CN105763501B - 一种四信号分量频谱正交重叠调制的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种四信号分量频谱正交重叠调制的方法及装置，包括子载波相位查找器、基带信号生成器和正交调制器，首先生成四路并行基带服务信号,然后通过给定的相位查找表获取四路基带服务信号及交调分量的子载波的相位参数；进而采用多电平量化的子载波函数实现正交频分调制，得到MC‑BOC调制的基带表达式；最后将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，形成正交调制到载波的服务信号。其调制方法，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，灵活性较好。而且MC‑BOC调制信号可以利用FFT进行解调，较为方便和快速。其调制装置，均不需要复杂的信号运算，结构简单可靠，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航及通信技术领域，特别是卫星导航通信一体化系统的信号调制方法和调制装置，更具体地是涉及四个二进制基带信号的正交频分调制方法和调制装置。
背景技术
随着以GPS、GLONASS、GALILEO、BDS等现代卫星导航系统的发展，用户定位精度不断提高，已经达到了厘米量级。另一方面，以Intelsat-9/10系列卫星、iPStar通信卫星、Inmarsat-4卫星、APSTAR-6卫星为代表的宽带卫星通信系统也不断发展，通信性能得到较大提升。显然，随着人们日益增大的定位和通信需求，卫星通信和导航一体化系统将是未来的发展趋势，也是业内今后研究的热点。
我国的北斗一号卫星导航系统是基于双星定位的区域卫星导航系统，属于典型的通信导航一体化系统，具有快速定位、高精度授时与短报文通信的功能，在我国未来全球卫星导航系统中是不可或缺的组成部分。传统的北斗一号RDSS入站信号为短突发信号，大容量入站时随着入站信号数量的增加，入站信号重叠概率增加，多址干扰加剧，限制了系统最大入站容量。提高扩频码速率可以进一步提高系统容量，同时能够提升接收信号的性能，但是由于卫星转发器带宽受限，无法提高扩频码速率。如何能够在有限的频带宽度内实现更高扩频码速率信号的传输将是未来通信导航一体化系统面临的难题。正交频分调制是当前普遍采用的有效利用频谱资源的调制方式，但是该调制方式面临高峰均比的问题，对发射机和传输信道要求较高。例如在北斗系统RDSS、站间时间同步/数据传输系统为代表的传统的通信导航一体化系统通常采用传统的CDMA体制中，采用北斗系统RDSS系统入站信号进行分析，传统的BPSK调制的码率为4.08MHz，BPSK调制在通信容量、测距性能、抗干扰性能、抗多径能力等方面的都有待于提高。所以针对有限频带内的信号设计难题，一种新型调制技术是迫切需要的。
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四信号分量频谱正交重叠调制的方法及装置，以有效利用频谱资源，提升信号的接收性能，并能保证信号包络恒定。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
一种四信号分量频谱正交重叠调制的方法，首先根据实际需要生成四路不相关的等功率二进制服务信号，四路基带服务信号可以是一路信号通过串并转换生成的四路基带信号，也可以是四路独立的基带信号。其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；经过多载波二进制偏移载波调制后的信号为s(t)。调制后信号分量s1(t)的中心频率比信号分量s3(t)的中心频率低fsc，信号分量s2(t)的中心频率比信号分量s1(t)的中心频率低fsc，信号分量s4(t)的中心频率比信号分量s2(t)的中心频率低fsc，fsc＞0，实现了频谱的重叠调制。
步骤S1：查表获取四路服务信号的子载波相位参数取值
为了实现服务信号的四路服务信号的正交频率调制的关系，采用多电平量化的复子载波形式的子载波进行频谱搬移。
四路不相关的等功率二进制服务信号实现频谱搬移对应的所需的多电平量化的子载波为k1(t)，k2(t)，k3(t)，k4(t)分别是各子载波在t时刻对应的相位参数，取值规则由下表定义，表中Tsc＝1/fsc是子载波周期，t mod Tsc是时间变量t对子载波周期Tsc取余数的结果。
表1信号分量的子载波相位参数取值
| t modulo Tsc | k1(t) | k2(t) | k3(t) | k4(t) |
| [0,Tsc/8) | 3 | 15 | 5 | 1 |
| [Tsc/8,2Tsc/8) | 5 | 9 | 11 | 15 |
| [2Tsc/8,3Tsc/8) | 7 | 3 | 1 | 13 |
| [3Tsc/8,4Tsc/8) | 9 | 13 | 7 | 11 |
| [4Tsc/8,5Tsc/8) | 11 | 7 | 13 | 9 |
| [5Tsc/8,6Tsc/8) | 13 | 1 | 3 | 7 |
| [6Tsc/8,7Tsc/8) | 15 | 11 | 9 | 5 |
| [7Tsc/8,Tsc] | 1 | 5 | 15 | 3 |
步骤S2：恒包络基带信号的表达式
采用上述得到的子载波相位参数，生成四路不相关的等功率二进制服务信号对应的多电平量化的子载波，可以得到多载波二进制偏移载波调制的基带信号的解析表达式如下：
