CN112787720A - 基于混合调制的空间x射线通信方法及装置 - Google Patents

基于混合调制的空间x射线通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了基于混合调制的空间X射线通信方法及装置。所述方法包括：将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号；将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号；将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号；发送所述PPM/PAM形式的X射线信号。

Description

基于混合调制的空间X射线通信方法及装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及基于混合调制的空间X射线通信方法及装置。
背景技术
X射线通信技术(XCOM)是一种利用调制X射线束作为数据传输的载波的通信技术，具有低发散和高带宽等优点，被认为是下一代空间通信技术。由于X射线可以无衰减的穿透等离子体和在真空中传输几乎没有物理衰减的特点，可以利用X射线实现“黑障区”通信和深空通信。受限于X射线单色性差，只能采用X射线强度这一自由度传输信息，因此X射线通信系统采用强度调制/直接检测的调制方案。
现有关于X射线通信系统的研究中，一般选择实现简单的单载波调制方案，例如开关键控调制(OOK)或脉冲位置调制(PPM)。这种单载波调制方案在其他通信系统中被认为会受到信道环境的影响，而造成严重的码间串扰(ISI)，进而造成误码率的上升。而在“黑障区”通信和深空通信的应用场景中，由于X射线的收发两端处于相对运动状态，且信道环境复杂，这种符号间的干扰可能造成系统误码率的上升。
多载波调制对ISI具有很强的鲁棒性，因为调制符号持续时间明显长于XCOM信道的均方根(RMS)延迟扩展。因此将具有多级正交幅度调制(M-QAM)的正交频分复用调制方法(OFDM)有望提供更高的传输速率。但由于目前X射线通信采用的X射线发射源多为栅控X射线管，只能利用实数电压信号作为栅极电压，同时受限于栅极电压和出射X射线通量之间的非线性，栅极电压通常采用脉冲形式的电压信号而不是任意波形的电压信号。
发明内容
本申请实施例提供一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法，包括：将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号；将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号；将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号；发送所述PPM/PAM形式的X射线信号。
根据一些实施例，所述方法，还包括：接收所述PPM/PAM形式的X射线信号；还原所述PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
根据一些实施例，所述将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号，包括：将待发送的串行二进制数据流进行串并转换形成并行二进制数据流；对每路所述并行二进制数据流进行多级正交幅度调制，生成M-QMA调制符号；将所述M-QMA调制符号进行共轭对称操作后进行逆快速傅里叶变换得到实数双极性OFDM信号；为所述实数双极性OFDM信号添加循环前缀后得到所述OFDM信号，其中，所述循环前缀时间的总长度应满足于不小于所经历信道环境的最大多径时延时间。
根据一些实施例，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度混合的PPM/PAM电压信号，包括：将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，生成脉冲位置调制的PPM信号；将所述脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号。
根据一些实施例，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，生成脉冲位置调制的PPM信号，包括：将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，得到归一化的OFDM信号；将所述归一化的OFDM信号的相邻采样点等分为多个时隙；将当前采样点所述归一化的OFDM信号的幅值信息转换成脉冲处于相邻采样点间不同时隙脉冲位置调制的PPM信号。
根据一些实施例，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，得到归一化的OFDM信号的公式为：
Figure BDA0002909189850000031
其中，ω为归一化的OFDM信号，x(n)为一帧OFDM信号中的每个采样点处信号的幅值，xmin为一帧OFDM信号中所有采样点的最低幅值，xmax为一帧OFDM信号中所有采样点的最高幅值。
根据一些实施例，所述将所述脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号，包括：根据所述OFDM信号在当前采样点的幅值，来改变所述脉冲位置调制的PPM信号的脉冲幅度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号。
根据一些实施例，所述将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号，包括：将所述PPM/PAM信号进行数模转换，得到模拟PPM/PAM电压信号；将所述模拟PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号。
本申请还提供一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置，包括调制模块、脉冲转换模块、电压加载模块和发送模块，所述调制模块用于将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号；所述脉冲转换模块用于将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号；所述电压加载模块用于将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号；所述发送模块用于发送所述PPM/PAM形式的X射线信号。
根据一些实施例，所述装置还包括接收模块和还原模块，所述接收模块用于接收所述PPM/PAM形式的X射线信号；所述还原模块用于还原所述PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
