一种毫米波空间调制方法与联合编码装置制造方法
【专利摘要】本发明设计了一种针对60GHz毫米波通信系统的空间调制方法，在此技术上进一步提出了一种高效的联合编码调制技术，显著提升了非线性射频功率放大器下的传输性能；通过对空间调制码的相位进行旋转优化，按照特定规则修正空间调制输出符号的星座点分布，有效增强了毫米波传输信号抵抗非线性失真的能力。相比于现有的应对毫米波非线性失真技术(主要分为功率回退和外围电路设计两个方面)，该联合编码空间调制方案能在不降低功放系统的增益，且无需任何额外处理的情况下，有效改善存在射频器件减损情况下的毫米波系统传输性能，同时也进一步提升毫米波无线通信的传输效率，为毫米波通信提供了一种极具应用潜力的新方案。本发明提出的针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法具有优良的稳健性，因而可广泛的应用于实际毫米波通信系统设计中。
【专利说明】一种毫米波空间调制方法与联合编码装置
【技术领域】
[0001] 本发明设计了一种针对60GHZ毫米波通信系统的空间调制方法，在此技术上进一 步提出了一种高效的联合编码调制技术，显著提升了非线性射频功率放大器下的传输性 能；通过对空间调制码的相位进行旋转优化，按照特定规则修正空间调制输出符号的星座 点分布，有效增强了毫米波传输信号抵抗非线性失真的能力。在无需任何额外处理的情况 下，该联合编码空间调制方案可进一步提升60GHz毫米波无线通信的传输效率，同时也有 效改善了存在射频器件减损情况下的系统传输性能。属于通信领域。
【背景技术】
[0002] 随着多媒体应用的发展，现有的短距离无线通信技术越来越不能满足人们需求， 60GHz毫米波通信成为当前的研究热点。与其他短距离无线通信技术相比，60GHz毫米波通 信技术的主要特征为：具有丰富的频谱资源，为Gbps量级的通信速率提供了条件，如美国 将免许可的频率范围划分为7GHz (57GHz-64GHz)，日本也将划分7GHz (59. 4GHz-62. 9GHz)， 而欧洲更是高达9GHz(57GHz_66GHz);允许较大的等全向福射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)，约为 IEEE 802. lln 的 10 倍及超宽带（Ultra Wide Band，UWB) 的30000倍。由于60GHz毫米波通信的工作频点高、传输带宽大的特点，给相关硬件实现 与设计带来巨大难题难，而射频器件的非理想特性也将造成一定的硬件减损（hardware impairments)，极大程度恶化了毫米波通信系统传输性能。这其中，毫米波射频功率放大器 (Power Amplifier, PA)的非线性特性尤为显著。
[0003] 当前应对毫米波非线性失真技术主要分为功率回退和外围电路设计两个方面。尽 管功率回退法实现简单，但是这种方法大大制约了功放系统的工作效率，致使其传输性能 十分有限。相比于功率回退法，采用外围反馈电路（大致分为负反馈技术、前馈技术和预失 真技术）则能有限改善毫米波系统的射频器件非线性，同时提升了功放器件的传输效率与 系统传输性能；然而都需要进行额外电路设计，如数字预失真技术需进行A/D转换和复杂 的基带处理电路设计，大大增加系统的功耗与设计复杂度。
[0004] 本发明首次设计了一种毫米波系统空间调制与联合编码方案，该方案在有效提 升其传输效率的同时，通过优化其输出星座分布，极大限度改善了存在射频功放非线性失 下的传输性能。首先，基于空间调制的正交时空编码（Spatially Modulated Orthogonal Space-Time Block Coding, SM-0STBC)方案，提出了一种应对毫米波非线性失真的 空间调制与联合编码方法与装置；通过优化设计空间调制码字，即SC码字（Spatial Constellation Codewords)的相位，进一步修正了编码输出的空间星座图分布特性，增强 了抵抗系统非线性失真的能力。所提出的空间调制与联合编码方案有机结合了 Alamouti 空时分组码（Space-time block code, STBC)和SC编码，因而可获得更高频谱利用率，相 比于传统的多天线系统其传输效率可提升至（nT-2+log 2M)比特/信道利用（bits per channel use, bpcu)，其中nT为激活的发射天线数目，M为调制阶数；于此同时，经过联合编 码调制优化之后的星座图能有效克服非线性失真的影响，在无需额外处理的情况下极大提 升了毫米波系统的传输性能。
【发明内容】
[0005] 本发明设计了一种毫米波系统空间调制与联合编码方案，该方案基于SM-0STBC 模型，通过优化设计SC码字的相位，进一步修正了调制输出的空间星座图分布特性，有效 增强了抵抗系统非线性失真的能力。本方法在毫米波传输系统中采用了 Alamouti STBC编 码和SC编码，并通过SM-0STBC结构进一步提高了其系统频谱利用率与抗衰落特性；与此同 时，通过对空间星座调制码相位进行旋转优化，按照特定规则修正空间星座调制输出符号 的星座点分布，有效增强了传输信号抵抗非线性失真的能力。新方案在无需额外处理情况 下，在功率回退3dB且误比特率（BER)为10_ 4的条件下，可相比于传统的SM-0STBC系统获 得2dB的性能提升（见附图2)。综上所述，本发明将为应对毫米波非线性失真下的高效可 靠传输提供一种极具应用潜力的方案。
[0006] 本发明采用以下技术方案。
[0007] 本发明基于SM-0STBC方案，提出了一种应对毫米波非线性失真的空间调制与联 合编码方法与装置，系统模型见附图1，具体的方案如下：
[0008] 首先，系统每隔两个码元时刻输入一组2m+n bit信息的信号，其中m= log2M(M为 调制阶数），n = 2X (nT - 2) (nT为系统激活的传输天线数）。
[0009] 其次，输入信号经过串并转换生成两路m bit信号和一路n bit信号。两路m bit 信号分别经过M阶正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM)输出，再经 Alamouti STBC编码映射生成2X2矩阵X;另一路n bit信号经过SC编码映射生成nTX2 矩阵Sq。
[0010] 接着，矩阵sq和X矩阵相乘，生成的nTX 2空间调制输出矩阵C，再经非线性功放 生成nTX2矩阵C'，并将矩阵C'经两个码元时刻调制至％根激活的传输天线发送出去。
[0011] 最后，在接收端解调根据％根接收天线在两个码元时刻接收的信号，再利用最大 似然准则解调出未知发送信号。
[0012] 本发明优点是：
[0013] 1)本发明首次设计了一种针对毫米波系统的空间调制与联合编码方案，该方案可 进一步提升系统传输效率。
[0014] 2)本发明通过对空间星座调制码的相位进行旋转优化，按照特定规则修正空间星 座调制输出符号的星座点分布，有效增强了传输信号抵抗非线性失真的能力。
[0015] 3)区别于现有方案，本方案在无需任何额外处理的情况下，提供了一种更加简单 高效的抵抗非线性失真的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为功率回退3dB的性能比较图。
[0017] 图2为系统发送端框图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明所设计60GHz毫米波空间调制方法与联合编码装置大致分为SC编码映射 和空间调制及联合编码实现两部分，即信号分别经SC编码映射和Alamouti STBC编码映 射，再经联合编码输出空间调制输出矩阵C，再经发送、接收解调获得原始信号。下面分别对 SC码字设计、联合编码的实现以及接收解调三个方面进行阐述。
[0019] 1.SC码字设计
[0020] 本发明通过优化设计SC码字的相位，进一步修正了编码输出的空间星座图分布 特性，增强了抵抗系统非线性失真的能力。SC码字设计可以大致分为SC码字设计步奏和 相位优化原理两部分。
[0021] 1)SC码字设计步奏
[0022] 在介绍SC码字具体设计步骤之前，先引入nTX 2生成矩阵，
【权利要求】
1. 一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法，能有效应对系统非线性失真；其 特征在于：充分考虑毫米波射频功率放大器（Power Amplifier，PA)的非线性特性，设计 了一种应对60GHz毫米波非线性失真的空间调制方法，有机结合了 Alamouti空时分组码 (Space-time block code，STBC)和 SC 编码（Spatial Constellation Codewords)，在提升 毫米波系统频谱效率的同时，亦能有效增强其传输信号抵抗非线性失真的能力。
2. 根据权利要求1所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法，其特征是，空间 调制方法有机结合了 Alamouti STBC编码和SC编码，因而可获得更高频谱利用率，相比于 传统的多天线系统其传输效率可提升至（nT_2+log2M)比特/信道利用（bits per channel use，bpcu)，其中ητ为激活的发射天线数目，M为调制阶数。
3. 根据权利要求1所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法，其特征是，所述 Alamouti STBC 编码将两路 M 阶正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM) 输出，经Alamouti STBC编码生成输出码字矩阵X。
4. 根据权利要求1所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法，其特征是，所述 SC编码，是将SC码字其中的向量Sq第一项旋转Q1，若其之后21-1和21 (2< I <ητ/2，ητ 为激活发射天线数）项同为实数或者虚数，将其21-1、21项分别旋转θ2、θ3。
5. 根据权利要求1所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制方法，其特征是，所 述SC编码，其中优化角度的选择是采用离线优化的方式，在正式通信之前通过发送已经协 定的数据（该数据服从离散均匀分布），通过不断的改变旋转角度值，采用在当前性噪比 (SNR)条件下使得接收端误比特率（BER)最小的角度作为优化角度。
6. -种针对60GHz毫米波通信系统空间调制和联合编码系统，该系统能有效应对 60GHz毫米波非线性失真，其特征在于，包括SC编码模块、Alamouti STBC编码模块、联合编 码模块； 其中所述SC编码模块，用于将信息编码并且修正空间调制输出符号的星座点分布； 其中所述Alamouti STBC编码模块，用于编码信息并且增强空间调制输出符号抗信道 衰落的能力； 其中所述联合编码模块，用于将SC编码模块与Alamouti STBC编码模块输出码字进行 联合编码，采用两者码字的各自特性，在提高系统的频谱利用率同时，提升系统抗毫米波系 统非线性失真的能力，实现了空间调制。
7. 根据权利要求6所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制和联合编码系统，其 特征在于，所述SC编码映射模块，在输入n bit信息后，输出SC映射编码输出矩阵Sq，其中 不仅传递了 n bit信息而且可修正空间调制输出符号的星座点分布，有效增强了毫米波传 输信号抵抗非线性失真的能力。
8. 根据权利要求6所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制和联合编码系统， 其特征在于，所述Alamouti STBC编码模块，两路m bit信号分别经过M阶正交幅度调制 (Quadrature Amplitude Modulation，QAM)输出，再经 Alamouti STBC 编码映射生成 2X2 矩阵X ;此编码不仅提高系统的频谱利用率，而且提高了系统抵抗信道衰落的能力。
9. 根据权利要求6所述一种针对60GHz毫米波通信系统空间调制和联合编码系统，其 特征在于，联合编码模块，将SC编码模块输出码字矩阵S q与Alamouti STBC编码模块输出 码字矩阵X，进行矩阵相乘，获得联合编码输出C。此模块结合上述两者码字的各自特性，在 提高系统的频谱利用率同时，提升系统抗毫米波系统非线性失真的能力，实现了空间调制。
【文档编号】H04L1/06GK104320222SQ201410613737
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】李斌, 林学彬, 赵成林, 许方敏 申请人:北京邮电大学