CN105812304A - 一种非等中心频点相移键控信号的调制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种非等中心频点相移键控信号的调制方法和装置，该方法首先根据两对服务信号的功率比计算交调参数b，然后计算交调参数a，再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。该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非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK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。本发明将不同频点的一路QPSK服务信号与两路BPSK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

一种非等中心频点相移键控信号的调制方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星通信或卫星导航技术领域，特别是卫星通信或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非等中心频点的一路QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控)服务信号与两路BPSK(BinaryPhaseShiftKeying，二进制相移键控)服务信号的调制方法和调制装置。

背景技术

GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，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。卫星通信系统一般也由卫星段、控制段与地面段组成。卫星转发器转发的服务信号质量及地面控制段发射的服务信号质量均会影响地面段接收机的接收质量。

卫星段的GNSS卫星以及卫星通信系统中的卫星转发器和地面大功率功放均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。

在初始应用时，一般采用QPSK调制即可满足要求。以GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位系统)的C/A码和P(Y)码为代表的早期GNSS服务信号在一个频点仅有两个扩频码(即对应于两个服务信号)，采用简单的QPSK调制即可实现两个服务信号的恒包络复用。随着系统服务需求的拓展和信号设计技术的发展，需要在有限的导航频率资源内发射更多的服务信号，增加了恒包络复用的难度。

不同的系统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。例如北斗系统在1268.52MHz的B3频点开发了DualQPSK(DualQuadraturePhaseShiftKeying，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。DualQPSK调制提出的目的则是将一个新的QPSK服务信号与已有QPSK服务信号进行恒包络复用，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。为了解决两个QPSK服务信号非等功率及非等中心频点发射的问题，北斗系统又提出了广义DualQPSK调制及其非等中心频率推广等一系列调制方法。但仍存在这样的需求，即在原来的QPSK服务信号两端，需要充分利用频谱资源，发射两个BPSK服务信号。对于这种需求，DualQPSK调制及其推广无法满足需求，需要寻找新的调制方法。

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中心频点相移键控信号的调制方法和装置，将不同频点的一路QPSK服务信号与两路BPSK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，

一种非等中心频点相移键控信号的调制方法，包括以下步骤：

已知一路QPSK服务信号与两路BPSK信号，一路QPSK服务信号由两路二进制扩频信号组成，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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号互不相关。QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比为1:p²,p＞0，p为功率参数。第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上。

步骤S1：根据QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比计算交调参数b。

利用下式计算中间变量c和d：

$c=-9p^2+9p^4+\sqrt{3}\·\sqrt{27p^4+632p^6+27p^8}$

$d=1-28{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2+4{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}$

再根据如下三种情况之一计算交调参数b:

第一种情况：当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}+\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第二种情况：当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}-\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第三种情况：当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{3+2\sqrt{17}}$

步骤S2：计算交调参数a。

根据交调参数b和功率参数p，按下式计算交调参数a:

$a=\frac{b-1}{b+1}\·p$

步骤S3：生成恒包络基带信号。

根据交调参数b，a和功率参数p，按下式计算恒包络基带信号S_U(t)：

$\begin{array}{c}{S}_U\left(t\right)=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\\ \·\left(\begin{array}{c}\left(S_1\right(t)+{\mathrm{jS}}_2(t\left)\right)+p\·\left(S_3\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\right)+S_4\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\right)\right)\\ -b\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\right(t)-j{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}(t\left)\right)\\ +a\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\right)-{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\right)\right){\mathrm{SC}}_2\left(t\right)\end{array}\right)\end{array}$

其中是按下式计算的t时刻四个交调分量的取值：

${\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right)=S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

${\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

其中，SC₁(t)和SC₂(t)定义为子载波信号，其功能是实现基带信号的非等中心频率调制。SC₁(t)和SC₂(t)在t时刻的取值由下表定义，表中T_sc＝1/f_sc是子载波周期，tmodT_sc是时间变量t对子载波周期T_sc取余数的结果。

