CN104092638A - 一种恒包络psk调制解调器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种恒包络PSK调制解调器的设计方法，包括：S1、恒包络PSK调制器的信号处理步骤：在发射端，将信道编码器输出的二进制比特流按照调制参数M进行分组；得到差分相位序列；由差分序列生成最小加法群；将数字信号进行数模转换，完成调制过程；S2、恒包络PSK解调器的信号处理步骤：在接收端，先将接收到的FSK信号进行采样；对频率调制信号进行相位积分；将同步序列与各个样点的信号作相关运算，得到最佳样点；由最佳样点PSK信号的相位提取软信息、进行硬判决，完成数字解调。本发明将NPSK调制信号进行恒包络变换作为调制输出，提高通信系统发射端功放的功率效率；接收端将信号过采样，经过相位积分器与匹配滤波器，即可恢复获得PSK调制信号。

Description

一种恒包络PSK调制解调器的设计方法

技术领域

本发明涉及信号传输的技术领域，特别涉及一种恒包络PSK调制解调器的设计方法，将PSK调制信息以恒包络、连续相位信号的形式进行传输，在接收端又能够准确恢复原PSK调制信号，按照PSK调制信号进行解调。

背景技术

PSK(Phase-Shift Keying，相移键控)是一种应用广泛的数字调制方式，利用相位的变化表征二进制比特信息。通常每个N-PSK(N∈{2^k|k＝1,2,3,…})调制符号能够承载比特信息。虽然在无线通信中得到了广泛的应用，但由于不是恒包络调制，PSK调制信号一般存在峰均比的问题，即峰值功率严格大于信号的平均功率。这一现象会影响通信基站的功放效率，一旦发射机工作在非线性放大区间，传输信号的失真会随着发射功率的变大而极具增加，影响信号的正常解调。由于发射机线性工作区间的限制，通信时往往选择降低信号的平均功率，从而降低了功放功率的利用率。恒包络调制方式则能有效避免上述问题，如连续相位频移键控调制，作为第二代蜂窝移动通信系统中的成熟技术，具有理想的峰均比。另外，根据最小频移键控调制与正弦脉冲形式的带偏移的QPSK调制的关系，已有方法将特殊的QPSK调制与连续相位调制相联系。如能找到一般的方法，将任意PSK调制转换为连续相位、恒包络调制，信号的幅度连续变化，一方面信号功率谱旁瓣相对于主瓣的衰减更快，占用带宽较窄；另一方面，能够提升信号传输的实际功率，改善通信效果。

发明内容

本发明的目的在于克服PSK调制信号在发射功率效率与频谱占用率等方面的缺点，提供一种恒包络PSK调制解调器的设计方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种恒包络PSK调制解调器的设计方法，包括：

S1、恒包络PSK调制器的信号处理步骤：

在发射端，将信道编码器输出的二进制比特流按照调制参数M进行分组；将每组的M比特映射为格雷编码调制符号，每个符号对应于一个N-PSK调制信号的相位；将二进制信号对应的调制符号进行模N差分运算，得到差分相位序列；由差分序列生成最小加法群；按照加法群元素的个数确定K-CPFSK调制的参数K，以及群与调制频率的映射，进行连续相位恒包络调制；将数字信号进行数模转换，完成调制过程；

S2、恒包络PSK解调器的信号处理步骤：

在接收端，先将接收到的FSK(Frequency-shift keying，频移键控)信号进行采样，得到数字信号；对频率调制信号进行相位积分，恢复出PSK信号相位；对信号进行匹配滤波，恢复相位、去除码间串扰；将同步序列与各个样点的信号作相关运算，得到最佳样点；由最佳样点PSK信号的相位提取软信息、进行硬判决，完成数字解调，输入到后端的译码器。

优选的，步骤S1具体为：

S11、根据0/1二进制信号的长度L，将信号比特流序列分为M比特一组，即每M个比特所带信息将由一个PSK调制符号承载，令L＝M×K；

S12、将步骤S11得到的每组长度为M的比特映射成一个调制符号，共生成K个格雷调制符号，其中，格雷调制符号集是对整数取模N得到的元素个数为N的加法群：

$Z_N={\{\stackrel{\‾}{0},\stackrel{\‾}{1},...,\stackrel{\‾}{N-1}\}}_{\mathrm{mod}N}$

