CN113315540B - 一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制及解调方法 - 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信号的调制及解调方法。其中，调制方法包括：第一N比特线性调频信号与伪随机相位序列对应相乘以生成相乘序列，再进行低通滤波以获取调制信号。解调方法包括：将参考序列波形与调制信号中对应于当前比特的线性调频信号进行乘法运算并计算乘法运算后的能量，同时对每个比特进行计数，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。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信号的调制及解调方法，不仅可以更便捷地实现不同比特数下的扩频调制，还可以使信号传输过程具有更加良好的保密性。

Description

一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制及解调方法

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信号的调制及解调方法。

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，且通过信道纠错编码技术(比如汉明码)等可以再次提高接收器解调的灵敏度。

然而，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，这限制了CSS扩频技术的应用灵活性。

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信号的调制及解调方法。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法，应用于发送承载比特信息的符号，提供每个所述符号需要发送的比特数N，所述调制方法包括：

步骤A1，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，以生成一第一N比特线性调频信号；

步骤A2，提供一长度为N×M的伪随机相位序列；

步骤A3，将所述第一N比特线性调频信号与所述伪随机相位序列对应相乘以生成相乘序列，并对所述相乘序列进行低通滤波，以获取调制信号。

优选的，生成所述伪随机相位序列的过程包括：

步骤A21，提供一伪随机数产生算法以生成所述随机相位序列；

步骤A22，对所述随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的所述伪随机相位序列。

优选的，步骤A3包括：

步骤A31，对所述第一N比特线性调频信号进行采样生成对应的信号采样点；

步骤A32，对所述伪随机相位序列进行采样生成对应的序列采样点；

步骤A33，对所述信号采样点与所述序列采样点对应相乘，以获取所述相乘序列；

步骤A34，对所述相乘序列进行低通滤波以获取所述调制信号。

一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，应用于如上述任意一项形成的所述调制信号，所述解调方法包括：

步骤B1，提供2^N种参考序列波形；

步骤B2，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，并计算乘法运算后的能量值，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；

步骤B3，对2^N个所述能量进行比较分析，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。

优选的，对一第二N比特线性调频信号和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。

优选的，所述第二N比特线性调频信号的生成过程，应用于承载比特信息的第二符号，包括：

根据所述比特数N划分每个所述第二符号占用的原始带宽以及所述第二符号对应的原始时间长度，使划分后的每段带宽用于承载一个比特的信息；

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。

优选的，所述第二线性调频信号的起始位置和终止位置采用下述公式表示为：

其中，

fstart_i用于表示所述第二线性调频信号的起始位置，其中，i用于表示所述第二线性调频信号在所述第二N比特线性调频信号中的排序序号；

BW用于表示所述第二符号占用的原始带宽；

N用于表示每个所述第二符号承载的比特数；

ftermination_i用于表示所述第二线性调频信号的终止位置，其中，i用于表示所述第二线性调频信号在所述第二N比特线性调频信号中的排序序号。

优选的，所述第二伪随机相位序列的生成过程包括：

采用一伪随机数产生算法生成所述随机相位序列；

对所述随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的所述伪随机相位序列。

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信号的调制及解调方法，不仅可以更便捷地实现不同比特数下的扩频调制，还可以使信号传输过程具有更加良好的保密性。

附图说明

图1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信号的调制方法的流程示意图；

图2为本发明的优选实施方式中，步骤A2的流程示意图；

图3为本发明的优选实施方式中，步骤A3的流程示意图；

图4为本发明的优选实施方式中，采样点对应相乘的示意图；

图5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信号的解调方法的流程示意图；

图6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7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。

一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制及解调方法。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法，应用于发送承载比特信息的符号，提供每个符号需要发送的比特数N，如图1所示，调制方法包括：

