CN105656827A - 一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，该方法的调制是基于时分结构的连续相位直接载波调制，在一个基本载波的前半周期调制数据位，而在后半周期调制测距码，两种信息时分共用一个载波周期，数据解调和测距首先是对载波的剥离，跟踪补偿载波动态，包括下变频前由RF载波引入的频偏，同时解调出附加相位，接着是二进数据解调，并通过相关积分和低通滤波实现伪随机码跟踪，实现测距与信号动态的补偿。本发明将直接载波连续相位调制思想应用到测距与通信的信号波形组设计，实现在动态应用环境下安全可靠导航和信息传输，同时紧缩频谱和抗多径以及射频干扰，易于信号跟踪和解调。

Description

一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法

技术领域

本发明属于导航系统测距与通信技术领域，具体涉及一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法。

背景技术

随着各种无线设施的部署和设备的使用，空中无线频谱越来越拥挤，无线资源越来越匮乏，对系统产生的危害也越大。同时随着信息化程度的提高，各种无线传输设备面临高速率与高频谱效率的挑战。

从数字通信系统最简单的二元调制角度来看，可以用两种持续时间有限的相异的波形来分别表示“0”和“1”信息位，并且一般事先编码以确保两种信息位等概率出现。对应到测距信号就是将导航信息经过测距码调制得到扩频数据，因此其可以被看作伪随机的码流。而数字通信和测距的核心问题就是如何设计波形来用于代表这些信息即调制，以及如何有利于信号的传输与解调和测距。

纵观测距信号发展历程，所采用的调制方式从最初的在数字通信领域广泛应用的矩形码片二进相移键控(binaryphaseshiftkeying，BPSK)调制到二进偏移载波(binaryoffsetcarrier，BOC)调制，再到后来的交替二进偏移载波(AltBOC)、BCS、CBCS调制技术，以及最新的混合二进偏移载波(multiplexedbinaryoffsetcarrier，MBOC)技术，新的信号波形设计在提高测距精度、改善兼容性等方面都展现出了巨大的吸引力。增强测距信号抗干扰能力和测距精度，适时提高导航信息下传速率，以及提高频谱利用率和便于其在不同频段的部署等都是信号设计中受到关切的问题。

从直观上看，最终用户面对的信号就是两种载波波形以随机方式交替出现(对于BPSK调制而言)，或是四种载波波形以随机方式交替出现(对于QPSK调制而言)；同理，类BOC调制最终也会形成其对应的几种载波波形。但这些被调制的载波会由于基带信号随着信息或伪码的变化引起状态改变，从而在射频信号上发生了相位的“突变”。而这些“突变”不管是从经典信号检测的角度，还是数字通信和无线电导航的立场来看，都是增加了信号的“可识别性”。例如BOC调制的引入就是为了比BPSK调制在信号中增加更多的相位翻转，提高在低信噪比环境下的测距性能。

另外，在导航信号现代化中都特别增加了未承载数据的“纯”伪码调制载波，即导频用以抵抗数据对信号符号位的影响而造成对相关积分的副作用，进而增强在弱信号接收环境下的导航信号捕获成功率。但是即使这样也无法改变在RF信号中还是存在相位翻转。这样必然带来信号频谱的展宽，一般来讲最终信号主瓣的宽度与基带信号符号速率相当。这些在经典数字通信中都是必然的结果，即承载多大的符号速率就必然付出对等的信号带宽。

注意到不管是BPSK还是BOC，在其信号调制过程中都使用了不连续的相位调制方案，即存在0或180相位跳变，这样虽然有利于信号的接收和相关解调，但展宽了信号频谱，大大增加了其被干扰的可能性。

发明内容

本发明针对上述存在的问题做出改进，即本发明的目的是提供一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，这种方法将直接载波连续相位调制思想应用到测距与通信的信号波形组设计，实现在动态应用环境下安全可靠导航和信息传输，同时紧缩频谱和抗多径以及射频干扰，易于信号跟踪和解调。

