CN112737631A - 一种模态旋转调制及其解调方法与装置 - Google Patents

一种模态旋转调制及其解调方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于模态旋转的一种数据调制方法及模态旋转调制信号的解调方法，其中，模态旋转调制方法是由模态正交相位序列对用户数据进行模态旋转，并将模态旋转后的数据进行正交伪随机码扩频，直接序列扩频后的信号再相加形成模态旋转调制信号；模态旋转调制信号的解调方法是由正交伪随机码扩频集中的伪随机码依次对模态旋转调制信号进行解扩构建带有模态正交相位序列信息的接收矢量，并由变模态正交逆变换对带有模态正交相位序列信息的接收矢量进行解模态，变模态正交逆变换在模态集内遍历一次完成对模态旋转调制信号的解调；同时，公开了模态旋转的调制与解调的实现方法与装置。

Description

一种模态旋转调制及其解调方法与装置
技术领域
本发明涉及一种模态旋转调制及其解调方法与装置，属于通信信号处理技术与雷达信号处理技术领域。
背景技术
提升通信系统的频谱效益是通信技术发展的驱动力之一。根据已有报道，可以从信息编码的码域、频谱复用的载波域、电磁波波束复用的空间域等方面着手进一步提升通信系统的频谱效益的方法研究。根据涡旋电磁波数学模型，利用正交序列实现信号域的星座正交旋转可以构建一种模态旋转调制方法进一步提升通信系统的信道容量。
涡旋电磁波是由轨道角动量驱动的一种电磁波。其中，学界实验发现了电磁波的轨道角动量早在上世纪九十年代初，自后在光波段与无线射频波段人们对涡旋电磁波承载信息传输技术进行了研究，并取得了丰硕成果。根据现有的研究成果，学界对涡旋电磁波的场矢量建模是在平面电磁波数学模型的基础上引入了一个与模态l相关的ejlθ因子实现的，其中l被学界命名为涡旋电磁波的拓扑核，θ为围绕涡旋电磁波波束传播方向的方位角。
理论上，当l取不同数l1与l2时，因子
Figure RE-GSB0000192489510000011
与
Figure RE-GSB0000192489510000012
关于方位角θ在区间[0，2π]正交。目前，学界利用方位角θ在区间[0，2π]的有限划分构建正交相位序列
Figure RE-GSB0000192489510000013
对天线激励信号进行移相后再由UCA阵列产生涡旋电磁波的。受此启发，本发明人(组)结合直接序列扩频技术发明了一种模态旋转调制及其解调方法与装置。
本发明所述的模态旋转调制及其解调方法是通过正交伪随机码实现对因子ejlθ中的θ在区间[0，2π]的有限划，并利用模态l复用实现模态旋转调制及该调制信号的解调的。使用本发明所述的调制与解调方法可在多模态复用条件下有效地提升直接序列扩频系统的频谱效益，同时，协作通信双方可以通过模态l的变化提升所传数据的安全性。
另外，在不改变直接序列扩频通信系统数据传输速率与系统带宽的前提下，使用本发明所述的方法又可以有效增长伪随机码的长度，以提升系统的扩频增益。
发明内容
本发明旨在解决给定通信系统频带条件下增加通信系统扩频增益与频谱效益的矛盾问题，在最大化提升直接序列扩频通信系统的频谱效益的同时提升数据的安全性。
下面的具体实施方式中描述了本发明的进一步特征和方面。
附图说明
图1为本发明所述模态旋转调制方法示意图。
图2为本发明所述模态旋转解调方法示意图。
图3为采用本发明所述模态旋转调制方法实现态旋转调制信号产生的方法示意图，其中， (1)为模态正交相位序列旋转器，(2)为求和器组，(3)为扩频器组，(4)为求和器，(5)为伪随机码集产生器，(6)为正交伪随机码产生器。
图4为采用本发明所述模态旋转解调方法实现态旋转调制信号解调的方法示意图，其中， (7)为解扩器，(8)为变模态正交逆变换器，(9)为伪随机码集产生器，(10)为模态正交相位序列产生器。
图5为本发明所述方法的使用流程结构示意方框图。
具体实施方式
本发明所述为面向模态旋转调制及其解调方法与装置。
本发明公开了面向模态旋转调制方法如图1所示，星座映射后的用户数据集和与有限长模态正交相位序列集相乘，并将各乘输出进行伪随机码扩频，扩频后的信号相加，获的一种模态旋转的调制信号。
同时本发明公开了本发明公开了面向模态旋转调制方法的实现如图3所示，图3中面向模态旋转的信号调制方法的物理装置包括：模态正交相位序列旋转器(1)，求和器组(2)，扩频器组(3)，求和器(4)，伪随机码集产生器(5)与正交伪随机码产生器(6)；用户数据作为模态正交相位序列旋转器(1)的输入信号，模态正交相位序列旋转器(1)的输出端连接求和器组(2)的输入端，求和器组(2)的输出端连接扩频器组(3)输入端；扩频器(3)的输出端连接求和器(5)，求和器(5)的输出端为模态旋转调制信号；扩频器组(3)所使用的伪随机码集由正交伪随机码产生器(6)提供。
同时本发明公开了面向模态旋转调制信号解调方法如图2所示，模态旋转调制信号经伪随机码进行解扩，解扩后的信号再进行变模态正交逆变换，即可得到发送端传递的调制信息。
同时本发明公开了面向模态旋转调制信号的解调实现如图4所示，图4中面向模态旋转调制信号的解调方法的物理装置包括：解扩器(7)，变模态正交逆变换器(8)，伪随机码集产生器(9)，模态正交相位序列产生器(10)；接收数据作为解扩器(7)的输入信号，解扩器(7)的输出端连接变模态正交逆变换器(8)的输入端，变模态正交逆变换器(8)的输出端为用户数据；解扩器(7)所使用的伪随机码由伪随机码集产生器(9)，变模态正交逆变换器(8)使用的模态正交相位序列由模态正交相位序列产生器(10)提供。
