CN112134821A - 基于线性调频信号的调制方法及调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种基于线性调频信号的调制方法及调制器。所述基于线性调频信号的调制方法包括：将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。本发明在一个脉冲宽度内实现对多进制数据的调制映射，从而可极大地提高通信数据的传输效率。

Description

基于线性调频信号的调制方法及调制器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地涉及一种基于线性调频信号的调制方法及调制器。
背景技术
从19世纪90年代的移动通信开始到现在，无线通信技术得到了迅猛的发展，也使人们的生活发生了巨大的变化。由于无线通信对频谱的依赖性以及频谱资源的不可再生特性，随着各种无线通信的广泛应用，各频段越来越拥挤，通信的干扰也越来越严重。为了获得大容量、高速、高安全性、高可靠性的无线通信，超宽带扩频通信技术成为解决此问题的高效方案。扩频通信技术利用信号的相关性进行通信，在发送端发送扩频码调制的信号，而在接收端利用已知的扩频码对接收信号进行相关处理。由于扩频码的自相关特性，扩频通信具备很强的抗干扰能力。
利用线性调频信号(Chirp信号，其具备天然的扩频特性)进行无线通信是一种超宽带扩频通信技术。线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)技术与直接序列扩频、跳频扩频等传统扩频技术相似，具备抗深度衰落、低发射功率、低截获概率的优点，在接收端具备高的处理增益。此外，CSS技术还具备抗频偏能力强、传输距离远、扩频容易优良性能。基于CSS技术的两种调制方式包括：二进制正交键控(Binary Orthogonal Keying，BOK)以及直接调制(Direct Modulation，DM)。BOK是利用不同的Chirp脉冲(或者多个不同脉冲的组合)来表示不同的数据，如用从低到高的线性频率变化(up-chirp)表示1，从高到低的线性频率变化(down-chirp)表示0。DM是在其他方式调制(如差分相移键控(DifferentialPhase Shift Keying，DPSK)、四相相对相移键控(Differential Quadrature ReferencePhase Shift Keying，DQPSK)等)后的信号上乘以一个Chirp信号，以达到扩频的目的。
现有的BOK以及DM技术均采用频率上升的脉冲、频率下降的脉冲或其组合形成的Chirp符号与单个数据进行映射，从而每个Chirp符号所对应的时间需要大于或者等于脉冲宽度，故一个脉冲宽度(或脉冲周期)内不能实现多进制数据的映射，导致数据的传输效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线性调频信号的调制方法及调制器，其在一个脉冲宽度内实现对多进制数据的调制映射，从而可极大地提高通信数据的传输效率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于线性调频信号的调制方法，所述调制方法包括：将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
优选地，所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure BDA0002647704240000021
通过以下方式生成：
Figure BDA0002647704240000022
或者
Figure BDA0002647704240000023
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000024
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位；或者所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure BDA0002647704240000031
通过以下方式生成：
Figure BDA0002647704240000032
或者
Figure BDA0002647704240000033
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000034
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的频率。
优选地，所述植入多普勒频移的线性调频信号的相位与时间的关系为二次多项式的函数关系或者非线性函数关系。
优选地，在执行所述将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据的步骤之前，所述调制方法还包括：对所述M进制数据进行信道编码；以及对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理。
优选地，所述调制方法还包括：将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
本发明第二方面提供一种基于线性调频信号的调制器，所述调制器包括：调制映射装置，用于将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及信号生成装置，用于根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
优选地，所述调制器还包括：数据生成装置，用于通过以下方式生成所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure BDA0002647704240000035
Figure BDA0002647704240000036
或者
Figure BDA0002647704240000037
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000041
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位；或者所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure BDA0002647704240000042
通过以下方式生成：
Figure BDA0002647704240000043
或者
Figure BDA0002647704240000044
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000045
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的频率。
优选地，所述调制器还包括：信道编码装置，用于对所述M进制数据进行信道编码；以及加扰装置，用于对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理。
优选地，所述调制器还包括：信号转换装置，用于将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
通过上述技术方案，本发明创造性地将M进制数据调制映射至M个不同的植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据(或频率数据)，再根据所述M个相位数据(或频率数据)生成M个不同的线性调频波形(即M个不同的调制信号)，由此可在一个脉冲宽度内实现对多进制数据的调制映射，从而极大地提高通信数据的传输效率。
本发明第三方面还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于线性调频信号的调制方法。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制方法的流程图；
图2A是本发明一实施例提供的频率数据(或向量)的示例；
图2B是本发明一实施例提供的相位数据(或向量)的示例。
图3A是本发明一实施例提供的与4进制数据对应的2个频率向量
Figure BDA0002647704240000051
Figure BDA0002647704240000052
的示例；
图3B是本发明一实施例提供的与4进制数据对应的2个频率向量
