專利名稱：超短波高階映射調(diào)制及解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于超短波無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的調(diào)制解調(diào)方法，具 體是一種通過設(shè)計信息比特與傳輸波形的映射轉(zhuǎn)換規(guī)則來實現(xiàn)超短波高階映射調(diào) 制及解調(diào)方法。
背景技術(shù)：
超短波無線通信系統(tǒng)的通信距離一般由該頻段電磁波的傳播特點、天線增益、 發(fā)射功率、以及基帶信號處理方法共同決定。在給定頻段、收發(fā)天線和發(fā)射功率 的情況下，通信距離主要取決于所采用的基帶信號處理方法。
在基帶信號處理方法中，影響通信距離的信號設(shè)計主要包括信道編解碼方法 和調(diào)制解調(diào)方法。信道編解碼方法首先在發(fā)信機(jī)中為待傳輸?shù)男畔⒈忍卦黾尤哂?比特，并使信息比特和冗余比特之間建立關(guān)聯(lián)，經(jīng)過無線信道傳輸之后，在收信 機(jī)中通過驗證信息比特與冗余比特之間的關(guān)聯(lián)，找出或者改正傳輸過程中可能出 現(xiàn)的錯誤。信道編解碼方法可以在一定程度上減少信息比特的傳輸差錯，因而可 以降低收信機(jī)恢復(fù)原信息所需要的接收信噪比，從而能夠提高通信距離。然而信 道編解碼提高通信距離的能力是有限的，因為一方面冗余比特也需要占用帶寬， 經(jīng)信道編碼之后， 一般信道帶寬會有所增加，如果所使用的頻段并不能提供更大
的帶寬，信道編碼的方法就會受到很大限律u。另一方面，冗余比特也會占用發(fā)射 功率，如果未編碼系統(tǒng)和編碼系統(tǒng)的發(fā)射功率相同，那么編碼系統(tǒng)中信息比特的 能量就會減少，又會增加信息比特的傳輸差錯概率。因此，信道編解碼方法需要 根據(jù)系統(tǒng)要求仔細(xì)選擇編碼方案、相關(guān)參數(shù)、以及解碼方法，才能獲取編碼增益， 實現(xiàn)提高傳輸足巨離的目的。
調(diào)制解調(diào)方法是在發(fā)信機(jī)中將信息比特轉(zhuǎn)換為適合無線信道傳輸?shù)牟ㄐ?，?后送入信道進(jìn)行傳輸，在收信機(jī)中再將檢測到的波形轉(zhuǎn)換為原來的信息比特。當(dāng)信息比特與傳輸波形之間的轉(zhuǎn)換較為簡單、易于分辨時， 一定的波形發(fā)送功率在 保證一定信息傳送差錯概率的情況下可達(dá)到一定的信息傳輸距離。但是當(dāng)希望傳 輸波形能夠代表更多的信息比特吋，信息比特與傳輸波形之間的轉(zhuǎn)換變得復(fù)雜、 不易分辨，這時需要增加波形發(fā)送功率，才能保證在信息傳送差錯概率不變的情 況下達(dá)到原來的信息傳輸距離。所以，調(diào)制解調(diào)方法需要根據(jù)系統(tǒng)要求精心設(shè)計 信息比特與傳輸波形之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，才能在一定信息傳輸速率的情況下，獲得 更遠(yuǎn)的傳輸距離。目前廣泛使用的調(diào)制解調(diào)方法有M進(jìn)制相移鍵控調(diào)制(MPSK: M-ary Phase Shift Keying)、 M進(jìn)帝U正交幅度調(diào)制(MQAM: M-ary Quadrature Amplitude Modulation)、 M進(jìn)制頻移鍵控(MFSK: M-ary Frequency Shift Keying) 等，它們是把log2M個信息比特分別轉(zhuǎn)換成為一個相移鍵控(PSK: Phase Shift Keying)、正交幅度調(diào)制(QAM: Quadrature Amplitude Modulation)或頻移鍵控 (FSK: Frequency Shift Keying)波形進(jìn)行傳輸。采用MPSK、 MQAM調(diào)制方法， 隨著進(jìn)制數(shù)M的增加在一定的傳輸帶寬內(nèi)可支持更高的信息傳輸速率，然而，達(dá) 到較高信息傳輸速率的代價是需要增加信噪比(SNR: Signal-to-Noise Ratio),這 樣一定的波形發(fā)送功率在保證一定信息傳送差錯概率的情況下，信息傳輸距離將 有所減小。
在超短波無線通信系統(tǒng)中，傳輸帶寬常常受到限制，只能達(dá)到數(shù)十千赫茲 (kHz: Kilo-Hertz)或數(shù)百kHz,而使用這一頻段的各種應(yīng)用卻希望能提供盡可能 高的數(shù)據(jù)速率。另一方面，超短波頻段(30MHz-3GHz)電磁波的傳播特性又無法達(dá) 到短波頻段(3MHz-30MHz)電離層傳播的傳輸距離，而該頻段的許多應(yīng)用都希 望能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離。在解決這些問題的過程中， 一些新的技術(shù)如網(wǎng)格編 碼調(diào)制(TCM: Trellis-Coded Modulation)可以提供一些解決方案，其特點是能夠 在不增加傳輸帶寬情況下，改善系統(tǒng)的接收信噪比性能，但TCM能夠提供的信噪 比改善只有3 6dB，而且隨著信噪比改善程度的提高，實現(xiàn)復(fù)雜度顯著增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種超短波高階映射調(diào)制及解調(diào)方法，用于在不增加 額外帶寬的情況下改善超短波無線通信系統(tǒng)的傳輸距離。本發(fā)明通過定義一種信息比特與傳輸波形的高階映射轉(zhuǎn)換規(guī)則，在發(fā)信機(jī)中用八個4進(jìn)制調(diào)制波形承載 八位二進(jìn)制比特引入巨大的冗余，使收信機(jī)獲得額外的解調(diào)信噪比增益，進(jìn)而支 持更遠(yuǎn)的通信距離，且本方法收發(fā)信機(jī)所需運算量小，易于采用數(shù)字f言號處理器 實現(xiàn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
