CN110011947A - 一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，属于无线移动通信领域。该方法包括：S1：自适应调节：利用ISI矩阵分解后的特征向量生成自适应调节向量值；S2：FTN调制：将待传输信号以大于传统奈奎斯特采样的速率与脉冲成型函数进行卷积，然后将卷积后得到的待发送信号通过射频发出；S3：匹配滤波：将接收端所接收到的信号进行匹配滤波，然后将匹配滤波的输出信号以超奈奎斯特采样速率进行采样得到处理后信号；S4：分解：将分解向量值与匹配滤波输出的信号矩阵相乘。本发明提高了发送信号的传输速率，完全消除了码间干扰，降低了接收端解码的复杂度。

Description

一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制 方法

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，涉及一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法。

背景技术

当***中信息符号的传输速率高于奈奎斯特定理所规定的具***间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)自由传输的速率时，称该***为超奈奎斯特传输***。超奈奎斯特(Faster-Than-Nyquist，FTN)的概念最早是在20世纪70年代由Mazo所提出的，1975年10月Mazo在System Technical Journal的“Faster-Than-Nyquist Signaling”一文中表明了FTN相比于传统奈奎斯特在同一带宽内以相同能量可以携带更多数据而不会损失其性能。传统奈奎斯特脉准则强调的是信号的正交性以避免符号间干扰，然而FTN***中引入ISI是需要牺牲带宽效率来保证其正交性，但是也提供了更高的数据传输速率和更大的FTN信号容量。

公开号CN105634545 A的专利文献公开了一种超奈奎斯特通信***中基于矩阵分解的干扰消除方法，主要贡献在于解决避免网格解码器所导致的计算复杂度过高以及干扰消除。在该方法中，将ISI矩阵分为上下三角矩阵，然后在采用串行干扰消除方法的基础上，进一步将ISI矩阵、发送信号序列以及接收信号进行分块，然后通过解调得到消除干扰过后的信号序列。公开号CN106302277 A的专利文献公开了一种超奈奎斯特调制***及方法，主要贡献在于通过在发送端对待发送的星座点进行预编码来消除ISI，进而提高***传输性能。已公开的这些方法主要解决了超奈奎斯特传输***中所存在的码间干扰等问题，但是上述方法都是进行的串行干扰消除，这就使得算法的复杂度较大，同时也降低了在信道中信息发送的效率。另外，还未考虑到接收机检测延迟的增加与ISI抽头系数的大小之间的关系，这就导致了解调算法的复杂度依旧很高。

本发明在此基础上在发射端添加一个自适应调节模块来降低码间干扰，接收端添加一个分解模块，使其完全的消除ISI。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，在提高信息发送效率的同时也考虑了检测延迟与ISI抽头系数大小之间的关系，从而降低解调的复杂度以及提高***的误码率性能和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，将发送信号依次通过发射端的自适应调节模块、FTN调制模块，以及接收端的匹配滤波模块和分解模块处理，以此消除码间干扰；具体步骤为：

S1：自适应调节模块处理：利用ISI矩阵分解后的特征向量生成自适应调节向量值；

S2：FTN调制模块处理：将待传输信号以大于传统奈奎斯特采样的速率与脉冲成型函数进行卷积，然后将卷积后得到的待发送信号通过射频发出；

S3：匹配滤波模块处理：将接收端所接收到的信号进行匹配滤波，然后将匹配滤波的输出信号以超奈奎斯特采样速率进行采样得到处理后信号；

S4：分解模块处理：将利用ISI矩阵分解的特征向量所生成的分解向量值与匹配滤波输出的信号矩阵相乘，得到消除ISI的信号。

进一步，所述步骤S1具体包括：根据超奈奎斯特传输***的参数确定ISI矩阵H，并将所生成的ISI矩阵H进行特征分解得到H＝pΛp^H，其中p、p^H为特征向量所构成的矩阵，Λ为对角矩阵；然后根据特征向量矩阵p得到自适应调节向量值。

进一步，所述ISI矩阵H生成的参数包含有：脉冲成型函数的滚降系数β、压缩因子τ以及生成的矩阵维数N和信号序列的长度I，其中N≤I。

进一步，所述脉冲成型函数由根升余弦滤波器构成。

进一步，所述步骤S3具体包括：接收端接收发送信号经过匹配滤波，将信号以大于传统奈奎斯特的采样速率与脉冲成型函数进行卷积，然后将卷积后的信号以超奈奎斯特采样速率进行采样。

