CN102710281A - 连续相位调制的直接序列扩频方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主要应用于无线扩频通信领域的连续相位调制的直接序列扩频与解扩解调方法。该方法在发送端，首先设计了一组扩频序列，将0、1发送比特映射为两组相位连续变化、首尾相位相同的恒包络基带复信号，调制中根据发送信息选择其中一个基带复信号作为调制信号发送。在信号接收端，按照扩频序列的扩频规律将所有码片对应的信号累加到序列中任一码片对应的基带复信号中，完成扩频信号的解扩处理。对比解扩后复信号的起始位置和结束位置的相位变化方向，根据其增减判决该扩频序列所携带得发送信息，实现信号解调。本发明在实现信号的直接序列扩频中保持了信号的连续相位特性和恒包络特性，所采用的非相干解扩解调避免了低信噪比下的载波、初相估计。

Description

连续相位调制的直接序列扩频方法

技术领域

本发明涉及一种主要应用于无线扩频通信领域，连续相位调制的直接序列扩频与解扩解调方法。 

背景技术

近年来，直接序列扩频通信受到普遍关注．在许多应用场合，希望扩频信号的功率谱密度好，如快高频滚降、低带外辐射特性，同时系统受非线性影响小，因此具有恒包络的直接序列扩频技术不但在通信、导航和测量系统中得到日益广泛的重视和应用，在民用移动通信、定位系统中也发展迅速。扩频系统需要将传输信号的频谱扩展很多倍后再辐射出去。由于BPSK调制用于直接序列扩频通信系统不论是发射端调制技术还是接收端解扩技术都相当成熟,所以传统的直接序列扩频通信系统多采用BPSK调制或QPSK调制方式，这种调制方式的不足之处是频谱利用率较低，信号幅度有较大波动，需要使用宽带的线性功放，发射机较难实现大功率的有效辐射。从频谱利用率看,BPSK调制不如MSK调制的性能好。采用连续相位调制的直接扩频系统可以实现较高的频谱利用率，时域信号为恒包络的MSK调制方法，可以采用高功率非线性放大器充分发挥功放的功率放大能力。然而，对于目前的连续相位调制的直接序列扩频，要实现解扩解调，就必须使接收机的本地扩频序列和相位与发送来的扩频序列和相位完全一致。因此，扩频信号的同步(载波同步，码元同步和位同步)是扩频接收机正常工作的前提。由于在直接序列扩频通信系统中，接收段的扩频信号一般工作在负信噪比条件下，负信噪比下的载波恢复和相位估计，尤其是多普勒频率和初始相位很难精确估计，需要发送较多的导频信号，采用较为复杂的处理方法，这就增加了系统运算量，降低了通信效率。 

发明内容

本发明的任务是针对上述现有技术的不足之处，提供一种既具有恒包络特性，又具有连续相位特性，既能避免低信噪比下的载波与相位估计，又能简化接收系统结构，而且频谱利用率高的连续相位调制的直接序列扩频方法。 

上述目的可以通过下措施来达到。一种连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于包括下述步骤：在发射机发送端，设计一组由N个正负1码片组成的扩频序列，并将0、1发送信息对应的扩频序列按码片映射为两组相位连续变化、首尾相位相同的恒包络基带复信号；在调制中，基带信号选择模块根据发送信息，选择其中一个基带复信号作为调制信号发送；在信号接收端，采用非相干解扩解调方法，通过与滤波器并联组相连的匹配滤波处理器，按照扩频序列的规律，将所有码片对应的信号，累加到序列中任一码片对应的基带复信号中，完成扩频信号的解扩处理；其后，再经基带信号解调模块对比解扩后复信号的起始位置和结束位置的相位变化方向，根据复信号相位增减判决该扩频序列所携带得发送信息，实现信号解调。 

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。 

本发明将发送信息0、1对应的扩频序列设计为两组相位连续变化的恒包络基带复信号，信号调制中根据发送信息的不同选择对应的基带复信号发送，因此基带信号具有恒包络特性，可以采用高效的非线性功放充分利用功放的有效发射功率；此外由于设计的基带复信号相位连续变化，并且首尾相位相同，整个扩频调制的信号都具有连续相位的特性，使基带信号具有良好的频谱特性，保证了系统频谱的高效利用率。在信号调制中，不同的比特信息由基带复信号的相对相位变化表示，在信号解扩解调中，仅需要积累扩频信号的相对相位变化量，和信号的绝对相位无关，避免了低信噪比下的载波与相位估计。 

