CN111211807A - 一种多路载波叠加多址接入方法及系统 - Google Patents

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CN111211807A CN202010185697.XA CN202010185697A CN111211807A CN 111211807 A CN111211807 A CN 111211807A CN 202010185697 A CN202010185697 A CN 202010185697A CN 111211807 A CN111211807 A CN 111211807A
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齐东元
史焱
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Abstract

本发明公开了一种多路载波叠加多址接入方法，包括信号发射过程，信号发射过程包括以下步骤：S11：对需要传输的第一路宽带信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第一路调制后的信号
Figure 389372DEST_PATH_IMAGE001
；对需要传输的其他N路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第n调制后的信号
Figure 269472DEST_PATH_IMAGE002
；其中，第一路信号为宽带信号，其余N‑1路信号为窄带信号；S12：将
Figure 596548DEST_PATH_IMAGE002
与等长度的伪随机序列
Figure 412058DEST_PATH_IMAGE003
相乘，得到扩频后的信号
Figure 965530DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 524687DEST_PATH_IMAGE003
之间相互正交；S13：将
Figure 863527DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 584358DEST_PATH_IMAGE005
进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。本发明还公开了采用该方法的相应解调系统。本发明充分结合卫星信号业务不同传输速率的特点，能够提升频带利用率，并且节约卫星系统的时隙资源等。

Description

一种多路载波叠加多址接入方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及一种多路载波叠加多址接入方法及系统。
背景技术
全球90％的贸易运输由海运承担，海运已成为国家的战略性产业。卫星通信由于不受地域限制， 是海上通信的首选手段。海运业的发展变化对海上卫星通信提出了更高的要求。
卫星通信由于带宽资源稀缺，资费较为昂贵，目前主要用于公务通信，保障船舶与岸上的日常通 信联络，一般以语音和电子邮件通信为主。公务通信以及卫星信令信号一般要求稳定可靠，但业务量通常 不太多，卫星通信链路大多数时间是空闲的，因此本发明称此类业务为窄带业务信号，若单独将此业务划 分出独立的信道或者时隙，将会造成系统的资源浪费。与此同时，在船舶上工作的海员由于长时间远离亲 友和陆地生活，迫切需要与外界沟通和交流，以改善远洋生活和娱乐条件，缓解精神压力，这类需求往往 需要很高的速率以及占用很高的带宽，本发明称此为宽带业务信号。
根据不同的业务需求和灵活性，并且充分的利用卫星的频谱资源，即可大幅降低卫星通信的成本， 因此具有非常重要的意义。
目前国际上面向海洋船舶提供通信服务的卫星通信系统，需要支持用户多样化的通信需求，提供 多元化服务，例如：收发邮件、即时通信、网页浏览、语音通话、视频流、船舶定位、内容服务等。根据 用户不同的应用需求，系统支持16Kbps～19.4Mbps速率的数据业务，且一路信道能够同时支持多个站点之 间的话音、数据或图像连接，在卫星通信系统中，若调制方式固定，其传输速率跟带宽直接相关。针对不 同带宽要求的信道，例如低速的信令信道、文字、语音业务信道，还有高速的视频流信号，在现有的卫星 通信系统中主要采用时分(Time Divide,TD)或者频分(Frequency Divide,FD)的形式，所付出的代 价是系统的频带利用率的降低。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种多路载波叠加多址接入方法及系统，能够提升频带利用率， 节约系统时隙资源。
技术方案：本发明所述的一种多路载波叠加多址接入方法，包括信号发射过程，信号发射过程包 括以下步骤：
