CN101753497A - 基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法及其信号发射和接收方法 - Google Patents

Abstract

基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法及其信号发射和接收方法，涉及一种调制和解调方法及信号的发射和接收方法。它解决了余弦信号作为载波的BPSK通信系统因信号间相互干扰导致在指定的一段频段内只能传输有限路信号的问题。其调制方法：检测N路余弦信号的频谱空隙，在空隙处插入切普信号；解调方法：对切普信号分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换并滤波，再做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，在时域下相加后做相干解调，获得解调信息；对余弦信号通过窄带滤波后在时域做相干解调，获得解调信息；发射过程：将N路余弦信号与N-1路切普信号叠加后发射；接收过程：分别对切普信号和余弦信号进行解调。本发明适用于采用余弦信号作为载波的BPSK通信场合。

Description

基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法及其信号发射和接收方法

技术领域

本发明涉及一种调制和解调方法及信号的发射和接收方法。

背景技术

认知无线电可以自动感知外界的无线环境并能调整系统参数以适应环境的变化。频谱检测是认知无线电的关键技术之一，从认知无线电工作流程上看，首先进行的工作是对无线信道环境的感知，即频谱检测和“空洞”的搜寻与判定。在其工作区域中，认知无限电系统需要感知并分析该工作区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”，在不影响已有通信系统的前提下伺机工作。

在传统的采用余弦信号作为载波的BPSK通信系统中，为了防止信号间的相互的干扰，相邻两路载波的频谱要有一定的间隔才能正确解调出信息。因此，在指定的一段频段内只能传输有限路信号。

发明内容

本发明是为了解决传统的采用余弦信号作为载波的BPSK通信系统中，因信号间相互干扰导致在指定的一段频段内只能传输有限路信号的问题，从而提出一种基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法及其信号发射和接收方法。

基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法，调制方法：对N路余弦载波信号进行频谱感知，检测N路余弦载波信号在频谱上的空隙，在每个空隙处插入一段切普载波信号，获得调制信号；解调方法：对待解调的信号中的切普信号分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换并滤波，然后对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的信号在时域下相加，最后将相加后的信号做相干解调，得到切普信号的解调信息；对待解调的信号中的余弦信号在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波后，在时域做相干解调，得到余弦信号的解调信息；

N为正整数。

基于上述方法的信号发射和接收方法，

发射过程：

步骤一、发送端发送N路余弦信号cos(2πf_bit)，f_bi为余弦信号的中心频率；

步骤二、对所述N路余弦信号cos(2πf_bit)进行频谱感知，检测N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的空隙；

步骤三、在步骤二检测到的N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的每个空隙处插入一段切普信号，共N-1路切普信号；所述切普信号为cos(2πf_cjt+kπt²)，f_cj为切普信号的中心频率，所述切普信号的中心频率为检测出频谱空隙的中间值；

步骤四、将步骤一中的N路余弦信号cos(2πf_bit)与步骤三中的N-1路切普信号叠加，获得叠加后的信号s(t)，并将所述叠加后的信号s(t)发射；

接收过程：

将接收到的信号r(t)中的切普信号进行解调，所述解调方法为：首先对r(t)分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换，并在对应的峰值位置处分别做窄带滤波，获得滤波后的信号，再对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的信号在时域下相加，获得相加后的信号，最后将相加后的信号做相干解调，获得切普信号的解调信息c′_j(t)；

对接收信号r(t)中余弦信号的解调；所述解调方法是：首先将接收信号r(t)在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波，获得滤波后的信号，将所述滤波后的信号在时域下做相干解调，获得解调信息b′_i(t)；

所述i＝1，2...N；

所述j＝1，2...N-1；

所述N为正整数。

所述窄带滤波的范围的确定方法为：根据切普信号的调频频率k，获得解调信号对应的分数p_n和2-p_n以及在对应的分数p_n和2-p_n的分数域的峰值位置，取载波cos(2πf_cjt+kπt²)在p_n阶和2-p_n阶峰值主瓣或一个旁瓣的波形宽度范围作为窄带滤波范围。

有益效果：本发明利用余弦信号和切普信号在频域、分数傅立叶域的优良能量聚集特性，在相同频带内同时传输多路分别以切普信号和余弦信号为载波的BPSK信号，通过在接收端进行相应阶分数傅立叶域变换，使载波信号达到最优能量聚集，进而通过分数域滤波将集中于某一窄带内的载波信号滤出，再反变换到时域完成解调。应用频域、分数傅里叶域窄带滤波，有效的减少余弦信号与切普信号间的相互干扰，从而改善系统误码率；应用本发明方法的系统的抗干扰性能较强。