1. 一種超短波高階映射調(diào)制方法，其主要步驟包括
第一步將表示信息的二進(jìn)制輸入比特流通過復(fù)數(shù)映射轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)流依次 從輸入的二進(jìn)制比特流中取八位進(jìn)行處理，將八位二進(jìn)制比特中的每兩位映射為
一個復(fù)數(shù)，映射規(guī)則為(00)—(i)， (01)—(-1)， (10)—(1)， (11)—(-i)，其中i-V^T表
示單位虛數(shù)，這樣依次輸入的每八位二進(jìn)制比特即可映射為四個復(fù)數(shù)Cl， C2， C3， C4，每個復(fù)數(shù)有四種可能取值，艮P[l， -1， i， -i];
第二步四個復(fù)數(shù)經(jīng)過高階映射得到一個包含八個新復(fù)數(shù)的新復(fù)數(shù)矢量將 步驟一輸出的四個復(fù)數(shù)Cl, C2， C3， C4通過八種運算得到八個新的復(fù)數(shù)，分別 表示為NCl, NC2， NC3， NC4， NC5， NC6， NC7， NC8，對應(yīng)的八種運算分別 為NC1=C1*C2*C3*C4， NC2=C1*C3*C4 ， NC3=C1*C2*C4 ， NC4=-C1*C4， NC5=C1*C2*C3， NC6=C1*C3, NC7=-C1*C2, NC8=C1;八個新復(fù)數(shù)NC1 NC8， 形成一個新復(fù)數(shù)矢量(NCI, NC2， NC3, NC4， NC5， NC6， NC7， NC8)，每個 新復(fù)數(shù)的值仍為[l， -1， i， -i]其中之一；
第三步對新復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制得到八個4進(jìn)制調(diào)制波形將步驟二 輸出的新復(fù)數(shù)矢量中的八個新復(fù)數(shù)依次進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制，則新復(fù)數(shù)矢量映射為八 個4進(jìn)制調(diào)制波形。
所述的超短波高階映射調(diào)制方法，其對每一個新復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制的 方法為依次對新復(fù)數(shù)矢量中的八個新復(fù)數(shù)進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制，每個新復(fù)數(shù)有四種 可能的取值，將四種可能的取值與4進(jìn)制調(diào)制波形的四種波形進(jìn)行一一映射，這 樣每個新復(fù)數(shù)根據(jù)其取值映射為一個四進(jìn)制調(diào)制波形， 一個新復(fù)數(shù)矢量即映射為 八個4進(jìn)制調(diào)制波形，而4進(jìn)制調(diào)制波形的傳輸速率與二進(jìn)制比特流的傳輸速率 相同。
2. —種超短波高階映射解調(diào)方法，其主要步驟包括
6第一步對收信機(jī)接收到的4進(jìn)制調(diào)制波形流進(jìn)行波形檢測，獲取接收新復(fù) 數(shù)矢量收信機(jī)采用傳統(tǒng)4進(jìn)制調(diào)制波形的檢測方法，依次從接收到的4進(jìn)制調(diào)
制波形中取出八個調(diào)制波形逐一進(jìn)行檢領(lǐng)!l，獲取八個接收新復(fù)數(shù)rl， r2, r3， r4， r5， r6， r7， r8，這八個接收新復(fù)數(shù)組成的接收新復(fù)數(shù)矢量表示為r= (rl， r2， r3, r4， r5, r6， r7， r8 );
第二步將接收新復(fù)數(shù)矢量與收信機(jī)自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算 收信機(jī)產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛分別表示為CC1,CC2，CC3,CC4，讓復(fù)數(shù)共軛CC2， CC3， CC4都遍歷四種可能的取值即[l， -1， i， -i]，然后將步驟一得到的接收新復(fù)數(shù)矢 量r= (rl， r2， r3, r4， r5, r6， r7， r8)與收信機(jī)自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算， 相關(guān)運算用如下式子表示
ROUT=((rl*CC2+r2)*CC3+r3*CC2-r4)*CC4+(r5*CC2+r6)*CC3-r7*CC2+r8 上式中ROUT表示相關(guān)運算的輸出結(jié)果；
