CN104079517A - 一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种连续相位调制实现方法，具体涉及一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法。本发明包括：选定连续相位调制信号的进制数、关联长度、调制指数，通过矩形脉冲生成器和余弦脉冲生成器分别产生矩形脉冲信号和余弦脉冲信号；根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数，得到加权的矩形脉冲信号和加权的余弦脉冲信号；将加权后的矩形脉冲信号和通过加法器得到一个新的脉冲信号得到调制信号。本发明能够获得数字通信系统的有效性和可靠性两个指标整体较优的效果，而且能够满足工程上在误码率、频带利用率、功率效率方面日益增长的需求，特别适合于功率和带宽均受限的无线信道。

Description

一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种连续相位调制实现方法，具体涉及一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法。

背景技术

随着通信资源的日趋紧张和人们对通信的要求不断提高，迫切寻求更为有效的调制方式便成为一个热门的研究课题。1981年T.Aulin和C.-E.Sundberg在文献“Continous PhaseModulation-part I，part II，IEEE Trans.on Communication，vol.COM-29，No3，1981，196-125.”中提出了连续相位调制(Continous Phase Modulation，CPM)，并对调制信号的一般表达式、相位特性、频谱特性以及误码率性能等都给出了非常完善的总结与归纳。连续相位调制是一种非线性数字调制方案，是把数字信息加载到相位上，并确保相位是时间的连续函数的一种调制方法，与线性调制相比，连续相位调制信号由调制指数h、进制数M、关联长度L、脉冲函数g(t)共同决定，不同参数的选择，可以得到不同类型的连续相位调制信号，为通信领域的使用提供了更多选择。连续相位调制又具有恒包络、频谱利用率高、抗极化和多径衰落、抗相位干扰能力等特点，同时接收可以采用非相干接收，因此获得了广泛应用。

在卫星通信、深空通信以及军用电台等通信领域中，无线信道是功率和带宽均受限的，因此对调制信号的频带利用率、功率效率以及误码率方面具有很高的要求。目前，矩形脉冲函数和余弦脉冲函数是传统连续相位调制最主要的脉冲函数，脉冲函数的选取对连续相位调制信号的性能具有很大的影响。通常情况下，基于简单的矩形脉冲函数的连续相位调制信号具有很好的误码率性能，但频带利用率方面差，与此相反，基于连续光滑的余弦脉冲函数的连续相位调制信号具有很高的频带利用率，但误码率性能差。

为此，通过对连续相位调制的脉冲函数g(t)的研究，本发明提出一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法，使连续相位调制信号同时具有功率效率高和频带利用率高的优点，可以获得误码率性能和谱效率的良好折中，实现数字通信系统的有效性和可靠性两个指标整体较优的效果，特别适合于功率和带宽均受限的无线信道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种进一步提高连续相位调制在频带利用率，功率效率和误码率方面的整体性能的基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)选定连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h，通过矩形脉冲生成器和余弦脉冲生成器分别产生矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)；

(2)根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数a和b，其中a+b＝1，将矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)通过乘法器分别与加权系数a和b相乘，得到加权的矩形脉冲信号g₁'(t)和加权的余弦脉冲信号g₂'(t)；

(3)将加权后的矩形脉冲信号g₁'(t)和g₂'(t)通过加法器得到一个新的脉冲信号g(t)，信号d(t)经过g(t)脉冲成形后，与2πh进行相乘，经过调频信号发生器得到调制信号S(t)。

根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数的过程如下：基于有效性与可靠性的评价标准，以误码率和频带利用率性能作为参考，其中带宽B为频谱功率的99％对应的宽度，两个加权系数之和为1，对连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，针对不同加权系数模型进行误码率与功率谱密度的仿真，根据最大限度提高误码率或频带利用率性能为前提，对另一方面性能影响越小的原则，从中选出有效性与可靠性整体性能最优的模型所对应的加权系数。

