本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線通信方向調(diào)制目標(biāo)函數(shù)，及其在伍德沃德-勞森綜合法的方向調(diào)制方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著多輸入多輸出天線系統(tǒng)、協(xié)作無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信技術(shù)在各行各業(yè)所起的作用越來越重要。由于無線通信收發(fā)系統(tǒng)具有一定的開放性，使得信息在傳輸過程中的安全性問題備受關(guān)注。其中，物理層安全通信是近年來的研究熱點(diǎn)之一。在物理層安全領(lǐng)域，研究者提出了一種方向調(diào)制(directionalmodulation,dm)技術(shù)，該技術(shù)是一種射頻調(diào)制技術(shù)，在射頻端通過不同的射頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的調(diào)制。它與傳統(tǒng)數(shù)字基帶技術(shù)的不同之處在于：在期望方位上接收機(jī)可以正常地解調(diào)通信信息；而在非期望方向上接收信號的相位會產(chǎn)生畸變，從而影響竊聽接收機(jī)的解調(diào)性能。

方向調(diào)制的誤碼率性能與目標(biāo)函數(shù)的相位和幅度分布密切相關(guān)，它們的畸變越大，誤碼率性能就越差。現(xiàn)有的研究是將重點(diǎn)放在怎樣更好地接近目標(biāo)函數(shù)，而相對忽略了目標(biāo)函數(shù)本身的作用。

在傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中，數(shù)字通信信息是在基帶進(jìn)行調(diào)制然后再由混頻器對調(diào)制信號進(jìn)行上變頻，射頻信號經(jīng)過放大器激勵(lì)發(fā)射天線或天線陣輻射通信信息?；谙嗫仃嚨姆较蛘{(diào)制信號在無線通信傳輸中，以在期望方向綜合出數(shù)字基帶信號為目標(biāo)函數(shù)，采用相應(yīng)算法綜合出相控陣中相移器的相移值，在射頻端完成信息的調(diào)制功能。圖1分別給出了傳統(tǒng)無線通信發(fā)射機(jī)和方向調(diào)制無線通信發(fā)射機(jī)的原理模型。在圖1中，以bpsk調(diào)制為例，假設(shè)竊聽接收機(jī)和期望接收機(jī)有30°的相位偏移。對于傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，信號在基帶調(diào)制。當(dāng)發(fā)送比特“1”和比特“0”時(shí)，竊聽接收機(jī)可以根據(jù)相位差解調(diào)出原信號信息；對于方向調(diào)制發(fā)射機(jī)，信號信息用相移器控制，信號調(diào)制在射頻端完成。發(fā)“1”和“0”時(shí)接收到的信號幅度和相位一樣，接收機(jī)難以解調(diào)出原信號信息。

無線通信傳輸目標(biāo)信號的一般表示式為

ei(θ)＝|ei(θ)|e^jph(θ)(1)

其中，|ei(θ)|為無線通信傳輸目標(biāo)信號分布的幅度函數(shù)，ph(θ)為無線通信傳輸目標(biāo)信號分布的相位函數(shù)。

方向調(diào)制得到的信號經(jīng)加性高斯白噪聲信道傳輸，接收端分別用標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和先進(jìn)接收機(jī)解調(diào)收到的信號信息。其中，標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)是根據(jù)接收信號所在象限來判斷誤碼率的，先進(jìn)接收機(jī)是根據(jù)接收符號間的最小歐氏距離來衡量的，它的誤碼率計(jì)算公式為：

其中，n表示星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)，di表示星座點(diǎn)i到其他星座點(diǎn)之間的最小歐氏距離，n0/2表示噪聲功率譜密度，q(x)表示互補(bǔ)高斯誤差函數(shù)。

無線通信傳輸目標(biāo)信號分布的相位函數(shù)、幅度函數(shù)與方向調(diào)制信號的誤碼率性能密切相關(guān)，相位函數(shù)的畸變越大，誤碼率性能越差，這個(gè)問題亟待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種誤碼率更小的目標(biāo)函數(shù)，通過約束性能高的目標(biāo)函數(shù)或者采用精確度更高的算法，改變理想目標(biāo)函數(shù)的分布來減小信息主瓣的波束寬度，降低旁瓣的信息泄露。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種無線通信方向調(diào)制目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)的幅度函數(shù)和相位函數(shù)分別如式3和式4所示：

其中，θ表示空間方位角，θ0表示期望方位角，δθ表示相位波束的半波束寬度，i從1到4分別對應(yīng)qpsk信號中的“11”，“01”，“00”和“10”。

進(jìn)一步，上述空間方位角θ的范圍為0～180°。

本發(fā)明還進(jìn)一步提出一種利用上述無線通信方向調(diào)制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行的基于伍德沃德-勞森綜合法的方向調(diào)制算法，包含以下步驟：

步驟1：設(shè)計(jì)方向調(diào)制信號的目標(biāo)函數(shù)ei(θ)＝|ei(θ)|e^jph(θ)，其中，|ei(θ)|為目標(biāo)信號分布的幅度函數(shù)，ph(θ)為目標(biāo)信號分布的相位函數(shù)，|ei(θ)|的設(shè)計(jì)為均值等于期望方向的正態(tài)分布，ph(θ)的設(shè)計(jì)如式4所示；

