CN104639100B - 产生直扩msk信号的方法及转换滤波器设计方法 - Google Patents
产生直扩msk信号的方法及转换滤波器设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，包括：建立转换滤波器切比雪夫逼近的凸优化模型；确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若优化出的功率谱密度函数满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。本发明提供的转换滤波器设计方法具有更小的滤波器阶数，转换滤波器硬件实现占用资源更少。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域，特别是一种涉及扩频通信系统中的全数字调制器设计，及一种产生直扩MSK信号装置。
背景技术
直扩MSK信号具有扩频系统的低截获性、多用户随机选址能力、抗干扰性能强等优点和最小频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)信号的包络恒定、频谱利用率高、能量集中、旁瓣衰减快、带外辐射功率低、对非线性失真不敏感等优点，在战术数据链、民用航空地空数据链、导弹制导指令传输、卫星通信等领域得到了广泛应用。
直扩MSK信号通常采用正交并行双通道结构产生，比如文献《Chip TimingRecovery in Digital Modems for Continuous-Phase CDMA Radio Communications》(Filippo Giannetti,Marco Luise and Ruggero Reggiannini.Chip Timing Recoveryin Digital Modems for Continuous-Phase CDMA Radio Communications[J].IEEETransactions On Communications,VOL.43,NO 2/3/4,February/March/April1995:762～766.)就是用并行方式产生直扩MSK调制信号的，扩频后的信号经过串并变换分成两路信号，再分别进行基带成型和正交调制，两路正交调制信号再合并成一路输出，得到最终发送的直扩MSK调制信号。在并行产生过程中，I、Q两通道需保持严格的时间同步、幅度平衡及相位正交，I、Q通道的不平衡会对扩频通信系统的性能产生严重的影响，特别是在高数据速率应用场合，更难保证通信系统的误码率不受影响；另一方面，双通道正交调制产生直扩MSK信号，具有更大的硬件复杂度。所以，在高速率直扩系统中，采用并行方式产生直扩MSK信号是较难实现的。
C.R.Ryan、A.R.Hambley等提出了MSK信号的一种串行产生方法，将BPSK调制信号通过转换滤波器后，可以产生MSK调制信号，并在微波频段设计出模拟转换滤波器，实现了760Mbps传输速率的MSK调制解调器，但是，这种方式并不适合现代数字通信系统。在现代数字通信系统中，收发信机都是采用全数字调制/解调技术，以适应多速率、多业务、设备高度集成化的需求，如何在数字域设计、实现转换滤波器，成为直扩MSK信号串行产生方法应用于现代数字通信系统的关键技术。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种新的、适用于全数字调制/解调结构的直扩MSK信号产生装置，该装置无需保持两通道严格的时间同步、幅度平衡及相位正交，系统的性能也得到很好的保持，避免了常规直扩MSK信号产生实现复杂、占用硬件资源多、不适合高速数据传输要求等缺陷。
本发明还提供一种产生直扩MSK信号的转换滤波器的设计方法，使经过BPSK调制后的扩频信号转换为直扩MSK信号。
一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，该转换滤波器的输入信号为经载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号，滤波器冲激响应函数为以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用凸优化算法设计转换滤波器，包括：
建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；
确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；
解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；
选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；
若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。
一种基于上述转换滤波器产生直扩MSK信号的装置，该装置采用串行单通道架构产生直扩MSK信号，包括：
对原始信号进行扩频处理的扩频器，
对扩频后的信号进行BPSK调制的BPSK调制器，
对调制后的信号进行转换得到离散域信号的转换滤波器，及
对离散域信号进行数模转换产生连续的直扩MSK信号的D/A转换器。
本发明与现有技术相比，具有显著优点：(1)避免了并行产生方法中双通道的严格平衡要求；(2)串行产生法使用单通道，硬件实现简单；(3)凸优化算法优化出的滤波器阶数更小，转换滤波器硬件实现占用资源更少；(4)接收机端对直扩MSK信号匹配接收后，可以得到直扩BPSK信号，其后的码捕获、跟踪、载波同步、相干解调等信号处理可以运用现有成熟的算法，降低全数字接收机的开发难度和代价。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是本发明转换滤波器的设计流程图；
图2是本发明符合转换滤波器设计要求的滤波器频率响应图；
图3是本发明产生直扩MSK信号的装置的原理框图。
具体实施方式
本发明设计的转换滤波器所使用的输入信号来自载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号x(t)，x(t)由原始信号d(t)与伪随机序列c(t)进行扩频处理得到，其中伪随机序列选用的是gold码。
本发明采用的方法是将直扩BPSK信号通过转换滤波器，来生成直扩MSK信号。根据MSK信号的特性，其中心频率满足条件：
所以，这里设定其中，f0为载波频率，Tc为扩频码周期。
从而得到转换滤波器的冲激响应为
传输函数为
对于上述特性的转换滤波器通常用FIR滤波器实现，可以用凸优化算法来设计逼近D(f)的FIR滤波器系数。
结合图1，以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用凸优化算法设计转换滤波器，使所设计的FIR滤波器的幅频特性与原滤波器的幅频特性误差最小。设计过程包括：
建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；
确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；
解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；
