CN106452501B - 实虚交错四相序列的构建及msk/gmsk同步方法及扩频系统 - Google Patents

实虚交错四相序列的构建及msk/gmsk同步方法及扩频系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实虚交错四相序列及序列集的构建及MSK/GMSK同步方法及FBMC‑OQAM扩频系统，根据自相关性好的二元序列构建实虚交错四相序列及序列集；可以由任意二元序列生成实虚交错四相序列，生成的实虚交错四相序列的周期为原二元序列周期的两倍，最大非平凡自相关函数是原二元序列最大非平凡自相关函数值的两倍；利用基于上述构建方法所获得的实虚交错四相序列及序列集，实现MSK/GMSK信号的同步，将最优四相序列运用于MSK/GMSK调制，获得具有优异自相关特性的MSK/GMSK信号，可用于同步和信道估计；还可将构建的实虚交错四相序列及序列集作为扩频码用于扩频，达到降低FBMC信号峰均功率比的目的，提高信号传输速率，获得具有优良自相关特性的FBMC‑OQAM信号。

Description

实虚交错四相序列的构建及MSK/GMSK同步方法及扩频系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种实虚交错四相序列及序列集的构建及MSK/GMSK同步方法及FBMC-OQAM扩频系统及 FBMC-OQAM同步信号生成方法。
背景技术
具有良好随机性和接近于白噪声相关特性的伪随机序列在通信系统和密码系统等领域有着广泛的应用；伪随机序列中的四相序列倍受青睐，关于四相最优自相关序列最受关注。现有的四相序列和四相序列集的研究都是基于一般四相序列，对于实虚交错四相序列的研究并不充分。
在现有的特殊通信系统中，GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying，高斯最小频移键控)信号是在生成MSK(Minimum Shift Keying，最小频移键控)信号之前经过了高斯低通滤波器的预调制以有效抑制带外辐射。
现有的一种对GMSK信号自适应解调方法是首先对接收到的I、Q信号进行翻转处理，对翻转后的信号采用滑动相关的方法进行信道估计，根据信道估计值进行时延同步，确定时间提前量，并根据信道参数的能量和确定信道的类型，当最大相关位置上的信道参数的能量与最大的能量和之比Eratio超过一定阈值的时候，采用零均衡方法进行解调，同时输出软判决值；当Eratio小于一定阈值时，采用均衡解调方法进行解调；该方法未消除频偏和初始相位造成的干扰。
另有一种GMSK信号接收方法是首先在发送端进行GMSK调制之前对原始信息进行“预编码”，针对发送端发送的双Chirp信号进行预编码，在接收端估计频差和时延，然后再校正大频差的基础上，采用最小二乘法进行信道冲击响应估计，最后根据信道冲击响应校正信号中的残余频差和相偏；其计算程度复杂，且需设置多个门限值，对能量强度变化敏感，不利于工程实际使用；
综上，现有的相关同步方法的缺陷在于未消除频偏和初始相位造成的干扰，同步度量对能量强度变化敏感，不利于工程实践。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种实虚交错四相序列及序列集的构建及MSK/GMSK同步方法及FBMC-OQAM扩频系统，其目的在于构建具有最优自相关特性的实虚交错序列及序列集，并利用其自相关特性在通信系统实现可靠同步。
实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实虚交错四相序列的构建方法，包括如下步骤：
(1)构建周期为N的二元序列集a＝a0,a1,...,aN-1；序列a的自相关函数为Ra；
(2)根据上述二元序列构建实虚交错序列或实虚交错序列
其中，I[·]表示交织，表示对二元序列a进行循环左移位；j为虚单位；
实虚交错序列d、e的自相关函数具有以下特性：
优选地，上述构建方法，
当a＝a0,a1,...,aN-1
构建获得的实虚交错四相序列d＝a0,jb0,a1,jb1,...,aN-1,ja0,...,aN-2,jaN-1； e＝a0,-jb0,a1,-jb1,...,aN-1,-ja0,...,aN-2,-jaN-1。
优选地，上述构建方法，采用两值自相关函数作为二元序列，以构造获得具有最优自相关特性的实虚交错四相序列。
优选地，上述构建方法，采用m序列、GMW序列或bent序列作为二元序列。
为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种实虚交错四相序列集的构建方法，包括如下步骤：
(1)构建二元序列集av的自相关函数为
(2)根据上述二元序列集构建实虚交错序列集或实虚交错序列集