第三步對相關(guān)運算輸出結(jié)果的模值大小進(jìn)行比較，找出模值最大的輸出結(jié) 果，并據(jù)此反推出復(fù)數(shù)C1，C2,C3,C4的估計值找出相關(guān)輸出值中模值最大的 ROUT，然后找出能夠使相關(guān)輸出ROUT模值最大的CC2,CC3，CC4，對 CC2,CC3，CC4依次取復(fù)共軛分別得到對C2,C3,C4的估計值;RE(ROUT)表示模值 最大的復(fù)數(shù)ROUT的實部，-RE(ROUT)表示RE(ROUT)的負(fù)值，IM(ROUT)表示 模值最大的復(fù)數(shù)ROUT的虛部，-M(ROUT)表示IM(ROUT)的負(fù)值，其中，RE表 示取一個復(fù)數(shù)的實部，IM表示取一個復(fù)數(shù)的虛部；Cl的估計值可以由四個實數(shù) RE(ROUT)， -RE(ROUT)， IM(ROUT)， -IM(ROUT)的數(shù)值大小關(guān)系來估計，具體 規(guī)則為四個實數(shù)中，如果RE(ROUT)的數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為1; 如果-RE(ROUT)的數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為-h如果IM(ROUT)數(shù)值 最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為i，如果-IM(ROUT)數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計 值取值為-i;
第四步將獲得的C1， C2， C3， C4的估計值通過復(fù)數(shù)逆映射還原為八位二 進(jìn)制比特依據(jù)發(fā)信機(jī)中Cl， C2， C3， C4與二進(jìn)制比特之間的映射關(guān)系，即可 完成四位復(fù)數(shù)向八位二進(jìn)制比特的轉(zhuǎn)換。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
本發(fā)明通過定義一種信息比特與傳輸波形的高階映射轉(zhuǎn)換規(guī)則，在發(fā)信機(jī)中用八個4進(jìn)制調(diào)制波形承載八位二進(jìn)制比特引入了巨大的冗余，因而在不降低信 息ft輸速率的條件下，可以4吏收信機(jī)獲得額外的解調(diào)信噪比增益，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為通 信足巨離的增加，或者抗噪聲能力的增強(qiáng)。在本發(fā)明中，收信機(jī)解調(diào)過程運算復(fù)雜 度f氏，運算量小，易于數(shù)字f言號處理器實現(xiàn)。本發(fā)明與其它超短波調(diào)制及解調(diào)方 法相比，在理論上可以得到的信噪比改進(jìn)約為9dB，有利于支持更遠(yuǎn)的通信傳輸距
離或提供更強(qiáng)的抗噪聲能力，且本發(fā)明原理簡單，不需要復(fù)雜的解調(diào)算法，便于 集成在無線通信設(shè)備之中。


圖l超短波高階映射調(diào)制方法的實現(xiàn)流程。
圖2超短波高階映射解調(diào)方法的實現(xiàn)流程。 圖3收信機(jī)中相關(guān)運算的實現(xiàn)方法。
圖4本發(fā)明與傳統(tǒng)4階調(diào)制及解調(diào)方法誤比特率曲線的仿真比較。圖中仿真 條件為加性白高斯噪聲信道，選取的4進(jìn)制調(diào)制波形為QPSK調(diào)制波形，MQPSK 表示采用本發(fā)明方法得到的誤比特率曲線，QPSK表示采用傳統(tǒng)QPSK方法得到的 誤比特率曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖1、圖2以及圖3說明本發(fā)明的具體工作原理。本發(fā)明是一種超短 波高階映射調(diào)制及解調(diào)方法，其主要包括高階映射調(diào)制方法和相應(yīng)的高階映射解 調(diào)方法；所述的高階映射調(diào)制方法用于在發(fā)信機(jī)中將二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換為適合無 線f言道傳輸?shù)牟ㄐ危凰龅母唠A映射解調(diào)方法用于收信+ZU每接收的波形還原為發(fā) 信機(jī)發(fā)送的二進(jìn)制比特流；本發(fā)明可以使用數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)。
1. 一種超短波高階映射調(diào)制方法，如圖1所示，其主要步驟包括 第一步將表示信息的二進(jìn)制輸入比特流通過復(fù)數(shù)映射轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)流依次 從輸入的二進(jìn)制比特流中取八位進(jìn)行處理，將八位二進(jìn)制比特中的每兩位映射為
一個復(fù)數(shù)，映射規(guī)則為(00)—(i)， (01)—(-1)， (10)—(1)， (11)—(-i)，其中i-V^T表
示單位虛數(shù)，這樣依次輸入的每八位二進(jìn)制比特即可映射為四個復(fù)數(shù)Cl， C2，C3， C4，每個復(fù)數(shù)有四種可能取值即[l， -1， i， -i]。八個二進(jìn)制比特的組合共有 28=256種。
第二步四個復(fù)數(shù)經(jīng)過高階映射得到一個包含八個新復(fù)數(shù)的新復(fù)數(shù)矢量將 步驟一輸出的四個復(fù)數(shù)Cl， C2， C3， C4通過八種運算得到八個新的復(fù)數(shù)，分別 表示為NC1， NC2， NC3， NC4， NC5， NC6， NC7， NC8，對應(yīng)的八種運算分別 為NC1=C1*C2*C3*C4， NC2=C1*C3*C4, NC3=C1*C2*C4 ， NC4=-C1*C4， NC5=C1*C2*C3, NC6=C1*C3， NC7=-C1*C2， NC8=C1;八個新復(fù)數(shù)NC1 NC8， 形成一個新復(fù)數(shù)矢量(NC1， NC2, NC3， NC4， NC5， NC6， NC7， NC8)，每個 新復(fù)數(shù)的值仍為[l， -1， i， -i]其中之一。經(jīng)過歩驟一和步驟二，步驟一中的每八個 信息比特都映射為八個新復(fù)數(shù)，這樣二進(jìn)制比特的傳輸速率與新復(fù)數(shù)的傳輸速率 是相同的。
