正交信号的多维星座图构建方法技术

一种正交信号的多维星座图构建方法，应用于无线通信系统的发射端，该方法包括以下步骤：在正交信号集合中选取K个正交信号；将K个正交信号进行扩展，组成K维线性空间的一组正交基v1,v2,...,vK；将该组正交基v1,v2,...,vK张成线性子空间V；在线性子空间V中选取M个星座点，该M个星座点构成多维星座图；及对所述多维星座图进行优化，得到优化后的多维星座图。本发明专利技术可以提高正交信号系统的频谱效率，突破原有正交信号调制信号基个数为2的幂次方的限定，提高系统设计的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
正交信号的多维星座图构建方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及正交信号系统发射端星座图构建。
技术介绍
现代通信系统中，当接收机与发射机之间相对运动过快，存在较大多普勒频移，或接收机相位噪声较大，系统载波无法准确估计或跟踪时，正交信号调制(如MFSK(multiplefrequencyshiftkeying，多进制频移键控)、PPM(pulsepositionmodulation，脉冲位置调制)等)是一种常用的信号设计形式。其典型的应用场景包括航空、航天系统中的通信平台以及陆基固定或移动的军用通信平台等。正交信号调制通过选取信号空间中某一正交基信号来传输信息，其调制阶数受限于正交基个数，频谱效率随正交基维度的增加而急剧下降。例如在4FSK中，存在4个正交频点{f1,f2,f3,f4}，当发送f1时，表示信息00，发送f2时，表示信息01，发送f3时，表示信息10，发送f4时，表示信息11。4FSK系统包含4个频点，只能携带2比特信息，若要增加每符号所携带的比特数，必须增大正交信号个数。然而，增大正交信号个数，将导致频谱效率急骤下降。频谱效率是衡量信号传输方式的一个重要指标。更为一般地，以MFSK为例，满足频率间正交性的最小频率间隔为1/2T，T为符号周期，MFSK由M＝2k个正交的频点组成，则传输k＝log2M位信息比特所需要的最小带宽为：其中，R为比特速率，则MFSK的频谱效率为：显然在这种情况下，频谱效率随着M的增大而迅速降低。正交信号的低频谱效率特性，将影响正交信号的应用场合。
技术实现思路
鉴于以上内容，有必要提供一种正交信号的多维星座图构建方法，可以突破传统正交信号调制信号选取方式单一的制约，提高正交信号调制的频谱效率。一种正交信号的多维星座图构建方法，应用于无线通信中，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在正交信号集合中选取K个正交信号(α1,α2,...,αK)，其中K为正整数；S2，将K个正交信号(α1,α2,...,αK)进行扩展，组成K维线性空间的一组正交基：v1＝(α1,0,...,0)，v2＝(0,α2,0,...,0)，…，vK＝(0,0,...,αK)；S3，将该组正交基v1,v2,...,vK张成线性子空间V，即：V＝span(v1,v2,...,vK)＝{λ1v1+λ2v2+...+λKvK|λ1,λ2,...,λK∈R}，其中R为实数集；S4，在线性子空间V中选取M个星座点，即：sm＝sm1v1+sm2v2+...+smKvK,1≤m≤M，该M个星座点构成多维星座图，其中，M为调制阶数；及S5，对所述多维星座图进行优化，得到优化后的多维星座图。本专利技术将发送信号星座图选定在由若干正交基所张成的多维信号空间内，将一维调制扩展至多维，利用多维调制扩展了调制信号集，在此基础上采用最优化理论与方法，优化星座图构建。基于本专利技术构造的正交信号多维星座图，其显著特点在于：a.极大提高正交信号系统的频谱效率；b.突破原有正交信号调制信号基个数必须为2的幂次方的限定，提高系统设计的灵活性。附图说明图1所示，是本专利技术正交信号的多维星座图构建方法较佳实施例的应用环境示意图。图2是本专利技术正交信号的多维星座图构建方法较佳实施例的流程图。图3是在线性子空间中选取星座点的示意图。图4是K＝3，M＝8时，优化后的多维星座图。图5是K＝3，M＝16时，优化后的多维星座图。图6是K＝3，M＝32时，优化后的多维星座图。主要元件符号说明发射端1星座图构建程序10存储设备11处理器12如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式本专利技术提出的正交信号的多维星座图构建方法，结合附图及实施例详细说明如下。所述正交信号的多维星座图构建方法应用于无线通信中，可广泛应用于各种正交信号系统，如军用跳频系统以及基于脉冲调制的UWB(UltraWideband，超宽带)系统等。图1是本专利技术正交信号的多维星座图构建方法较佳实施例的应用环境示意图。所述正交信号的多维星座图构建方法应用于无线通信系统的发射端1。所述发射端1包括星座图构建程序10、存储设备11及处理器12。所述存储设备11存储星座图构建程序10的程序代码及运行过程中所需的数据。所述处理器12执行所述星座图构建程序10的程序代码以实现所述正交信号的多维星座图构建方法。图2是本专利技术正交信号的多维星座图构建方法较佳实施例的流程图。