CN108322415B - 一种多载波频幅相组合调制及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波频幅相组合调制及解调方法,该方法包括以下步骤：根据可用带宽内的多个载波频率以及载波频率的多个幅度属性和多个相位属性，构建不同属性的载波及其组成的载波集合，由载波集合的子集总数，确定该载波集合的每个不同组合、不同属性子集所携带的信息量后，建立每个子集与所要传输信息之间的映射关系表，即可根据映射关系表选择与所要传输的信息相应的子集，将该子集中的载波进行叠加完成调制后发送给接收方。本发明可提高频谱利用率和数据传输速率，且当载波频率的数量、幅度属性的数量、相位属性的变大时，经本方法调制成的载波信号的每个符号周期所能传输的信息量会急剧增加，优势更加明显。

Description

一种多载波频幅相组合调制及解调方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种多载波频幅相组合调制及解调方法。

背景技术

在无线电通信、光通信及声通信***中，由于频谱资源的有限性和信息化时代人们对高速通信的需求，如何提高通信***数据的传输速率及可用带宽内频谱的利用率成为当今通信领域急需解决的关键问题之一。高数据传输率和高频谱利用率必然要求新型的调制解调技术。目前，现有的调制技术有：

MASK(多进制数字幅度调制)技术，MASK技术采用载波的幅度携带基带信息，被调制的载波信号振幅共有M种取值，每一种取值代表一位M进制符号；

MFSK(多进制数字频率调制)技术，MFSK技术是采用载波的频率携带基带信息，每一位M进制的符号用一种频率的波形表示；

MPSK(多进制数字相位调制)技术，MPSK技术是采用载波信号的相位携带基带信息，其用正弦波的M个相位状态表示不同的M进制符号；

QAM(正交振幅调制)技术，QAM使用两路相互独立的基带波形对两个相互正交的同频载波分别进行MASK调制，也就是说QAM信号是由两路载波正交的MASK信号叠加而成；该调制方式通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(l6QAM)、八进制QAM(64QAM)。

上述调制技术普遍频谱利用率相对较低，数据传输速率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种多载波频幅相组合调制及解调方法，以提高通信***数据的传输速率及可用带宽内频谱的利用率，解决现有调制技术存在的频谱利用率相对较低、数据传输速率不高问题。

为实现上述目的，本发明提供一种多载波频幅相组合调制方法，该方法包括以下步骤：构建多个载波以及所述多个载波组成的载波集合；根据所述载波集合中的载波的载波频率以及所述载波频率的幅度属性和相位属性确定所述载波集合的子集总数；根据所述载波集合的子集总数，确定所述载波集合的每个子集所携带的信息量，并建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表；根据所述映射关系表，选择与所要传输的信息相应的子集，以及将所述子集中的载波进行叠加并发送。

优选的，所述构建多个载波以及所述多个载波组成的集合，包括：所述多个载波的载波频率均属于可用带宽内的频率；所述载波的载波频率均具有多个幅度属性和多个相位属性。

优选的，所述载波集合的子集总数通过以下公式计算：

其中，Num为所述载波集合不同组合、不同属性的子集总数，N为所述载波集合中的载波的载波频率的数量，P为每个载波频率的幅度属性的数量，Q为每个载波频率的相位属性的数量，i为自然数。

优选的，所述根据所述集合的子集总数，确定所述载波集合的每个子集所携带的信息量，包括：确定所要传输的数据的进制；根据所述集合的子集总数和所要传输的数据的进制，确定所述载波集合每个子集所携带的信息量。

优选的，所述建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表，包括：将所述载波集合的每个子集表示一个所述进制的数，建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表。

优选的，所述将所述子集中的载波进行叠加并发送，包括：将所述子集中的载波在频域中相加，得到所要传输的信息对应的载波信号；将所述载波信号转换为时域信号；将所述时域信号发送给接收方。

优选的，所述多个载波为正交频分复用，或者为由频域保护频带隔开的频分复用。

为实现上述目的，相应于本发明提供的上述多载波频幅相组合调制方法，本发明还提供一种多载波信号解调方法，该方法包括以下步骤：接收载波信号；将所述载波信号转换成频域载波信号；对所述频域载波信号进行频谱分析，得到的子载波及其幅值、相位；根据所述子载波的幅值、相位，查找映射关系表，得出载波映射的二进制数据。