进一步，步骤S4中，所述分解向量值获取方式包括：根据超奈奎斯特传输***的参数确定ISI矩阵H，将所生成的ISI矩阵H进行特征分解后得到特征向量矩阵p^H，然后根据特征向量矩阵p^H得到分解模块中消除ISI的矩阵。

本发明的有益效果在于：本发明通过发射端将信号经过自适应调节模块来降低码间干扰；接收端信号进入分解模块消除信号的ISI。本发明应用自适应调节和分解矩阵的方法可以极大的降低超奈奎斯特通信***调制算法的复杂度，同时也降低了信号在解调算法中的复杂度。本发明基于矩阵的计算使得***中检测延迟与ISI抽头组的大小无关，减少了接收器检测延迟，从而大大降低了接收端解码的复杂度

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例中超奈奎斯特调制***的模块示意图；

图2为本发明实施例中超奈奎斯特调制***实***框架示意图；

图3为本发明实施例中超奈奎斯特调制***模型示意图；

图4为本发明所述干扰消除调制方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图4，图1为本发明采用的超奈奎斯特调制***的模块示意图，超奈奎斯特的***模型包括：发射端的自适应调节模块、FTN调制模块、信道、接收端的匹配滤波模块、分解模块以及解调模块。***的模型参数有脉冲成型函数的滚降系数β，时间压缩因子τ和信号传输形成矩阵的维数N。

参阅图2、图3，本发明采用的超奈奎斯特调制***前，首先在发射端生成待传输线性调制的基带信号：

其中，τ＝T_F/T，τ∈(0,1]为压缩因子，τ＝1时遵守正交调制的正交信号，τ＜1时为FTN信号，T＝1/(2B)为传统奈奎斯特码元传输时间间隔，B为***带宽。待发送的二进制码元序列向量为a_i＝[a₁,a₂,a₃,...,a_I]^T，h(t)为根升余弦成形脉冲具有单位能量，即相应的FTN传输码元速率为1/(τT)。将发送端的所有脉冲归一化因子设为用于降低脉冲能量并保持发送端的功率恒定，即

当待传输线性调制的基带信号通过射频端发射天线发送出去，此时接收端接收的信号表示为：

r(t)＝S(t)+w(t) (2)

其中，假设w(t)是传输过程中均值为0，方差为δ²的有色噪声。

故接收端通过超奈奎斯特传输***调制得到的存在有ISI矩阵的信号序列为：

把式(1)和式(2)代入式(3)中得到如下：

其中，表示ISI抽头组系数，表示经过滤波之后的噪声样值。

其中，***参数包含根升余弦滚降系数β，时间压缩因子τ以及将信号脉冲总长度I的信号序列划分为长度N的传输信号序列，由于FTN***中存在有ISI，因此接收端接收的信号序列含有的ISI可以用矩阵形式表示为

即

把传输信号序列长度I划分为每个长度为N的序列，因此ISI矩阵阶数表示为N，矩阵H为ISI矩阵。

如上所述经过匹配滤波之后FTN信号用矩阵形式表示为：

FTN信号经过匹配滤波之后具有ISI，即

FTN调制信号中每个符号所受到的干扰都是来源于前一个输入的符号以及后一个所输入的符号。

当信号序列干扰消除之后经过匹配滤波，此时的信号不存在ISI，即因此利用矩阵进行相关的计算可以得到所需序列，从而实现码间干扰消除。

参阅图4，本发明的干扰消除调制方法对超奈奎斯特***调制检测，具体步骤如下：

第一步，由在FTN***调制中得到的干扰矩阵H进一步特征分解得到：

H＝pΛp^H (7)

其中p、p^H为特征向量所构成的矩阵，Λ＝diag(λ_1,1,λ_2,2,λ_3,3,…,λ_n,n)对角矩阵为H矩阵的特征值所构成。因此自适应调节模块所生产的降低码间干扰的矩阵向量u、分解模块所产生的完全消除干扰矩阵u^H，都是由特征分解所得到的特征向量所构成的。

