CN108347278B - 适应可变速率的高速带宽调制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种适应可变速率的高速带宽调制方法，包括：将输入的基带信号进行串并转换分为并行的N路数据，对每路数据经过信道编码和调制映射；将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧及缓存，根据符号速率选择单通道或多通道；若选择的是多通道，则将一帧数据串并转换成多路数据；通过加循环前缀以消除码间干扰；根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；将成型后的多路信道数据频谱搬移成一路数据，并进行数模转换和输出模拟下的信号。本发明将多路实现、IDFT及速率匹配模块有机的结合起来，以实现可变速率的高速带宽调制，既保证了信号的传输质量，并实现了高速、高效、可变速率调制。

Description

适应可变速率的高速带宽调制方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种适应可变速率的高速带宽调制方法及系统。
背景技术
卫星通信中数据传输系统是近代航天领域研究的重点，随着卫星通信的高速发展，传输数据的种类和数量不断增加，这就对高速海量卫星数据传输提出了新的要求。由于传输系统物理层一般都是通过FPGA或者DSP实现，但二者由于技术的限制，工作速率最高也就是700MHz左右，但相对价格会较高，若想实现高速带宽800MSPS或者更高符号速率的数据传输，这就要采用新型的算法来实现。
目前实现高速大带宽主要是通过采用高效滤波器和高阶调制方式，高效滤波器对硬件要求极高，而高阶调制方式由于携带的有效数据较多，传输过程中又由于噪声的影响，对于解调端来说比较难解调出正确信息。
对于可变速率的实现，为了能满足不同用户的带宽需求，同时能不浪费带宽资源，需要符号速率以0.5MHz步进覆盖整个大带宽，使得宝贵的带宽资源能得到充分的利用。其实现一般有两种方式：一种是采用单一固定频率工作时钟，产生符号脉冲、成形滤波脉冲和相移控制字,完成星座映射、脉冲成形滤波和任意采样率转换,以较小的资源消耗实现了符号率连续可变调制，但此种方法能实现的符号速率跨度较小；另外一种是通过改变工作时钟频率来实现可变符号速率，但这需要采用专用的时钟产生芯片，如直接数字频率合成DDS芯片，这就导致硬件设计复杂，成本较高等缺点。对于0.5MHz步进的符号速率一般都是通过采用Farrow滤波器来实现，但通常都是应用在小带宽范围内。
发明内容
发明所要解决的课题是，为了解决高速海量卫星数据传输，以及能覆盖大面积不同带宽的需求，可支持不同速率的传输。
用于解决课题的技术手段是，提出一种适应可变速率的高速带宽调制方法及系统，采用多路并行、Farrow滤波器和IDFT相结合来实现可变速率高速带宽调制装置的方法。
本发明提出的一种适应可变速率的高速带宽调制方法，包括如下步骤：
A)将输入的基带信号进行串并转换分为并行的N路数据，其中N为1以上的自然数；
B)对所述并行N路数据中每路数据经过信道编码；
C)对所述信道编码后的每路数据进行调制映射；
D)将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧；
E)将所述并行N路数据转换的PLF帧缓存，根据符号速率选择单通道或多通道；
F)若选择的是多通道，则将一帧数据串并转换成八路数据；
H)将所述串并转换成八路数据通过加循环前缀以消除码间干扰；
I)对所述加循环前缀后的数据根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；
J)将成型后的多路信道数据进行频谱搬移形成一路数据，并进行数模转换和输出模拟下的信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A中将输入的基带信号串并转换分为并行的8路数据。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中信道编码包括BCH编码和LDPC编码。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤J中数据频谱搬移采用离散傅里叶反变换方法。
本发明提出一种适应可变速率的高速带宽调制系统，包括发射通路，其特征在于，所述发射通路包括：输入数据模块、串并转换模块、信道编码模块、调制映射模块、物理成帧模块、缓存模块、信道选择模块、插入CP模块、速率匹配模块、M点IDFT模块、模数转化器模块，其中输入数据模块将输入基带信号送入串并转化模块进行串并转换分为并行的N路数据；由信道编码模块对所述并行N路数据中每路数据经过信道编码后，经调制映射模块对每路数据进行调制映射，及物理成帧模块将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧后存储于缓存模块，且利用信道选择模块根据符号速率选择单通道或多通道；若选择的是多通道，则通过串并转换模块将一帧数据串并转换成八路数据并利用插入CP模块对其加循环前缀以消除码间干扰；所述速率匹配模块对所述加循环前缀后的数据根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；所述M点IDFT模块将成型后的多路信道数据频谱搬移成一路数据，并输出至模数转化器模块，进行数模转换和输出模拟下的信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述速率匹配模块包括根升余弦滤波器和Farrow滤波器。
发明效果是，本发明的方法及系统；一方面从高速带宽出发，采用并行多路方法和IDFT搬移频谱技术来实现高速率带宽；另一方面从可变速率出发，采用速率匹配模块来完成以0.5MHz为步进的不同速率的实现。
采用多路并行、Farrow滤波器和IDFT相结合来实现可变速率高速带宽调制装置的方法。将多路实现、IDFT及速率匹配模块有机的结合起来，以实现可变速率的高速带宽调制方法，既保证了信号的传输质量，并实现了高速、高效、可变速率调制方法。
附图说明
图1是本发明一种适应可变速率的高速调制方法及系统的原理图。
图2是本发明速率匹配模块的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。
如图1所示，本发明提出的一种适应可变速率的高速带宽调制方法，
包括以下步骤：
A)输入的基带信号通过串并转换模块将数据分为并行N路数据，其中N为1以上的自然数，本实施例中采用并行8路数据，每路都是完整的一帧数据。
B)对并行8路数据中每路数据经过信道编码，即BCH编码和LDPC编码，以提高通信过程的可靠性.
