CN106887999B - 一种基于维度拓展的信号融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于维度拓展的信号融合方法，将传统的时间分集、频率分集体制拓展为维度分集体制。利用相互独立正交的不同维度传输不同的信号。实现了多路数据在同一时间、同一频率下的传输，并且各路信号的信号幅值、比特率不受融合方法的制约。本发明首先将实数域扩展为二维复数域，再将虚数域扩展为虚数二维、三维空间，甚至更高维度，利用这种具有递归性质的维度拓展方法，可以根据实际需要将信号进行不同程度的维度拓展，进而不同种类的信号通过一定的方式经由不同维度进行传播，实现了探测、测控、通信、导航等多功能信号的传输且相互之间不会产生干扰。
Description
技术领域
本发明属于信息处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于维度拓展的信号融合方法。
背景技术
传统基于分离式功能架构的信息支持体制，功能单一与不足的固有缺陷使得其无法适应当今以及未来空天地一体化信息综合支持和综合战略空间发展的需求。在当今以及未来空天地一体化信息互联中，信息支持系统不仅为空天飞行器飞行提供重要的支持和保障，是空天飞行器发射、飞行、回收各阶段的生命线；而且承担着对各类功能性任务控制指令的抗干扰传输，将侦察信息传回，与其他功能平台信息即时交互，实现空天地一体化联合协同互联。
然而，现有的探测、测控、通信、导航等多种功能信号多采用分离体制，这从体制上决定了终端无法实现深层次的信息耦合。这就需要建立具有统一的面向探测、测控、通信、导航等多种应用的信息、信号、信道模型的信号融合方法，才能完成从根本上解决空天信息综合业务的互联互通和综合处理与信息支持的功能性不足。来满足当今以及未来空天地一体化互联对信息综合的可靠性功能需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于维度拓展的信号融合方法，以实现多路数据在同一时间、同一频率下的传输。
为实现上述发明目的，本发明基于维度拓展的信号融合方法，其特征在于，对多路信号，采用三维数字信号作为载波进行调制，包括以下步骤：
(1)、信号调制
在发送端，将两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)进行三维数字信号调制，得到调制信号x(n)：
其中[1,i,j]为维度矢量，为三维信号空间矩阵，cos[ωn+d1(n)]为实数路信号，sin[ωn+d1(n)]cos[ωn+d2(n)]为i路信号，sin[ωn+d1(n)]sin[ωn+d2(n)]为j路信号，ω为载波信号角频率，两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)为：
其中，T为二进制基带信号时间间隔，t表示时间，n为数据位，g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，其可表示为：
an,bn为：
将调制信号x(n)发送到接收端；
(2)、有用信息的获取
在接收端，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)：
2.1)、将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)，得到的两路信号分别经低通滤波后，得到两路基带信号u1(n)、u2(n)；
2.2)、取两路基带信号u1(n)、u2(n)中的i维，并表示为u1i(n)、u2i(n)，则有：
2.3)、根据以下规则，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)的值：
如果-0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]，则：d1(n)＝1，d2(n)＝0；
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤-0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝1，d2(n)＝1。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于维度拓展的信号融合方法，将传统的时间分集、频率分集体制拓展为维度分集体制。利用相互独立正交的不同维度传输不同的信号。实现了多路数据在同一时间、同一频率下的传输，并且各路信号的信号幅值、比特率不受融合方法的制约。本发明首先将实数域扩展为二维复数域，再将虚数域扩展为虚数二维、三维空间，甚至更高维度，利用这种具有递归性质的维度拓展方法，可以根据实际需要将信号进行不同程度的维度拓展，进而不同种类的信号通过一定的方式经由不同维度进行传播，实现了探测、测控、通信、导航等多功能信号的传输且相互之间不会产生干扰。
附图说明
图1是信号分析的维度演变过程示意图；
图2是统一体制的三维信号解调原理示意图；
图3是统一体制的四维信号解调原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
现有的信号调制方式不能满足统一体制测控通信中在一路信号中同时传输遥测、遥控、通信信号的功能需求。本发明提出了基于维度拓展的信号融合方法，可以完成在一路信号中同时传输多种功能信号的功能需求。本发明将三角函数的定义域扩大到复数从而建立三角函数和指数函数对应关系的思想，将虚数域扩展为虚数二维甚至三维空间，从而在相互独立正交的空间内实现多路互不干扰信号的传输，可利用超越复数中不同维度来携带互不干扰的数据，从而实现多路功能信号的传输且互不干扰。
1、多维度信号融合理论
1.1、理论信号模型搭建
如图1(a)所示，在传统的信号处理中，信号分析一般采用维度为一的单频实信号完成对信号的建模。自从引入欧拉公式ejω＝cosωt+jsinωt以后，将三角函数的定义域扩大到复数，建立了三角函数和指数函数的关系。因而，如图1(b)所示，在信号处理与分析的过程中进而采用维度为二的单频复信号完成对信号的建模，即：
其中，i表示与实数轴正交的一个虚轴，即两个信号在不同的维度，相互正交。
