CN109150233A - 一种直扩dpsk信号的调制解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种直扩DPSK信号的调制解调方法，产生一组0/1原始数据；对原始数据进行2/3卷积编码与差分编码；利用扩频码对编码后的数据进行扩频处理；对对扩频后的信号进行载波调制，得到直扩DPSK信号；对接收到的直扩DPSK信号进行下变频与低通滤波处理，将频谱搬移至零频附近；对下变频后的数据进行同步，同步包括捕获与跟踪，利用匹配滤波捕获伪码相位差，利用多延迟相关算法捕获多普勒频偏值，完成粗同步过程；通过超前滞后延迟锁相环进行码跟踪，通过Costas环进行载波相位跟踪，实现码相位和载波的同步；对同步后的信号进行解扩解调，获得传输信息。本发明提高了信号抗干扰能力，且进行了伪码与载波的同步，保证了接收端的正确解扩解调。

Description

一种直扩DPSK信号的调制解调方法
技术领域
本发明属于直扩信号调制解调技术领域，具体为一种直扩DPSK信号的调制解调方法。
背景技术
在军用数据链中，接收信号含有大多普勒频偏，且电磁环境复杂，因此还需具有抗干扰能力和低截获性能。G.J.R.Povey等人首先提出基于数字部分匹配滤波器与FFT相结合(PMF-FFT)的捕获模型，这种方法虽然在一定程度上缓解了多普勒频偏对伪码捕获性能的影响，并且实现了伪码相位和载波频偏的二维捕获，但是这种方法主要适应于MPSK信号，并且多普勒频偏的捕获范围较小，高动态、低信噪比环境下仍然不适用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种直扩DPSK信号的调制解调方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种直扩DPSK信号的调制解调方法，包括以下步骤：
步骤1、产生一组0/1原始数据；
步骤2、对原始数据进行2/3卷积编码与差分编码；
步骤3、利用扩频码对编码后的数据进行扩频处理；
步骤4、对对扩频后的信号进行载波调制，得到直扩DPSK信号；
步骤5、对接收到的直扩DPSK信号进行下变频与低通滤波处理，将频谱搬移至零频附近；
步骤6、对下变频后的数据进行同步，同步包括捕获与跟踪，利用匹配滤波捕获伪码相位差，利用多延迟相关算法捕获多普勒频偏值，完成粗同步过程；通过超前滞后延迟锁相环进行码跟踪，通过Costas环进行载波相位跟踪，实现码相位和载波的同步；
步骤7、对同步后的信号进行解扩解调，获得传输信息。
优选地，步骤1中原始数据速率为3.5kbps。
优选地，原始数据长度为1000bit—2000bit。
优选地，步骤2中原始数据经2/3卷积编码后的速率为Rb＝5.25kbps。
优选地，步骤3中所用的扩频码为Gold码，码长N＝2048，速率为Rc＝10.752Mchip/s。
优选地，步骤6中多延迟相关算法估计结果为：
其中，d为延迟数，Dmax为最大延迟量，RD(i)为接收信号与本地伪码的相关函数，arg[z]表示复数z的角度，为多普勒估计值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提高了信噪比，增强信号的抗干扰能力，为军用数据链中信号传输提高技术支持：2)本发明采用扩频与卷积编码技术，在获得扩频增益的基础上再获得编码增益，有效提高了接收信号的信噪比，增强了信号抗干扰能力，优化了链路性能；3)本发明采用DPSK信号而非BPSK信号，避免了解调时的“倒π”现象；4)本发明采用多延迟相关技术，多普勒频偏估计的精度高，复杂度较低，易于实现。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是码长N＝2048的Gold码发生器框图。
图2是直扩DPSK信号的频谱图。
图3是直扩DPSK信号解扩模型。
图4是基于匹配滤波器的伪码捕获框图。
图5是多延迟相关算法的处理框图。
图6是超前滞后延迟锁相环的结构框图。
图7是Costas环的结构框图。
图8是直扩DPSK信号的误码率随信噪比变化的曲线。
图9是一种直扩DPSK信号的调制解调方法流程图。
具体实施方式
如图9所示，本发明提供一种直扩DPSK信号的调制解调方法，发送端采用扩频与卷积编码技术，接收端对信号进行同步、解扩、解调，可以提高信噪比，增强抗干扰性能。