C)信道编码后的数据为提高频带利用率，将进行调制映射，本设计支持QPSK、8PSK、16APSK及32APSK四种调制方式。
D)根据物理层协议要求将调制映射后的数据变换成符合要求的PLF帧，得到8路并行PLF帧。
E)将所述8路并行PLF帧缓存到DDR3缓存中，然后根据上层要求的符号速率进入信道选择模块，若符号速率在[0.5MHz，100MHz]范围内，选择单通道；若在[100.5MHz，800MHz]范围内，都选择八通道。
F)若选择的是八通道，则需将一帧数据串并转换成八路数据；
H)经过串并转换模块的数据，为避免码间干扰，需通过加循环前缀模块来消除码间干扰。
I)加循环前缀后的数据根据调制符号速率要求经过速率匹配模块选择相应的滤波通道实现数据可变速率和成型，对8路数据每路都进行成型，用于步骤F中8路串并转换后的数据。
J)成型后的多路信道的数据经过离散傅里叶反变换方法进行频谱搬移形成一路数据输出，并进行数模转换和输出模拟下的信号。
该过程中，一种可变速率的高速带宽调制方法；一方面从高速带宽出发，采用并行多路方法和IDFT搬移频谱技术来实现高速率带宽；另一方面从可变速率出发，采用速率匹配模块来完成以0.5MHz为步进的不同速率的实现。
本发明还提出一种适应可变速率的高速带宽调制系统，该包括发射通路。所述发射通路如图1所示，包括：输入数据模块100、串并转换模块101、信道编码模块102、调制映射模块103、物理成帧模块104、缓存模块105、信道选择模块106、并串变换模块107、插入CP模块108、速率匹配模块109、M点IDFT模块110、模数转化器模块DAC111。
其中，所述的输入数据模块100是输入数据的接口。所述的串并转换模块101是把串行数据转化成并行数据。所述的信道编码模块102是BCH编码和LDPC编码等信道编码；所述的调制模块103是把串行数据转化成并行数据。所述的物理成帧模块104是按照物理层要求的帧格式将数据组成符合要求的物理层帧。所述的信道选择模块106是根据上层发送符号速率要求，若在[0.5MHz，100MHz]范围内，选择单通道；若在[100.5MHz，800MHz]范围内，选择八通道。所述的并串变换模块107是把串行数据转化成并行数据。所述的插入CP模块108是加循环前缀以降低相邻信道间的符号间干扰。所述的速率匹配模块109是本设计的重要组成部分，它按上层要求的符号速率将数据进行有效的成型。所述的M点IDFT模块110是离散傅里叶反变换，主要实现子频谱搬移。所述的DAC模块111对经过物理层协议处理和基带成型后的数据进行数模转换并输出模拟下信号。
系统的原理是：输入数据模块将输入基带信号送入串并转化模块进行串并转换分为并行的N路数据；由信道编码模块对所述并行N路数据中每路数据经过信道编码后，经调制映射模块对每路数据进行调制映射，及物理成帧模块将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧后存储于缓存模块，且利用信道选择模块根据符号速率选择单通道或多通道；若选择的是多通道，则通过串并转换模块将一帧数据串并转换成八路数据并利用插入CP模块对其加循环前缀以消除码间干扰；所述速率匹配模块对所述加循环前缀后的数据根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；所述M点IDFT模块将成型后的多路信道数据频谱搬移成一路数据，并输出至模数转化器模块，进行数模转换和输出模拟下的信号。
所述并行多路方法和IDFT搬移频谱技术将高速率数据分为并行八个子信道路，以降低每路数据速率，便于在FPGA上可靠实现；八个子信道输出再经过子载波搬移组成大带宽频谱，可通过M点IDFT模块实现，其中M点IDFT表达式参见公式1：
Figure GDA0002779836690000061
式中，M为IDFT的点数，本方案中M＝8；其中，k表示IDFT的第k个点，本方案中k对应8个子信道，k大于1小于8；ak表示第k路子信道当前数据值；ejkf表示k路对应的变换核函数。
以及，所述速率匹配模块主要由两种滤波器组成，分别为根升余弦滤波器和Farrow滤波器。
所述根升余弦滤波器表达式参见公式2：
Figure GDA0002779836690000062
式中，α为滚降系数，且0≤α≤1，本方案中取α＝0.2，0.25，0.35；fN是通带截止频率；H(f)是滤波器响应函数
所述Farrow滤波器是通过拉格朗日多项式求得的，假设Farrow滤波器的抽头系数是N，且N为偶数，则I1＝N/2，I2＝-(N/2-1)，则内插系数的计算公式参见公式(3)：
Figure GDA0002779836690000063
本方案中N＝4，那么I1＝N/2＝2，I2＝-(N/2-1)＝-1，则内插系数：
Figure GDA0002779836690000064
