连续相位调制的空时分组编码方法

摘要

本发明提出的一种连续相位调制的空时分组码编码方法，旨在提供一种编码简单，且接收计算复杂度较低的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在CPM-STBC编码器中，首先通过串并转换器将输入的NU个待编码符号分成并行的U路符号流，再将U路符号流分别输入CPM调制器(102)进行连续相位调制，得到c

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域将连续相位调制技术与空时分组码技术紧密结合并进行综合优化的连续相位调制编码方法及其编码器设备。

背景技术

连续相位调制(CPM)是一类恒包络且相位连续变化的非线性调制方式。与以相移键控(PSK)为代表的线性调制方式相比，CPM信号由于在相邻符号之间相位变化是连续的，具有较小的频谱旁瓣，从而有较高的带宽利用率；同时，由于包络恒定，CPM信号对功放的非线性特性不敏感，从而具有较高的功率效率，是各种新型移动通信、无线电台的主要调制模式之一。其优越的性能使其特别适用于移动通信、卫星通信和深空通信当中。比如，在全球移动通信系统(GSM)的标准中就使用了CPM的一种典型——高斯最小偏移键控(GMSK)。但是，在无线传输中，CPM信号和线性调制信号一样，也容易受到信道多径衰落的影响，从而使性能恶化。

为了减弱无线信道多径衰落的影响，研究人员提出了空时编码(STC)技术，其基本思想是：在不同时刻、不同天线上发射同一数据的多个副本，且这些副本满足某种特性。此特性使得即使在仅有一个接收天线的情形下，STC也能获得显著的空间分集增益，从而极大改善无线通信系统在衰落信道中的性能。与其他分集方式(如时间分集、频率分集等)相比，STC的一个显著优点是：能充分利用空间资源实现分集增益，而不浪费时频资源。此优点在目前无线频谱资源日益紧张的情形下对系统设计而言无疑具有极强的吸引力。

最初，Tarokh等提出了STC的第一个子类——空时格码(STTC，(Tarokh论文Space-timecodesforhighdataratewirelesscommunications:performanceanalysisandcodeconstruction，发表于IEEETransactiononInformation的第44卷(1998)第2期的第744–765页)。它能实现满空间分集增益和一定的编码增益，但由于其译码复杂度过高，在实际系统中很难应用。

空时分组码(STBC)是STC的另一个重要子类。首先，Alamouti针对两个发射天线，提出了简单的发射分集方法——Alamouti码(参见Alamouti所著论文Asimpletransmitdiversitytechniqueforwirelesscommunications，发表于IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications的第16卷(1998)第8期的第1451–1458页)。随后，Tarokh等将其推广，提出了针对更多发射天线数的STBC(参见Tarokh等所著论文Space-timeblockcodesfromorthogonaldesign，发表于IEEETransactiononInformation的第45卷(1999)第5期的第1456–1467页)。后来人们将两发射天线的Alamouti码和Tarokh提出的多发射天线STBC统称为STBC。与STTC相比，STBC的发射信号具有符号级空时正交特性，使得接收机可用简单的线性合并方式实现最大似然译码的性能。因此，在各种STC技术中，STBC凭借其编译码简单、空间分集增益高的优点具有很强的竞争力，已在第三代移动通信系统(3G)、长期演进系统(LTE)等通信系统得到广泛应用。

因此，为了改善CPM信号的抗多径衰落性能，可以设想将CPM和STBC二者结合，以综合实现两种技术的优点。然而，经典STBC是针对线性调制设计，若将它的符号级正交特性直接应用于CPM，会严重破坏信号的连续相位特性。另一方面，已有一些方法针对一般的STC(非STBC)和CPM结合设计，但它们的接收机往往需要采用叠加了空间维度的多维序列检测算法，计算复杂度近似为单发单收CPM系统计算复杂度的V次方(V为发射天线数)。总之，目前还缺乏既保证编码后的信号保持连续相位特性，又使得接收机能取得计算复杂度和译码性能良好折衷的行之有效的CPM-STBC编码方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种编码简单，且接收计算复杂度较低的基于连续相位调制的空时分组码(CPM-STBC)编码方法及设备。

本发明的目的通过如下措施达到。一种连续相位调制的空时分组码编码方法，其特征在于包括如下步骤：在CPM-STBC编码器中，将输入串并转换器(101)的NU个待编码符号，先通过串并转换器101分成并行的U路符号流，每一路符号流包含N个符号，用向量分别表示为a_i(i＝1,2,…,U)；再将U路符号流分别输入CPM调制器(102)进行连续相位调制，把输出的U路并行的信号分别记为c_i(t)(i＝1,2,…,U)；然后将c_i(t)(i＝1,2,…,U)输入基于相位补偿的子块级STBC编码器(103)，根据经典的符号级STBC编码映射规则对CPM信号进行子块级编码，并在每一路信号的每连续两个数据子块之间插入一个相位补偿子块，输出V路并行的信号分别记为x_j(t)(j＝1,2,…,V)；最后，通过数模变换器DAC将x_j(t)(j＝1,2,…,V)作数模变换处理后，通过V个天线分别发射。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

