CN103812810B - 四进制连续相位调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种四进制连续相位调制解调方法，利用本发明可以提高频谱有效利用率，降低信号相干解调运算量，减少接收机复杂度。本发明通过下述技术方案予以实现：在信号调制中，在多进制连续相位调制信号传输系统的输入端，信号选择逻辑模块根据每次前后相邻输入比特信息进行联合逻辑运算，基带信号集合模块将两比特信息映射为发送调制信号某一确定位置的绝对相位值，送入到I、Q调制模块把基带信号调制到载波上；正交解调模块将天线接收的射频信号转换为基带信号输入到基带信号同步模块，符号解调模块取同步位置基带复信号的实部和虚部幅度值作为符号携带的两比特信息的双极性数值，信息变换模块按双极性信息变换规则完成信号解调处理。

Description

四进制连续相位调制解调方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信领域中，应用于高速跳频系统中的连续相位调制的调制方法及其解调方法，尤其是应用于无线通信基带信号调制与解调的方法。

背景技术

在移动通信领域中，有限的可利用频谱资源和复杂的无线传输环境是无线通信领域的两大制约因素。这些通信系统对调制信号的要求表现为频谱特性要求高、接收灵敏度高、可以应用非线性功放发送调制信号。随着无线通信系统的广泛使用，通信系统的传输速率和距离不断提高，通信系统面临的挑战集中表现为两个方面：一方面是通信系统占用的带宽越来越大，频率较低的频段已经趋于饱和；其次是通信速率、通信距离的提高要求通信系统具备更高效的信号发送以及更低的接收灵敏度。为了满足通信系统的上述需求，现有技术一方面将通信频段不断向更高频率延伸，另一方面也不断努力提高频谱的利用率，并且在发送信号时通常采用高功率非线性放大器。因此适合的调制解调方法应该具备三方面的特征：一是调制后的信号波形的瞬时幅度波动要尽量小，可以适应信道的非线性及AM/PM效应；二是调制后的信号相位应该尽量连续平滑，使的调制后信号占用较小频谱；三是信号调制解调算法尽量简化，满足高速处理和低成本的需求。

现有技术一般采用具有恒定包络或准恒定包络结构的调制方式，常用的相移键控(PSK)调制技术用载波相位表示输入信号信息，但这类调制技术的信号频谱太宽，需要进行带通滤波限带，滤波后的调制信号不能保持其恒包络特性。卫星通信中常用的偏移四相相移键控（OQPSK）调制方式，将正交路延时一段时间来调制，避免信号中的180度相位突变，具备了良好频谱特性，但包络的起伏依然明显。连续相位调制(CPM)是一种恒包络相位连续的调制方式,可以使用非线性放大器处理CPM信号，连续相位调制相比于其他的调制方式,具有较高的带宽和功率利用率。CPM信号是一个庞大的家族，随着调制指数、频率成形脉冲等调制参数的不同，生成的信号具有不同的性质。连续相位调制技术（CPM）通过设计信号相位的连续变化，改善信号的频谱特性，根据相位路径的变化规律，派生出多种恒包络调制方式，包括最小频移键控（MSK）、SFSK、偏移正交相移键控（IJF-OQPSK）、FQPSK等。这些调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式，相干解调要求载波恢复和相位估计，比非相干解调运算复杂，但可以实现更低的解调门限，提高系统的接收灵敏度。基于预先编码的GMSK调制方法可以简化相干接收运算，而四进制的连续相位调制相干解调算法则比较复杂。当载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化，这称为移频键控（FSK）；相应地，若载波相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化则称之为移相键控（PSK）；若载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而相应地变化，则称之为振幅键控（ASK）。然而通常的FSK在频率转换点上的相位一般并不连续，这会使载波信号的功率谱产生较大的旁瓣分量。为克服这一缺点，一些专家先后提出了一些改进的调制方式，其中有代表性的调制方式是最小移频键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）。

随着频带资源的日益紧张,CPM技术的重要性也日益加强。虽然连续相位调制技术具有非常高的频谱效率,同时具有很高的功率效率，而且现有的连续相位调制技术也较好地解决了通信系统对高效发射功率和高效频谱利用率的需求，并且在接收端采用相干解调处理，实现了接收灵敏度的改善。但在高速、超高速无线通信系统中，相干解调本身包括了载波同步和相位同步，目前的连续相位调制技术需要用多路相关器完成相干解调，而多进制连续相位调制解调(CPM)技术解调更为复杂，在工程实现中要求大量的处理资源，系统成本上升趋势逐渐提高，应用到更广泛的普通通信系统中越来越困难。