首先，产生一组速率为3.5kbps、长度为1000bit的0/1原始数据，对原始数据进行2/3卷积编码与差分编码。卷积编码后，数据速率变为Rb＝5.25kbps。
扩频通信系统区别于传统通信系统的关键在于用扩频码来实现信号的扩频和解扩，所以扩频码的性能直接关系到扩频系统的性能，扩频码的选择对扩频通信系统来说十分重要。比较常见的伪随机序列有m序列、M序列和Gold序列，本发明选用Gold序列。Gold序列是m序列的复合码序列，具有良好的自相关性和互相关特性，数量远大于m序列，且结构简单易于实现。r级线性移位寄存器序列，一共能产生2r-1个Gold序列。图1为码长N＝2048的模二和型Gold码发生器框图，模二和型是直接将m序列优选对输出序列进行模二加，从而得到Gold序列。本发明选用r＝11级移位寄存器，产生2047长度的Gold序列，并对其补零，得到N＝2048的Gold码，产生框图如图1所示。利用Gold码，对编码后的数据进行扩频处理。
对扩频后的信号进行载波调制，其中载波频率为fc＝30MHz，采样速率为fs＝86.016MHz，发送端得到的直扩DPSK信号功率谱如图2所示。
图3是直扩DPSK信号解扩接收机模型。接收端对接收到的直扩DPSK信号进行下变频与低通滤波处理，将频谱搬移至零频附近；对下变频后的数据进行同步，同步包括捕获与跟踪。利用匹配滤波捕获伪码相位差，利用多延迟相关算法捕获多普勒频偏值；捕获是粗同步过程，通过超前滞后延迟锁相环进行码跟踪，通过Costas环进行载波相位跟踪，实现了码相位和载波的同步过程；对同步后的信号进行解扩解调，获得传输信息。
接收信号与数控振荡器(NCO)产生的同相和正交本振信号相乘进行数字下变频，下变频输出经过低通滤波器后得到基带信号。
1、匹配滤波算法
基于匹配滤波的伪码捕获算法是利用伪码优良的自相关特性，将接收到的信号与本地伪码进行时域上的相关运算，当接收信号与本地伪码的相位对齐时，相关函数的波形会出现一个尖锐的相关峰，如果该相关峰的峰值超过了预设的门限，则认为捕获成功，根据相关峰的位置即可得到接收信号中伪码延迟的码片数，否则的话认为捕获失败，继续进行捕获。
基于匹配滤波器的伪码捕获框图如图4所示，主要由与数字下变频、波形函数相乘、抽取、匹配滤波器、判决器这几个模块组成。
已知噪声与伪码不相关，将同相支路yI(·)和正交支路yQ(·)的信号分别进行匹配滤波后的输出可表示为
其中，表示卷积；(·)N表示进行模N运算，Tc＝1/Rc为扩频码码片周期，N为本地伪码c(i)的周期；Rc(·)为伪码自相关函数；ε为伪码偏移个数；A1和A2为幅度常数项；fd为多普勒频偏；Sa(x)＝sinx/x。
根据式(1)可以判断出相关峰由N个码片相加而成，所以相关峰的峰值也达到N。两路信号进行匹配滤波后分别进行平方相加，再将开一次根号得到的信号输入至判决器，此时的信号可表示为：
其中，A为处理后的幅度常数项；Sa(x)＝sinx/x。
2、多延迟相关算法
延迟相关算法首先分别将接收信号y(i)和本地码c(i)做D延迟相关，得到修正信号yD(i)和本地修正码cD(i)，其次将修正信号与本地修正码相关得到相关峰，最后根据相关峰的相位估计出多普勒频偏。多延迟相关即基于多个不同的延迟量进行延迟相关，最后将每个延迟量的处理结果求平均，以达到提高精度的目的。多延迟相关算法的处理过程如图5所示，共有d个延迟过程，每个过程的延迟量D取值范围为[Dmax-d+1,Dmax]，其中Dmax为最大延迟量。
将接收信号y(n)进行延迟处理得到修正信号yD(i)，即将接收信号做D个样点的延迟后与未延迟信号的共轭相乘处理，即
yD(n)＝y*(n)·y(n+D) (3)
同样地，本地码c(n)也需要进行修正，即做同样的延迟处理：
cD(n)＝c*(n)c(n+D) (4)
每次延迟过程的本地修正码的延迟量与接收信号的延迟量相同，最终将每次延迟得到的相关函数求平均，可表示为：
其中，N为扩频码周期，d为延迟过程，D为每个过程的延迟量，Dmax为最大延迟量。
相关函数RD(i)的相关峰达到最大值时可表示为：
其中，为码相位误差的估计值。
最后将这d个过程的多普勒频偏估计结果取平均，即为多延迟算法最后的估计结果，如式(7)所示。
其中，arg[z]为复数z的角度；表示相关峰输出结果。
多普勒频偏的估计误差为：
多普勒频偏估计的范围为：
其中，Rc为扩频码速率；Dmax为最大延迟量。多普勒频偏的估计值得到后，将多普勒频偏补偿掉。
3、超前滞后延迟锁相环
