CN103618688A - 多载波相位调制及解相关解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新的信号调制及解调方法。技术方案是：调制过程生成三路相干载波，将待发送的一路基带信号串并转换为三路基带信号，并分别调制上述三路载波得到三路调制信号；将上述三路调制信号合路后得到多载波相位调制信号。解调过程是产生三路本地载波信号，经过混频及匹配滤波，得到三路基带信号；对三路基带信号进行解相关处理，并串变换后得到原始发送的基带信号。本发明的有益效果是提高了调制信号本身的抗截获能力，并且复杂度增加不大，工程实现较为简单。

Description

多载波相位调制及解相关解调方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种新型的无线通信信号调制和相应的解调方法。

背景技术

无线通信信号调制方法是用发送的基带信号控制载波的参数，使载波的某一个或某几个参数按照信号的规律而变化，生成的信号称为调制信号；解调方法则是调制的逆过程，其作用是从调制信号中恢复原始发送的基带信号。调制解调技术在通信系统中的作用至关重要，对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用，直接影响着通信系统的性能。

目前，无线通信系统中采用的数字调制信号一般可分为ASK（AmplitudeShift Keying,幅度键控）、FSK（Frequency Shift Keying,频率键控）、PSK（PhaseShift Keying,相位键控）以及幅度相位联合键控的QAM（Quadrature AmplitudeModulation,正交振幅调制）等。数字调制信号产生的一般方法是基于正交调制器来实现，数字调制信号的解调一般采用相干解调器来实现。要实现最佳的接收性能，要求数字调制信号设计一般需满足矢量空间距离最大的原则，即将数字调制信号映射到由同向载波分量和正交载波分量构成的二维平面上，其信号矢量端点之间的矢量距离最大。一般把信号矢量端点的分布图称为星座图，用来直观分析数字调制信号的性能。

基于上述原则设计的数字调制信号，如BPSK（2进制PSK）、QPSK（4进制PSK）、8PSK（8进制PSK）以及16QAM（16进制QAM）等，其类型有限且星座图分布非常有规律。因此，在通信对抗领域对常规数字调制信号的盲侦收较为容易，即在没有调制信号任何先验信息的情况下，通过信号截获、调制样式识别、通信信号参数估计以及解调判决，就可以对截获的调制信号进行解调接收。因此，迫切要求提供一种新的抗侦收技术，使得常规方法无法有效进行调制样式识别和解调接收，从而提高无线通信系统抗侦收和保密传输的能力。

发明内容

为解决调制信号本身的抗侦收能力，本发明提供了一种新的调制信号设计及解调方法，设计实现的调制信号采用现有的方法无法对其进行有效地识别和可靠解调，设计的解调方法可以对所设计的调制信号进行可靠解调。

本发明的技术方案是，多载波相位调制及解相关解调方法，包括调制过程和解调过程，其中：

调制过程首先是生成三路载波（也成相干载波），其中第一路载波和第二路载波相互正交，第三路载波和第一路载波存在相位偏差和幅度偏差，相位偏差和幅度偏差取值的设定使得抗侦收和可靠传输能力综合最佳，通常相位偏差取值在(0,π/4]之间，幅度偏差取值在(0,1]之间；将待发送的一路基带信号串并转换为三路基带信号，并分别调制上述三路载波得到三路调制信号；将上述三路调制信号合路后得到多载波相位调制信号。

解调过程首先是产生和多载波相位调制信号中的载波同频同相的三路本地载波信号，用三路本地载波信号分别与接收到的多载波相位调制信号进行混频及匹配滤波，得到三路基带信号；利用三路载波间的幅度偏差和相位偏差构造解相关矩阵，对三路基带信号进行解相关处理；对解相关处理后得到的输出信号进行判决及并串变换就可以得到原始发送的基带信号。

本发明的有益效果是：通过构造新的调制信号星座图，提高了调制信号本身的抗截获能力，使得非协作接收方在不知道调制信号相关参数的情况下，难以对调制样式进行有效识别，也难以实现可靠解调接收，从而提升了整个通信系统的抗截获、保密通信能力。同时，针对构造的新的调制信号，本发明提出了新的解调处理方法可以方便实现信号的解调。在提供上述优点的同时，本发明设计的调制解调器与常规通信调制解调器相比，复杂度增加不大，工程实现较为简单。此外，仿真结果表明通过合理设置调制信号的参数，可以在调制信号的可靠性与抗截获性之间取得平衡，提供了很大的设计灵活性。

附图说明

图1是利用本发明提供的方法设计的多载波相位调制器原理框图；

图2是不同参数下多载波相位调制信号星座图；

图3是利用本发明提供的方法设计的解相关解调器原理框图；

图4、图5、图6是不同参数下多载波相位调制信号误码率性能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是利用本发明提供的方法设计的多载波相位调制器原理框图。可见与传统正交调制器相比，本发明的调制器增加了一路载波，其相位与同相载波相位间存在偏差θ，同时幅度乘以增益A。此时，调制信号可以表示为：

s(t)＝a₁(n)·cos(ω_ct)+a₂(n)·sin(ω_ct)+a₃(n)·Acos(ω_ct+θ)      （公式一）

公式一中a₁(n)、a₂(n)、a₃(n)是分路后的三路基带数据，取值为{+1,-1}，生成的调制信号每符号传送3比特信息，其传输效率与8PSK相同。

图2是不同参数下多载波相位调制信号星座图。图2中的(a)、(b)、(c)、(d)为信噪比取10dB条件下，多载波相位调制参数(A,θ)分别取(0.5,π/16)、(0.8,π/16)、(0.35,π/16)和(1,π/4)时的调制信号星座图。由图可见，参数设置不同多载波相位调制信号的星座图会有较大变化，甚至出现部分星座点重合的现象。此时，基于常规的调制信号识别算法及正交解调器无法对其进行正确识别和有效解调。