在此基础上，如图1(c)所示，如果将虚数轴扩展维度为复平面，则存在相互独立正交的两个虚数轴i、j，并且与实数轴构成两两相互正交的三维信号模型，信号形式定义为：
其中，i、j分别表示与实数轴正交的一个虚轴，并且i虚轴与j虚轴也是正交的，即三个信号在不同的维度，两两相互正交。
同理，图1(d)所示，如果进一步将虚数平面即i、j虚轴构成的平面扩展维度为三维虚体，则存在相互独立正交的三个虚数轴，并且与实数轴构成两两相互正交的四维信号模型，信号形式定义为：
其中，i、j、k分别表示与实数轴正交的一个虚轴，并且i虚轴、j虚轴与k虚轴是两两正交的，即 四个信号在不同的维度，两两相互正交。
这样，可以得到多维度统一信号为：
其中，i,j,q,r表示维度矢量，ω1,ω2,ω3,…,ωM-2,ωM-1为载波信号角频率，为载波信号的相位，M为多维度统一信号的维度，t表示时间，需要传输的多路信号可以对载波信号角频率ω1,ω2,ω3,…,ωM-2,ωM-1或载波信号的相位进行调制。
1.2)、多维信号模型正交性分析
接下来针对式(2)、(3)进行正交性分析。
在三维信号模型中，将三个维度上的分信号组成信号空间矩阵。
则有：
其中，O为零矩阵。
即三个维度上的分信号两两相互正交。
同理，在四维信号模型中，将四个维度上的分信号组成信号空间矩阵。
则有：
即四个维度上的分信号两两相互正交。
同理，在M维信号模型中，M个维度上的分信号两两相互正交。
信号维度拓展后，可以根据功能模式要求而采用不同维度信号模型进行数据传输。在相互正交的几个轴上分别携带不同幅度、不同频率、不同相位的信息，且各个轴上的信号互相没有干扰。
2、多维度信号融合信号模型
下面对多维度信号融合理论中物理信号模型搭建以及物理模型各个维度在数学上的正交性进行了探讨。
2.1、物理信号模型搭建(信号调制)
对比幅移键控(Amplitude Shift Keying，简称ASK)、频移键控(Frequency ShiftKeying，简称FSK)和相移键控(Phase Shift Keying，简称PSK)来确定有用信息携带原则。在相同的误码率要求下，以2PSK、2FSK和2ASK系统为例，三类系统所需要的信噪比关系为r2ASK＝2r2FSK＝4r2PSK。而频带利用率有η2ASK＝η2PSK>η2FSK。可见相移键控PSK具有更高的抗噪能力和频带利用率，故本发明优先考虑相位信息完成调制与解调。
在三维信号模型中，为简便计算与演示过程，本发明进行以下两点化简：
理论上实轴与虚平面载波频率可以不同，为简化计算设实轴与虚平面载波频率相同且各个轴的振幅为1，而两路数据信息由可变相位携带。
理论上两路数据的数据率可不同，但是为了方便实现，本发明中两路数据数的据率相同。
在本实施例中，采用数字调制信号，相应地多维度信号s(t)变为s(n)，调制信号为x(n)，采用两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)对三维信号进行调制：
在发送端，将两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)进行三维数字信号调制，得到调制信号x(n)：
其中(公式9中)：[1,i,j]为维度矢量，
为三维信号空间矩阵；
cos[ωn+d1(n)]为实数路信号，sin[ωn+d1(n)]cos[ωn+d2(n)]为i路信号，sin[ωn+d1(n)]sin[ωn+d2(n)]为j路信号，cos(ωn)、sin(ωn)为载波信号，ω为载波信号角频率，两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)为：
其中(公式10中)，T为二进制基带信号时间间隔，n为数据位，g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，其表示为：
an,bn表示为：
将调制信号x(n)发送到接收端；
传统的时间分集、频率分集体制拓展为维度分集体，利用相互独立正交的不同维度传输不同的信号，实现了两路二进制基带信号数据在同一时间、同一频率下的传输。在本实施例中，在发送端，首先将实数域扩展为二维复数域，再将虚数域扩展为虚数二维，得到两两相互正交的三维信号，然后，利用三维信号对两路二进制基带信号进行三维统一信号调制，得到调制信号x(n)；在接收端将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)，这样，不同种类的信号可以经由不同维度进行传播，实现了探测、测控、通信、导航等多功能信号的传输且相互之间不会产生干扰
在统一体制测控通信中，上行信号只包含遥控信号，故借用传统遥测通信系统的调制方式。而在下行信道中，包含了遥测信号和通信信号两种信号，可用d1(n)携载遥测信号而d2(n)携载通信信号。
在具体实施过程中，如果二进制基带信号为三路，即d1(n)、d2(n)及d3(n)，则按照递归思想，将超越复数维度扩展为四维。
因此，在发送端，将三路二进制基带信号d1(n)、d2(n)及d3(n)进行四维数字信号调制，得到调制信号
与三维模型相同，d1(n)、d2(n)与d3(n)分别为三路二进制基带信号，有
其中：
用d1(n)、d2(n)、d3(n)携载不同制式的信号，在统一体制测控通信中，可在上下行信号中均采用统一体制的四维信号模型，用d1(n)携载遥测信号，d2(n)携载遥控信号，d3(n)携载通信信号。
2.2、有用信息的获取(解调)
对于三维的调制信号，在接收端，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)，其原理如图2所示。
2.1)、如图2所示，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)，得到的两路信号分别经低通滤波后，得到两路基带信号u1(n)、u2(n)。取两路基带信号u1(n)、u2(n)中的i维即sin(ωn)cos(ωn)形式的数据，并表示分别为u1i(n)、u2i(n)，则有：
2.2)、取两路基带信号u1(n)、u2(n)中的i维数据，并表示为u1i(n)、u2i(n)，则有：
2.3)、根据以下规则，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)的值：
