CN105743832B - 一种非等功率四路相移键控信号的调制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种非等功率四路相移键控信号的调制方法和装置，首先根据两对服务信号的功率比计算交调参数b，计算交调参数a，计算交调参数c及d，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和正交调制器，基带信号生成器将非等功率的四路二进制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。本发明将不同相位关系的四路二进制服务信号按给定的功率比关系调制在一个载波上，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
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，更具体地是涉及非等功率四路PSK(Phase Shift Keying，相移键控)服务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，为了解决
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。广义DualQPSK调制提出的目的则是实现两个非等功率QPSK服务信号的恒包络复用。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，不适用于四个服务信号分量未构成两个QPSK服务信号的恒包络问题。在不同的应用背景中，对四路信号分量之间的相位关系可能有不同需求，例如北斗全球系统拟在B1频点播发MBOC信号，包含数据和导频两个支路，在两个支路信号同相时，复用效率可能最大化。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种非等功率四路相移键控信号的调制方法和装置，将不同相位关系的四路二进制服务信号按给定的功率比关系调制在一个载波上，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。
本发明的技术方案是，提供一种非等功率四路相移键控信号的调制方法，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时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，并且四路信号互不相关。第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2(p＞0)，p为功率参数。
步骤S1：根据两对服务信号的功率比及相位关系计算交调参数b
交调参数b满足下述非线性方程：
其中，γ为相位参数，其取值为γ＝-tanθ。
采用牛顿迭代法求出交调参数b，牛顿迭代法为公知方法，这里不再赘述。
步骤S2：计算交调参数a
根据交调参数b和相位参数γ，按下式计算交调参数a:
步骤S3：计算交调参数c及d
根据交调参数a，b和功率参数p及相位参数γ，按下式计算交调参数c及d
步骤S4：生成恒包络基带信号
根据交调参数b，a，c及d和功率参数p，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
步骤S5：将恒包络基带信号正交调制到载波。
将步骤S4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。
本发明的技术方案二提供一种非等功率四路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，基带信号生成器将非等功率的四路二进制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。基带信号生成器利用具有存储和计算功能的数字逻辑器件，例如现场可编程逻辑阵列、数字信号处理器等制作。
基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号(分别为第一路信号、第二路信号、第三路信号和第四路信号)，第三路信号和第四路信号的夹角θ，功率参数p。其中S1(t)是在t时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，且四路信号互不相关。第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2(p＞0)，p为功率参数。
基带信号生成器的输入是交调参数b，a，c及d和功率参数p及第三路信号和第四路信号的夹角θ，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)，计算公式如下：
本发明的技术方案三提供一种非等功率四路相移键控信号的调制装置，包括基带信号生成器、正交调制器。其中，基带信号生成器将非等功率的四路二进制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。基带信号生成器利用具有存储和计算功能的数字逻辑器件，例如现场可编程逻辑阵列、数字信号处理器等制作。
基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号，第三路信号和第四路信号的夹角θ，功率参数p。其中S1(t)是在t时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，且四路信号互不相关。第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2(p＞0)，p为功率参数。
基带信号生成器的输入是四路二进制扩频信号、交调参数b，a，c及d和功率参数p及第三路信号和第四路信号的夹角θ，该模块的逻辑功能是计算变量S(t)的16个相位角，输出S(t)的实部与虚部信号，变量S(t)的计算公式如下：
其中IM按下式计算：
IM＝+as1(t)s3(t)s4(t)+b(ejπ/2s2(t)s3(t)s4(t))
+cejθs1(t)s2(t)s3(t)+d(e-jθs1(t)s2(t)s4(t))
计算S时，变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)的取值均为﹢1或-1，根据变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)取值组合先计算IM，再得到变量S，从而得到代表S相位角的16个相位值θ0～θ15，所述变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)取值组合如下表所示：
表2相位角查找表
| S<sub>1</sub>(t) | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| S<sub>2</sub>(t) | -1 | -1 | -1 | -1 | 1 | 1 | <sub>1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | 1 | <sub>1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>1</sub> |
| S<sub>3</sub>(t) | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>1</sub> | <sub>-1</sub> | <sub>-1</sub> | 1 | <sub>1</sub> | -1 | -1 | 1 | 1 |