第二步，把待发送的二进制码元序列向量A＝a_i＝[a₁,a₂,a₃,...,a_I]^T，经过自适应调节模块后得到x(t)＝A·u，其中u·p为维数为N的单位矩阵，同时信号在信道中采用独立并行的方式传输，因此在发射端信号经过自适应调节模块之后会降低码间干扰也会提高信号发送速率。

第三步，把接收端接收得到的信号经过匹配滤波模块以大于传统奈奎斯特采样的速率与脉冲成型函数进行卷积，然后把卷积后的信号序列经过分解矩阵得到C＝r(t)·u^H，其中u^H·p^H为维数为N的单位矩阵，最后得到消除干扰后的信号序列A。

在第一步中，主要就是根据FTN调制所产生的干扰矩阵H特征分解后的特征向量来确定自适应调制和分解模块的向量值。第二步和第三步都是对干扰矩阵H的一种化简方式，最终得到一个对角矩阵Λ，此时干扰被消除。另外，本发明的传输信道可以根据干扰矩阵H特征分解后的对角矩阵Λ而传送信息量。

第四步，对接收端消除ISI之后的信号序列解调。如上所述FTN调制信号表示为矩阵形式，利用矩阵分解等相关运算消除ISI之后，在接收***中进行后续解调，得到输出信号序列。

其中，本发明采用ISI消除的方案利用矩阵分解等相关算法，相比传统消除ISI的方案，由于不是基于网格解码所以接收端的复杂度会降低，同时也不会影响到***检测时延和抽头系数的大小。

第五步，检测解码后的信号序列。把解码所得的信号序列与源信号序列进行误码分析，进一步改善FTN传输通信性能。

本发明通过发送端的自适应调节模块利用生成的自适应调节向量值降低待发送信号的干扰，从而提高发送信号的传输速率；接收端的分解模块利用所生成的分解向量值消除码间干扰。本发明可以解决超奈奎斯特传输***中存在的码间干扰等问题，对比其他干扰消除的算法方案，本发明的优势在于基于矩阵的计算使得***中检测延迟与ISI抽头组的大小无关，减少了接收器检测延迟，从而大大降低了接收端解码的复杂度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，其特征在于，该方法是将发送信号依次通过发射端的自适应调节模块、超奈奎斯特(Faster-Than-Nyquist，FTN)调制模块，以及接收端的匹配滤波模块和分解模块处理，以此消除码间干扰；具体步骤为：

S1：自适应调节模块处理：利用码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)矩阵分解后的特征向量生成自适应调节向量值；

S2：FTN调制模块处理：将待传输信号以大于传统奈奎斯特采样的速率与脉冲成型函数进行卷积，然后将卷积后得到的待发送信号通过射频发出；

S3：匹配滤波模块处理：将接收端所接收到的信号进行匹配滤波，然后将匹配滤波的输出信号以超奈奎斯特采样速率进行采样得到处理后信号；

S4：分解模块处理：将利用ISI矩阵分解的特征向量所生成的分解向量值与匹配滤波输出的信号矩阵相乘，得到完全消除ISI后的信号。

2.根据权利要求1所述的一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：根据超奈奎斯特传输***的参数确定ISI矩阵H，并将所生成的ISI矩阵H进行特征分解得到H＝pΛp^H，其中p、p^H为特征向量所构成的矩阵，Λ为对角矩阵；然后根据特征向量矩阵p得到自适应调节向量值。

3.根据权利要求2所述的一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，其特征在于，所述ISI矩阵H生成的参数包含有：脉冲成型函数的滚降系数β、压缩因子τ以及生成的矩阵维数N和信号序列的长度I，其中N≤I。

4.根据权利要求3所述的一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，其特征在于，所述脉冲成型函数由根升余弦滤波器构成。

5.根据权利要求1所述的一种超奈奎斯特传输***中基于分解矩阵的干扰消除调制方法，其特征在于，步骤S4中，所述分解向量值获取方式包括：根据超奈奎斯特传输***的参数确定ISI矩阵H，将所生成的ISI矩阵H进行特征分解后得到特征向量矩阵p^H，然后根据特征向量矩阵p^H得到分解模块中消除ISI的矩阵。