CN113194052A - 可重构射频直接数字调制通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构射频直接数字调制通信系统，包括可重构直接数字调制发射机和谐波信息解调接收机；所述可重构直接数字调制发射机将可重构数字调制码元信息直接在射频调制进入载波信号中，并通过天线辐射到空间中；所述谐波信息解调接收机在接收信号的谐波分量处进行数字调制码元的提取与恢复，完成对发射端信息的解调过程。本发明的数字调制通信系统发射端无基带码元生成及上变频过程，相较与传统数字通信发射机能大幅度降低发射端信号调制复杂度，减小了发射端无用功率损耗。

Description

可重构射频直接数字调制通信系统

技术领域

本发明涉及信号调制解调与数字信号载波传输技术领域，具体地，涉及一种可重构射频直接数字调制通信系统。

背景技术

在数字信号传输领域，主要的传统数字调制方式包括幅移键控ASK、相移键控PSK和频移键控FSK，另外近些年出现并应用的数字调制方式，如正交幅度调制QAM、最小频移键控GMSK、正交频分复用技术OFDM等，基本为这三种调制方式的组合或变化。调制的方法主要为改变载波信号的幅度、相位或频率来生成一定时间长度的码元符号，以此传递信息，同时，提高这些数字调制方式的调制阶数，可进一步提高频带的利用效率，高速传输通信信息。基于以上调制方式，在传统的数字调制通信系统中，发射端往往需要配备一整套基带码元生成、数模转化、上变频流程，这些器件或模块的性能将影响数字调制信号的性能，并在发射端引入大量无用的功率损失，同时，由于数字调制链路结构的固化，一套通信系统可能只能进行一种数字调制方式的通信，限制了通信系统在不同空间环境下的应用。

专利文献CN102685467A(申请号：CN201210129099.6)公开了一种用于无人机上的无线图传通信系统及其方法，无线图传通信系统包括：数字相机、控制模块和电源模块，其特征在于，所述的无线图传通信系统还包括：无线通信模块，用于和地面监控中心之间进行实时数据传输；所述的无线通信模块包括：可重构高速数字调制单元，用于根据地面监控中心遥控指令的调制模式选择数字调制方式对串行数据流进行数字化调制；和数传发射机，该数传发射机采用微波进行数据传输。所述的可重构高速数字调制单元包括串并转换、采样控制和载波相乘部分。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可重构射频直接数字调制通信系统。

根据本发明提供的可重构射频直接数字调制通信系统，包括可重构直接数字调制发射机和谐波信息解调接收机；

所述可重构直接数字调制发射机将可重构数字调制码元信息直接在射频调制进入载波信号中，并通过天线辐射到空间中；

所述谐波信息解调接收机在接收信号的谐波分量处进行数字调制码元的提取与恢复，完成对发射端信息的解调过程。

优选的，所述可重构直接数字调制发射机包括：射频本振模块、功率放大器、射频单刀双掷开关、参考0度移相单元、180度移相单元、数字码元控制模块和天线单元；

所述射频本振模块产生射频载波信号，并经过功率放大器后到达射频单刀双掷开关一端；

所述数字码元控制模块将数字调制码元映射为仅有0/1两种状态的控制信号，并通过两根控制线将控制信号同时加载到两个射频单刀双掷开关上；

所述射频单刀双掷开关根据控制信号的状态不断进行参考0度移相单元与180度移相单元之间的选通切换，由此改变载波信号不同时刻的相位状态，完成可重构数字调制信号的射频加载过程，最后调制信号通过天线单元辐射到自由空间中。

优选的，所述谐波信息解调接收机包括：天线单元、低噪声放大器、混频器、射频本振模块、模数转化模块和基带信号处理模块；

所述可重构直接数字调制发射机发射的射频调制信号经天线单元接收后送入低噪声放大器，而后与射频本振模块产生的本地载波在混频器中进行混频完成下变频，并经过模数转化模块采样后形成离散数字信号送入基带信号处理模块，基带信号处理模块完成基带调制码元的检测、恢复与信息的解调。

优选的，所述可重构数字调制信号是仅由码元相位和幅度决定信息的数字调制信号，包括任意调制阶数的幅度键控ASK信号、相位键控PSK信号和正交幅度调制QAM信号。

优选的，所述数字码元控制模块为实现数字调制码元与调制波形映射及控制信号生成的数字信号处理模块，包括现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD。