加入交调信号分量，多载波二进制偏移载波调制的恒包络基带信号的解析表达式如下：
交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)定义为：
saI(t)＝s2(t)s3(t)s4(t),saQ(t)＝s1(t)s3(t)s4(t)
sbI(t)＝s1(t)s2(t)s4(t),sbQ(t)＝s1(t)s2(t)s3(t)
分别为交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)对应的子载波，相位参数k5(t)、k6(t)、k7(t)、k8(t)取值规则由下表定义，表中Tsc＝1/fsc是子载波周期，t mod Tsc是时间变量t对子载波周期Tsc取余数的结果。
表2交调分量的子载波相位参数取值
| t modulo Tsc/8 | k5(t) | k6(t) | k7(t) | k8(t) |
| [0,Tsc/8) | 15 | 11 | 9 | 5 |
| [Tsc/8,2Tsc/8) | 9 | 13 | 7 | 11 |
| [2Tsc/8,3Tsc/8) | 3 | 15 | 5 | 1 |
| [3Tsc/8,4Tsc/8) | 13 | 1 | 3 | 7 |
| [4Tsc/8,5Tsc/8) | 7 | 3 | 1 | 13 |
| [5Tsc/8,6Tsc/8) | 1 | 5 | 15 | 3 |
| [6Tsc/8,7Tsc/8) | 11 | 7 | 13 | 9 |
| [7Tsc/8,Tsc] | 5 | 9 | 11 | 15 |
步骤S3：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。
作为本发明的技术方案二，本发明提供一种四信号分量频谱正交重叠调制的装置，包括子载波相位查找器、基带信号生成器和正交调制器。
子载波相位查找器输入为时间变量t以及子载波周期Tsc，根据预存的相位查找表，输出对应的子载波的相位取值至基带信号生成器。子载波相位取值按照下述的相位查找表生成：
表3载波相位查找器对应的查找表
| t modulo Tsc/8 | k1(t) | k2(t) | k3(t) | k4(t) | k5(t) | k6(t) | k7(t) | k8(t) |
| [0,Tsc/8) | 3 | 15 | 5 | 1 | 15 | 11 | 9 | 5 |
| [Tsc/8,2Tsc/8) | 5 | 9 | 11 | 15 | 9 | 13 | 7 | 11 |
| [2Tsc/8,3Tsc/8) | 7 | 3 | 1 | 13 | 3 | 15 | 5 | 1 |
| [3Tsc/8,4Tsc/8) | 9 | 13 | 7 | 11 | 13 | 1 | 3 | 7 |
| [4Tsc/8,5Tsc/8) | 11 | 7 | 13 | 9 | 7 | 3 | 1 | 13 |
| [5Tsc/8,6Tsc/8) | 13 | 1 | 3 | 7 | 1 | 5 | 15 | 3 |
| [6Tsc/8,7Tsc/8) | 15 | 11 | 9 | 5 | 11 | 7 | 13 | 9 |
| [7Tsc/8,Tsc] | 1 | 5 | 15 | 3 | 5 | 9 | 11 | 15 |
基带信号生成器接收四路不相关的等功率二进制服务信号以及子载波相位查找器输出的8路多电平相位值，其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；
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，基带信号生成器将接收的四路服务信号、8路多电平相位值按照下述公式进行处理后，输出复信号的实部信号以及复信号的虚部信号：
交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)表示为：
saI(t)＝s2(t)s3(t)s4(t),saQ(t)＝s1(t)s3(t)s4(t)
sbI(t)＝s1(t)s2(t)s4(t),sbQ(t)＝s1(t)s2(t)s3(t)
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多载波二进制偏移载波调制信号。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。其中，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，将接收的四路服务信号处理后，输出复信号的实部信号以及复信号的虚部信号。
作为本发明的技术方案三，本发明还提供一种四信号分量频谱正交重叠调制的装置，包括基带信号相位查找器，基带信号生成器和正交调制器。
基带信号相位查找器输入为四个并行的不相关等功率的二进制的子载波基带信号。相位查找器根据四路并行的子载波基带信号取值，输出对应相位取值。相位查找器输出相位值作为基带信号生成器输入，基带信号生成器将相位值进行复指数调制，生成一路复信号，输出复信号传至正交调制器。
基带信号相位查找器的输入是时间变量t，四路二进制扩频信号s1(t)、s2(t)、s3(t)、s4(t)，以及单位扩频码时隙Tsc，输出是相位查找值θ(t)。
