一種毫米波空間調製方法與聯合編碼裝置製造方法
2023-09-11 08:27:05 1
一種毫米波空間調製方法與聯合編碼裝置製造方法
【專利摘要】本發明設計了一種針對60GHz毫米波通信系統的空間調製方法，在此技術上進一步提出了一種高效的聯合編碼調製技術，顯著提升了非線性射頻功率放大器下的傳輸性能；通過對空間調製碼的相位進行旋轉優化，按照特定規則修正空間調製輸出符號的星座點分布，有效增強了毫米波傳輸信號抵抗非線性失真的能力。相比於現有的應對毫米波非線性失真技術(主要分為功率回退和外圍電路設計兩個方面)，該聯合編碼空間調製方案能在不降低功放系統的增益，且無需任何額外處理的情況下，有效改善存在射頻器件減損情況下的毫米波系統傳輸性能，同時也進一步提升毫米波無線通信的傳輸效率，為毫米波通信提供了一種極具應用潛力的新方案。本發明提出的針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法具有優良的穩健性，因而可廣泛的應用於實際毫米波通信系統設計中。
【專利說明】一種毫米波空間調製方法與聯合編碼裝置
【技術領域】
[0001] 本發明設計了一種針對60GHZ毫米波通信系統的空間調製方法，在此技術上進一 步提出了一種高效的聯合編碼調製技術，顯著提升了非線性射頻功率放大器下的傳輸性 能；通過對空間調製碼的相位進行旋轉優化，按照特定規則修正空間調製輸出符號的星座 點分布，有效增強了毫米波傳輸信號抵抗非線性失真的能力。在無需任何額外處理的情況 下，該聯合編碼空間調製方案可進一步提升60GHz毫米波無線通信的傳輸效率，同時也有 效改善了存在射頻器件減損情況下的系統傳輸性能。屬於通信領域。
【背景技術】
[0002] 隨著多媒體應用的發展，現有的短距離無線通信技術越來越不能滿足人們需求， 60GHz毫米波通信成為當前的研究熱點。與其他短距離無線通信技術相比，60GHz毫米波通 信技術的主要特徵為：具有豐富的頻譜資源，為Gbps量級的通信速率提供了條件，如美國 將免許可的頻率範圍劃分為7GHz (57GHz-64GHz)，日本也將劃分7GHz (59. 4GHz-62. 9GHz)， 而歐洲更是高達9GHz(57GHz_66GHz);允許較大的等全向福射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)，約為 IEEE 802. lln 的 10 倍及超寬帶（Ultra Wide Band，UWB) 的30000倍。由於60GHz毫米波通信的工作頻點高、傳輸帶寬大的特點，給相關硬體實現 與設計帶來巨大難題難，而射頻器件的非理想特性也將造成一定的硬體減損（hardware impairments)，極大程度惡化了毫米波通信系統傳輸性能。這其中，毫米波射頻功率放大器 (Power Amplifier, PA)的非線性特性尤為顯著。
[0003] 當前應對毫米波非線性失真技術主要分為功率回退和外圍電路設計兩個方面。盡 管功率回退法實現簡單，但是這種方法大大制約了功放系統的工作效率，致使其傳輸性能 十分有限。相比於功率回退法，採用外圍反饋電路（大致分為負反饋技術、前饋技術和預失 真技術）則能有限改善毫米波系統的射頻器件非線性，同時提升了功放器件的傳輸效率與 系統傳輸性能；然而都需要進行額外電路設計，如數字預失真技術需進行A/D轉換和複雜 的基帶處理電路設計，大大增加系統的功耗與設計複雜度。
[0004] 本發明首次設計了一種毫米波系統空間調製與聯合編碼方案，該方案在有效提 升其傳輸效率的同時，通過優化其輸出星座分布，極大限度改善了存在射頻功放非線性失 下的傳輸性能。首先，基於空間調製的正交時空編碼（Spatially Modulated Orthogonal Space-Time Block Coding, SM-0STBC)方案，提出了一種應對毫米波非線性失真的 空間調製與聯合編碼方法與裝置；通過優化設計空間調製碼字，即SC碼字（Spatial Constellation Codewords)的相位，進一步修正了編碼輸出的空間星座圖分布特性，增強 了抵抗系統非線性失真的能力。所提出的空間調製與聯合編碼方案有機結合了 Alamouti 空時分組碼（Space-time block code, STBC)和SC編碼，因而可獲得更高頻譜利用率，相 比於傳統的多天線系統其傳輸效率可提升至（nT-2+log 2M)比特/信道利用（bits per channel use, bpcu)，其中nT為激活的發射天線數目，M為調製階數；於此同時，經過聯合編 碼調製優化之後的星座圖能有效克服非線性失真的影響，在無需額外處理的情況下極大提 升了毫米波系統的傳輸性能。
