CN101902420B - 符号内连续相位差分相移键控调制与解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主要应用于无线通信领域的符号内连续相位差分相移键控调制与解调方法。该方法在信号调制中，主要包括，一组基带信号集合，集合中的每个信号在星座图上为一条连续轨迹，在每次突发通信开始时，设置状态存储器中的状态为某一确定的初始状态；根据输入的一组比特信息值和当前状态存储器的状态值产生对应的输出调制信号并更新存储器中的状态值。在信号解调中，先计算接收符号的相位变化累积量，然后计算其属于每组比特信息值的概率，选择概率最大的比特信息为当前接收信号的解码输出。本发明保证了信号在一个码元中的相位是连续变化，提高了有效发射功率，避免了初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响。

Description

符号内连续相位差分相移键控调制与解调方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信领域中，应用于深空、空地、空空无线通信的基带信号调制与解调方法，这些通信系统对调制信号的要求表现为频谱特性要求高、可以应用非线性功放和通信终端间存在高速相对运动。

背景技术

在移动通信领域中，由于信号在发射机与接收机之间的传播环境非常复杂，频谱资源的有限性加上移动信道的时变和多径传输特性，无线信道通常被认为是自然界中一种较为恶劣的通信信道。有限的可利用频谱资源和复杂的无线传输环境是无线通信领域的两大制约因素。随着通信信息量的不断增大，通信系统占用的带宽越来越大，频率较低的频段已经趋于饱和。在信道带宽限制和信道传输非线性对传输信号的影响情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求。为了满足通信的需求，现有技术一方面将通信频段不断向更高频率延伸，另一方面也不断努力提高频谱的利用率。尤其在深空通信、空地通信和空空通信领域，载波频率较高时发送信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器，并且由于信道的非线性及AM/PM效应，要求调制后的信号波形的瞬时幅度波动要尽量小，因而现有技术一般采用具有恒定包络或准恒定包络结构的调制方式，如一种用载波相位表示输入信号信息的相移键控(PSK)调制技术，但这类调制技术的信号频谱太宽，常常经过带通滤波限带，限带后的PSK信号已经不能保持恒包络。当前卫星通信中常用的偏移四相相移键控(OQPSK)调制方式，将正交路延时一段时间来调制，避免了信号中的180度相位突变，在保持良好频谱特性的同时可以减小信号经限带滤波后造成的包络起伏，但包络的起伏依然明显。

连续相位调制技术(CPM)在保证包络恒定的基础上，通过设计信号相位的连续变化，改善信号的频谱特性。CPM通过设计不同相位路径的变化规律，派生出多种恒包络调制方式，包括最小频移键控(MSK)、SFSK等。

另一种方法为偏移正交相移键控(IJF-OQPSK)，在这种调制方法中，同相路和正交路信息序列先进行IJF编码，形成IJF基带信号，再进行OQPSK调制。在IJF-OQPSK基础上发展了FQPSK调制技术，进一步降低了幅度波动。

总体来看，虽然CPM、IJF-OQPSK、FQPSK等调制技术，较好地解决了通信系统对包络恒定和频谱效率的要求。但是在深空通信、空地通信和空空通信领域，通信收发端还存在较大相对运动速度，多普勒频移导致的频偏和相位变化对相干解调影响显著，尤其在信噪比较低的突发通信中，多普勒频率和初始相位很难精确估计。目前传统的解决方法是采用非相干解调，在调制端以差分方式调制信号。这种差分调制方式对于PSK、MSK调制方式来说较为容易，但CPM、IJF-OQPSK、FQPSK等调制技术，在调制中要对前后发送的信息符号作相关处理，进行差分调制和解调都比较困难和复杂并且性能并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种符号间相位为连续变化，可显著提高功放有效发射功率和频谱有效利用率，能够避免初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响的符号内连续相位差分相移键控调制和解调方法，以解决特定通信系统对包络恒定和频谱效率的需求问题。

上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提供的一种符号内连续相位差分相移键控调制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据每个符号所需携带的比特信息量，在星座图中设置一组和不同输入比特一一对应的基带信号集合，即在星座图中，设置相应数量、对称分布的状态点，从某一状态点出发到所有状态点的光滑路径，每条路径为某一基带信号，并且对应于某一组确定输入比特信息，集合中的每个信号在星座图上为一条连续轨迹，二进制信息被映射为一个符号内连续相位变化的不同累积量，使信号相位为连续变化的并保持信号的准恒包络特性，并计算上述集合中每个信号的相位变化累积量，形成一一对应的数值表；