与之对应的N-PSK调制相位集为：

$\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{N},...,\frac{2\mathrm{\π}(N-1)}{N}\}$

与一般地最小频移键控调制与带偏移的QPSK调制的关系不同，这里调制参数N∈{2^k|k＝1,2,3,…}，不受N＝4的限制；

格雷调制满足：任意两个相邻调制符号对应的比特组之间，只有一个比特的差异；

S13、对步骤S12中PSK调制后的符号序列θ₁,…,θ_K进行相位差分，得到差分序列α₁,…,α_K，其中对任意k>1，有α_k＝θ_k-θ_k-1；α₁＝θ₁；

S14、生成包含α₁,…,α_K不同符号的最小加法群，设其元素个数为N₀，加发群是由差分相位的结果生成，加法群满足其所包含的元素个数最小；

S15、根据步骤S14生成群的大小N₀选取整数Z，满足N₀整除Z，Z为Z-CPFSK频率集中元素的个数，确定调制器输出的信号为Z-CPFSK信号，其调制频率集为{β_z}_z＝1,…,Z；

S16、建立步骤S13得到的信息序列α₁,…,α_K与Z-CPFSK调制频率{β_z}_z＝1,…,Z之间的映射；

S17、按照步骤S16中的映射结果，将信号以CPFSK调制形式，经过数字/模拟转换输出，完成调制过程。

优选的，步骤S13将PSK信号的调制相位进行信号差分，利用差分相位信息代替PSK相位，得到需要第二次调制的信息。

优选的，调制器采用恒包络调制方式，对差分信号进行第二次调制。

优选的，步骤S15中，还包括选取适合调制信息序列的Z-CPFSK，有下面两种情况：

(1)恒包络调制信息映射到Z-CPFSK调制频率集的一个非平凡子群；

(2)若没有选取映射到Z-CPFSK调制频率的子群，选取靠近Z-CPFSK调制频率集的中心频率的调制频率。

优选的，步骤S16中利用一个从信号生成加法群到FSK调制频率集的同态映射，映射的结果即为差分信号恒包络调制对应的频率。

优选的，具体的映射过程为：

(1)将映射到N-PSK调制信号的格雷调制符号序列{h₁,…,h_K}进行差分运算，得到{g₁,…,g_K}，其中g₁＝h₁，g_k＝mod(h_k-h_k-1,N)；

(2)计算包含{g₂,…,g_K}中所有不同元素的最小生成群，记元素个数为C，为的一个子群，满足C整除N；

(3)如果g₁不包含于步骤(3)生成的子群时，令G＝{g₂,…,g_K}，否则令G＝{g₁,…,g_K}。

优选的，步骤S2具体为：

S21、接收模拟信号进行数字过采样，每个调制符号有S个采样点；

S22、利用相位积分器对步骤S21得到的数字信号进行滤波，恢复PSK信号相位；

S23、对步骤S22输出的信号进行匹配滤波，累积相位、消除码间串扰；

S24、从步骤S23的结果恢复得到原N-PSK信号{Y_k}_k＝1,…,K，其中得到的每个PSK符号有S个样点，即

$Y_k{|}_{k=1,...,K}=\left[\begin{array}{c}{y}_k^1\\ y_k^2\\ .\\ .\\ .\\ y_k^S\end{array}\right]$

S25、对已知的同步序列进行PSK调制信号，保存其星座点记为{x_i}；

S26、利用步骤S25得到同步序列{x_i}，将其与接收序列按照不同样点做相关，得到S个相关值；

${\left\{c^j\right|c^j=\left|\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i^j\·{\stackrel{\‾}{x}}_i\left|\right|\}}_{j=1,...,S}$

