CN103001921B - 偏移正交相移键控信号的产生方法及发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信和电子技术领域，公开了一种偏移正交相移键控OQPSK信号的产生方法及发射机。本发明中，通过将含有I/Q两路信息的OQPSK信号利用简单的数字变换转化成一路调频信号的输入，再通过直接调频生成射频输出信号，可以大大降低发射机的复杂度，从而降低芯片的功耗。

Description

偏移正交相移键控信号的产生方法及发射机

技术领域

本发明涉及无线通信和电子技术领域，特别涉及一种偏移正交相移键控(OQPSK)信号的产生方法及发射机。

背景技术

OQPSK调制方式是一种在无线通信中常用的调制方式，这种调制方式利用同相I和正交Q两路信号传输信息，I/Q两路信号之间的偏置可以减少过零点以及信号幅度的突变。此外，如果结合合适的成型滤波器(例如，半正弦SIN滤波器)可以使得信号的幅度不变。这样对于发射机里的功放等设备的要求大大降低，适合于低功耗系统的实现。此种调制方式在IEEE802.15.4，ZIGBEE等国际标准中广泛应用。

现有的OQPSK信号多采用图1中显示的I/Q结构，数字信息经过串并转换为I/Q两路信号，然后各通过整形，上变频，再合成到一起后通过功放到天线输出端。这样实现要求两个调制通路，结构复杂，功耗大，在实现时两路之间的匹配也需要特殊处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏移正交相移键控(OQPSK)信号的产生方法及发射机，使得OQPSK射频发射信号可以利用调频调制器直接得到，大大降低了发射机硬件的实现复杂度，从而降低芯片的功耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种偏移四相相移键控信号的产生方法，包含以下步骤：

将含有同相I和正交Q两路信息的OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流；

将所述输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的所述异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；

将所述进行异或得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与所述进行异或得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流；

将所述得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与偏移四相相移键控OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

本发明的实施方式还提供了一种偏移四相相移键控信号发射机，包含：

数字转换模块，用于将含有同相I和正交Q两路信息的OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流；

第一异或模块，用于将所述数字转换模块转换得到的输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的所述异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；

第二异或模块，用于将所述第一异或模块得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与所述第一异或模块得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流；

调制模块，用于将所述第二异或模块得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与偏移四相相移键控OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过将含有I/Q两路信息的OQPSK信号利用简单的数字变换转化成一路调频信号的输入，再通过直接调频生成射频输出信号，可以大大降低发射机的复杂度，从而降低芯片的功耗。

另外，在将所述输入比特流与异或掩模进行异或时，生成无限重复的0110或0011序列，作为异或掩模。

可以选择无限重复的0110序列为所述异或掩模，取同相I分量的相位超前正交Q分量的相位90度；

也可以选择无限重复的0011序列为所述异或掩模，取正交Q分量的相位超前同相I分量的相位90度。

通过选择不同的异或掩模可以得到不同的同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系，提供多种可能，可以根据实际需要灵活应用。

另外，在将所述得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上的步骤中，先将所述等效比特流中的0和1分别映射为1和-1；再将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏；其中，所述T是传输速率的倒数。

通过在调制之前将等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，以保证调制后的射频信号与预期的OQPSK信号完全等效。

附图说明

图1是现有技术中OQPSK信号产生原理示意图；

图2是一个OQPSK调制序列的I通道和Q通道的波形示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的OQPSK信号的产生方法的流程图；

图4是根据本发明第二实施方式的OQPSK信号发射机的原理示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的OQPSK信号发射机的一个例证的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种偏移四相相移键控信号的产生方法，该方法通过将含有I/Q两路信息的OQPSK信号利用简单的数字变换转化成一路调频信号的输入，再通过直接调频生成射频输出信号，可以大大降低发射机的复杂度，从而降低芯片的功耗。

为了研究OQPSK信号是否可以用调频方式进行调制，结合图2进行简要分析，图2是一个OQPSK调制序列的I通道和Q通道的波形示意图。

如背景技术中所述，OQPSK因为其优点被国际标准，例如802.15.4及ZIGBEE等标准广泛采用。为了保持恒包络调制，整形滤波器被用来对信号进行处理。为了消除码间干扰，并且使误码率最小，可以在整形滤波器中采用半正弦波形进行成型。假设传输比特的周期定为Tc，则成型滤波器可以表示为：