本申请提供的技术方案，采用OFDM-PAM/PPM的调制方法，可将OFDM产生的双极型信号转化成脉冲位置与脉冲强度混合(PPM/PAM)的信号，进而实现X射线的调制，对栅控X射线管栅极电压调制，利用多载波调制方法的固有优点，能够改善XCOM中可能会出现的ISI问题，降低系统在数据传输速率较高情况下的误码率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，这些附图仅仅展示了本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方案。
图1提供本申请实施例的一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法流程示意图。
图2提供本申请实施例的一种二进制数据流调制转换成OFDM信号流程示意图。
图3提供一种脉冲位置调制示意图。
图4提供本申请实施例的一种OFDM信号进行脉冲形式转换示意图。
图5提供本申请实施例的一种将脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度示意图。
图6提供本申请实施例的一种X射线混合调制信号发送流程示意图。
图7提供本申请实施例的另一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法流程示意图。
图8提供本申请实施例的一种X射线混合调制信号接收流程示意图。
图9提供本申请实施例的又一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法流程示意图。
图10提供本申请实施例的一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置功能框图。
图11提供本申请实施例的另一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置功能框图。
图12提供本申请实施例的又一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置功能框图。
图13是本申请实施例提供的一种电子设备功能组成框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
图1提供本申请实施例的一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法流程示意图。
在S110中，将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号，如图2所示。
将待发送的串行二进制数据流进行串并转换形成并行二进制数据流。每路并行二进制数据流进行多级正交幅度M-QAM调制，生成M-QMA调制符号。将M-QMA调制符号进行共轭对称操作后，将具有复数属性的QAM调制符号输入逆快速傅里叶变换(IFFT)模块，进行逆快速傅里叶变换得到实数双极性OFDM信号。为实数双极性OFDM信号添加循环前缀后得到OFDM信号，其中，循环前缀时间的总长度应满足于不小于所经历信道环境的最大多径时延时间。
具体而言，OFDM中的循环前缀是为了缓解多径信道对信号传输造成的符号间的干扰，只有循环前缀的时间长度大于信道环境的最大多径时延时间，才可以达到缓解多径干扰的效果。就是将每一帧IFFT模块的输出信号后面的部分信号作为循环前缀(CP)复制到每一帧的开头部分，实现帧与帧之间的保护。
在S120中，将OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号。
首先，将OFDM信号进行脉冲形式转换，生成脉冲位置调制的PPM信号。
具体而言，将OFDM信号进行脉冲形式转换，得到归一化的OFDM信号，公式如下。
Figure BDA0002909189850000071
其中，ω为归一化的OFDM信号，x(n)为一帧OFDM信号中的每个采样点处信号的幅值，xmin为一帧OFDM信号中所有采样点的最低幅值，xmax为一帧OFDM信号中所有采样点的最高幅值。根据得到的ω来生成对应的脉冲位置和脉冲强度混合调制信号。
将归一化的OFDM信号的相邻采样点等分为多个时隙。将当前采样点归一化的OFDM信号的幅值信息转换成脉冲处于相邻采样点间不同时隙脉冲位置调制的PPM信号。受限于栅控X射线管的带宽限制，每两个OFDM信号间的时隙数不能太多，影响OFDM信号的转化精度。
脉冲位置调制(L-PPM)是一种利用脉冲的位置来表示信息的正交调制方式，利用脉冲在每个信息帧内不同的时隙位置来表示不同的信息。
将一组位长为n位的二进制数据组，PPM调制将其映射为L＝2n个时隙组成的时间间隔，并且其中只有一个时隙处存在脉冲信号，其余的时间则不发送光脉冲，以此来保证每一位数据都会有一个特定的时隙。假设n个数据用(m1，m2，m3，...，mn)表示，脉冲所在时隙位置记为Z，则PPM调制对应的编码规则可由式Z＝2n-1mn+2n-2mn-1+...+2m2+m1。
例如4-PPM，时隙数L＝4，数据量n＝2，符号为(m2，m1)。计算得到4-PPM中包含的数据为二进制数00，01，10，11，时隙的位置与二进制数一一对应，如图3所示。
PPM调制的符号长度与传输的二进制数n有关，每一帧中仅有一个代表传输信息的脉冲。PPM调制每一帧中只有一个光脉冲，所以发射功率全部集中在一个脉冲上，可以有效降低对于功耗的需求，并且脉冲的强度高，不易淹没在噪声中，增加了系统的抗干扰性。
根据一些实施例，计算得到的ω处于[0,1]之间，如图4所示，横坐标Time index为时隙，纵坐标Amplitude为幅值，将相邻的OFDM采样信号间分出10个时隙，将OFDM信号的幅值信息转换成脉冲处于相邻采样点间不同时隙脉冲位置调制的PPM信号。
脉冲位置信号能精确到小数点后一位，提升OFDM信号转化的精度。
其次，将脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度，生成脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号。
具体而言，根据OFDM信号在当前采样点的幅值，来改变脉冲位置调制的PPM信号的脉冲幅度，在生成的脉冲位置信号上添加脉冲幅度信息，生成脉冲位置和脉冲强度混合的PPM/PAM电压信号，如图5所示。
脉冲位置信号添加脉冲强度自由度，可以提升OFDM信号的转化精度。脉冲幅度则可精确到小数点后两位，提升OFDM信号转化的精度。
在S130中，将PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号。
具体而言，将PPM/PAM信号进行数模转换，得到模拟PPM/PAM电压信号。利用信号发生器将模拟PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号。
在S140中，发送PPM/PAM形式的X射线信号。
整个发送信号处理过程如图6所示。
图7提供本申请实施例的另一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法流程示意图。
在图1实施例的基础上，通信方法还包括以下步骤。