优选的，所述射频单刀双掷开关、参考0度移相单元和180度移相单元三者组成的整体由任意能实现该功能的器件或模块替代：接受数字码元控制模块的控制信号，将射频输入端口输入的载波信号根据控制信号状态进行0度或180度的移相并输出到射频输出端口。

优选的，所述数字码元控制模块将数字调制信号码元的幅度A与相位

映射为0/1两种状态的控制信号波形，设控制信号波形的码元长度为T_p，在该码元时间长度内，0状态数字信号的开始时刻相对于码元时间长度为t_on，t_on<T_p，0状态数字信号的导通时长为τ，τ<T_p，其他码元时间均为状态1的数字信号，若t_on+τ<T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)由下式给出：

若t_on+τ>T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)表示为：

其中，针对需要映射的数字调制信号码元的幅度A与相位

该码元对应的控制信号波形参数t_on与τ由下式确定：

k∈Z且0≤t_on<T_p

其中，A_max为该种数字调制方式下所有码元中的最高幅度。

优选的，所述基带信号处理模块通过单点或两点快速傅里叶变换计算输入复基带信号的谐波分量来提取恢复其中携带的数字调制码元；

码元提取恢复过程为：对输入复基带信号完成载波同步、帧同步及定时恢复后，设获得的单个码元的波形数据为x(n)，n＝1,2,…,N，根据处理复杂度的需求选取不同方法进行码元恢复，包括：

计算正一次谐波频率f_p处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，f_p＝1/T_p，f_s为基带信号的采样率，恢复的数字调制码元含幅度及相位，为s＝α₁。

优选的，码元恢复方法还包括：

计算负一次谐波频率f_p处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，f_p＝1/T_p，恢复的数字调制码元为s＝conj(α_-1)，conj(.)表示取共轭算符。

优选的，码元恢复方法还包括：

同时计算正一次及负一次谐波频率f_p处的谐波分量，并利用下式恢复原调制信号码元：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明在射频端直接进行数字调制，信息由载波直接携带，无基带码元生成、数模转化及上变频流程，适用于多种数字调制信号通信方式，包括仅由幅度及相位确定信息的数字调制方式；

(2)本发明对发射链路的大幅度简化，使得数字调制复杂度大幅降低，同时显著减小发射端功率损耗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的可重构直接数字调制通信系统的发射链路结构图；

图2为本发明的可重构直接数字调制通信系统的接收链路结构图；

图3为本发明在16QAM调制下控制信号波形与码元符号映射关系示例图；

图4为本发明在4QAM调制下接收端提取恢复的码元星座图；

图5为本发明在16QAM调制下接收端提取恢复的码元星座图；

图6为本发明在4QAM、16QAM调制下接收端解调误码率曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的一种可重构直接数字调制通信系统，如图1、图2所示，分别为发射链路图和接收链路图。对于图1的发射链路，包括射频本振模块、功率放大器、射频单刀双掷开关、参考0度移相单元、180度移相单元、数字码元控制模块、天线单元；射频本振模块产生射频载波信号，并经过功率放大器后到达射频单刀双掷开关一端；数字码元控制模块将数字调制码元映射为仅有0/1两种状态的控制信号，并通过两根控制线将控制信号同时加载到两个射频单刀双掷开关上；射频单刀双掷开关根据控制信号的状态不断进行参考0度移相单元与180度移相单元之间的选通切换，由此改变载波信号不同时刻的相位状态，完成可重构数字调制信号的射频加载过程，最后调制信号通过天线单元辐射到自由空间中。对于图2的接收链路，包括天线单元、低噪声放大器、混频器、射频本振模块、模数转化模块、基带信号处理模块；可重构直接数字调制发射机发射的射频调制信号经天线单元接收后送入低噪声放大器，而后与射频本振模块产生的本地载波在混频器中进行混频完成下变频，并经过模数转化模块采样后形成离散数字信号送入基带信号处理模块，基带信号处理模块完成基带调制码元的检测、恢复与信息的解调。

所述的可重构直接数字调制发射机能够实现的可重构数字调制信号包含任意调制阶数的幅度键控ASK信号、相位键控PSK信号和正交幅度调制QAM信号等仅由码元相位和幅度决定信息的数字调制信号。

所述的数字码元控制模块可为包含现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD等可实现数字调制码元与调制波形映射及控制信号生成的数字信号处理模块。