调制信号S(t)为

$q\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{t}g\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

g(t)＝a×g₁(t)+b×g₂(t)，  a+b＝1

$g_1\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

$g_2\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)],(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

式中E为符号能量；d(t)为数据信号经过格雷映射后的M进制信息序列，d_i∈{±1，±3，…，±(M-1)}；T为符号间隔；为初始相位；f₀为载波频率；g₁(t)为矩形脉冲信号；g₂(t)为余弦脉冲信号。

本发明的有益效果在于：

有效性和可靠性作为数字通信系统最重要的两个指标，但通常情况下，有效性和可靠性这两个要求是矛盾的。虽然传统的连续相位调制，通过不同参数的选取，可以使有效性或可靠性的性能显著提高，但是要以另一指标的性能恶化作为代价，本发明提出的基于脉冲函数加权处理的连续相位调制方法，能够获得数字通信系统的有效性和可靠性两个指标整体较优的效果，而且能够满足工程上在误码率、频带利用率、功率效率方面日益增长的需求，特别适合于功率和带宽均受限的无线信道。

附图说明

图1为本发明的实现流程图和调制模型；

图2为本发明适用的信号体制系统模型；

图3为基于矩形脉冲函数、余弦脉冲函数、加权处理的脉冲函数的连续相位调制信号功率谱密度曲线；

图4为基于矩形脉冲函数、余弦脉冲函数、加权处理的脉冲函数的连续相位调制信号在高斯信道下误码率理论上界曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做更详细地描述：

与本发明相适应的基于本发明提出的连续相位调制模型的低密度奇偶校验码-连续相位调制(Low Density Parity Code-Continous Phase Modulation，LDPC-CPM)信号体制如下：

结合外部的二元LDPC码编译码器、比特交织器、格雷映射器、连续相位调制-软输入软输出(Continous Phase Modulation-Soft Input Soft Output，CPM-SISO)解调器等，构建基于本发明提出的连续相位调制模型的串行级联LDPC-CPM系统模型。

发射端，LDPC码的校验矩阵的维数为m×n，则LDPC码码长为n，信息位k＝n-m，码率r＝k/n＝1-m/n，为了便于多进制映射，取n＝log₂M的整数倍。信息序列U^o经LDPC编码后得到码字序列C^o，再经过比特交织、格雷映射器得到序列U^I，将U^I送至本发明提出的连续相位调制模型，然后将输出的调制信号S(t)发送到信道。

接收端，受到加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道干扰的信号r首先进行最大似然(Maximum Likelihood，ML)接收机得到内信息字的先验概率序列解调与译码过程是通过CPM-SISO解调器(称“内迭代”)和低密度奇偶校验码-置信传播(Low Density Parity Code-Brief Propagation，LDPC-BP)算法译码器迭代(称“外迭代”)完成的，其中CPM-SISO解调器采用的是Log-MAP算法，LDPC-BP算法译码器采用的是置信传播(BP，Belief Propagation)迭代译码算法。和分别为内码字和内信息字输出概率序列，和为外码字和外信息字的输入先验概率序列。CPM-SISO解调器输出的内信息字概率序列经过解交织以及加权处理后作为LDPC-BP算法译码器的外码字输入概率序列，LDPC码子系统的输出的外码字概率序列经过加权处理、交织后输入到CPM-SISO解调器作为内信息字的输入概率序列反复迭代此过程数次，最后一次迭代结果由LDPC-BP算法译码器作硬判决输出。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

1.根据工程应用的需求，在连续相位调制(Continous Phase Modulation，CPM)信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，通过矩形脉冲生成器和余弦脉冲生成器分别产生矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)，根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数a和b，其中a+b＝1，将矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)通过乘法器分别与加权系数a和b相乘，得到加权的矩形脉冲信号g₁'(t)和加权的余弦脉冲信号g₂'(t)，将加权后的脉冲信号g₁'(t)和g₂'(t)通过加法器得到一个新的脉冲信号g(t)，信号d(t)经过g(t)脉冲成形后，与2πh进行相乘，最后经过调频信号发生器得到本发明的调制信号S(t)。

