CN113067671A - 一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扩频通信领域，尤其涉及一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统。其中，发射系统，包括：信道编码模块；伪随机相位序列扩频调制模块；射频发射电路。接收系统，包括：射频接收电路；伪随机相位序列扩频解调模块；信道解码模块。上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统，通过N比特线性调频信号和伪随机相位序列，能够实现伪随机相位序列扩频通信，降低解调门限，增长实现通信的距离、灵活控制扩频增益、提升通信过程的保密性。

Description

一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统

技术领域

本发明涉及扩频通信领域，尤其涉及一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统。

背景技术

现有的扩频通信技术主要分为：直接序列扩频、跳频和CSS扩频(Chirp SpreadSpectrum，线性调频扩频)技术。在CSS调制技术中，可以控制发射的射频脉冲信号在一个周期内，使其载频的频率作线性变化。通过CSS扩频技术可以极大提高接收器解调的载噪比门限，且通过汉明码等可以再次提高接收器解调的灵敏度。

然而，如图1(a)-(d)所示，现有的CSS扩频技术的一种方式，可以基于IEEE802.15.4协议标准，采用四段频率线性递增的up-Chirp信号以及频率线性递减的down-Chirp信号的排列组合，相应的，只具有“00”、“01”、“10”以及“11”四种波形，在传输过程中只能传输四种两比特的信息，这严重限制了CSS扩频技术的信息传输效率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，包括：

一信道编码模块，用于获取待发送信号，并进行信道编码；

一伪随机相位序列扩频调制模块，连接所述信道编码模块，用于对所述信号进行调制，以生成对应的调制信号；

一射频发射电路，连接所述伪随机相位序列扩频调制模块，用于发射所述调制信号。

优选的，所述伪随机相位序列扩频调制模块包括：

一星座映射单元，用于进行星座映射；

一第一N比特线性调频信号生成单元，连接所述星座映射单元，用于获取所述星座映射单元处理后的信号，并生成一第一N比特线性调频信号；

一第一伪随机相位序列生成单元，用于生成长度为N×M的第一伪随机相位序列；

一复数乘法单元，分别连接所述第一N比特线性调频信号生成单元和所述第一伪随机相位序列生成单元，用于将所述第一N比特线性调频信号以及所述第一伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一脉冲成型滤波单元，连接所述复数乘法单元，用于获取所述相乘序列并进行低通滤波，以得到伪随机相位序列扩频信号；

一插入导码单元，连接所述脉冲成型滤波单元，用于获取伪随机相位序列扩频信号并插入导码，生成对应于所述待发送信号的所述调制信号。

优选的，第一N比特线性调频信号生成单元包括：

一获取部件，用于获取每个所述符号需要发送的比特数N；

一生成部件，连接所述获取部件，用于根据所述比特数N划分每个所述符号占用的原始带宽以及所述符号对应的原始时间长度，根据划分后的时间长度以及对应的时间顺序，依次在划分后的每段带宽上生成一承载对应比特信息的线性调频信号，以生成所述第一N比特线性调频信号。

优选的，所述第一伪随机相位序列生成单元包括：

一伪随机序列生成部件，用于根据一预置的初始值，生成M比特位宽的伪随机数序列；

一相位映射部件，连接所述伪随机序列生成部件，用于对所述伪随机数序列进行相位映射，以生成对应的随机相位序列；

一运算部件，连接所述相位映射部件，用于获取所述随机相位序列并对所述随机相位序列进行三角函数运算以生成所述第一伪随机相位序列。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统，包括：

一射频接收电路，用于接收所述调制信号；

一伪随机相位序列扩频解调模块，连接所述射频接收电路，用于对所述调制信号进行解调，以获取解调信号；

一信道解码模块，连接所述伪随机相位序列扩频解调模块，用于进行信道解码。

优选的，所述伪随机相位序列扩频解调模块包括：

一匹配滤波单元，用于对所述调制信号进行匹配滤波；

一同步电路，连接所述匹配滤波单元，用于进行同步处理；

一符号解调单元，分别连接所述匹配滤波单元和所述同步电路，用于对所述调制信号进行解调，以得到所述解调信号。

优选的，所述符号解调单元包括：

一参考序列发生器，用于生成2^N种参考序列波形；

一复数乘法运算器，连接所述参考序列发生器，用于依次获取2^N种所述参考序列波形中的每一种所述参考序列波形，并与所述调制信号中对应于当前比特的线性调频信号进行复数乘法运算，同时对每个比特进行计数；