实虚交错序列集dv、ev的自相关函数具有以下特性：
实虚交错序列集dv、ev的互相关函数具有以下特性：
其中，λ，v是指序列编号；
其中I[·]表示交织；表示对a进行循环左移j为虚单位；
优选地，上述构建方法，采用Kasami序列小集合作为二元序列，以构建出达到Welch界的的实虚交错四相序列集合。
优选地，上述构建方法，其特征在于，其构建获得的所述实虚交错四相序列可用于FBMC-OQAM扩频通信，以降低FBMC(Filter Bank Bulticarrier，滤波器组多载波调制)信号峰均功率比；获得具有优良自相关特性的FBMC-OQAM扩频信号。
为实现本发明目的，按照本发明的又一个方面，提供了一种 FBMC-OQAM扩频系统，该系统采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集进行FBMC-OQAM扩频；其系统包括依次相连的扩频单元、上采样单元、滤波单元、调制单元和载波叠加单元；
其中，扩频单元用于采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集对 OQAM信号xn进行扩频；上采样单元用于对扩频生成的信号进行上采样；滤波单元用于对上采样获得的信号进行滤波处理；调制单元用于将滤波获得的信号调制到各载波上；载波叠加单元用于将调制后的所有载波进行叠加生成发送信号s(k)；
信号经过实虚交错序列扩频后具有与传统FBMC-OQAM信号相同的实虚交错结构；但获得的发送信号s(k)具有良好的自相关特性，该信号可用于FBMC-OQAM信号的同步。
为实现本发明目的，按照本发明的又一个方面，提供了一种生成 FBMC-OQAM同步信号的方法，具体包括如下步骤：
(i)发送一个比特OQAM符号作为训练序列，采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集对训练序列进行扩频；
(ii)对扩频生成的信号进行上采样，获得采样信号；
(iii)对所述采样信号进行滤波处理；
(iv)将滤波获得的信号调制到各载波上，并将调制后的所有载波进行叠加生成FBMC-OQAM同步信号。
为实现本发明目的，按照本发明的又一个方面，提供了一种基于上述实虚交错四相序列进行MSK/GMSK信号同步的方法，包括如下步骤：
(1)在发送端，采用上述实虚交错四相序列作为训练序列；将训练序列经过滤波器进行卷积滤波处理，获得具有非常好的自相关特性的 MSK/GSMK基带信号；
(2)将上述MSK/GMSK基带信号调制到载波上发送；
(3)在接收端，将接收到的信号从载波上解调成基带信号；
(4)对上述基带信号进行匹配滤波处理；
(5)对滤波处理后的信号进行下采样；
(6)对下采样获得的采样信号与上述实虚交错四相序列做相关运算；获得的信号用于MSK/GMSK信号同步。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明所提供的实虚交错四相序列及序列集的构建方法，采用具有两值自相关特性的二元序列(如m序列，GMW序列)生成最优实虚交错四相序列；采用Gold序列或Kasami序列小集合生成的实虚交错四相序列的周期是原二元序列的两倍，最大非平凡自相关函数和最大互相关函数值是原二元序列的两倍，其中Kasami序列小集合构造的实虚交错序列集达到Welch界的倍；
(2)根据本发明所提供的实虚交错四相序列及序列集的构建方法所构建的实虚交错四相序列，可运用于GMSK信号的同步和FBMC扩频通信；
将实虚交错四相序列运用于GMSK信号的同步中，运用实虚交错四相序列作为训练序列，利用实虚交错序列具有最优的自相关特性，在接收端可以实现很好的同步和信道估计；
将实虚交错四相序列运用于FBMC-OQAM扩频，运用实虚交错四相序列与FBMC-OQAM系统中实虚交错结构具有相似性的关系，其目的在于，使扩频后的信号，具有最优的自相关特性；利用频域内自相关特性好的序列，对应时域信号具有稳恒包络，达到降低FBMC信号峰均功率比(PAPR) 的目的，提高了信号传输速率，由此解决现有FBMC扩频FMT结构的信号传输速率低的问题；并且发送的FBMC-OQAM时域信号具有良好的自相关特性，可以用于信号的同步。
附图说明
图1是将实虚交错四相序列用于GMSK信号调制的原理图。
图2是实施例中将最优实虚交错四相序列运用于GMSK信号的同步的流程示意图；
图3是实施例中采用最优实虚交错四相序列进行扩频的FBMC-OQAM 扩频系统的发送端示意图；
图4是实施例中采用实虚交错四相序列进行扩频降低PAPR的效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例中提供的实虚交错四相序列的构建方法，包括如下步骤：
(1)采用线性反馈移位寄存器生成周期为N＝2r-1的m序列a；
