CN105635013B - 一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法和装置，其调制方法首先根据UQPSK服务信号的支路功率比计算信号分量系数c1、c2、c3、c4；再根据UQPSK服务信号的支路功率比计算交调系数b1、b2、b3、b4；然后生成恒包络基带信号；最后将恒包络基带信号正交调制到载波。调制装置包括基带信号生成器、正交调制器，基带信号生成器将两路UQPSK服务信号合成一路恒包络基带信号，输出恒包络基带信号的实部信号和虚部信号至正交调制器，正交调制器将输入的信号进行正交调制后输出。本发明将两个UQPSK服务信号调制在同一个载波上，实现恒定的信号包络和高的复用效率，提高信号的发射质量和功率效率。

Description

一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法和装置
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航系统的信号调制方法和调制装置，更具体地是涉及一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法和调制装置。
背景技术
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)一般由卫星段、控制段和地面段组成。其中卫星段的GNSS卫星发射服务信号；地面段的GNSS接收器处理来自不同GNSS卫星的服务信号，计算与每颗GNSS卫星的距离并完成位置解算，从而获得导航定位服务。GNSS卫星发射的服务信号的调制方式是影响地面段GNSS接收器可获得的服务质量的主要因素。
卫星段的GNSS卫星是严格的功率受限系统，为提高功率放大器效率，一般功率放大器工作在非线性饱和区，这就要求在一个频点发射的所有服务信号调制后必须满足恒定包络条件，否则包络的失真将会导致功率放大器产生幅度/幅度调制失真和幅度/相位调制失真，严重降低GNSS卫星发射的服务信号质量，因此如何在同一个频点实现多种不同服务信号的恒包络复用是设计服务信号调制的关键约束条件。
不同GNSS的发展阶段和前期设计不同，需要恒包络复用的服务信号有一定差异。例如在北斗系统在1268.52MHz的B3频点开发了DualQPSK(Dual Quadrature Phase ShiftKeying，双正交相移键控)调制，实现了在B3频点发射两个QPSK服务信号的功能。同时，为了满足可能出现的两个QPSK服务信号功率不等的需求，提出了非等功率形式的DualQPSK调制。
DualQPSK调制及其非等功率形式都是实现两个QPSK服务信号的恒包络复用的有效调制方法。其中DualQPSK调制将一个新的QPSK服务信号与已有QPSK服务信号进行等功率恒包络复用，沿用已有的功率放大器等硬件设备，同时播发两个QPSK服务信号,实现服务能力的拓展。非等功率形式的DualQPSK调制提出的目的则是实现两个QPSK服务信号的非等功率恒包络复用。这两种调制的缺点是都只能处理两个QPSK服务信号的恒包络复用问题，无法实现两个UQPSK(Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying，非平衡正交相移键控)服务信号的恒包络复用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法和装置。本发明将两个UQPSK服务信号调制在同一个载波上，实现恒定的信号包络和高的复用效率，提高信号的发射质量和功率效率。
本发明的技术方案一：
一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法，其步骤是：
已知四路二进制服务信号，分别为四路二进制扩频信号，设S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，并且四路二进制扩频信号互不相关；两对UQPSK服务信号的支路功率比为1:q2(q＞0)，其中：q为功率参数，q＞0；
步骤S1：根据两对UQPSK服务信号的支路功率比计算信号分量系数c1、c2、c3、c4。
根据如下两种情况计算信号分量系数c1、c2、c3、c4：
第一种情况若q＞1，按下式计算信号分量系数:
其中，p为中间参数；
第二种情况若q＜1，按下式计算信号分量系数：
其中，p为中间参数；
步骤S2：计算交调系数b1、b2、b3、b4。
按下式计算交调系数b1、b2、b3、b4:
步骤S3：生成恒包络基带信号。
根据交调系数b1、b2、b3、b4，信号分量系数c1、c2、c3、c4及中间参数p，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
步骤S4：将恒包络基带信号正交调制到载波。
将上一步中得到的恒包络基带信号的实部信号和虚部信号分别调制到频率相同但相位相差π/2的两个载波上，形成两个调制信号，载波的频率根据实际应用需求选取；将上述两个调制信号相加或相减，形成正交调制到载波的服务信号。