Figure BDA0002647704240000053
Figure BDA0002647704240000054
的示例；
图4A是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制流程；
图4B是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制流程；
图5是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的通信过程；以及
图6是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
线性调频信号(Chirp信号)的公式如下：
Figure BDA0002647704240000055
式中j为复数单位符号；φ(t)为Chirp信号的相位；
Figure BDA0002647704240000056
为幅值为1且脉冲宽度(或周期)为T的矩形脉冲信号，其具体公式表示如下：
Figure BDA0002647704240000057
对于未植入多普勒频移的线性调频信号，其相位可为：
Figure BDA0002647704240000061
故对于未植入多普勒频移的线性调频信号，其相位关于t＝0对称且频率(即相位对时间的导数)与时间成线性变化关系。本发明各个实施例中的植入多普勒频移的线性调频信号(ID-Chirp信号)是基于未植入多普勒频移的线性调频信号(即原始线性调频信号)植入多普勒频移，以形成如图2A所示的离散化的频率数据(或向量，还可称为ID-Chirp符号)。基于多个植入多普勒频移的线性调频信号可在一个脉冲周期内实现多进制数据的调制映射。
图1是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制方法的流程图。如图1所示，所述调制方法可包括步骤S101-S102。
在一实施例中，在执行步骤S101之前，所述调制方法还可包括：通过以公式(1)或(2)生成所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure BDA0002647704240000062
其中M＝2L，L为正整数，以及
Figure BDA0002647704240000063
Figure BDA0002647704240000064
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000065
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位。由于Δφm可为随机值或满足预设规律的值，故所述植入多普勒频移的线性调频信号的相位与时间的关系为二次多项式的函数关系或者非线性函数关系(该非线性函数关系可对频率数据的类型进行了扩展，由此可使用更多的频率数据的类型来表征更多进制数据的信号，例如其为双曲线)。例如，图2B示出了
Figure BDA0002647704240000066
的具体形式，其关于t＝0不再对称。
在另一实施例中，在执行步骤S101之前，所述调制方法还可包括：通过以公式(3)或(4)生成所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure BDA0002647704240000071
Figure BDA0002647704240000072
Figure BDA0002647704240000073
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000074
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n(即频率向量序号)个时间段内的频率。例如，图2A示出了
Figure BDA0002647704240000075
的具体形式，其中Δfm为一定值，故
Figure BDA0002647704240000076
为规律的频率向量。所述M个不同的频率数据
Figure BDA0002647704240000077
可选择不同的Δfm，如图3A与图3B所示。
为限制由输出Chirp波形的频谱宽度，则可以取fmn∈[-B/2,+B/2]。
上述M个不同的相位数据(或频率)数据称为M个不同的Chirp符号，故上述过程可称为生成M个不同的Chirp符号的过程，下面通过步骤S101-S102执行M进制数据对M个Chirp符号的调制映射及根据所述M个Chirp符号输出M个Chirp波形的过程。
步骤S101，将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据。
其中，M＝2L，L为正整数(L＝1、2或3等)，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据。
例如，对于4进制调制系统，其相关参数为：信号带宽B＝100KHz；脉冲周期T＝1.5ms；采样时间Ts＝1/(2*B)＝1e-5s；M＝4；以及N＝100。
表1 4进制码元与4个Chirp符号之间的映射关系
Figure BDA0002647704240000081
具体地，可按照表1的映射关系执行步骤S101中的调制映射过程。当然，在本发明的另一实施例中，还可按照“00 01 10 11”与
Figure BDA0002647704240000082
或其他的映射方式执行调制映射。
步骤S102，根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
根据上述步骤S101得到的M个不同的相位数据(或频率数据)及上述公式(1)可生成M个不同的调制信号(即Chirp波形)，并且所生成的M个调制信号与M进制数据一一对应。
在执行所述输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号的步骤之后，所述调制方法还可包括：将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
如图4A所示，基于线性调频信号的调制流程可主要包括：输入码流；将M进制码元调制映射至M个ID-Chirp符号(该M个ID-Chirp符号已提前生成)；基于M个ID-Chirp符号输出M个Chirp波形；以及执行频谱搬移以形成射频信号。当然，如图4B所示，基于线性调频信号的调制流程还可主要包括：输入码流；将M进制码元调制映射至M个ID-Chirp符号；生成所述M个ID-Chirp符号；基于M个ID-Chirp符号输出M个Chirp波形；以及执行频谱搬移以形成射频信号。上述内容阐述了Chirp信号的调制过程(简称为Chirp调制)。
在本发明一实施例中，还可对数据进行信道编码以通过增加冗余来提高数据传输的可靠性。另外，由于当数据重复传输时，能量就会集中在某一频率上，从而产生EMI噪声，故在本发明该实施例中在数据进中加入扰码，能把集中的能量分散开，将可能产生的EMI噪声变成白噪声。具体地，所述调制方法还可包括：对所述M进制数据进行信道编码；以及对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理，如图5所示。
具体地，以图5为例说明基于线性调频信号的通信过程，其可包括步骤S501-S507。
步骤S501，输入数据。
步骤S502，对数据进行基带处理。
具体地，所述对数据进行基带处理包括：进行信道编码及加扰处理。
步骤S503，对经加扰处理后的数据进行Chirp调制。
步骤S504，通过信道传输经Chirp调制的数据。
步骤S505，对来自信道的所述数据进行Chirp解调。
基于压缩脉冲的时域偏移量来实现Chirp解调。具体地，对所述数据进行匹配滤波以获取压缩脉冲的时域偏移量，并基于表1中的码元与压缩脉冲的时域偏移量之间的映射关系，实现解映射过程。
步骤S506，对经Chirp解调的数据进行基带处理。
具体地，所述对经Chirp解调的数据进行基带处理包括：对所述数据进行信道解码及解扰处理。
步骤S507，输出数据。
综上所述，本发明创造性地将M进制数据调制映射至M个不同的植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据(或频率数据)，再根据所述M个相位数据(或频率数据)生成M个不同的线性调频波形(即M个不同的调制信号)，由此可在一个脉冲宽度内实现对多进制数据的调制映射，从而极大地提高通信数据的传输效率。