θ(t)由基带信号相位查找表中Θ1(t)和Θ2(t)决定：
1)相位查找表中获取Θ1(t)和Θ2(t)，查找表如下所示。
表4基带信号相位查找表
上表是一个二维查找结构，t mod Tsc是时间变量t对Tsc取余数的结果，前四行表示四路二进制扩频信号的十六种取值组合，后8行为二进制扩频信号取值组合对应两个相位查找表，每个查找表第一列四行表示t mod Tsc的四种可能的取值区间。
2)计算给定时间变量t的相位参数θ(t)
在计算给定时间变量t的相位参数θ(t)时，需要交替时隙分别从Θ1(t)和Θ2(t)中根据t mod Tsc位于哪个取值区间确定后四行中的行位置，再根据t时刻的四路二进制扩频信号取值，确定位于后十六列中的列位置，从而唯一确定该时刻相位参数θ(t)的取值。
根据查找表4中Θ1(t)、Θ2(t)和时间变量t，按下式计算相位参数θ(t):
其中n为自然数取值，具体为0,1 2,3……
将相位参数θ(t)进行复指数调制，得到s(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：
本发明提供的调制方法，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，灵活性较好。而且MC-BOC调制信号可以利用FFT进行解调，较为方便和快速。
本发明提供的的调制装置，均不需要复杂的信号运算，结构简单可靠，易于实现。
附图说明
图1是本发明技术提供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调制装置的结构示意图；
图3是本发明技术方案三提供的调制装置的结构示意图；
图4是MC-BOC调制信号与四路并行信号的功率谱比较。
图5是MC-BOC调制信号时域星座图。
具体实施方式
下面将以北斗系统RDSS入站信号为实施例，参考附图详细描述本发明的应用于导航通信一体化系统的新型调制技术——多载波二进制偏移载波调制(MC-BOC调制)。
图1是本发明技术方案一提供的一种四信号分量频谱正交重叠调制的方法的原理流程示意图，该方法包含四个步骤：
步骤S1：生成四路并行基带服务信号,四路基带服务信号可以是一路信号通过串并转换生成的四路基带信号，也可以是四路独立的基带信号。其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；经过MC-BOC调制后的信号为s(t)。调制后信号分量s1(t)的中心频率比信号分量s3(t)的中心频率低fsc，信号分量s2(t)的中心频率比信号分量s1(t)的中心频率低fsc，信号分量s4(t)的中心频率比信号分量s2(t)的中心频率低fsc，fsc＞0，实现了频谱的重叠调制。
步骤S2：通过给定的相位查找表获取四路基带服务信号及交调分量的子载波的相位参数k1(t)，k2(t)，k3(t)，k4(t)、k5(t)、k6(t)、k7(t)、k8(t)；
步骤S3：采用多电平量化的子载波函数实现正交频分调制，得到MC-BOC调制的基带表达式；
步骤S4：将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四信号分量频谱正交重叠调制的装置的结构示意图，包括子载波取值查找器、基带信号生成器和正交调制器。子载波相位查找器根据给定的相位查找表获取信号分量及交调分量的子载波的相位参数k1(t)，k2(t)，k3(t)，k4(t)、k5(t)、k6(t)、k7(t)、k8(t)输入到基带信号生成器中，基带信号生成器将接收的四路不相关的等功率二进制服务信号合成一路复信号。基带信号生成器输出是恒包络基带信号的实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t)。输出复信号的实部信号以及复信号的虚部信号输入至正交调制器，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是本发明技术方案三中提供的一种四信号分量频谱正交重叠调制的装置的结构示意图，包括基带信号相位查找器、基带信号生成器和正交调制器。基带信号相位查找器根据4路并行信号取值组合，从表中找出对应的相位值。值得注意的是两个查找表需要交替时隙查找。基带信号生成器主要完成复指数调制过程。基带信号生成器输入是时间变量t，四路二进制扩频信号以及时隙Tsc，生成恒包络基带信号s(t)，输出是实部信号Real(t)和虚部信号Imag(t)，该模块输出送入正交调制器。
图4是将基带MC-BOC调制信号和其中的4路并行信号分量在频域上进行功率谱仿真。四路二进制扩频信号的信号带宽为1.632MHz，载波频率为15MHz。从图中可以看出，4路信号实现正交特性，验证MC-BOC调制原理的正确性。
图5是利用图2或者图3的具体实施例得到的基带复信号的星座图，其中图的横轴是基带复信号的实部信号，图的纵轴是基带复信号的虚部信号。从图3可知基带复信号的包络恒定，满足了恒定包络条件，星座图起始相位从π/8开始，每两个相邻的星座点之间相隔π/4。
将本发明的双正交相移键控基带复信号生成式乘以模为1的任意常数，将星座图旋转固定的相位角度，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 (4)
1.一种四信号分量频谱正交重叠调制的方法，其特征在于：包括以下步骤：