2.步骤(1)中加权系数选取的具体过程如下：基于有效性与可靠性的评价标准，以误码率和频带利用率性能作为参考，其中带宽B为基带信号频谱功率的99％对应的宽度，两个加权系数之和为“1”，对连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，针对不同加权系数模型进行误码率与功率谱密度的仿真，根据最大限度提高误码率或频带利用率性能为前提，对另一方面性能影响越小的原则，从中选出有效性与可靠性整体性能较优的模型所对应的加权系数。

3.信号d(t)使用本发明的方法调制后，得到的调制信号S(t)表达式为

$q\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{t}g\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

g(t)＝a×g₁(t)+b×g₂(t)，  a+b＝1

$g_1\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

$g_2\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)],(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

式中E为符号能量；d(t)为数据信号经过格雷映射后的M进制信息序列，d_i∈{±1，±3，…，±(M-1)}；T为符号间隔为初始相位(通常假设为0)；f₀为载波频率；

g₁(t)为矩形脉冲信号；g₂(t)为余弦脉冲信号。

综上所述，本发明的具体实现方法如附图1所示。

该实现方法的主要特征如下：

1.脉冲函数的构造方法上：在连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，通过矩形脉冲生成器和余弦脉冲生成器分别产生矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)，根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数a和b，其中a+b＝1，将矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)分别与加权系数a和b相乘，得到加权的矩形脉冲信号g₁'(t)和加权的余弦脉冲信号g₂'(t)，将加权后的脉冲信号g₁'(t)和g₂'(t)进行相加得到一个新的脉冲信号g(t)。

2.本发明的加权系数的选取是基于有效性与可靠性的评价标准，以误码率和频带利用率性能作为参考，其中带宽B为频谱功率的99％对应的宽度，两个加权系数之和为“1”，对连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，针对不同加权系数模型进行误码率与功率谱密度的仿真，根据最大限度提高误码率或频带利用率性能为前提，对另一方面性能影响越小的原则，从中选取最优的加权系数。

图1为本发明的实现流程图，该实现方法由矩形脉冲生成器(1)、余弦脉冲生成器(2)、乘法器(3)、加权系数择器(4)、加法器(5)调频信号发生器(6)构成。图1中的各符号的定义如下：

a：基于有效性与可靠性的评价标准选取的加权系数；

b：基于有效性与可靠性的评价标准选取的加权系数；

g₁(t)：矩形脉冲信号；

g₂(t)：余弦脉冲信号；

g₁'(t)：矩形脉冲信号与加权系数a的乘积；

g₂'(t)：余弦脉冲信号与加权系数b的乘积；

g(t)：加权处理后的脉冲信号。

如图1所示，首先通过矩形脉冲生成器(1)和余弦脉冲生成器(2)分别产生矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)即

$g_1\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

$g_2\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)],(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

然后根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数a和b，其中a+b＝1，将矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)通过乘法器(3)分别与加权系数a和b相乘，得到加权的矩形脉冲信号g₁'(t)和加权的余弦脉冲信号g₂'(t)即

$\begin{array}{c}{g_1}^{\′}\left(t\right)=a\×g_1\left(t\right)\\ =a\×\frac{1}{2\mathrm{LT}}\end{array},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

$\begin{array}{c}{g_2}^{\′}\left(t\right)=b\×g_2\left(t\right)\\ =b\×\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)]\end{array},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

将加权后的脉冲信号g₁'(t)和g₂'(t)通过加法器(5)得到一个新的脉冲信号g(t)即

$\begin{array}{c}g\left(t\right)={g_1}^{\′}\left(t\right)+{g_2}^{\′}\left(t\right)\\ =a\×\frac{1}{2\mathrm{LT}}+b\×\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)]\end{array},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