(2)在信号调制中，用信号调制结构中的串/并数据转换模块，将串行输入的二进制数据转换为并行数据后输入到基带信号选择模块中，由基带信号选择模块根据输入数据产生对应的输出基带调制信号，并送到I、Q调制部分中，将基带信号调制到载波上，再通过功放，由天线发射出去；

(3)在每次突发通信开始时，将状态存储器中的初始状态设置为某一确定的初始状态，将当前发送信号的终点状态设为下一个发送信号的起始状态，再根据输入的一组比特信息值和当前状态存储器的状态值，将存储器中的状态值更新。

本发明提供的一种符号内连续相位差分相移键控解调方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在解码结构中，信号输入前，已经利用同步符号实现了位同步，在基带信号集合中，符号内的相位变化累积量由下式计算

其中T_S为一个符号的持续时间，s(t)为一个符号的持续时间内的基带接收信号，当为数字处理系统时，所述符号内的相位变化累积量计算式为：

其中N为一个符号内的采样点数；

2)用下述公式计算接收信号属于某一发送比特的概率值，

式中

$\mathrm{\φi}=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{Ts}/2}{\∫}}\mathrm{Si}{\left(t\right)}^{*}\mathrm{Si}(\mathrm{Ts}-t)\mathrm{dt}$

其中，φi为发送第i种比特信息时所选择的基带信号的相位变化累积量，S_i(t)为发送第i种比特信息时所选择的基带信号；

3)解调时计算出接收符号计算符号内的相位变化累积量和数值表中的值作比较，计算接收符号对应每一种可能发送比特的概率，选取概率最大的发送比特为当前接收信号的解码信息输出，根据比较结果输出解码信息，其中，数值表是通过计算调制时使用的星座图中基带信号集合中每个信号相位变化累积量形成的，相位变化累积量与输出比特信息一一对应的数值表。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明在星座图中设置一组和不同输入比特一一对应的基带信号集合设计达到了使信号相位为连续变化的同时保持了信号的准恒包络特性。使基带信号具有准恒包络特性，提高了功放的有效发射功率；在星座图中设计的一组基带信号集合中的每个信号，在星座图上为一条连续轨迹，保证了信号在一个码元中的相位是连续变化。连续相位的设计使基带信号具有良好的频谱特性，提高了系统频谱有效利用率。在信号调制中，不同的比特信息由符号内相位变化的累积量表示，在信号解调中，仅考察本符号内的相位变化累积量，和码元符号的绝对相位无关。由于信号解调仅考察符号内的相位变化累积量，本振频偏、多普勒频移、无线信道等因素导致的信号相位变化对信号的正确解调几乎没有影响，简化了基带信号解调方法，这种设计的优点在于：一是符号间相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为准恒包络，提高了有效发射功率；三是避免了初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响，满足高速运动终端间的通信需求。并解决了特定通信系统对包络恒定和频谱效率的需求问题。

本发明特别适合被应用于高速运动平台间的通信。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

图1是本发明中基带信号集合中各信号在星座图中的状态转移轨迹示意图。

图2是本发明所提出的符号内连续相位差分相移键控调制发送示意图。

图3是本发明调制过程中基带信号选择模块示意图。

图4是本发明所提出的符号内连续相位差分相移键控解调示意图。

具体实施方式

参阅图1。本发明是以每个符号携带两比特信息为例来说明符号内连续相位差分相移键控调制的实现过程。根据每个符号所需携带的比特信息量，在图1所述的星座图中，设置一组和不同输入比特一一对应的基带信号集合，使二进制信息被映射为一个符号内连续相位变化的不同累积量。集合中的每个信号在星座图上为一条连续轨迹，使信号相位为连续变化的并保持信号的准恒包络特性。

图中状态表示为星座图上某一固定位置，轨迹以不同符号区分，用于表示不同的基带信号所对应的状态转移。信号总是从一个状态转移到一个状态，包括从一个状态到自身状态的转移，表现为一个固定点。所有图中的轨迹构成基带信号集合。星座图中的基带信号集合，可以根据每个符号所需携带的比特信息量，设置相应数量和对称分布的状态点。设计从某一状态点出发到所有状态点的光滑路径，每条路径为某一基带信号并且对应于某一组确定输入比特信息。图中的上述所有路径构成了本发明基带信号集合，计算上述集合中每个信号的相位变化累积量，形成一一对应的数值表。在基带信号集合设计中，当每个符号需要携带的比特信息数为n时，状态的数目为2ⁿ个，n为自然数1，2，3…～n，并且状态点在复平面上的分布是中心对称的。基带信号集合中的每个信号在复平面上都是从一个状态连续地移动到一个状态，并且这种转移是在一个符号时间内完成的。信号集合中的每个信号是准恒包络的，基带信号集合中当前调制信号的选择由当前发送比特信息和起始状态点共同决定。