Figure GDA0002779836690000065
Figure GDA0002779836690000066
Figure GDA0002779836690000067
其中0＜u＜1，通过调整上述四个系数中的u，来实现0.5MHz的步进。
图2是本发明速率匹配模块的结构示意图，假设需要实现符号速率R大于100Msps。则经过上述步骤E和F可知，信道选择模块过后选择了八个通道，每个通道需要实现符号速率是R/8的调制数据，若R/8属于[50.5Msps，100Msps]范围，则经过一级4倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8属于[25.5Msps，50Msps]范围，则经过一级8倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8属于[12.5Msps，25Msps]范围，则经过两级4倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8属于[6.5Msps，12Msps]范围，则经过一级8倍FIR滤波器、一级4倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8属于[3.5Msps，6Msps]范围，则经过两级8倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8属于[1.5Msps，3Msps]范围，则经过一级8倍FIR滤波器、两级4倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现；若R/8等于0.5Msps，则经过两级8倍FIR滤波器、一级4倍FIR滤波器和Farrow滤波器即可实现。
综上，本发明将多路实现、IDFT及速率匹配模块有机的结合起来，以实现可变速率的高速带宽调制方法及系统，既保证了信号的传输质量，并实现了高速、高效、可变速率调制。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适应可变速率的高速带宽调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)将输入的基带信号进行串并转换分为并行的N路数据，其中N为1以上的自然数；
B)对所述并行N路数据中每路数据经过信道编码；
C)对所述信道编码后的每路数据进行调制映射；
D)将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧；
E)将所述并行N路数据转换的PLF帧缓存，根据符号速率选择单通道或多通道；
F)若选择的是多通道，则将一帧数据串并转换成八路数据；
H)将所述串并转换成八路数据通过加循环前缀以消除码间干扰；
I)对所述加循环前缀后的数据根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；
J)将所述步骤I成型后的多路信道数据经过离散傅里叶反变换的方法进行频谱搬移形成一路数据，并进行数模转换和输出模拟下的信号。
2.根据权利要求1所述的适应可变速率的高速带宽调制方法，其特征在于，所述步骤A中将输入的基带信号串并转换分为并行的8路数据。
3.根据权利要求1所述的适应可变速率的高速带宽调制方法，其特征在于，所述步骤B中信道编码包括BCH编码和LDPC编码。
4.一种适应可变速率的高速带宽调制系统，包括发射通路，其特征在于，所述发射通路包括：输入数据模块、串并转换模块、信道编码模块、调制映射模块、物理成帧模块、缓存模块、信道选择模块、插入CP模块、速率匹配模块、M点IDFT模块、模数转化器模块，其中输入数据模块将输入基带信号送入串并转化模块进行串并转换分为并行的N路数据；由信道编码模块对所述并行N路数据中每路数据经过信道编码后，经调制映射模块对每路数据进行调制映射，及物理成帧模块将所述调制映射后的每路数据变换成PLF帧后存储于缓存模块，且利用信道选择模块根据符号速率选择单通道或多通道；若选择的是多通道，则通过串并转换模块将一帧数据串并转换成八路数据并利用插入CP模块对其加循环前缀以消除码间干扰；所述速率匹配模块对所述加循环前缀后的数据根据调制符号速率选择滤波通道实现数据可变速率及成型；所述M点IDFT模块将成型后的多路信道数据经过离散傅里叶反变换的方法进行频谱搬移形成一路数据，并输出至模数转化器模块，进行数模转换和输出模拟下的信号。
5.根据权利要求4所述的适应可变速率的高速带宽调制系统，其特征在于，所述速率匹配模块包括根升余弦滤波器和Farrow滤波器。
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