为了解决上述技术问题，本发明提出了这样一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，该方法包括：

步骤1，基于时分结构的连续相位直接载波调制，该步骤在一个基本载波的前半周期调制数据位，而在后半周期调制测距码，两种信息时分共用一个载波周期，该连续相位调制方法具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\sin (x+{\mathrm{\&Delta;}}_{b}b\sin x),& 0\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<0.5\\ \sin (x+{\mathrm{\&Delta;}}_{c}c\sin x),& 0.5\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<1\end{array}\right.$

式中b表示数据，而c表示测距伪随机码，所述伪随机码用于识别不同的发射源，使系统具备测距能力，同时优化接收端的同步和解调性能，Δ_b和Δ_c分别代表对数据和测距码的调制指数；

步骤2，数据解调和测距，解调和测距系统包括天线、前置滤波和低噪放、混频和滤波以及采样器构成系统RF前端、后续软件模块，后续软件模块实现功能：首先对载波的剥离，跟踪补偿载波动态，包括下变频前由RF载波引入的频偏，同时解调出附加相位，为下一步处理打下基础；接着二进数据解调，并通过相关积分和低通滤波实现伪随机码跟踪，实现测距与信号动态的补偿。

进一步，所述步骤1中保持数据和测距码种调制指数相同为Δ，则上式还可以合并为sin(x+Δdsinx)，用d表示数据和测距码时分复合项，当只考虑采用二进制调制方案，则复合项d的值±1将每半周期以50％概率变化一次，实现对信息的平衡映射。

进一步，所述步骤1中调制信号的频谱通过Welch方法进行观察。

进一步，所述步骤2具体为：设计用相位解调方法与“基本载波”同步，这样检相器PD输出的就是附加相位信号，因此首先考察一下如何构建这个锁相环(PLL)的反馈控制机制已确保跟踪的是发射的导航信号，而不是其他发射机的信号。考虑到前述的伪随机码，由于给不同发射源分配不同伪随机码生成方案，因此应该考虑引入相关函数以指示该环路跟踪到正确的发射信号，从而“剥离”其“基本载波”；两个乘法器分别将数字化信号与正交和同相载波相乘，之后经过低通滤波前馈给环路的载波滤波器，实现对载波生成器的相位步进大小的调整，进而形成闭合的反馈回路完成对接收信号基本载波的锁定与跟踪；

将解出的附加相位信号送入解调延迟锁定环DLL，这一环路负责跟踪测距码动态，锁在发射机测距码信号上并隔离其他同频发射信号的干扰，由于伪随机测距码的可复现性，只要通过控制生成的超前码和滞后码相位，与载波分离信号的同相和正交两支路构建四路相关操作，经过码环滤波器，在测距码生成器复现三种码相位，超前和滞后码送回相关器，所谓的DLL就是对输入信号与本机复制的稍微超前的和滞后的信号进行相关运算，然后间隔一定周期进行采样，这样得到两个相关值，一个包含相关函数上升沿采样，反之包含下降沿采样，DLL利用反馈机制通过调整复制信号生成相位达到使两个相关采样之间的差别为零，这样就锁定了输入信号，而从即时测距码得到伪距；

即时测距码通过时序器得到数据的时间同步时钟，然后以此构建出半周期的解调信号相关波形，即可通过解调器构建波形与PLL输出解调相位信号进行相关运算，在一个载波周期后经采样判决得到数据位信息±1。

本发明的有益效果：

本发明将直接载波连续相位调制思想应用到测距与通信的信号波形组设计，实现在动态应用环境下安全可靠导航和信息传输，同时紧缩频谱和抗多径以及射频干扰，易于信号跟踪和解调。