第三步對新復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制得到八個4進(jìn)制調(diào)制波形。對新復(fù)數(shù) 矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制的方法為對步驟二輸出的新復(fù)數(shù)矢量中的八個新復(fù)數(shù)依次 進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制，每個新復(fù)數(shù)有四種可能的取值，將四種可能的取值與4進(jìn)制調(diào) 制波形的四種波形進(jìn)行一一映射，這樣每個新復(fù)數(shù)根據(jù)其取值映射為一個四進(jìn)制 調(diào)制波形， 一個新復(fù)數(shù)矢量即映射為八個4進(jìn)制調(diào)制波形。
經(jīng)過步驟三后，步驟一輸入的八個二進(jìn)制比特映射為八個4進(jìn)制調(diào)制波形，4 進(jìn)制調(diào)制波形的傳輸速率與二進(jìn)制比特流的傳輸速率相同。八個二進(jìn)制比特的組 合共有256種，而八個4進(jìn)制波形的組合共有48=65536種，顯然，用八個4進(jìn)制 調(diào)帝啵形承載八個二進(jìn)制比特時存在巨大的冗余，這樣即使接收機(jī)收到八個調(diào)制 波形存在一定的解調(diào)錯誤，只要沒有成為另外的許用波形，解調(diào)錯誤就有可能被 改正，解調(diào)時的糾錯能力使收信機(jī)獲得額外的解調(diào)信噪比增益，理論上獲得的信 噪比增益約為9犯。
經(jīng)過步驟三發(fā)信機(jī)輸出的內(nèi)容為4進(jìn)制調(diào)制波形流。從信道上看，采用本發(fā) 明在信道傳輸?shù)膬?nèi)容上與傳統(tǒng)的4進(jìn)制調(diào)制是相同的，但是，不同之處在于采 用傳統(tǒng)4進(jìn)制調(diào)制，信道上傳輸?shù)拿總€波形是相互獨立的，而采用本發(fā)明，信道 上傳輸?shù)牟ㄐ尾⒉华毩?，每八個波形之間具有一定的相關(guān)性和記憶性。
92.—種超短波高階映射解調(diào)方法，如圖2所示，其主要步驟包括 第一步對收信機(jī)收到的4進(jìn)制調(diào)制波形流進(jìn)行波形檢測，獲取接收新復(fù)數(shù) 矢量。在傳統(tǒng)4階調(diào)制波形的解調(diào)過程中，由于各個接收波形之間彼此相互獨立， 因此接收波形可以一個一個地被檢測，然后分別被解調(diào)成為二進(jìn)制比特。而在本
發(fā)明中，收信機(jī)接收到的八個4階波形具有相關(guān)性，需要首先采用傳統(tǒng)4進(jìn)制調(diào) 制波形的檢測方法，依次從接收到的4進(jìn)制調(diào)制波形中取出八個調(diào)制波形逐一進(jìn) 行檢測，獲取八個接收新復(fù)數(shù)rl， r2， r3， r4, r5， r6， r7， r8，這八個接收新復(fù)數(shù) 組成的接收新復(fù)數(shù)矢量表示為r= (rl, r2， r3， r4, r5， r6， r7， r8);然后對八個接收新復(fù) 數(shù)構(gòu)成的接收新復(fù)數(shù)矢量聯(lián)合進(jìn)行后續(xù)處理。
第二步4每接收新復(fù)數(shù)矢量與收信t幾自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)1亍相關(guān)運算。 發(fā)信機(jī)發(fā)送的八個4進(jìn)制波形總共只有256種組合，每種組合代表了一個八位二 進(jìn)制序列，但是在收信機(jī)看來，每一個4進(jìn)制調(diào)制波形有四種可能的取值，八個4 進(jìn)制調(diào)制波形可能的組合數(shù)共有48=65536個，為了從65536個復(fù)數(shù)矢量中找出256 個新復(fù)數(shù)矢量中某一個真正的發(fā)送矢量，需要讓收信機(jī)產(chǎn)生的新復(fù)數(shù)共軛矢量與 接收新復(fù)數(shù)矢量逐一進(jìn)行相關(guān)運算，從而找到真正發(fā)送的新復(fù)數(shù)矢量。
收信機(jī)自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛表示為CC1，CC2，CC3,CC4，由于發(fā)信機(jī)中四個復(fù) 數(shù)C1， C2， C3， C4的每一個有四種可能取值，艮P[l， -1， i， -i]，因此在收信機(jī) 中讓每個復(fù)數(shù)共軛CC2， CC3， CC4都遍歷四種可能的取值即[l， -1， i， -i]，然 后將步驟一得到的接收新復(fù)數(shù)矢量產(chǎn)(rl，r2，r3,r4,r5，r6，r7，r8)與收信機(jī)產(chǎn)生的 復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算，相關(guān)運算用如下式子表示