步骤A1，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，以生成一第一N比特线性调频信号；

步骤A2，提供一长度为N×M的伪随机相位序列；

步骤A3，将第一N比特线性调频信号与伪随机相位序列对应相乘以生成相乘序列，并对相乘序列进行低通滤波，以获取调制信号。

具体地，考虑到现有技术中的CSS(Chirp Spread Spectrum，线性调频扩频)技术中，通常采用四段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，相应的，在传输过程中只能通过四种不同的传输方式传输两比特的信息，这严重限制了CSS扩频技术的信息传输效率，由此本发明提供一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制及解调方法，在调制过程中，通过生成的第一N比特线性调频信号以及伪随机相位序列进行调制生成调制信号进行发送，也就是说，本发明相较现有技术而言，增加了每个符号能够承载比特数，在传输过程中能够连续发送多个承载多个比特信息的符号，而在解调过程中，再通过参考序列波形与接收信号之间的相关运算进行解调，可以更便捷地实现不同比特数的扩频传输，并且具有良好的保密性。

本发明优选的实施方式中，生成第一N比特线性调频信号的过程包括：

获取每个所述符号需要承载的比特数N；

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，使划分后的每段带宽用于承载一个比特的信息；

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一线性调频信号，以生成第一N比特线性调频信号。

具体地，第一线性调频信号为up-Chirp(频率线性递增)信号或down-Chirp(频率线性递减)信号中的一种，相应组成的第一N比特线性调频信号也可以称为N-Chirp信号，相应的，第一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：

其中，

fstart_i’用于表示第一线性调频信号的起始位置，其中，i用于表示第一线性调频信号在所有第一线性调频信号中的排序序号；

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；

ftermination_i’用于表示第一线性调频信号的终止位置，其中，i用于表示第一线性调频信号在所有第一线性调频信号中的排序序号。

本发明优选的实施方式中，生成伪随机相位序列的过程包括：

如图2所示，步骤A21，提供一伪随机数产生算法以生成随机相位序列；

步骤A22，对随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的伪随机相位序列。

本发明优选的实施方式中，随机相位序列的长度为N×M，其中每个相位的取值范围为[0,2π)具体地，于步骤A21，通过伪随机数产生算法可生成一个长度为N×M的随机相位序列，其中每个相位的取值范围为[0,2π)；于步骤A22，对该随机相位序列进行三角函数运算，可生成对应的序列。

本发明优选的实施方式中，步骤A3包括：

如图3所示，步骤A31，对第一N比特线性调频信号进行采样生成对应的信号采样点；

步骤A32，对伪随机相位序列进行采样生成对应的序列采样点；

步骤A33，对信号采样点与序列采样点对应相乘，以获取相乘序列；

步骤A34，对相乘序列进行低通滤波以获取调制信号。

具体地，于步骤A31，可以采样率

对第一N比特线性调频信号进行采样生成对应的信号采样点；于步骤A32，以相应的采样率对伪随机相位序列进行采样生成对应的序列采样点，如图4所示，对信号采样点与序列采样点对应相乘，采样点数均为K×M×N，对应的时间长度为T；步骤A34，最后对相乘得到的相乘序列进行低通滤波以获取调制信号，K可以为4。

一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，应用于上述任意一项中的调制信号，解调方法包括：

如图5所示，步骤B1，提供2^N种参考序列波形；

步骤B2，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，并计算乘法运算后的能量值，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；

步骤B3，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。

具体地，基于上述所述的调制方式，本发明还提供一对应的解调方法，首先提供2^N种参考序列波形，随后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，并计算乘法运算后的能量值，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。

