CN113315541B - 一种伪随机相位序列扩频调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种伪随机相位序列扩频调制方法，其特征是，用于扩频调制的信号为伪随机相位序列，扩频调制方法包括多进制频移键控调制及多进制数字相位调制，伪随机相位序列具有恒包络，良好的自相关及互相关等特性，因此伪随机相位序列扩频调制适用于低功耗，多用户等通讯场景。进一步，本发明通过组合，还提供了相频调制，多流调制，子载波调制，多载波调制，正交调制等多种扩频调制方法，因此伪随机相位序列扩频调制技术能够适用于从超长距到高比特率的各种通讯场景。

Description

一种伪随机相位序列扩频调制方法

技术领域

本发明涉及一种通讯技术，具体地说是一种基于伪随机相位序列的扩频调制方法。

背景技术

恒包络零自相关序列(CAZAC)因为其恒包络，理想的圆周自相关，良好的互相关等特性，广泛的应用在通讯领域，目前常见的有Zadoff-chu序列、Frank序列、Golomb多相序列和Chirp序列等，实际上他们都可以看作是伪随机相位序列的一种。

一般通讯系统都是利用他们的以上特性把他们用于导频信号，实现同步估计。

专利CN106685474A提出一种基于ZC序列的循环移位扩频调制方法，通过将ZC序列用于CCSK调制中实现了利用ZC序列调制数据，而且由于ZC序列具有恒包络特性，功放效率高，因此适用于低功耗通讯系统。

但是上述方法存在以下缺陷：

首先，为了保证不同根值的ZC序列互不相关，ZC序列的长度一般都是质数P，而CCSK调制的数据比特数位BW＝floor(log2(P))，因此移位范围是0:2^BW-1，小于P，频谱效率实际上有所浪费。

其次，解调需要做时域圆周相关，需要对接收序列及本地参考序列都做FFT，并对频域点乘结果做IFFT，因此做了三次时频变换，增加了复杂度及功耗。

本发明提出了一种基于伪随机相位序列的扩频调制方法，不但将可用于扩频的序列从ZC序列推广到一般伪随机相位序列，更进一步通过使用多进制频移键控调制(mFSK)代替圆周移位键控调制(CCSK)，增加多进制数字相位调制等方法，优化了系统复杂度并提高了系统灵活性。

发明内容

本发明提出了一种伪随机相位序列扩频调制方法，其特征在于：

用于扩频调制的信号为伪随机相位序列，包括但不限于，CAZAC序列，其他用户自定义的具有良好自相关与互相关特性的伪随机相位序列(如何寻找或设计具有良好自相关、互相关特性的伪随机相位序列，不是本发明关注点)；

扩频调制方法包括，

多进制频移键控调制，包括但不限于，mFSK等；

多进制数字相位调制，包括但不限于，mPSK、差分mDPSK、pi/m-mDPSK调制等。

由于用于扩频调制的伪随机相位序列具有良好的自相关与互相关特性，因此伪随机相位序列扩频调制适用于多用户通讯系统，多用户通讯时，不同用户可以通过选取互不相关的伪随机相位序列实现无冲突通讯。

同时，多进制频移键控调制不改变伪随机相位序列恒包络特性，多进制数字相位调制虽然破坏了信号的相位连续性，但对信号的峰均比改变很小，因此伪随机相位序列扩频调制也适用于低功耗通讯系统。

首先，定义扩频因子SF，一般情况一个调制符号的长度M等于2^SF，其中^表示幂次，但是用于扩频调制的伪随机相位序列为了保证互不相关性，其长度一般是质数P，因此这里M可以取大于等于2^SF小于等于P的任意值，即2^SF<＝M<＝P。

因为扩频因子越大，扩频增益越高，同时根据香农定理，信噪比越高，信道容量越大，因此可以通过调整扩频因子大小及承载比特的数量来调整伪随机相位序列扩频调制适用的通讯场景。