针对上述双非平衡正交相移键控信号的调制方法，本发明提供了两种用于实现上述方法的双非平衡正交相移键控信号的调制装置，下面对这两个技术方案分别进行介绍。
技术方案二：
本发明提供一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置，包括基带信号生成器和正交调制器，基带信号生成器将两对UQPSK服务信号合成一路恒包络基带信号，输出恒包络基带信号的实部信号和虚部信号至正交调制器，正交调制器将输入的信号进行正交调制后输出；
所述基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号以及UQPSK服务信号支路功率参数q；其中S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关；第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，两对UQPSK服务信号的功率比为1:q2(q＞0)，q为UQPSK服务信号支路功率参数；
所述基带信号生成器包括信号分量系数计算模块、交调系数计算模块、恒包络基带信号计算模块；
信号分量系数计算模块的输入是UQPSK服务信号支路功率参数q，该模块的逻辑功能是：
根据如下两种情况计算信号分量系数c1、c2、c3、c4：
第一种情况若q＞1，按下式计算信号分量系数:
其中，p为中间参数；
第二种情况若q＜1，按下式计算信号分量系数：
其中，p为中间参数；
信号分量系数计算模块的输出是信号分量系数c1、c2、c3、c4，输出给恒包络基带信号计算模块；
交调系数计算模块的输入是中间参数p，该模块的逻辑功能是：
根据如下两种情况计算交调系数b1、b2、b3、b4：
第一种情况若p≤1，按下式计算交调系数:
其中，
第二种情况若p＞1，按下式计算交调系数：
其中，
交调系数计算模块的输出是交调系数b1、b2、b3、b4，输出给恒包络基带信号计算模块；
恒包络基带信号计算模块的输入是信号分量系数c1、c2、c3、c4，交调系数b1、b2、b3、b4以及中间参数p，还有四路二进制扩频信号，该模块的逻辑功能是计算恒包络基带信号S(t)；
根据如下两种情况计算恒包络基带信号S(t)：
第一种情况若p≤1，按下式计算恒包络基带信号S(t):
第二种情况若p＞1，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
技术方案三：
一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置，包括基带信号生成器和正交调制器，基带信号生成器将接收的两对UQPSK服务信号合成一路复信号，输出复信号的实部信号以及复信号的虚部信号至正交调制器，正交调制器将复信号的实部信号和复信号的虚部信号分别调制到频率相同但相位相差π/2的两个载波上，得到两个调制信号，将两个调制信号相加或相减，输出正交调制到载波的双正交相移键控信号；两个相位相差π/2的载波的频率高于任意一个服务信号的单边主瓣带宽；
所述基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号以及UQPSK服务信号支路功率参数q；其中S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关；第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，两对UQPSK服务信号的功率比为1:q2(q＞0)，q为UQPSK服务信号支路功率参数；
所述基带信号生成器是具备信号运算和存储功能的数字逻辑器件，根据输入的两对UQPSK服务信号中的四路二进制扩频信号的幅值取值依据两种情况分别按下表输出对应的复信号的实部信号以及复信号的虚部信号：
第一种情况若p≤1，其中按下表取值:
第二种情况若p＞1，其中，按下表取值:
上述两表中：I(t)表示在t时刻复信号的实部信号取值，Q(t)表示在t时刻复信号的虚部信号取值。
本发明其优点是：
本发明将具备任意支路功率比的两路UQPSK服务信号合成为一路恒包络信号进行发射，该方案使得在一个UQPSK服务信号基础上扩充一个新的UQPSK服务信号，不需要额外增加一套独立的调制器与发射链路，可沿用已有UQPSK服务信号的调制器和发射链路进行发射。复用效率由下式计算：
本发明提供的一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法，步骤简单，在计算量小的情况下可实现恒定的信号包络，复用效率高；调制方法采用解析方式，没有基于数值方式的计算误差；UQPSK服务信号的功率比可任意配置，可以灵活适应不同的应用需求。
本发明提供的两种双非平衡正交相移键控信号的调制装置，通过简单的配置功率参数，即可灵活地按设定参数实现两路UQPSK服务信号的恒包络复用和发射；对于已经存在一个UQPSK服务信号的应用，不需要额外增加一套独立的调制装置即可增加1个新的UQPSK服务信号；结构简单可靠，灵活性高，易于实现。
附图说明
图1是本发明技术方案一提供的一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法的原理流程示意图；