图3是利用本发明提供的方法设计的解相关解调器原理框图，与传统正交解调器相比，本发明设计的解调器增加了一路载波及相应的混频、滤波模块，特别是对三路混频滤波的输出Y_n＝[y₁(n) y₂(n) y₃(n)]′进行了解相关处理，以实现对多载波相位调制信号的解调。本发明提供的利用三路载波间的幅度偏差和相位偏差构造的解相关矩阵如下：

$R=\left[\begin{array}{ccc}1& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 1& \cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})\\ 0& \cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})& 1\end{array}\right]$           （公式二）

由于直接构造的矩阵R秩为2，其逆矩阵不存在，因此需要对矩阵R和解调数据Y_n做必要变换处理得到R′和Y_n′再进行解相关运算，其变换如下：

$R^{\′}=R+\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]Y_n^{\′}=Y_n+\left[\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(y_1\left(n\right)\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right]$           （公式三）

最后解相关处理得到的输出为：

$\left[\begin{array}{c}{a}_1^{\′}\left(n\right)\\ a_2^{\′}\left(n\right)\\ a_3^{\′}\left(n\right)\end{array}\right]=R^{\′-1}\·Y_n^{\′}$            （公式四）

对上述输出进行判决及并串变换就可以得到原始发送数据。

本发明提供的多载波相位调制方法中，不同参数(A,θ)产生的调制信号星座图差别较大，其抗侦收性能也有较大差距。其中，θ的取值在(0,π/4]之间，一般值越小其误码特性越好，但抗侦收能力越差；A的取值在(0,1]之间，取0.5时的误码特性最好，但抗侦收能力较差。

图4、图5、图6是软件仿真得到的多载波相位调制信号解相关解调误码性能曲线，图中的横坐标为信噪比（单位为dB），纵坐标为误码率。

图4中，标记为“☆”的是常规8PSK调制信号采用正交解调器解调得到的误码性能曲线。其中，标记为“O”、“”、“△”、“+”的分别是参数(A,θ)取(0.5,π/16)、(0.8,π/16)、(0.35,π/16)和(1,π/4)时，多载波相位调制信号采用解相关解调器的误码性能曲线。由图可见，不同参数多载波调制信号性能差别较大，当星座点矢量分布较均匀时（此时抗侦收能力较弱），如图4(a)的调制信号，其误码特性甚至优于8PSK信号，但当星座点间矢量距离较小时（此时抗侦收能力较强）解调误码特性变差，甚至出现误码平层。可见，多载波相位调制信号的抗侦收能力与误码性能是一对矛盾，实际应用中存在较大困难。

为提高抗侦收能力强的多载波相位调制信号的误码性能，本发明还引入了一种重复发送的机制，将载波1的数据进行重复发送，此时虽然降低了系统的传输效率，但可以显著提高解相关检测器的接收性能。

图5中(A,θ)的取值为(0.8,π/16)时通过采用重复发送机制获得的解相关解调器解调误码性能曲线。标记为“☆”、“

”、“△”、“O”的曲线分别对应传输效率为每符号7/3、9/4、17/8比特时，采用解相关解调器得到的误码性能曲线。可见，此时虽然有部分星座点发生重叠，采用常规正交解调器无法解调接收，但采用解相关解调器仍然能够获得较好的解调性能。

图6为(A,θ)取值为(1,π/16)时多载波相位调制信号与QPSK的性能比较。标记为“☆”的曲线为QPSK理论误码率；标记为“O”的曲线对应传输效率为每符号33/16比特时，采用的多载波相位调制信号经解相关解调器得到的误码性能曲线。可见，多载波相位调制信号不仅误码性能优于QPSK信号，其每符号33/16比特的传输效率也优于QPSK的每符号2比特。上述结果表明本发明提出的多载波相位调制及解相关解调方法，除提供较好的抗侦收性能以外，合理设置信号参数还可以获得比常规调制信号更好的传输性能。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多载波相位调制及解相关解调方法，包括调制过程和解调过程，其特征在于：

调制过程首先生成三路载波，其中第一路载波和第二路载波相互正交，第三路载波和第一路载波存在相位偏差和幅度偏差，相位偏差取值在(0,π/4]之间，幅度偏差取值在(0,1]之间；将待发送的一路基带信号串并转换为三路基带信号，并分别调制上述三路载波得到三路调制信号；将上述三路调制信号合路后得到多载波相位调制信号；

解调过程首先是产生和多载波相位调制信号中的载波同频同相的三路本地载波信号，用三路本地载波信号分别与接收到的多载波相位调制信号进行混频及匹配滤波，得到三路基带信号；利用三路载波间的相位偏差和幅度偏差构造解相关矩阵，对三路基带信号进行解相关处理；对解相关处理后得到的输出信号进行判决及并串变换得到原始发送的基带信号。

2.根据权利要求1所述的多载波相位调制及解相关解调方法，其特征在于，利用三路载波间的幅度偏差和相位偏差构造的解相关矩阵如下：

$R=\left[\begin{array}{ccc}1& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 1& \cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})\\ 0& \cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ})& 1\end{array}\right]$

其中本发明的三路载波在生成时利用正交调制器原理，除利用正交调制器的两路载波外，再增加一路载波，该载波相位与正交调制器同相载波相位间存在的偏差是θ。

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