CN105429729B - 一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其主要思路为：对发射端发射的用户数据依次经交织、RS编码后，得到编码后的数据，对编码后的数据进行网格编码调制，产生基带波形，再对该基带波形依次进行数字上变频处理、混频处理，得到射频信号，并发送至接收端；接收端接收射频信号，对该射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理，得到基带信号，再对该基带信号进行初相位同步处理，得到初相位同步处理后的基带波形，对初相位同步处理后的基带波形进行网格编码解调，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS译码、解交织后，得到原始用户数据。

Description

一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法

技术领域

本发明属于无线通信调制解调技术领域，特别涉及一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，适用于频率在30MHz～512MHz之间的超短波电台窄带高速数据传输。

背景技术

网格编码调制(TCM，Trellis Coded Modulation)是一类恒包络连续相位的信号调制技术，由于网格编码调制信号的包络恒定，它对功放的非线性特性不敏感，功率放大器可以工作在饱和状态，因此具有较高的功率利用率；由于相位连续，使得其带外辐射较小，产生的邻道干扰也较小，因此具有较高的频谱效率高。近年来，网格编码调制得到了深入的研究，在移动通信、卫星通信及遥测等领域获得广泛应用。

在超短波(频率在30MHz～512MHz之间)抗干扰通信设备的研制中，网格编码调制的应用尤为广泛，这种调制技术是将卷积码和多电平多相位调制相结合，在不牺牲信息传输速率、不增加传输带宽的前提下，能获得可观的编码增益，适应现代高技术战争的使用环境。

在超短波通信中，采用连续相位调制(Continuous Phase Modulation，CPM)或连续相位网格编码调制(CPTCM)技术的通信系统一般采用差分解调或常规相干解调。差分解调方法由于相对于相干解调性能上的劣势已逐渐被淘汰，相干解调需要在接收端实现与调制载波频率、相位严格同步的相干载波，恢复出严格同步的基带波形来进行对比判决。

差分解调方法相对于相干解调有性能上的劣势，而相干解调需要在接收端实现与调制载波频率、相位严格同步的相干载波，系统复杂度大大增加。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种超短波CPTCM相干解调方法，该方法能够省去现有相干解调方法最繁琐的频率、相位严格同步的相干载波实现过程，且不用保存路径质量矩阵，易于编程实现且节省资源。

本发明的主要思路：发射端对用户数据进行交织、RS编码处理，再对编码后的数据进行网格编码调制，产生基带波形，然后进行上变频，混频处理，产生射频信号进行发送；接收端对接收的射频信号进行混频、下变频处理得到基带信号，经过初相位同步处理，将基带信号进行网格编码解调，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS译码、解交织后，得到原始用户数据。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对发射端发射的用户数据依次进行交织、RS(N,K)编码后，得到编码后的数据；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度；

步骤2，对编码后的数据进行网格编码调制，产生基带波形，再对该基带波形依次进行数字上变频处理、混频处理，得到射频信号，将该射频信号发送至接收端；

步骤3，接收端接收射频信号，对该射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理，得到基带信号，再对该基带信号进行初相位同步处理，得到初相位同步处理后的基带波形；

步骤4，对初相位同步处理后的基带波形进行网格编码解调，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS(N,K)译码、解交织后，得到原始用户数据；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度。

本发明的有益效果：本发明主要采用了已知前导序列结合跳内码元盲估微调方法来实现纠相偏和设定范围内纠频偏的方法，能够省去实现与调制载波频率、相位严格同步的相干载波的繁琐过程，且采用的盲估微调方法易于在可编程逻辑器件中实现；在解调判决过程中，根据Viterbi编码特性减少比较状态数，能够大大降低运算量；并且，根据可编程逻辑器件的输入输出状态对最佳路径质量进行更新，避免了反馈恢复数据的延时，且不用保存路径质量矩阵，易于编程实现且节省资源。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法的数据发送和接收处理的流程示意图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法的数据发送和接收处理的流程示意图，该种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，包括以下步骤：

步骤1，对发射端发射的用户数据依次进行交织、RS(N,K)编码后，得到编码后的数据；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度。

具体地，发射端发射的用户数据在传输过程中很容易发生数据丢失，依次采用交织和信道编码后，会使得发射端发射的用户数据即使在传输过程中有信息丢失，也能够全部恢复出发射端所发射的用户数据。