下面将描述面向模态旋转的信号调制的详细执行过程，所述的模态旋转的调制信号产生方法包括如下步骤：
(a)模态调制使用的模态正交相位序列集
Figure RE-GSB0000192489510000031
ci为实常数，模态正交相位序列集中的模态旋转因子
Figure RE-GSB0000192489510000032
表示傅里叶相位因子与Zadoof-chu序列相位因子，其中i为序列的序号，ln为模态，对Zadoof-chu序列模态ln为Zadoof-chu序列的循环移位次数，模态调制使用的用户数据矢量为
Figure RE-GSB0000192489510000033
模态旋转可按式(1)进行，并记为
Figure RE-GSB0000192489510000034
为模态旋转信号，
Figure RE-GSB0000192489510000035
其中
Figure RE-GSB0000192489510000036
与
Figure RE-GSB0000192489510000037
为复数；
(b)对信号
Figure RE-GSB0000192489510000038
按照模态旋转因子的序号i取相同值划分组，得
Figure RE-GSB0000192489510000039
Figure RE-GSB00001924895100000310
对
Figure RE-GSB00001924895100000311
中的数据按式(2)相加，
Figure RE-GSB00001924895100000312
(c)取两个长度各为L比特的正交伪随机作为伪随机码的实部与虚部，并记为
Figure RE-GSB00001924895100000313
并按照 L/N比特对
Figure RE-GSB00001924895100000314
按同向依次循环移位构建总数为N的伪随机集
Figure RE-GSB00001924895100000315
由伪随机集
Figure RE-GSB00001924895100000316
中的伪随机码
Figure RE-GSB00001924895100000317
对
Figure RE-GSB00001924895100000318
进行扩频调制，并对该扩频调制后的信号按式(3)求和，
Figure RE-GSB00001924895100000319
其中⊙为双目操作数乘法运算的操作符，它表示对双目操作数的实部乘运算与双目操作数的虚部乘运算，其结果为复数；
同时，面向模态旋转的调制信号的解调方法与详细执行过程包括如下步骤：
(d)解调端的正交伪随机码同步器提供两个长度各为L比特的正交伪随机作为伪随机码的实部与虚部，并记为
Figure RE-GSB0000192489510000041
按照同方向依次移位L/N比特后构建伪随机码总数为N的伪随机码集
Figure RE-GSB0000192489510000042
取该伪随机码集中的伪随机
Figure RE-GSB0000192489510000043
对模态旋转调制信号
Figure RE-GSB0000192489510000044
进行解扩，得
Figure RE-GSB0000192489510000045
可按式(4)进行，
Figure RE-GSB0000192489510000046
其中⊙为双目操作数乘法运算的操作符，它表示对双目操作数的实部乘运算与双目操作数的虚部乘运算，其结果为复数；
(e)依据通信双方约定使用模态正交相位序列
Figure RE-GSB0000192489510000047
ci为实常数，对式(4)中信号
Figure RE-GSB0000192489510000048
进行变模态正交逆变换，可按式(5)进行，
Figure RE-GSB0000192489510000049
模态在步骤(a)列举的范围ln＝{ci|i＝0，1，…，N-1}内遍历一次，可完成本发明所述的模态旋转调制信号的解调，并获得发送数据
Figure RE-GSB00001924895100000410
对于本领域的技术人员来说，根据以上的技术方案和构思，可以在信号的基带域、信号的射频域、伪随机码域以及其他方面做各种相应改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.面向信号模态旋转调制的方法，其特征在于，用户数据矢量与有限长模态正交相位序列集相乘，将相乘结果按照方位角序号分组并对同组内的信号相加，相加的输出信号由伪随机码集进行扩频，扩频后的信号再次相加，获的模态旋转的调制信号；
所述的模态旋转的调制信号产生方法包括如下步骤：
(a)模态调制使用的模态正交相位序列集
Figure FSA0000223943460000011
ci为实常数，模态正交相位序列集中的模态旋转因子
Figure FSA0000223943460000012
表示傅里叶相位因子与Zadoof-chu序列相位因子，其中i为序列的序号，ln为模态，对Zadoof-chu序列模态ln为Zadoof-chu序列的循环移位次数，模态调制使用的用户数据矢量为