本发明充分挖掘STBC和CPM的特性，并克服已有方法的不足，在保证编码后的信号具有连续相位特性的前提下，使得接收机能以较低的计算复杂度获得经典STBC的满分集增益。

本发明最大的创新之处在于：在继承经典的符号级STBC编码映射规则基础上，提出子块级STBC编码映射规则；根据子块级STBC编码映射规则对CPM信号进行子块级编码，并在每一路信号的每连续两个数据子块之间插入一个相位补偿子块。这样，CPM-STBC编码器的输出信号具有两大特点：一是相位补偿子块能保证同一发射天线的信号具有连续相位特性，从而保持CPM信号的良好特性；二是STBC编码映射规则保证不同发射天线之间的信号具有子块级正交性，这种正交性使得接收机能以简单的线性合并方法处理接收到的CPM信号，并获得与经典的符号级STBC相似的满分集增益(单接收天线时的分集度为V)，从而减轻无线信道衰落的影响。

因此，与现有技术相比，本发明提出的CPM-STBC编码器具有编码简单，对应接收机能以较低计算复杂度(近似为单发单收CPM接收计算复杂度的U倍)获得满分集增益和优异译码性能的优点，非常适于移动通信、卫星通信等无线通信系统。

附图说明

图1是本发明提出的CPM-STBC编码器原理示意图。

图2是CPM-STBC编码器中基于相位补偿的子块级STBC编码器原理的一个实施例示意图。

图3是2发1收分组码CPM-STBC和1发1收CPM的误码率仿真性能比较曲线示意图。

图中：101串并转换器、102CPM调制器，103基于相位补偿的子块级STBC编码器，201初相提取模块，202相位补偿子块初相计算模块，203相位补偿子块符号序列生成模块，204相位补偿子块波形生成模块，205STBC编码块整体波形生成模块。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。

参阅图1。在以下描述的实施例中，连续相位调制的空时分组码编码设备的CPM-STBC编码器，包括：串并转换器101、U个CPM调制器102和基于相位补偿的子块级STBC编码器103，其中：U个CPM调制器102并联在串并转换器101和基于相位补偿的子块级STBC编码器103之间，基于相位补偿的子块级STBC编码器103通过V个数模变换器DAC串联V个发射天线。输入CPM-STBC编码器的NU个待编码符号先通过串并转换器101分成并行的U路符号，每一路包含N个符号，用向量分别表示为a_i(i＝1,2,…,U)；再将这U路符号分别输入CPM调制器(102)进行常规的连续相位调制，输出U路并行的信号，分别记为c_i(t)(i＝1,2,…,U)；然后将c_i(t)(i＝1,2,…,U)输入基于相位补偿的子块级STBC编码器103进行编码，输出V路并行的信号，分别记为x_j(t)(j＝1,2,…,V)，且x_j(t)(j＝1,2,…,V)均由W个数据子块和W-1个相位补偿子块组成；最后，将x_j(t)(j＝1,2,…,V)作数模变换等其他必要的处理，通过V个天线分别发射。

实施例1。设发射天线数V为2，采用Alamouti码为基础进行STBC编码。Alamouti码根据编码矩阵S定义编码映射规则

式中，s₁和s₂为待编码的线性调制符号，^*为复数的共轭，其中，编码矩阵S满足符号级正交性S^HS＝I，I为单位矩阵，^H为矩阵的共轭转置，且有U＝V＝W＝2，V为CPM-STBC编码器输出的并行信号路数，亦即发射天线个数，W为CPM-STBC编码器输出的每路信号的数据子块个数。根据式(1)定义的编码映射规则含义是：发射天线1和发射天线2在时隙1分别发送s₁和s₂，在时隙2分别发送和可以验证，编码矩阵S满足符号级正交性，即S^HS＝I，I为单位矩阵，(.)^H为矩阵的共轭转置。

此时，CPM-STBC编码器整个处理流程包括以下步骤。

首先，将2N个符号输入串并转换器(101)，生成两个符号流，用向量分别表示为

式中，为取自符号集中独立同分布的M元数据符号，每符号承载的比特数为log₂M。

然后，将a₁和a₂输入CPM调制器(102)，输出得到相应的两路CPM波形

上式中，E_S和T_S分别表示每符号能量和每符号持续时间；h和q(t)分别表示所采用CPM格式的调制阶数和相位脉冲函数；和分别表示第一路CPM波形和第二路CPM波形的初相。函数q(t)包括但不限于以下两种形式：