所述的射频单刀双掷开关、参考0度移相单元、180度移相单元三者组成的整体可由任意能实现该功能的器件或模块替代：接受数字码元控制模块的控制信号，将射频输入端口输入的载波信号根据控制信号状态进行0度或180度的移相并输出到射频输出端口。

所述的数字码元控制模块将数字调制信号码元的幅度A与相位

映射为0/1两种状态的控制信号波形，设控制信号波形的码元长度为T_p，在该码元时间长度内，0状态数字信号的开始时刻相对于码元时间长度为t_on(t_on<T_p)，0状态数字信号的导通时长为τ(τ<T_p)，其他码元时间均为状态1的数字信号，若t_on+τ<T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)由下式给出：

若t_on+τ>T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)可表示为：

其中，针对需要映射的数字调制信号码元的幅度A与相位

该码元对应的控制信号波形参数t_on与τ由下式确定：

k∈Z且0≤t_on<T_p

其中，A_max为该种数字调制方式下所有码元中的最高幅度。

进一步地，请参阅图3，提供了在16QAM数字调制方式下根据上述波形与码元映射规则得到的从符号0到符号15的波形图示例，其中16QAM采用格雷码编码，射频单刀双掷开关在该控制信号波形的控制下，完成参考0度移相单元与180度移相单元之间的相位切换，从而将数字调制信息调制进载波信号中。

所述的基带信号处理模块通过单点或两点快速傅里叶变换计算输入复基带信号的谐波分量来提取恢复其中携带的数字调制码元。

所述的码元提取恢复过程为：对输入复基带信号完成载波同步、帧同步及定时恢复后，设获得的单个码元的波形数据为x(n)，n＝1,2,…,N，可根据处理复杂度的需求选取以下三种方法中的一种来进行码元恢复：

其中，第一种方法为计算正一次谐波频率f_p(f_p＝1/T_p)处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，f_s为基带信号的采样率，恢复的数字调制码元(含幅度及相位)即为s＝α₁。

其中，第二种方法为计算负一次谐波频率f_p(f_p＝1/T_p)处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，恢复的数字调制码元即为s＝conj(α_-1)，conj(.)表示取共轭算符。

其中，第三种方法为同时计算正一次及负一次谐波频率f_p处的谐波分量，并利用下式恢复原调制信号码元：

所述的第一种码元恢复方法及第二种码元恢复方法相较于传统的数字调制通信系统的能量利用效率为40.53％，能量损失为3.92dB；第三种码元恢复方法相较于传统的数字调制通信系统的能量利用效率为81.06％，能量损失为0.91dB。

实施例2：

实施例2为实施例1的优选例，结合图1、图2，设射频本振模块产生的载波频率为f_c＝2GHz，利用数字码元控制模块映射成控制信号波形的数字调制方式为4QAM或16QAM，波形等效的码速率为500K symbol/s，谐波解调接收机端基带采样率为25MHz，随机生成10000个码元符号进行波形映射并调制进入载波中，调制波形在信道中叠加高斯随机噪声，并被谐波解调接收机接收并下变频到基带进行码元符号的提取及恢复。

图4及图5给出了在信噪比为20dB下接收机解调的4QAM及16QAM码元星座图，图中可以看出，在利用前述解调方法后，接收端能在基带采样信号谐波分量中提取恢复出发射端调制的数字码元，根据该恢复的码元信息，可进一步进行该种数字调制方式的码元解调。

进一步地，图6给出了在4QAM及16QAM下分别利用前述3种码元提取恢复方法解调的误码率曲线，图中M1表示第一种码元恢复方法，即计算正一次谐波频率f_p(f_p＝1/T_p)处的谐波分量来作为恢复的码元，M2表示第二种码元恢复方法，即计算负一次谐波频率f_p(f_p＝1/T_p)处的谐波分量来作为恢复的码元，M3表示第三种码元恢复方法，即同时计算正一次及负一次谐波频率f_p处的谐波分量并用来恢复码元。图中可见，在4QAM及16QAM调制下，第一种及第二种方法相比理论的误码率性能差3.9dB，而在第三种方法下，误码率性能相比理论值仅低0.9dB，相比传统数字调制通信方式，在基带码元生成、数模转换及变频流程后将损失较高的有用功率，本发明提出的直接调制方式可实现较高的能量利用效率，同时，相对简单的可重构直接调制方式也降低了数字调制及通信的复杂度。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，包括可重构直接数字调制发射机和谐波信息解调接收机；

