連續相位調制的空時分組編碼方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線通信領域將連續相位調制技術與空時分組碼技術緊密結合 并進行綜合優化的連續相位調制編碼方法及其編碼器設備。
【背景技術】
[0002] 連續相位調制（CPM)是一類恒包絡且相位連續變化的非線性調制方式。與以相移 鍵控（PSK)為代表的線性調制方式相比，CPM信號由于在相鄰符號之間相位變化是連續的， 具有較小的頻譜旁瓣，從而有較高的帶寬利用率；同時，由于包絡恒定，CPM信號對功放的 非線性特性不敏感，從而具有較高的功率效率，是各種新型移動通信、無線電臺的主要調制 模式之一。其優越的性能使其特別適用于移動通信、衛星通信和深空通信當中。比如，在全 球移動通信系統（GSM)的標準中就使用了 CPM的一種典型--高斯最小偏移鍵控（GMSK)。 但是，在無線傳輸中，CPM信號和線性調制信號一樣，也容易受到信道多徑衰落的影響，從而 使性能惡化。
[0003] 為了減弱無線信道多徑衰落的影響，研究人員提出了空時編碼（STC)技術，其基 本思想是：在不同時刻、不同天線上發射同一數據的多個副本，且這些副本滿足某種特性。 此特性使得即使在僅有一個接收天線的情形下，STC也能獲得顯著的空間分集增益，從而極 大改善無線通信系統在衰落信道中的性能。與其他分集方式（如時間分集、頻率分集等） 相比，STC的一個顯著優點是：能充分利用空間資源實現分集增益，而不浪費時頻資源。此 優點在目前無線頻譜資源日益緊張的情形下對系統設計而言無疑具有極強的吸引力。
[0004] 最初，Tarokh等提出了 STC的第一個子類--空時格碼（STTC，（Tarokh論 文 Space-time codes for high data rate wireless communications:performance analysis and code construction，發表于 IEEE Transaction on Information 的第 44 卷 (1998)第2期的第744 - 765頁）。它能實現滿空間分集增益和一定的編碼增益，但由于其 譯碼復雜度過高，在實際系統中很難應用。
[0005] 空時分組碼（STBC)是STC的另一個重要子類。首先，Alamouti針對兩個發射天線， 提出了簡單的發射分集方法--Alamouti碼（參見Alamouti所著論文A simple transmit diversity technique for wireless communications，發表于 IEEE Journal on Selected Areas in Communications 的第 16 卷（1998)第 8 期的第 1451 - 1458 頁）。隨后，Tarokh 等將其推廣，提出了針對更多發射天線數的STBC(參見Tarokh等所著論文Space-time block codes from orthogonal design，發表于 IEEE Transaction on Information 的第 45 卷（1999)第5期的第1456 - 1467頁）。后來人們將兩發射天線的Alamouti碼和Tarokh 提出的多發射天線STBC統稱為STBC。與STTC相比，STBC的發射信號具有符號級空時正交 特性，使得接收機可用簡單的線性合并方式實現最大似然譯碼的性能。因此，在各種STC技 術中，STBC憑借其編譯碼簡單、空間分集增益高的優點具有很強的競爭力，已在第三代移動 通信系統（3G)、長期演進系統（LTE)等通信系統得到廣泛應用。
[0006] 因此，為了改善CPM信號的抗多徑衰落性能，可以設想將CPM和STBC二者結合，以 綜合實現兩種技術的優點。然而，經典STBC是針對線性調制設計，若將它的符號級正交特 性直接應用于CPM，會嚴重破壞信號的連續相位特性。另一方面，已有一些方法針對一般的 STC(非STBC)和CPM結合設計，但它們的接收機往往需要采用疊加了空間維度的多維序列 檢測算法，計算復雜度近似為單發單收CPM系統計算復雜度的V次方（V為發射天線數）。 總之，目前還缺乏既保證編碼后的信號保持連續相位特性，又使得接收機能取得計算復雜 度和譯碼性能良好折衷的行之有效的CPM-STBC編碼方法。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是針對現有技術存在的不足之處，提供一種編碼簡單，且接收計算 復雜度較低的基于連續相位調制的空時分組碼（CPM-STBC)編碼方法及設備。
[0008] 本發明的目的通過如下措施達到。一種連續相位調制的空時分組碼編碼方法，其 特征在于包括如下步驟：在CPM-STBC編碼器中，將輸入串并轉換器（101)的NU個待編碼符 號，先通過串并轉換器101分成并行的U路符號流，每一路符號流包含N個符號，用向量分 別表示為％ (i = 1，2,…，U);再將U路符號流分別輸入CPM調制器（102)進行連續相位調 制，把輸出的U路并行的信號分別記SCl(t) (i = 1，2, "·，υ);然后將Cl(t) (i = 1，2, "·，υ) 輸入基于相位補償的子塊級STBC編碼器（103)，根據經典的符號級STBC編碼映射規則對 CPM信號進行子塊級編碼，并在每一路信號的每連續兩個數據子塊之間插入一個相位補償 子塊，輸出V路并行的信號分別記SX](t)(j = 1，2,…，V);最后，通過數模變換器DAC將X](t)(j = 1，2，···，ν)作數模變換處理后，通過V個天線分別發射。
[0009] 本發明相比現有技術，具有如下有益效果：