如果-0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]，则：d1(n)＝1，d2(n)＝0；
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤-0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝1，d2(n)＝1。
即根据表1数据解算判决方式，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)的值。
表1
表1中，sin(+)表示sin[d1(n)+d2(n)]，sin(-)表示sin[d1(n)-d2(n)]，Data1表示d1(n)、Data2表示d2(n)。
同理，按照递归思想，将超越复数维度扩展为四维，对于四维的调制信号x(n)，在接收端，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)、sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)与d3(n)，其原理如图3所示。
将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)、sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)，得到的六路信号分别经低通滤波后，得到六路基带信号u1(n)至u6(n)。分别取其i、j或k维形式的数据，即可反解出与二进制基带信号d1(n)、d2(n)与d3(n)相关的数据流。
其中，u3i(n)、u4i(n)分别表示两路基带信号u3(n)、u4(n)中的i维即sin(ωn)cos(ωn)形式的数据，u6k(n)、u2k(n)分别表示两路基带信号u6(n)、u2(n)中的k维即sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)形式的数据，u5j(n)、u1j(n)分别表示两路基带信号u5(n)、u1(n)中的j维即sin(ωn)cos(ωn)形式的数据。
则根据以下规则，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)与d3(n)的值。
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且0.770151<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则：d1(n)＝0、d2(n)＝0、d3(n)＝0；
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.770151，则：d1(n)＝0、d2(n)＝0、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735并且0.062078<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则：d1(n)＝0、d2(n)＝1、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.062078，则：d1(n)＝0、d2(n)＝1、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]>0.420735并且0.062078<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则d1(n)＝1、d2(n)＝0、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]>0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.062078，则d1(n)＝1、d2(n)＝0、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且-0.703070<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则d1(n)＝1、d2(n)＝1、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤-0.703070，则d1(n)＝1、d2(n)＝1、d3(n)＝1。
具体可用表2的方式进行表示。
表2
表2中，sin(++)表示sin[d1(n)+d2(n)]，sin(+-)表示sin[d1(n)-d2(n)]，cos(+++)表示cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，Data1表示d1(n)、Data2表示d2(n)、Data3表示d3(n)。
可见，多维度统一体制信号融合可以完成在一路信号中同时传输多种功能信号的功能需求。通过增加超越复数的维度而携载各种不同类型的功能信号。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种基于维度拓展的信号融合方法，其特征在于，对多路信号，采用三维数字信号作为载波进行调制，包括以下步骤：
(1)、信号调制
在发送端，将两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)进行三维数字信号调制，得到调制信号x(n)：
其中[1,i,j]为维度矢量，为三维信号空间矩阵，cos[ωn+d1(n)]为实数路信号，sin[ωn+d1(n)]cos[ωn+d2(n)]为i路信号，sin[ωn+d1(n)]sin[ωn+d2(n)]为j路信号，ω为载波信号角频率，两路二进制基带信号d1(n)与d2(n)为：
其中，T为二进制基带信号时间间隔，t表示时间，n为数据位，g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，其表示为：
an,bn为：
将调制信号x(n)发送到接收端；
(2)、有用信息的获取
在接收端，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)：