已知四路不相关的等功率二进制服务信号，其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；
步骤S1：查表获取四路服务信号的子载波相位参数取值
四路不相关的等功率二进制服务信号实现频谱搬移所需的多电平量化的子载波为及其中的k1(t)，k2(t)，k3(t)，k4(t)分别是各子载波在t时刻对应的相位参数，取值规则由表1定义，表中Tsc＝1/fsc是子载波周期，t mod Tsc是时间变量t对子载波周期Tsc取余数的结果；
表1信号分量的子载波寻址函数取值
步骤S2：恒包络基带信号的表达式
采用步骤S1得到的子载波相位参数，生成四路不相关的等功率二进制服务信号对应的多电平量化的子载波，可以得到多载波二进制偏移载波调制的基带信号的解析表达式如下：
加入交调信号分量，多载波二进制偏移载波调制的恒包络基带信号的解析表达式如下：
交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)定义为：
saI(t)＝s2(t)s3(t)s4(t),saQ(t)＝s1(t)s3(t)s4(t)
sbI(t)＝s1(t)s2(t)s4(t),sbQ(t)＝s1(t)s2(t)s3(t)
分别为交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)对应的子载波，相位参数k5(t)、k6(t)、k7(t)、k8(t)取值规则由表2定义，表中Tsc＝1/fsc是子载波周期，t mod Tsc是时间变量t对子载波周期Tsc取余数的结果；
表2交调分量的子载波相位参数取值
步骤S3：将恒包络基带信号正交调制到载波
将步骤S2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.根据权利要求1所述的四信号分量频谱正交重叠调制的方法，其特征在于：所述四路不相关的等功率二进制服务信号是由一路信号通过串并转换生成的四路基带信号，或者是四路独立的基带信号。
3.一种四信号分量频谱正交重叠调制的装置，其特征在于：包括子载波相位查找器、基带信号生成器和正交调制器；
子载波相位查找器输入为时间变量t以及子载波周期Tsc，根据预存的相位查找表，输出对应的子载波的相位取值至基带信号生成器；
所述子载波的相位取值按照表3生成：
表3载波相位查找器对应的查找表
基带信号生成器接收四路不相关的等功率二进制服务信号以及子载波相位查找器输出的8路多电平相位值，其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；
基带信号生成器将接收的四路不相关的等功率二进制服务信号、8路多电平相位值按照下述公式进行处理后，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：
交调信号分量saI(t)、saQ(t)、sbI(t)、sbQ(t)表示为：
saI(t)＝s2(t)s3(t)s4(t),saQ(t)＝s1(t)s3(t)s4(t)
sbI(t)＝s1(t)s2(t)s4(t),sbQ(t)＝s1(t)s2(t)s3(t)
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多载波二进制偏移载波调制信号。
4.一种四信号分量频谱正交重叠调制的装置，其特征在于：包括基带信号相位查找器，基带信号生成器和正交调制器；
基带信号相位查找器的输入是时间变量t，四路不相关的等功率二进制服务信号以及单位扩频码时隙Tsc，基带信号相位查找器的输出是相位查找值θ(t)；其中s1(t)表示在t时刻第一路服务信号的幅值，s2(t)表示在t时刻第二路服务信号的幅值，s3(t)表示在t时刻第三路服务信号的幅值，s4(t)表示在t时刻第四路服务信号的幅值，四路服务信号的幅值取值为+1或－1；
相位查找值θ(t)由基带信号相位查找表中Θ1(t)和Θ2(t)决定：
1)相位查找表中获取Θ1(t)和Θ2(t)，相位查找表如表4所示：
表4基带信号相位查找表
上表是一个二维查找结构，t mod Tsc是时间变量t对Tsc取余数的结果，前四行表示四路二进制扩频信号的十六种取值组合，后8行为二进制扩频信号取值组合对应两个相位查找表，每个查找表第一列四行表示t mod Tsc的四种可能的取值区间；
2)计算给定时间变量t的相位参数θ(t)
在计算给定时间变量t的相位参数θ(t)时，需要交替时隙分别从Θ1(t)和Θ2(t)中根据t mod Tsc位于哪个取值区间确定后四行中的行位置，再根据t时刻的四路二进制扩频信号取值，确定位于后十六列中的列位置，从而唯一确定该时刻相位参数θ(t)的取值；
根据查找表中Θ1(t)、Θ2(t)和时间变量t，按下式计算相位参数θ(t):
其中n为自然数取值；
将相位参数θ(t)进行复指数调制，得到SM(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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| 现代卫星导航信号恒包络发射与抗多径接收技术研究;张锴;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑 （月刊）》;20160115;全文 * |
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