| S<sub>4</sub>(t) | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 |
| Arg(S) | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | θ<sub>6</sub> | θ<sub>7</sub> | θ<sub>8</sub> | θ<sub>9</sub> | θ<sub>10</sub> | θ<sub>11</sub> | θ<sub>12</sub> | θ<sub>13</sub> | θ<sub>14</sub> | θ<sub>15</sub> |
| Real(S) | Cosθ<sub>0</sub> | Cosθ<sub>1</sub> | Cosθ<sub>2</sub> | Cosθ<sub>3</sub> | Cosθ<sub>4</sub> | Cosθ<sub>5</sub> | Cosθ<sub>6</sub> | Cosθ<sub>7</sub> | Cosθ<sub>8</sub> | Cosθ<sub>9</sub> | Cosθ<sub>10</sub> | Cosθ<sub>11</sub> | Cosθ<sub>12</sub> | Cosθ<sub>13</sub> | Cosθ<sub>14</sub> | Cosθ<sub>15</sub> |
| Imag(S) | sinθ<sub>0</sub> | Sinθ<sub>1</sub> | Sinθ<sub>2</sub> | Sinθ<sub>3</sub> | Sinθ<sub>4</sub> | Sinθ<sub>5</sub> | Sinθ<sub>6</sub> | Sinθ<sub>7</sub> | Sinθ<sub>8</sub> | Sinθ<sub>9</sub> | Sinθ<sub>10</sub> | Sinθ<sub>11</sub> | Sinθ<sub>12</sub> | Sinθ<sub>13</sub> | Sinθ<sub>14</sub> | Sinθ<sub>15</sub> |
表中前四行是变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)的取值组合，第五行是对应变量S的相位角，也即十六个相位取值,第六、七行是对应变量S的实部与虚部。将S(t)的实部信号和虚部信号输出作为实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t),输出给正交调制器。
正交调制器将输入的实部信号Real(t)和虚部信号Imag(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。
本发明的有益技术效果：
本发明将具备任意功率比的一路QPSK服务信号与两路任意相位关系的BPSK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QPSK服务信号基础上扩充2个新的不同相位关系的BPSK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QPSK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：
本发明提供的一种非等功率四路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；QPSK服务信号与两路BPSK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。
本发明提供的非等功率四路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QPSK服务信号与两路BPSK服务信号的恒包络复用和发射；对于已经存在一个QPSK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2个新的BPSK服务信号；结构简单可靠，灵活性高，易于实现。
附图说明
图1是本发明一种非等功率四路相移键控信号的调制方法的流程示意图；
图2是本发明一种非等功率四路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，参考附图详细描述本发明的一种非等功率四路相移键控信号的调制方法和装置。
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时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，并且四路信号互不相关。第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2(p＞0)，p为功率参数。
图1是本发明技术方案一提供的一种非等功率四路相移键控信号的调制方法的原理流程示意图，该方法包含五个步骤：
步骤S1：根据两对服务信号的功率比计算交调参数b。
步骤S2：计算交调参数a。
步骤S3：计算交调参数c及d
步骤S4：生成恒包络基带信号。
步骤S5：将恒包络基带信号正交调制到载波。
图2是本发明技术方案二提供的一种非等功率四路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、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，第三路信号和第四路信号的夹角θ，功率参数p。其中S1(t)是在t时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1。第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，并且四路信号互不相关，第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2(p＞0)，p为功率参数。基带信号生成器的输出是恒包络基带信号的实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t)。正交调制器的输入是实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t)，正交调制器将实部信号Real(t)和虚部信号Imag(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。——表示的实线是两对服务信号相位均正交时的复用效率，--表示的虚线是两对QPSK服务信号其中一对正交、另一对相位夹角35.1度时的复用效率。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。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (3)
1.一种非等功率四路二进制服务信号的调制方法，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时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，上述四路信号的幅值取值均为+1或－1，第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，并且四路信号互不相关；第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2，p＞0，p为功率参数；
步骤S1：根据两对服务信号的功率比及相位关系计算交调参数b；
交调参数b满足下述非线性方程：
其中，γ为相位参数，γ＝-tanθ；
采用牛顿迭代法求出交调参数b；
步骤S2：计算交调参数a；