表1子载波取值规则

表中第一行的后四列表示tmodT_sc四个可能的取值区间，SC₁(t)和SC₂(t)根据tmodT_sc落在哪个区间来确定取值，例如tmodT_sc的取值是3T_sc/8，则SC₁(t)和SC₂(t)应取第三列的取值，分别是和-1。

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。

本发明的技术方案二提供一种非等中心频点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非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK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，QPSK服务信号与两路BPSK服务信号的功率参数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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号分量互不相关。QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比为1:p²(p＞0)，p为功率参数。第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上。

所述基带信号生成器包括交调参数b计算模块、交调参数a计算模块、恒包络基带信号计算模块。

交调参数b计算模块的输入是功率参数p。该模块的逻辑功能是：

先按下式计算中间变量c和d：

$c=-9p^2+9p^4+\sqrt{3}\·\sqrt{27p^4+632p^6+27p^8}$

$d=1-28{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2+4{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}$

再根据如下三种情况计算交调参数b：

第一种情况若按下式计算交调参数b:

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}+\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第二种情况若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}-\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第三种情况若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{3+2\sqrt{17}}$

交调参数b计算模块的输出是交调参数b，输出给交调参数a计算模块。

交调参数a计算模块的输入是功率参数p和交调参数b，按下式计算出交调参数a，并输出给恒包络基带信号计算模块：

$a=\frac{b-1}{b+1}\·p$

恒包络基带信号计算模块的输入是功率参数p，交调参数a和b，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：

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\\ \·\left(\begin{array}{c}\left(S_1\right(t)+{\mathrm{jS}}_2(t\left)\right)+p\·\left(S_3\right(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right))+S_4(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\left)\right)\\ -b\•\left({\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\right(t)-j{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}(t\left)\right)\\ +a\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\right(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right))-{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1\left(t-T_{sc}/4\right)\right)\left){\mathrm{SC}}_2\right(t)\end{array}\right)\end{array}$

其中是按下式计算的t时刻四个交调分量的取值：

${\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right)=S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

${\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

SC₁(t)和SC₂(t)是在t时刻的子载波信号的取值，取值规则由下表定义，表中T_sc＝1/f_sc是子载波周期，tmodT_sc是时间变量t对子载波周期T_sc取余数的结果。

表1子载波取值规则

表中第一行的后四列表示tmodT_sc四个可能的取值区间，SC₁(t)和SC₂(t)根据tmodT_sc落在哪个区间来确定取值，例如tmodT_sc的取值是3T_sc/8，则SC₁(t)和SC₂(t)应取第三列的取值，分别是和-1。

本发明的技术方案三提供一种非等中心频点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非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK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，QPSK服务信号与两路BPSK服务信号的功率参数p，两个QPSK服务信号的中心频率参数f_sc。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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号分量互不相关。QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比为1:p²(p＞0)，p为功率参数。第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上。基带信号生成器包括交调参数b计算模块、交调参数a计算模块、相位参数计算模块、恒包络基带信号计算模块。

交调参数b计算模块的输入是功率参数p。该模块的逻辑功能是：

先按下式计算中间变量c和d：

$c=-9p^2+9p^4+\sqrt{3}\·\sqrt{27p^4+632p^6+27p^8}$

$d=1-28{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2+4{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}$

再根据如下三种情况计算交调参数b：

第一种情况若按下式计算交调参数b:

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}+\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第二种情况若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}-\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

第三种情况若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{3+2\sqrt{17}}$

交调参数b计算模块的输出是交调参数b，输出给交调参数a计算模块和相位参数计算模块。

交调参数a计算模块的输入是功率参数p和交调参数b，按下式计算出交调参数a，并输出给相位参数计算模块：

$a=\frac{b-1}{b+1}\·p$

相位参数计算模块的输入是功率参数p，交调参数a和b，该模块的逻辑功能是计算变量S′的16个相位角，变量S′的计算公式如下：

$S^{\′}=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\·(S_1^{\′}+e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{4}}{S}_2^{\′}+{\mathrm{pe}}^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}{S}_3^{\′}+{\mathrm{pe}}^{j\frac{3\mathrm{\π}}{4}}{S}_4^{\′}+{\mathrm{IM}}^{\′})$