方波函数积分：

升余弦函数积分：

式(4)和式(5)中的L表示响应阶数：当L＝1时，为全响应调制；当L>1时，为部分响应调制。

最后，将c₁(t)和c₂(t)输入基于相位补偿的子块级STBC编码器(103)进行编码，输出两路并行的编码波形x₁(t)和x₂(t)。基于相位补偿的子块级STBC编码器(103)是本发明的关键所在。在图2所示实施例中，基于相位补偿的子块级STBC编码器(103)可进一步细分为初相提取模块201、相位补偿子块初相计算模块202、相位补偿子块符号序列生成模块203、相位补偿子块波形生成模块204、STBC编码块整体波形生成模块205五个模块，其中，每个模块采用两路依次级联输入后端模块，初相提取模块(201)的两路输入信号c₁(t)和c₂(t)通过STBC编码块整体波形生成模块205输出STBC编码块整体CPM波形x₁(t)和x₂(t)，初相提取模块201得到的两路输入初相和输入相位补偿子块符号序列生成模块203，相位补偿子块初相计算模块202得到的两路输入初相和输入相位补偿子块波形生成模块204。整个处理流程如下(不失一般性，设L＝1)。

第一步：初相提取。从CPM调制器(102)输入至初相提取模块(201)的信号c₁(t)和c₂(t)中分别提取c₁(t)和c₂(t)的初相和

第二步：相位补偿子块初相计算。相位补偿子块初相计算模块(202)利用和按如下公式计算第1路信号相位补偿子块和第2路信号相位补偿子块的初相和

式中，mod(a,b)表示a对b求模，a和b为实数。

第三步：相位补偿子块的符号序列生成。相位补偿子块符号序列生成模块(203)利用和和并根据该CPM信号的相位状态转移图按如下公式生成第1路信号相位补偿子块和第2路信号相位补偿子块对应的符号序列向量b₁和b₂，

这里D为相位补偿子块对应的符号个数。

第四步：相位补偿子块波形生成。相位补偿子块波形生成(204)利用和b₁和b₂按如下公式生成第1路信号相位补偿子块和第2路信号相位补偿子块对应的CPM波形x_C,1(t)和x_C,2(t)。

第五步：STBC编码块整体CPM波形生成。STBC编码块整体波形生成(205)利用c₁(t)和c₂(t)、x_C,1(t)和x_C,2(t)按如下公式生成两路信号对应的STBC编码块整体CPM波形x₁(t)和x₂(t)。

和

式(9)和式(10)中的因子表示发射功率归一化(两个发射天线)。

经过以上5步生成的x₁(t)和x₂(t)具有如下特点：

从时域上看，x₁(t)和x₂(t)都由三个子块构成：数据子块1、相位补偿子块、数据子块2。其中，数据子块1和数据子块2为信息数据承载部分，用矩阵形式可表示为

可以看出，式(11)右边的矩阵与式(1)给出的矩阵S具有相似的形式，即x₁(t)和x₂(t)具有子块级正交特性。这使得接收机可利用简单的线性合并方式获得满空间分集增益(单接收天线时的分集度为2)。

相位补偿子块为开销部分，用于保证同一路波形两个子块之间的相位连续性。以x₁(t)为例，其数据子块1的末相为数据子块2的初相为因此要求相位补偿子块的初相和末相分别为和而按照式(8)生成的波形x_C,1(t)恰好满足。同理，x₂(t)的相位补偿子块波形也具有这种特点。

从总体看，数据子块的持续时间为2NT_S，相位补偿子块的持续时间为DT_S，开销比为D/(2N+D)。通常，D由CPM信号的相位状态转移图决定，对常用的CPM，一般有D<10，而N的取值一般为数十至数百。因此，开销比是很小的，即CPM-STBC总的编码效率几乎等于Alamouti码的编码效率。

如图3所示，通过仿真比较了衰落信道下2发1收CPM-STBC和1发1收CPM的误码率性能曲线。仿真条件和主要参数为：信道为准静态(信道在一个编码块持续时间内保持不变)Rayleigh衰落，相位脉冲函数q(t)为式(4)给出的方波函数积分，调制阶数h＝1/2，响应阶数L＝1，符号表大小M＝4(对应2比特每符号)。

从图3可看出，2发1收的CPM-STBC相对于1发1收CPM获得了分集度为2的分集增益(在中高信噪比区域，前者的误码率—信噪比曲线的斜率是后者的2倍)。

对于V>2的多天线系统，可根据前述Tarokh等所发表论文中的经典符号级STBC编码矩阵，按照以上所述方法和步骤进行类似的CPM-STBC编码即可。以该论文中针对V＝4的编码矩阵G₄为例，其映射规则为

此时有U＝4，W＝8。即CPM-STBC编码器将输出4路信号，每一路信号均包括8个数据子块和7个相位补偿子块，在通常的D和N取值条件下，其编码效率几乎等于G₄的编码效率。对应的接收机同样可利用简单的线性合并方式获得满空间分集增益(单接收天线时的分集度为4)。

综上所述，通过本发明提供的CPM-STBC编码器，在保证编码后的每一路信号具有连续相位特性的前提下，使得不同发射天线的信号之间具有子块级正交特性，从而保证接收机能以较低的计算复杂度获得满分集增益。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。