CN102215047A - 一种高速数据传输的软扩频多路复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，其特征在于：发射步骤为将需要传输的2n位串行数据转换成两路并行数据，进行多进制数据扩频、获得基带信号、进行D/A变换得到模拟基带信号、通过正交调制进行发射；将天线接收到的高频信号变换成中频信号后转换为数字中频信号，通过数字解调、同步信号解扩和并串转换成串行数据。本发明提出一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，是一种解决扩频通信通信速率和信号带宽的矛盾而采取的一种行之有效的技术手段，提高高速数据通信设备的的荫蔽牲、可靠性和抗干扰性能。

Description

一种高速数据传输的软扩频多路复用方法

技术领域

本发明涉及一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，属于扩频通信和高速数据通信领域。

背景技术

高速数据传输为解决扩频通信通信速率和信号带宽的矛盾，目前普遍采取的技术手段是多进制调制，为进一步提高频带利用率，从BPSK发展到QPSK、8PSK等。当然，从理论上讲，MPSK(多相制相移键控，M＝2ⁿ，n＝1，2，3)频带利用率随M的增加而增加，但维持相同误码率所要求的载波功率也将随M的增加而增加。考虑到设备的复杂性，实际实现MPSK需付出比理论计算更高的功率代价，目前国际上用得最多的还是BPSK、QPSK，8PSK也用，从信号状态空间图上看，大于8相的PSK系统已不可取。实际上，在无线通信中16PSK或更高的MPSK还没在实践中采用。

其次就是正交频分复用(OFDM)技术。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，它能够同时满足高速和抗干扰两方面的要求。目前，用正交频分复用(OFDM)技术可以实现在C频段的高速数据传输。虽然采用OFDM技术能够使系统具有高速数据传输能力，但是仍然存在着明显不足。主要有二点：

(1)对频偏和相位噪声很敏感。由于发端和收端的上、下行转换器和调谐震荡器会带来的相位噪声抖动，频偏以及相位噪声会使子载波间的正交特性遭到破坏，仅1％的频偏就能使信噪比(SNR)下降30dB。

(2)功率峰值与均值比(PAPR)大。由于OFDM信号是多个子载波调制信号的合成信号，对于含有N个调制信号的OFDM系统，若这N个信号均以同相位求和时，那么得到的峰值功率将是均值功率的N倍，即峰均比很大。这就要求发射功率具有较大的动态调整范围，并降低了射频放大器的功率效率。

另一种是采用软扩频技术，软扩频又称缓扩频，即进行频谱的某种缓慢变化，这项技术是近年来发展比较快、应用比较多的一项技术。一般的扩频技术，其伪随机码速率很高，射频带宽很宽，在一些频带受限的情况下难以满足系统的要求，故在一些TDMA、CDMA、无线局域网等系统中多采用软扩频技术。与直接序列扩频方法不同，软扩频实际是采用编码的方法完成频率的扩展。软扩频是一种(N，k)编码，k位二进制的信息码由N位长的伪随机序列来表示。用几位信息元对应一条伪随机码。软扩频的性能与其扩展频率N/k、伪随机码长度N、伪随机码的相关特性和信息长度k有关。当k值较高时，N位长的伪随机序列要选择相关特性好(正交和准正交)的2^k个伪随机序列就比较困难。唯一的方法就是增加伪随机序列N的长度，这样一方面将增加频宽，同时接收设备就更加复杂。

现代通信中为提高通信的可靠性和抗干扰性能，普遍采用扩展频谱技术。尤其在通信中为提高通信的荫蔽牲、可靠性和抗干扰性必须采用扩展频谱技术。在高速数据传输中如采用扩展频谱技术，必将形成很宽的信号带宽。在无线通信中将占用较宽的频道，同时，接收信道将引入更多的噪声，影响接收机的灵敏度，降低设备的有效通信距离。

在扩频通信系统中为提高通信设备的抗干扰性能必须提高扩频处理增益G＝B_RF/B_b。B_RF为扩频后的带宽；B_b为信息带宽。在信道带宽B_RF一定的情况下，要提高扩频处理增益G，只有想法降低信息带宽B_b。本发明就是用多进制软扩频和多路复用的方法降低信息带宽B_b，提高扩频处理增益G。降低信息带宽B_b，一般方法就是采用多进制调制，一次传输多比特信息。也就是在原有带宽的情况下，传送更高的比特速率。如要提高n倍的传送比特速率，就要采用2ⁿ进制调制，当n＞3时不管采用MPSK或QAM调制方式，在无线通信中要保证低的误码率、小的发射功率，长的通信短离均难以实现。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，是一种解决扩频通信通信速率和信号带宽的矛盾而采取的一种行之有效的技术手段，提高高速数据通信设备的的荫蔽牲、可靠性和抗干扰性能。

