CN103516652A - 一种连续相位bpsk调制方法及其调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续相位BPSK调制装置，包括数据变化检测器，频率选择器，载波相位控制字发生器，额外累加相位控制字发生器，选通器，相位控制字计算器，相位控制字累加器和ROM查找表。本发明还公开了一种连续相位BPSK调制方法。本发明调制装置结构简单，易于实现。本发明连续相位BPSK调制方法，利用与前一个数据波形相位连续的过渡波形平滑过渡到当前数据的调制波形，实现了调制波形的连续性，消除了相邻时钟前后发送数据的调制波形中存在的相位跳变，从而消除了因相位突变产生的脉冲响应，隐蔽了波形信号中蕴含的符号率信息，增加了通信的安全性和保密性。

Description

一种连续相位BPSK调制方法及其调制装置

技术领域

本发明涉及一种调制方法，特别涉及一种连续相位的二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，简称BPSK）调制方法。

背景技术

相移键控（Phase Shift Keying，简称PSK）是一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术，即利用相位变化来传递数字信息。IS-95中以及IMT-2000中使用的BPSK、四相相移键控（Quadri Phase Shift Keying，简称QPSK）和偏移四相相移键控（Offset QPSK，简称OQPSK）等都属于相移键控调制方式。

采用相移键控技术进行信号调制时，相位变化是突发的。以二进制调相为例，连续两个相邻时钟传输的数据一致时，即取码元为“1”，调制后载波与未调载波同相，连续两个相邻时钟传输的数据不一致时，即取码元为“0”，调制后载波与未调载波反相，即“1”和“0”时调制后载波相位相差180度。由于相位变化是突发的，因此在相位突变点会不可避免地引入很大的脉冲响应，这些脉冲响应类似于冲激函数（δ函数），具有很强的频谱可见性，大大增加了信号被截获和解调的概率。同时，相位突变会导致系统频谱展宽，当带宽受限时，频谱展宽促使调制信号包络改变。另外，PSK对放大器的线性度要求较高，进而对调制设备的要求较高，提高通信设备的成本。

针对PSK调制方式存在的上述缺陷，本领域研究人员提出了连续相位调制（Continuous Phase Modulation，简称CPM）调制方式。CPM调制方式是将信息数据包含在瞬时载波相位或频率上，利用相位记忆作用保证载波相位在任何时间都是连续的，从而避免了相位突变。CPM调制方式包含了载波相位以连续形式变化的一大类调制技术，例如目前第二代移动通信中使用的最小频移键控（Minimum Shift Keying，简称MSK）、高斯最小频移键控（Gaussian MinimumShift Keying，简称GMSK）就是常见的CPM调制方式。CPM调制方式避免了相位突变，与PSK调制方式相比，CPM具有更好的频谱特性，并且功率谱更加集中；同时CPM的调制信号包络恒定，便于使用非线性放大器，降低了设备成本。但是，与线性调制相比，CPM信号的具体形式不仅与成型脉冲有关，还与调制指数h、频率响应函数脉冲相关长度L的取值有关，因此CPM调制方式比一般的线性调制（如PSK）复杂，增加了调制设备的实现复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的PSK调制方式存在的相位突变的问题、及CPM调制方式实现复杂度较高的不足，提供一种连续相位BPSK调制方法及其调制装置，该调制方法可克服PSK调制方式中相位跳变导致的信号波形强频谱可见性的缺点，且实现该调制方法的装置结构简单，复杂度低。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种连续相位BPSK调制装置，包括：

数据变化检测器，用于检测当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据是否相同；

频率选择器，用于选择输出调制所需的载波频率；

与频率选择器连接的载波相位控制字发生器，所述载波相位控制字发生器用于根据所选载波频率产生载波相位控制字；

与频率选择器连接的额外累加相位控制字发生器，所述额外累加相位控制字发生器用于产生额外累加相位控制字；

选通器，所述选通器分别与所述数据变化检测器和额外累加相位控制字发生器连接，所述选通器用于选通并输出额外相位控制字；

相位控制字计算器，所述相位控制字计算器分别与选通器和载波相位控制字发生器连接，所述相位控制字计算器用于将载波相位控制字和额外相位控制字进行相加计算，得到相位控制字步长；

与相位控制字计算器连接的相位控制字累加器，所述相位控制字累加器用于相位控制字步长的累加，得到总相位控制字，该总相位控制字即是ROM查找表的地址，并将该地址送到R0M；

与相位控制字累加器连接的深度为K的ROM查找表，所述ROM查找表用于存储离散化的正弦波形值。

根据本发明的实施例，所述数据变化检测器检测到当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据相同，则输出信号“1”，否则输出信号“0”。