【發明內容】
[0005] 本發明設計了一種毫米波系統空間調製與聯合編碼方案，該方案基於SM-0STBC 模型，通過優化設計SC碼字的相位，進一步修正了調製輸出的空間星座圖分布特性，有效 增強了抵抗系統非線性失真的能力。本方法在毫米波傳輸系統中採用了 Alamouti STBC編 碼和SC編碼，並通過SM-0STBC結構進一步提高了其系統頻譜利用率與抗衰落特性；與此同 時，通過對空間星座調製碼相位進行旋轉優化，按照特定規則修正空間星座調製輸出符號 的星座點分布，有效增強了傳輸信號抵抗非線性失真的能力。新方案在無需額外處理情況 下，在功率回退3dB且誤比特率（BER)為10_ 4的條件下，可相比於傳統的SM-0STBC系統獲 得2dB的性能提升（見附圖2)。綜上所述，本發明將為應對毫米波非線性失真下的高效可 靠傳輸提供一種極具應用潛力的方案。
[0006] 本發明採用以下技術方案。
[0007] 本發明基於SM-0STBC方案，提出了一種應對毫米波非線性失真的空間調製與聯 合編碼方法與裝置，系統模型見附圖1，具體的方案如下：
[0008] 首先，系統每隔兩個碼元時刻輸入一組2m+n bit信息的信號，其中m= log2M(M為 調製階數），n = 2X (nT - 2) (nT為系統激活的傳輸天線數）。
[0009] 其次，輸入信號經過串並轉換生成兩路m bit信號和一路n bit信號。兩路m bit 信號分別經過M階正交幅度調製（Quadrature Amplitude Modulation, QAM)輸出，再經 Alamouti STBC編碼映射生成2X2矩陣X;另一路n bit信號經過SC編碼映射生成nTX2 矩陣Sq。
[0010] 接著，矩陣sq和X矩陣相乘，生成的nTX 2空間調製輸出矩陣C，再經非線性功放 生成nTX2矩陣C'，並將矩陣C'經兩個碼元時刻調製至％根激活的傳輸天線發送出去。
[0011] 最後，在接收端解調根據％根接收天線在兩個碼元時刻接收的信號，再利用最大 似然準則解調出未知發送信號。
[0012] 本發明優點是：
[0013] 1)本發明首次設計了一種針對毫米波系統的空間調製與聯合編碼方案，該方案可 進一步提升系統傳輸效率。
[0014] 2)本發明通過對空間星座調製碼的相位進行旋轉優化，按照特定規則修正空間星 座調製輸出符號的星座點分布，有效增強了傳輸信號抵抗非線性失真的能力。
[0015] 3)區別於現有方案，本方案在無需任何額外處理的情況下，提供了一種更加簡單 高效的抵抗非線性失真的方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為功率回退3dB的性能比較圖。
[0017] 圖2為系統發送端框圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發明所設計60GHz毫米波空間調製方法與聯合編碼裝置大致分為SC編碼映射 和空間調製及聯合編碼實現兩部分，即信號分別經SC編碼映射和Alamouti STBC編碼映 射，再經聯合編碼輸出空間調製輸出矩陣C，再經發送、接收解調獲得原始信號。下面分別對 SC碼字設計、聯合編碼的實現以及接收解調三個方面進行闡述。
[0019] 1.SC碼字設計
[0020] 本發明通過優化設計SC碼字的相位，進一步修正了編碼輸出的空間星座圖分布 特性，增強了抵抗系統非線性失真的能力。SC碼字設計可以大致分為SC碼字設計步奏和 相位優化原理兩部分。
[0021] 1)SC碼字設計步奏
[0022] 在介紹SC碼字具體設計步驟之前，先引入nTX 2生成矩陣，
【權利要求】
1. 一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法，能有效應對系統非線性失真；其 特徵在於：充分考慮毫米波射頻功率放大器（Power Amplifier，PA)的非線性特性，設計 了一種應對60GHz毫米波非線性失真的空間調製方法，有機結合了 Alamouti空時分組碼 (Space-time block code，STBC)和 SC 編碼（Spatial Constellation Codewords)，在提升 毫米波系統頻譜效率的同時，亦能有效增強其傳輸信號抵抗非線性失真的能力。