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的说明。

图1为本发明伪码值为1和数据值为1的时分连续相位直接载波调制信号波形图；

图2为本发明伪码值为1和数据值为-1的时分连续相位直接载波调制信号波形图；

图3为本发明伪码值为-1和数据值为1的时分连续相位直接载波调制信号波形图；

图4为本发明伪码值为-1和数据值为-1的时分连续相位直接载波调制信号波形图；

图5为本发明调制指数为0.01时连续相位直接载波调制信号频谱图；

图6为本发明调制指数为0.1时连续相位直接载波调制信号频谱图；

图7为本发明调制指数为0.5时连续相位直接载波调制信号频谱图；

图8为本发明调制指数为1时连续相位直接载波调制信号频谱图；

图9为本发明解调与测距系统功能器件模块构成图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供了一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，该方法包括：

步骤1，基于时分结构的连续相位直接载波调制

该步骤在一个基本载波的前半周期调制数据位，而在后半周期调制测距码，两种信息时分共用一个载波周期，该连续相位调制方法具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\sin (x+{\mathrm{\&Delta;}}_{b}b\sin x),& 0\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<0.5\\ \sin (x+{\mathrm{\&Delta;}}_{c}c\sin x),& 0.5\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<1\end{array}\right.$

式中b表示数据，而c表示测距伪随机码，所述伪随机码用于识别不同的发射源，使系统具备测距能力，同时优化接收端的同步和解调性能，Δ_b和Δ_c分别代表对数据和测距码的调制指数；

在实际系统中，如果保持数据和测距码种调制指数相同为Δ，则上式还可以合并为sin(x+Δdsinx)，用d表示数据和测距码时分复合项。当只考虑采用二进制调制方案，则复合项d的值(±1)将每半周期以50％概率变化一次，实现对信息的平衡映射，则会出现四种信号波形，分别表示四种组合：图1伪码值是1和数据值1；图2伪码值是1和数据值-1；图3伪码值是-1和数据值1；图4伪码值是-1和数据值-1。

目前正在广泛使用的导航信号调制方式与本发明的连续相位调制方法最大的区别在于：前者没有保持载波相位的连续性，并以此作为其安身之本；而后者却是保持了保持载波相位的连续性。造成这一切的原因可归结为：前者将扩频码直接施加在载波相位上而表现为不连续波形，而后者将扩频码间接施加在载波相位上，即直接反映为相位变化率的改变，从而波形是连续的。

图5～图8所示为用Welch方法估计的信号频谱(由于对称性，未给出负频率部分，横轴为相对于基本频率的相对频率，纵轴为相对功率谱密度)，可以看出载频是非抑制的，而在载频附近的功率分布是迅速衰减的，达到了很高的频谱效率，即所谓的紧缩频谱，并且随着调制指数的减小，功率分布衰减加快。

在不同调制指数下信号的频谱特性。图6是将数据和随机码两个调制指数都设定(下同)为0.1时的调制信号的功率密度的频域分布。明显可以看出信号的功率主要集中在载波附近。如果继续减小调制指数，会得到如图5所示的更加紧缩的频谱，反之得到如图7和图8所示的较为松散的功率分布，此时出现了较明显的高倍线谱。

步骤2，数据解调和测距

解调和测距系统包括天线、前置滤波和低噪放、混频和滤波以及采样器构成系统RF前端、后续软件模块，后续软件模块实现功能：首先对载波的剥离，跟踪补偿载波动态，包括下变频前由RF载波引入的频偏，同时解调出附加相位，为下一步处理打下基础；接着二进数据解调，并通过相关积分和低通滤波实现伪随机码跟踪，实现测距与信号动态的补偿。

设计用相位解调方法与“基本载波”同步，这样检相器PD输出的就是附加相位信号，因此首先考察一下如何构建这个锁相环(PLL)的反馈控制机制已确保跟踪的是发射的导航信号，而不是其他发射机的信号。考虑到前述的伪随机码，由于给不同发射源分配不同伪随机码生成方案，因此应该考虑引入相关函数以指示该环路跟踪到正确的发射信号，从而“剥离”其“基本载波”；两个乘法器分别将数字化信号与正交和同相载波相乘，之后经过低通滤波前馈给环路的载波滤波器，实现对载波生成器的相位步进大小的调整，进而形成闭合的反馈回路完成对接收信号基本载波的锁定与跟踪；