优选的，所述对所述频域载波信号进行频谱分析，包括对所述频域载波信号中的子载波进行检测，并对检测到的子载波幅值、相位进行估计。

与现有调制技术相比，采用本发明提供的多载波频幅相组合调制即解调方法，可提高频谱利用率和数据传输速率。比如在载波数N＝2，载波调制幅值数P＝1，载波调制相位数Q＝2时，本方法中每个符号周期至少可以传输3bit二进制信息。而对应的传统调制解调技术2FSK和BPSK每个符号周期只能传输1bit二进制信息。即使采用二载波PSK传输，每个符号周期也只能传输2bit二进制信息。并且当载波频率的数量N、幅度属性的数量P、相位属性的Q变大时，本方法最终实现每个符号周期所能传输的信息量急剧增加，优势更加明显。

附图说明

图1是本发明实施例多载波频幅相组合调制方法的流程图；

图2是本发明实施例中载波集合各个不同属性的子集与二进制数的映射关系示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

S101：构建多个载波以及所述多个载波组成的载波集合；

具体地，在可用带宽内选择N个载波频率，并针对每个载波频率设定P个幅度属性和Q个相位属性，构建多个不同幅度、载波频率、相位的载波。例如：

其中，A_k为载波

的幅度，表示载波频率f_i的幅度属性，1≤k≤P，P≥1；f_i为载波

的载波频率，1≤i≤N，N≥2；

为载波

的相位，表示载波频率f_i的相位属性，1≤j≤Q，Q≥1。

将得到的多个不同幅度、载波频率、相位的载波构成集合。例如：集合C为不同幅度A_k、载波频率f_i、相位

的载波

构成的集合。

为了正确传输信息，实现载波集合中的载波之间相互不干扰，上述构建的多个载波既可以是正交频分复用(OFDM)，也可以由频域保护频带隔开的频分复用(FDM)。由于传统的FDM和OFDM达到子载波之间互不干扰的方法不同。FDM每个子载波之间是不重叠的，但为了减少载波间干扰，载波之间是留有空余频谱的，而OFDM的子载波是相互重叠的，但是在每个子载波的采样点，其他载波取值为0，因此也可达到正交的目的。本实施例通过构建既可以是正交频分复用(OFDM)的载波，也可以是由频域保护频带隔开的频分复用(FDM)的载波。这样相对于FDM或OFDM而言，使载波集合中各载波可以实现部分重叠，进而节省带宽资源，提高频谱利用率。

S102：根据所述集合中的载波的载波频率以及所述载波频率的幅度属性和相位属性确定所述集合的子集总数；

具体地，将上述载波集合中的各个载波的载波频率f₁,f₂,…,f_N组成载波频率的集合F＝{f₁,f₂,…,f_N}。由步骤S101可知，集合F中的载波频率都有P个幅度属性，和Q个相位属性。基于组合数学理论，并根据每个载波频率的P个幅度属性a₁、a₂、…、a_P和Q个相位属性

确定集合F不同组合、不同属性的子集总数，并将集合F的子集总数作为所述载波集合的子集总数，集合F的子集总数通过以下公式计算：

公式(I)中，Num为集合F不同组合、不同属性的子集总数，也为所述载波集合的子集总数，N为所述载波集合中所有载波的载波频率的数量，P为每个载波频率的幅度属性的数量，Q为每个载波频率的相位属性的数量，i为自然数。

S103：根据所述载波集合的子集总数，确定所述载波集合的每个子集所携带的信息量，并建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表；

具体地，由步骤102可知，集合F的子集总数即为所述载波集合的子集总数。将所述载波集合的每个不同属性的子集对应于一个数字，则Num个不同属性的子集表示Num个不同的数。根据需求将该Num个数转换成需要的进制数，具体如下：

当选择S进制为需要的进制时，若Num≥S^M，则每个不同属性的子集所携带的信息量至少为M位S进制的数据。将每个不同属性的子集与每个M位S进制数对应，建立每个不同属性的子集与M位S进制数之间的映射关系，得到用于表示每个不同属性的子集与所要传输信息之间的映射关系表，例如：

当将该Num个不同属性的子集表示Num个二进制数时，若Num≥2^M，则该Num个不同属性的子集可以表示M位二进制数，在进行二进制数据传输时，每个不同属性子集至少可以携带M位的二进制信息，具体为：

N＝2，即集合F＝{f₁,f₂}＝{9KHz,10KHz}；

P＝1，即A＝{a₁}＝{5V}；

Q＝2，即

则由公式(1)，得：

所以，当N＝2，P＝1，Q＝2时，得到9个不同属性的子集，对应9个数，将该9个数转换成二进制数，得到每个不同属性的子集均可表示3位二进制数，在进行二进制数据传输时，每个不同属性子集至少可以携带3位的二进制信息。