图2是本发明技术方案二提供的一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置的原理结构示意图；
图3是功率比与复用效率的关系。
具体实施方式
下面将以采用直接序列扩频技术的卫星导航服务信号为实施例，参考附图对本发明进行详细描述。
已知四路二进制扩频信号，二进制扩频信号可以包括扩频码、二进制偏移载波、导航电文、二次扩频码等信息。设S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关。第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，两个UQPSK服务信号的功率比为1:q2(q＞0)，q为功率参数。
图1是本发明技术方案一提供的一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法的原理流程示意图，该方法包含四个步骤：
步骤S1：根据两个UQPSK服务信号的支路功率比计算信号分量系数c1、c2、c3、c4。
根据如下两种情况计算信号分量系数c1、c2、c3、c4：
第一种情况若q＞1，按下式计算信号分量系数:
其中，p为中间参数；
第二种情况若q＜1，按下式计算信号分量系数：
其中，
步骤S2：计算交调系数b1、b2、b3、b4。
按下式计算交调系数b1、b2、b3、b4:
步骤S3：生成恒包络基带信号。
根据交调系数b1、b2、b3、b4，信号分量系数c1、c2、c3、c4及中间参数p，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
步骤S4：将恒包络基带信号正交调制到载波。
将上一步中得到的恒包络基带信号的实部信号和虚部信号分别调制到频率相同但相位相差π/2的两个载波上，形成两个调制信号，载波的频率根据实际应用需求选取；将上述两个调制信号相加或相减，形成正交调制到载波的服务信号。
图2是本发明技术方案二提供的一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置的原理结构示意图，包括基带信号生成器和正交调制器。基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号，第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成的一对UQPSK服务信号与第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成的一对UQPSK服务信号的支路功率比为1:q2(q＞0)。其中S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关。基带信号生成器的输出是恒包络基带信号的实部信号I(t)和虚部信号Q(t)。正交调制器的输入是实部信号I(t)和虚部信号Q(t)，正交调制器将实部信号I(t)和虚部信号Q(t)根据需要的载波频率进行正交调制，输出具有恒定包络的服务信号。
图3是根据本发明的公式计算出的功率比与复用效率的关系。图的横轴是两对服务信号的功率比，图的纵轴是复用效率。从图中可知，若UQPSK服务信号的支路功率逼近相等则复用效率越来越低，逼近50％；若UQPSK服务信号的支路功率不相等，则有利于提升复用效率。将本发明的恒包络基带信号乘以任意常数，或将相位查找表增加或减小固定的相位角度，得到的调制方法和调制装置仍属于本发明的保护内容。

Claims (3)

1.一种双非平衡正交相移键控信号的调制方法，其特征在于包括以下步骤：
已知四路二进制服务信号，分别为四路二进制扩频信号，设S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，并且四路二进制扩频信号互不相关；两对UQPSK服务信号的支路功率比为1:q2，其中：q为功率参数，q＞0；
步骤S1：根据两对UQPSK服务信号的支路功率比计算信号分量系数c1、c2、c3、c4；
根据如下两种情况计算信号分量系数c1、c2、c3、c4：
第一种情况若q＞1，按下式计算信号分量系数:
其中，p为中间参数；
第二种情况若q＜1，按下式计算信号分量系数：
其中，
步骤S2：计算交调系数b1、b2、b3、b4；
按下式计算交调系数b1、b2、b3、b4:
步骤S3：生成恒包络基带信号；
根据交调系数b1、b2、b3、b4，信号分量系数c1、c2、c3、c4及中间参数p，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
步骤S4：将恒包络基带信号正交调制到载波；
将上一步中得到的恒包络基带信号的实部信号和虚部信号分别调制到频率相同但相位相差π/2的两个载波上，形成两个调制信号；将上述两个调制信号相加或相减，形成正交调制到载波的服务信号。
2.一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置，其特征在于：包括基带信号生成器和正交调制器，基带信号生成器将两对UQPSK服务信号合成一路恒包络基带信号，输出恒包络基带信号的实部信号和虚部信号至正交调制器，正交调制器将输入的信号进行正交调制后输出；