根据本发明的实施例，若数据变化检测器输出信号为“1”，则所述选通器输出零控制字；若数据变化检测器输出信号为“0”，则选通器连续输出M个额外累加相位控制字，其中，所述M的含义为：经过M个时钟周期后额外累加相位达到π。

一种连续相位BPSK调制方法，该方法基于直接数字频率合成，通过额外累加相位控制字，直接改变控制字的方式，利用与前一个数据波形相位连续的过渡波形平滑过渡到当前数据的调制波形，实现调制波形的连续性，其具体步骤包括：

步骤1：载波相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率，产生载波相位控制字；额外累加相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率和过渡波形长度M，产生额外累加相位控制字；

步骤2：数据变化检测器检测当前时钟发送的数据与相邻的前一时钟发送的数据是否相同，若相同，则输出信号“1”，否则输出信号“0”；

步骤3：选通器根据数据变化监测器的输出信号选通并输出额外相位控制字，若数据变化监测器的输出信号为“1”，则选通器输出额外相位控制字为零控制字；若数据变化检测器输出信号为“0”，则选通器连续输出M个额外相位控制字为额外累加相位控制字；

步骤4：相位控制字计算器将载波相位控制字和额外相位控制字相加，得到相位控制字步长；

步骤5：相位控制字累加器进行相位控制字步长累加，得到总相位控制字，即得到每一时钟的ROM查找表地址；

步骤6：根据步骤5产生的查找表地址，在ROM中查找当前时钟的调制波形信号值，并将该调制波形信号值输出；

步骤7：判断相位控制字累加器输出的总相位控制字是否达到ROM查找表地址上限值，若达到上限值，则进入步骤8；若未达到上限值，则进入步骤9；

步骤8：将相位控制字累加器中总相位控制字清零，进入步骤9；

步骤9：判断运行时间是否达到原始调制波形的一个周期，若达到，则结束当前数据的调制，若未达到，则返回步骤5，继续进行总相位控制字累加。

根据本发明的实施例，步骤1中所述额外累加相位控制字的计算方法为：设经过M个时钟周期后额外累加相位达到π，即MΔθ_a=π，则额外累加相位步长

额外累加相位控制字

其中,K的含义为:ROM查找表的深度。

根据本发明的实施例，所述M取值为

其中，N的含义为：采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号。

根据本发明的实施例，步骤1中所述载波相位控制字的计算方法为：假设采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号，则两个相邻的离散采样点之间的相位差为Δθ＝2π/N，即载波相位控制字为

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明连续相位BPSK调制方法，基于直接数字频率合成，通过额外累加相位控制字，直接改变控制字的方式，产生过渡波形取代传统BPSK调制中相位跳变的不连续波形，实现了调制波形的连续性，消除了相邻时钟前后发送数据的调制波形中存在的相位跳变，从而消除了因相位突变产生的脉冲响应，隐蔽了波形信号中蕴含的符号率信息，增加了通信的安全性和保密性。

2、本发明连续相位BPSK调制方法与CPM调制方法相比，采用本发明方法的调制信号的具体形式与成型脉冲、调制指数h、频率响应函数脉冲相关长度L的取值无关，所以实现本发明调制方法的复杂度低，更容易实现，调制设备结构简单，成本低。

附图说明：

图1为本发明连续相位BPSK调制装置的结构框图。

图2为实施例中采用本发明连续相位BPSK调制方法的调制波形图。

图3为实施例中传统BPSK调制和本发明连续相位BPSK调制的相位变化比较图。

图4为本发明连续相位BPSK调制方法的流程框图。

图中标记：201-数据变化检测器，202-选通器，203-额外累加相位相位控制字发生器，204-频率选择器，205-载波相位控制字发生器，206-相位控制字计算器，207-相位控制字累加器，208-ROM查找表。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明连续相位BPSK调制方法是基于直接数字频率合成（DDS）方法实现的，先简要阐述采用DDS产生离散数字调制信号的基本原理。DDS通常包括3个基本模块：相位控制字模块、相位累加器模块和正弦ROM查找表模块。相位控制字即是由两相邻采样点相位差所确定的ROM查找表地址增量；相位累加器负责对相位控制字进行累加运算，计算出的总相位控制字即是最终的ROM查找表地址；ROM查找表将输入地址对应的载波信号幅度值输出，得到中频数字调制信号。