2. 根據權利要求1所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法，其特徵是，空間 調製方法有機結合了 Alamouti STBC編碼和SC編碼，因而可獲得更高頻譜利用率，相比於 傳統的多天線系統其傳輸效率可提升至（nT_2+log2M)比特/信道利用（bits per channel use，bpcu)，其中ητ為激活的發射天線數目，M為調製階數。
3. 根據權利要求1所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法，其特徵是，所述 Alamouti STBC 編碼將兩路 M 階正交幅度調製（Quadrature Amplitude Modulation，QAM) 輸出，經Alamouti STBC編碼生成輸出碼字矩陣X。
4. 根據權利要求1所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法，其特徵是，所述 SC編碼，是將SC碼字其中的向量Sq第一項旋轉Q1，若其之後21-1和21 (2< I <ητ/2，ητ 為激活發射天線數）項同為實數或者虛數，將其21-1、21項分別旋轉θ2、θ3。
5. 根據權利要求1所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製方法，其特徵是，所 述SC編碼，其中優化角度的選擇是採用離線優化的方式，在正式通信之前通過發送已經協 定的數據（該數據服從離散均勻分布），通過不斷的改變旋轉角度值，採用在當前性噪比 (SNR)條件下使得接收端誤比特率（BER)最小的角度作為優化角度。
6. -種針對60GHz毫米波通信系統空間調製和聯合編碼系統，該系統能有效應對 60GHz毫米波非線性失真，其特徵在於，包括SC編碼模塊、Alamouti STBC編碼模塊、聯合編 碼模塊； 其中所述SC編碼模塊，用於將信息編碼並且修正空間調製輸出符號的星座點分布； 其中所述Alamouti STBC編碼模塊，用於編碼信息並且增強空間調製輸出符號抗信道 衰落的能力； 其中所述聯合編碼模塊，用於將SC編碼模塊與Alamouti STBC編碼模塊輸出碼字進行 聯合編碼，採用兩者碼字的各自特性，在提高系統的頻譜利用率同時，提升系統抗毫米波系 統非線性失真的能力，實現了空間調製。
7. 根據權利要求6所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製和聯合編碼系統，其 特徵在於，所述SC編碼映射模塊，在輸入n bit信息後，輸出SC映射編碼輸出矩陣Sq，其中 不僅傳遞了 n bit信息而且可修正空間調製輸出符號的星座點分布，有效增強了毫米波傳 輸信號抵抗非線性失真的能力。
8. 根據權利要求6所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製和聯合編碼系統， 其特徵在於，所述Alamouti STBC編碼模塊，兩路m bit信號分別經過M階正交幅度調製 (Quadrature Amplitude Modulation，QAM)輸出，再經 Alamouti STBC 編碼映射生成 2X2 矩陣X ;此編碼不僅提高系統的頻譜利用率，而且提高了系統抵抗信道衰落的能力。
9. 根據權利要求6所述一種針對60GHz毫米波通信系統空間調製和聯合編碼系統，其 特徵在於，聯合編碼模塊，將SC編碼模塊輸出碼字矩陣S q與Alamouti STBC編碼模塊輸出 碼字矩陣X，進行矩陣相乘，獲得聯合編碼輸出C。此模塊結合上述兩者碼字的各自特性，在 提高系統的頻譜利用率同時，提升系統抗毫米波系統非線性失真的能力，實現了空間調製。
【文檔編號】H04L1/06GK104320222SQ201410613737
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】李斌, 林學彬, 趙成林, 許方敏 申請人:北京郵電大學