(2)根据序列a构建周期N ＝2×(2r-1)的实虚交错四相序列
将上述实虚交错序列用于GMSK信号的同步，其原理如图1所示；其流程如图2所示，具体包括如下步骤：
(1)在发送端，采用实虚交错四相序列gn作为训练序列，经过高斯滤波器调制，获得具有优良自相关特性的GSMK基带信号；
(2)将上述GMSK基带信号调制到载波上发送；
(3)在接收端接收信号，将信号从载波上解调成基带信号。
(4)对基带信号进行匹配滤波处理；
(5)将滤波处理后的信号与上述实虚交错四相序列做相关运算；将获得的信号用于GMSK信号的同步。
以下结合实施例具体阐述实虚交错四相序列的构建方法，以及利用构建生成的实虚交错四相序列实现GMSK信号的同步的方法，以及利益实虚交错四相序列进行FBMC-OQAM扩频的方法。
(1)由r＝6级循环移位寄存器生成周期为N＝2r-1＝63的m序列a，具体如下：
1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1, -1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1, -1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1；
(2)根据上述序列a构建生成周期N＝2×(2r-1)的最优实虚交错四相序列
实施例中，序列d＝(d0d1...d126)＝
1,j,1,-j,1,j,1,j,1,-j,-1,-j,-1,-j,-1,j,-1,j,-1,j,-1,-j,1,j,-1,-j,1,-j, -1,-j,1,-j,-1,j,-1,j,1,-j,1,j,-1,-j,-1,j,1,j,-1,j,-1,-j,-1,-j,1,j,-1,j,-1,j, 1,j,-1,-j,1,j,1,j,-1,j,1,j,1,j,-1,-j,-1,-j,-1,-j,1,
-j,1,-j,1,-j,-1,j,1,-j,-1,j,-1,-j,-1,j,-1,-j,1,-j,1,j,-1,j,1,-j,-1,-j,1, j,1,-j,1,-j,-1,-j,-1,j,1,-j,1,-j,1,j,1,-j,-1,j；
上述实虚交错四相序列d具有实虚交错的结构。
利用上述实虚交错四相序列d＝(d0 d1 ... d126)进行GMSK信号同步，其中GMSK信号的参数为：BT＝0.38、采样率fs＝4、调制指数h＝0.5；具体如下：
(1)在发送端，采用长度为126的实虚交错四相序列d＝(d0 d1 ... d126) 作为训练序列；
(2)采用上述训练序列经过滤波器调制，获得具有优良自相关特性的 GSMK基带信号；
(4)将上述GMSK基带信号调制到载波上发送；
(3)在接收端接收信号，将信号从载波上解调成基带信号。
(4)对基带信号进行匹配滤波处理；
(6)将滤波后的信号与长度为126的实虚交错四相序列 d＝(d0 d1 ... d126)做相关运算，可用于GMSK信号的同步。
实施例中，利用上述周期为126实虚交错四相序列d＝(d0 d1 ... d126)作为扩频码γ进行FBMC-OQAM扩频，具体如下：
实施例中，FBMC-OQAM系统有512个子载波，有效子载波为126；所采用的FBMC-OQAM扩频系统包括依次相连的扩频单元、上采样单元、滤波单元、调制单元和载波叠加单元；
其扩频单元用于采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集对 OQAM信号xn进行扩频；上采样单元用于对扩频生成的信号进行上采样；滤波单元用于对上采样获得的信号进行滤波处理；调制单元用于将滤波获得的信号调制到各载波上；载波叠加单元用于将调制后的所有载波进行叠加生成发送信号s(k)；
实施例中采用的FBMC-OQAM扩频系统的发送端如图3所示；发送 OQAM符号xn先经过扩频，其中γ＝γ0,γ1,...,γ2N-1为实虚交错四相序列；对扩频获得的信号进行上采样；对采样获得的信号进行滤波；将滤波获得的信号调制到载波上；通过将所有载波叠加得到发送信号s(k)；发送信号s(k) 具有良好的自相关特性，可以用于FBMC-OQAM信号的同步。
经过FBMC-OQAM扩频后的发送信号与传统的FBMC-OQAM信号的 PAPR进行比较，其仿真结果如图4所示；可以看到本实施例的这种扩频后的信号，相比传统的FBMC-OQAM信号，能够有效降低信号的峰均功率比 (PAPR)。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种FBMC-OQAM扩频系统，其特征在于，包括依次相连的扩频单元、上采样单元、滤波单元、调制单元和载波叠加单元；