本发明优选的实施方式中，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。

具体地，考虑到本发明的调制过程，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。

本发明优选的实施方式中，第二N比特线性调频信号的生成过程，应用于承载比特信息的第二符号，包括：

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，使划分后的每段带宽用于承载一个比特的信息；

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。

本发明优选的实施方式中，第二线性调频信号的起始位置和终止位置采用下述公式表示为：

其中，

fstart_i用于表示第二线性调频信号的起始位置，其中，i用于表示第二线性调频信号在第二N比特线性调频信号中的排序序号；

BW用于表示第二符号占用的原始带宽；

N用于表示每个第二符号承载的比特数；

ftermination_i用于表示第二线性调频信号的终止位置，其中，i用于表示第二线性调频信号在第二N比特线性调频信号中的排序序号。

本发明优选的实施方式中，第二伪随机相位序列的生成过程包括：

采用一伪随机数产生算法生成随机相位序列；

对随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的伪随机相位序列。

具体地，本发明的解调过程中，需要通过与调制过程中本质相同的方式生成N比特线性调频信号以及伪随机相位序列，以生成2^N种参考波形序列。

进一步地，本发明还可基于解调方法，设置一对应的解调装置，即可包括参考序列发生器、复数乘法运算器、能量计算器以及比较保存器。

实施例一

本实施例一提供比特数为4的一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制及解调方法。

其中，一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法包括：

首先根据比特数N＝4划分每个符号占用的原始带宽BW以及符号对应的原始时间长度T，根据划分后的每段带宽

每段时间长度

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，以生成一第一4比特线性调频信号，如图6所示；随后提供一伪随机相位序列；最后将第一4比特线性调频信号与伪随机相位序列对应相乘以生成相乘序列，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信号的解调方法包括：

首先可根据如图7所示的第二4比特线性调频信号以及一第二伪随机相位序列提供2⁴种参考序列波形；随后依次获取2⁴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，并计算乘法运算后的能量值，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；对2⁴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。

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信号的调制及解调方法，不仅可以更便捷地实现不同比特数下的扩频调制，还可以使信号传输过程具有更加良好的保密性。

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 (8)

1.一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法，应用于发送承载比特信息的符号，其特征在于，提供每个所述符号需要发送的比特数N，所述调制方法包括：

步骤A1，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，以生成一第一N比特线性调频信号；

步骤A2，提供一长度为N×M的伪随机相位序列；

步骤A3，将所述第一N比特线性调频信号与所述伪随机相位序列对应相乘以生成相乘序列，并对所述相乘序列进行低通滤波，以获取调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法，其特征在于，生成所述伪随机相位序列的过程包括：

步骤A21，提供一伪随机数产生算法以生成所述随机相位序列；

步骤A22，对所述随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的所述伪随机相位序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的调制方法，其特征在于，步骤A3包括：

步骤A31，对所述第一N比特线性调频信号进行采样生成对应的信号采样点；

步骤A32，对所述伪随机相位序列进行采样生成对应的序列采样点；

步骤A33，对所述信号采样点与所述序列采样点对应相乘，以获取所述相乘序列；

步骤A34，对所述相乘序列进行低通滤波以获取所述调制信号。

4.一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，其特征在于，应用于如权利要求1-3中任意一项形成的所述调制信号，所述解调方法包括：

步骤B1，提供2^N种参考序列波形；

步骤B2，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，并计算乘法运算后的能量值，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；

步骤B3，对2^N个所述能量进行比较分析，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。

5.根据权利要求4所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，其特征在于，对一第二N比特线性调频信号和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。

6.根据权利要求5所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，其特征在于，所述第二N比特线性调频信号的生成过程，应用于承载比特信息的第二符号，包括：

根据所述比特数N划分每个所述第二符号占用的原始带宽以及所述第二符号对应的原始时间长度，使划分后的每段带宽用于承载一个比特的信息；

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。

7.根据权利要求6所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，其特征在于，所述第二线性调频信号的起始位置和终止位置采用下述公式表示为：

其中，

fstart_i用于表示所述第二线性调频信号的起始位置，其中，i用于表示所述第二线性调频信号在所述第二N比特线性调频信号中的排序序号；

BW用于表示所述第二符号占用的原始带宽；

N用于表示每个所述第二符号承载的比特数；

ftermination_i用于表示所述第二线性调频信号的终止位置，其中，i用于表示所述第二线性调频信号在所述第二N比特线性调频信号中的排序序号。

8.根据权利要求5所述的一种基于伪随机相位序列扩频信号的解调方法，其特征在于，所述第二伪随机相位序列的生成过程包括：

采用一伪随机数产生算法生成所述随机相位序列；

对所述随机相位序列进行三角函数运算，生成对应的所述伪随机相位序列。

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