附图说明

图1是切普信号在分数阶p＝0时在分数域上的波形图；图2是切普信号在分数阶p＝0.2时在分数域上的波形图；图3是切普信号在分数阶p＝0.4时在分数域上的波形图；图4是切普信号在分数阶p＝0.6时在分数域上的波形图；图5是切普信号在分数阶p＝0.8时在分数域上的波形图；图6是切普信号在分数阶p＝1时在分数域上的波形图；图7是余弦信号在分数阶p＝0时在分数域上的波形图；图8是余弦信号在分数阶p＝0.2时在分数域上的波形图；图9是余弦信号在分数阶p＝0.4时在分数域上的波形图；图10是余弦信号在分数阶p＝0.6时在分数域上的波形图；图11是余弦信号在分数阶p＝0.8时在分数域上的波形图；图12是余弦信号在分数阶p＝1时在分数域上的波形图；(图中所示的切普信号和余弦信号均采用指数表达形式计算，横坐标为采样点，纵坐标为幅度)；图13是本发明的信号发射过程中信号处理流程图；图14是本发明的信号接收过程中信号处理流程示意图；图15是传统含有4路信号的BPSK余弦载波系统的频谱图；图16是输入余弦信号后的频谱图；图17是本发明添加切普信号后的频谱图；图18为添加不同信号后，系统误码率曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法，调制方法：对N路余弦载波信号进行频谱感知，检测N路余弦载波信号在频谱上的空隙，在每个空隙处插入一段切普载波信号，获得调制信号；解调方法：对待解调的信号中的切普信号分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换并滤波，然后对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的信号在时域下相加，最后将相加后的信号做相干解调，得到切普信号的解调信息；对待解调的信号中的余弦信号在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波后，在时域做相干解调，得到余弦信号的解调信息；

N为正整数。

所述空隙是指功率谱密度较低的位置。

具体实施方式二、结合图2和图3说明本具体实施方式，基于具体实施方式一所述的基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法的信号发射和接收方法，发射过程：

步骤一、发送端发送N路余弦信号cos(2πf_bit)，f_bi为余弦信号的中心频率；

步骤二、对所述N路余弦信号cos(2πf_bit)进行频谱感知，检测N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的空隙；

步骤三、在步骤二检测到的N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的每个空隙处插入一段切普信号，共N-1路切普信号；所述切普信号为cos(2πf_cjt+kπt²)，f_cj为切普信号的中心频率，所述切普信号的中心频率为检测出频谱空隙的中间值；

步骤四、将步骤一中的N路余弦信号cos(2πf_bit)与步骤三中的N-1路切普信号叠加，获得叠加后的信号s(t)，并将所述叠加后的信号s(t)发射；

接收过程：

将接收到的信号r(t)中的切普信号进行解调，所述解调方法为：首先对r(t)分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换，并在对应的峰值位置处分别做窄带滤波，获得滤波后的信号，再对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的信号在时域下相加，获得相加后的信号，最后将相加后的信号做相干解调，获得切普信号的解调信息c′_j(t)；

同时，对接收信号r(t)中余弦信号的解调；所述解调方法是：首先将接收信号r(t)在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波，获得滤波后的信号，将所述滤波后的信号在时域下做相干解调，获得解调信息b′_i(t)；

所述i＝1，2...N；

所述j＝1，2...N-1；

所述N为正整数。

所述窄带滤波的范围的确定方法为：根据切普信号的调频频率k，获得解调信号对应的分数p_n和2-p_n以及在对应的分数p_n和2-p_n的分数域的峰值位置，取载波cos(2πf_cjt+kπt²)在p_n阶和2-p_n阶峰值主瓣或一个旁瓣的波形宽度范围作为窄带滤波范围。

本发明采用的数学方法为：

分数傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换，信号在分数傅立叶域上的表示，同时包含了信号在时域和频域的信息。分数傅立叶变换的积分形式定义为：

$F^{p}f\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)K_p(u,t)\mathrm{dt}$

$=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp \left[i(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \mathrm{\α}-\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})\right]f\left(t\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\α}\≠\mathrm{n\π}\\ f\left(t\right)& \mathrm{\α}=2\mathrm{n\π}\\ f(-t)& \mathrm{\α}=(2n\±1)\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中f(t)为信号的时域表达形式，f(t)的p阶分数傅立叶变换为F^pf(u)，其中u为分数域坐标，α＝pπ/2。当α＝π/2时f(u)为普通的傅立叶变换。由于FRFT是信号在一组正交的切普基上的展开，因此分数傅立叶变换在某个分数傅立叶域中对给定的切普信号具有最好的能量聚集特性。即一个切普信号在适当的分数傅立叶变换域中将表现为一个冲击函数，而对于傅立叶变换来说，由于基函数为正弦波，所以切普信号对于传统的傅立叶变换不会产生能量聚集。其中，切普信号的表达式为：

参数

f₀、k分别表示切普信号的相位，中心频率，和带宽。k与带宽B的关系为B＝kT，其中T为切普信号时域宽度。在实际通信系统中，发射端发射的信号为实函数，取两个共轭切普信号叠加，使其成为余弦函数形式，表达式如下：

c(t)＝{exp[i(2πf₀t+πkt²)]+exp[-i(2πf₀t+πkt²)]}/2＝cos(2πf₀t+πkt²)余弦信号在p阶分数阶傅立叶域的表达式为：

