CN111478754B - 一种信号调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信号调制方法，属于CSS通信技术领域，包括：步骤S1，对输入信号进行截断处理，以生成第一信号段和第二信号段；步骤S2，根据输入信号的传输距离选择不同的调制方式进行符号调制，以得到第一调制信号，第一调制信号为复数调制符号；步骤S3，对第二信号段进行Chirp调制处理，以得到第二调制信号，第二调制信号为Chirp信号离散序列；步骤S4，将第一调制信号和第二调制信号相乘，以生成多级调制的CSS信号序列；有益效果是：实现多进制的调制，不仅简单易于实现，而且在没有增加系统的接收复杂度的同时改变了仅仅使用CSS通信的低速率问题。

Description

一种信号调制方法
技术领域
本发明涉及CSS通信技术领域，尤其涉及一种信号调制方法。
背景技术
进入21世纪以来，将CSS技术用于扩频通信的研究发展日益活跃，尤其随着超宽带(UWB)技术的发展，将CSS技术与UWB的宽带低功率谱相结合形成的Chirp-UWB通信，利用Chirp技术产生超宽带宽，同时具备二者的优势，增强了抗干扰与抗噪声的能力。
常用的扩频技术主要有三种：直接序列扩频、跳频和Chirp扩频(Chirp SpreadSpectrum)技术。Chirp扩频技术的抗多普勒频移能力更强，且可有效的抗深度衰落。具体来说，Chirp扩频的处理增益由信号的时间带宽积(TB)决定，而Chirp信号的时间带宽积远大于1，所以利用Chirp脉冲传送数据，有较强的抗干扰能力。Chirp扩频利用了非常宽的频带，即使在非常低的发射功率下，仍然可以抗多径衰落。同时Chirp扩频还能抗移动通信中常见的多普勒频移。
目前用于Chirp扩频通信的调制方法可分为两大类：二进制正交键控(BinaryOrthogonal Keying，BOK)调制和直接调制(Direct Modulation，DM)。在BOK中，Chirp信号被用于表示调制后的符号；而在DM中，Chirp信号仅用于扩展已调信号的频谱。在DM系统中，信号先是经过数字调制，如DPSK、QPSK等，后直接乘以一个单级调制的Chirp信号(如公式1所示)，用于对已调信号进行扩展。在这里，Chirp信号的功能与直接扩频序列中PN序列的功能相同。DM调制中调制模块与扩频模块分开。Chirp信号只起到扩频作用，不能用来表达输入符号。
传统的单级调制Chirp是基于某一特定的比如QPSK+Chirp信号的CSS通信，仅适合某一特定的距离，也就是说在这一特定的距离中这种组合通信性能好一些，但距离一旦变长，通信的速率就下降。同时，现有的单级调制Chirp方法并未考虑数据特征，在Chirp调制时，仅仅对Chirp进行周期采样便生成类似扩频码的序列。利用Chirp调制时，现有的方法不够灵活并且效率低。因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的Chirp调制方法，可以克服传统的单级调制Chirp存在的不足。
发明内容
根据现有技术中存在的上述问题，现提供一种信号调制方法，通过让符号映射和Chirp序列的产生都与数据特征关联，且在不同的距离下，通过不同的调制方法与不同周期的Chirp序列信号的组合来根据距离进行切换，从而实现多进制的调制，不仅简单易于实现，而且在没有增加系统的接收复杂度的同时改变了仅仅使用CSS通信的低速率问题。
上述技术方案具体包括：
一种信号调制方法，其中，提供一待调制的输入信号，所述调制方法进一步包括：
步骤S1，对所述输入信号进行截断处理，以生成第一信号段和第二信号段；
步骤S2，根据所述输入信号的传输距离选择不同的调制方式进行符号调制，以得到第一调制信号，所述第一调制信号为复数调制符号；
步骤S3，对所述第二信号段进行Chirp调制处理，以得到第二调制信号，所述第二调制信号为Chirp信号离散序列；
步骤S4，将所述第一调制信号和所述第二调制信号相乘，以生成多级调制的CSS信号序列。
优选地，其中，所述输入信号由M+N比特构成，所述第二信号段包括M比特，所述第一信号段包括N比特，将所述M比特对应的比特表示为[b0,b1,b2,…bM-1]，所述M比特对应的数值根据如下公式定义：
Figure BDA0002544099720000031
所述步骤S3进一步包括：
步骤S31，对所述第二信号段进行Chirp调制输出原初序列Z；
步骤S32，根据如下公式对所述原初序列Z做K位的循环移位，得到相应的输出序列Z_shift：
Z_shift＝[zK-1 … zN-1 z0 … zK-2]
其中，所述输出序列Z_shift和所述原初序列Z的元素对应关系，满足下面公式：
zshift,n＝z((n+K)modN),n＝0,1,2,…N-1
步骤S33，将所述输出序列Z_shift输出为所述第二调制信号。
优选地，其中，所述原初序列Z满足如下公式：
Z＝[z0,z1,…,zn,…,zN-1]
其中，
zn＝x(nT/N),n＝0,1,2,…,N-1。
优选地，其中，所述步骤S4中，所述CSS信号序列满足如下公式：
Z_out＝b(2mi)·Z_shiftT