本发明在实现信号的直接序列扩频中保持了信号的连续相位特性和恒包络 特性，所采用的非相干解扩解调避免了低信噪比下的载波、初相估计，简化了直接序列扩频通信系统的接收实现。 

本发明的优点在于：一是基带调制信号相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为恒包络，可以使用非线性功放有效利用发射功率；三是避免了低信噪比下的载波初相估计，采用非相干解扩解调方法，简化了接收系统并提高了系统通信效率，解决负信噪比下的载波恢复和相位估计的问题。此外由于初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解扩解调没有明显影响，满足运动终端间的通信需求，解决了特定扩频通信系统对包络恒定和频谱效率的需求问题。 

本发明可应用于发射功率有限时，通过降低通信速率实现通信距离的扩展。特别适合被应用于运动平台间的扩频通信系统。 

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是本发明提出的连续相位调制的直接序列扩频调制发送示意图。 

图2是本发明提出的连续相位调制的直接序列扩频解扩解调示意图。 

图3是本发明中0、1发送信息对应的扩频序列及相应的基带复信号相位变化轨迹示意图。 

图中：1基带信号选择模块，2基带信号集合模块，3扩频序列发生器4I、Q调制模块，5正交解调模块，6低通滤波器并联组，7匹配滤波处理器，8扩频序列发生器，9基带信号解调模块。 

具体实施方式

参阅图1。根据本发明提供的连续相位调制的直接序列扩频方法，在发射机发送端，设计一组正负1数量相等，序列长度N为偶数，且可以任意排列正负1 次序的N个码片构成的扩频序列；基带信号集合模块将信息比特1对应的扩频序列中码片的符号取反得到信息比特0对应的扩频序列，然后将0、1发送信息对应的扩频序列按码片映射为两组相位连续变化、包络恒定的基带复信号，并使该组复信号的起始相位和终止相位相同；码片映射过程中，扩频序列中每个码片所对应复信号的持续时间相同，每个码片持续时间内复信号的相位变化量的绝对值为某一确定值，码片的正负符号信息由相位的增减表示。 

图1所示的信号调制器包括，由基带信号选择模块1、基带信号集合模块2、扩频序列发生器3依次串联组成的信号扩频部分和与信号扩频部分相连的I、Q调制部分组成。I、Q调制部分包括，并联在I路、Q路闭环回路上的本振和90°移相器，其中，存储了预先设计的扩频序列的扩频序列发生器3将扩频序列输入到基带信号集合模块2，基带信号集合模块2根据扩频序列产生对应的基带信号集合输入到基带信号选择模块1。基带信号选择模块根据发送比特从基带信号集合中选择对应的基带复信号输入I、Q调制部分中。 

在信号调制中，信号调制结构中的基带信号选择模块1，根据数据输入序列0,1,1,1,0…等发送比特信息，从基带信号集合中选择对应的基带复信号作为对应的输出基带调制信号发送至I、Q调制模块4；I、Q调制模块4将基带信号调制到载波上，再通过功放，由天线发射出去。 

参阅图2。在射频接收信号的解扩解调中，信号输入前，已经通过位同步模块利用同步符号完成符号位同步。 

在图2描述的解扩解调结构中，主要包括，闭环回路上并联的正交解调模块5、由两个低通滤波器组成的低通滤波器并联组6、匹配滤波处理器7、扩频序列发生器8和基带信号解调模块9。射频接收信号依次通过正交解调模块5和低通滤波器并联组6中并联的低通滤波器，转换为基带信号，输入到匹配滤波处理器7；匹配滤波处理器根据扩频序列发生器8输入的扩频序列信息完成对基带信号的解扩处理，并输入到基带信号解调模块9中。基带信号解调模块9对 解扩后的信号进行相位检测运算，提取基带复信号的相位变化信息作为当前的解调信息输出。 

在信号接收端，匹配滤波处理7中按照扩频序列的扩频规律将所有码片对应的信号累加到序列中任一码片对应的基带复信号中，完成扩频信号的解扩处理。当匹配滤波处理7中的解扩处理选择为累加到第一个码片所对应复信号时，解扩处理如下式所示。 

$s\left(t\right)=r\left(t\right)+\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n\left(t\right)$