图2是载波集合各个不同属性的子集与二进制数的映射关系示意图。如图2-1至2-9所示，其中，图2-1为冗余子集

在此没有映射二进制信息。图2-2至2-9分别映射二进制信息000到111，具体如下：

图2-2表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

时的子集，其映射为二进制数000；

图2-3表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

时的子集，其映射为二进制数001；

图2-4表示载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

时的子集，其映射为二进制数010；

图2-5表示载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

时的子集，其映射为二进制数011；

图2-6表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波，和载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波组成的子集，其映射为二进制数100；

图2-7表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波，和载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波组成的子集，其映射为二进制数101；

图2-8表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波，和载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波组成的子集，其映射为二进制数110；

图2-9表示载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波，和载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波组成的子集，其映射为二进制数111。

S104：根据所述映射关系表，选择与所要传输的信息相应的子集，以及将所述子集中的载波进行叠加并发送；

具体地，当要采用载波向外传输信息时，根据所要传输的信息，在映射关系表中查找与所要传输的信息相应的子集，将子集中的载波叠加后发送给接收方。例如：当要向外传输二进制数据111时，则根据映射关系表，如图2-9所示，找到和111对应的子集，即载波频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波，和载波频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波组成的子集，将该子集中的这两个载波叠加后发送个接收方。上述两个载波的叠加过程在频域实现，具体叠加过程如下：

首先，产生频率为f₁＝9KHz、幅度属性为a₁＝5V、相位属性为

的载波1，然后产生频率为f₂＝10KHz、幅度属性为a₁＝5V，相位属性为

的载波2；

其次，将载波1和载波2相加，即可得到数据“111”对应的载波；

再者，通过逆傅立叶变换(IFFT)，将数据“111”对应的载波信号(此时为频域载波信号)转换为时域信号；

最后，通过发射机将数据“111”对应的时域信号发送给接收方。

相应于上述实施例中的多载波频幅相组合调制方法，本发明实施例还提供了一种多载波信号解调方法，该方法的步骤包括：

接收载波信号；

通过逆傅立叶变换(IFFT)，将所述载波信号转换成频域载波信号；

对所述频域载波信号进行频谱分析，包括对所述频域载波信号中的子载波进行检测，并对检测到的子载波幅值、相位进行估计，得到的子载波及其幅值、相位；

根据所述子载波的幅值、相位，查找映射关系表，得出载波映射的二进制数据。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多载波频幅相组合调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建多个载波以及所述多个载波组成的载波集合；

根据所述载波集合中的载波的载波频率以及所述载波频率对应载波的幅度属性和相位属性确定所述载波集合的子集总数；

根据所述载波集合的子集总数，确定所述载波集合的每个子集所携带的信息量，并建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表；

根据所述映射关系表，选择与所要传输的信息相应的子集，以及将所述子集中的载波进行叠加并发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建多个载波以及所述多个载波组成的集合，包括：

所述多个载波的载波频率均属于可用带宽内的频率；所述载波的载波频率对应载波均具有多个幅度属性和多个相位属性。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述载波集合的子集总数通过以下公式计算：

其中，Num为所述载波集合不同组合、不同属性的子集总数，N为所述载波集合中的载波的载波频率的数量，P为每个载波频率的幅度属性的数量，Q为每个载波频率的相位属性的数量，i为自然数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述集合的子集总数，确定所述载波集合的每个子集所携带的信息量，包括：

确定所要传输的数据的进制；

根据所述集合的子集总数和所要传输的数据的进制，确定所述载波集合每个子集所携带的信息量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表，包括：

将所述载波集合的每个子集表示一个所述进制的数，建立所述每个子集与所要传输信息之间的映射关系表。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述子集中的载波进行叠加并发送，包括：

将所述子集中的载波在频域中相加，得到所要传输的信息对应的载波信号；

将所述载波信号转换为时域信号；

将所述时域信号发送给接收方。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个载波为正交频分复用，或者为由频域保护频带隔开的频分复用。

8.一种多载波信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收载波信号；

将所述载波信号转换成频域载波信号；

对所述频域载波信号进行频谱分析，得到所述频域载波信号的子载波及其幅值、相位；

根据所述子载波及其幅值、相位，查找映射关系表，得出载波映射的二进制数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述频域载波信号进行频谱分析，包括对所述频域载波信号中的子载波进行检测，并对检测到的子载波幅值、相位进行估计。

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