所述可重构直接数字调制发射机将可重构数字调制码元信息直接在射频调制进入载波信号中，并通过天线辐射到空间中；

所述谐波信息解调接收机在接收信号的谐波分量处进行数字调制码元的提取与恢复，完成对发射端信息的解调过程。

2.根据权利要求1所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述可重构直接数字调制发射机包括：射频本振模块(1)、功率放大器(2)、射频单刀双掷开关(3)、参考0度移相单元(4)、180度移相单元(5)、数字码元控制模块(6)和天线单元(7)；

所述射频本振模块(1)产生射频载波信号，并经过功率放大器(2)后到达射频单刀双掷开关(3)一端；

所述数字码元控制模块(6)将数字调制码元映射为仅有0/1两种状态的控制信号，并通过两根控制线将控制信号同时加载到两个射频单刀双掷开关(3)上；

所述射频单刀双掷开关(3)根据控制信号的状态不断进行参考0度移相单元(4)与180度移相单元(5)之间的选通切换，由此改变载波信号不同时刻的相位状态，完成可重构数字调制信号的射频加载过程，最后调制信号通过天线单元(7)辐射到自由空间中。

3.根据权利要求2所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述谐波信息解调接收机包括：天线单元(7)、低噪声放大器(8)、混频器(9)、射频本振模块(1)、模数转化模块(10)和基带信号处理模块(11)；

所述可重构直接数字调制发射机发射的射频调制信号经天线单元(7)接收后送入低噪声放大器(8)，而后与射频本振模块(1)产生的本地载波在混频器(9)中进行混频完成下变频，并经过模数转化模块(10)采样后形成离散数字信号送入基带信号处理模块(11)，基带信号处理模块(11)完成基带调制码元的检测、恢复与信息的解调。

4.根据权利要求2所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述可重构数字调制信号是仅由码元相位和幅度决定信息的数字调制信号，包括任意调制阶数的幅度键控ASK信号、相位键控PSK信号和正交幅度调制QAM信号。

5.根据权利要求2所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述数字码元控制模块(6)为实现数字调制码元与调制波形映射及控制信号生成的数字信号处理模块，包括现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD。

6.根据权利要求2所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述射频单刀双掷开关(3)、参考0度移相单元(4)和180度移相单元(5)三者组成的整体由任意能实现该功能的器件或模块替代：接受数字码元控制模块(6)的控制信号，将射频输入端口输入的载波信号根据控制信号状态进行0度或180度的移相并输出到射频输出端口。

7.根据权利要求2所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述数字码元控制模块(6)将数字调制信号码元的幅度A与相位

映射为0/1两种状态的控制信号波形，设控制信号波形的码元长度为T_p，在该码元时间长度内，0状态数字信号的开始时刻相对于码元时间长度为t_on，t_on<T_p，0状态数字信号的导通时长为τ，τ<T_p，其他码元时间均为状态1的数字信号，若t_on+τ<T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)由下式给出：

若t_on+τ>T_p，则在一个码元时间长度T_p内，0/1状态数字信号控制波形Crtl(t)表示为：

其中，针对需要映射的数字调制信号码元的幅度A与相位

该码元对应的控制信号波形参数t_on与τ由下式确定：

k∈Z且0≤t_on＜T_p

其中，A_max为该种数字调制方式下所有码元中的最高幅度。

8.根据权利要求3所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，所述基带信号处理模块(11)通过单点或两点快速傅里叶变换计算输入复基带信号的谐波分量来提取恢复其中携带的数字调制码元；

码元提取恢复过程为：对输入复基带信号完成载波同步、帧同步及定时恢复后，设获得的单个码元的波形数据为x(n)，n＝1,2,…,N，根据处理复杂度的需求选取不同方法进行码元恢复，包括：

计算正一次谐波频率f_p处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，f_p＝1/T_p，f_s为基带信号的采样率，恢复的数字调制码元含幅度及相位，为s＝α₁。

9.根据权利要求8所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，码元恢复方法还包括：

计算负一次谐波频率f_p处的谐波分量来作为恢复的码元，由下式给出：

其中，f_p＝1/T_p，恢复的数字调制码元为s＝conj(α_-1)，conj(.)表示取共轭算符。

10.根据权利要求9所述的可重构射频直接数字调制通信系统，其特征在于，码元恢复方法还包括：

同时计算正一次及负一次谐波频率f_p处的谐波分量，并利用下式恢复原调制信号码元：

Images