S11：对需要传输的第一路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第一路调制后的信号s1(t)； 对需要传输的其余N-1路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第n调制后的信号sn(t)；其中， 第一路信号为宽带信号，其余N-1路信号为窄带信号且其频谱分布在宽带信号频带范围内，且相互不重合； S12：将sn(t)与伪随机序列cn(t)相乘，得到扩频后的信号
Figure RE-GDA0002459893240000011
S13：将s1(t)和
Figure RE-GDA0002459893240000012
进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。
进一步，一种多路载波叠加多址接入方法，其特征在于：还包括信号接收过程，信号接收过程包 括以下步骤：
S21：电磁波信号通过天线接收，再经低噪声放大器和下变频器得到中频信号；
S22：一部分中频信号分为N-1路，分别与伪随机序列cn(t)相乘，得到解扩后的信号，然后将解扩后的信 号通过N-1个中心频率的带通滤波器、BPSK解调、信道译码和信源译码后得到N-1路窄带信号传输的信息。
S23：一部分中频信号通过带通滤波后、经过一段延时，然后减去N-1路信号解调后的信号，再经过BPSK 解调、信道译码和信源译码后得到第一路宽带信号传输的信息；
进一步，所述伪随机序列cn(t)通过移位寄存器产生。
进一步，所述伪随机序列cn(t)为M序列或者Gold序列，且序列长度相同且序列之间相互正交。
进一步，一种多路载波叠加多址接入方法，包括发射机和接收机；发射机包括第一信源编码器和 第二信源编码器，第一信源编码器的输入端输入需要传输的第一路信号，第一信源编码器的输出端连接第 一信道编码器的输入端，第一信道编码器的输出端连接第一BPSK调制器的输入端，第一BPSK调制器的输 出端连接第一加法器的一个输入端，剩余N-1路信源编码器的输入端输入需要传输的第n路信号，第n信 源编码器的输出端连接第n信道编码器的输入端，第n信道编码器的输出端连接第n BPSK调制器的输入 端，第n BPSK调制器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的另一个输入端输入伪随机序列cn(t)，将N-1个乘法器的输出端分别连接加法器的输入端后再加到第一加法器上，第一加法器的输出端连接上变 频器的输入端，上变频器的输出端连接天线。
进一步，一种多路载波叠加多址接入方法的系统所述接收机包括低噪声放大器，天线接收的信号 通过低噪声放大器传输至下变频器的输入端，下变频器的输出端分别连接第一带通滤波器的输入端和延时 器的一个输入端，延时器的输出端连接一个加法器的输入端；下变频器的输出端还连接着其他N-1路乘法 器的输入端，乘法器另一个输入伪随机序列cn(t)，乘法器的输出端连接第n个带通滤波器的输入端，第 n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解调器的输入端；第n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解调器的 输入端，第n BPSK解调器的输出端连接第n信道译码器的输入端，第n信道译码器的输出端连接第n信 源译码器的输入端，第n信源译码器的输出端输出第n路窄带信号传输的信息；N-1路BPSK解调器的输出 端连接乘法器一个输入端，乘法器另一个输入端为伪随机序列cn(t)，N-1个乘法器的输出端取负值后连 接接第一路的加法器，第一路加法器的输出端连接第一路BPSK解调器的输入端，第一BPSK解调器输出端 连接第一信道译码器的输入端，第一信道译码器的输出端连接第一信源译码器的输入端，第一信源译码器 的输出端输出第一路宽带信号传输的信息。
有益效果
本发明公开了一种多路载波叠加多址接入方法及系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)本发明充分结合卫星信号业务不同传输速率的特点，将多路窄带的信号通过扩频之后叠加在宽带信号 之中，增加了系统的频带利用率，节约了系统的时隙资源；
2)本发明结合了卫星通信有高速的业务通道、低速的业务通道或者低速的信令通道的传输特点；
3)若同时发射窄带信号数量不多的情况下，由于窄带扩频信号在传输过程中，功率谱密度极地，通常可 以低于噪声功率谱密度，而且其又可以受扩频码序列控制，导致其功率谱统计特性类似白噪声，致使发射 的信号完全淹没在噪声之中，若无特殊的接收设备，根本无法检测到，因此该信道具有非常强的隐蔽性； 随着计算机处理速度越来越快以及量子计算的出现，高层加密可靠性大大降低，因此在物理层实现抗截获 的效果，将大大提升系统的安全性；若卫星通信系统中传输保密信号，很难被截获；同时该信号隐藏在正 常信号之中，更难被检测出来，因此本发明本质上也实现了一种隐藏通信的效果；