一能量计算器，连接所述复数乘法运算器，用于计算经乘法运算后的信号能量，生成对应的能量值；

一比较保存器，分别连接所述复数乘法运算器和所述能量计算器，用于保存并对2^N个所述能量值进行比较分析，获取最大的能量值以及对应的N比特计数值，并将最大的能量值对应的N比特计数值的反码作为对应于当前比特的解调信号。

优选的，所述参考序列发生器包括：

一第二伪随机相位序列生成单元，用于生成一第二伪随机相位序列；

一第二N比特线性调频信号生成单元，用于生成一对应于所述第一N比特线性调频信号的第二N比特线性调频信号；

一复数乘法单元，分别连接所述第二N比特线性调频信号生成单元和所述第二伪随机相位序列生成单元，用于将所述第二N比特线性调频信号以及所述第二伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一共轭处理单元，连接所述复数乘法单元，用于获取所述相乘序列并进行共轭处理，以生成2^N种所述参考序列波形。

优选的，所述参考序列发生器还包括：

一N比特计数器，连接所述第二N比特线性调频信号生成单元，用于进行计数，并在每完成一个信号能量计算后，将计数值加1。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统，通过N比特线性调频信号和伪随机相位序列，能够实现伪随机相位序列扩频通信，降低解调门限，增长实现通信的距离、灵活控制扩频增益、提升通信过程的保密性。

附图说明

图1(a)-(d)为现有技术中，一种常见的CSS调制方式；

图2为本发明的优选实施方式中，一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统的结构示意图；

图3为本发明的优选实施方式中，伪随机相位序列扩频调制模块的结构示意图；

图4为本发明的优选实施方式中，第一N比特线性调频信号的示意图；

图5为本发明的优选实施方式中，第一伪随机相位序列生成单元的结构示意图；

图6为本发明的优选实施方式中，一种伪随机相位序列产生器的的结构示意图；

图7为本发明的优选实施方式中，相乘序列的示意图；

图8为本发明的优选实施方式中，一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统的结构示意图；

图9为本发明的优选实施方式中，伪随机相位序列扩频解调模块的结构示意图；

图10为本发明的优选实施方式中，参考序列发生器的结构示意图；

图11为本发明的优选实施方式中，第二N比特线性调频信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，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，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，包括：

一信道编码模块A1，用于获取待发送信号，并进行信道编码；

一伪随机相位序列扩频调制模块A2，连接信道编码模块A1，用于对信号进行调制，以生成对应的调制信号；

一射频发射电路A3，连接伪随机相位序列扩频调制模块A2，用于发射调制信号。

具体地，由于现有技术中，通常如图1(a)-(d)所示，采用四段up-Chirp(频率线性递增)信号以及down-Chirp(频率线性递减)信号的排列组合的方式进行CSS(Chirp SpreadSpectrum，线性调频扩频)通信，使得传输过程中只能传输两比特的信息，这严重限制了CSS扩频技术的应用灵活性，由此本发明提供一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，如图2所示，包括信道编码模块A1、伪随机相位序列扩频调制模块A2以及射频发射电路A3，信道编码模块A1和伪随机相位序列扩频调制模块A2组成基带电路，在发射过程中，通过生成的第一N比特线性调频信号以及第一伪随机相位序列对信号进行调制，生成调制信号，再进行射频发送。

本发明优选的实施方式中，如图3所示，伪随机相位序列扩频调制模块A2包括：

一星座映射单元A21，用于进行星座映射；

一第一N比特线性调频信号生成单元A22，连接星座映射单元A21，用于获取星座映射单元A21处理后的信号，并生成一第一N比特线性调频信号；

一第一伪随机相位序列生成单元A23，用于生成长度为N×M的第一伪随机相位序列；

一复数乘法单元A24，分别连接第一N比特线性调频信号生成单元A22和第一伪随机相位序列生成单元A23，用于将第一N比特线性调频信号以及第一伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一脉冲成型滤波单元A25，连接复数乘法单元A24，用于获取相乘序列并进行低通滤波，以得到伪随机相位序列扩频信号；

一插入导码单元A26，连接脉冲成型滤波单元A25，用于获取伪随机相位序列扩频信号并插入导码，生成对应于待发送信号的调制信号。

本发明的优选的实施方式中，第一N比特线性调频信号生成单元A22包括：

一获取部件，用于获取每个符号需要发送的比特数N；

一生成部件，连接获取部件，用于根据比特数N划分每个符号占用的原始带宽以及符号对应的原始时间长度，根据划分后的时间长度以及对应的时间顺序，依次在划分后的每段带宽上生成一承载对应比特信息的线性调频信号，以生成第一N比特线性调频信号。