参阅图2。在符号内连续相位差分相移键控调制发送示意图中，本发明的信号调制结构由依次串联的数据串/并转换模块(1)、基带信号选择模块(2)和I、Q调制部分(3)组成。其中，串/并数据转换模块，用于将串行输入的二进制数据转换为并行数据后输入到基带信号选择模块中；基带信号选择模块，用于根据输入数据产生对应的输出基带调制信号，并送到I、Q调制部分中。I、Q调制部分包括，I路、Q路闭环回路上的并联的本振和90°移相器。

在信号调制中，用信号调制结构中的串/并数据转换模块(1)，将串行输入的二进制数据转换为并行数据后输入到基带信号选择模块(2)中，由基带信号选择模块(2)根据输入数据产生对应的输出基带调制信号。I、Q调制部分将基带信号调制到载波上，再通过功放，由天线发射出去。

在图3中所示基带信号选择模块(2)中，含有一个基带信号存储单元(4)、开关控制逻辑单元(5)、状态存储器(6)。所述基带信号存储单元(4)含有由计算机预先计算并存储的基带波形S₀……基带波形S₁₅。在每次突发通信开始时，将状态存储器中的初始状态设置为某一确定的初始状态，将当前发送信号的终点状态设为下一个发送信号的起始状态。开关控制逻辑单元(5)根据输入的发送比特信息和状态存储器(6)中的状态信息，在基带信号存储单元(4)中的基带信号集合中选择对应的基带信号作为输出信号。把当前发送的基带I、Q信号输出终点状态在状态存储器(6)中，设置为下一个发送信号的起始状态。因此整个过程是根据输入的一组比特信息值和当前状态存储器的状态值产生对应的输出调制信号并更新存储器中的状态值。发送比特信息、基带信号和状态转移的关系如下表所示：

表1

表中项目为“基带信号/发送比特”，状态数目由每个符号携带的比特数决定，示例中为2bit信息，在星座图中设置了2²个状态，任意两状态间的转移用对应的某一确定基带信号表示。基带信号集合包含有16种复信号，分别表示为[S0，S1，…S15]，且

$S0=\frac{1}{\sqrt{2}}(1+j),$ $-\frac{\mathrm{Ts}}{2}\≤t\≤\frac{\mathrm{Ts}}{2}---\left(1\right)$

$S1=-\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{Ts}}\right)+j(\frac{1}{\sqrt{2}}-(1-\frac{1}{\sqrt{2}}){\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{Ts}}\right)),$ $-\frac{\mathrm{Ts}}{2}\≤t\≤\frac{\mathrm{Ts}}{2}---\left(2\right)$

$S2=(\frac{1}{\sqrt{2}}-(1-\frac{1}{\sqrt{2}}){\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{Ts}}\right))-j\frac{1}{\sqrt{2}}\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{Ts}}\right),$ $-\frac{\mathrm{Ts}}{2}\≤t\≤\frac{\mathrm{Ts}}{2}---\left(3\right)$

$S3=e^{j(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{Ts}}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})},$ $-\frac{\mathrm{Ts}}{2}\≤t\≤\frac{\mathrm{Ts}}{2}---\left(4\right)$

其他 $S4=e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S0,$ $S5=e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S1,$ $S6=e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S2,$ $S7=e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S3,$ S8＝-S0，S9＝-S1，S10＝-S2，S11＝-S3， $S12=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S0,$ $S13=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S1,$ $S14=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S2,$ $S15=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×S3,$ 其中Ts为一个符号的持续时间。

参阅图4。图4描述了本发明符号内连续相位差分相移键控解调结构，在解码结构中，信号输入前，已经利用同步符号实现了位同步；对每个接收符号计算符号内的相位变化累积量和数值表中的值作比较，计算接收符号对应每一种可能发送比特的概率，选取概率最大的发送比特为当前接收信号的解码信息输出。该结构包括，闭环回路上并联的正交解调部分(7)、低通滤波部分(8)、基带信号解调部分(9)和数据并串转换部分(10)，其中基带信号解调部分(9)由符号内相位累积判决模块构成。在解调结构中，信号输入前已经利用同步符号完成符号位同步。射频接收信号依次通过正交解调部分和低通滤波部分(7)中并联的低通滤波器，转换为基带信号，输入到基带信号解调部分(9)；基带信号被基带信号解调部分(9)中的符号内相位累积判决模块解调成并行的比特数据，并输入到数据并串转换部分(10)中。数据并串转换部分(10)将并行数据转换为串行数据输出。基带信号解调部分(9)中的符号内相位累积判决模，对每一个基带接收符号在符号内用式(5)积累其相位变化量，并用式(6)计算接收信号属于某一发送比特的概率，选取最大概率的发送比特为当前接收信号的解码信息。