ROUT=((rl*CC2+r2)*CC3+r3*CC2-r4)*CC4+(r5*CC2+r6)*CC3-r7*CC2+r8 上式中ROUT表示相關(guān)運算的輸出結(jié)果。由于CC2,CC3，CC4分別都有4種可能取 值[l，-l,i,-i]，因此相關(guān)運算的輸出結(jié)果ROUT總共有4*4*4=64種取值。
由于每個波形在檢測時刻都有一定的信號能量，用來保證正確檢測概率達(dá)到 某一系統(tǒng)要求，在同樣的信道條件和環(huán)境下，檢測時刻每個波形的信號能量是大 致相同的，通過對八個4階波形檢測得到的新復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行相關(guān)運算，可以使信 號能量累加起來，大大提高檢測時刻的信噪比，因而與單個波形解調(diào)方法相比， 相關(guān)復(fù)數(shù)矢量解調(diào)方法可以獲得更高的接收信噪比增益。
10第三步對相關(guān)運算輸出結(jié)果ROUT的64個模值的大小進(jìn)行比較，找出模值 最大的輸出結(jié)果，并據(jù)此反推出復(fù)數(shù)C1，C2，C3,C4的估計值。步驟二中 CC2，CC3，CC4的組合與ROUT的64個模值建立了一一對應(yīng)關(guān)系。首先找出64個 相關(guān)輸出值中模值最大的ROUT，然后根據(jù)64個相關(guān)輸出值與CC2，CC3,CC4組 合之間的一一對應(yīng)關(guān)系，找出能夠使相關(guān)輸出ROUT模值最大的CC2，CC3，CC4， 對CC2，CC3,CC4依次取復(fù)共軛分別得到對C2，C3,C4的估計值。用RE(ROUT)表 示豐莫值最大的復(fù)數(shù)ROUT的實部，-RE(ROUT)表示RE(ROUT)的負(fù)值，IM(ROUT) 表示模值最大的復(fù)數(shù)ROUT的虛部，-IM(ROUT)表示IM(ROUT)的負(fù)值，其中， RE表示取一個復(fù)數(shù)的實部，IM表示取一個復(fù)數(shù)的虛部。Cl的估計值可以由四個 實數(shù)RE(ROUT), -RE(ROUT)， IM(ROUT)， -IM(ROUT)的數(shù)值大小關(guān)系來估計， 具體估計過程為比較四個實數(shù)RE(ROUT)' -RE(ROUT)， IM(ROUT)， -IM(ROUT)
的數(shù)值大小，根據(jù)比較結(jié)果作如下判決
① 如果RE(ROUT)最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為1;
② 如果-RE(ROUT)最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為-l;
③ 如果IM(ROUT)最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為i;
④ 如果-IM(ROUT)最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為-i。
第四步將獲得的C1， C2， C3， C4估計值通過復(fù)數(shù)逆映射還原為八位二進(jìn)
制比特。第二步得到C1， C2， C3， C4的估計值為四個復(fù)數(shù)，每個復(fù)數(shù)的值即為 [1, -i， i， .i]其中之一。依據(jù)發(fā)信機(jī)中Cl, C2， C3， C4與二進(jìn)制比特之間的映 射關(guān)系(00)—(i)， (01)—(-1)， (10)—(1)， (11)—(-i)，將每個復(fù)數(shù)逆映射為二個二進(jìn) 制比特，這樣就可以將四位復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制比特。
圖3為該實施例的仿真結(jié)果，在仿真驗證中采用的f言道環(huán)境為加性白高斯噪 聲信道，4進(jìn)制調(diào)制過程中選取的調(diào)制方式為QPSK調(diào)制，圖中MQPSK表示本發(fā) 明的高階映射調(diào)制解調(diào)方法得到的誤比特率曲線，QPSK表示傳統(tǒng)QPSK調(diào)制解調(diào) 方法得到的誤比特率曲線。在理論上，如果以傳統(tǒng)QPSK調(diào)制波形的檢測時刻信 噪比為基礎(chǔ)，本發(fā)明的高階映射調(diào)制解調(diào)方法經(jīng)過相關(guān)運算后，檢測時刻信號能 量提高為原來的8倍，因此可以得到的信噪比改進(jìn)約為9dB。應(yīng)該說明的是，仿真 驗證中，在計算信噪比時，為了滿足傳統(tǒng)4進(jìn)制調(diào)制波形檢測中噪聲樣本數(shù)與信號樣本數(shù)應(yīng)該一致的要求，在高階映射解調(diào)時，信噪比變?yōu)樵瓉淼囊话?，因而?相同的條件下，高階映射調(diào)制解調(diào)方法的信噪比改進(jìn)應(yīng)該再增加3dB，由圖可見， 在誤比特率為104 10-3時，圖中的信噪比改進(jìn)約4dB，這樣總的信噪比改進(jìn)約為 7dB。
以下結(jié)合附圖提供具體實例
根據(jù)超短波高階映射調(diào)制及解調(diào)方法的工作原理，結(jié)合附圖下面具體闡述從 發(fā)信機(jī)發(fā)送8位二進(jìn)制比特到收信機(jī)解調(diào)恢復(fù)出8位二進(jìn)制比特的工作流程。假 設(shè)發(fā)信機(jī)產(chǎn)生的8位二進(jìn)制比特為11010010，發(fā)信機(jī)中選取的四進(jìn)制調(diào)制為QPSK 調(diào)制。
1.超短波高階映射調(diào)制分為以下幾步進(jìn)行