技术方案

一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，其特征在于包括发射步骤和接收步骤，发射步骤具体如下：

步骤1串并转换：将需要传输的2n位串行数据转换成两路并行数据，其中，前n位串行数据转换成第一路并行数据定义为D₁₁～D_1n、后n位串行数据转换成第二路并行数据定义为D₂₁～D_2n；

步骤2：针对两路数据分别选用码长为m的2^n-1个不同的准正交伪随机码

作为扩频码；

步骤3多进制数据扩频：一路的(n-1)位数据D₁₁～D_1(n-1)任意对应选择其中1路2^n-1个伪随机码

中的一个，另一路的D_1n为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

另一路的(n-1)位数据D₂₁～D_2(n-1)任意对应选择另一路2^n-1个伪随机码中的一个，D_2n为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

$S_2\left(t\right)=D_{2n}({\mathrm{PN}}_{21}~{\mathrm{PN}}_{{22}^{n-1}});$

步骤4：选择码长为k×m位伪随机码PN_d作为系统同步信号S₃(t)＝PN_d，所述PN_d码速率与两路数据扩频码码速率相同，k＝2～127；

步骤5：以下式获得基带信号

$S_I\left(t\right)=\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)-\sqrt{2P_Q}{S}_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

$S_Q\left(t\right)=\sqrt{2P_Q}{S}_2\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)+\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)S_2\left(t\right)S_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

其中：P_I、P_Q为数据信号的功率，m的选择范围为0＜m＜П/4；

步骤6：对S_I(t)和S_Q(t)数字基带信号进行D/A变换，得到模拟基带信号；

步骤7：将变换后的模拟基带信号通过正交调制，调制后的信号为：

S(t)＝S_I(t)Cosωt-S_Q(t)Sinωt，

然后将上述调制后的信号进行发射；所述发射载波频率f＝2П/ω在无线电波全频段内任意选择；

接收步骤具体如下：

步骤1频率变换：将天线接收到的高频信号变换成中频信号；

步骤2模数转换：将模拟中频信号通过A/D变换转换成数字中频信号；

步骤3数字解调：将中频数字信号通过数字下变频解调出I、Q两路基带信号；

步骤4同步信号解扩：对两路基带信号与本地同步码PN_d相乘进行解扩并提取载波和码同步的误差信息；

步骤5载波和码的同步：调整接收机本地载波和码的时钟频率和相位使其与接收信号载波和码的时钟频率和相位保持一致；

步骤6数据解扩：I路信号分别和2^n-1个伪随机码

相乘进行相关解扩获得2^n-1个相关值，对2^n-1个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2^n-1个相关运算的序号即为(n-1)bit数据信息D₁₁～D_1(n-1)，相关值的符号为D_1n；

Q路信号分别和2^n-1个伪随机码

相乘进行相关解扩获得2^n-1个相关值，对2^n-1个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2^n-1个相关运算的序号即为(n-1)bit数据信息D₂₁～D_2(n-1)，相关值的符号为D_2n；

步骤7并串转换：将上述二项并行数据D₁₁～D_1n、D₂₁～D_2n转换成2n位串行数据输出；所述D₁₁～D_1n对应前n位串行数据，D₂₁～D_2n对应后n位串行数据。

有益效果

本发明提出的一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，解决了软扩频多路信号复用的同步同题，同时也解决了软扩频多路信号复用的相互干扰问题。较好的解决了高速数传与带宽的矛盾。可大幅度提高频带利用率。通过计算机仿真和实际测试采用多进制码分调制方式和多路信号复用技术，在不影响信号传输误码率的情况下能压缩信号带宽几倍至数十倍，提高接收设备灵敏度3～30dB。该技术具有很强的实用性和可操作性。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

某传感器多路数据的无线传输系统要求传输数据速率高(大于1Mbps)，抗干扰性能强(抗干扰容限大于6db)，传输距离远(不小于40Km)。采用本发明的高速数据传输的软扩频多路复用技术取得良好的效果。

该系统采用三路二进制DSSS信号复用，其中两路选用码长L＝31的伪随机码，采用MCK/QPSK调制，每路传输5bit信息，两路一次传输10bit信息。同时混入一路码长L＝31×33＝1023的伪随机码，作为同步信号。幅度为其它两路信号幅度的0.2倍。三路信号选用相同的码速率。

发射步骤具体如下：

步骤1串并转换：将需要传输的2n＝10位串行数据转换成两路并行数据，其中，前5位串行数据转换成第一路并行数据定义为D₁₁～D₁₅、后5位串行数据转换成第二路并行数据定义为D₂₁～D₂₅；