因此，在频率为30MHz～512MHz之间的超短波抗干扰通信中，所述信道编码方式采用RS(N,K)编码方式，并且根据交织后的用户数据的信息速率不同，选用不同的RS(N,K)编码参数进行编码；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度。

步骤2，对编码后的数据进行网格编码调制，产生基带波形，再对该基带波形依次进行数字上变频处理、混频处理，得到射频信号，将该射频信号发送至接收端。

具体地，设定固定的前导序列值，对编码后的数据进行网格编码调制时，先对编码后的数据依次进行卷积编码和连续相位调制(CPM)，产生基带波形，所述基带波形的组成依次为：基带波形前导固定样点、冲洗及换频保护填充样点、数据调制样点的组成架构模式；

所述基带波形前导固定样点为设定的一段包含Q个点的序列，所述一段包含Q个点的序列为直流信号或自定义波形；对编码后的数据进行卷积编码，产生所述冲洗及换频保护填充样点；对经过卷积编码的编码数据进行连续相位调制，产生所述数据调制样点；

所述基带波形包含D段，对D段基带波形中的每一段基带波形前加入所述基带波形前导固定样点用做初始相位估计，在所述D段基带波形中的每一段基带波形后加入冲洗及换频保护填充样点，得到一跳基带波形，D段基带波形分别对应得到D跳基带波形，所述D跳基带波形即为完整的基带波形。

在该基带波形前加入设定的固定前导序列值用做初始相位估计，并对该基带波形依次进行冲洗及换频保护后，得到经过换频保护的基带波形，再对该经过换频保护的基带波形进行数字上变频处理，得到中频信号，然后对该中频信号进行混频处理，得到射频信号，并将该射频信号经射频发送至接收端。

其中，发射端给每跳基带波形前加入多个和本跳基带波形起始相位相连接的固定样点，作为训练序列，该训练序列可以是零相位起始点，也可以是上一跳基带波形训练序列的最后一个样点，以此来保证上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续，使得网格编码调制的编码或解码长度分别不受每跳基带波形的长度限制，大大增强了设计灵活性。

网格编码调制、解调的数字信号处理基于软件无线电(SDR)来实现，其采用Xilinx公司Sparten-3e系列芯片XC3S500E来实现，主要完成的功能不仅包括网格编码调制、解调，而且还包括数字上变频处理、数字下变频处理、滤波处理、同步相关、信道控制及数据接口功能。

步骤3，接收端接收射频信号，对该射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理，得到基带信号，再对该基带信号进行初相位同步处理，得到初相位同步处理后的基带波形。

具体地，对接收端接收到的射频信号进行处理，依次进行混频处理、数字下变频处理，得到基带信号，再对该基带信号进行初相位同步处理，得到初相位同步处理后的基带波形，所述对该基带信号进行初相位同步处理，其过程为：

首先确定前导序列本地样点，接收端对接收到的射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理后，得到基带信号，然后根据发射端所述基带波形前导固定样点的位置和长度将所述基带信号中的前导固定样点提取出来，再将提取出来的所述基带信号中的前导固定样点，与所述前导序列本地样点分别做相位差，并计算其平均值，作为固定相偏，使用该固定相偏补偿基带信号中的数据调制样点，得到初相位同步的基带波形。

根据所述初相位同步的基带波形，得到直接用于相干解调的初相位同步的基带波形样点，其过程为：设定每跳基带波形的相位理论值，如果发射端的每跳基带波形以零相位起始，则根据初相位同步的每跳基带波形的训练序列的平均值、所述相位理论值和所述零相位，计算得到初相差；如果发射端的上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续，则根据样点同步处理后的基带波形每跳的训练序列的平均值、所述相位理论值和所述上一跳基带波形训练序列的最后一个样点，计算得到初相差，再用该初相差作为基准相位，对训练序列后续的数据部分样点做相位补偿，得到初相位同步的基带波形样点，该初相位同步的基带波形样点即为直接用于相干解调的初相位同步的基带波形样点，达到初相同步处理的目的。

