专利名称：一种变换域通信系统及其实现方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种变换域通信系统及其实现方法。
背景技术：
在变换域通信系统(TransformDomain Communication System, TDCS)中，为了充分利用空闲的频谱资源，TDCS系统把空闲频段分解为一系列独立频谱，结合随机相位生成模块，产生TDCS系统基本调制波形,通过圆周循环调制(Circular Cyclic Shift Keying, CCSK)生成最终的发送信号。通过上述方式，发送信号具有类似于噪声的统计特性，因此具有较低的检测概率(主要针对非授权用户)。这种方案的缺点在于现有的TDCS系统通过 CCSK调制的圆周循环偏移量来表示传输的数据，例如CCSK调制有M种不同偏移量数值，则基于该调制方式的发送符号所能携带的最大信息比特数为Iog2(M)。因此基于CCSK调制方式的TDCS系统的频谱利用率较低。因此在有限的空闲频段中，TDCS系统不能传输大量数据，限制了其在实际系统中的应用场景，目前仅用于低速数据传输链路。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的TDCS系统频谱利用率低的问题，提出了一种变换域通信系统。本发明的技术方案是一种变换域通信系统，其发射端包括用于生成频谱随机相位序列的第一随机相位频谱序列生成模块，其特征在于，发射端还包括第一随机相位频谱序列分配模块、调制模块和支路信号叠加模块，其中，所述的第一随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的调制模块用于调制第一调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据；所述的支路信号叠加模块用于将不同支路调制后的波形进行叠加，最后将叠加后的波形进行发射。进一步的，所述变换域通信系统的接收端包括第二随机相位频谱序列生成模块、 信号共轭模块、第二随机相位频谱序列分配模块、傅里叶变换模块、相乘模块和解调模块， 其中，所述的第二随机相位频谱序列生成模块用于生成频谱随机相位序列；所述的信号共轭模块用于对第二随机相位频谱序列生成模块生成的频谱随机相位序列进行共轭运算；所述的第二随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的傅里叶变换模块用于对接收天线接收的信号进行傅里叶变换；所述的相乘模块用于第二调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据与傅里叶变换模块输出的数据分别进行相乘运算；所述的解调模块用于解调各个支路的相乘模块的输出数据，并将得到的解调数据进行输出。为了解决上述问题，本发明还提出了一种变换域通信系统的实现方法，在所述变换域通信系统发射端包括如下步骤S110.根据外部环境的电磁特性，检测所有频谱区域的频谱特征，将所得的频谱特征与预设定的频谱门限相比较，产生用于描述空闲频谱和已占用频谱的频谱序列；S120.利用随机序列发生器产生随机比特序列，根据所述变换域通信系统的相位映射图表，产生相应的随机相位序列；S130.将步骤SllO产生的频谱序列与步骤S120产生的随机相位序列进行逐元素乘法运算，得到随机相位频谱序列；S140.根据变换域通信系统参数中频谱簇的数目，对步骤S130得到的随机相位频谱序列中空闲频谱进行分配，形成不同的支路，具体分配原则为所有频谱簇中的随机相位频谱序列共同占用所有的空闲频谱资源，并且不同频谱簇之间没有占用相同的空闲频谱资源，所述支路数目等于频谱簇数；S150.将步骤S140得到的不同支路随机相位频谱序列，分别进行调制；S160.将步骤S150得到的各个支路的调制数据进行叠加，最后将叠加后的数据进行发射。具体的，步骤S150所述的调制的具体过程如下S1501.将步骤S140输出的各个支路信号分别经过傅里叶逆变换，形成多个不相关的基础调制波形。S1502.