超前滞后延迟锁相环的工作原理如图6所示，将直扩DPSK信号的I、Q两支路的信号与分别与本地超前码和滞后码相乘累加，再采用超前-滞后能量差鉴别法得到误差信号，接着将该误差信号经环路滤波器滤波后用反馈的方式控制本地伪码产生器。
直扩DPSK信号的I支路和Q支路，分别与本地产生的超前码和滞后码相乘后累加，累加长度为伪码周期N。假设累加时，剩余频差Δf不发生改变，累加后输出的四路信号在时刻tk可表示为
其中，Tc＝1/Rc；为时延ε的估计值；Rc(·)为伪码的自相关函数；nIe、nQe、nId、nQd分别为累加后的各支路噪声分量。
采用超前-滞后能量差鉴别算法，滞后信号能量减超前信号能量，可得到鉴相器输出的误差信号为
其中，为码相位跟踪误差；k为一非零常数。从式(14)可以看出，鉴相器的输出误差信号不受调制信息的影响。
4、Costas环
经过多延迟相关捕获后，载波频偏被补偿到只剩几百赫兹的剩余频差，处于Costas环的快捕带内，因此可以用Costas环对其进行载波跟踪及调整。
Costas环的结构框图如图7所示，z(i)为经多普勒补偿后的直扩DPSK信号，再将其下变频且低通滤波后，形成I、Q两个支路。将两路信号分别送入鉴相器，可得到一个与载波相位相关的函数，再经环路滤波器滤除掉高频分量，最后通过环路滤波器的输出控制本地载波NCO，将本地载波与接收信号的载波调节至无偏差，从而达到载波跟踪的目的。
在信号的捕获模块和跟踪模块都完成后，信号与本地伪码达到码相位和多普勒同时同步的状态，系统可以对信号进行解扩解调的操作。信号解扩通常采用的方法是匹配滤波，得到匹配相关峰，由于相关峰的峰值是扩频码累加获得，所以这里在解扩的时候能够获取扩频增益，理论上来说，该扩频增益可表示为
Gp＝10lgN(dB) (13)
其中，N为扩频码长度；lg为以10为底的对数运算。本发明的扩频码为2048位的Gold码，所以扩频增益为Gp＝10lg2048≈33dB。图8是直扩DPSK信号的误码率随信噪比变化的曲线，与未经扩频与卷积编码的DPSK信号解调后的误码率进行对比，误码率为10-4级时，直扩DPSK信号和DPSK信号的输入信噪比分别为-20dB和8dB，可以发现，直扩DPSK信号的信噪比在DPSK信号的基础上改善了28dB左右，与理论值33dB相比，有5dB左右的误差。

Claims (6)

1.一种直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、产生一组0/1原始数据；
步骤2、对原始数据进行2/3卷积编码与差分编码；
步骤3、利用扩频码对编码后的数据进行扩频处理；
步骤4、对对扩频后的信号进行载波调制，得到直扩DPSK信号；
步骤5、对接收到的直扩DPSK信号进行下变频与低通滤波处理，将频谱搬移至零频附近；
步骤6、对下变频后的数据进行同步，同步包括捕获与跟踪，利用匹配滤波捕获伪码相位差，利用多延迟相关算法捕获多普勒频偏值，完成粗同步过程；通过超前滞后延迟锁相环进行码跟踪，通过Costas环进行载波相位跟踪，实现码相位和载波的同步；
步骤7、对同步后的信号进行解扩解调，获得传输信息。
2.根据权利要求1所述的直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，步骤1中原始数据速率为3.5kbps。
3.根据权利要求1所述的直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，原始数据长度为1000bit—2000bit。
4.根据权利要求1所述的直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，步骤2中原始数据经2/3卷积编码后的速率为Rb＝5.25kbps。
5.根据权利要求1所述的直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，步骤3中所用的扩频码为Gold码，码长N＝2048，速率为Rc＝10.752Mchip/s。
6.根据权利要求1所述的直扩DPSK信号的调制解调方法，其特征在于，步骤6中多延迟相关算法估计结果为：
其中，d为延迟数，Dmax为最大延迟量，RD(i)为接收信号与本地伪码的相关函数，arg[z]表示复数z的角度，为多普勒估计值，Rc为伪码自相关函数。
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