符号内的相位变化累积量由下式计算

其中T_S为一个符号的持续时间，s(t)为一个符号的持续时间内的基带接收信号，当为数字处理系统时，所述符号内的相位变化累积量计算式为：

其中N为一个符号内的采样点数。

接收信号属于某一发送比特的概率值由下式计算

式中

$\mathrm{\φi}=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{Ts}/2}{\∫}}\mathrm{Si}{\left(t\right)}^{*}\mathrm{Si}(\mathrm{Ts}-t)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式中，φi为发送第i种比特信息时所选择的基带信号的相位变化累积量，S_i(t)为发送第i种比特信息时所选择的基带信号。

上式中的基带信号集合中信号的相位变化累积量φi和发送比特形成一一对应的关系，在信号映射中，不同的比特信息由符号内相位变化的累积量表示，其关系如下表所示

表2

发送比特	对应相位变化累积量
		00	φ0
01	φ1
		10	φ2
11	φ3

表中φi由下式计算

$\mathrm{\φi}=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{Ts}/2}{\∫}}\mathrm{Si}{\left(t\right)}^{*}\mathrm{Si}(\mathrm{Ts}-t)\mathrm{dt}$

式中Si(t)为基带信号集合中的信号。

Claims (5)

1.一种符号内连续相位差分相移键控调制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据每个符号所需携带的比特信息量，在星座图中设置一组和不同输入比特一一对应的基带信号集合，即在星座图中，设置相应数量、对称分布的状态点，从某一状态点出发到所有状态点的光滑路径，每条路径为某一基带信号，并且对应于某一组确定输入比特信息，集合中的每个信号在星座图上为一条连续轨迹，二进制信息被映射为一个符号内连续相位变化的不同累积量，使信号相位为连续变化的并保持信号的准恒包络特性，并计算上述集合中每个信号的相位变化累积量，形成一一对应的数值表；

(2)在信号调制中，用信号调制结构中的串/并数据转换模块，将串行输入的二进制数据转换为并行数据，并输入到基带信号选择模块中产生对应的输出基带调制信号，然后送到I、Q调制部分中，将基带信号调制到载波上，再通过功放，由天线发射出去；

(3)在每次突发通信开始时，将状态存储器中的初始状态设置为某一确定的初始状态，将当前发送信号的终点状态设为下一个发送信号的起始状态，再根据输入的一组比特信息值和当前状态存储器的状态值，将存储器中的状态值更新。

2.如权利要求1所述的符号内连续相位差分相移键控调制方法，其特征在于，基带信号集合中，当每个符号需要携带的比特信息数为n时，状态的数目为2ⁿ个，并且状态点在复平面上的分布是中心对称的，n为自然数1，2，3…～n。

3.如权利要求1所述的符号内连续相位差分相移键控调制方法，其特征在于，基带信号集合设计中的每个信号在复平面上都是从一个状态连续地移动到一个状态，并且这种转移是在一个符号时间内完成的。

4.如权利要求1所述的符号内连续相位差分相移键控调制方法，其特征在于，基带信号集合设计中的每个信号是准恒包络的，且当前调制信号的选择由当前发送比特信息和起始状态点共同决定。

5.一种符号内连续相位差分相移键控解调方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在解码结构中，信号输入前，已经利用同步符号实现了位同步，在基带信号集合中，符号内的相位变化累积量由下式计算

其中T_s为一个符号的持续时间，s(t)为一个符号的持续时间内的基带接收信号，当为数字处理系统时，所述符号内的相位变化累积量计算式为：其中N为一个符号内的采样点数；

2)用下述公式计算接收信号属于某一发送比特的概率值，

式中

$\mathrm{\φi}=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{Ts}/2}{\∫}}\mathrm{Si}{\left(t\right)}^{*}\mathrm{Si}(\mathrm{Ts}-t)\mathrm{dt}$

其中，φi为发送第i种比特信息时所选择的基带信号的相位变化累积量，S_i(t)为发送第i种比特信息时所选择的基带信号；

3)解调时计算出接收符号计算符号内的相位变化累积量和数值表中的值作比较，计算接收符号对应每一种可能发送比特的概率，选取概率最大的发送比特为当前接收信号的解码信息输出，根据比较结果输出解码信息，其中，数值表是通过计算调制时使用的星座图中基带信号集合中每个信号相位变化累积量形成的，相位变化累积量与输出比特信息一一对应的数值表。

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