假设采用K个离散采样信号值表示一个周期的正弦振荡信号，于是两个相邻的离散采样点之间的相位差为Δθ＝2π/K，第i个正弦采样信号的值为sin(2π(i-1)/K)，i＝1,2,L,K。Δθ是DDS能够达到的最小相位精度。将这一组采样的正弦振荡信号值预先存入ROM中，其地址依次为0,1，2,L,K-1，K值即是正弦查找表的深度。相位控制字C_DDS由对应的载波物理频率f_c，实现时的系统采样频率f_s以及正弦查找表深度K共同决定，其计算方法为：

$C_{\mathrm{DDS}}=2\mathrm{\π}\÷\frac{f_c}{f_s}\÷\frac{2\mathrm{\π}}{K}=\frac{f_c}{f_s}\·K$

载波物理频率f_c与采样频率f_s之间的比值为载波两个相邻采样点之间的相位间隔（以2π为单位计量的），相位间隔再与DDS所能达到的相位精度Δθ相比（即相位间隔除以相位精度），即可计算得到载波两个相邻采样点之间的ROM查找表地址增量，该值即是相位控制字。例如，采样频率f_s是载波物理频率f_c的8倍时，C_DDS=K/8，因此DDS每8个点输出一个完整周期的正弦载波信号。

实施例1

如图1所示，本发明连续相位BPSK调制装置包括数据变化检测器201，频率选择器204，载波相位控制字发生器205，额外累加相位控制字发生器203，选通器202，相位控制字计算器206，相位控制字累加器207和ROM查找表208，其中，

所述数据变化检测器201用于检测当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据是否相同，如果数据变化检测器检测到当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据相同，则输出信号“1”，如果发送数据不同，则输出信号“0”。

所述频率选择器204用于选择输出调制所需的载波频率。

所述载波相位控制字发生器205与频率选择器204连接，用于根据频率选择器204所选载波频率产生载波相位控制字。

所述额外累加相位控制字发生器203与频率选择器204连接，额外累加相位控制字发生器203用于产生额外累加相位控制字。

所述选通器202分别与数据变化检测器201和额外累加相位控制字发生器203连接，选通器用于选通并输出额外相位控制字。若数据变化检测器201输出信号为“1”，则选通器202输出的额外相位控制字为零控制字；若数据变化检测器201输出信号为“0”，则选通器202连续输出的M个额外相位控制字为额外累加相位控制字，其中，所述M的含义为：经过M个时钟周期后额外累加相位达到π。

所述相位控制字计算器206分别与连接选通器202和载波相位控制字发生器205连接，相位控制字计算器206用于将载波相位控制字和额外相位控制字进行相加计算，得到相位控制字步长。

所述相位控制字累加器207与相位控制字计算器206连接，相位控制字累加器207用于相位控制字步长的累加，得到总相位控制字，该总相位控制字即是ROM查找表208的地址，并将该地址送到R0M；

所述ROM查找表208与相位控制字累加器207连接，ROM查找表208用于存储离散化的正弦波形值。

实施例2

需要说明的是，本实施例中,M表示过度波形的长度，即表示经过M个时钟周期后额外累加相位达到π。K表示ROM查找表的深度，即ROM查找表地址的上限值。N表示：采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号，M与N没有比例关系，M可以取任意值，本实施例中取

参考图4，在传统BPSK调制时，若两个相邻数据不同，调制波形会产生180度的相位跳变点。本发明连续相位BPSK调制方法通过额外累加相位控制字，直接改变相位控制字的方式，利用与前一个数据波形相位连续的过渡波形平滑过渡到当前数据的调制波形，即利用该过渡波形取代传统BPSK调制中相位跳变的不连续波形，实现调制波形的连续性，其具体步骤包括：

步骤401：载波相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率，产生载波相位控制字；额外累加相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率，产生额外累加相位控制字；

假设经过M个时钟后额外累加相位达到π，即MΔθ_a=π，即额外累加相位步长为

则额外累加相位控制字假设采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号，则两个相邻的离散载波采样点之间的相位差为Δθ＝2π/N，即载波相位步长为Δθ＝2π/N，则载波相位控制字为

本实施例中，K取值128,N取值为16，M取值为

则额外累加相位步长为

额外累加相位控制字载波相位步长为Δθ＝2π/N＝π/8，载波相位控制字为

步骤402：数据变化检测器检测当前时钟发送的数据与相邻的前一时钟发送的数据是否相同，若相同，则输出信号“1”，否则输出信号“0”。

步骤403：选通器根据数据变化监测器的输出信号选通并输出额外相位控制字，若数据变化监测器的输出信号为“1”，则选通器输出额外相位控制字为零控制字；若数据变化检测器输出信号为“0”，则选通器连续输出M（M=8）个额外相位控制字为额外累加相位控制字，即连续8个时钟输出额外累加相位控制字。

步骤404：相位控制字计算器将载波相位控制字和额外相位控制字相加，得到相位控制字步长。本实施例中，当数据变化监测器的输出信号为“1”时，相位控制字步长为载波相位控制字

对应的相位步长为载波相位步长当数据变化检测器输出信号为“0”时，相位控制字步长为载波相位控制字C_DDS与额外相位控制字C_a之和，即C_DDS+C_a=16,对应的相位步长为载波相位步长与额外累加相位步长之和，为

步骤405：相位控制字累加器进行相位控制字步长累加，得到总相位控制字，即每一时钟的ROM查找表地址，其累加计算方法为：相位控制字累加器将在上一时钟后产生的新的总相位控制字反馈到自身的输入端，在下一个时钟继续与相位控制字步长相加，得到该时钟的总相位控制字，该总相位控制字即是此时刻的ROM查找表地址，输入ROM作为调制波形的查表地址。

步骤406：根据步骤405产生的查找表地址，在ROM中查找当前时钟的调制波形信号值，并将该调制波形信号值输出。

步骤407：判断相位控制字累加器输出的总相位控制字是否达到设定的上限值，本实施例中，即判断总相位控制字是否达到128，若达到128，则进入步骤408；若未达到128，则进入步骤409。

步骤408：将相位控制字累加器中总相位控制字清零，进入步骤409。

步骤409：判断运行时间是否达到原始调制波形的一个周期，若达到，则结束当前数据的调制，若未达到，则返回步骤405，继续进行总相位控制字累加。

参考图2，当调制信号相位为5π时，传统BPSK调制波形（图2中虚线波形）相位有一个大小为π的跳变（图2中A点所示）。采用本发明连续相位BPSK调制方法，则利用与前一个数据波形相位连续的快速过渡波形（图2中相位为5π至6π之间的实线波形）平滑过渡到当前数据的调制波形，从而隐藏符号跳变点信息，减少相位突变点的高频分量。

参考图3，假设k+1时刻的总相位控制字均为96，信号相位均为

在k+5和k+6时钟之间有一次传输数据的变化。图3中第二列所示的载波相位是连续的。在k+1至k+5时钟期间，本发明方法下的总相位控制字以步长8增长，对应调制波形相位以步长

变化，调制波形相位与传统BPSK调制波形的相位保持一致。在k+5时钟，相位控制字累加器中总控制字已经达到上限值128（相位值达到2π），所以相位控制字累加器中总相位控制字清零。k+6时钟至k+13时钟之间，图3第四列中传统BPSK调制波形的总相位控制字因K+6时钟的数据极性反转而发生跳变，从8变为72，额外地址增量为K/2=64，对应调制波形相位从

跳变到

其余时钟总相位控制字依旧按步长8增长，调制波形相位按步长增长。而本发明调制方法下的调制波形未发生相位跳变，而是以16的相位控制字步长，即

的相位步长“追赶”传统BPSK调制中的波形相位。在k+6时钟，相位控制字累加器中总相位控制字为16，对应的调制波形相位为

在k+7时钟，相位控制字累加器中总相位控制字为32，对应的调制波形相位为

到k+13时钟，本发明调制方法下的总相位控制字和调制波形相位已与传统BPSK调制下的相同，于是选通器输出的额外累加相位控制字变为零，相位控制字步长回归到载波相位控制字8，完成与当前数据的调制波形平滑连接。k+13时钟时，相位控制字累加器中总相位控制字已达到上限值128，所以相位控制字累加器中总相位控制字清零。k+13时钟与k+14时钟之间传输数据没有变化，调制波形的控制字以步长8，相位以步长

继续变化，所以，在k+14时钟时，相位控制字累加器中总相位控制字为8，载波相位为

在k+15时钟，相位控制字累加器中总相位控制字为16，载波相位为

本发明连续相位BPSK调制方法，基于直接数字频率合成，通过额外累加相位控制字，直接改变控制字的方式，产生过渡波形取代传统BPSK调制中相位跳变的不连续波形，实现了调制波形的连续性，消除了相邻时钟前后发送数据的调制波形中存在的相位跳变，从而消除了因相位突变产生的脉冲响应，隐蔽了波形信号中蕴含的符号率信息，增加了通信的安全性和保密性，该调制方法及装置应用于抗截获军用无线通信系统，或民用窄带无线通信系。