4)对于低速率的扩频信号，由于其占用的带宽相对较大，所以小部分的频谱衰落不会使得信号严重畸变， 也具有抗频率选择性衰落的特点；卫星通信由于其受雨衰或者对流层闪烁等影响，偶尔会出现通信中断的 情况，这种时候会对商业卫星通信系统的用户体验非常差，而且由于通信中断，用户的风险也成倍的增加； 使用本发明的直接扩频通信方案，能够在极端恶劣的情况下保持通信；
5)本发明业务支持灵活可变，多路扩频信号可以根据需要叠加在授权频段的任意部分或者全部；在接收 时，只要将窄带信号的干扰准确的消除，对宽带信号的损伤并不大。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中端对端卫星通信系统的示意图；
图2为本发明具体实施方式中发射机的示意图；
图3为本发明具体实施方式中接收机的示意图；
图4为本发明具体实施方式中直接序列扩频OCMA频谱叠加前后示意图；
图5为本发明具体实施方式中双向信道直接扩频OCMA频谱叠加示意图；
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种多路载波叠加多址接入方法，包括信号发射过程和信号接收过程。“多路载波 叠加多址”的英文缩写为OCMA。
信号发射过程包括以下步骤：
S11：对需要传输的第一路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第一路调制后的信号s1(t)， 如式(1)所示；对需要传输的其余N-1路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第n路调制后 的信号sn(t)，如式(2)所示；其中，第一路信号为宽带信号，其余N-1路信号为窄带信号；信源编码方 式可以选择霍夫曼编码、L-Z编码等，减少冗余，增加传输效率；信道编码一般采用卷积码、LDPC码或者 Polar码等，通过特定的方式增加冗余，提升编码的纠错能力；
Figure RE-GDA0002459893240000031
Figure RE-GDA0002459893240000032
其中，P1为第一路信号的平均功率，Pn为第n路信号的平均功率，f0为第一路信号载波中心频率，fn为 第n路信号载波中心频率且其在第一路载波信号带宽之内，θ1和θn为BPSK调制的信息，m1(t)和mn(t)为 二进制数字信号，m1(t),mn(t)＝an，an∈{-1,+1}，kTb≤t≤(k+1)Tb，1/Tb为比特速率，k为整数； S12：将sn(t)与伪随机序列cn(t)相乘，得到扩频后的信号
Figure RE-GDA0002459893240000033
如式(3)所示；
Figure RE-GDA0002459893240000034
其中，cn(t)＝cn，cn∈{-1,+1}，kTc≤t≤(k+1)Tc，cn(t)为相互正交的PN码序列，其速率称为码片 速率，码片速率Rc＝1/Tc；码片速率是信息速率的整数倍，扩频因子M＝Rc/Rb＝Tb/Tc，且扩频因子 需要根据传输的性能指标以及业务需求进行选择；
S13：将s1(t)和
Figure RE-GDA0002459893240000035
进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。上变频后的信号S(t)如式(4) 所示；
Figure RE-GDA0002459893240000041
根据通信原理基本知识可知，s1(t)的功率谱函数PS1(f)和
Figure RE-GDA0002459893240000042
的功率谱函数PSn(f)分别为：
Figure RE-GDA0002459893240000043
Figure RE-GDA0002459893240000044
上述频谱示意图如图4所示。通过上述频谱分析可知，在N路信号的平均功率相同的情况下，扩频信号的 带宽扩展了M＝Tb/Tc倍，功率谱密度下降了(N-1)/M倍。假设卫星通信在的高斯白噪声信道下，为 了正常接收BPSK信号，需要接收端信号功率谱中心点密度与噪声谱密度的比值为10dB。若第一路宽带信 号的发送功率是第二路扩频前信号发射功率的10倍，其余N-1路扩频前信号功率谱中心点密度是噪声谱 密度10倍，窄带信号采用扩频BPSK传输，扩频因子N＝1024，等效于带宽扩展了1024倍，则扩频信号的 功率谱密度下降了1024倍(约30dB)。此时，若窄带信号有1路，扩频后信号的功率谱中心点密度与噪声 的功率谱密度比值为-10dB，扩频信号基本淹没在噪声当中(扩频信号的功率谱密度是噪声的十分之一)， 若窄带信号有100路，扩频后信号的功率谱中心点密度与噪声的功率谱密度比值为10dB，扩频后叠加的信 号与宽带信号在功率谱上几乎重合。
信号接收过程包括以下步骤：
S21：电磁波信号通过天线接收，再经低噪声放大器和下变频器得到中频信号y(t)；
Figure RE-GDA0002459893240000045
其中，n(t)为卫星通信传输过程中的加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为
Figure RE-GDA0002459893240000046
