技术领域
[0001] 本
发明涉及无线电通信技术领域，更具体地说涉及一种基于阵列天线的QAM调制信号的发射方法。
背景技术
[0002]
正交幅度调制(quadratic amplitude modulation，QAM)是一种幅度与
相位联合调制技术，具有很高的
频谱效率。对于当前日益紧张的频谱资源而言，QAM是一种非常重要的调制方式，在移动通信、卫星通信等领域都有着广泛的应用。QAM是一种非恒包络调制技术，功率
放大器的非线性会使QAM信号产生严重失真，影响信号的接收解调。因此，QAM调制对
功率放大器的线性度提出了很高的要求。
[0003] QAM信号可看作是两路正交的多电平振幅键控信号的
叠加，传统的QAM调制信号发射机直接用功率放大器放大QAM调制信号，为控制QAM信号的非线性失真，功率放大器必须工作在回退状态，导致功率放大器的效率很低，大部分功率都通过发热而损失，给发射机的设计带来很大的挑战。
[0004] 国家知识产权局于2005年1月5日，公开了一件公开号为CN1183730C，名称为“用于QAM编码数据的发射机”的发明
专利，该发明专利公开了一种高效的16QAM调制信号发射方法，将16QAM信号分解为两个QPSK信号，分别经饱和功率放大器放大并按比例进行缩放，通过功率合成器将两支路信号进行合并。该方法对功率合成器的设计有很高的要求，也会带来一定的功率合成损耗。文献“卫星通信系统中适用于16QAM信号的一种预失真方法”针对宽带卫星通信系统中由记忆功率放大器引起的16QAM信号非线性失真问题，提出了一种基于通用记忆多项式模型的
预失真线性化系统，使用QR分解递归最小二乘
算法动态更新预失真参数。功率放大器的非线性模型以及自适应算法直接影响
数字预失真系统的性能，构建可靠稳定并且可
硬件实现的自适应算法仍有很大的难度。
现有技术方案还无法很好的解决QAM信号的高效线性发射问题。
发明内容
[0005] 为了克服上述现有技术中存在的
缺陷和不足，本发明提供了一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，本发明将QAM调制信号分解为多个独立的BPSK调制信号，经饱和功率放大器放大后由阵列天线同时向外
辐射，通过空间功率合成在期望方向上产生QAM调制信号，在其它方向上的调制
星座图则会产生畸变，可实现QAM调制信号的高效线性发射，降低了发射机的热损耗，并具有保密通信功能。
[0006] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
[0007] 一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0008] A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
[0009] B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
[0010] C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
[0011] D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
[0012] E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步
数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
[0013] F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
[0014] 所述A步骤中，对信息序列进行符号映射得到QAM符号，具体是指：对信息序列进行
串并转换，每L比特信息映射为一个M-QAM符号，其中M＝2L；其表达式为：
[0015] x(n)＝mI(n)+jmQ(n)；其中x(n)为基带M-QAM符号，mI(n)为同相支路基带数据，mI(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)；
[0016] mQ(n)为正交支路基带数据，mQ(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)。
[0017] 所述B步骤中对QAM符号进行BPSK符号分解，具体是指：将A步骤中得到的M-QAM符号分解为多个BPSK符号，具体表示如下：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，bIk(n)为同相支路BPSK符号，bQk(n)为正交支路BPSK符号。
[0021] 所述BPSK符号分解，是通过查找表的方式实现，所述同向支路与正交支路的BPSK符号分解由两个独立的查找表实现。
[0022] 单个查找表的输入地址位宽为L/2，输出数据位宽为2L/2-1。
[0023] 所述将分解得到的BPSK符号进行天线映射，具体是指：将BPSK符号进行随机排列，对应到天线发射通道。
[0024] 所述C步骤中，对各支路BPSK符号进行成形滤波，具体是指，通过成形
滤波器对各支路BPSK符号进行成形滤波，所述成形滤波器为根升余弦滤波器。
[0025] 所述D步骤中，对各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，具体是指：根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系，确定各支路的移相值θIk与θQk，k＝1,2,…,2L/2-1；对数字上变频产生的同相与正交中频载波进行相位控制，得到相位补偿后的同相与正交中频载波cos(w0t+θIk)、sin(w0t+θQk)；各支路基带调制信号分别与对应的中频载波相乘，即可得到各支路数字中频调制信号；其数学表达式为：
[0026] sIk_IF(t)＝sIk(t)·cos(w0t+θIk)
[0027] sQk_IF(t)＝sQk(t)·sin(w0t+θQk)
[0028] 其中，sIk(t)与sIk_IF(t)分别为第k个同相支路的基带与中频调制信号，sQk(t)与sQk_IF(t)分别为第k个正交支路的基带与中频调制信号，k＝1,2,…,2L/2-1。
[0029] 与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
[0030] 1、本发明将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的
保密性能。
[0031] 2、本发明创造性的利用阵列天线同时辐射多个独立的BPSK调制信号，通过空间功率合成产生QAM调制信号，与现有技术相比，不需要额外的功率合成器，实现了QAM调制信号的高效线性发射。
[0032] 3、本发明中，将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变，具有保密通信的功能。
[0033] 4、本发明中，将QAM调制信号分解为多个独立的BPSK调制信号，经过饱和功率放大器放大，各支路功率放大器工作状态一致，不需要按比例进行缩放。