S27、选取j₀，满足

S28、由步骤S27得到的样点序号，提取最终输出的PSK信号

S29、对步骤S28输出的PSK信号按照相位提取软信息、进行硬判决，完成解调过程。

优选的，步骤S22中，进行相位滤波时将中频FSK信号搬移带基带、低通滤波、还原PSK调制相位。

优选的，步骤S23中，接收信号经过滤波后由恒包络信号转换为PSK调制信号；每一段FSK调制信号，都可以采到一个样点与原PSK调制信号带有相同的相位信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明实现了对传统PSK调制解调方式的继承与优化，一方面，在数字信号处理过程中保留了PSK信号的特点，能够得到(发)、恢复(收)PSK星座点，适用于PSK信号的理论分析结果；另一方面，在通信过程中实现了恒包络调制，具有理想的功率峰均比，改善了传统PSK调制通信设备的功放效率。

2、本发明的解调器仍可以采用平方根升余弦滤波器，以达到恢复相位、消除码间串扰的目的，滤波输出的结果即为正常PSK调制的信号。因此，本发明可以直接应用于现役通信系统的改造。在相同通信协议下，部署了本发明的通信系统能够与已装备的其他通信系统进行互联互通。

3、本发明的解调器实现方式灵活，可以根据实际需求设计相位累积器，以实现恢复PSK信号的目的。与传统的平方根升余弦滤波器相比，性能优良的相位累积器使得同一个符号周期内不同样点的相位信息差别大，当信噪比较低时，提取最佳样点的能力更强。

附图说明

图1是本发明调制器设计示意图；

图2是本发明解调器设计示意图；

图3是实例中一段QPSK信号的星座点示意图；

图4是本发明调制器将实例中的QPSK信号转换为CPFSK信号后的时域截取图；

图5(a)-图5(h)是本发明解调器将接收实例中发送信号还原为PSK信号后八个样点的星座点示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种恒包络PSK调制解调器的实现方法，调制器设计如图1所示，调制过程包括以下步骤：

(1)根据0/1二进制信号的长度L，将信号比特流序列分为M比特一组，即每M个比特所带信息将由一个PSK调制符号承载，令L＝M×K。

(2)将步骤(1)得到的每组长度为M的比特映射成一个调制符号，共生成K个格雷调制符号。其中，格雷调制符号集是对整数取模N得到的长度为N的集合：

$Z_N={\{\stackrel{\‾}{0},\stackrel{\‾}{1},...,\stackrel{\‾}{N-1}\}}_{\mathrm{mod}N}$

其与N-PSK调制相位集

$\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{N},...,\frac{2\mathrm{\π}(N-1)}{N}\}$

一一对应。

这里到格雷调制符号的映射满足：任意两个相邻调制符号对应的比特组之间，只有一个比特的差异。

对如下一段调制符号X，其对应的PSK调制星座点如图3所示。

$X=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,3,1,7,5,7,5,3,5,3,1,7,5,7,1,7,5,7,1,7,1,7,5},\\ \mathrm{7,5,7,5,7,1,7,1,7,1,7,1,3,5,3,1,7,5,7,5,3,1,3},\\ \mathrm{5,7,1,7,5,7,1,3,5,3,1,7,1,7,5,7,1,7,5},...\end{array}\right\}$

(3)选取一个模A的加法群满足以下条件：N整除A，且Z_A有一个元素个数为N的子群，记为H₀，|H₀|_阶数＝N；对H₀的陪集类满足存在一个非平凡的陪集k₀H₀，|k₀H₀|＝P，使得N整除P。

(4)建立Z_N与H₀的映射关系f，建立Z_N映射到k₀H₀的一个子集的映射g，将步骤(2)得到的PSK信号映射为

{b_n|n＝1,…,K}＝{f(a₁),g(a₂),f(a₃),g(a₄),…}_K

然后，作差分c_n＝mod(b_n-b_n-1,A)∈k₀H₀，得到新的序列{c_n}_n＝1,…,K。

(5)根据步骤(4)产生的差分符号{c_n}_n＝1,…,K包含不同符号的个数，确定A-CPFSK调制所需的信号频率，令其调制频率集为{θ_n}_z＝1,…,A。