对于采用正交信号调制的无线通信系统，其多维星座图的构造方法按照以下步骤进行：步骤S201，在正交信号集合中选取K个正交信号(α1,α2,...,αK)，用于数据传输。与传统正交信号系统不同的是，此时K不再限定为2的幂次方，其取值为小于等于所述正交信号集合元素个数的任意正整数。步骤S202，将K个正交信号(α1,α2,...,αK)进行扩展，组成K维线性空间的一组正交基：v1＝(α1,0,...,0)，v2＝(0,α2,0,...,0)，…，vK＝(0,0,...,αK)。步骤S203，将该组正交基v1,v2,...,vK张成线性子空间V，即：V＝span(v1,v2,...,vK)＝{λ1v1+λ2v2+...+λKvK|λ1,λ2,...,λK∈R}，其中R为实数集。步骤S204，在线性子空间V中选取M个星座点，即：sm＝sm1v1+sm2v2+...+smKvK,1≤m≤M，该M个星座点构成多维星座图，其中，M为调制阶数。在本实施例中，调制阶数M的取值为M＝2b，其中b为单个符号所携带的比特数，M的取值与正交基个数K无关。以正交频移键控为例，在正交频率集合中选取3个正交频点{f1,f2,f3}，组成三维空间的一组正交基v1＝(f1,0,0)，v2＝(0,f2,0)，v3＝(0,0,f3)。在由v1,v2,v3所张成的线性子空间内，选取M个点，作为发送信号星座点。如图3所示，是在线性子空间V中选取星座点的示意图，此时M＝8。步骤S205，对所述多维星座图进行优化，得到优化后的多维星座图。在本实施例中，将多维星座图的优化问题，转化为带电粒子在单位球面的静态分布问题。当若干个带电粒子被放置在单位球面时，由于粒子间的相互排斥作用，粒子会产生运动，最终达到一种静态分布，该分布状态下，粒子能量达到最小化，同时，粒子间的最小距离达到最大化。将该原理用于多维星座图的优化，假设星座点向量为S＝(s1,s2,...,sM)T，其中，sm＝(sm1,sm2,...,smK),1≤m≤M，则优化问题的目标函数表示为：所述功率约束条件为：每个符号的发射功率都为P，即：优化后所述星座点位于半径为的多维球体表面。若P归一化为1，则优化问题的约束条件表示为：在本实施例中，采用高斯下降迭代算法搜索最佳星座图的分布。假设每次搜索星座图位置向量的取值依次为：S1,S2,...,S*，其中，S*为最优星座图分布。初始化第1次搜索星座图向量的取值：使其满足功率约束条件：进行迭代搜索，每次搜索依据高斯下降迭代算法进行。假设第i次搜索得到的位置向量为则第i+1次位置向量的每个元素表示为：其中，αm为常量，表示目标函数在处的导数。在每次迭代过程中，为了满足功率约束条件，对位置向量进行归一化处理。判断不等式的取值。若不等式取值为真(即不等式成立)，则中止迭代，最优星本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正交信号的多维星座图构建方法，应用于无线通信系统的发射端，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在正交信号集合中选取K个正交信号(α1,α2,...,αK)，其中K为正整数；S2，将K个正交信号(α1,α2,...,αK)进行扩展，组成K维线性空间的一组正交基：v1＝(α1,0,...,0)，v2＝(0,α2,0,...,0)，…，vK＝(0,0,...,αK)；S3，将该组正交基v1,v2,...,vK张成线性子空间V，即：V＝span(v1,v2,...,vK)＝{λ1v1+λ2v2+...+λKvK|λ1,λ2,...,λK∈R}，其中R为实数集；S4，在线性子空间V中选取M个星座点，即：sm＝sm1v1+sm2v2+...+smKvK,1≤m≤M，该M个星座点构成多维星座图，其中，M为调制阶数；及S5，对所述多维星座图进行优化，得到优化后的多维星座图。

【技术特征摘要】
1.一种正交信号的多维星座图构建方法，应用于无线通信系统的发射端，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在正交信号集合中选取K个正交信号(α1,α2,...,αK)，其中K为正整数；S2，将K个正交信号(α1,α2,...,αK)进行扩展，组成K维线性空间的一组正交基：v1＝(α1,0,...,0)，v2＝(0,α2,0,...,0)，…，vK＝(0,0,...,αK)；S3，将该组正交基v1,v2,...,vK张成线性子空间V，即：V＝span(v1,v2,...,vK)＝{λ1v1+λ2v2+...+λKvK|λ1,λ2,...,λK∈R}，其中R为实数集；S4，在线性子空间V中选取M个星座点，即：sm＝sm1v1+sm2v2+...+smKvK,1≤m≤M，该M个星座点构成多维星座图，其中，M为调制阶数；及S5，根据带电粒子在单位球面的静态分布的原理对所述多维星座图进行优化，得到优化后的多维星座图。2.如权利要求1所述的正交信号的多维星座图构建方法，其特征在于，所述K的取值为小于等于所述正交信号集合元素个数的任意正整数。3.如权利要求1所述的正交信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志强，葛宁，余晓华，胡林玉，林孝康，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44