根据交调参数b和相位参数γ，按下式计算交调参数a:
步骤S3：计算交调参数c及d；
根据交调参数a，b和功率参数p及相位参数γ，按下式计算交调参数c及d
步骤S4：生成恒包络基带信号；
根据交调参数b，a，c及d和功率参数p，按下式计算恒包络基带信号S(t)：
步骤S5：将恒包络基带信号正交调制到载波；
将步骤S4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。
2.一种非等功率四路二进制服务信号的调制装置，其特征在于：包括基带信号生成器、正交调制器，基带信号生成器将非等功率的四路二进制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，第三路信号和第四路信号的夹角θ，功率参数p，其中S1(t)是在t时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，且四路信号互不相关，第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2，p＞0，p为功率参数；
基带信号生成器的输入是交调参数b，a，c及d和功率参数p及第三路信号和第四路信号的夹角θ，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)，计算公式如下：
其中：交调参数b满足下述非线性方程：
其中，γ为相位参数，γ＝-tanθ；
采用牛顿迭代法求出交调参数b；
交调参数
交调参数
3.根据权利要求2所述的非等功率四路二进制服务信号的调制装置，其特征在于：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，第三路信号和第四路信号的夹角θ，功率参数p，其中S1(t)是在t时刻第一路信号的幅值，S2(t)是在t时刻第二路信号的幅值，S3(t)是在t时刻第三路信号的幅值，S4(t)是在t时刻第四路信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，且四路信号互不相关，第一路信号和第二路信号构成一对服务信号，夹角为90度，第三路信号和第四路信号构成一对服务信号，夹角为θ，第一路信号和第二路信号构成的一对服务信号与第三路信号和第四路信号构成的一对服务信号的功率比为1:p2，p＞0，p为功率参数；
基带信号生成器的输入是四路二进制扩频信号、交调参数b，a，c及d和功率参数p及第三路信号和第四路信号的夹角θ，该模块的逻辑功能是计算变量S(t)的16个相位角，变量S(t)的计算公式如下：
其中IM按下式计算：
计算S时，变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)的取值均为﹢1或-1，根据变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)取值组合先计算IM，再得到变量S，从而得到代表S相位角的16个相位值θ0～θ15，所述变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)取值组合如下表所示：
表中前四行是变量S1(t)、S2(t)、S3(t)、S4(t)的取值组合，第五行是对应变量S的相位角，也即十六个相位取值,第六、七行是对应变量S的实部与虚部，将S(t)的实部信号和虚部信号输出作为实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t),输出给正交调制器；
正交调制器将输入的实部信号Real(t)和虚部信号Imag(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。
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| CN105743832A CN105743832A (zh) | 2016-07-06 |
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|---|
| Constant-envelope dual QPSK-like modulation and its generalised form for modern GNSS signals;Huang, Xinming等;《Electronics Letters》;20150122;第175-177页 |
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| CN105743832A (zh) | 2016-07-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 410073 Hunan province Changsha Kaifu District, Deya Road No. 109 Patentee after: National University of Defense Technology Address before: 410073 Hunan province Changsha Kaifu District, Deya Road No. 109 Patentee before: NATIONAL University OF DEFENSE TECHNOLOGY |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220701 Address after: 410000 block a, building 1, Changsha National Security Industrial Park, No. 699 Qingshan Road, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province Patentee after: Hunan Institute of advanced technology Address before: 410073 Hunan province Changsha Kaifu District, Deya Road No. 109 Patentee before: National University of Defense Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221129 Address after: Building 4, Hunan Military civilian Integration Science and Technology Innovation Industrial Park, No. 699, Qingshan Road, Changsha Hi tech Development Zone, 410000, Hunan Patentee after: Hunan Zhongdian Xinghe Electronics Co.,Ltd. Address before: 410000 block a, building 1, Changsha National Security Industrial Park, No. 699 Qingshan Road, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province Patentee before: Hunan Institute of advanced technology |
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| TR01 | Transfer of patent right |