其中，
Z_out用于表示所述CSS信号序列；
b(2mi)用于表示所述第一调制信号，其中不同的m对应不同的调制方式；
Z_shift用于表示第二调制信号。
优选地，其中，所述步骤S2中，所述调制方式包括π/2-BPSK、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。
优选地，其中，所述π/2-BPSK根据如下公式将第一信号段映射成所述第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000041
其中，
b(i)用于表示所述第一信号段中的比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
优选地，其中，所述BPSK根据如下公式将第一信号段映射成所述第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000042
其中，
b(i)用于表示所述第一信号段中的比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
优选地，其中，所述QPSK根据如下公式将第一信号段映射为所述第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000043
其中，
b(2i),b(2i+1)用于表示所述第一信号段中的一对比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
优选地，其中，所述16QAM根据如下公式将第一信号段映射为所述第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000051
其中，
b(4i),b(4i+1),b(4i+2),b(4i+3)用于表示所述第一信号段中的四个比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
优选地，其中，所述64QAM将第一信号段中的6个比特映射为所述第一调制信号；所述256QAM是将第一信号段中8个比特映射为所述第一调制信号。
上述技术方案的有益效果在于：
提供一种信号调制方法，通过让符号映射和Chirp序列的产生都与数据特征关联，且在不同的距离下，通过不同的调制方法与不同周期的Chirp序列信号的组合来根据距离进行切换，从而实现多进制的调制，不仅简单易于实现，而且在没有增加系统的接收复杂度的同时改变了仅仅使用CSS通信的低速率问题。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例中，一种信号调制方法的步骤流程图；
图2是本发明的较佳实施例中，一种信号调制方法的结构示意图；
图3是本发明的较佳实施例中，π/2-BPSK调制方式对应的信号矢量图；
图4是本发明的较佳实施例中，BPSK调制方式对应的信号矢量图；
图5是本发明的较佳实施例中，QPSK调制方式对应的信号矢量图；
图6是本发明的较佳实施例中，16QAM调制方式对应的信号矢量图；
图7是本发明的较佳实施例中，基于距离切换多级调制的CSS通信示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种信号调制方法，其中，提供一待调制的输入信号，如图1-2所示，调制方法进一步包括：
步骤S1，对输入信号进行截断处理，以生成第一信号段和第二信号段；
步骤S2，根据输入信号的传输距离选择不同的调制方式进行符号调制，以得到第一调制信号，第一调制信号为复数调制符号；
步骤S3，对第二信号段进行Chirp调制处理，以得到第二调制信号，第二调制信号为Chirp信号离散序列；
步骤S4，将第一调制信号和第二调制信号相乘，以生成多级调制的CSS信号序列。
作为优选的实施方式，步骤S2中，调制器输入的是二进制的数据0、1，通过符号调制，生成复数调制符号。
在本发明的较佳实施例中，输入信号由M+N比特构成，第二信号段包括M比特，第一信号段包括N比特，将M比特对应的比特表示为[b0,b1,b2,…bM-1]，M比特对应的数值根据如下公式定义：
Figure BDA0002544099720000071
步骤S3进一步包括：
步骤S31，对第二信号段进行Chirp调制输出原初序列Z；
步骤S32，根据如下公式对原初序列Z做K位的循环移位，得到相应的输出序列Z_shift：
Z_shift＝[zK-1 … zN-1 z0 … zK-2]
其中，输出序列Z_shift和原初序列Z的元素对应关系，满足下面公式：
zshift,n＝z((n+K)modN),n＝0,1,2,…N-1
步骤S33，将输出序列Z_shift输出为第二调制信号。
具体的，在本实施例中，输入信号为M+N比特。步骤1将输入信号截取为两端，段一为N比特(bit)，N表示比特数，用于符号的映射，段二为M比特(bit)，用于确定Chirp序列。
将输出序列Z_shift输出为Chirp信号离散序列，实现了利用数据特征确定移位长度。