发明内容

本发明针对多进制连续相位调制解调(CPM)技术解调复杂的缺点，提供一种能够提高频谱有效利用率，简化信号解调运算，降低信号相干解调运算量，满足高速率通信信号处理，可以减少CPM接收机复杂度的连续相位调制解调方法。以解决高速通信系统对包络恒定、频谱效率和运算复杂度的问题。

上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提供的一种四进制连续相位调制解调方法，具有如下技术特征：

（1）连续相位调制前，在调制系统的基带信号集合模块中预设16种基带信号，满足在星座轨迹图中4个位置点中任意两位置间的转移；

（2）在信号调制过程中，在多进制连续相位调制信号（MCPFSK）传输系统的输入端，信号选择逻辑模块根据每次输入的两比特信息，对前后相邻输入比特信息进行联合逻辑运算得到一个0～15范围内的运算值，基带信号集合模块从基带集合中选择对应的基带信号，将两比特信息映射为发送调制信号某一确定位置的绝对相位值，送入到I、Q调制模块把基带信号调制到载波上，由天线发射出去；在信号接收端，解调结构中的正交解调模块（4）、低通滤波模块（5）将天线接收的射频信号转换为基带信号输入到基带信号同步模块（6），完成常规的信号载波、相位和位同步处理，符号解调模块（7）取同步位置基带复信号的实部和虚部幅度值作为符号携带的两比特信息的双极性数值，符号解调处理后的结果送入信息变换模块（8），按双极性信息变换规则，将-1变换为比特0,1变换为比特1得到信息比特数据，完成信号解调处理。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明针对连续相位调制解调端过于复杂的问题，将两比特信息映射为调制信号某一确定位置的绝对相位值，并保持了调制信号的连续相位特性和准恒包络特性，可有效利用功放的有效发射功率，提高频谱有效利用率，降低信号相干解调的运算量。本发明预设在基带信号集合模块中的16种基带信号，使星座轨迹图中4个位置中，任意两位置间的转移可以用其中唯一一种基带信号实现。在信号调制过程中，信号选择逻辑模对前后相邻输入比特信息进行联合逻辑运算，基带信号集合模块根据运算值从基带集合中选择对应的基带信号为发送的调制信号。基带信号集合和特定逻辑运算的设计使调制信号相位为连续变化的同时保持了信号的准恒包络特性，而且发送比特信息被映射为调制信号某一确定位置的绝对相位值，在信号接收端，当完成载波、相位及位同步后，仅取基带复信号的实部、虚部幅度值便可实现信号解调。这种设计的优点在于：一是符号间相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为准恒包络，提高了有效发射功率；三是连续相位调制信号的相干解调器不再需要进行并行多路信号相关处理，大大的降低了CPM接收机的同步、信号解调复杂度，使得接收机处理与最简单的BPSK\QPSK解调相当，可以满足高速率通信信号处理。

本发明特别适合被应用于远距离高速无线通信系统。

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是本发明所提出的四进制连续相位调制信号的调制发送示意图。

图2是本发明所提出的四进制连续相位调制信号的解调示意图。

图3是本发明中基带信号集合中各信号在星座轨迹图中的轨迹示意图。

图中：1信号选择逻辑模块，2基带信号集合模块，3I、Q调制模块，4正交解调模块，5低通滤波模块，6基带信号同步模块，7符号解调模块，8信息变换模块。

具体实施方式

在图1描述的四进制连续相位调制信号的调制发送原理中，信号调制结构由依次串联的信号选择逻辑模块（1）、基带信号集合模块（2）和I、Q调制模块（3）组成。I、Q调制模块包括I路、Q路闭环回路上并联的本振和90°移相器。调制系统中的基带信号集合模块（2）包含预先设计的16种基带信号，满足在星座轨迹图中4个位置点中任意两位置间的转移可以用16种基带信号中的唯一一种实现，基带信号集合模块2存储所有的预先设计的16种基带信号；其中，信号选择逻辑模块1对输入的相邻两组信息比特进行逻辑运算，将产生的选择基带信号编号输出到基带信号集合模块2，基带信号集合模块2根据信号选择逻辑模块要求输出基带信号，送到I、Q调制模块3中，把基带信号调制到载波上，由天线发射出去。

在信号调制中，发送信息比特序列每次输入两比特信息，这两比特信息与前一组两比特信息通过信号选择逻辑模块（1）中定义的逻辑运算得到一个0到15范围内的数值，输出到基带信号集合模块（2）。基带信号集合模块（2）根据信号选择逻辑模块（1）输入的信号编号值在16种预先设计的基带信号中选择对应基带信号输出到I、Q调制模块（3），I、Q调制模块（3）将基带信号调制到载波上，再通过功放，由天线发射出去。

信号选择逻辑模块（1）中的运算逻辑定义为：当前输入比特记为[dn+3,dn+2]，前一组输入比特记为[d_n+1,d_n]，则基带信号编号i由下式计算

i=p₃*8+p₂*4+p₁*2+p₀

其中：p₂=d_n+1⊙d_n， 其中初始值设置为[d1,d0]=[0,0]，∩为与运算，∪为或运算，⊙为异或运算。

参阅图2。四进制连续相位调制信号的解调结构包括：正交解调模块（4）、低通滤波模块（5）、顺次串联基带信号同步模块（6）、符号解调模块（7）和信息变换模块（8），其中正交解调模块（4）包括并联在信号输入端上的本振和90°移相器，本振和90°移相器分别与两端并联的两个低通滤波器形成闭环并联回路。

在四进制连续相位调制信号的解调过程中，天线接收的射频接收信号依次通过正交解调模块（4）和低通滤波模块（5）中并联的低通滤波器转换为基带信号，输入到基带信号同步模块（6），基带信号同步模块（6）完成常规的载波、相位和位同步处理并输入到符号解调模块（7），符号解调模块（7）将每个基带符号取实部和虚部幅度值与0作比较，大于0的输出1，小于0的输出-1，实现调制符号到双极性数据的转换，并将得到的双极性数据输入到信息变换模块（8），信息变换模块（8）根据双极性信息变换规则将-1变换为比特0,1变换为比特1得到信息比特数据，完成信号解调处理并输出二进制信息。

参阅图3。预先设计的基带信号集合中包含了16种基带信号,记为S₀～S₁₅，在图3所示的星座轨迹图上，基带信号集合中的每种基带信号的相位都是连续变化的，并且信号幅度是准恒包络的。星座轨迹图中信号起始位置有四个，任意两个起始位置间的位置转移都可以从基带信号集合中找到唯一一种基带信号。图中每种基带信号对应的表达式依次如下：

其中为一个调制符号的持续时间。

Claims (7)

1.一种四进制连续相位调制解调方法，具有如下技术特征：

(1)连续相位调制前，在调制系统的基带信号集合模块中预设16种基带信号，满足在星座轨迹图中4个位置点中任意两位置间的转移；

(2)在信号调制过程中，在多进制连续相位调制信号传输系统的输入端，信号选择逻辑模块(1)根据每次输入的两比特信息，对前后相邻输入比特信息进行联合逻辑运算得到一个0～15范围内的运算值，基带信号集合模块从基带集合中选择对应的基带信号，将两比特信息映射为发送调制信号某一确定位置的绝对相位值，送入到I、Q调制模块把基带信号调制到载波上，由天线发射出去；在信号接收端，天线接收的射频信号是依次通过解调结构中的正交解调模块(4)和低通滤波模块(5)中并联的低通滤波器转换为基带复信号,然后由低通滤波模块(5)将基带信号输入到基带信号同步模块(6)，完成常规的信号载波、相位和位同步处理，符号解调模块(7)将每个基带符号取实部和虚部幅度值与0作比较,大于0的输出1，小于0的输出-1，实现调制符号到双极性数据的转换，并将得到的双极性数据输入到信息变换模块(8)，信息变换模块(8)按双极性信息变换规则，将-1变换为比特0,1变换为比特1得到信息比特数据，完成信号解调处理并输出二进制信息。

2.如权利要求1所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，I、Q调制模块包括I路、Q路闭环回路上并联的本振和90°移相器。

3.如权利要求1所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，信号选择逻辑模块(1)中的运算逻辑定义为：当前输入比特记为[d_n+3,d_n+2]，前一组输入比特记为[d_n+1,d_n]，则基带信号编号i由下式计算

i＝p₃*8+p₂*4+p₁*2+p₀

其中： 其中初始值设置为[d1,d0]＝[0,0]，∩为与运算，∪为或运算，⊙为异或运算。

4.如权利要求1所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，解调结构包括：正交解调模块(4)、低通滤波模块(5)、基带信号同步模块(6)、符号解调模块(7)和信息变换模块(8)，其中正交解调模块(4)包括并联在信号输入端上的本振和90°移相器，本振和90°移相器分 别与两端并联的两个低通滤波器形成闭环并联回路。

5.如权利要求1所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，预先设计的基带信号集合中包含了16种基带信号S₀～S₁₅，基带信号集合中的每种基带信号的相位都是连续变化的，并且信号幅度是准恒包络的。

6.如权利要求5所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，每种基带信号对应的表达式为：

s₈＝-s₀，s₉＝-s₁，s₁₀＝-s₂，s₁₁＝-s₃，其中 式中T_s为一个调制符号的持续时间。

7.如权利要求1所述的四进制连续相位调制解调方法，其特征在于，星座轨迹图中信号起始位置有四个，任意两个起始位置间的位置转移都可以从基带信号集合中找到唯一一种基带信号。