步骤2：针对两路数据分别选用码长为31的2^n-1个不同的准正交伪随机码

作为扩频码；

步骤3多进制数据扩频：一路的4位数据D₁₁～D₁₄任意对应选择其中1路2⁴个伪随机码

中的一个，另一路的D₁₅为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

另一路的(n-1)位数据D₂₁～D_2(n-1)任意对应选择另一路2^n-1个伪随机码

中的一个，D_2n为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

$S_2\left(t\right)=D_{2n}({\mathrm{PN}}_{21}~{\mathrm{PN}}_{{22}^{n-1}});$

步骤4：选择码长为k×31位伪随机码PN_d作为系统同步信号S₃(t)＝PN_d，所述PN_d码速率与两路数据扩频码码速率相同，k＝31；

步骤5：以下式获得基带信号

$S_I\left(t\right)=\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)-\sqrt{2P_Q}{S}_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

$S_Q\left(t\right)=\sqrt{2P_Q}{S}_2\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)+\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)S_2\left(t\right)S_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

其中：P_I、P_Q为数据信号的功率，m的选择范围为0＜m＜П/4；

步骤6：对S_I(t)和S_Q(t)数字基带信号进行D/A变换，得到模拟基带信号；

步骤7：将变换后的模拟基带信号通过正交调制，调制后的信号为：

S(t)＝S_I(t)Cosωt-S_Q(t)Sinωt，

然后将上述调制后的信号进行发射；所述发射载波频率f＝2П/ω在无线电波全频段内任意选择；

接收步骤具体如下：

步骤1频率变换：将天线接收到的高频信号变换成中频信号；

步骤2模数转换：将模拟中频信号通过A/D变换转换成数字中频信号；

步骤3数字解调：将中频数字信号通过数字下变频解调出I、Q两路基带信号；

步骤4同步信号解扩：对两路基带信号与本地同步码PN_d相乘进行解扩并提取载波和码同步的误差信息；

步骤5载波和码的同步：调整接收机本地载波和码的时钟频率和相位使其与接收信号载波和码的时钟频率和相位保持一致；

步骤6数据解扩：I路信号分别和2⁴个伪随机码相乘进行相关解扩获得2⁴个相关值，对2⁴个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2⁴个相关运算的序号即为4bit数据信息D₁₁～D₁₄，相关值的符号为D₁₅；

Q路信号分别和2⁴个伪随机码

相乘进行相关解扩获得2⁴个相关值，对2⁴个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2⁴个相关运算的序号即为4bit数据信息D₂₁～D₂₄，相关值的符号为D₂₅；

步骤7并串转换：将上述二项并行数据D₁₁～D_1n、D₂₁～D_2n转换成2n位串行数据输出；所述D₁₁～D_1n对应前n位串行数据，D₂₁～D_2n对应后n位串行数据。

本实施例的结果：

传输码速率为3.2Mcps。

传输数据速率3.2×10/31＝1.032Mbps。满足指标要求。

传输信道带宽为2×3.2＝6.4MHz。

数据扩频处理增益G＝10LgL＝10Lg31＝14.9db，

同步信号扩频处理增益G＝10LgL＝10Lg1023＝30db，

扩展频率N/k＝32/10＝3.2

通过实际测试采用软扩频多路复用技术的传感器多路数据无线传输系统满足性能指标要求。

在本方法中首先采用多进制码分调制方式提高通信速率。在常规直扩通信中，一般将码分用在多地址上，也就是码分多址系统(MCDS)。本技术将码分用在多进制调制上，用不同的码传输多比特信息。此方法也就是软扩频(MCSK)。一般情况软扩频(MCSK)如采用BPSK调制方式，效率有限，同步问题不好解决。因此，可采用QPSK(OQPSK)调制方式。在采用QPSK(OQPSK)调制时，I、Q两路中的一路往往作为传输同步信息。如I、Q两路都用不同的码传输多比特信息，将使接收设备的同步系统十分复杂，可靠性大大降低。因此，为进一步压缩信息带宽，提高通信速率。本方法方在软扩频(MCSK)的基楚上采用复用技术。也就是在QPSK两路复用时再混入一个同步信号，成为三路复用。三个二进制DSSS信号混合仍要保持恒定包络输出，可采用下列方法：

S(t)＝S_I(t)Cosωt-S_Q(t)Sinωt

$S_I\left(t\right)=\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)-\sqrt{2P_Q}{S}_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

$S_Q\left(t\right)=\sqrt{2P_Q}{S}_2\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)+\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)S_2\left(t\right)S_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