对于步骤2中的不同符号调制方式(π/2-BPSK、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM)，通过不同的调制方法与不同周期的Chirp序列信号的组合来根据不同的距离进行切换。相对于传统的其他调制方式-Chirp扩频通信的方法，本发明所提供的方法不仅仅针对某一种调制，而是可以根据距离灵活选取调制方式，而且可以针对通信的距离长短切换适合的调制方式。本发明在没有增加系统复杂度的同时，也改变了仅仅使用CSS通信的低速率问题。
在步骤1中将输入信号M+N比特截取成M比特和N比特时，可以根据步骤2中的K值进行选择。
在步骤4中，将复数调制符号和Chirp信号离散序列做乘法，生成多级调制的CSS信号序列。
复数调制符号的表达式为b(2mi)，取不同的m对应不同的调制方式；Chirp信号离散序列为Z_shift；多级调制的CSS信号序列记为Z_out，Z_out与复数调制符号和多级调制的CSS信号序列的关系表示为：
Z_out＝b(2mi)·Z_shiftT。
即是：
Z_out＝b(2mi)·[zK-1 … zN-1 z0 … zK-2]T
其中m＝0,1,2…用于选择调试方式。
每一个符号乘循环移位产生的Chirp序列，将信号扩展了Chirp序列长度对应的倍数，实现了CSS通信。如图7所示，这种将Chirp信号序列与不同的调制方式相结合使用的方式便是CSS的整个过程。
在本发明的较佳实施例中，原初序列Z满足如下公式：
Z＝[z0,z1,…,zn,…,zN-1]
其中，
zn＝x(nT/N),n＝0,1,2,…,N-1。
具体的，在本实施例中，对于传统的单级调制Chirp，时域信号可以表示为：
Figure BDA0002544099720000091
其中：B用于表示扫频带宽，T用于表示扫频周期，f0用于表示载频频率，j为虚数单位。
在一个扫频周期(又称为采样周期)T内，其离散方式可以表示为由一个长度为N的矢量构成。Chirp信号的离散序列为：
Z＝[z0,z1,…,zn,…,zN-1]
每个元素定义如下：
zn＝x(nT/N),n＝0,1,2,…,N-1。
在本发明的较佳实施例中，步骤S4中，CSS信号序列满足如下公式：
Z_out＝b(2mi)·Z_shiftT
其中，
Z_out用于表示CSS信号序列；
b(2mi)用于表示第一调制信号，其中不同的m对应不同的调制方式；
Z_shift用于表示第二调制信号。
在本发明的较佳实施例中，步骤S2中，调制方式包括π/2-BPSK、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。
在本发明的较佳实施例中，π/2-BPSK根据如下公式将第一信号段映射成第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000092
其中，
b(i)用于表示第一信号段中的比特；
d(i)用于表示第一调制信号。
在本发明的较佳实施例中，BPSK根据如下公式将第一信号段映射成第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000101
其中，
b(i)用于表示第一信号段中的比特；
d(i)用于表示第一调制信号。
具体的，在上述实施例中，π/2-BPSK与BPSK两种调制方式对应的信号矢量图分别如图3和图4所示。其中，π/2-BPSK与BPSK的一个复数符号表示一个比特。经过符号映射后生成复数调制符号，例如：N比特对应的序列[0,1]，采用BPSK调制，生成的复数调制符号为：
Figure BDA0002544099720000102
在本发明的较佳实施例中，QPSK根据如下公式将第一信号段映射为第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000103
其中，
b(2i),b(2i+1)用于表示第一信号段中的一对比特；
d(i)用于表示第一调制信号。
具体的，在本实施例中，利用编码规则表示00、01、10、11，QPSK对应的信号矢量图如图5所示。
在本发明的较佳实施例中，16QAM根据如下公式将第一信号段映射为第一调制信号：
Figure BDA0002544099720000104
其中，
b(4i),b(4i+1),b(4i+2),b(4i+3)用于表示第一信号段中的四个比特；
d(i)用于表示第一调制信号。
其中，16QAM调制方式对应的信号矢量图如图6所示。
在本发明的较佳实施例中，64QAM将第一信号段中的6个比特映射为第一调制信号；256QAM是将第一信号段中8个比特映射为第一调制信号。
具体的，在本实施例中，64QAM是根据如下公式将6个比特b(6i),b(6i+1),b(6i+2),b(6i+3),b(6i+4),b(6i+5)映射为复数调制符号d(i)：
Figure BDA0002544099720000111
256QAM是根据如下公式将8个比特
b(8i),b(8i+1),b(8i+2),b(8i+3),b(8i+4),b(8i+5),b(8i+6),b(8i+7)映射为复数调制符号d(i)：
Figure BDA0002544099720000112