首先，伪随机相位序列扩频调制可以用于低比特率超长距通讯，具体方法是，采用大的扩频因子，同时，减少信道容量，即减少承载比特数量，这时候调制方式可以采用多进制数字相位调制，多进制数字相位调制包括mPSK，差分mDPSK，带相位偏移的pi/m-mDPSK等，一般通讯系统由于存在相噪，m值不可能太大，即承载比特数log2(m)不大，因此，要求的信噪比不高，适合超长距离，考虑真实系统存在残余频偏，因此一般采用差分mDPSK，优选地，为了减少相位跳动范围，降低包络起伏，采用pi/m-mDPSK，例如，pi/4-DQPSK。而通讯距离可以通过加大扩频因子，即使用大的调制符号来实现，代价是比特率降低，因此伪随机相位序列相位扩频调制适用于低比特率超长距通讯。

第二，伪随机相位序列扩频调制可以用于低功耗长距通讯，具体方法是，采用大的扩频因子，同时采用与扩频因子匹配的承载比特数量，这时候调制方式可以采用多进制频移键控调制，多进制频移键控调制承载的比特数为SF，因此在增加通讯距离的同时还能提供一定的比特率。另外，由于多进制频移键控调制不改变伪随机相位序列恒包络特性，因此，伪随机相位序列频移扩频调制适用于低功耗长距通讯。

第三，伪随机相位序列扩频调制可以用于高效长距通讯，具体方法是，采用大的扩频因子，为了提高承载的比特数，调制方式可以采用多进制频移键控调制加多进制数字相位调制，这样承载的比特数可以达到SF+log2(n)，其中SF为多进制频移键控调制承载的比特数，log2(n)为多进制数字相位调制承载的比特数，在付出一定的峰均比代价下，频谱效率最高，因此，伪随机相位序列相频扩频调制适用于高效长距通讯。

更进一步，伪随机相位序列扩频调制可以用于高比特率通讯，具体方法是，利用伪随机相位序列的互不相关性，单用户采用多流模式，即多个数据流采用多个互不相关的伪随机相位序列扩频调制，叠加之后产生调制符号，其中的伪随机相位序列扩频调制可以是伪随机相位序列相位扩频调制，伪随机相位序列频移扩频调制或伪随机相位序列相频扩频调制，多个数据流采用的扩频调制方法相同或不同。通过伪随机相位序列多流扩频调制，可以成倍的提高比特率，适用于高比特率通讯。

特别地，如果我们采用特定的子载波将伪随机相位序列相位扩频调制符号从初始频点搬移，那么得到的信号与原始的伪随机相位序列相位扩频调制符号不同，而且这两个符号不相关，但是不推荐采用这种子载波的不相关特性实现多用户通讯，因为伪随机相位序列的频移与时移存在一定的关系，因此要严格保证这两个符号不相关，必须要同步系统，代价很大。因此，伪随机相位序列子载波扩频调制可以看作是伪随机相位序列相位扩频调制的变种，适用于低比特率超长距通讯。

进一步，如果是单用户，采用多个子载波对多数据流进行伪随机相位序列子载波扩频调制，那么单用户多流的扩频调制符号因为严格同步所以互不相关，因此，伪随机相位序列多载波扩频调制可以提高比特率，适用于高比特率通讯。伪随机相位序列多载波扩频调制与伪随机相位序列多流扩频调制的区别是，多载波扩频调制的多个子载波位置固定，不能承载信息，只能用相位承载信息，而多流扩频调制的每个流可以使用子载波、相位及组合承载信息。

更进一步，如果多流的扩频调制符号采用的是相同的伪随机相位序列，且调制符号长度为2^SF，那么由于子载波正交，因此可以得到比互不相关更好的性能，因此，伪随机相位序列正交扩频调制可以达到与OFDM系统类似的性能，但子载波的数量及分配可以更自由，更适用于下行多用户场景。进一步分析，OFDM系统的子载波可能会受单音干扰，但伪随机相位序列正交扩频调制将子载波打散到整个频带，因此，抗单音干扰能力会比OFDM好。