第一步將表示信息的八位二進(jìn)制比特110I0010進(jìn)行復(fù)數(shù)映射。依次取兩位 二進(jìn)制比特映射為一個復(fù)數(shù)，具體映射規(guī)則為(11)—(-i)， (01)—(-1)， (00)—(i)， (10) —(1),這樣八位二進(jìn)制比特11010010依次映射為四個復(fù)數(shù)Cl;i， C2=-l， C3=i， C4=l。
第二步將四個復(fù)數(shù)Cl;i， C2=-l, C3=i, C4=l經(jīng)過高階映射得到一個包含 八個新復(fù)數(shù)的新復(fù)數(shù)矢量，八個新復(fù)數(shù)分別表示為NCl， NC2, NC3， NC4, NC5， NC6， NC7， NC8，對應(yīng)的新復(fù)數(shù)矢量表示為(NC1， NC2， NC3， NC4， NC5， NC6， NC7， NC8)，具體映射規(guī)則為
NC1= CI *C2*C3*C4 - -i*(-l)*(i)*l = -1;
NC2=Cl*C3*C4 = -i*i" = 1;
NC3=Cl*C2*C4 = -i*(-l)*l =i;
NC4=-Cl*C4 = -(-i)*l =i;
NC5= C1*C2*C3 = -i*(-l)*i = -1;
NC6=C1*C3 =(-i)*i= 1;
NC7= -CI *C2 = -(-i)*(-l) = -i;
NC8=C1 = -i;
新復(fù)數(shù)NC1 NC8的取值仍然為[1， -1， i, -i]，這八個新復(fù)數(shù)NC1 NC8形 成一個新復(fù)數(shù)矢量(NC1， NC2， NC3， NC4， NC5, NC6， NC7, NC8)=(-1， 1, i， i， -1,1, -i, -i)。這樣經(jīng)過步驟一和步驟二，八個二進(jìn)制比特11010010就映射為包含八個新復(fù)數(shù)的一個新復(fù)數(shù)矢量(-l, 1， i， i， -1, 1， -i， 所以比特傳輸速率與新復(fù)數(shù)的ft輸速率 是相同的。
第三步對新復(fù)數(shù)矢量(NCl, ... , NC8)進(jìn)行四進(jìn)制波形調(diào)帝J，將新復(fù)數(shù)矢量 (NC1,... ，NC8虔示為八個四階調(diào)制波形。由于新復(fù)數(shù)矢量(NC1，... ，NC8)中每一個 新復(fù)數(shù)有四種可能的取值[1, -1, i, -i]，將四種可能的取值與QPSK的四種波形進(jìn) 行一一映射，具體映射規(guī)則為每個新復(fù)數(shù)取值[l，-l，i,-i]分別一一對應(yīng)QPSK波 形的相角為[O， Ti， 7c/2， 3ti/2]。這樣新復(fù)數(shù)矢量(NCl, ... ，NC8)映射成的八個QPSK 調(diào)制波形對應(yīng)的相角分別為(71, 0,7t/2， 7t/2， ;r, 0, 3兀/2, 3兀/2)。在信道上看，本發(fā)明 定義的新復(fù)數(shù)矢量傳輸與傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制波形傳輸是相同的，但是不同之處在 于采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制，信道上傳輸?shù)拿總€波形是相互獨立的，而釆用本發(fā)明， 信道上傳輸?shù)牟ㄐ尾⒉华毩ⅲ堪藗€波形之間具有一定的相關(guān)性和記憶性。
2,超短波高階映射解調(diào)分為以下幾步進(jìn)行
第一步對收信機(jī)收到的八個QPSK調(diào)制波形進(jìn)行檢測，獲取接收新復(fù)數(shù)矢 量。收信機(jī)采用傳統(tǒng)QPSK調(diào)制波形的檢測方法，對接收到的八個QPSK調(diào)制波 形逐一進(jìn)行檢領(lǐng)!l，獲取八個接收新復(fù)數(shù)rl;l， r2=l， r3=i， r4=i， r5=-l， r6=l ， r7=-i， r8=-i，這八個接收新復(fù)數(shù)組成的接收新復(fù)數(shù)矢量r=(rl, r2， r3， r4， r5, r6, r7， r8) =(-1， 1, -i)。
第二步將接收新復(fù)數(shù)矢量r=(rl, r2， r3， r4， r5, r6， r7， r8)與收信機(jī)產(chǎn)生的復(fù)數(shù) 共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算。讓每個復(fù)數(shù)共軛CC2， CC3， CC4都遍歷四種可能的取 值即[l， -1， i， -i]，然后將步驟一得到的接收新復(fù)數(shù)矢量F(rl，r2，r3，r4，r5，r6,r7, r8)與收信機(jī)產(chǎn)生的新復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算，相關(guān)運算如圖3所示，可以用 如下式子表示
ROUT=((rl*CC2+r2)*CC3+r3*CC2-r4)*CC4+(r5*CC2+r6)*CC3-r7*CC2+r8 上式中ROUT表示相關(guān)運算的輸出結(jié)果。由于CC2，CC3,CC4分別都有4種可能的 取值[l，-l，i,-i]，所以ROUT總共有4*4*4=64個取值，具體取值情況如下
CC2=1， CC3=1， CC4=1， ROUT=0; CC2=1， CC3=1, CC4=i， ROUT=0;
CC2=1, CC3=1, CC4=-1, ROUT=0;CC2=1， CC3=1， CC4=-i, ROUT=0;
13CC2=-1， CC3=-i， CC4=1, ROUT=-8i; CC2=-1， CC3=-i, CC4=i, ROUT=4-4i;