(6)由步骤(5)得到的调制频率，将信息序列调制成为A-CPFSK信号。对上述QPSK信号X，其对应的CPFSK调制信号截取图如图4所示。

(7)将步骤(6)生成的数字CPFSK调制信号，经过数字/模拟转换输出，完整调制过程。

一种恒包络PSK调制解调器的设计，解调器设计如图2所示，解调过程包括以下步骤：

(8)对接收模拟信号进行数字过采样，每个调制符号有S个采样点。

(9)利用相位积分器对步骤(8)得到的数字信号进行滤波，恢复PSK信号相位。

(10)对步骤(9)输出的信号进行匹配滤波，利用平方根升余弦滤波器消除码间串扰。

(11)从步骤(10)的结果恢复得到原N-PSK信号{Y_k}_k＝1,…,K，其中得到的每个PSK符号有S个样点，即

$Y_k{|}_{k=1,...,K}=\left[\begin{array}{c}{y}_k^1\\ y_k^2\\ .\\ .\\ .\\ y_k^S\end{array}\right]$

由上述PSK信号X经过恒包络调制器调制输出，并由本解调器进行8倍采样、滤波后得到的8个样点的星座点，如图5(a)-图5(h)所示。

(12)对已知的同步序列进行PSK调制信号，保存其星座点记为{x_i}；

(13)利用步骤(12)得到同步序列{x_i}，将其与接收序列按照不同样点做相关，得到S个相关值

${\left\{c^j\right|c^j=\left|\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i^j\·{\stackrel{\‾}{x}}_i\left|\right|\}}_{j=1,...,S}$

(14)选取j₀，满足

(15)由步骤(14)得到的样点序号，提取最终输出的PSK信号

(16)对步骤(15)输出的PSK调制信号按照相位提取软信息、进行硬判决，完成解调过程。

目前，诸多已装备的通信系统皆采用了PSK调制方式与平方根升余弦滤波，如WCDMA与TDSCDMA等采用了QPSK调制与该滤波器。在本实施例中，解调器采用了平方根升余弦滤波器，滤波输出的结果即为正常PSK调制的信号。因此，本发明可以部署在这些通信系统的调制后端与解调前端，在不改变原通信系统设计、协议的情况下，改善其功放设备峰均比问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，包括：

S1、恒包络PSK调制器的信号处理步骤：

在发射端，将信道编码器输出的二进制比特流按照调制参数M进行分组；将每组的M比特映射为格雷编码调制符号，每个符号对应于一个N-PSK调制信号的相位；将二进制信号对应的调制符号进行模N差分运算，得到差分相位序列；由差分序列生成最小加法群；按照加法群元素的个数确定K-CPFSK调制的参数K，以及群与调制频率的映射，进行连续相位恒包络调制；将数字信号进行数模转换，完成调制过程；

S2、恒包络PSK解调器的信号处理步骤：

在接收端，先将接收到的FSK信号进行采样，得到数字信号；对频率调制信号进行相位积分，恢复出PSK信号相位；对信号进行匹配滤波，恢复相位、去除码间串扰；将同步序列与各个样点的信号作相关运算，得到最佳样点；由最佳样点PSK信号的相位提取软信息、进行硬判决，完成数字解调，输入到后端的译码器。

2.根据权利要求1所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S1具体为：

S11、根据0/1二进制信号的长度L，将信号比特流序列分为M比特一组，即每M个比特所带信息将由一个PSK调制符号承载，令L＝M×K；

S12、将步骤S11得到的每组长度为M的比特映射成一个调制符号，共生成K个格雷调制符号，其中，格雷调制符号集是对整数取模N得到的元素个数为N的加法群：

$Z_N={\{\stackrel{\‾}{0},\stackrel{\‾}{1},...,\stackrel{\‾}{N-1}\}}_{\mathrm{mod}N}$

与之对应的N-PSK调制相位集为：

$\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{N},...,\frac{2\mathrm{\π}(N-1)}{N}\}$