其中IM′按下式计算：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IM}}^{\′}={\mathrm{ae}}^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}{S}_1^{\′}\·S_2^{\′}\·S_3^{\′}*-{\mathrm{ae}}^{j\frac{3\mathrm{\π}}{4}}{S}_1^{\′}\·S_2^{\′}\·S_4^{\′}\\ +{\mathrm{bS}}_1^{\′}\·S_3^{\′}\·S_4^{\′}-{\mathrm{be}}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{4}}{S}_2^{\′}\·S_3^{\′}\·S_4^{\′}\end{array}$

计算S′时，变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄的取值均为﹢1或-1，根据变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄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个相位参数θ₀～θ₁₅，如下表所示。

表2相位参数查找表

S′1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	1	1	1	1	1	1	1	1
																	S′2	-1	-1	-1	-1	1	1	1	1	-1	-1	-1	-1	1	1	1	1
S′3	-1	-1	1	1	-1	-1	1	1	-1	-1	1	1	-1	-1	1	1
																	S′4	-1	1	-1	1	-1	1	-1	1	-1	1	-1	1	-1	1	-1	1
Arg(S′)	θ0	θ1	θ2	θ3	θ4	θ5	θ6	θ7	θ8	θ9	θ10	θ11	θ12	θ13	θ14	θ15

表中前四行是变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄的取值组合，第五行是对应变量S′的相位角，也即十六个相位参数。相位参数θ₀～θ₁₅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时间变量t，四路二进制扩频信号S₁(t)、S₂(t)、S₃(t)、S₄(t)，中心频率参数f_sc，以及相位参数θ₀～θ₁₅，输出是恒包络基带信号S(t)。恒包络基带信号计算模块的逻辑功能是：计算子载波周期T_sc＝1/f_sc，根据输入按下表计算相位调制信号

表3相位查找表

上表是一个二维查找结构，tmodT_sc是时间变量t对T_sc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，第一列后四行表示tmodT_sc的四种可能的取值区间。计算给定时间变量t的相位调制信号时，可先根据tmodT_sc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的取值。将相位调制信号进行复指数调制得到S(t)，即将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：

将具备任意功率比的一路QPSK服务信号与两路BPSK服务信号合成为一路恒包络信号进行发射，其中第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上。该方案使得在一个QPSK服务信号基础上扩充2个新的不同中心频点的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：

${\mathrm{\η}}_2=\frac{1+0.8105p^2}{1+p^2+b^2+a^2}$

本发明提供的一种非等功率非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK服务信号的调制方法，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非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK服务信号的调制装置，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个新的不同中心频点的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是本发明提供的一种非等中心频点相移键控信号的调制方法的原理流程示意图；

图2是本发明提供的一种非等中心频点相移键控信号的调制装置的原理结构示意图；

图3是本发明技术方案二中的基带信号生成器的原理结构示意图；

图4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中心频点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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号分量互不相关。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是本发明提供的一种非等中心频点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：生成恒包络基带信号。

步骤S4：将恒包络基带信号正交调制到载波。

图2是本发明提供的一种非等中心频点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，包括一路QPSK信号与两路BPSK信号以及服务信号的功率参数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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号分量互不相关。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4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QPSK服务信号与两路BPSK服务信号的功率比，图的纵轴是复用效率。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 (7)

1.一种非等中心频点相移键控信号的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

已知一路QPSK服务信号与两路BPSK信号，一路QPSK服务信号由两路二进制扩频信号组成，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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号互不相关；QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比为1:p²,p＞0，p为功率参数；第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上；

步骤S1：根据QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比计算交调参数b

利用下式计算中间变量c和d：

$c=-9p^2+9p^4+\sqrt{3}\·\sqrt{27p^4+632p^6+27p^8}$

$d=1-28{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2+4{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}$

再计算交调参数b:

当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}+\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}-\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

当时，交调参数b的计算公式如下：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{3+2\sqrt{17}}$

步骤S2：计算交调参数a；

根据交调参数b和功率参数p，按下式计算交调参数a:

$a=\frac{b-1}{b+1}\·p$

步骤S3：生成恒包络基带信号

根据交调参数b，a和功率参数p，按下式计算恒包络基带信号S_U(t)：

$\begin{array}{c}{S}_U\left(t\right)=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\\ \·\left(\begin{array}{c}\left(S_1\right(t)+{\mathrm{jS}}_2(t\left)\right)+p\·\left(S_3\right(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))+S_4(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4)\left)\right)\\ -b\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\right(t)-j{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right))\\ +a\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\right(t)\left({\mathrm{SC}}_1\right(t)-{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))-{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\right(t)+{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))){\mathrm{SC}}_2\left(t\right)\end{array}\right)\end{array}$

其中是按下式计算的t时刻四个交调分量的取值：

${\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right)=S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

${\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

其中，SC₁(t)和SC₂(t)定义为子载波信号，SC₁(t)和SC₂(t)在t时刻的取值由下表定义，表中T_sc＝1/f_sc是子载波周期，tmodT_sc是时间变量t对子载波周期T_sc取余数的结果；

表中第一行的后四列表示tmodT_sc四个可能的取值区间，SC₁(t)和SC₂(t)根据tmodT_sc的取值所在区间来确定取值；

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。

2.一种非等中心频点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、正交调制器；其中，基带信号生成器将非等功率非等中心频点的一路QPSK与两路BPSK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。

3.根据权利要求2所述的非等中心频点相移键控信号的调制装置，其特征在于：基带信号生成器接收时间变量t，四路二进制扩频信号，QPSK服务信号与两路BPSK服务信号的功率参数p，两个QPSK服务信号的中心频率参数f_sc；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时刻第一路BPSK信号的幅值，S₄(t)是在t时刻第二路BPSK信号的幅值，四路信号的幅值取值均为+1或－1，并且四路信号互不相关；QPSK服务信号与BPSK服务信号的功率比为1:p²(p＞0)，p为功率参数；第一路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率低f_sc，f_sc＞0，第二路BPSK服务信号的中心频率比QPSK服务信号的中心频率高f_sc，并且要将两个BPSK服务信号调制到QPSK服务信号的载波上。

4.根据权利要求3所述的非等中心频点相移键控信号的调制装置，其特征在于：所述基带信号生成器包括交调参数b计算模块、交调参数a计算模块和恒包络基带信号计算模块；

交调参数b计算模块的输入是功率参数p，交调参数b计算模块先根据功率参数p计算中间变量c和d，然后根据功率参数p、中间变量c和d计算交调参数b，交调参数b计算模块将计算出的交调参数b输出给交调参数a计算模块，交调参数a计算模块的输入是功率参数p和交调参数b，根据输入计算出交调参数a，并输出给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功率参数p，交调参数a和b，根据输入计算恒包络基带信号S(t)，其中恒包络基带信号S(t)，计算公式如下：

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\\ \·\left(\begin{array}{c}\left(S_1\right(t)+{\mathrm{jS}}_2(t\left)\right)+p\·\left(S_3\right(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)-{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))+S_4(t\left)\right({\mathrm{SC}}_1\left(t\right)+{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4)\left)\right)\\ -b\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\right(t)-j{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right))\\ +a\·\left({\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\right(t)\left({\mathrm{SC}}_1\right(t)-{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))-{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)\left({\mathrm{SC}}_1\right(t)+{\mathrm{jSC}}_1(t-T_{sc}/4))){\mathrm{SC}}_2\left(t\right)\end{array}\right)\end{array}$

其中是按下式计算的t时刻四个交调分量的取值：

${\stackrel{\‾}{e}}_{aI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{aQ}\left(t\right)=S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

${\stackrel{\‾}{e}}_{bI}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_3\left(t\right),{\stackrel{\‾}{e}}_{bQ}\left(t\right)=S_1\left(t\right)\·S_2\left(t\right)\·S_4\left(t\right)$

SC₁(t)和SC₂(t)是在t时刻的子载波信号的取值，取值规则由下表定义，表中T_sc＝1/f_sc是子载波周期，tmodT_sc是时间变量t对子载波周期T_sc取余数的结果；