上述介绍的不同的调制方式可以用在不同距离切换时。并且高阶调制的数据符号包含多个比特信息，传输速率更快，比如16QAM，一个符号包含四个比特信息，而QPSK符号包含两个的信息。在同一符号速率下，16QAM的传输速率比QPSK高一倍。
上述技术方案的有益效果在于：
提供一种信号调制方法，通过让符号映射和Chirp序列的产生都与数据特征关联，且在不同的距离下，通过不同的调制方法与不同周期的Chirp序列信号的组合来根据距离进行切换，从而实现多进制的调制，不仅简单易于实现，而且在没有增加系统的接收复杂度的同时改变了仅仅使用CSS通信的低速率问题。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种信号调制方法，其特征在于，提供一待调制的输入信号，所述调制方法进一步包括：
步骤S1，对所述输入信号进行截断处理，以生成第一信号段和第二信号段；
步骤S2，根据所述输入信号的传输距离选择不同的调制方式对所述第一信号段进行符号调制，以得到第一调制信号，所述第一调制信号为复数调制符号；
步骤S3，对所述第二信号段进行Chirp调制处理，以得到第二调制信号，所述第二调制信号为Chirp信号离散序列；
步骤S4，将所述第一调制信号和所述第二调制信号相乘，以生成多级调制的CSS信号序列。
2.根据权利要求1所述的信号调制方法，其特征在于，所述输入信号由M+N比特构成，所述第二信号段包括M比特，所述第一信号段包括N比特，将所述M比特对应的比特表示为[b0,b1,b2,...bM-1]，所述M比特对应的数值根据如下公式定义：
Figure FDA0004054131450000011
所述步骤S3进一步包括：
步骤S31，对所述第二信号段进行Chirp调制输出原初序列Z；
步骤S32，根据如下公式对所述原初序列Z做K位的循环移位，得到相应的输出序列Z_shift：
Z_shift＝[zK-1…zN-1z0…zK-2]
其中，所述输出序列Z_shift和所述原初序列Z的元素对应关系，满足下面公式：
zshift,n＝z((n+K)modN),n＝0,1,2,...N-1
步骤S33，将所述输出序列Z_shift输出为所述第二调制信号。
3.根据权利要求2所述的信号调制方法，其特征在于，所述原初序列Z满足如下公式：
Z＝[z0,z1,...,zn,...,zN-1]
其中，
zn＝x(nT/N),n＝0,1,2,...,N-1。
4.根据权利要求1所述的信号调制方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述CSS信号序列满足如下公式：
Z_out＝b(2mi)·Z_shiftT，m＝0,1,2,...
其中，
Z_out用于表示所述CSS信号序列；
b(2mi)用于表示所述第一调制信号，其中不同的m对应不同的调制方式；
Z_shift用于表示第二调制信号。
5.根据权利要求1所述的信号调制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述调制方式为π/2-BPSK、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM256QAM中的一种。
6.根据权利要求5所述的信号调制方法，其特征在于，所述π/2-BPSK根据如下公式将第一信号段映射成所述第一调制信号：
Figure FDA0004054131450000021
其中，
b(i)用于表示所述第一信号段中的比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
7.根据权利要求5所述的信号调制方法，其特征在于，所述BPSK根据如下公式将第一信号段映射成所述第一调制信号：
Figure FDA0004054131450000031
其中，
b(i)用于表示所述第一信号段中的比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
8.根据权利要求5所述的信号调制方法，其特征在于，所述QPSK根据如下公式将第一信号段映射为所述第一调制信号：
Figure FDA0004054131450000032
其中，
b(2i),b(2i+1)用于表示所述第一信号段中的一对比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
9.根据权利要求5所述的信号调制方法，其特征在于，所述16QAM根据如下公式将第一信号段映射为所述第一调制信号：
Figure FDA0004054131450000033
其中，
b(4i),b(4i+1),b(4i+2),b(4i+3)用于表示所述第一信号段中的四个比特；
d(i)用于表示所述第一调制信号。
10.根据权利要求5所述的信号调制方法，其特征在于，所述64QAM将第一信号段中的6个比特映射为所述第一调制信号；所述256QAM是将第一信号段中8个比特映射为所述第一调制信号。
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