为了研究OQPSK信号是否可以用调频方式进行调制，将成型后的信号通过如下方式表示：

$x\left(t\right)=I\left(t\right)\left|\sin \frac{\mathrm{\πt}}{2T}\right|\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t+Q\left(t\right)\left|\cos \frac{\mathrm{\πt}}{2T}\right|\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t$

其中，f_c为载波频率，T为传输比特的周期，I(t)和Q(t)分别是同相信号I和正交信号Q分量，可以表示为：

$I\left(t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{I}_{l}p(t-2\mathrm{lT})$

和

$Q\left(t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{l}p(t-2\mathrm{lT}-T)$

其中，l为I或Q分量的比特序号，I_l和Q_l分别表示I或Q分量的第l个比特值。

为了方便采用调频方式进行调制，经过推导，可以发现信号可以等效为如下方式：

对于第k个比特周期，即kT＜t＜(k+1)T，

$s\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+d_k\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\πQ}\left(k\right))$

其中，I(k)和Q(k)分别是此区间内的比特值，而d_k可以表示为

d_k＝I(k)Q(k)

因为每个I/Q比特占两个比特的长度，因此可以得到如下关系：

当k＝2l时，I(k)＝I_l，Q(k)＝Q_l-1，d_k＝I_lQ_l-1

当k＝2l+1时，I(k)＝I_l，Q(k)＝Q_l，d_k＝I_lQ_l

在OQPSK信号中，比特值是交替映射到I和Q通道上的，因此

I_l＝c_2l，Q_l＝c_2l+1

归结以上的各种关系式可以得到

d_2l＝I_lQ_l-1＝c_2lc_2l-1，

d_2l+1＝I_lQ_l＝c_2lc_2l+1

比如，针对图2中所示的输入比特流，当l＝1时，d₂＝I₁Q₀＝c₂c₁＝1(此处已将0和1映射为-1和1)，对应的等效信号为

$s\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+d_2\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\πQ}\left(2\right))=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\π})=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

d₃＝I₁Q₁＝c₂c₃＝-1，对应的等效信号为

$s\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+d_3\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\πQ}\left(3\right))=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\π})=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{5\mathrm{\π}}{2})$

当l＝2时，d₄＝I₂Q₁＝c₄c₃＝-1，对应的等效信号为

$s\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+d_4\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\πQ}\left(4\right))=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\π})=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

d₅＝I₂Q₂＝c₄c₅＝1，对应的等效信号为

$s\left(t\right)=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+d_5\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\πQ}\left(5\right))=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{3\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\π})=\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{2\mathrm{\πt}}{4T}+\frac{\mathrm{\π}}{2}).$

依此类推，可见，如果将输入比特流经过简单的数字变换，并映射成非归零码(即1和-1)，将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏，通过调频方式进行调制，得到的信号完全与OQPSK信号等效。

因此，可以采用如图3所示的流程产生OQPSK信号，具体步骤如下：

步骤S301，将含有同相I和正交Q两路信息的OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流。

步骤S302，将输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；在此步骤中，异或掩模是生成的无限重复的0110或0011序列；可以选择无限重复的0110序列为异或掩模，取同相I分量的相位超前正交Q分量的相位90度；也可以选择无限重复的0011序列为异或掩模，取正交Q分量的相位超前同相I分量的相位90度。通过选择不同的异或掩模可以得到不同的同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系，提供多种可能，可以根据实际需要灵活应用。

步骤S303，将进行异或得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与进行异或得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流。

步骤S304，将得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与偏移四相相移键控OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

在此步骤中，将等效比特流中的0和1分别映射为1和-1；将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏；其中，T是传输速率的倒数。通过在调制之前将等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，以保证调制后的射频信号与预期的OQPSK信号完全等效。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的第二实施方式涉及一种偏移四相相移键控信号发射机，如图4所示，包含：

数字转换模块，用于将含有同相I和正交Q两路信息的OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流。

第一异或模块，用于将数字转换模块转换得到的输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；异或掩模由掩模产生模块生成，异或掩模可以是无限重复的0110或0011序列；可以采用掩模选择模块，用于选择掩模产生模块生成的异或掩模；在掩模选择模块选择无限重复的0110序列时，第一异或模块进行异或得到的比特流中同相I分量的相位超前正交Q分量的相位90度；在掩模选择模块选择无限重复的0011序列时，第一异或模块进行异或得到的比特流中正交Q分量的相位超前同相I分量的相位90度。