所述扩频单元用于采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集对OQAM信号进行扩频；所述上采样单元用于对扩频生成的信号进行上采样；所述滤波单元用于对上采样获得的信号进行滤波处理；所述调制单元用于将滤波获得的信号调制到各载波上；所述载波叠加单元用于将调制后的所有载波进行叠加生成发送信号；
所述扩频单元所采用的所述实虚交错四相序列通过如下步骤构建得到：
(1)构建周期为N的二元序列a＝a0,a1,...,aN-1作为组成元；所述序列a的自相关函数为Ra；
(2)根据所述二元序列组成元构建实虚交错序列或实虚交错序列
其中，I[·]表示交织，表示对组成元a进行循环左移位；j为虚单位；
所述实虚交错序列d、e的自相关函数具有以下特性：
当组成元a＝a0,a1,...,aN-1，
构建获得的实虚交错四相序列d＝a0,jb0,a1,jb1,...,aN-1,ja0,...,aN-2,jaN-1；e＝a0,-jb0,a1,-jb1,...,aN-1,-ja0,...,aN-2,-jaN-1；
采用具有两值自相关特性的二元序列作为组成元，以构造获得具有最优自相关特性的实虚交错四相序列；
采用m序列、GMW序列或bent序列作为组成元；
所述实虚交错四相序列集通过如下步骤构建得到：
(1)构建二元序列集av的自相关函数为
(2)根据所述二元序列集构建实虚交错序列集或实虚交错序列集
所述实虚交错序列集dv、ev的自相关函数具有以下特性：
实虚交错序列集dv、ev的互相关函数具有以下特性：
其中，λ，v是指序列编号；
其中I[·]表示交织；表示对av进行循环左移j为虚单位；
采用Kasami序列小集合作为二元序列，以构建出达到Welch界的的实虚交错四相序列集合。
2.一种生成FBMC-OQAM同步信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(i)发送一个比特OQAM符号作为训练序列，采用实虚交错四相序列或实虚交错四相序列集对所述训练序列进行扩频；
(ii)对扩频生成的信号进行上采样，获得采样信号；
(iii)对所述采样信号进行滤波处理；
(iv)将滤波获得的信号调制到各载波上，并将调制后的所有载波进行叠加生成FBMC-OQAM同步信号；
所述实虚交错四相序列通过如下步骤构建得到：
(1)构建周期为N的二元序列a＝a0,a1,...,aN-1作为组成元；所述序列a的自相关函数为Ra；
(2)根据所述二元序列组成元构建实虚交错序列或实虚交错序列
其中，I[·]表示交织，表示对组成元a进行循环左移位；j为虚单位；
所述实虚交错序列d、e的自相关函数具有以下特性：
当组成元a＝a0,a1,...,aN-1，
构建获得的实虚交错四相序列d＝a0,jb0,a1,jb1,...,aN-1,ja0,...,aN-2,jaN-1；e＝a0,-jb0,a1,-jb1,...,aN-1,-ja0,...,aN-2,-jaN-1；
采用具有两值自相关特性的二元序列作为组成元，以构造获得具有最优自相关特性的实虚交错四相序列；
采用m序列、GMW序列或bent序列作为组成元；
所述实虚交错四相序列集通过如下步骤构建得到：
(1)构建二元序列集av的自相关函数为
(2)根据所述二元序列集构建实虚交错序列集或实虚交错序列集
所述实虚交错序列集dv、ev的自相关函数具有以下特性：
实虚交错序列集dv、ev的互相关函数具有以下特性：
其中，λ，v是指序列编号；
其中I[·]表示交织；表示对av进行循环左移j为虚单位；
采用Kasami序列小集合作为二元序列，以构建出达到Welch界的的实虚交错四相序列集合。
3.一种基于实虚交错四相序列进行MSK/GMSK信号同步方法，其特征在于，发送信号处理包括如下步骤：
(I)在发送端，采用所述实虚交错四相序列作为训练序列；将所述训练序列经过滤波器进行卷积滤波处理获得MSK/GSMK基带信号；
(II)将所述MSK/GMSK基带信号调制到载波上发送；
所述实虚交错四相序列通过如下步骤构建得到：
(1)构建周期为N的二元序列a＝a0,a1,...,aN-1作为组成元；所述序列a的自相关函数为Ra；
(2)根据所述二元序列组成元构建实虚交错序列或实虚交错序列
其中，I[·]表示交织，表示对组成元a进行循环左移位；j为虚单位；
所述实虚交错序列d、e的自相关函数具有以下特性：
当组成元a＝a0,a1,...,aN-1，
构建获得的实虚交错四相序列d＝a0,jb0,a1,jb1,...,aN-1,ja0,...,aN-2,jaN-1；e＝a0,-jb0,a1,-jb1,...,aN-1,-ja0,...,aN-2,-jaN-1；
采用具有两值自相关特性的二元序列作为组成元，以构造获得具有最优自相关特性的实虚交错四相序列；
采用m序列、GMW序列或bent序列作为组成元。
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