附图说明

图1所示为本发明伪随机相位序列扩频调制结构示意图；

图2所示为本发明多流伪随机相位序列扩频调制示意图；

图3所示为本发明伪随机相位序列扩频解调结构示意图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

图1所示为本发明伪随机相位序列扩频调制结构示意图，包括于扩频调制的伪随机相位序列，待调制数据，调制模块100，其中调制模块通过将伪随机相位序列经过相位旋转模块110，和频移模块120，完成多进制数字相位调制，多进制频移键控调制及多种组合调制，也包括子载波调制，因为多进制频移键控调制本身可以看作是一种可变子载波调制，其中待调制数据的位宽等于调制符号大小，即一个符号承载的比特数z，待调制数据经过比特拆分模块130，将一个符号大小的数据拆分成x比特的多进制频移键控调制比特及y比特的多进制数字相位调制比特，即z＝x+y，在伪随机相位序列相位扩频调制及伪随机相位序列子载波扩频调制的模式下，x为0，在伪随机相位序列频移键控扩频调制模式下，y为0。x比特的多进制频移键控调制比特用于根据x比特的所表示的值对伪随机相位序列进行频移，y比特的多进制数字相位调制比特用于根据y比特的所表示的值对伪随机相位序列进行相位旋转。调制后的符号长度M既可以保持原伪随机相位序列的长度P，也可以截短到2^SF的长度，由符号截短模块140来决定，其中^表示幂次，SF为扩频因子。

伪随机相位序列扩频调制可以用伪代码表示如下：

假设伪随机相位序列为Rp，

Rp＝exp(2*pi*i*(Tp))；

其中，exp为指数函数，pi为圆周率，i为虚数单位，Tp为伪随机相位，Tp＝{T(0)，T(1)，T(2)。。。T(p-1)}，p为伪随机相位序列的长度。

那么伪随机相位序列扩频调制过程如下，

Sp＝Rp.*exp(2*pi*i*(0:p-1)*dataX/m)*exp(2*pi*i*dataY/n)

其中，Sp表示调制符号，dataX表示x比特多进制频移键控调制比特所表示的值，dataY表示y比特多进制数字相位调制比特所表示的值，m为多进制频移键控调制的阶数，即子载波数量，n为多进制数字相位调制的阶数，即相位数量，.*表示点乘，即对应样点相乘。因为乘法满足交换律，因此上式中表示频移的.*exp(2*pi*i*(0:p-1)*dataX/m)与表示相位旋转的*exp(2*pi*i*dataY/n)可以交换次序，即伪随机相位序列扩频调制的结果与多进制频移键控调制及多进制数字相位调制的顺序无关，当然也可以先把exp(2*pi*i*(0:p-1)*dataX/m)*exp(2*pi*i*dataY/n)所表示的相位先计算出来再与伪随机相位序列对应样点相乘。

上述只是一个用例，实际上多进制数字相位调制还可能包括差分编码、加相位偏移等过程，这里就不详述了。

图2所示为伪随机相位序列多流扩频调制示意图，是多个伪随机相位序列扩频调制的叠加，这里就不赘述。伪随机相位序列正交扩频调制与伪随机相位序列多流扩频调制的区别是，正交扩频调制的多个数据流只采用同一个伪随机相位序列，调制符号长度为2^SF，而且是在多个固定的相互正交在的子载波上进行频移。

图3所示为伪随机相位序列扩频解调结构示意图，包括用于扩频解调的本地参考伪随机相位序列，接收到的一个符号长度的基带采样信号，解调模块200，其中解调模块还包括时域相关模块210，通过将基带采样信号与本地参考伪随机相位序列的共轭点乘完成时域相关，频域相关模块220，通过将时域相关结果进行FFT变换得到频域相关结果，相位旋转模块230，通过将频域相关结果与多进制数字相位调制所有可能的相位进行扩张积，得到n组频域相关结果，最大值搜索模块240，在n组频域相关结果里寻找实部最大的值，其所在组的序号即为多进制数字相位解调结果，在组内的位置索引即为多进制频移键控解调结果。其中，n为多进制数字相位调制的阶数。

具体过程这里就不再用伪代码赘述了，而且这只是一个示例图，具体的多进制数字相位解调还可能包括解差分编码、去相位偏移等过程。

如上所述，本发明提出一种伪随机相位序列扩频调制方法，其特征是，用于扩频调制的信号为伪随机相位序列，扩频调制方法包括多进制频移键控调制及多进制数字相位调制，伪随机相位序列具有恒包络，良好的自相关及互相关等特性，因此伪随机相位序列扩频调制适用于低功耗，多用户等通讯场景。进一步，本发明通过组合，还提供了相频调制，多流调制，子载波调制，多载波调制，正交调制等多种扩频调制方法，因此伪随机相位序列扩频调制技术能够适用于从超长距到高比特率的各种通讯场景。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种伪随机相位序列扩频调制方法，其特征在于：