将步骤S1501输出的不同支路根据不同的输入数据，利用CCSK调制进行圆周循环调制每条支路上基础调制波形，得到各个支路上调制后的信号波形。进一步的，在所述变换域通信系统接收端包括如下步骤S210.根据外部环境的电磁特性，检测所有频谱区域的频谱特征，将所得的频谱特征与预设定的频谱门限相比较，产生用于描述空闲频谱和已占用频谱的频谱序列；S220.利用随机序列发生器产生随机比特序列，根据所述变换域通信系统的相位映射图表，产生相应的随机相位序列；S230.将步骤S210产生的频谱序列与步骤S220产生的随机相位序列进行逐元素乘法运算，得到随机相位频谱序列；S240.根据变换域通信系统参数中频谱簇的数目，对步骤S230得到的随机相位频谱序列中空闲频谱进行分配，形成不同的支路。具体分配原则为所有频谱簇中的随机相位频谱序列共同占用所有的空闲频谱资源，并且不同频谱簇之间没有占用相同的空闲频谱资源，所述支路数目等于频谱簇数；S250.将接收天线收到的接收信号进行傅里叶变换；S260.将步骤S240输出的不同支路频谱簇与步骤S250输出的信号进行乘法运算；S270.将步骤S260输出的不同支路信号分别进行解调，得到解调数据进行输出。具体的，步骤S270所述的解调的具体过程如下S2701.将步骤S260得到的不同支路的输出信号进行傅里叶逆变换运算；S2702.将步骤S2701得到的不同支路的输出信号分别提取实数部分；S2703.对步骤S2702得到的不同支路的输出信号进行峰值搜寻，将峰值的位置信息作为解调数据分别进行输出。本发明的有益效果本发明的系统和方法通过结合CCSK调制的技术特点和空闲频谱之间严格正交的条件，根据系统设计选择参数中合适的频谱簇的数目，将频谱感知输出的全部空闲频谱进行合理分配，其中不同频谱簇之间满足正交条件，并且所有的频谱簇共同占有全部的空闲频谱。经过频谱合理分配以后，相互正交的分配后的不同频谱簇分别经过傅里叶逆变换产生对应的基础调制波形形成不同的支路，不同支路分别根据输入数据进行CCSK调制，最后叠加在一起并发送。可以看出，本发明的系统和方法利用分配后的不同频谱簇分别传输不同的数据，提高了变换域通信系统的数据传输率，进而提高了系统频谱利用率。
图I为本发明的变换域通信系统发射端系统框图。图2为本发明的变换域通信系统接收端系统框图。图3为本发明的变换域通信系统的实现方法发射端信号处理流程示意图。图4为本发明的变换域通信系统的实现方法接收端信号处理流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。本发明的变换域通信系统，其发射端的系统框图如图I所示，包括用于生成频谱随机相位序列的第一随机相位频谱序列生成模块，还包括第一随机相位频谱序列分配模块、调制模块和支路信号叠加模块，其中，所述的第一随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的调制模块用于调制第一调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据；可以看出，发射端的调制模块的数目等于支路数目。所述的支路信号叠加模块用于将不同支路调制后的波形进行叠加，最后将叠加后的波形进行发射。这里的第一随机相位频谱序列生成模块，包括频谱感知子模块，频谱比较子模块、 随机序列发生子模块、相位映射器和随机相位序列生成器，其中，频谱感知子模块用于根据外部环境电磁特性获取不同频率点上的功率谱幅度信 频谱比较子模块，用于根据频谱感知模块的感知结果，将不同频率点的功率谱幅度与预设定的频谱门限进行比较，生成频谱序列。具体的比较为如果感知结果比预设定频谱门限大，则认为是占用频谱；反之，则认为是空闲频谱。随机序列发生子模块，用于生成随机比特序列；相位映射器，用于根据随机序列发生模块生成的随机比特序列产生相应的随机相位序列；随机相位序列生成器，根据频谱比较模块生成的频谱序列和相位映射器产生的随机相位序列，生成随机相位频谱序列。对于频谱感知子模块，如果频谱区域中总带宽为W赫兹，根据变换域通信系统参数中子载波数目N和子载波间隔Λ f，则W = N · Λ f，在每一个子载波频点上检测信号功率谱幅度。在频谱比较子模块中，对第k个频点频谱特征值Ak而言，当频点功率谱幅度大于预设定的频谱门限Tthreshtjld，设定该频率点数值为0(表示该频率点占用)；当功率谱幅度小于或等于预设定的频谱门限T—ld，设定该频率点数值为I (表示该频率点空闲)，频谱比较过程可以描述为
Uk=I,频点功率谱小于或等于预设定门限Tftratow kIA = O, 频点功率谱大于预设定门UTatreshm通过上述频谱感知和频谱比较过程，能够得到由数值0，I组成的频谱序列用于描述外部环境频率使用情况，即A = {A0, A1, A2, , An_J。假定在频谱序列A中存在N。个空闲频谱，则空闲频谱集合满足{Ak = I, k e Ω。}。这里的调制模块包括傅里叶逆变换子模块和圆周循环调制子模块，其中，第一傅里叶逆变换子模块用于对第一随机相位频谱序列分配模块生成的不同频谱序列支路进行傅里叶逆变换，生成各自频谱序列支路对应的基础调制波形；圆周循环调制子模块，用于对不同支路中第一傅里叶逆变换子模块的输出基础调制波形进行圆周循环调制。作为一个优选的方案，变换域通信系统的接收端系统框图如图2所示，包括第二随机相位频谱序列生成模块、信号共轭模块、第二随机相位频谱序列分配模块、傅里叶变换模块、相乘模块和解调模块，其中，所述的第二随机相位频谱序列生成模块用于生成频谱随机相位序列；所述的信号共轭模块用于对第二随机相位频谱序列生成模块生成的频谱随机相位序列进行共轭运算；所述的第二随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的傅里叶变换模块用于对接收天线接收的信号进行傅里叶变换；所述的相乘模块用于第二调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据与傅里叶变换模块输出的数据分别进行相乘运算；所述的解调模块用于解调每个支路的相乘模块的输出数据，并将得到的解调数据进行输出。可以看出，接收端的解调模块和相乘模块的数目等于支路数目。这里的第二随机相位频谱序列生成模块的结构与发射端的第一随机相位频谱序列生成模块的结构相同，不再详细说明。这里的解调模块包括第二傅里叶逆变换子模块、提取实数数据子模块和峰值搜寻子模块，其中，第二傅里叶逆变换子模块，用于对每个支路的相乘模块的输出数据进行傅里叶逆变换；提取实数数据子模块，用于提取第二傅里叶逆变换子模块输出的傅里叶逆变换数据的实数数据；峰值搜寻子模块，用于对提取的实数数据进行峰值搜寻操作。本发明还提出了一种变换域通信系统的实现方法，其中在所述变换域通信系统发射端处理流程示意图如图3所示，具体包括如下步骤S110.根据外部环境的电磁特性，检测所有频谱区域的频谱特征，将所得的频谱特征与预设定的频谱门限相比较，产生用于描述空闲频谱和已占用频谱的频谱序列A = {A0,
A1J A2J ... An_j}；对于频谱感知，如果频谱区域中总带宽为W赫兹，根据变换域通信系统参数中子载波数目N和子载波间隔Af，则W = N· Af。频谱感知在每一个子载波频点上检测信号功率谱幅度。在频谱比较中，对第k个频点频谱特征值Ak而言，当频点功率谱幅度大于预设定的频谱门限Tthreshtjld，设定该频率点数值为0(表示该频率点占用)；当功率谱幅度小于或等于预设定的频谱门限Tth_told，设定该频率点数值为I (表示该频率点空闲)，频谱比较过程可以描述为
Uk=I,频点功率谱小于或等于预设定门限Tftratow kIA = O, 频点功率谱大于预设定门限Tftratow通过上述频谱感知和频谱比较过程，能够得到由数值0，I组成的频谱序列用于描述外部环境频率使用情况，即A = {A0, A1, A2, , An_J。假定在频谱序列A中存在N。个空闲频谱，则空闲频谱集合满足{Ak = I, k e Ω。}。S120.利用随机序列发生器产生随机比特序列，然后根据所述变换域通信系统的相位映射图表，产生相应的随机相位序列，即P =，mi表示随机相位序列第i个元素的相位。S130.将步骤SI 10产生的频谱序列A与步骤S120产生的随机相位序列进行逐元素乘法运算P，得到随机相位频谱序列；B = A · P，得到随机相位频谱序列 B = , A广,A2Cn}。随机相位频谱序列主要用于产生具有噪声特性的波形，具有低截获概率，以及多址接入方式中区分不同的用户。S140.根据变换域通信系统参数中频谱序列簇的数目L，对步骤S130得到的随机相位频谱序列分配给L个频谱簇{A1，A2, , AlI，每个频谱簇占有Ne/L个空闲频谱，且每个频谱簇中频谱序列满足
