CN108900458B - 非理想正交载波下测距/通信复合qpsk调制信号优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非理想正交载波下测距/通信复合QPSK调制信号优化方法。使用本发明能够有效降低了非理想正交载波场景下多址干扰对测距性能的影响，改善了测距性能。本发明通过在非正交情况下进行伪码相位偏移的设计，即在通信伪码的载波相位上增加一个通信伪码相对测距伪码的圆周相位偏移量l，从而有效降低通信伪码对测距伪码的互址干扰，其中，在圆周相位偏移量的寻优过程中，综合利用测距伪码跟踪环鉴别器输出偏差最大值与偏差离散程度，按最大偏差最小化结合最小方差优化准则进行通信伪码与测距伪码相对圆周相位偏移量的优化，遍历了在伪码周期内全部可能的通信数据，确保了本方法的鲁棒性与有效性。

Description

非理想正交载波下测距/通信复合QPSK调制信号优化方法

技术领域

本发明涉及微波雷达测量技术领域，具体涉及一种测距/通信一体化正交相移键控(QPSK)调制信号波形优化方法。

背景技术

直接序列扩频(DSSS)信号具有抗干扰、低截获等优点，广泛应用于通信与雷达等领域。为了提高信道利用率与设备复用，伪随机序列扩频系统需同时具备测距与通信复合功能。双载波测距/通信复合正交相移键控-直接序列扩频系统(QPSK-DS)-调制信号是一种易于同时实现测距、通信复合功能的信号体制，包括两路伪码扩频信号：一路伪码扩频的测距信号(后文称测距伪码)，调制载波后用于测距；另一路伪码扩频的通信信号(后文称通信伪码)，调制另一路同频载波用于通信，共用传输频带可提高频谱利用率。然而，受QPSK模拟调制器件非理想因素限制，分别用于携带测距/通信信息的两路同频载波相位非正交，导致QPSK调制信号的通信伪码对测距伪码产生多址干扰，影响到测距的性能。

2011年裴军和胡正群等在《火力与指挥控制》第36卷第6期第135页至137页发表的“基于FPGA双通道DS-QPSK发射基带设计”一文中，提出了一种采用数字方式实现语音数据和信令数据调制的双通道DS-QPSK信号生成方法，但该波形传输的两路数据分别是语音数据和信令数据，未包含测距信号，且该方法在伪码速率较高时要求数字载波频率高，增加了后续数模转换电路(DAC)设计的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非理想正交载波下测距/通信复合QPSK调制信号优化方法，能够有效降低了非理想正交载波场景下多址干扰对测距性能的影响，改善了测距性能。

本发明提供了一种非理想正交载波下测距/通信复合QPSK调制信号优化方法，通过在非正交情况下进行伪码相位偏移的设计，即在通信伪码的载波相位上增加一个通信伪码相对测距伪码的圆周相位偏移量l，从而有效降低通信伪码对测距伪码的互址干扰；其中，圆周相位偏移量l的获取方法如下：

步骤1，对测距伪码和通信伪码利用同样的采样率进行采样；初始时，圆周相位偏移量l＝0；

步骤2，设置伪码周期内的通信数据十进制表示为m，利用本地即时测距伪码、本地超前1/2码片测距伪码和本地滞后1/2码片测距伪码对接收信号进行解扩与积分清除运算，并对积分清除运算结果进行码相位鉴别，获得测距偏差；m遍历0,1,2…2^K-1，其中，K为伪码周期与数据宽度的比值，获得当前l值下的测距偏差的最大值和方差；

步骤3，判断l是否等于L-1，其中，L为码周期内采样点个数；若是，则执行步骤4，若不是，则l加1，返回步骤2；

步骤4，比较不同l下的测距偏差最大值的大小，最小的测距偏差最大值所对应的圆周相位偏移量即为所求的圆周相位偏移量；若存在相同的最小测距偏差最大值，则最小方差所对应的圆周相位偏移量即为所求的圆周相位偏移量。

进一步的，所述步骤2中，采用归一化点积功率鉴别器进行码相位鉴别。

有益效果：

1)本发明所提供的方法针对非理想正交载波下DS-QPSK调制中测距/通信两路伪码间的互址干扰，综合利用测距伪码跟踪环鉴别器输出偏差最大值与偏差离散程度，按最大偏差最小化结合最小方差优化准则进行通信伪码与测距伪码相对相位的优化，有效降低了通信伪码对测距伪码的互址干扰。

2)本发明所提供的方法遍历了在伪码周期内全部可能的通信数据，确保了本方法的鲁棒性与有效性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种非理想正交载波下测距/通信复合QPSK调制信号优化方法，通过优化测距伪码序列与通信伪码序列的初始相位，对测距伪码、通信伪码QPSK调制进而存在互址干扰情况下的码相位进行优化，使伪码序列间的互址干扰对测距性能影响最小。

DS-QPSK调制信号模型可定义如下：

其中，P_I与P_Q分别表示I路(通信)和Q路(测距)信号的信号功率，f₀为载波频率，t为时间，θ为I路、Q路之间的载波相位差；C₁(t)和C₂(t)分别是取值为±1的独立m码序列优选对，d₁(t)与d₂(t)分别表示取值为±1的通信数据与测距数据，不失一般性考虑表示为

d₂(t)＝1，

其中，R_b为通信速率，K为伪码周期与数据宽度的比值，m表示伪码周期内K位通信数据的十进制值，取值范围为0,1,2,…,2^K-1，为向下取整函数，函数输出不大于输入的最大整数，mod为取余函数，imodj表示i除以j的余数。在理想DS-QPSK调制中θ＝π/2，即测距伪码调制的载波与通信伪码调制的载波正交，但由于调制器件非理想等因素限制，存在θ≠π/2情况。在此场景下，通信伪码序列与测距伪码序列间将存在互址干扰。

为改善非正交情况下通信伪码序列与测距伪码序列间的互址干扰，本发明在非正交情况下进行伪码相位偏移的设计，即在通信伪码的载波相位增加了一个通信伪码相对于测距伪码的圆周相位偏移量，对伪码间的相位差进行优化设计，从而有效降低通信伪码对测距伪码的互址干扰。

其中，圆周相位偏移量的获取方法如下：

步骤1，利用与硬件系统相同的采样率f_s，根据系统分配的测距伪码和通信伪码优选对，对周期长度均为L_c的码序列分别进行采样与存储，不失一般性考虑，两组码周期均存储L个采样点(L≥2L_c)，得到两组码序列的采样值。

步骤2：对通信伪码采样值设置其相对测距伪码采样值的圆周相位偏移量l，并设置伪码周期内K位通信数据为m；其中，圆周相位偏移量l的取值范围为0,1,…L-1；m取值范围为0,1,…,2^K-1，则采样、解调后的接收信号为

其中C₁(n)和C₂(n)分别为通信与测距伪码的采样序列，通信数据d₁(n,m)表示为

步骤3：针对当前调制信号，产生本地即时测距伪码、超前1/2码片测距伪码与滞后1/2码片测距伪码，并分别对接收信号进行解扩与积分清除运算，得到

其中τ_e为接收信号相对本地即时测距伪码的时延，度量单位为码片，R(τ_e,l,m)是本地即时测距伪码与接收信号的相关结果，为本地测距伪码与通信伪码的互相关结果。跟踪环路锁定状态下τ_e≈0，本地即时测距伪码与接收信号的相关结果表示为R(0,l,m)，同理，超前1/2码片的本地测距伪码与接收信号的相关结果表示为R(-1/2,l,m)，滞后1/2码片的本地测距伪码与接收信号的相关结果表示为R(1/2,l,m)。

步骤4：对于伪随机码测距，测距偏差由码相位鉴别器的鉴别结果表征。不失一般性，以归一化点积功率鉴别器为例，鉴别器输出结果即测距偏差近似为:

步骤5：改变m值，重复步骤2至4，遍历一个码周期内的全部通信数据m＝0,1,…,2^k-1，记录鉴别器输出的偏差结果，计算得到该l值下的测距偏差的最大值与方差，分别表示为

σ(l)＝var(ec_k(l,m))，

其中，var表示方差。

其中测距偏差的最大值越小，说明互址干扰对测距结果的影响越小；方差能表征互址干扰的离散程度，在同样测距偏差最大值的情况下，方差越大表示互址干扰的离散程度越高。

步骤6：改变l值，重复步骤2至5，遍历并记录通信伪码采样值相对测距伪码采样值在相位偏移l＝0,1,…L-1共L种情况下，遍历全部通信数据鉴别器输出结果，获得各l值下的测距偏差最大值与方差，对比各l值下的测距偏差最大值与方差，按最大测距偏差最小化及同等测距偏差下方差小的寻优原则，获得通信伪码与测距伪码的最佳相对相位偏置l_opt，表示为

或

最终获得通信伪码相对测距伪码的最优相位偏移值l_opt。

在通信伪码的载波相位上增加所述最优相位偏移量l_opt，即可消除由于非正交导致的互址干扰。

下面结合具体数据进行说明：

本实施例中，系统硬件的采样频率f_s＝65.536MHz，伪码速率为8.588886016MHz，伪码长度为L_c＝8191,一个伪码周期为包含L＝62500个采样点。伪随机码采用m序列，测距、通信通道信号功率相同P_I＝P_Q＝1，测距伪码调制载波与通信伪码调制载波的相位差为θ＝85°。通信数据速率设定为R_b＝8.399608kbps，即一个伪码周期包含K＝8位通信数据，通信数据可能的取值m＝0,1,2,…,255。

则DS-QPSK调制信号的模型为：

其中P_I与P_Q分别表示信号功率P_I＝P_Q＝1，f₀为载波频率，C₁(t)和C₂(t)分别是取值为±1的独立m码序列优选对，d₁(t)与d₂(t)分别表示通信数据与测距数据：

d₂(t)＝1，

其中R_b＝8.399608kbps为通信速率，K＝8为伪码周期与数据宽度的比值，m表示伪码周期内K位通信数据的十进制值，取值范围为0,1,2,…,255，为向下取整函数，函数输出不大于输入的最大整数，mod为取余函数，imodj表示i除以j的余数。由于调制器件非理想等因素限制，设θ＝85°。

步骤1：利用与硬件系统相同的采样率f_s＝65.536MHz，根据系统分配的测距伪码和通信伪码优选对，对周期长度均为L_c＝8191的码序列分别进行采样与存储，不失一般性考虑两组码周期均存储L＝62500个采样点，得到两组码序列的采样值。

步骤2：对通信伪码采样值设置其相对测距伪码采样值的圆周相位偏移量l，其取值范围为0,1,…62499，并设置伪码周期内K位通信数据为m，其取值范围为0,1,…,255，则采样、解调后接收信号为

其中C₁(n)和C₂(n)分别为伪码的采样序列，通信数据d₁(n,m)表示为

步骤3：产生本地即时测距伪码，向前、向后循环移位4个采样点(1/2码片)产生超前1/2码片测距伪码与滞后1/2码片测距伪码，并分别对接收信号进行解扩与积分清除运算，得到

步骤4：采用归一化点积功率鉴别器进行鉴别，鉴别器输出结果即测距偏差近似为:

步骤5：重复步骤2至4，遍历一个码周期内的全部通信数据m＝0,1,…,255，记录鉴别器输出的测距偏差结果，计算测距偏差的最大值与方差。

步骤6：重复步骤2至5，遍历并记录通信伪码采样值相对测距伪码采样值在相位偏移l＝0,1,…62499共62500种情况下，遍历全部通信数据鉴别器输出的最大偏差与方差，并按最大偏差最小化及同等偏差下方差小的寻优原则，获得通信伪码与测距伪码的最佳相对相位偏置l_opt，表示为

或

最终获得通信伪码相对测距伪码的最佳相位偏移值l_opt。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非理想正交载波下测距和通信复合QPSK调制信号优化方法，所述调制信号包括通信伪码和测距伪码，其特征在于，在通信伪码的载波相位上增加一个圆周相位偏移量l，其中，圆周相位偏移量l的获取方法如下：

步骤1，对测距伪码和通信伪码进行相同采样率采样；初始时，圆周相位偏移量l＝0；

步骤2，设置伪码周期内的通信数据为m，利用本地即时测距伪码、本地超前1/2码片测距伪码和本地滞后1/2码片测距伪码对接收信号进行解扩与积分清除运算，并对积分清除运算结果进行码相位鉴别，获得测距偏差；m遍历0,1,2…2^K-1，其中，K为伪码周期与数据宽度的比值，获得当前l值下的2^K个测距偏差，计算所述2^K个测距偏差的最大值和方差；

步骤3，判断l是否等于L-1，其中，L为码周期内采样点个数；若是，则执行步骤4，若不是，则l加1，返回步骤2；

步骤4，比较不同l下的测距偏差最大值的大小，最小的测距偏差最大值所对应的圆周相位偏移量即为所求的圆周相位偏移量；若存在相同的最小测距偏差最大值，则具有最小方差的最小测距偏差最大值所对应的圆周相位偏移量即为所求的圆周相位偏移量。

2.如权利要求1所述的非理想正交载波下测距和通信复合QPSK调制信号优化方法，其特征在于，所述步骤2中，采用归一化点积功率鉴别器进行码相位鉴别。