用于扩频调制的信号为伪随机相位序列；

扩频调制方法包括，

多进制频移键控调制；

多进制数字相位调制；

其中，所述伪随机相位序列的相位指的是星座调制的相位，所述扩频指的是用一个指定长度的伪随机相位序列表示一个符号，所述调制指的是在伪随机相位序列信号的基础上再进行调制。

2.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列频移扩频调制方法，其特征在于，包括，

用于扩频调制的伪随机相位序列的长度为P，调制符号长度M大于等于2^SF小于等于P；

扩频调制方法为多进制频移键控调制，调制符号承载的比特数为log2(m)＝SF；

所述伪随机相位序列频移扩频调制指的是将多进制频移键控调制得到的子载波的每个样点与伪随机相位序列的每个样点信号进行点乘；

其中，^表示幂次，SF为扩频因子，m为多进制频移键控调制的阶数，m等于2^SF。

3.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列相位扩频调制方法，其特征在于，包括，

用于扩频调制的伪随机相位序列的长度为P，调制符号长度M大于等于2^SF小于等于P；

扩频调制方法为多进制数字相位调制，调制符号承载的比特数为log2(n)；

所述伪随机相位序列相位扩频调制指的是将多进制数字相位调制得到的相位与伪随机相位序列的每个样点信号分别相乘；

其中，n是多进制数字相位调制的阶数，n等于2的幂次。

4.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列相频扩频调制方法，其特征在于，包括，

用于扩频调制的伪随机相位序列的长度为P，调制符号长度M大于等于2^SF小于等于P；

扩频调制方法为多进制频移键控调制加多进制数字相位调制，调制符号承载的比特数为log2(m*n)＝SF+log2(n)；

所述伪随机相位序列相频扩频调制指的是伪随机相位序列即经过伪随机相位序列相位扩频调制，也经过伪随机相位序列频移扩频调制，与次序无关。

5.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列多流扩频调制方法，其特征在于，上述用于调制的伪随机相位序列具有良好的自相关与互相关特性，单用户采用N个互不相关的伪随机相位序列对N个数据流进行扩频调制，包括，

伪随机相位序列频移扩频调制；

伪随机相位序列相位扩频调制；

伪随机相位序列相频扩频调制；

N个数据流采用的扩频调制方法相同或不同；

最终扩频调制符号为N个伪随机相位序列扩频调制符号的叠加；

其中，N>＝2。

6.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列子载波扩频调制方法，其特征在于，包括，

对用于扩频调制的伪随机相位序列进行伪随机相位序列相位扩频调制得到调制符号；

对伪随机相位序列相位扩频调制符号进行子载波调制；

上述子载波调制指的是将特定的一个子载波的每个样点与伪随机相位序列相位扩频调制符号的每个样点信号进行点乘；

上述特定的一个子载波指的是mFSK所使用的m个子载波中的任意一个。

7.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列多载波扩频调制方法，其特征在于，包括，

单个用户采用N个不同的子载波信号分别对N个数据流进行伪随机相位序列子载波扩频调制；

N个子载波采用的伪随机相位序列相同或不同；

最终扩频调制符号为N个伪随机相位序列子载波扩频调制符号的叠加；

其中，N>＝2。

8.根据权利要求1所述方法，所述方法包括一种伪随机相位序列正交扩频调制方法，其特征在于，包括，

单个用户采用N个不同的子载波信号分别对N个数据流进行伪随机相位序列子载波扩频调制；

N个子载波采用的伪随机相位序列相同且调制符号长度M等于2^SF，子载波之间正交；

最终扩频调制符号为N个伪随机相位序列子载波扩频调制符号的叠加；

其中，N>＝2。

9.一种伪随机相位序列扩频解调方法，对权利要求1-8所述的调制方法产生的调制符号进行对应的解调。

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