S₁(t)、S₂(t)、S₃(t)为三路伪码直扩二进制信号，三路信号的幅度取决于P_I、P_Q和m值。如P_I＝P_Q则第一路和第三路信号幅度相等。m值决定第三路号幅度与第一路和第二路信号幅度之比Sin(m)/Cos(m)。如m＝∏/4则第三路信号幅度与第一路、第二路信号幅度相等。此时，第三路信号与第一路、第二路信号会相互干扰。为了减少相互间干扰，第三路伪码信号应与第一路、第二路伪码信号正交。用三路相互正交伪码信号传输多比特信息可以提高传输速率压缩带宽，但是要选择相互正交三路多进制伪码信号比较困难，同时将使接收设备的同步系统十分复杂，可靠性大大降低。本发明将第三路信号用作同步，传输一个固定的伪码信号用来系统同步。系统选用较小的m值减少第三路信号对第一路、第二路信号的干扰。此时，第三路同步信号的幅度较小，将受到第一路、第二路信号的干扰。本方法对第三路同步信号选用较长的扩频码来提高处理增益，从而解决第一路、第二路信号对第三路信号的干扰。此方法较好的解决了软扩频多路信号复用的同步同题，同时也解决了软扩频多路信号复用的相互干扰问题。

Claims (1)

1.一种高速数据传输的软扩频多路复用方法，其特征在于包括发射步骤和接收步骤，发射步骤具体如下：

步骤1串并转换：将需要传输的2n位串行数据转换成两路并行数据，其中，前n位串行数据转换成第一路并行数据定义为D₁₁～D_1n、后n位串行数据转换成第二路并行数据定义为D₂₁～D_2n；

步骤2：针对两路数据分别选用码长为m的2^n-1个不同的准正交伪随机码

作为扩频码；

步骤3多进制数据扩频：一路的(n-1)位数据D₁₁～D_1(n-1)任意对应选择其中1路2^n-1个伪随机码中的一个，另一路的D_1n为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

另一路的(n-1)位数据D₂₁～D_2(n-1)任意对应选择另一路2^n-1个伪随机码

中的一个，D_2n为该伪随机码的符号，该路数据扩频后的信号为

$S_2\left(t\right)=D_{2n}({\mathrm{PN}}_{21}~{\mathrm{PN}}_{{22}^{n-1}});$

步骤4：选择码长为k×m位伪随机码PN_d作为系统同步信号S₃(t)＝PN_d，所述PN_d码速率与两路数据扩频码码速率相同，k＝2～127；

步骤5：以下式获得基带信号

$S_I\left(t\right)=\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)-\sqrt{2P_Q}{S}_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

$S_Q\left(t\right)=\sqrt{2P_Q}{S}_2\left(t\right)\mathrm{Cos}\left(m\right)+\sqrt{2P_I}{S}_1\left(t\right)S_2\left(t\right)S_3\left(t\right)\mathrm{Sin}\left(m\right)$

其中：P_I、P_Q为数据信号的功率，m的选择范围为0＜m＜П/4；

步骤6：对S_I(t)和S_Q(t)数字基带信号进行D/A变换，得到模拟基带信号；

步骤7：将变换后的模拟基带信号通过正交调制，调制后的信号为：

S(t)＝S_I(t)Cosωt-S_Q(t)Sinωt，

然后将上述调制后的信号进行发射；所述发射载波频率f＝2П/ω在无线电波全频段内任意选择；

接收步骤具体如下：

步骤1频率变换：将天线接收到的高频信号变换成中频信号；

步骤2模数转换：将模拟中频信号通过A/D变换转换成数字中频信号；

步骤3数字解调：将中频数字信号通过数字下变频解调出I、Q两路基带信号；

步骤4同步信号解扩：对两路基带信号与本地同步码PN_d相乘进行解扩并提取载波和码同步的误差信息；

步骤5载波和码的同步：调整接收机本地载波和码的时钟频率和相位使其与接收信号载波和码的时钟频率和相位保持一致；

步骤6数据解扩：I路信号分别和2^n-1个伪随机码

相乘进行相关解扩获得2^n-1个相关值，对2^n-1个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2^n-1个相关运算的序号即为(n-1)bit数据信息D₁₁～D_1(n-1)，相关值的符号为D_1n；

Q路信号分别和2^n-1个伪随机码

相乘进行相关解扩获得2^n-1个相关值，对2^n-1个相关值取模进行比较，获得一个最大值，该最大值对应的2^n-1个相关运算的序号即为(n-1)bit数据信息D₂₁～D_2(n-1)，相关值的符号为D_2n；

步骤7并串转换：将上述二项并行数据D₁₁～D_1n、D₂₁～D_2n转换成2n位串行数据输出；所述D₁₁～D_1n对应前n位串行数据，D₂₁～D_2n对应后n位串行数据。