pα,Q,1(bit),从第[Math
Processing Error]α 子块对应的[Math Processing Error]n 个 PSWFs 信号中选择[Math
Processing Error]k 个加载第 2 星座图产生的调制符号,同时由剩余的 n–k 个 PSWFs 信号加
载第 1 星座图产生的调制符号。其中,PSWFs 信号索引可以表示为
[Math Processing Error]II,α={iI,α,1,iI,α,2,
⋯
,iI,α,n}IQ,α={iQ,α,1,iQ,α,2,
⋯
,iQ,α,n}}
(2)
其中,[Math Processing Error]II/Q,α,γ 表示第[Math Processing Error]α 个子块,编号
为[Math Processing Error]γ
∈
[1,n]的 PSWFs 信号由第 1/2 星座图进行调制符号映射。若
[Math Processing Error]II/Q,α,γ=0,则代表该位置的子载波传输由第 1 星座图产生的调制符
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