其中，发射端给第j-1跳基带波形前加入3-4个和第j跳基带波形起始相位相连接的前导序列样点，作为训练序列，所述训练序列为是零相位起始，或为第j跳基带波形训练序列的最后一个样点，以此来保证发射端的上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续；其中，j∈{2,…,D}，所述基带波形包含D跳。

初相位同步处理后，由于信道噪声、收发端时钟频率精度影响，此时接收端得到的基带信号中存在相位抖动和轻微频偏问题，结合目前窄带超短波抗干扰通信应用环境考虑，最大频偏在几十赫兹量级，所述轻微频偏会在每跳基带波形之内产生相位累积，对解调判决产生不良影响，尤其是依次经过高进制数调制及每跳基带波形偏后的部分，对解调判决产生的不良影响会更为严重，所以还需对此问题进行估计和调整。

采用训练序列结合跳内码元盲估微调的方法，即在解调判决过程中先将基带信号转化为P个码元，得到P个码元各自对应的码元波形，然后依次计算该P个码元中第i个码元的最大似然估计波形，并用所述第i个码元的最大似然估计波形与第i个码元对应的码元波形做相位比较，依次得出第i个码元的样点相位差，再用所述第i个码元的样点相位差去补偿第i+1个码元的基准相位，依次使得P个码元中每一个码元分别都用来做盲估微调，从而实现P个码元中每一个码元对基带信号相位的实时调整，从而解决相位抖动和频偏问题；其中，i∈{1,2,…,P}。

步骤4，对初相位同步处理后的基带波形进行网格编码解调，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS(N,K)译码、解交织后，得到原始用户数据。

具体地，在实际超短波通信系统应用中，使用初相同步的基带波形样点对初相位同步处理后的基带波形进行常规网格编码解调，选择3位移位寄存器的Viterbi编码器，使得存贮并比较8条路径。先将初相位同步处理后的基带信号转化为P个码元，在调制进制数为4时，前累加状态有8种可能，乘以当前为4的调制进制数，使得P个码元中每一个码元有32个状态需要比较判决；在调制进制数为8时，前累加状态有16种可能，乘以当前为8的调制进制数，使得P个码元中每一个码元有128个状态需要比较判决，所述状态包含路径质量、路径纪录、判决结果矩阵，并分别需要保存，使得在可编程器件实现过程中的运算量和存储器资源消耗非常大，所以本发明方法对常规网格编码解调进行了优化。

根据Viterbi编码生成多项式特性，对P个码元中每一个码元的状态数进行优化，只保留Viterbi编码器可能存在的输入输出状态，使得4进制网格编码调制(TCM)的状态数降低到至16个，8进制网格编码调制(TCM)的状态数降低到至32个，进而使得P个码元中每一个码元所需的比较判决状态数大幅下降；在解调判决过程中，P个码元中每一个码元的8条路径分别计算出各自对应的路径质量，然后将P个码元中每一个码元的8条路径各自对应的路径质量，分别保存当前解调判决结果和对应码元路径解调判决值序列，再在所述8条路径各自对应的路径质量中选出vitrbi网格路径相关度最高的路径质量，作为最佳路径质量，最后将所述最佳路径质量对应的波形，作为消除相位抖动和微频偏补偿的依据。

本发明的解调方法只需选取P个码元中最后一个码元的8条路径中的一条路径对应的路径质量，作为最佳路径质量，然后选取当前解调判决值和所述最佳路径质量对应的判决值序列，并据此得到初相同步处理后的基带信号的解调结果，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS(N,K)译码、解交织后，得到原始用户数据。此过程避免反馈恢复数据时的延时，且P个码元中每一个码元的路径质量只需缓存一次，大大降低了实现复杂度和资源消耗。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对发射端发射的用户数据依次进行交织、RS(N，K)编码后，得到编码后的数据；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度；

步骤2，对编码后的数据进行网格编码调制，产生基带波形，再对该基带波形依次进行数字上变频处理、混频处理，得到射频信号，将该射频信号发送至接收端；

步骤3，接收端接收射频信号，对该射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理，得到基带信号，再对该基带信号进行初相位同步处理，得到初相位同步处理后的基带波形；