具体地，于生成部件中，通过获取部件获取每个符号需要发送的比特数N，随后于生成部件中，采用下述公式划分每个符号占用的原始带宽：

其中，

BW0用于表示划分后的每段带宽；

BW用于表示符号占用的原始带宽；

N用于表示每个符号承载的比特数。

随后，采用下述公式划分所述符号对应的原始时间长度：

其中，

T0用于表示划分后的时间长度；

T用于表示所述符号对应的原始时间长度；

N用于表示每个符号承载的比特数。

也就是说，在带宽为BW的情况下，可根据公式(1)划分每个符号占用的原始带宽，使划分后的每段带宽为

每个线性调频信号的时间长度均为

其中，占用的原始带宽可以为500KHz，占用的原始时间长度可以为500us。

此外，线性调频信号对应的带宽的起始位置和终止位置可以采用下述公式表示为：

由此可见，通过第一N比特线性调频信号生成单元可以生成第一N比特线性调频信号，如图4所示，较现有技术而言，能够增加每个符号所能够承载的比特数，同时，通过选择每个符号的时间长度，可以灵活的控制扩频增益，从而能够更便捷更方便地实现N比特的CSS调制。

本发明的优选的实施方式中，如图5所示，第一伪随机相位序列生成单元A23包括：

一伪随机序列生成部件A231，用于根据一预置的初始值，生成M比特位宽的伪随机数序列；

一相位映射部件A232，连接伪随机序列生成部件A231，用于对伪随机数序列进行相位映射，以生成对应的随机相位序列；

一运算部件A233，连接相位映射部件A232，用于获取随机相位序列并对随机相位序列进行三角函数运算以生成第一伪随机相位序列。

具体地，如图5所示，可通过伪随机序列生成部件A231，生成M比特位宽的伪随机数序列，再利用相位映射部件A232，进行相位映射，以生成对应的随机相位序列，最后通过运算部件A233，进行三角函数运算以生成第一伪随机相位序列。

进一步地，如图6所示，此处提供一种伪随机相位序列产生器的具体结构，循环移位寄存器X₁,X₂,X₃,……X₈的抽头组成一个8比特的整数phase[7:0]。phase[7:0]可以代表序列当前采样的相位值，具体地映射关系可为：

并且，伪随机序列有一个复位控制信号，每次复位有效后，就会被初始化，同时配置一采样计数器，每次在复位后，该计数器清零，每产生一个伪随机相位序列采样，该计数器就会加1，直到计数器达到N后，表示当前已经产生了N个连续的伪随机相位序列采样，然后序列长度计数器就会触发一个复位信号，该复位信号将生成伪随机序列的PN序列产生器复位，依次循环。此处的正余弦查找表可通过rom，ram或寄存器等器件实现，当通过rom实现时，该rom的地址的位宽为8比特，rom的地址可以用rom_addr表示，数据的位宽为24比特，数据可以用rom_data来表示。并且，rom_addr[7:0]与phase[7:0]一一对应，每个地址存储的高12位为对应相位值的余弦值，也可以表示为I值，具体的计算方法可以为：

每个地址存储的低12位为对应相位值的正弦值，也可以表示为Q值，具体的计算方法为：

其中的round()函数用于表示取整函数，cos()函数用于表示余弦运算，sin()函数用于表示正弦运算。

进一步地，于复数乘法单元A24中，对第一N比特线性调频信号，此也可称为N-Chirp信号，进行采样生成对应的信号采样点，同时对第一伪随机相位序列进行采样生成对应的序列采样点；将信号采样点与序列采样点进行对应相乘，以获取相乘序列，如图7所示，并对相乘序列进行低通滤波以获取调制信号。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统，如图8所示，包括：

一射频接收电路B1，用于接收调制信号；

一伪随机相位序列扩频解调模块B2，连接射频接收电路B1，用于对调制信号进行解调，以获取解调信号；

一信道解码模块B3，连接伪随机相位序列扩频解调模块B2，用于进行信道解码。

具体地，本发明还提供一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统，包括射频接收电路B1，伪随机相位序列扩频解调模块B2和信道解码模块B3，以接收上述发射系统发射的调制信号并进行对应解调。