表中第一行的后四列表示tmodT_sc四个可能的取值区间，SC₁(t)和SC₂(t)根据tmodT_sc的取值所在区间来确定取值。

5.根据权利要求3所述的非等中心频点相移键控信号的调制装置，其特征在于：所述基带信号生成器包括交调参数b计算模块、交调参数a计算模块、相位参数计算模块、恒包络基带信号计算模块；

交调参数b计算模块的输入是功率参数p，交调参数b计算模块先根据功率参数p计算中间变量c和d，然后根据功率参数p、中间变量c和d计算交调参数b，交调参数b计算模块将计算出的交调参数b输出给交调参数a计算模块和相位参数计算模块；

交调参数a计算模块的输入是功率参数p和交调参数b，根据功率参数p和交调参数b计算出交调参数a，并输出给相位参数计算模块；

相位参数计算模块的输入是功率参数p，交调参数a和b，根据输入计算变量S′的16个相位角，变量S′的计算公式如下：

$S^{\′}=\left(\frac{1}{\sqrt{2+2p^2+2b^2+2a^2}}\right)\·(S_1^{\′}+e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{4}}{S}_2^{\′}+{\mathrm{pe}}^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}{S}_3^{\′}+{\mathrm{pe}}^{j\frac{3\mathrm{\π}}{4}}{S}_4^{\′}+{\mathrm{IM}}^{\′})$

其中IM′按下式计算：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IM}}^{\′}={\mathrm{ae}}^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}}{S}_1^{\′}\·S_2^{\′}\·S_3^{\′}-{\mathrm{ae}}^{j\frac{3\mathrm{\π}}{4}}{S}_1^{\′}\·S_2^{\′}\·S_4^{\′}\\ +{\mathrm{bS}}_1^{\′}\·S_3^{\′}\·S_4^{\′}-{\mathrm{be}}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{4}}{S}_2^{\′}\·S_3^{\′}\·S_4^{\′}\end{array}$

计算S′时，变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄的取值均为﹢1或-1，根据变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄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个相位参数θ₀～θ₁₅，如下表所示：

S′₁ -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 S′₂ -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 S′₃ -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 S′₄ -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 Arg(S′) θ₀ θ₁ θ₂ θ₃ θ₄ θ₅ θ₆ θ₇ θ₈ θ₉ θ₁₀ θ₁₁ θ₁₂ θ₁₃ θ₁₄ θ₁₅

表中前四行是变量S′₁、S′₂、S′₃、S′₄的取值组合，第五行是对应变量S′的相位角，也即十六个相位参数；相位参数计算模块将相位参数θ₀～θ₁₅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时间变量t，四路二进制扩频信号，中心频率参数f_sc，以及相位参数θ₀～θ₁₅，输出是恒包络基带信号S(t)；恒包络基带信号计算模块计算子载波周期T_sc＝1/f_sc，并根据输入按下表计算相位调制信号

上表是一个二维查找结构，tmodT_sc是时间变量t对T_sc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，第一列后四行表示tmodT_sc的四种可能的取值区间；计算给定时间变量t的相位调制信号时，先根据tmodT_sc所在的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的取值；将相位调制信号进行复指数调制得到S(t)，即

恒包络基带信号计算模块将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。

6.根据权利要求4或5所述的非等中心频点相移键控信号的调制装置，其特征在于：

交调参数b计算模块计算交调参数b的过程是：

先按下式计算中间变量c和d：

$c=-9p^2+9p^4+\sqrt{3}\·\sqrt{27p^4+632p^6+27p^8}$

$d=1-28{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2+4{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}$

再根据如下三种情况计算交调参数b：

若按下式计算交调参数b:

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}+\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\sqrt{d}+\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{2}+7{\left(\frac{4}{3c}\right)}^{1/3}\·p^2-{\left(\frac{2c}{9}\right)}^{1/3}-\frac{1-16p^2}{2\sqrt{d}}}$

若按下式计算交调参数b：

$b=-\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\sqrt{3+2\sqrt{17}}.$

7.根据权利要求6所述的非等中心频点相移键控信号的调制装置，其特征在于：交调参数a计算模块按下式计算交调参数a

$a=\frac{b-1}{b+1}\·p.$