其中s(t)为解扩后复信号，r(t)为解扩前的基带复信号，扩频信号起始时刻为0时刻，0<t≤T为码片持续时间，N为扩频码长，且 

其中q₁为比特信息1对应的扩频序列， 

为一个码片时间内复信号的相位变化量。 

基带信号解调模块9中对解扩后信号的解调可以由下式完成 

y＝imag{s(0)*sT)} 

其中imag{s(0)*s(T)}表示取复数s(0)*s(T)的虚部值。 

参阅图3。以扩频序列N=10为例，说明扩频序列的构造及对应基带信号的映射。图中扩频序列为[1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1]，信息比特1对应的扩频序列为q₁=[1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1]，信息比特0对应的扩频序列为q₀=[-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1]，对应的基带复信号分别为s1、s0且 

其中T为扩频系统中一个码片的持续时间,0<t≤NT为一比特发送信息扩频调制后的基带信号持续时间，[x]表示取不大于x的最大整数， 

为一个码片时间内复信号的相位变化量，信号的初始相位也取为 

图中s1的相位变化由实线表示，s0的相位变化由虚线表示，s1和s0构成了连续相位直接序列扩频的基带信号集合。习惯上我们把PN序列的脉冲称为码片(chip)，其宽度远小于信息序列的脉冲宽度。 

Claims (10)

1.一种连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于包括下述步骤：在发射机发送端，设计一组由N个正负1码片组成的扩频序列，并将0、1发送信息对应的扩频序列按码片映射为两组相位连续变化、首尾相位相同的恒包络基带复信号；在调制中，解扩解调结构基带信号选择模块根据发送信息，选择其中一个基带复信号作为调制信号发送；在信号接收端，采用非相干解扩解调方法，通过与滤波器并联组相连的匹配滤波处理器，按照扩频序列的规律，将所有码片对应的信号，累加到序列中任一码片对应的基带复信号中，完成扩频信号的解扩处理；其后，再经基带信号解调模块对比解扩后复信号的起始位置和结束位置的相位变化方向，根据复信号相位增减判决该扩频序列所携带得发送信息，实现信号解调。

2.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于，所述的扩频序列是一组正负1数量相等，序列长度N为偶数，且可以任意排列正负1次序的N个码片构成的。

3.如权利要求1或2所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于，基带信号集合模块将信息比特1对应的扩频序列中码片的符号取反得到信息比特0的扩频序列。

4.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于，对于长度为N的扩频序列，由匹配滤波处理器按照扩频序列的扩频规律将所有码片对应的信号累加到序列中任一码片对应的基带复信号中，完成扩频信号的解扩处理。

5.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于， 码片映射过程中，扩频序列中每个码片所对应复信号的持续时间相同，每个码片持续时间内复信号的相位变化量的绝对值为某一确定值，码片的正负符号信息由相位的增减表示。

6.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于，当匹配滤波处理7中的解扩处理选择为累加到第一个码片所对应复信号时，解扩处理如下式所示，

其中s(t)为解扩后复信号，r(t)为解扩前的基带复信号，扩频信号起始时刻为0时刻，0<t≤T为码片持续时间，N为扩频码长，且

其中q₁为比特信息1对应的扩频序列， 

为一个码片时间内复信号的相位变化量。

7.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法的信号解调解扩器，其特征在于，解扩解调结构中，闭环回路上并联的正交解调模块（5）、由两个低通滤波器组成的低通滤波器并联组（6）、匹配滤波处理器（7）、扩频序列发生器（8）和基带信号解调模块（9），其中，射频接收信号依次通过正交解调模块（5）和低通滤波器并联组（6）中并联的低通滤波器，转换为基带信号，输入到匹配滤波处理器（7）；匹配滤波处理器根据扩频序列发生器（8）输入的扩频序列信息完成对基带信号的解扩处理，并输入到基带信号解调模块（9）中。

8.如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法，其特征在于，所 述对解扩后信号的解调由下式完成

y＝imag{s(0)*s(T)}

其中imag{s(0)*s(T)}表示取复数s(0)*s(T)的虚部值。

9.一种使用如权利要求1所述的连续相位调制的直接序列扩频方法的信号调制器，其特征在于，所述信号调制器由基带信号选择模块（1）、基带信号集合模块（2）、扩频序列发生器（3）依次串联组成的信号扩频部分和与信号扩频部分相连的I、Q调制部分组成。

10.如权利要求9所述的信号调制器，其特征在于，所述的I、Q调制部分包括，并联在I路、Q路闭环回路上的本振和90°移相器，其中，存储了预先设计的扩频序列的扩频序列发生器3将扩频序列输入到基带信号集合模块（2），基带信号集合模块（2）根据扩频序列产生对应的基带信号集合输入到基带信号选择模块（1）。 

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