第二异或模块，用于将第一异或模块得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与第一异或模块得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流。

调制模块，用于将第二异或模块得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与偏移四相相移键控OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

调制模块进一步包含：

非归零码映射子模块，用于将等效比特流中的0和1分别映射为1和-1；

频偏对应子模块，用于将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏；其中，T是传输速率的倒数。

一个具体的例证可以为图5所示的调制器。利用这个调制器，输入比特流不分解为I和Q两路。比特流首先和无限重复的0110或0011序列异或，然后进行延时和异或操作。经过这样变换的序列，就可以直接转换为1和-1序列，利用2FSK调频器直接调制到射频。其中0和1分别映射为1和-1，而1和-1分别对应1/4T和-1/4T的频偏，T是传输速率的倒数，例如如果传输速率是2Mbps，那么T就是0.5微秒。

此外，本领域技术人员可以理解，2FSK调频器可以采用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频的方法实现，也可以采用符号控制开关的选择接通两个载波发生器中的一个的键控法实现。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种偏移四相相移键控信号的产生方法，其特征在于，包含以下步骤：

将含有同相I和正交Q两路信息的偏移四相相移键控OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流；

将所述输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的所述异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；

将所述进行异或得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与所述进行异或得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流；

将所述得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

2.根据权利要求1所述的偏移四相相移键控信号的产生方法，其特征在于，在所述将所述输入比特流与异或掩模进行异或的步骤中，包含以下子步骤：

生成无限重复的0110或0011序列，作为所述异或掩模。

3.根据权利要求2所述的偏移四相相移键控信号的产生方法，其特征在于，在所述将所述输入比特流与异或掩模进行异或的步骤中，还包含以下子步骤：

选择无限重复的0110序列为所述异或掩模，取同相I分量的相位超前正交Q分量的相位90度。

4.根据权利要求2所述的偏移四相相移键控信号的产生方法，其特征在于，在所述将所述输入比特流与异或掩模进行异或的步骤中，还包含以下子步骤：

选择无限重复的0011序列为所述异或掩模，取正交Q分量的相位超前同相I分量的相位90度。

5.根据权利要求1所述的偏移四相相移键控信号的产生方法，其特征在于，在所述将所述得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上的步骤中，包含以下子步骤：

将所述等效比特流中的0和1分别映射为1和-1；

将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏；其中，所述T是传输速率的倒数。

6.一种偏移四相相移键控信号发射机，其特征在于，包含：

数字转换模块，用于将含有同相I和正交Q两路信息的OQPSK信号转化成一路调频信号的输入比特流；

第一异或模块，用于将所述数字转换模块转换得到的输入比特流与异或掩模进行异或；其中，选择不同的所述异或掩模用于取舍同相I和正交Q通道的相位关系和共轭关系；

第二异或模块，用于将所述第一异或模块得到的比特流延时一个比特单位时间之后，与所述第一异或模块得到的比特流进行异或操作，得到等效比特流；

调制模块，用于将所述第二异或模块得到的等效比特流映射到正负1/4波特率的频偏上，采用2FSK调频器根据映射后的比特流进行调制，得到与偏移四相相移键控OQPSK信号完全等效的中心为载波频率的射频信号。

7.根据权利要求6所述的偏移四相相移键控信号发射机，其特征在于，还包含掩模产生模块，用于生成所述异或掩模；

所述异或掩模是无限重复的0110或0011序列。

8.根据权利要求7所述的偏移四相相移键控信号发射机，其特征在于，还包含掩模选择模块，用于选择所述掩模产生模块生成的异或掩模；

在所述掩模选择模块选择无限重复的0110序列时，所述第一异或模块进行异或得到的比特流中同相I分量的相位超前正交Q分量的相位90度；

在所述掩模选择模块选择无限重复的0011序列时，所述第一异或模块进行异或得到的比特流中正交Q分量的相位超前同相I分量的相位90度。

9.根据权利要求6所述的偏移四相相移键控信号发射机，其特征在于，所述调制模块包含以下子模块：

非归零码映射子模块，用于将所述等效比特流中的0和1分别映射为1和-1；

频偏对应子模块，用于将1和-1分别对应为1/4T和-1/4T的频偏；其中，所述T是传输速率的倒数。