[0010] 本發明充分挖掘STBC和CPM的特性，并克服已有方法的不足，在保證編碼后的信 號具有連續相位特性的前提下，使得接收機能以較低的計算復雜度獲得經典STBC的滿分 集增益。
[0011] 本發明最大的創新之處在于：在繼承經典的符號級STBC編碼映射規則基礎上，提 出子塊級STBC編碼映射規則；根據子塊級STBC編碼映射規則對CPM信號進行子塊級編 碼，并在每一路信號的每連續兩個數據子塊之間插入一個相位補償子塊。這樣，CPM-STBC 編碼器的輸出信號具有兩大特點：一是相位補償子塊能保證同一發射天線的信號具有連續 相位特性，從而保持CPM信號的良好特性；二是STBC編碼映射規則保證不同發射天線之間 的信號具有子塊級正交性，這種正交性使得接收機能以簡單的線性合并方法處理接收到的 CPM信號，并獲得與經典的符號級STBC相似的滿分集增益（單接收天線時的分集度為V)， 從而減輕無線信道衰落的影響。
[0012] 因此，與現有技術相比，本發明提出的CPM-STBC編碼器具有編碼簡單，對應接收 機能以較低計算復雜度（近似為單發單收CPM接收計算復雜度的U倍）獲得滿分集增益和 優異譯碼性能的優點，非常適于移動通信、衛星通信等無線通信系統。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明提出的CPM-STBC編碼器原理示意圖。
[0014] 圖2是CPM-STBC編碼器中基于相位補償的子塊級STBC編碼器原理的一個實施例 示意圖。
[0015] 圖3是2發1收分組碼CPM-STBC和1發1收CPM的誤碼率仿真性能比較曲線示 意圖。
[0016] 圖中：101串并轉換器、102CPM調制器，103基于相位補償的子塊級STBC編碼器， 201初相提取模塊，202相位補償子塊初相計算模塊，203相位補償子塊符號序列生成模塊， 204相位補償子塊波形生成模塊，205STBC編碼塊整體波形生成模塊。
【具體實施方式】
[0017] 下面通過具體的實施例并結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0018] 參閱圖1。在以下描述的實施例中，連續相位調制的空時分組碼編碼設備的 CPM-STBC編碼器，包括：串并轉換器101、U個CPM調制器102和基于相位補償的子塊級 STBC編碼器103,其中：U個CPM調制器102并聯在串并轉換器101和基于相位補償的子塊 級STBC編碼器103之間，基于相位補償的子塊級STBC編碼器103通過V個數模變換器DAC 串聯V個發射天線。輸入CPM-STBC編碼器的NU個待編碼符號先通過串并轉換器101分成 并行的U路符號，每一路包含N個符號，用向量分別表示為ai(i = 1，2,…，U);再將這U路 符號分別輸入CPM調制器（102)進行常規的連續相位調制，輸出U路并行的信號，分別記 為Cl (t) (i = 1，2,…，U);然后將Cl (t) (i = 1，2,…，U)輸入基于相位補償的子塊級STBC 編碼器103進行編碼，輸出V路并行的信號，分別記為X] (t) (j = 1，2,…，V)，且X] (t) (j = 1，2,…，V)均由W個數據子塊和W-l個相位補償子塊組成；最后，將Xj (t) (j = 1，2,…，V) 作數模變換等其他必要的處理，通過V個天線分別發射。
[0019] 實施例1。設發射天線數V為2,采用Alamouti碼為基礎進行STBC編碼。Alamouti 碼根據編碼矩陣S定義編碼映射規則
[0021] 式中，81和s2為待編碼的線性調制符號，為復數的共輒，其中，編碼矩陣S滿足符 號級正交性SHS = I，I為單位矩陣，H為矩陣的共輒轉置，且有U = V = W = 2，V為CPM-STBC 編碼器輸出的并行信號路數，亦即發射天線個數，W為CPM-STBC編碼器輸出的每路信號的 數據子塊個數。根據式（1)定義的編碼映射規則含義是：發射天線1和發射天線2在時隙 1分別發送4和s 2，在時隙2分別發送和 <。可以驗證，編碼矩陣S滿足符號級正交性， 即SHS = I，I為單位矩陣，（.）H為矩陣的共輒轉置。
[0022] 此時，CPM-STBC編碼器整個處理流程包括以下步驟。
[0023] 首先，將2N個符號輸入串并轉換器（101)，生成兩個符號流，用向量分別表示為
[0025] 式中，
為取自符號集
中獨立同分布的Μ元數據符號，每符號承載的比特數為log2M。
[0026] 然后，將aJP a 2輸入CPM調制器（102)，輸出得到相應的兩路CPM波形
[0028] 上式中，&和T s分別表示每符號能量和每符號持續時間；h和q(t)分別表示所采 用CPM格式的調制階數和相位脈沖函數；和卿2分別表示第一路CPM波形和第二路CPM 波形的初相。函數q(t)包括但不限于以下兩種形式：
[0029] 方波函數積分：
[0030] 升余弦函數積分
[0031] 式⑷和式（5)中的L表示響應階數：當L = 1時，為全響應調制；當L>1時，為部 分響應調制。
[0032] 最后，將Cl(t)和〇2(〇輸入基于相位補償的子塊級STBC編碼器（103)進行編碼， 輸出兩路并行的編碼波形Xl(t)和知(〇。基于相位補償的子塊級STBC編碼器（103)是本 發明的關鍵所在。在圖2所示實施例中，基于相位補償的子塊級STBC編碼器（103)可進一 步細分為初相提取模塊201、相位補償子塊初相計算模塊202、相位補償子塊符號序列生成 模塊203、相位補償子塊波形生成模塊204、STBC編碼塊整體波形生成模塊205五個模塊，其 中，每個模塊采用兩路依次級聯輸入后端模塊，初相提取模塊（201)的兩路輸入信號^(〇 和c2 (t)通過STBC編碼塊整體波形生成模塊205輸出STBC編碼塊整體CPM波形