Figure FSA0000223943460000013
模态旋转可按式(1)进行，并记为
Figure FSA0000223943460000014
为模态旋转信号，
Figure FSA0000223943460000015
其中
Figure FSA0000223943460000016
与
Figure FSA0000223943460000017
为复数；
(b)对信号
Figure FSA0000223943460000018
按照模态旋转因子的序号i取相同值划分组，得
Figure FSA0000223943460000019
Figure FSA00002239434600000110
对
Figure FSA00002239434600000111
中的数据按式(2)相加，
Figure FSA00002239434600000112
(c)取两个长度各为L比特的正交伪随机作为伪随机码的实部与虚部，并记为
Figure FSA00002239434600000113
并按照L/N比特对
Figure FSA00002239434600000114
按同向依次循环移位构建总数为N的伪随机集
Figure FSA00002239434600000115
由伪随机集
Figure FSA00002239434600000116
中的伪随机码
Figure FSA00002239434600000117
对
Figure FSA00002239434600000118
进行扩频调制，并对该扩频调制后的信号按式(3)求和，
Figure FSA00002239434600000119
其中⊙为双目操作数乘法运算的操作符，它表示对双目操作数的实部乘运算与双目操作数的虚部乘运算，其结果为复数。
2.用于实现权利要求1所述的面向模态旋转的信号调制方法的物理装置，其特征在于：用户数据矢量经模态正交相位序列旋转调制与分组求和，再由伪随机码集中的伪随机码对分组求和输出信号按照一对一映射进行直接序列扩频，将扩频后的信号再次求和可获得模态旋转的调制信号。
3.根据权利要求2所述的面向模态旋转的信号调制方法的物理装置，还包括：模态正交相位序列旋转器(1)，求和器组(2)，扩频器组(3)，求和器(4)，伪随机码集产生器(5)与正交伪随机码产生器(6)；用户数据作为模态正交相位序列旋转器(1)的输入信号，模态正交相位序列旋转器(1)的输出端连接求和器组(2)的输入端，求和器组(2)的输出端连接扩频器组(3)输入端；扩频器(3)的输出端连接求和器(5)，求和器(5)的输出端为模态旋转调制信号；扩频器组(3)所使用的伪随机码集由正交伪随机码产生器(6)提供。
4.面向模态旋转调制信号解调的方法，其特征在于，用伪随机码集中的伪随机码对模态旋转调制信号进行解扩，解扩后的信号矢量再进行变模态正交逆变换，变模态正交逆变换的模态遍历一次实现对模态旋转调制信号的解调；
所述的面向模态旋转调制信号的解调方法包括如下步骤：
(a)解调端的正交伪随机码同步器提供两个长度各为L比特的正交伪随机作为伪随机码的实部与虚部，并记为
Figure FSA0000223943460000021
按照同方向依次移位L/N比特后构建伪随机码总数为N的伪随机码集
Figure FSA0000223943460000022
取该伪随机码集中的伪随机
Figure FSA0000223943460000023
对模态旋转调制信号
Figure FSA0000223943460000024
进行解扩，得
Figure FSA0000223943460000025
可按式(4)进行，
Figure FSA0000223943460000026
其中⊙为双目操作数乘法运算的操作符，它表示对双目操作数的实部乘运算与双目操作数的虚部乘运算，其结果为复数；
(b)依据通信双方约定使用模态正交相位序列
Figure FSA0000223943460000027
ci为实常数，对式(4)中信号
Figure FSA0000223943460000028
进行变模态正交逆变换，可按式(5)进行，
Figure FSA0000223943460000029
模态在步骤(a)列举的范围ln＝{ci|i＝0，1，…，N-1}内遍历一次，可完成本发明所述的模态旋转调制信号的解调，并获得发送数据
Figure FSA0000223943460000031
5.用于实现权利要求4所述的面向模态旋转调制信号的解调方法的物理装置，其特征在于：由伪随机码集中的伪随机码对模态旋转调制信号进行解扩，解扩后的信号矢量经一次变模态正交逆变换得一个调制信息，在可用模态集内模态遍历一次，由变模态正交逆变换完成对模态旋转调制信号的解调并获得用户数据矢量。
6.根据权利要求5所述的面向模态旋转调制信号的解调方法的物理装置，还包括：解扩器(7)，变模态正交逆变换器(8)，伪随机码集产生器(9)，模态正交相位序列产生器(10)；接收数据作为解扩器(7)的输入信号，解扩器(7)的输出端连接变模态正交逆变换器(8)的输入端，变模态正交逆变换器(8)的输出端为用户数据；解扩器(7)所使用的伪随机码由伪随机码集产生器(9)，变模态正交逆变换器(8)使用的模态正交相位序列由模态正交相位序列产生器(10)提供。
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