信号d(t)经过g(t)脉冲成形后，与2πh进行相乘，最后经过调频信号发生器(6)得到本发明的调制信号S(t)即

$q\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{t}g\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

式中E为符号能量；d(t)为数据信号经过格雷映射后的M进制信息序列，d_i∈{±1，±3，…，±(M-1)}；T为符号间隔；为初始相位(通常假设为0)；f₀为载波频率。

图2为本发明适用的信号体制系统模型，该模型由信源(1)、LDPC编码器(2)、交织器(3)、格雷映射器(4)、本发明提出的连续相位调制模型(5)、AWGN信道(6)、ML接收机(7)、CPM-SISO解调器(8)、解交织器(9)、加权处理器(10)、LDPC-BP算法译码器(11)、硬判决器(12)、信宿(13)等13个部分组成。图2中的各符号定义如下：

U^o：信息序列；

C^o：经LDPC编码后得到码字序列；

U^I：经过比特交织、格雷映射得到的符号序列；

S(t)：经过本发明提出的连续相位调制模型之后的信号；

r：受到AWGN信道干扰的信号；

经过ML接收机的信号；

内码字输出概率序列；

内信息字输出概率序列；

外码字的输入先验概率序列；

外信息字的输入先验概率序列；

LDPC-BP算法译码器输出的外码字概率序列；

输入到CPM-SISO解调器作为内信息字的输入概率序列

最后一次迭代结果序列；

d：输入到信宿的信息序列。

发射端，LDPC码的校验矩阵的维数为m×n，则LDPC码码长为n，信息位k＝n-m，码率r＝k/n＝1-m/n，为了便于多进制映射，取n＝log₂M的整数倍。信息序列U^o经LDPC编码后得到码字序列C^o，再经过比特交织、格雷映射器得到序列U^I，将U^I送至本发明提出的连续相位调制模型，然后将输出的调制信号S(t)发送到信道。

接收端，受到加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道干扰的信号r首先进行最大似然(Maximum Likelihood，ML)接收机得到内信息字的先验概率序列解调与译码过程是通过CPM-SISO解调器(称“内迭代”)和低密度奇偶校验码-置信传播(Low Density Parity Code-Brief Propagation，LDPC-BP)算法译码器迭代(称“外迭代”)完成的，其中CPM-SISO解调器采用的是Log-MAP算法，LDPC-BP算法译码器采用的是置信传播(BP，Belief Propagation)迭代译码算法。和分别为内码字和内信息字输出概率序列，和为外码字和外信息字的输入先验概率序列。CPM-SISO解调器输出的内信息字概率序列经过解交织以及加权处理后作为LDPC-BP算法译码器的外码字输入概率序列，LDPC码子系统的输出的外码字概率序列经过加权处理、交织后输入到CPM-SISO解调器作为内信息字的输入概率序列反复迭代此过程数次，最后一次迭代结果由LDPC-BP算法译码器作硬判决输出。

图3为基于矩形脉冲函数、余弦脉冲函数、加权处理的脉冲函数的连续相位调制信号功率谱密度曲线。仿真中，进制数M＝2，相关长度L＝1，调制指数h＝0.8，加权系数a＝0.5，b＝0.5。由图可知，基于矩形脉冲函数的连续相位调制信号功率谱密度主瓣能量集中度不高，旁瓣衰减速度很慢，归一化频率f·T_b＝±4.8时，旁瓣幅度衰减接近-120dB，功率效率低，99％功率带宽B相对很宽，频带率用率低；基于余弦脉冲函数的连续相位调制信号功率谱密度主瓣能量集中度高，旁瓣衰减速度很快，归一化频率f·T_b＝±4.8时，旁瓣幅度衰减可达-146dB，功率效率很高，因此，99％功率带宽B相对很窄，频带利用率高；基于加权处理的脉冲函数的CPM调制信号功率谱密度主瓣能量集中度较高，而旁瓣衰减速度较快，明显优于基于矩形脉冲函数的连续相位调制信号功率谱，略逊于基于余弦脉冲函数的连续相位调制信号功率谱，归一化频率f·T_b＝±4.8时，旁瓣幅度衰减为-125dB，功率效率介于前两者之间，但相对较高，因此，整体来看99％功率带宽B相对较窄，频带利用率较高。