2.1)、将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)cos(ωn)和sin(ωn)sin(ωn)，得到的两路信号分别经低通滤波后，得到两路基带信号u1(n)、u2(n)；
2.2)、取两路基带信号u1(n)、u2(n)中的i维，并表示为u1i(n)、u2i(n)，则有：
2.3)、根据以下规则，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)的值：
如果-0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735，则：d1(n)＝0，d2(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]并且0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]，则：d1(n)＝1，d2(n)＝0；
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤-0.420735并且-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735，则：d1(n)＝1，d2(n)＝1。
2.根据权利要求1所述的信号融合方法，其特征在于，用d1(n)、d2(n)携载不同制式的信号，在统一体制测控通信中,用d1(n)携载遥测信号而d2(n)携载通信信号。
3.根据权利要求1所述的信号融合方法，其特征在于，发送端二进制基带信号为三路即d1(n)、d2(n)及d3(n)时，则按照递归思想，进一步将超越复数维度扩展为四维；
在发送端，将三路二进制基带信号d1(n)、d2(n)及d3(n)进行四维统一信号调制，得到调制信号：
其中，二进制基带信号d3(n)为：
其中：
用d1(n)、d2(n)、d3(n)携载不同制式的信号，在统一体制测控通信中，用d1(n)携载遥测信号，d2(n)携载遥控信号，d3(n)携载通信信号；
在接收端，将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)、sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)进行相干解调，经数据解算后得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)与d3(n)；
将接收的调制信号x(n)分别乘以本地载波cos(ωn)、sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)、cos(ωn)cos(ωn)cos(ωn)、sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)，得到的六路信号分别经低通滤波后，得到六路基带信号u1(n)至u6(n)，分别取其i、j或k维形式的数据，则有：
其中，u3i(n)、u4i(n)分别表示两路基带信号u3(n)、u4(n)中的i维即sin(ωn)cos(ωn)形式的数据，u6k(n)、u2k(n)分别表示两路基带信号u6(n)、u2(n)中的k维即sin(ωn)sin(ωn)sin(ωn)形式的数据，u5j(n)、u1j(n)分别表示两路基带信号u5(n)、u1(n)中的j维即sin(ωn)cos(ωn)形式的数据；
则根据以下规则，得到二进制基带信号d1(n)、d2(n)与d3(n)的值：
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且0.770151<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则：d1(n)＝0、d2(n)＝0、d3(n)＝0；
如果sin[d1(n)+d2(n)]≤0.420735、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.770151，则：d1(n)＝0、d2(n)＝0、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735并且0.062078<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则：d1(n)＝0、d2(n)＝1、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]≤-0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.062078，则：d1(n)＝0、d2(n)＝1、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]>0.420735并且0.062078<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则d1(n)＝1、d2(n)＝0、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、sin[d1(n)-d2(n)]>0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤0.062078，则d1(n)＝1、d2(n)＝0、d3(n)＝1；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且-0.703070<cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]，则d1(n)＝1、d2(n)＝1、d3(n)＝0；
如果0.420735<sin[d1(n)+d2(n)]、-0.420735<sin[d1(n)-d2(n)]≤0.420735并且cos[d1(n)+d2(n)+d3(n)]≤-0.703070，则d1(n)＝1、d2(n)＝1、d3(n)＝1。
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