CC2=-1, CC3=-i, CC4=-i， ROUT--4-4i; CC2=-i， CC3=-i, CC4=-i, ROUT=4i;
第三步對相關(guān)運算輸出結(jié)果ROUT的64個模值大小進(jìn)行比較，找出模值最
大的輸出結(jié)果，并據(jù)此反推出復(fù)數(shù)C1,C2，C3,C4的估計值。64個相關(guān)輸出結(jié)果中
模值最大的ROUT=-8i，其對應(yīng)的CC2， CC3, CC4的取值分別為-1, -i, 1 ，取CC2，
CC3, CC4的復(fù)共軛之后，得到復(fù)數(shù)C2, C3， C4的估計值分別為-1， i， 1;根據(jù)
ROUT=-8i的實部和虛部來獲取復(fù)數(shù)Cl的估計值，由于RE(-8i)， -RE(-8i)， IM(-8i)，
-IM(-Si)的值分別為0,0,-8,8，其中-IM(-8i)的取值最大，所以對應(yīng)的C1估計值應(yīng)
為-i。經(jīng)過步驟一、步驟二和步驟三后，收信機(jī)獲取四個復(fù)數(shù)C1,C2,C3， C4的估
計值分別為-i，-l，i， 1。
第四步將獲得的Cl, C2， C3， C4的估計值通過復(fù)數(shù)逆映射還原為八位二
進(jìn)制比特。根據(jù)發(fā)信機(jī)中兩位二進(jìn)制比特與一個復(fù)數(shù)之間的映射關(guān)系(11)—(-i)，
(01)—(-1)， (00)—(i), (10)—(1)，將收信機(jī)獲取的四個復(fù)數(shù)C1,C2，C3,C4的估計
值-i，-l，i, 1，依次映射為ll， 01， 00， 10，則收信機(jī)恢復(fù)出的八位二進(jìn)制比特為
11010010。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，本令頁域技術(shù) 人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和原則的情況下，可以進(jìn)行各種其它的改 變、替換和添加。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同 替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
1.一種超短波高階映射調(diào)制方法，其特征在于第一步將表示信息的二進(jìn)制輸入比特流通過復(fù)數(shù)映射轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)流依次從輸入的二進(jìn)制比特流中取八位進(jìn)行處理，將八位二進(jìn)制比特中的每兩位映射為一個復(fù)數(shù)，映射規(guī)則為(00)→(i)，(01)→(-1)，(10)→(1)，(11)→(-i)，其中<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><msqrt> <mo>-</mo> <mn>1</mn></msqrt> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100327580002C1.tif" wi="12" he="4" top= "53" left = "159" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>表示單位虛數(shù)，這樣依次輸入的每八位二進(jìn)制比特即可映射為四個復(fù)數(shù)C1，C2，C3，C4，每個復(fù)數(shù)有四種可能取值，即[1，-1，i，-i]；第二步四個復(fù)數(shù)經(jīng)過高階映射得到一個包含八個新復(fù)數(shù)的新復(fù)數(shù)矢量將步驟一輸出的四個復(fù)數(shù)C1，C2，C3，C4通過八種運算得到八個新的復(fù)數(shù)，分別表示為NC1，NC2，NC3，NC4，NC5，NC6，NC7，NC8，對應(yīng)的八種運算分別為NC1＝C1*C2*C3*C4，NC2＝C1*C3*C4，NC3＝C1*C2*C4，NC4＝-C1*C4，NC5＝C1*C2*C3，NC6＝C1*C3，NC7＝-C1*C2，NC8＝C1；八個新復(fù)數(shù)NC1～NC8，形成一個新復(fù)數(shù)矢量(NC1，NC2，NC3，NC4，NC5，NC6，NC7，NC8)，每個新復(fù)數(shù)的值仍為[1，-1，i，-i]其中之一；第三步對新復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制得到八個4進(jìn)制調(diào)制波形將步驟二輸出的新復(fù)數(shù)矢量中的八個新復(fù)數(shù)依次進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制，則新復(fù)數(shù)矢量映射為八個4進(jìn)制調(diào)制波形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短波高階映射調(diào)制方法，其特征在于對每一個新 復(fù)數(shù)矢量進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制的方法為依次對新復(fù)數(shù)矢量中的八個新復(fù)數(shù)進(jìn)行四進(jìn) 制調(diào)帝ij，每個新復(fù)數(shù)有四種可能的取值，將四種可能的取值與4進(jìn)制調(diào)制波形的 四種波形進(jìn)行一一映射，這樣每個新復(fù)數(shù)根據(jù)其取值映射為一個四進(jìn)制調(diào)制波形， 一個新復(fù)數(shù)矢量即映射為八個4進(jìn)制調(diào)制波形，而4進(jìn)制調(diào)制波形的傳輸速率與 二進(jìn)制比特流的傳輸速率相同。