在步骤3中，所述对该基带信号进行初相位同步处理后，所述方法还包括：采用训练序列结合跳内码元盲估微调的方法，即在解调判决过程中先将基带信号转化为P个码元，得到P个码元各自对应的码元波形，然后在解调过程中依次计算出该P个码元中第i个码元的最大似然估计波形，并用所述第i个码元的最大似然估计波形与第i个码元对应的接收波形做相位比较，依次得出第i个码元的样点相位差，再用所述第i个码元的样点相位差去补偿第i+1个码元的基准相位，依次使得P个码元中每一个码元分别都用来做盲估微调，从而实现P个码元中每一个码元对基带信号相位的实时调整；其中，i∈{1，2，…，P}；

步骤4，对初相位同步处理后的基带波形进行网格编码解调，恢复出编码数据，再对该编码数据依次进行RS(N，K)译码、解交织后，得到原始用户数据；其中，K表示编码后的数据长度，N表示发射端发射的用户数据长度。

2.如权利要求1所述的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，在步骤2中，所述产生基带波形，所述基带波形的组成依次为：基带波形前导固定样点、冲洗及换频保护填充样点、数据调制样点的组成架构模式；

所述基带波形前导固定样点为设定的一段包含Q个点的序列，所述一段包含Q个点的序列为直流信号或自定义波形；对编码后的数据进行卷积编码，产生所述冲洗及换频保护填充样点；对经过卷积编码的编码数据进行连续相位调制，产生所述数据调制样点；

所述基带波形包含D段，对D段基带波形中的每一段基带波形前加入所述基带波形前导固定样点用做初始相位估计，在所述D段基带波形中的每一段基带波形后加入冲洗及换频保护填充样点，得到一跳基带波形，D段基带波形分别对应得到D跳基带波形，所述D跳基带波形即为完整的基带波形。

3.如权利要求1所述的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，在步骤3中，所述对该基带信号进行初相位同步处理，其过程为：

首先确定前导序列本地样点，接收端对接收到的射频信号依次进行混频处理、数字下变频处理后，得到基带信号，然后根据发射端所述基带波形前导固定样点的位置和长度将所述基带信号中的前导固定样点提取出来，再将提取出来的所述基带信号中的前导固定样点，与所述前导序列本地样点分别做相位差，并计算其平均值，作为固定相偏，使用该固定相偏补偿基带信号中的数据调制样点，得到初相位同步的基带波形。

4.如权利要求3所述的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，所述得到初相位同步的基带波形之后，所述方法还包括：

根据所述初相位同步的基带波形，得到直接用于相干解调的初相位同步的基带波形样点，其过程为：设定每跳基带波形的相位理论值，如果发射端的每跳基带波形以零相位起始，则根据初相位同步的每跳基带波形的训练序列的平均值、所述相位理论值和所述零相位，计算得到初相差；如果发射端的上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续，则根据样点同步处理后的基带波形每跳的训练序列的平均值、所述相位理论值和所述上一跳基带波形训练序列的最后一个样点，计算得到初相差，再用该初相差作为基准相位，对训练序列后续的数据部分样点做相位补偿，得到初相位同步的基带波形样点，该初相位同步的基带波形样点即为直接用于相干解调的初相位同步的基带波形样点。

5.如权利要求4所述的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，所述发射端的上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续，具体为：

发射端给第j-1跳基带波形前加入3-4个和第j跳基带波形起始相位相连接的前导序列样点，作为训练序列，所述训练序列为是零相位起始，或为第j跳基带波形训练序列的最后一个样点，以此来保证发射端的上一跳基带波形和本跳基带波形之间相位连续；其中，j∈{2，…，D}，所述基带波形包含D跳。

6.如权利要求1所述的一种超短波的连续相位网格编码调制相干解调方法，其特征在于，在步骤4中，所述对初相位同步处理后的基带波形进行网格编码解调，恢复出编码数据，其过程为：

所述网格编码解调，采用网格编码解调时减少状态数的优化方法，根据Viterbi编码生成多项式特性，对P个码元中的每一个码元的状态数进行优化，所述每一个码元包含8条路径，分别计算所述每一个码元包含的8条路径各自对应的路径质量，然后将所述每一个码元包含的8条路径各自对应的路径质量，分别保存为当前解调判决结果和对应码元路径解调判决值序列，再在所述8条路径各自对应的路径质量中选出路径相关度最高的路径质量，作为最佳路径质量，得到所述最佳路径质量对应的波形，并利用该波形消除相位抖动和微频偏补偿。