S22：一部分中频信号与伪随机序列ck(t)相乘，得到第k路解扩后的信号，然后将解扩后的信号通过带通 滤波、BPSK解调、信道译码和信源译码后得到第k路窄带信号传输的信息。
Figure RE-GDA0002459893240000047
上式中经过扩频码进行解扩之后，原宽带信号等效被扩频，其频谱密度相当于降低了30dB(假设1024倍 扩频)，宽带信号在传输的带宽内，功率谱下降到噪声功率谱下10dB。由于扩频码的高度自相关性，低速 率信号被解扩之后恢复至扩频前的信号，噪声信号经过扩频之后，噪声功率谱保持不变。此时，窄带信号 功率谱中心点是噪声功率谱的10倍，由于宽带信号经过扩频并通过带通滤波器之后，功率谱降低了30dB。 同时由于PN序列彼此正交，不会产生相互的干扰，同时，窄带信号彼此带宽又不重合，通过滤波器后， 可以分别进行正常解调。因此，低速率信号达到BPSK解调的标准，得以正常解调。解调后的信号经过信 道译码和信源译码即可得到原窄带信号的传输信息。
S23：另一部分中频信号通过带通滤波、后经过一个时延，且时延等待时间为各路窄带信号进行 BPSK解调的时间；
S24：在窄带信号经过BPSK解调之后，让其与原路对应的PN码相乘，然后用第一路时延后的信号减去重 构的窄带信号，然后再经过BPSK解调、信道译码和信源译码后得到第一路宽带信号传输的信息；
步骤S24中，使用延时的重叠的信号减去重构的窄带信号，即可得到原宽带信号。
伪随机序列c(t)通过移位寄存器产生，又称作PN码。例如常用的M序列就是有特定的现行反馈 的移位寄存器产生。当一个线性反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式时即成为M序列，一个本原多 项式f*(x)＝xnf(x-1)。长度为M＝2n-1的M序列个数取决于n次本原多项式的个数，同时可以对M 序列进行优选，选择M序列的优选对作为PN码发生器。另外一种常用的PN码生成器是Gold序列，其具 有更好的周期互相关特性，其主要依靠两个M序列优选对进行异或运算的结果。
PN码应该遵循以下原则：
①有尖锐的自相关性，要求直接扩频扩频码相关主峰尽可能高，旁瓣尽量小，以利于在接收机中将低速率 信号剥离出；
②序列具有平衡性，防止出现载波泄露；
③工程上便于产生和复制。
本具体实施方式还公开了采用上述方法的系统，如图1所示，系统两个地面终端通过卫星进行连 接，卫星作为一个透明转发器。传输的信道包括信令信道、业务信道等。例如，船舶卫星通信系统中，在 船端和岸端需在一个固定带宽之内传输一路视频业务和一段文本业务，本发明将多路信号的载波进行叠加 传输。系统包括发射机和接收机。
如图2所示，发射机包括发射机包括第一信源编码器和第二信源编码器，第一信源编码器的输入 端输入需要传输的第一路信号，第一信源编码器的输出端连接第一信道编码器的输入端，第一信道编码器 的输出端连接第一BPSK调制器的输入端，第一BPSK调制器的输出端连接第一加法器的一个输入端，剩余 N-1路信源编码器的输入端输入需要传输的第n路信号，第n信源编码器的输出端连接第n信道编码器的 输入端，第n信道编码器的输出端连接第n BPSK调制器的输入端，第n BPSK调制器的输出端连接乘法器 的一个输入端，乘法器的另一个输入端输入伪随机序列cn(t)，将N-1个乘法器的输出端分别连接加法器 的输入端后再加到第一加法器上，第一加法器的输出端连接上变频器的输入端，上变频器的输出端连接天 线。
如图3所示，接收机包括低噪声放大器，天线接收的信号通过低噪声放大器传输至下变频器的输 入端，下变频器的输出端分别连接第一带通滤波器的输入端和延时器的一个输入端，延时器的输出端连接 一个加法器的输入端；下变频器的输出端还连接着其他N-1路乘法器的输入端，乘法器另一个输入伪随机 序列cn(t)，乘法器的输出端连接第n个带通滤波器的输入端，第n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解 调器的输入端；第n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解调器的输入端，第n BPSK解调器的输出端连接 第n信道译码器的输入端，第n信道译码器的输出端连接第n信源译码器的输入端，第n信源译码器的输 出端输出第n路窄带信号传输的信息；N-1路BPSK解调器的输出端连接乘法器一个输入端，乘法器另一个 输入端为伪随机序列cn(t)，N-1个乘法器的输出端取负值后连接接第一路的加法器，第一路加法器的输 出端连接第一路BPSK解调器的输入端，第一BPSK解调器输出端连接第一信道译码器的输入端，第一信道 译码器的输出端连接第一信源译码器的输入端，第一信源译码器的输出端输出第一路宽带信号传输的信 息。
本发明业务支持灵活可变，卫星通信系统中分为前向信号和反向信号，所提出的通信系统可以灵 活使用，扩频信号叠加在整个授权频段之内，如图5所示。

Claims (6)