步驟2：根據(jù)公式n＝±1,±2,...,±m(xù)確定抽樣角度的位置θn，并根據(jù)公式an＝s(θn)＝e(θn)得到期望目標(biāo)函數(shù)在抽樣點(diǎn)的值an；

步驟3：將抽樣角度θn、抽樣值an帶入公式得到各諧波電流產(chǎn)生的方向圖；

步驟4：根據(jù)公式綜合得到陣列的遠(yuǎn)場分布s(θ)；

步驟5：為了在期望方向上得到標(biāo)準(zhǔn)的qpsk星座點(diǎn)模型，給每一個(gè)星座點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，權(quán)值為生成新的遠(yuǎn)場分布sw_i(θ)；

步驟6：將以上結(jié)果帶入公式計(jì)算方向調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：

1，本發(fā)明從無線通信傳輸?shù)哪繕?biāo)函數(shù)著手，通過提高理想目標(biāo)信號的相位函數(shù)在期望方向的畸變程度來加強(qiáng)相位約束，從而減小信息波束寬度，解決了信息的旁瓣泄露問題，提高了通信信息的安全性。

2，本發(fā)明將傳統(tǒng)的方向圖綜合法(伍德沃德-勞森綜合法)應(yīng)用到方向調(diào)制技術(shù)中，通過對目標(biāo)函數(shù)在不同的離散角度進(jìn)行抽樣來實(shí)現(xiàn)理想目標(biāo)函數(shù)的。該方法原理簡單，降低了方向調(diào)制算法的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1a為傳統(tǒng)無線通信發(fā)射機(jī)的原理圖；

圖1b為方向調(diào)制無線通信發(fā)射機(jī)的原理圖；

圖2a為理想的目標(biāo)信號遠(yuǎn)場分布圖的幅度方向圖；

圖2b為理想的目標(biāo)信號遠(yuǎn)場分布圖的相位方向圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

伍德沃德-勞森(woodward-lawson)綜合法是對所要求的方向圖在不同的各離散位置上進(jìn)行抽樣來實(shí)現(xiàn)預(yù)期方向圖的一種綜合方法。對于離散線陣，構(gòu)成函數(shù)為aisin(nu)/nsin(u)的形式。各諧波電流的激勵(lì)系數(shù)等于所要求的方向圖在對應(yīng)抽樣點(diǎn)上的幅度?？臻g諧波的有限項(xiàng)之和為源的總激勵(lì)，構(gòu)成函數(shù)的有限項(xiàng)之和為綜合的方向圖函數(shù)，其中每一項(xiàng)代表一個(gè)諧波電流產(chǎn)生的場。

抽樣角度點(diǎn)的位置為

其中，n表示陣元數(shù)，d表示陣元間距，對于奇數(shù)陣列n＝2m+1、偶數(shù)陣列n＝2m。

各陣元的激勵(lì)電流為

諧波電流產(chǎn)生的方向圖為

總場陣因子可寫成n＝2m或n＝2m+1項(xiàng)的疊加，而每一項(xiàng)都有式(7)的形式。即

如果上式等號左邊為期望目標(biāo)函數(shù)s(θ)＝e(θ)，則抽樣點(diǎn)的陣元激勵(lì)系數(shù)an就為期望目標(biāo)函數(shù)在抽樣點(diǎn)的值。即

an＝s(θn)＝e(θn)(9)

基于伍德沃德-勞森綜合法的方向調(diào)制算法：

相移控制器中的相移值是方向調(diào)制的關(guān)鍵，該值是通過期望目標(biāo)函數(shù)利用各種方向調(diào)制算法綜合得到的。將設(shè)計(jì)好的目標(biāo)函數(shù)作為方向圖逼近函數(shù)，通過伍德沃德-勞森綜合法，并經(jīng)過加權(quán)修正得到相移器的相移值。

步驟一：設(shè)計(jì)方向調(diào)制信號的目標(biāo)函數(shù)ei(θ)＝|ei(θ)|e^jph(θ)，其中，|ei(θ)|為目標(biāo)信號分布的幅度函數(shù)，ph(θ)為目標(biāo)信號分布的相位函數(shù)。|ei(θ)|的設(shè)計(jì)為均值等于期望方向的正態(tài)分布，ph(θ)的設(shè)計(jì)如式(4)所示。

步驟二：根據(jù)式(5)確定抽樣角度的位置θn，并根據(jù)式(9)得到期望目標(biāo)函數(shù)在抽樣點(diǎn)的值an。

步驟三：將抽樣角度θn、抽樣值an帶入式(7)得到各諧波電流產(chǎn)生的方向圖。

步驟四：根據(jù)式(8)綜合得到陣列的遠(yuǎn)場分布s(θ)。

步驟五：為了在期望方向上得到標(biāo)準(zhǔn)的qpsk星座點(diǎn)模型，給每一個(gè)星座點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，

權(quán)值為生成新的遠(yuǎn)場分布sw_i(θ)。

步驟六：將以上結(jié)果帶入式(2)計(jì)算方向調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率。