将解出的附加相位信号送入解调延迟锁定环DLL，这一环路负责跟踪测距码动态，锁在发射机测距码信号上并隔离其他同频发射信号的干扰，由于伪随机测距码的可复现性，只要通过控制生成的超前码和滞后码相位，与载波分离信号的同相和正交两支路构建四路相关操作，经过码环滤波器，在测距码生成器复现三种码相位，超前和滞后码送回相关器，所谓的DLL就是对输入信号与本机复制的稍微超前的和滞后的信号进行相关运算，然后间隔一定周期进行采样，这样得到两个相关值，一个包含相关函数上升沿采样，反之包含下降沿采样，DLL利用反馈机制通过调整复制信号生成相位达到使两个相关采样之间的差别为零，这样就锁定了输入信号，而从即时测距码得到伪距；

即时测距码通过时序器得到数据的时间同步时钟，然后以此构建出半周期的解调信号相关波形，即可通过解调器构建波形与PLL输出解调相位信号进行相关运算，在一个载波周期后经采样判决得到数据位信息±1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，其特征在于：该方法包括：

步骤1，基于时分结构的连续相位直接载波调制，该步骤在一个基本载波的前半周期调制数据位，而在后半周期调制测距码，两种信息时分共用一个载波周期，该连续相位调制方法具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\sin \left(x+{\mathrm{\&Delta;}}_{b}b\sin x\right),& 0\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<0.5\\ \sin \left(x+{\mathrm{\&Delta;}}_{c}c\sin x\right),& 0.5\&le;x\%2\mathrm{\&pi;}<1\end{array}\right.$

式中b表示数据，而c表示测距伪随机码，所述伪随机码用于识别不同的发射源，使系统具备测距能力，同时优化接收端的同步和解调性能，Δ_b和Δ_c分别代表对数据和测距码的调制指数；

步骤2，数据解调和测距，解调和测距系统包括天线、前置滤波和低噪放、混频和滤波以及采样器构成系统RF前端、后续软件模块，后续软件模块实现功能：首先对载波的剥离，跟踪补偿载波动态，包括下变频前由RF载波引入的频偏，同时解调出附加相位，为下一步处理打下基础；接着二进数据解调，并通过相关积分和低通滤波实现伪随机码跟踪，实现测距与信号动态的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，其特征在于，所述步骤1中保持数据和测距码种调制指数相同为Δ，则上式还可以合并为sin(x+Δdsinx)，用d表示数据和测距码时分复合项，当只考虑采用二进制调制方案，则复合项d的值±1将每半周期以50％概率变化一次，实现对信息的平衡映射。

3.根据权利要求1所述的一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，其特征在于，所述步骤1中调制信号的频谱通过Welch方法进行观察。

4.根据权利要求1所述的一种时分复用连续相位直接载波调制和解调方法，其特征在于，所述步骤2具体为：设计用相位解调方法与“基本载波”同步，这样检相器PD输出的就是附加相位信号，两个乘法器分别将数字化信号与正交和同相载波相乘，之后经过低通滤波前馈给环路的载波滤波器，实现对载波生成器的相位步进大小的调整，进而形成闭合的反馈回路完成对接收信号基本载波的锁定与跟踪；

将解出的附加相位信号送入解调延迟锁定环DLL，这一环路负责跟踪测距码动态，锁在发射机测距码信号上并隔离其他同频发射信号的干扰，由于伪随机测距码的可复现性，只要通过控制生成的超前码和滞后码相位，与载波分离信号的同相和正交两支路构建四路相关操作，经过码环滤波器，在测距码生成器复现三种码相位，超前和滞后码送回相关器，DLL利用反馈机制通过调整复制信号生成相位达到使两个相关采样之间的差别为零，这样就锁定了输入信号，而从即时测距码得到伪距；

即时测距码通过时序器得到数据的时间同步时钟，然后以此构建出半周期的解调信号相关波形，即可通过解调器构建波形与PLL输出解调相位信号进行相关运算，在一个载波周期后经采样判决得到数据位信息±1。