1.一种多路载波叠加多址接入方法，其特征在于：包括信号发射过程，信号发射过程包括以下步骤：
S11：对需要传输的第一路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第一路调制后的信号
Figure 153553DEST_PATH_IMAGE001
；对需要传输的其余N-1路信号进行信源编码、信道编码和BPSK调制，得到第n调制后的信号
Figure 642303DEST_PATH_IMAGE002
；其中，第一路信号为宽带信号，其余N-1路信号为窄带信号且其频谱分布在宽带信号频带范围内，且相互不重合；
S12：将
Figure 864468DEST_PATH_IMAGE002
与伪随机序列
Figure 856695DEST_PATH_IMAGE003
相乘，得到扩频后的信号
Figure 755381DEST_PATH_IMAGE004
；
S13：将
Figure 465848DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 724660DEST_PATH_IMAGE005
进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。
2.根据权利要求1所述的多路载波叠加多址接入方法，其特征在于：还包括信号接收过程，信号接收过程包括以下步骤：
S21：电磁波信号通过天线接收，再经低噪声放大器和下变频器得到中频信号；
S22：一部分中频信号分为N-1路，分别与伪随机序列
Figure 571393DEST_PATH_IMAGE003
相乘，得到解扩后的信号，然后将解扩后的信号通过N-1个中心频率的带通滤波器、BPSK解调、信道译码和信源译码后得到N-1路窄带信号传输的信息；
S23：一部分中频信号通过带通滤波后、经过一段延时，然后减去N-1路信号解调后的信号，再经过BPSK解调、信道译码和信源译码后得到第一路宽带信号传输的信息。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的多路载波叠加多址接入方法，其特征在于：所述伪随机序列
Figure 906560DEST_PATH_IMAGE003
通过移位寄存器产生。
4.根据权利要求1或2中任意一项所述的多路载波叠加多址接入方法，其特征在于：所述伪随机序列
Figure 838744DEST_PATH_IMAGE003
为M序列或者Gold序列，且序列长度相同且序列之间相互正交。
5.采用权利要求1所述的多路载波叠加多址接入方法的系统，其特征在于：包括发射机和接收机；发射机包括第一信源编码器和第二信源编码器，第一信源编码器的输入端输入需要传输的第一路信号，第一信源编码器的输出端连接第一信道编码器的输入端，第一信道编码器的输出端连接第一BPSK调制器的输入端，第一BPSK调制器的输出端连接第一加法器的一个输入端，剩余N-1路信源编码器的输入端输入需要传输的第n路信号，第n信源编码器的输出端连接第n信道编码器的输入端，第n信道编码器的输出端连接第n BPSK调制器的输入端，第n BPSK调制器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的另一个输入端输入伪随机序列
Figure 651979DEST_PATH_IMAGE003
，将N-1个乘法器的输出端分别连接加法器的输入端后再加到第一加法器上，第一加法器的输出端连接上变频器的输入端，上变频器的输出端连接天线。
6. 根据权利要求5所述的采用多路载波叠加多址接入方法的系统，其特征在于：所述接收机包括低噪声放大器，天线接收的信号通过低噪声放大器传输至下变频器的输入端，下变频器的输出端分别连接第一带通滤波器的输入端和延时器的一个输入端，延时器的输出端连接一个加法器的输入端；下变频器的输出端还连接着其他N-1路乘法器的输入端，乘法器另一个输入伪随机序列
Figure 369530DEST_PATH_IMAGE006
，乘法器的输出端连接第n个带通滤波器的输入端，第n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解调器的输入端；第n带通滤波器的输出端连接第n BPSK解调器的输入端，第n BPSK解调器的输出端连接第n信道译码器的输入端，第n信道译码器的输出端连接第n信源译码器的输入端，第n信源译码器的输出端输出第n路窄带信号传输的信息；N-1路BPSK解调器的输出端连接乘法器一个输入端，乘法器另一个输入端为伪随机序列
Figure 610019DEST_PATH_IMAGE006
，N-1个乘法器的输出端取负值后连接接第一路的加法器，第一路加法器的输出端连接第一路BPSK解调器的输入端，第一BPSK解调器输出端连接第一信道译码器的输入端，第一信道译码器的输出端连接第一信源译码器的输入端，第一信源译码器的输出端输出第一路宽带信号传输的信息。
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