本发明连续相位BPSK调制方法与CPM调制方法相比，采用本发明方法的调制信号的具体形式与成型脉冲、调制指数h、频率响应函数脉冲相关长度L的取值无关，所以实现本发明调制方法的复杂度低，更容易实现，调制设备结构简单，成本低。

Claims (7)

1.一种连续相位BPSK调制装置，其特征在于，该调制装置包括：

数据变化检测器，用于检测当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据是否相同；

频率选择器，用于选择输出调制所需的载波频率；

与频率选择器连接的载波相位控制字发生器，所述载波相位控制字发生器用于根据所选载波频率产生载波相位控制字；

与频率选择器连接的额外累加相位控制字发生器，所述额外累加相位控制字发生器用于产生额外累加相位控制字；

选通器，所述选通器分别与所述数据变化检测器和额外累加相位控制字发生器连接，所述选通器用于选通并输出额外相位控制字；

相位控制字计算器，所述相位控制字计算器分别与选通器和载波相位控制字发生器连接，所述相位控制字计算器用于将载波相位控制字和额外相位控制字进行相加计算，得到相位控制字步长；

与相位控制字计算器连接的相位控制字累加器，所述相位控制字累加器用于相位控制字步长的累加，得到总相位控制字，该总相位控制字即是ROM查找表的地址，并将该地址送到R0M；

与相位控制字累加器连接的深度为K的ROM查找表，所述ROM查找表用于存储离散化的正弦波形值。

2.根据权利要求1所述的连续相位BPSK调制装置，其特征在于，所述数据变化检测器检测到当前时钟发送数据与相邻的前一时钟发送数据相同，则输出信号“1”，否则输出信号“0”。

3.根据权利要求1或2所述的连续相位BPSK调制装置，其特征在于，若数据变化检测器输出信号为“1”，则所述选通器输出零控制字；若数据变化检测器输出信号为“0”，则选通器连续输出M个额外累加相位控制字，其中，所述M的含义为：经过M个时钟周期后额外累加相位达到π。

4.一种连续相位BPSK调制方法，其特征在于，该方法基于直接数字频率合成，通过额外累加相位控制字，直接改变控制字的方式，利用与前一个数据波形相位连续的过渡波形平滑过渡到当前数据的调制波形，实现调制波形的连续性，其具体步骤包括：

步骤1：载波相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率，产生载波相位控制字；额外累加相位控制字发生器根据频率选择器所选载波频率和过渡波形长度M，产生额外累加相位控制字；

步骤2：数据变化检测器检测当前时钟发送的数据与相邻的前一时钟发送的数据是否相同，若相同，则输出信号“1”，否则输出信号“0”；

步骤3：选通器根据数据变化监测器的输出信号选通并输出额外相位控制字，若数据变化监测器的输出信号为“1”，则选通器输出额外相位控制字为零控制字；若数据变化检测器输出信号为“0”，则选通器连续输出M个额外相位控制字为额外累加相位控制字；

步骤4：相位控制字计算器将载波相位控制字和额外相位控制字相加，得到相位控制字步长；

步骤5：相位控制字累加器进行相位控制字步长累加，得到总相位控制字，即得到每一时钟的ROM查找表地址；

步骤6：根据步骤5产生的查找表地址，在ROM中查找当前时钟的调制波形信号值，并将该调制波形信号值输出；

步骤7：判断相位控制字累加器输出的总相位控制字是否达到ROM查找表地址上限值，若达到上限值，则进入步骤8；若未达到上限值，则进入步骤9；

步骤8：将相位控制字累加器中总相位控制字清零，进入步骤9；

步骤9：判断运行时间是否达到原始调制波形的一个周期，若达到，则结束当前数据的调制，若未达到，则返回步骤5，继续进行总相位控制字累加。

5.根据权利要求4所述的连续相位BPSK调制方法，其特征在于，步骤1中所述额外累加相位控制字的计算方法为：设经过M个时钟周期后额外累加相位达到π，即MΔθ_a=π，则额外累加相位步长

额外累加相位控制字其中,K的含义为:ROM查找表的深度。

6.根据权利要求5所述的连续相位BPSK调制装置，其特征在于，所述过渡波形长度M取值为

其中，N的含义为：采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号。

7.根据权利要求4至6之一所述的连续相位BPSK调制方法，其特征在于，步骤1中所述载波相位控制字的计算方法为：假设正弦ROM查找表的深度为K,采用N个离散采样信号值表示一个周期的正弦载波信号，则两个相邻的离散采样点之间的相位差为Δθ=2π/N，则载波相位控制字为C_DDS=K/N。

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