本发明的优选的实施方式中，如图9所示，伪随机相位序列扩频解调模块B2包括：

一匹配滤波单元B21，用于对调制信号进行匹配滤波；

一同步电路B22，连接匹配滤波单元B21，用于进行同步处理；

一符号解调单元B23，分别连接匹配滤波单元B21和同步电路B22，用于对调制信号进行解调，以得到解调信号。

本发明的优选的实施方式中，如图10所示，符号解调单元B23包括：

一参考序列发生器B231，用于生成2^N种参考序列波形；

一复数乘法运算器B232，连接参考序列发生器B231，用于依次获取2^N种参考序列波形中的每一种参考序列波形，并与调制信号中对应于当前比特的线性调频信号进行复数乘法运算，同时对每个比特进行计数；

一能量计算器B233，连接复数乘法运算器B232，用于计算经乘法运算后的信号能量，生成对应的能量值；

一比较保存器B234，分别连接复数乘法运算器B232和能量计算器B233，用于保存并对2^N个能量值进行比较分析，获取最大的能量值以及对应的N比特计数值，并将最大的能量值对应的N比特计数值的反码作为对应于当前比特的解调信号。

本发明的优选的实施方式中，如图10所示，参考序列发生器B231包括：

一第二伪随机相位序列生成单元B2311，用于生成一第二伪随机相位序列；

一第二N比特线性调频信号生成单元B2312，用于生成一对应于第一N比特线性调频信号的第二N比特线性调频信号；

一复数乘法单元B2313，分别连接第二N比特线性调频信号生成单元B2312和第二伪随机相位序列生成单元B2311，用于将第二N比特线性调频信号以及第二伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一共轭处理单元B2314，连接复数乘法单元B2313，用于获取相乘序列并进行共轭处理，以生成2^N种参考序列波形。

本发明的优选的实施方式中，参考序列发生器B231还包括：

一N比特计数器B2315，连接第二N比特线性调频信号生成单元B2312，用于进行计数，并在每完成一个信号能量计算后，将计数值加1。

具体地，参考序列发生器B231先提供2^N种参考序列波形，随后复数乘法运算器B232依次每一种参考序列波形，并与调制信号中对应于当前比特的线性调频信号进行复数乘法运算，能量计算器B233计算乘法运算后的信号能量，同时对每个比特进行计数，生成对应的能量值以及记录对应的N比特计数值；最后，比较保存器B234对2^N个能量值进行比较分析，获取最大的能量值以及对应的N比特计数值，并将最大的能量值对应的N比特计数值的反码作为对应于当前比特的解调信号输出。通过该解调方法，能够准确快速地对调制的N比特线性调频信号进行解调。

进一步地，参考序列发生器B231对一第二N比特线性调频信号，一第二伪随机相位序列进行复数处理以及共轭处理生成2^N种参考序列波形，由于生成的第一N比特线性调频信号可具有2^N种波形，发送的调制信号也具有2^N种情况，由此，解调过程中进行相关运算的参考序列也需要具有2^N种波形。

在生成第二N比特线性调频信号的过程中，同样可以根据比特数N划分每个第二符号占用的原始带宽以及第二符号对应的原始时间长度，根据划分后的时间长度以及对应的时间顺序，依次在划分后的每段带宽上生成一承载对应比特信息的第二线性调频信号，以生成第二N比特线性调频信号，相应的，第二线性调频信号的起始位置和终止位置同样采用上述公式(3)表示。

也就是说，若第一N比特线性调频信号中的线性调频信号均为频率递增信号，排序序号为i的线性调频信号的频率范围为：

相应的，第二N比特线性调频信号中的线性调频信号为频率递增信号，排序序号为i的线性调频信号的频率范围同样为：

那么，当第一N比特线性调频信号的波形为“1100”时的频率分布如图4所示，相应的，此处的第二比特线性调频信号的波形同样为“1100”，对应的频率分布则如图11所示，复数乘法单元A24将根据第二N比特线性调频信号以及第二伪随机相位序列完成相应的复数乘法运算，共轭处理单元B2314将对复数乘法运算的结果进行共轭处理，以生成2^N种参考序列波形。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统及接收系统，通过N比特线性调频信号和伪随机相位序列，能够实现伪随机相位序列扩频通信，降低解调门限，增长实现通信的距离、灵活控制扩频增益、提升通信过程的保密性。

以上仅为本发明较佳的实施方式，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 (9)