附图说明
[0034] 图1为本发明阵列天线QAM调制信号发射机总体实现
框图；
[0035] 图2为本发明BPSK符号分解单元实现框图；
[0036] 图3为本发明数字上变频与相位控制单元实现框图。
具体实施方式
[0038] 作为本发明一较佳实施例，参照
说明书附图1-3，本实施例公开了：
[0039] 一种基于阵列天线的QAM调制信号发射方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0040] A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
[0041] B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
[0042] C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
[0043] D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
[0044] E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步
数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
[0045] F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
[0046] 本实施例将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的保密性能。
[0047] 实施例2
[0048] 作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：
[0049] 基于阵列天线的QAM调制信号发射机实现框图如图1所示，主要由数字分系统、射频分系统以及阵列天线组成。其硬件架构与传统数字阵列发射机相同，不同之处在于数字分系统部分。传统数字阵列发射机中各天线单元辐射的是QAM调制信号，通过控制各天线单元信号的相位，使得在期望方向上的信号功率最大；本发明中各天线单元辐射的是独立的BPSK调制信号，通过控制各天线单元信号的相位，在期望方向上产生QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则会产生畸变。具体实现方案如下：
[0050] A、对信息序列进行符号映射得到QAM符号；
[0051] 对信息序列进行串并转换，每L比特信息映射为一个M-QAM(M＝2L)符号，其表达式为：
[0052] x(n)＝mI(n)+jmQ(n)
[0053] 其中x(n)为基带M-QAM符号，mI(n)为同相支路基带数据，mQ(n)为正交支路基带数据，mI(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)，mQ(n)＝±1,±3,…,±(2L/2-1)；
[0054] B、对QAM符号进行BPSK符号分解，并将分解得到的BPSK符号进行天线映射；分解得到的BPSK符号包括同相支路BPSK符号和正交支路BPSK符号；
[0055] 将M-QAM符号分解为多个BPSK符号，表示如下：
[0056]
[0057]
[0058] 其中bIk(n)为同相支路BPSK符号，bQk(n)为正交支路BPSK符号；
[0059] BPSK符号分解通过查找表的方式实现，其实现框图如图2所示。同相支路与正交支路的BPSK符号分解由两个独立的查找表实现，可以降低硬件资源消耗。单个查找表的输入L/2地址位宽为L/2，输出数据位宽为2 -1。
[0060] 将2L/2+1-2个BPSK符号进行随机排列，对应到2L/2+1-2个天线发射通道。这样可以增加非期望方向上合成信号星座图的随机性，从而提高系统的保密性能。
[0061] C、对各支路BPSK符号进行成形滤波，得到BPSK基带调制信号；
[0062] D、各支路BPSK基带调制信号通过数字上变频与相位控制单元，得到多通道数字中频调制信号；
[0063] 数字上变频与相位控制单元实现框图如图3所示。根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系，确定各支路的移相值θIk与θQk，k＝1,2,…,2L/2-1。对DDS产生的同相与正交中频载波进行相位控制，得到相位补偿后的同相与正交中频载波cos(w0t+θIk)、sin(w0t+θQk)。各支路基带调制信号分别与对应的中频载波相乘，即可得各支路数字中频调制信号。其数学表达式如下：
[0064] sIk_IF(t)＝sIk(t)·cos(w0t+θIk)
[0065] sQk_IF(t)＝sQk(t)·sin(w0t+θQk)
[0066] 其中sIk(t)与sIk_IF(t)分别为第k个同相支路的基带与中频调制信号，sQk(t)与sQk_IF(t)分别为第k个正交支路的基带与中频调制信号，k＝1,2,…,2L/2-1。
[0067] E、多通道数字中频调制信号通过多通道同步数模转换器，得到多通道模拟中频调制信号；
[0068] F、多通道模拟中频调制信号经射频前段进行模拟上变频与功率放大，而后传输至阵列天线对外辐射。
[0069] 实施例3
[0070] 作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：
[0071] 在本实施例中，以基于六元均匀直线阵列天线的16QAM调制信号发射机为例，其实现的步骤如下：
[0072] BPSK符号分解与天线映射
[0073] 将16QAM信号分解为6个BPSK符号，如下所示：
[0074]mI/mQ bI1/bI2 bI2/bQ2 bI3/bQ3
-3 -1 -1 -1
-1 1 -1 -1
1 1 1 -1
3 1 1 1
[0075] 将6个BPSK符号进行随机排列，与6个天线单元一一对应，共有 种映射关系，具体实现中可随机选择。
[0076] 2)相位控制
[0077] 对于六元均匀直线阵列，设阵元间距为d，载波
波长为λ。则阵列流形矢量为列向量a(θ)，θ为期望方向，其中第k个元素为
[0078]
[0079] 根据BPSK符号与天线单元的映射关系，设bIk对应第ki个天线单元，ki＝1,2,…,6，bQk对应第kq个天线单元，kq＝1,2,…,6。则其移相值分别为：
[0080]
[0081]
[0082] 对于16QAM调制信号，阵列天线并不局限于六元均匀直线阵列。对于更多单元的阵列天线，可将其分为多个子阵，每个子阵包含六个天线单元，各子阵内均进行上述处理即可。
[0083] 在本实施例中，将非恒包络QAM调制信号分解为多个恒包络BPSK调制信号，通过空间功率合成形成QAM调制信号，提高了功率放大器的效率与多通道功率合成效率。将各BPSK调制信号随机映射至各天线单元发射通道，并根据阵列流形、期望方向以及天线映射关系对其进行相位控制，使得在期望方向上形成QAM调制信号，在其它方向上的调制星座图则产生畸变，提高了通信系统的保密性能。