选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；
若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。
为了优化出阶数更小FIR滤波器，将滤波器设计问题转化为如下的凸优化问题，所述转换滤波器的凸优化模型
其中，sup为下确界；D(ω)为给定的频率响应函数，R(ω)为需要优化的功率谱密度函数，ω为瞬时角频率；
所述D(ω)根据转换滤波器的传输函数确定，其中f为直扩MSK信号的瞬时频率，fs为采样频率，f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期；
所述为滤波器脉冲响应系数h(n)的自相关系数，H(ω)为所设计的滤波器的频率响应，M为滤波器阶数。
利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计，包括：将频率ω＝[0,π]进行采样，得到一组频率值0≤ω1≤ω2≤...≤ωN≤π，N为采样点数，采样点数取N＝15M。
凸优化求解出R(ω)后，需要考量优化出的滤波器特性是否满足设计要求。设均方误差值ε
若均方误差满足条件ε≤10-35，则R(ω)满足设计要求；否则重新选取滤波器阶数M，重新进行凸优化设计，直至均方误差满足条件为止。本方案中，当M≥41时，能满足设计误差要求，取滤波器阶数为41。
对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数，包括：
步骤1，设R(z)的最小相位谱因子z＝ejω，a(z)为实部，为虚部，表示虚数单位，e为自然底数，则
步骤2，公式(1)取实部得
步骤3，ak由公式(2)通过的傅里叶系数求得，根据公式(3)重构Smp(ejω)
步骤4，Smp(ejω)的傅里叶系数为所求滤波器脉冲响应系数h(n)
结合图2，本方案采用的仿真数据为：
载波频率f0＝76.725MHz
扩频码速率fgold＝20.46Mchip/s
扩频码周期
采样频率
优化的转换滤波器(M＝41)特性与给定滤波器特性比较，与理想的滤波器性能十分相近，差异在可接受范围内，可以做实际运用。
结合图3，一种产生直扩MSK信号的装置，该装置采用串行单通道架构产生直扩MSK信号，包括扩频码产生器、信号扩频器、BPSK调制器、转换滤波器和D/A转换器：
扩频器对原始信号进行扩频处理，
BPSK调制器对扩频后的信号进行BPSK调制，
转换滤波器将直扩BPSK信号转换为直扩MSK信号，得到离散域扩频信号，
D/A转换器对离散域信号进行数模转换产生连续的直扩MSK信号。
扩频码产生器产生伪随机序列gold码，用于原始信号进行扩频处理。
该扩频MSK信号串行产生法比并行产生法要简洁得多，只有一路发生器和一个转换滤波器；而并行产生法则需两路发生器和多个乘法器，而且对双通道的定时和幅相平衡有很高的要求。相比较而言，该串行产生法有很强的实用性。
Claims (8)
1.一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，该转换滤波器的输入信号为经载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号，转换滤波器冲激响应函数为其中f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期，其特征在于，以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用切比雪夫逼近的凸优化算法设计转换滤波器，包括：
建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；
确定频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；
解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；
选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；
若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。
2.根据权利要求1所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，转换滤波器设计的凸优化模型
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其中，sup为下确界；D(ω)为给定的频率响应函数，R(ω)为待优化的功率谱密度函数，ω为瞬时角频率；
所述D(ω)根据转换滤波器的传输函数确定，其中f为直扩MSK信号的瞬时频率，fs为采样频率，f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期；
所述 为滤波器脉冲响应系数h(n)的自相关系数，H(ω)为所设计的滤波器的频率响应，M为滤波器阶数。
3.根据权利要求2所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，利用频率采样对转化滤波器模型的半无界条件进行估计，包括：
将角频率ω＝[0,π]进行采样，得到一组频率值0≤ω1≤ω2≤...≤ωN≤π，N为采样点数。
4.根据权利要求3所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，采样点数N＝15M。
5.根据权利要求3所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，设均方误差值ε
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若ε≤10-35，则R(ω)满足设计要求；否则重新选取滤波器阶数M，直至均方误差ε≤10-35。
6.根据权利要求1所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数，包括：
步骤1，设R(z)的最小相位谱因子z＝ejω，a(z)为实部，为虚部，表示虚数单位，则
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步骤3，ak由公式(2)通过的傅里叶系数求得，根据公式(3)重构Smp(ejω)
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7.一种基于权利要求1所设计的转换滤波器产生直扩MSK信号的装置，其特征在于，该装置采用串行单通道架构产生直扩MSK信号，包括：
对原始信号进行扩频处理的扩频器，
对扩频后的信号进行BPSK调制的BPSK调制器，
对调制后的信号进行转换得到离散域信号的转换滤波器，及
对离散域信号进行数模转换产生连续的直扩MSK信号的D/A转换器。
8.根据权利要求7所述的产生直扩MSK信号的装置，其特征在于，扩频器对原始信号进行扩频处理所选用的扩频码为伪随机序列gold码。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |