CN109039975A - 一种多次重复移相的码移键控调制方法及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多次重复移相的码移键控调制方法及其解调方法。由若干二进制比特组成的一组电文通过码移键控方式，以相同的相位重复调制N个相同的伪随机序列，将N个初始相位相同的伪随机序列顺序连接，组成新的调制符号，完成多次重复移相的码移键控调制；接收端采用梳状滤波器将接收到的同一符号内的N组伪随机序列数据叠加为1组伪随机序列数据，再与接收端本地产生的伪随机序列进行匹配滤波，搜索相关峰对应的伪随机序列相位，完成R‑CSK的电文解调。综合考虑扩频增益、信息传输速率、误码率和调制解调信号处理复杂度等因素，本发明方法相较常规CSK调制方法有更好的性能。

Description

一种多次重复移相的码移键控调制方法及其解调方法

技术领域

本发明属于通信、导航信号设计技术领域，具体涉及一种多次重复移相的码移键控调制方法及其解调方法。

背景技术

相较于DSSS直序扩频方式，码移键控调制方式(简称CSK调制方式)可以在保持扩频伪随机序列相关特性的同时传输更多的信息比特，在扩频通信中得到广泛应用。

常规CSK调制方式中，调制电文的符号时间长度T_S一般等于扩频伪随机序列的周期时间T_C。对于码片长度为L、周期时间为T_C的扩频伪随机序列，最大可播发电文信息速率为R＝K/T_S，其中，K为满足2^K≤L条件的整数。受到信号发射功率或到达接收端信号功率的限制，为保证获得足够低的信息传输误码率，实际选取的K值往往远远小于理论上可能选取的最大K值。

一种提高CSK调制方式信息传输速率的方法是，增加一个符号内传输信息比特数K的同时，增加调制电文符号的时间长度，提升接收端接收信号符号的能量，改善信息传输的误码率。但是这种方法同时也同步增加了扩频伪随机序列的周期时间T_C和码片长度L，导致CSK调制与解调信号处理量的增加，大幅提高了接收端解调CSK电文的软硬件成本和功耗。另一种提高CSK调制方式信息传输速率的方法是，增加一个符号内传输信息比特数K的同时，增加调制电文符号的时间长度，降低扩频伪随机序列的码片速率，在同步增加扩频伪随机序列周期T_C的同时，保持扩频伪随机序列的码片长度L不变，从而避免增加CSK调制与解调信号处理量的增加，维持接收端解调CSK电文的软硬件成本和功耗。但是，降低扩频伪随机序列的码片速率会导致信号频谱扩展宽度下降，从而导致接收端信号功率密度增加，不适用于卫星通信和卫星导航等对信号落地功率通量密度有严格限制的领域。

本发明提出的多次重复移相的码移键控调制方法(简称R-CSK调制方法)及其解调方法，可以在提高CSK调制信息传输速率的同时，保持接收端信号功率密度不变，避免大幅增加接收端解调CSK电文的软硬件成本和功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效提高码移键控调制与解调方式信息传输效率的技术方法，可应用于通信、导航系统中的电文传输信号设计与信号接收机设计。

为了解决前述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种多次重复移相的码移键控调制方法，其特征在于，

在同一传输符号内对伪随机序列重复同一相位的码移键控调制多次，包括如下步骤：

首先，采用预设键控调制方法，针对给定的一组传输电文进行码移键控调制，获得伪随机序列，其中，伪随机序列的相位受传输电文控制；

其次，重复上述码移键控调制过程多次，将初始相位相同的多个伪随机序列顺序连接，构成调制后的传输符号，即基带信号。

作为本发明的一种优选技术方案：在上述多次重复移相的码移键控调制方法中，按如下方法，构建基带信号：

首先，针对电文进行信道编码得到编码后的比特流D(t)；

其次，根据时序发生器提供的符号时钟，对电文编码后所对应的比特流进行1->K_R串/并转换，得到并行数据流，其中每K_R-bit并行数据持续时间(符号时间长度)等于伪随机序列周期时间的N倍；

然后，根据时序发生器提供的伪随机序列周期时钟，由相位选择模块产生并行数据流所对应的伪随机序列相位偏移量；

最后，根据时序发生器所提供的伪随机序列周期时钟、伪随机序列码片时钟、以及并行数据流所对应的相位偏移量，采用预设键控调制方法，对伪随机序列发生器产生的伪随机序列重复多次进行码移键控调制，获得调制后的伪随机序列即为基带信号S(t)。作为本发明的一种优选技术方案：上述符号时钟为伪随机序列周期时钟的整数倍，并与伪随机序列周期时钟同步。

作为本发明的一种优选技术方案：在上述多次重复移相的码移键控调制方法中，按如下方法，构建射频发射信号：

首先，对生成的基带信号S(t)进行载波调制生成中频载波信号，调制采用BPSK、QPSK、FSK或其它同等的载波调制方式；

其次，对生成的中频载波信号进行上变频至所需的发射频率，生成射频载波信号；

然后，对生成的射频载波信号进行功率放大，送至发射天线。

另外，本发明还提供一种针对上述多次重复移相的码移键控调制方法的解调方法，采用如下方法实现电文解调：

首先，接收机天线接收的射频载波信号经过射频前端(RF Front-End)处理输出数字中频信号；

其次，数字中频信号传递给数字下变频模块，数字下变频模块在外部输入的接收机的本地中频信号和接收信号中的载波多普勒频偏信号的作用下，将数字中频信号转变为IQ两路正交的基带信号；

再次，IQ两路的正交基带信号传递给梳状滤波器，梳状滤波器在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，将同一符号周期中N个时间长度为T_C的数据块叠加变换为一个时间长度为T_C的数据块，并将结果输出给匹配滤波模块；

然后，匹配滤波模块在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，将接收到的时间长度为T_C的数据块与本地伪随机序列发生器生成的伪随机序列进行相关匹配计算，相关结果输出给相关峰搜索模块，搜索相关峰对应的本地伪随机序列相位，并将相位转换为比特数据输出；

最后，将相关峰搜索模块输出的比特数据经过信道译码模块得到传输的电文数据。

作为一优选方案，在上述解调方法中，梳状滤波器实现方式如下：

首先，梳状滤波器在外部输入的伪随机序列周期时钟的控制下，将输入数据顺序时延N-1次，每次时延伪随机序列周期时间T_C秒，然后将N-1次时延数据与输入数据叠加后送给数据截取模块；

其次，数据截取模块在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，截取输入数据流，输出同一符号内叠加了N次的数据，数据时间长度为伪随机序列周期时间T_C秒。

本发明的多次重复移相的码移键控调制与解调方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出的多次重复移相的码移键控调制与解调方法，电文播发端由于采用多次重复移相的码移键控调制方法，与常规CSK相比，可以保证在有效信息速率相同的情况下，获得更好的信息传输误码率性能；可以在提高CSK调制信息传输速率的同时，保持接收端信号功率密度不变，避免大幅增加接收端解调CSK电文的软硬件成本和功耗；解调部分采用梳状滤波器，将接收到的同一符号内的N组伪随机序列数据叠加为1组伪随机序列数据，与采用相同伪随机序列速率，伪随机序列周期等于本发明提出的符号长度的常规CSK调制相比，可以在保证相同解调性能的同时，有效降低接收机的解调成本。本发明方法适用于通信、导航系统设计等领域。

附图说明

图1为R-CSK调制时序图；

图2为常规CSK调制时序图；

图3为本发明设计的一种电文发信机原理框图；

图4为一种常规CSK调制电文接收机原理框图；

图5为本发明设计的一种电文接收机原理框图；

图6为本发明设计的电文接收机中的梳状滤波器构成框图；

图7为本发明R-CSK的信息传输误码率与常规CSK信息误码率的效果对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1给出了R-CSK调制时序图，播发电文的符号时间长度T_S,R等于伪随机序列的周期时间T_C的N倍，采用K_R-bit表示一个符号，信息速率R_R＝K_R/T_S,R bps，K_R-bit对应PRN的初始相位表示成十进制数值范围为即最多可以表示个相位，以相同的相位重复调制N个相同的伪随机序列(即图1中K_R-bit电文(m)与N个PRN(m)对应)，将N个初始相位相同的伪随机序列顺序连接，组成新的调制符号，完成多次重复移相的码移键控调制。图1中K_R-bit电文(m)与PRN(m)对应只是本发明的一个实施例，也可以为其它对应关系。

图2给出了常规CSK调制时序图，播发电文的符号长度T_S等于伪随机序列的周期长度T_C，采用K-bit表示一个符号，信息速率R＝K/T_S bps，K-bit对应PRN的初始相位表示成十进制数值范围为M＝0,1,…,2^K-1，即最多可以表示2^K-1个相位，以K-bit符号表示的初始相位对伪随机序列进行调制，完成CSK调制。图2中K-bit电文(m)与PRN(m)对应只是本发明的一个实施例，也可以为其它对应关系。

本发明设计的一种多次重复移相的码移键控调制方法，实际应用当中，如图3所示，采用如下方法实现电文播发。

首先，采用预设键控调制方法，针对给定的一组传输电文进行码移键控调制，获得伪随机序列，其中，伪随机序列的相位受传输电文控制；

其次，重复上述码移键控调制过程多次，将初始相位相同的多个伪随机序列顺序连接，构成调制后的传输符号。

按如下方法，构建基带信号；

首先，针对电文进行信道编码得到编码后的比特流D(t)；

其次，根据时序发生器提供的符号时钟T_S,R，对电文编码后所对应的比特流进行1->K_R串/并转换，得到K_R-bit并行数据流，其中每K_R-bit并行数据持续时间T_S,R(符号时间长度)等于伪随机序列周期时间T_C的N倍；

然后，根据时序发生器提供的伪随机序列周期时钟(图中简化为序列周期时钟)和伪随机序列码片时钟(图中简化为序列码片时钟)，由相位选择模块产生并行数据流所对应的伪随机序列相位偏移量，由于符号时钟和序列周期时钟同步，在同一个符号持续时间内可以产生N个相同的相位偏移量；

最后，根据时序发生器所提供的序列周期时钟、序列码片时钟、以及并行数据流所对应的N个相同的相位偏移量，采用预设键控调制方法，对伪随机序列发生器重复产生的N个伪随机序列设置相同的初始相位，形成N个时间上接续、初始相位相同的伪随机序列信号即为基带信号S(t)。

然后，对生成的基带信号进行载波调制得到中频载波信号，再针对中频载波信号进行上变频处理，获得射频载波信号，最后经功率放大处理，交由发射天线进行播发。

采用BPSK载波调制时，射频发射信号表达如下：

其中，P_s表示射频信号发射功率，f_c表示发射信号频率。BPSK载波调制只是本发明的一个应用实例，也可以是QPSK、FSK等其他载波调制方式。

针对上述设计的多次重复移相的码移键控调制方法，本发明进一步设计了多次重复移相的码移键控调制的解调方法。图4首先给出了一种常规CSK调制电文接收机原理框图；

首先，接收机天线接收的射频载波信号经过射频前端(RF Front-End)处理输出数字中频信号；

其次，数字中频信号在数字下变频模块中，与外部输入的本地中频信号和接收信号的载波多普勒频偏信号混频，完成数字下变频，输出正交的IQ两路基带数据，并将IQ两路数据输出给匹配滤波模块；

然后，匹配滤波模块在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟(图中简化为序列周期时钟)的控制下，将接收到的时间长度为T_C的IQ数据块与伪随机序列发生器在序列周期时钟和伪随机序列码片时钟(图中简化为序列码片时钟)控制下生成的伪随机序列进行相关匹配计算，相关结果输出给相关峰搜索模块，搜索相关峰对应的本地伪随机序列相位，并将相位转换为比特数据输出；

最后，将相关峰搜索模块输出的比特数据经过信道译码模块得到传输的电文数据。

图5给出了本发明设计的一种电文接收机原理框图，

首先，接收机天线接收的射频载波信号经过射频前端(RF Front-End)处理输出数字中频信号；

其次，数字中频信号在数字下变频模块中，与外部输入的本地中频信号和接收信号的载波多普勒频偏信号混频，完成数字下变频，输出正交的IQ两路基带数据，并将IQ两路数据输出给梳状滤波器；

再次，基带IQ两路数据传递给梳状滤波器，梳状滤波器将同一符号内的N组伪随机序列数据叠加为1组伪随机序列数据；

其中，梳状滤波器构成框图如图6所示：梳状滤波器在外部输入伪随机序列周期时钟(图中简化为序列周期时钟)的控制下，将输入数据顺序时延N-1次，每次时延伪随机序列周期时间T_C秒，然后将N-1次时延数据与输入数据叠加后送给数据截取模块；其次，数据截取模块在外部输入的符号时钟和序列周期时钟的控制下，截取输入数据流，输出同一符号内叠加了N次的数据，数据时间长度为伪随机序列周期时间T_C秒。截取数据输送给匹配滤波模块。

然后，匹配滤波模块在外部输入的符号时钟和序列周期时钟的控制下，将接收到的长度为T_C的数据块与伪随机序列发生器在序列周期时钟和伪随机序列码片时钟(图中简化为序列码片时钟)控制下生成的伪随机序列进行相关匹配计算，相关结果输出给相关峰搜索模块，搜索相关峰对应的本地伪随机序列相位，并将相位转换为比特数据输出；

最后，将相关峰搜索模块输出的比特数据经过信道译码模块得到传输的电文数据。

为了更直观的体现本发明提出的多次重复移相的码移键控调制与解调方法的有效性，图7给出了本发明R-CSK的信息传输误码率与常规CSK信息误码率的效果对比图，针对常规CSK和R-CSK在传输信息速率一致的条件下的误码率性能进行理论计算，相关符号及对应关系约定如下：

在常规CSK中，伪随机序列周期时间为T_C,码片长度为L，符号时间长度为T_S，其中T_S＝T_C，采用K-bit表示一个符号，则进制M＝2^K,信息速率R＝K/T_S；

常规CSK调制的相干解调符号误码率计算公式如下：

换算为信息比特误码率的公式如下：

在R-CSK中，伪随机序列周期时间为T_C,码片长度为L，符号时间长度为T_S,R，采用K_R-bit表示一个符号，重复次数为N，为达到与常规CSK传输信息速率一致，需满足K_R＝NK,T_S,R＝NT_S，则进制M_R＝2^NK＝M^N，信息速率R_R＝K_R/T_S,R＝NK/NT_C＝K/T_S＝R；

将R-CSK的M_R带入CSK调制的相干解调符号误码率计算公式，则可以得到R-CSK的相干解调符号误码率计算公式：

换算为信息比特误码率的公式如下：

为计算方便，不失一般性，取K＝2(即M＝4)，N＝2(即M_R＝16)进行仿真，效果对比图如图7所示，可以看出在相同信息传输速率和相同E_b/N₀比特能量噪声密度比的情况下，本发明提出的R-CSK调制方法获得的相干解调信息比特误码率较常规CSK调制方法得到的相干解调信息比特误码率低，传输性能更好。同样的结论也可以从CSK调制非相干解调的信息比特误码率计算公式获得。从图7可以推算出，在信息比特误码率相同的情况下，本发明提出的R-CSK调制方法传输信息所需的比特能量更少。或者可以说，在信息比特误码率和信息比特能量相同的情况下，本发明提出的R-CSK调制方法可以得到更高信息传输速率。

本发明设计的一种多次重复移相的码移键控调制与解调方法中，电文播发端由于采用多次重复移相的码移键控调制方法，与常规CSK相比，可以保证在有效信息速率相同的情况下，获得更好的信息传输误码率性能；可以在提高CSK调制信息传输速率的同时，保持接收端信号功率密度不变，避免大幅增加接收端解调CSK电文的软硬件成本和功耗；解调部分采用梳状滤波器，将接收到的同一符号内的N组伪随机序列数据叠加为1组伪随机序列数据，与采用相同伪随机序列速率，伪随机序列周期等于本发明提出的符号长度的常规CSK调制相比，可以在保证相同解调性能的同时，有效降低接收机的解调成本。本发明方法适用于通信、导航系统设计等领域。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种多次重复移相的码移键控调制方法，其特征在于：在同一传输符号内对伪随机序列重复同一相位的码移键控调制多次，包括如下步骤：

首先，采用预设键控调制方法，针对给定的一组传输电文进行码移键控调制，获得伪随机序列，其中，伪随机序列的相位受传输电文控制；

然后，重复上述码移键控调制过程多次，将初始相位相同的多个伪随机序列顺序连接，构成调制后的传输符号。

2.根据权利要求1所述的多次重复移相的码移键控调制方法，其特征在于：按如下方法构建基带信号，

首先，针对电文进行信道编码得到编码后的比特流D(t)；

其次，根据时序发生器提供的符号时钟，对电文编码后所对应的比特流进行1->K_R串/并转换，得到并行数据流，其中每K_R-bit并行数据持续时间、即符号时间长度等于伪随机序列周期时间的N倍；

然后，根据时序发生器提供的伪随机序列周期时钟，由相位选择模块产生并行数据流所对应的伪随机序列相位偏移量；

最后，根据时序发生器所提供的伪随机序列周期时钟、伪随机序列码片时钟、以及并行数据流所对应的相位偏移量，采用预设键控调制方法，对伪随机序列发生器产生的伪随机序列重复多次进行码移键控调制，获得调制后的伪随机序列即为基带信号S(t)。

3.根据权利要求2所述的多次重复移相的码移键控调制方法，其特征在于：所述符号时钟为伪随机序列周期时钟的整数倍，并与伪随机序列周期时钟同步。

4.根据权利要求2所述的一种多次重复移相的码移键控调制方法，其特征在于：按如下方法构建射频发射信号；

首先，对生成的基带信号S(t)进行载波调制生成中频载波信号，调制采用BPSK、QPSK、FSK或其它同等的载波调制方式；

其次，对生成的中频载波信号进行上变频至所需的发射频率，生成射频载波信号；

然后，对生成的射频载波信号进行功率放大，送至发射天线。

5.一种针对权利要求1～4所述的多次重复移相的码移键控调制方法的解调方法，其特征在于：相关匹配解调电文前，采用梳状滤波器叠加接收到的基带数据，减少接收端解调电文的信号处理工作量，

首先，接收机天线接收的射频载波信号经过射频前端处理输出数字中频信号；

其次，数字中频信号传递给数字下变频模块，数字下变频模块在外部输入的接收机的本地中频信号和接收信号中的载波多普勒频偏信号的作用下，将数字中频信号转变为IQ两路正交的基带信号；

再次，IQ两路的正交基带信号传递给梳状滤波器，梳状滤波器在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，将同一符号周期中N个时间长度为T_C的数据块叠加变换为一个时间长度为T_C的数据块，并将结果输出给匹配滤波模块；

然后，匹配滤波模块在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，将接收到的时间长度为T_C的数据块与本地伪随机序列发生器生成的伪随机序列进行相关匹配计算，相关结果输出给相关峰搜索模块，搜索相关峰对应的本地伪随机序列相位，并将相位转换为比特数据输出；

最后，将相关峰搜索模块输出的比特数据经过信道译码模块得到传输的电文数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述梳状滤波器的实现方式如下：

首先，梳状滤波器在外部输入的伪随机序列周期时钟的控制下，将输入数据顺序时延N-1次，每次时延伪随机序列周期时间T_C秒，然后将N-1次时延数据与输入数据叠加后送给数据截取模块；

其次，数据截取模块在外部输入的符号时钟和伪随机序列周期时钟的控制下，截取输入数据流，输出同一符号内叠加了N次的数据，数据时间长度为伪随机序列周期时间T_C秒。