所述基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号以及UQPSK服务信号支路功率参数q；其中S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三二进制扩频路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关；第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，两对UQPSK服务信号的功率比为1:q2，q＞0，q为UQPSK服务信号支路功率参数；
所述基带信号生成器包括信号分量系数计算模块、交调系数计算模块、恒包络基带信号计算模块；
信号分量系数计算模块的输入是UQPSK服务信号支路功率参数q，该模块的逻辑功能是：
根据如下两种情况计算信号分量系数c1、c2、c3、c4：
第一种情况若q＞1，按下式计算信号分量系数：
其中，p为中间参数；
第二种情况若q＜1，按下式计算信号分量系数：
其中，
信号分量系数计算模块的输出是信号分量系数c1、c2、c3、c4，输出给恒包络基带信号计算模块；
交调系数计算模块的输入是中间参数p，该模块的逻辑功能是：
根据如下两种情况计算交调系数b1、b2、b3、b4：
第一种情况若p≤1，按下式计算交调系数:
其中，
第二种情况若p＞1，按下式计算交调系数：
其中，
交调系数计算模块的输出是交调系数b1、b2、b3、b4，输出给恒包络基带信号计算模块；
恒包络基带信号计算模块的输入是信号分量系数c1、c2、c3、c4，交调系数b1、b2、b3、b4以及中间参数p，还有四路二进制扩频信号，该模块的逻辑功能是计算恒包络基带信号S(t)；
根据如下两种情况计算恒包络基带信号S(t)：
第一种情况若p≤1，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
S(t)＝c1·ejπ/4s1(t)+c2·ej3π/4s2(t)+c3·ej3π/4s3(t)+c4·e-j3π/4s4(t)
+b1(e-j3π/4s1(t)s2(t)s3(t))+b2(e-jπ/4s1(t)s2(t)s4(t))
+b3(ej3π/4s1(t)s3(t)s4(t))+b4(ejπ/4s2(t)s3(t)s4(t))
第二种情况若p＞1，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
S(t)＝c1·ejπ/4s1(t)+c2·ej3π/4s2(t)+c3·ej3π/4s3(t)+c4·e-j3π/4s4(t)
+b1(ejπ/4s1(t)s2(t)s3(t))+b2(ej3π/4s1(t)s2(t)s4(t))
+b3(e-jπ/4s1(t)s3(t)s4(t))+b4(e-j3π/4s2(t)s3(t)s4(t)) 。
3.一种双非平衡正交相移键控信号的调制装置，其特征在于：包括基带信号生成器和正交调制器，基带信号生成器将接收的两对UQPSK服务信号合成一路复信号，输出复信号的实部信号以及复信号的虚部信号至正交调制器，正交调制器将复信号的实部信号和复信号的虚部信号分别调制到频率相同但相位相差π/2的两个载波上，得到两个调制信号，将两个调制信号相加或相减，输出正交调制到载波的双正交相移键控信号；两个相位相差π/2的载波的频率高于任意一个服务信号的单边主瓣带宽；
所述基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号以及UQPSK服务信号支路功率参数q；其中S1(t)是在t时刻第一路二进制扩频信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路二进制扩频信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路二进制扩频信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路二进制扩频信号的幅值，四路二进制扩频信号的幅值取值均为+1或－1，且四路二进制扩频信号互不相关；第一路二进制扩频信号和第二路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，第三路二进制扩频信号和第四路二进制扩频信号构成一对UQPSK服务信号，两对UQPSK服务信号的功率比为1:q2，q＞0，q为UQPSK服务信号支路功率参数；
所述基带信号生成器是具备信号运算和存储功能的数字逻辑器件，根据输入的两对UQPSK服务信号中的四路二进制扩频信号的幅值取值依据两种情况分别按下表输出对应的复信号的实部信号以及复信号的虚部信号：
第一种情况若p≤1，其中按下表取值:
第二种情况若p＞1，其中，按下表取值:
上述两表中：I(t)表示在t时刻复信号的实部信号取值，Q(t)表示在t时刻复信号的虚部信号取值。
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