权利要求
1.一种变换域通信系统，其发射端包括用于生成频谱随机相位序列的第一随机相位频谱序列生成模块，其特征在于，发射端还包括第一随机相位频谱序列分配模块、调制模块和支路信号叠加模块，其中，所述的第一随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的调制模块用于调制第一调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据；所述的支路信号叠加模块用于将不同支路调制后的波形进行叠加，最后将叠加后的波形进行发射。
2.根据权利要求I所述的变换域通信系统，其特征在于，所述变换域通信系统的接收端包括第二随机相位频谱序列生成模块、信号共轭模块、第二随机相位频谱序列分配模块、傅里叶变换模块、相乘模块和解调模块，其中，所述的第二随机相位频谱序列生成模块用于生成频谱随机相位序列；所述的信号共轭模块用于对第二随机相位频谱序列生成的频谱随机相位序列进行共轭运算；所述的第二随机相位频谱序列分配模块用于根据所述变换域通信系统参数中频谱簇的大小，将随机相位频谱序列分配给不同频谱簇用于传输有效数据，即将随机相位频谱序列中的空闲频谱分成不同的支路，且支路数目等于频谱簇数；所述的傅里叶变换模块用于对接收天线接收的信号进行傅里叶变换；所述的相乘模块用于第二调制随机相位频谱序列分配模块分配的对应支路的数据与傅里叶变换模块输出的数据分别进行相乘运算；所述的解调模块用于解调各个支路的相乘模块的输出数据，并将得到的解调数据进行输出。
3.根据权利要求I所述的变换域通信系统，其特征在于，所述的第一随机相位频谱序列生成模块，包括频谱感知子模块，频谱比较子模块、随机序列发生子模块、相位映射器和随机相位序列生成器,其中，频谱感知子模块用于根据外部环境电磁特性获取不同频率点上的功率谱幅度信息； 频谱比较子模块，用于根据频谱感知模块的感知结果，将不同频率点的功率谱幅度与预设定的频谱门限进行比较，生成频谱序列。随机序列发生子模块，用于生成随机比特序列；相位映射器,用于根据随机序列发生模块生成的随机比特序列产生相应的随机相位序列；随机相位序列生成器,根据频谱比较模块生成的频谱序列和相位映射器产生的随机相位序列，生成随机相位频谱序列。
4.根据权利要求2所述的变换域通信系统，其特征在于，所述的第二随机相位频谱序列生成模块，包括频谱感知子模块，频谱比较子模块、随机序列发生子模块、相位映射器和随机相位序列生成器，其中，频谱感知子模块用于根据外部环境电磁特性获取不同频率点上的功率谱幅度信息； 频谱比较子模块，用于根据频谱感知模块的感知结果，将不同频率点的功率谱幅度与预设定的频谱门限进行比较，生成频谱序列。如果感知结果比预设定频谱门限小，则认为是空闲频谱，反之感知结果比预设定频谱门限大，则认为是占用频谱；随机序列发生子模块，用于生成随机比特序列；相位映射器,用于根据随机序列发生模块生成的随机比特序列产生相应的随机相位序列；随机相位序列生成器,根据频谱比较模块生成的频谱序列和相位映射器产生的随机相位序列，生成随机相位频谱序列。
5.根据权利要求I或3所述的变换域通信系统，其特征在于，所述的调制模块包括傅里叶逆变换子模块和圆周循环调制子模块，其中，第一傅里叶逆变换子模块用于对第一随机相位频谱序列分配模块生成的不同频谱序列支路进行傅里叶逆变换，生成各自频谱序列支路对应的基础调制波形；圆周循环调制子模块，用于对不同支路中第一傅里叶逆变换子模块的输出基础调制波形进行圆周循环调制。
6.根据权利要求2或4所述的变换域通信系统，其特征在于，所述的解调模块包括第二傅里叶逆变换子模块、提取实数数据子模块和峰值搜寻子模块，其中，第二傅里叶逆变换子模块，用于对每个支路的相乘模块的输出数据进行傅里叶逆变换；提取实数数据子模块，用于提取第二傅里叶逆变换子模块输出的傅里叶逆变换数据的实数数据；峰值搜寻子模块，用于对提取的实数数据进行峰值搜寻操作。
7.一种变换域通信系统的实现方法，在所述变换域通信系统发射端包括如下步骤 S110.根据外部环境的电磁特性，检测所有频谱区域的频谱特征，将所得的频谱特征与预设定的频谱门限相比较，产生用于描述空闲频谱和已占用频谱的频谱序列；S120.利用随机序列发生器产生随机比特序列，根据所述变换域通信系统的相位映射图表，产生相应的随机相位序列；S130.将步骤SllO产生的频谱序列与步骤S120产生的随机相位序列进行逐元素乘法运算，得到随机相位频谱序列；S140.根据变换域通信系统参数中频谱簇的数目，对步骤S130得到的随机相位频谱序列中空闲频谱进行分配，形成不同的支路，具体分配原则为所有频谱簇中的随机相位频谱序列共同占用所有的空闲频谱资源，并且不同频谱簇之间没有占用相同的空闲频谱资源， 所述支路数目等于频谱簇数；S150.将步骤S140得到的不同支路随机相位频谱序列，分别进行调制；S160.将步骤S150得到的各个支路的调制数据进行叠加，最后将叠加后的数据进行发射。
8.根据权利要求7所述的变换域通信系统的实现方法，其特征在于，在所述变换域通信系统接收端包括如下步骤S210.根据外部环境的电磁特性，检测所有频谱区域的频谱特征，将所得的频谱特征与预设定的频谱门限相比较，产生用于描述空闲频谱和已占用频谱的频谱序列；S220.利用随机序列发生器产生随机比特序列，根据所述变换域通信系统的相位映射图表，产生相应的随机相位序列；S230.将步骤S210产生的频谱序列与步骤S220产生的随机相位序列进行逐元素乘法运算，得到随机相位频谱序列；S240.根据变换域通信系统参数中频谱簇的数目，对步骤S230得到的随机相位频谱序列中空闲频谱进行分配，形成不同的支路。具体分配原则为所有频谱簇中的随机相位频谱序列共同占用所有的空闲频谱资源，并且不同频谱簇之间没有占用相同的空闲频谱资源， 所述支路数目等于频谱簇数；S250.将接收天线收到的接收信号进行傅里叶变换；S260.将步骤S240输出的不同支路频谱簇与步骤S250输出的信号进行乘法运算；S270.将步骤S260输出的不同支路信号分别进行解调，得到解调数据进行输出。
9.根据权利要求7或8所述的变换域通信系统的实现方法，其特征在于，步骤S150所述的调制的具体过程如下. 51501.将步骤S140输出的各个支路信号分别经过傅里叶逆变换，形成多个不相关的基础调制波形。 .51502.将步骤S1501输出的不同支路根据不同的输入数据，利用CCSK调制进行圆周循环调制每条支路上基础调制波形，得到各个支路上调制后的信号波形。
10.根据权利要求8或9所述的变换域通信系统的实现方法，其特征在于，步骤S270所述的解调的具体过程如下 .52701.将步骤S260得到的不同支路的输出信号进行傅里叶逆变换运算； .52702.将步骤S2701得到的不同支路的输出信号分别提取实数部分； .52703.对步骤S280得到的不同支路的输出信号进行峰值搜寻，将峰值的位置信息作为解调数据分别进行输出。
全文摘要
本发明公开了一种变换域通信系统及其实现方法，具体在发射端包括第一随机相位频谱序列生成模块、第一随机相位频谱序列分配模块、调制模块和支路信号叠加模块。本发明的系统和方法通过结合CCSK调制的技术特点和空闲频谱之间严格正交的条件，根据系统设计选择参数中合适的频谱簇的数目，将频谱感知输出的全部空闲频谱进行合理分配，经过频谱分配以后，不同频谱簇分别经过傅里叶逆变换产生对应的基础调制波形形成不同的支路，不同支路分别根据输入数据进行CCSK调制，最后叠加在一起并发送。本发明的系统和方法利用分配后的不同频谱簇分别传输不同的数据，提高了变换域通信系统的数据传输率，进而提高了系统频谱利用率。
文档编号H04L27/26GK102611670SQ20121007626
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者李少谦, 毕国安, 胡苏 申请人:电子科技大学