图4为基于矩形脉冲函数、余弦脉冲函数、加权处理的脉冲函数的连续相位调制信号在高斯信道下误码率理论上界曲线。仿真中，进制数M＝2，相关长度L＝1，调制指数h＝0.8，加权系数a＝0.5，b＝0.5。由图可知，基于矩形脉冲函数的连续相位调制信号误码率性能很好，误码率曲线随着信噪比的增加下降速度很快，误码率为10^-5对应的信噪比约为8.8dB；基于余弦脉冲函数的连续相位调制信号误码率性能最差，误码率曲线随着信噪比的增加下降速度很慢，误码率为10^-5对应的信噪比约为10.3dB，基于加权处理的脉冲函数的连续相位调制信号误码率性能介于两者之间，较接近于基于矩形脉冲函数的CPM调制信号误码率性能，误码率为10^-5对应的信噪比约为9.3dB。而且，当误码率位于10^-5以下时，上述三者的误码率性能的优劣更为明显。

在上述仿真条件下，基于矩形脉冲函数的连续相位调制信号具有很好的误码率性能，但其频带利用率不高。与此相反，基于余弦脉冲函数的连续相位调制信号的误码率性能很差，但在频带利用率方面具有很大优势。由于数字通信系统的有效性和可靠性在通常情况下是矛盾的，传统的连续相位调制通过不同脉冲函数的选取，可以使有效性或可靠性的性能显著提高，但是要以另一指标的性能恶化作为代价。本发明提出的基于脉冲函数加权处理的连续相位调制信号在误码率和频带利用率方面具有较好的性能，能够获得数字通信系统的有效性和可靠性两个指标整体较优的效果，特别适合于功率和带宽均受限的无线信道。

Claims (3)

1.一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法，其特征是：

(1)选定连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h，通过矩形脉冲生成器(1)和余弦脉冲生成器(2)分别产生矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)；

(2)根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数a和b，其中a+b＝1，将矩形脉冲信号g₁(t)和余弦脉冲信号g₂(t)通过乘法器(3)分别与加权系数a和b相乘，得到加权的矩形脉冲信号g₁'(t)和加权的余弦脉冲信号g₂'(t)；

(3)将加权后的矩形脉冲信号g₁'(t)和g₂'(t)通过加法器(5)得到一个新的脉冲信号g(t)，信号d(t)经过g(t)脉冲成形后，与2πh进行相乘，经过调频信号发生器(6)得到调制信号S(t)。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法，其特征是：所述的根据有效性与可靠性的评价标准，选取两个最优的加权系数的过程如下：基于有效性与可靠性的评价标准，以误码率和频带利用率性能作为参考，其中带宽B为频谱功率的99％对应的宽度，两个加权系数之和为1，对连续相位调制信号的进制数M、关联长度L、调制指数h选定的条件下，针对不同加权系数模型进行误码率与功率谱密度的仿真，根据最大限度提高误码率或频带利用率性能为前提，对另一方面性能影响越小的原则，从中选出有效性与可靠性整体性能最优的模型所对应的加权系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法，其特征是：所述的调制信号S(t)为

$q\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{t}g\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

g(t)＝a×g₁(t)+b×g₂(t)，  a+b＝1

$g_1\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}},(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

$g_2\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{LT}}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πt}}{\mathrm{LT}}\right)],(0\≤t\≤\mathrm{LT})$

式中E为符号能量；d(t)为数据信号经过格雷映射后的M进制信息序列，T为符号间隔；为初始相位；f₀为载波频率；g₁(t)为矩形脉冲信号；g₂(t)为余弦脉冲信号。