$g_p\left(u\right)=\sqrt{1+i\tan \mathrm{\α}}\cos \left(2\mathrm{\π}\mathrm{fu}\sec \mathrm{\α}\right)\exp [-i\frac{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2+u^2}{2}\tan \mathrm{\α}]$

由上面的推导可知，切普信号在α＝-arc cotk的分数阶傅立叶变换域中将表现为一个冲击函数；余弦信号的最佳能量聚集在频域，即α＝π/2。因此当切普信号产生最佳能量聚集时余弦信号不会同时有最佳能量聚集出现。图1～12所示分别为切普信号和余弦信号在p＝0～1阶(步长取0.2)分数域上的波形，两信号在不同域有最佳能量聚集，因此在相应的分数阶域上余弦信号与切普信号是可分离的，从而在达到频域复用的效果。

图15是传统含有4路信号的BPSK余弦载波系统的频谱图；

图16为在传统含有4路信号的BPSK余弦载波上添加余弦信号的频谱图，其中，曲线161为原4路信号，曲线162为添加的3路信号，横坐标表示分数域采样点，纵坐标表示幅度。

图17为在传统含有4路信号的BPSK余弦载波上添加切普信号的频谱图，其中，曲线171为原4路信号，曲线172为添加的3路信号，横坐标表示分数域采样点，纵坐标表示幅度。

图18为添加不同信号后，系统误码率曲线，其中曲线185为基准余弦载波误码率曲线；曲线181为在传统含有4路信号的BPSK余弦载波上添加余弦信号后的叠加的余弦信号误码率曲线；曲线182为在传统含有4路信号的BPSK余弦载波上添加余弦信号后原四路余弦信号的误码率曲线；曲线183为切普信号后原四路余弦信号的误码率曲线；曲线184为在传统含有4路信号的BPSK余弦载波上添加切普信号后叠加切普信号的误码率曲线。其中横坐标为信噪比，纵坐标为误码率。

Claims (3)

1.基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法，其特征是：调制方法：对N路余弦载波信号进行频谱感知，检测N路余弦载波信号在频谱上的空隙，在每个空隙处插入一段切普载波信号，获得调制信号；解调方法：对待解调的信号中的切普信号分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换并滤波，然后对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的信号在时域下相加，最后将相加后的信号做相干解调，得到切普信号的解调信息；对待解调的信号中的余弦信号在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波后，在时域做相干解调，得到余弦信号的解调信息；

N为正整数。

2.基于权利要求1所述的基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法的信号发射和接收方法，其特征是：

发射过程：

步骤一、发送端发送N路余弦信号cos(2πf_bit)，f_bi为余弦信号的中心频率；

步骤二、对所述N路余弦信号cos(2πf_bit)进行频谱感知，检测N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的空隙；

步骤三、在步骤二检测到的N路余弦信号cos(2πf_bit)在频谱上的每个空隙处插入一段切普信号，共N-1路切普信号；所述切普信号为cos(2πf_cjt+kπt²)，f_cj为切普信号的中心频率，所述切普信号的中心频率为检测出频谱空隙的中间值；

步骤四、将步骤一中的N路余弦信号cos(2πf_bit)与步骤三中的N-1路切普信号叠加，获得叠加后的信号s(t)，并将所述叠加后的信号s(t)发射；

接收过程：

将接收到的信号r(t)中的切普信号进行解调，所述解调方法为：首先对r(t)分别做p_n阶和2-p_n阶的分数傅里叶变换，并在对应的峰值位置处分别做窄带滤波，获得滤波后的信号，再对滤波后的信号分别做-p_n阶和-(2-p_n)阶的分数傅里叶变换，将变换后的两个信号在时域下相加，获得相加后的信号，最后将相加后的信号做相干解调，获得切普信号的解调信息c′_j(t)；

同时，对接收信号r(t)中余弦信号的解调；所述解调方法是：首先将接收信号r(t)在频域余弦信号能量聚集位置做窄带滤波，获得滤波后的信号，将所述滤波后的信号在时域下做相干解调，获得解调信息b′_i(t)；

所述i＝1，2...N；

所述j＝1，2...N-1；

所述N为正整数。

3.根据权利要求2所述的基于环境感知的切普信号与余弦信号联合的信号调制和解调方法的信号发射和接收方法，其特征在于所述窄带滤波的范围的确定方法为：根据切普信号的调频频率k，获得解调信号对应的分数p_n和2-p_n以及在对应的分数p_n和2-p_n的分数域的峰值位置，取载波cos(2πf_cjt+kπt²)在p_n阶和2-p_n阶峰值主瓣或一个旁瓣的波形宽度范围作为窄带滤波范围。

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