3. —種超短波高階映射解調(diào)方法，其特征在于-第一步對收信機(jī)接收到的4進(jìn)制調(diào)制波形流進(jìn)行波形檢測，獲取接收新復(fù)數(shù)矢量收信機(jī)采用傳統(tǒng)4進(jìn)制調(diào)制波形的檢測方法，依次從接收到的4進(jìn)制調(diào)制波形中取出八個調(diào)制波形逐一進(jìn)行檢測，獲取八個接收新復(fù)數(shù)rl， r2， r3， r4，r5， r6， r7， r8，這八個接收新復(fù)數(shù)組成的接收新復(fù)數(shù)矢量表示為r- (rl, r2, r3， r4， r5，r6,r7,r8);第二步>|每接收新復(fù)數(shù)矢量與收信#1自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算: 收信機(jī)產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛分別表示為CC1，CC2,CC3,CC4，讓復(fù)數(shù)共軛CC2， CC3， CC4都遍歷四種可能的取值即[l， -1， i， -i]，然后將步驟一得到的接收新復(fù)數(shù)矢 量r= (rl， r2, r3, r4， r5, r6， r7， r8 )與收信機(jī)自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算， 相關(guān)運算用如下式子表示ROUT=((rl*CC2+r2)*CC3+r3*CC2-r4)*CC4+(r5*CC2+r6)*CC3-r7*CC2+r8 上式中ROUT表示相關(guān)運算的輸出結(jié)果；第三步對相關(guān)運算輸出結(jié)果的模值大小進(jìn)行比較，找出模值最大的輸出結(jié) 果，并據(jù)此反推出復(fù)數(shù)C1，C2,C3，C4的估計值找出相關(guān)輸出值中模值最大的 ROUT，然后找出能夠使相關(guān)輸出ROUT模值最大的CC2，CC3,CC4，對 CC2,CC3，CC4依次取復(fù)共軛分別得到對C2，C3,C4的估計值；RE(ROUT)表示模值 最大的復(fù)數(shù)ROUT的實部，-RE(ROUT)表示RE(ROUT)的負(fù)值，IM(ROUT)表示 模值最大的復(fù)數(shù)ROUT的虛部，-IM(ROUT)表示IM(ROUT)的負(fù)值，其中，RE表 示取一個復(fù)數(shù)的實部，M表示取一個復(fù)數(shù)的虛部；Cl的估計值可以由四個實數(shù) RE(ROUT)， -RE(ROUT)， IM(ROUT)， -IM(ROUT)的數(shù)值大小關(guān)系來估計，具體 規(guī)則為四個實數(shù)中，如果RE(ROUT)的數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為1; 如果-RE(ROUT)的數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為-l;如果IM(ROUT)數(shù)值 最大，則對應(yīng)C1的估計值取值為i，如果-IM(ROUT)數(shù)值最大，則對應(yīng)C1的估計 值取值為-i;第四步將獲得的C1， C2， C3， C4的估計值通過復(fù)數(shù)逆映射還原為八位二 進(jìn)制比特依據(jù)發(fā)信機(jī)中C1， C2， C3, C4與二進(jìn)制比特之間的映射關(guān)系，即可 完成四位復(fù)數(shù)向八位二進(jìn)制比特的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
用于超短波無線通信系統(tǒng)的高階映射調(diào)制及解調(diào)方法。發(fā)信機(jī)通過復(fù)數(shù)映射將八位二進(jìn)制比特轉(zhuǎn)變?yōu)樗膫€復(fù)數(shù)，然后對四個復(fù)數(shù)進(jìn)行高階映射得到一個包含八個新復(fù)數(shù)的新復(fù)數(shù)矢量，最后對新復(fù)數(shù)矢量中的每個新復(fù)數(shù)進(jìn)行四進(jìn)制調(diào)制得到八個4進(jìn)制調(diào)制波形。收信機(jī)對接收到的八個4進(jìn)制調(diào)制波形逐一進(jìn)行檢測，獲取一個包含八個接收新復(fù)數(shù)的接收新復(fù)數(shù)矢量，然后將其與收信機(jī)自身產(chǎn)生的復(fù)數(shù)共軛矢量進(jìn)行相關(guān)運算，根據(jù)相關(guān)運算結(jié)果估計出發(fā)信機(jī)發(fā)送的四個復(fù)數(shù)，最后利用發(fā)信機(jī)中八個二進(jìn)制比特與四個復(fù)數(shù)的映射關(guān)系還原出八位二進(jìn)制比特。本發(fā)明在不降低信息傳輸速率的條件下，使收信機(jī)獲得額外的解調(diào)信噪比增益，進(jìn)而增加了超短波無線通信系統(tǒng)的通信距離。
文檔編號H04B1/69GK101582701SQ200910032758
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者孫詩東, 廖小丁, 曾宏輝, 聶景楠 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)