与一般地最小频移键控调制与带偏移的QPSK调制的关系不同，这里调制参数N∈{2^k|k＝1,2,3,…}，不受N＝4的限制；

格雷调制满足：任意两个相邻调制符号对应的比特组之间，只有一个比特的差异；

S13、对步骤S12中PSK调制后的符号序列θ₁,…,θ_K进行相位差分，得到差分序列α₁,…,α_K，其中对任意k>1，有α_k＝θ_k-θ_k-1；α₁＝θ₁；

S14、生成包含α₁,…,α_K不同符号的最小加法群，设其元素个数为N₀，加发群是由差分相位的结果生成，加法群满足其所包含的元素个数最小；

S15、根据步骤S14生成群的大小N₀选取整数Z，满足N₀整除Z，Z为Z-CPFSK频率集中元素的个数，确定调制器输出的信号为Z-CPFSK信号，其调制频率集为{β_z}_z＝1,…,Z；

S16、建立步骤S13得到的信息序列α₁,…,α_K与Z-CPFSK调制频率{β_z}_z＝1,…,Z之间的映射；

S17、按照步骤S16中的映射结果，将信号以CPFSK调制形式，经过数字/模拟转换输出，完成调制过程。

3.根据权利要求2所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S13将PSK信号的调制相位进行信号差分，利用差分相位信息代替PSK相位，得到需要第二次调制的信息。

4.根据权利要求3所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，调制器采用恒包络调制方式，对差分信号进行第二次调制。

5.根据权利要求2所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S15中，还包括选取适合调制信息序列的Z-CPFSK，有下面两种情况：

(1)恒包络调制信息映射到Z-CPFSK调制频率集的一个非平凡子群；

(2)若没有选取映射到Z-CPFSK调制频率的子群，选取靠近Z-CPFSK调制频率集的中心频率的调制频率。

6.根据权利要求2所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S16中利用一个从信号生成加法群到FSK调制频率集的同态映射，映射的结果即为差分信号恒包络调制对应的频率。

7.根据权利要求6所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，具体的映射过程为：

(1)将映射到N-PSK调制信号的格雷调制符号序列{h₁,…,h_K}进行差分运算，得到{g₁,…,g_K}，其中g₁＝h₁，g_k＝mod(h_k-h_k-1,N)；

(2)计算包含{g₂,…,g_K}中所有不同元素的最小生成群，记元素个数为C，为的一个子群，满足C整除N；

(3)如果g₁不包含于步骤(3)生成的子群时，令G＝{g₂,…,g_K}，否则令G＝{g₁,…,g_K}。

8.根据权利要求1所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S21、接收模拟信号进行数字过采样，每个调制符号有S个采样点；

S22、利用相位积分器对步骤S21得到的数字信号进行滤波，恢复PSK信号相位；

S23、对步骤S22输出的信号进行匹配滤波，累积相位、消除码间串扰；

S24、从步骤S23的结果恢复得到原N-PSK信号{Y_k}_k＝1,…,K，其中得到的每个PSK符号有S个样点，即

$Y_k{|}_{k=1,...,K}=\left[\begin{array}{c}{y}_k^1\\ y_k^2\\ .\\ .\\ .\\ y_k^S\end{array}\right]$

S25、对已知的同步序列进行PSK调制信号，保存其星座点记为{x_i}；

S26、利用步骤S25得到同步序列{x_i}，将其与接收序列按照不同样点做相关，得到S个相关值；

${\left\{c^j\right|c^j=\left|\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{y}_i^j\·{\stackrel{\‾}{x}}_i\left|\right|\}}_{j=1,...,S}$

S27、选取j₀，满足

S28、由步骤S27得到的样点序号，提取最终输出的PSK信号

S29、对步骤S28输出的PSK信号按照相位提取软信息、进行硬判决，完成解调过程。

9.根据权利要求8所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S22中，进行相位滤波时将中频FSK信号搬移带基带、低通滤波、还原PSK调制相位。

10.根据权利要求8所述的恒包络PSK调制解调器的设计方法，其特征在于，步骤S23中，接收信号经过滤波后由恒包络信号转换为PSK调制信号；每一段FSK调制信号，都可以采到一个样点与原PSK调制信号带有相同的相位信息。