CN112737631B - 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 GSB0000198013080000011
与
Figure GSB0000198013080000012
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 GSB0000198013080000013
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调制器，(2)为分组求和器，(3)为分组扩频器，(4)为求和器，(5)为正交伪随机码产生器与(6)为伪随机码集产生器。
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)为伪随机码同步器，(10)为变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实现装置包括：模态正交相位序列调制器(1)，分组求和器(2)，分组扩频器(3)，求和器(4)，正交伪随机码产生器(5)与伪随机码集产生器(6)；户数据矢量作为模态正交相位序列调制器(1)的输入信号，模态正交相位序列调制器(1)的输出端连接求分组求和器(2)的输入端，分组求和器(2)的输出端连接分组扩频器(3)输入端；分组扩频器(3)的输出端连接求和器(4)，求和器(4)的输出端为模态旋转调制信号；正交伪随机码产生器(5)为伪随机码集产生器(6)提供伪随机码，伪随机码集产生器(6)为分组扩频器(3)提供伪随机码集。
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方法的实现如图4所示，图4中面向模态旋转调制信号的解调方法的物理实现装置包括：解扩器(7)，变模态正交逆变换器(8)，伪随机码同步器(9)，变模态正交相位序列产生器(10)；接收的模态旋转调制信号作为解扩器(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矢量；解扩器(7)所使用的伪随机码由伪随机码同步器(9)从接收的模态旋转调制信号中提取，变模态正交逆变换器(8)使用的模态正交相位序列由变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，所述的面向信号模态旋转调制的方法具体包括如下步骤：
(a)模态旋转调制使用的有限长模态正交相位序列集
Figure GSB0000198013080000031
其中，
Figure GSB0000198013080000032
表示有限长模态正交相位序列的方位角，ln取实常数ci且表示序列的模态，i为有限长模态正交相位序列方位角的序号，
Figure GSB0000198013080000033
可以是傅里叶相位因子也可是Zadoof-chu序列相位因子，用户数据矢量形如
Figure GSB0000198013080000034
按式(1)获得模态旋转信号
Figure GSB0000198013080000035
Figure GSB0000198013080000036
其中
Figure GSB0000198013080000037
与
Figure GSB0000198013080000038
均为复数；
(b)按i＝0，1，…，N-1对
Figure GSB0000198013080000039
分组可得
Figure GSB00001980130800000310
Figure GSB00001980130800000311
按式(2)对
Figure GSB00001980130800000312
求和，有，
Figure GSB00001980130800000313
(c)由两个周期均为L的正交伪随机序列作为复数伪随机码的实部与虚部，记该复数伪随机码为
Figure GSB00001980130800000314
按选定移位方向对伪随机码
Figure GSB00001980130800000315
做L/N位循环移位，并记该循环移动位后所得的复数伪随机码为
Figure GSB00001980130800000316
遵照
Figure GSB00001980130800000317
生成时所使用的移位方向，对伪随机码
Figure GSB00001980130800000318
再次做L/N位循环移位，并记该循环移动位后所得的复数伪随机码为
Figure GSB00001980130800000319
依次类推，可获得复数伪随机码
Figure GSB00001980130800000320
Figure GSB00001980130800000321
于是有复数伪随机码集
Figure GSB00001980130800000322
取伪随机码
Figure GSB00001980130800000323
对
Figure GSB00001980130800000324
进行直接序列扩频，并对直接序列扩频后的信号按式(3)求和，
Figure GSB00001980130800000325
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具体包括如下步骤：
所述的面向模态旋转调制信号的解调方法具体包括如下步骤：
(d)解调端伪随机码同步器从模态旋转调制信号中提取伪随机码集
Figure GSB0000198013080000041
由伪随机码集
Figure GSB0000198013080000042
中的伪随机
Figure GSB0000198013080000043
对接收的模态旋转调制信号
Figure GSB0000198013080000044
按式(4)进行解扩，可得
Figure GSB0000198013080000045
Figure GSB0000198013080000046
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)通信双方约定有限长模态正交相位序列集
Figure GSB0000198013080000047
其中，
Figure GSB0000198013080000048
表示有限长模态正交相位序列的方位角，ln取实常数ci且表示序列的模态，i为有限长模态正交相位序列方位角的序号，
Figure GSB0000198013080000049
可以是傅里叶相位因子也可是Zadoof-chu序列相位因子，用该约定的有限长模态正交相位序列集对解扩后的信号
Figure GSB00001980130800000410
做变模态正交逆变换，可按式(5)进行，
Figure GSB00001980130800000411