图6是本发明一实施例提供的基于线性调频信号的调制器的结构图。如图6所示，所述调制器可包括：调制映射装置10，用于将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及信号生成装置20，用于根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
优选地，所述调制器还包括：数据生成装置(未示出)，用于通过以下方式生成所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure BDA0002647704240000101
或者
Figure BDA0002647704240000102
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000103
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位；或者所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure BDA0002647704240000104
通过以下方式生成：
Figure BDA0002647704240000105
或者
Figure BDA0002647704240000106
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure BDA0002647704240000107
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的频率。
优选地，所述调制器还包括：信道编码装置(未示出)，用于对所述M进制数据进行信道编码；以及加扰装置，用于对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理。
优选地，所述调制器还包括：信号转换装置(未示出)，用于将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
有关本发明提供的基于线性调频信号的调制器的具体细节及益处可参阅上述针对基于线性调频信号的调制方法的描述，于此不再赘述。
本发明另一实施例还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于线性调频信号的调制方法。
所述机器可读存储介质包括但不限于相变内存(相变随机存取存储器的简称，Phase Change Random Access Memory，PRAM，亦称为RCM/PCRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体(Flash Memory)或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备等各种可以存储程序代码的介质。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于线性调频信号的调制方法，其特征在于，所述调制方法包括：
将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及
根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的调制方法，其特征在于，
所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure FDA0002647704230000011
通过以下方式生成：
Figure FDA0002647704230000012
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure FDA0002647704230000013
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位；或者
所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure FDA0002647704230000014
通过以下方式生成：
Figure FDA0002647704230000015
或者
Figure FDA0002647704230000016
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure FDA0002647704230000017
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的频率。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的调制方法，其特征在于，所述植入多普勒频移的线性调频信号的相位与时间的关系为二次多项式的函数关系或者非线性函数关系。
4.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的调制方法，其特征在于，在执行所述将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据的步骤之前，所述调制方法还包括：
对所述M进制数据进行信道编码；以及
对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理。
5.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的调制方法，其特征在于，所述调制方法还包括：
将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
6.一种基于线性调频信号的调制器，其特征在于，所述调制器包括：
调制映射装置，用于将M进制数据调制映射至M个不同的相位数据或M个不同的频率数据，其中M＝2L，L为正整数，以及所述相位数据或所述频率数据为植入多普勒频移的线性调频信号的离散化的相位数据或频率数据；以及
信号生成装置，用于根据所述M个不同的相位数据或所述M个不同的频率数据，生成并输出与所述M进制数据相对应的M个调制信号。
7.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的调制器，其特征在于，所述调制器还包括：
数据生成装置，用于通过以下方式生成所述M个不同的相位数据中的任一相位数据
Figure FDA0002647704230000031
Figure FDA0002647704230000032
或者
Figure FDA0002647704230000033
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δφm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure FDA0002647704230000034
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的相位；或者
所述M个不同的频率数据中的任一频率数据
Figure FDA0002647704230000035
通过以下方式生成：
Figure FDA0002647704230000036
或者
Figure FDA0002647704230000037
其中，N为未植入多普勒频移的线性调频信号的脉冲周期被划分的时间段的个数，Δfm为随机值、满足预设规律的值或定值，
Figure FDA0002647704230000038
为第m个未植入多普勒频移的线性调频信号在第n个时间段内的频率。
8.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的调制器，其特征在于，所述调制器还包括：
信道编码装置，用于对所述M进制数据进行信道编码；以及
加扰装置，用于对经信道编码的所述M进制数据进行加扰处理。
9.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的调制器，其特征在于，所述调制器还包括：
信号转换装置，用于将所述M个调制信号从基带信号转换为射频信号，以通过信道传输所述射频信号。
10.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述权利要求1-5中任一项所述的基于线性调频信号的调制方法。
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