1.一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，包括：

一信道编码模块，用于获取待发送信号，并进行信道编码；

一伪随机相位序列扩频调制模块，连接所述信道编码模块，用于对所述信号进行调制，以生成对应的调制信号；

一射频发射电路，连接所述伪随机相位序列扩频调制模块，用于发射所述调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，所述伪随机相位序列扩频调制模块包括：

一星座映射单元，用于进行星座映射；

一第一N比特线性调频信号生成单元，连接所述星座映射单元，用于获取所述星座映射单元处理后的信号，并生成一第一N比特线性调频信号；

一第一伪随机相位序列生成单元，用于生成长度为N×M的第一伪随机相位序列；

一复数乘法单元，分别连接所述第一N比特线性调频信号生成单元和所述第一伪随机相位序列生成单元，用于将所述第一N比特线性调频信号以及所述第一伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一脉冲成型滤波单元，连接所述复数乘法单元，用于获取所述相乘序列并进行低通滤波，以得到伪随机相位序列扩频信号；

一插入导码单元，连接所述脉冲成型滤波单元，用于获取伪随机相位序列扩频信号并插入导码，生成对应于所述待发送信号的所述调制信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，第一N比特线性调频信号生成单元包括：

一获取部件，用于获取每个所述符号需要发送的比特数N；

一生成部件，连接所述获取部件，用于根据所述比特数N划分每个所述符号占用的原始带宽以及所述符号对应的原始时间长度，根据划分后的时间长度以及对应的时间顺序，依次在划分后的每段带宽上生成一承载对应比特信息的线性调频信号，以生成所述第一N比特线性调频信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，所述第一伪随机相位序列生成单元包括：

一伪随机序列生成部件，用于根据一预置的初始值，生成M比特位宽的伪随机数序列；

一相位映射部件，连接所述伪随机序列生成部件，用于对所述伪随机数序列进行相位映射，以生成对应的随机相位序列；

一运算部件，连接所述相位映射部件，用于获取所述随机相位序列并对所述随机相位序列进行三角函数运算以生成所述第一伪随机相位序列。

5.一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统，其特征在于，包括：

一射频接收电路，用于接收所述调制信号；

一伪随机相位序列扩频解调模块，连接所述射频接收电路，用于对所述调制信号进行解调，以获取解调信号；

一信道解码模块，连接所述伪随机相位序列扩频解调模块，用于进行信道解码。

6.根据权利要求5所述的一种基于伪随机相位序列扩频的接收系统，其特征在于，所述伪随机相位序列扩频解调模块包括：

一匹配滤波单元，用于对所述调制信号进行匹配滤波；

一同步电路，连接所述匹配滤波单元，用于进行同步处理；

一符号解调单元，分别连接所述匹配滤波单元和所述同步电路，用于对所述调制信号进行解调，以得到所述解调信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，所述符号解调单元包括：

一参考序列发生器，用于生成2^N种参考序列波形；

一复数乘法运算器，连接所述参考序列发生器，用于依次获取2^N种所述参考序列波形中的每一种所述参考序列波形，并与所述调制信号中对应于当前比特的线性调频信号进行复数乘法运算，同时对每个比特进行计数；

一能量计算器，连接所述复数乘法运算器，用于计算经乘法运算后的信号能量，生成对应的能量值；

一比较保存器，分别连接所述复数乘法运算器和所述能量计算器，用于保存并对2^N个所述能量值进行比较分析，获取最大的能量值以及对应的N比特计数值，并将最大的能量值对应的N比特计数值的反码作为对应于当前比特的解调信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，所述参考序列发生器包括：

一第二伪随机相位序列生成单元，用于生成一第二伪随机相位序列；

一第二N比特线性调频信号生成单元，用于生成一对应于所述第一N比特线性调频信号的第二N比特线性调频信号；

一复数乘法单元，分别连接所述第二N比特线性调频信号生成单元和所述第二伪随机相位序列生成单元，用于将所述第二N比特线性调频信号以及所述第二伪随机相位序列进行复数相乘，以生成相乘序列；

一共轭处理单元，连接所述复数乘法单元，用于获取所述相乘序列并进行共轭处理，以生成2^N种所述参考序列波形。

9.根据权利要求8所述的一种基于伪随机相位序列扩频的发射系统，其特征在于，所述参考序列发生器还包括：

一N比特计数器，连接所述第二N比特线性调频信号生成单元，用于进行计数，并在每完成一个信号能量计算后，将计数值加1。

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