当ln可用模态集内遍历一次即可获得用户数据矢量
Figure GSB00001980130800000412

Claims (4)

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运算，并按照模态正交相位序列的方位角序号对相乘的结果分组，对同分组内的信号做相加运算，相加所得的信号再进行直接序列扩频，直接序列扩频后的信号再次相加运算即可完成模态旋转调制；
所述的面向信号模态旋转调制的方法具体包括如下步骤：
(a)模态旋转调制使用的有限长模态正交相位序列集
Figure RE-FSB0000198013070000011
其中，
Figure RE-FSB0000198013070000012
表示有限长模态正交相位序列的方位角，ln取实常数ci且表示序列的模态，i为有限长模态正交相位序列方位角的序号，
Figure RE-FSB0000198013070000013
可以是傅里叶相位因子也可是Zadoof-chu序列相位因子，用户数据矢量形如
Figure RE-FSB0000198013070000014
按式(1)获得模态旋转信号
Figure RE-FSB0000198013070000015
Figure RE-FSB0000198013070000016
其中
Figure RE-FSB0000198013070000017
与
Figure RE-FSB0000198013070000018
均为复数；
(b)按i＝0，1，…，N-1对
Figure RE-FSB0000198013070000019
分组可得
Figure RE-FSB00001980130700000110
Figure RE-FSB00001980130700000111
按式(2)对
Figure RE-FSB00001980130700000112
求和，有，
Figure RE-FSB00001980130700000113
(c)由两个周期均为L的正交伪随机序列作为复数伪随机码的实部与虚部，记该复数伪随机码为
Figure RE-FSB00001980130700000114
按选定移位方向对伪随机码
Figure RE-FSB00001980130700000115
做L/N位循环移位，并记该循环移动位后所得的复数伪随机码为
Figure RE-FSB00001980130700000116
遵照
Figure RE-FSB00001980130700000117
生成时所使用的移位方向，对伪随机码
Figure RE-FSB00001980130700000118
再次做L/N位循环移位，并记该循环移动位后所得的复数伪随机码为
Figure RE-FSB00001980130700000119
依次类推，可获得复数伪随机码
Figure RE-FSB00001980130700000120
Figure RE-FSB00001980130700000121
于是有复数伪随机码集
Figure RE-FSB00001980130700000122
取伪随机码
Figure RE-FSB00001980130700000123
对
Figure RE-FSB00001980130700000124
进行直接序列扩频，并对直接序列扩频后的信号按式(3)求和，
Figure RE-FSB00001980130700000125
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.根据权利要求1所述的面向信号模态旋转调制的方法的物理实现装置包括：模态正交相位序列调制器(1)，分组求和器(2)，分组扩频器(3)，求和器(4)，正交伪随机码产生器(5)与伪随机码集产生器(6)；用 户数据矢量作为模态正交相位序列调制器(1)的输入信号，模态正交相位序列调制器(1)的输出端连接求分组求和器(2)的输入端，分组求和器(2)的输出端连接分组扩频器(3)输入端；分组扩频器(3)的输出端连接求和器(4)，求和器(4)的输出端为模态旋转调制信号；正交伪随机码产生器(5)为伪随机码集产生器(6)提供伪随机码，伪随机码集产生器(6)为分组扩频器(3)提供伪随机码集。
3.面向模态旋转调制信号的解调方法，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即可实现对模态旋转调制信号的解调并获得用户数据矢量；
所述的面向模态旋转调制信号的解调方法具体包括如下步骤：
(a)解调端伪随机码同步器从模态旋转调制信号中提取伪随机码集
Figure RE-FSB0000198013070000021
由伪随机码集
Figure RE-FSB0000198013070000022
中的伪随机
Figure RE-FSB0000198013070000023
对接收的模态旋转调制信号
Figure RE-FSB0000198013070000024
按式(4)进行解扩，可得
Figure RE-FSB0000198013070000025
Figure RE-FSB0000198013070000026
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)通信双方约定有限长模态正交相位序列集
Figure RE-FSB0000198013070000027
其中，
Figure RE-FSB0000198013070000028
表示有限长模态正交相位序列的方位角，ln取实常数ci且表示序列的模态，i为有限长模态正交相位序列方位角的序号，
Figure RE-FSB0000198013070000029
可以是傅里叶相位因子也可是Zadoof-chu序列相位因子，用该约定的有限长模态正交相位序列集对解扩后的信号
Figure RE-FSB00001980130700000210
做变模态正交逆变换，可按式(5)进行，
Figure RE-FSB0000198013070000031
当ln可用模态集内遍历一次即可获得用户数据矢量
Figure RE-FSB0000198013070000032
4.根据权利要求3所述的面向模态旋转调制信号的解调方法的物理实现装置包括：解扩器(7)，变模态正交逆变换器(8)，伪随机码同步器(9)，变模态正交相位序列产生器(10)；接收的模态旋转调制信号作为解扩器(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矢量；解扩器(7)所使用的伪随机码由伪随机码同步器(9)从接收的模态旋转调制信号中提取，变模态正交逆变换器(8)使用的模态正交相位序列由变模态正交相位序列产生器(10)提供。
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