在S150，接收PPM/PAM形式的X射线信号；
在S160，还原PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
接收端的还原信号过程与发送端的过程相逆，如图8所示。
根据一些实施例，通信方法流程示意图也可以如图9所示。
图10提供本申请实施例的一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置功能框图。
通信装置100包括调制模块10、脉冲转换模块20、电压加载模块30和发送模块40。
调制模块10将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号。脉冲转换模块20将OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号。电压加载模块30将PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号。发送模块40发送PPM/PAM形式的X射线信号，使接收端接收并还原PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
图11提供本申请实施例的另一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置功能框图。
在图10实施例的基础上，通信装置100还包括接收模块50和还原模块60。
接收模块50用于接收PPM/PAM形式的X射线信号。还原模块60用于还原PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
根据一些实施例，通信装置功能框图也可以如图12所示。
图13是本申请实施例提供的一种电子设备功能组成框图。
电子设备可以包括输出单元301、输入单元302、处理器303、存储器304、通讯接口305，以及内存单元306。
存储器304作为一种非暂态计算机可读存储器，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块。当一个或多个程序被一个或多个处理器303执行，使得一个或多个处理器303实现如上所述的方法。
存储器304可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据电子器件的使用所创建的数据等。此外，存储器304可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态性固态存储器件。在一些实施例中，存储器304可选包括相对于处理器303远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子设备。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信方法，包括：
将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号；
将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号；
将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号；
发送所述PPM/PAM形式的X射线信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
接收所述PPM/PAM形式的X射线信号；
还原所述PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号，包括：
将待发送的串行二进制数据流进行串并转换形成并行二进制数据流；
对每路所述并行二进制数据流进行多级正交幅度调制，生成M-QMA调制符号；
将所述M-QMA调制符号进行共轭对称操作后进行逆快速傅里叶变换得到实数双极性OFDM信号；
为所述实数双极性OFDM信号添加循环前缀后得到所述OFDM信号，其中，所述循环前缀时间的总长度应满足于不小于所经历信道环境的最大多径时延时间。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度混合的PPM/PAM电压信号，包括：
将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，生成脉冲位置调制的PPM信号；
将所述脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，生成脉冲位置调制的PPM信号，包括：
将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，得到归一化的OFDM信号；
将所述归一化的OFDM信号的相邻采样点等分为多个时隙；
将当前采样点所述归一化的OFDM信号的幅值信息转换成脉冲处于相邻采样点间不同时隙脉冲位置调制的PPM信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述将所述OFDM信号进行脉冲形式转换，得到归一化的OFDM信号的公式为：
Figure FDA0002909189840000021
其中，ω为归一化的OFDM信号，x(n)为一帧OFDM信号中的每个采样点处信号的幅值，xmin为一帧OFDM信号中所有采样点的最低幅值，xmax为一帧OFDM信号中所有采样点的最高幅值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述将所述脉冲位置调制的PPM信号添加脉冲强度自由度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号，包括：
根据所述OFDM信号在当前采样点的幅值，来改变所述脉冲位置调制的PPM信号的脉冲幅度，生成所述脉冲位置和脉冲强度混合的所述PPM/PAM电压信号。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号，包括：
将所述PPM/PAM信号进行数模转换，得到模拟PPM/PAM电压信号；
将所述模拟PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号。
9.一种基于OFDM-PAM/PPM混合调制的空间X射线通信装置，包括：
调制模块，用于将待发送的串行二进制数据流调制转换成OFDM信号；
脉冲转换模块，用于将所述OFDM信号进行脉冲形式的转换，生成脉冲位置和脉冲强度调制的PPM/PAM电压信号；
电压加载模块，用于将所述PPM/PAM电压信号加载到栅控X射线源的栅极电压或场致X射线源的阴极电压，形成PPM/PAM形式的X射线信号；
发送模块，用于发送所述PPM/PAM形式的X射线信号。
10.如权利要求9所述的装置，还包括：
接收模块，用于接收所述PPM/PAM形式的X射线信号；
还原模块，用于还原所述PPM/PAM形式的X射线信号成为OFDM信号。
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