CN115242294B - 一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法，属于卫星通信领域。该方法主要由复子载波搬移、对待复用信号进行功率和相位约束、对有害交调分量功率约束和准恒包络约束等过程构成。其中，复子载波搬移实现了将不同频点的信号搬移至同一频点；对待复用信号的功率和相位约束提高了复用效率；对有害交调分量功率约束和准恒包络约束避免了波形畸变并且实现了准恒包络的信号特性。本发明不仅能够降低交调分量造成的波形畸变，还能够充分利用通信信号和导航信号的特性，进而提高复用效率，为通信导航一体化信号的发射与接收提供了重要的技术支持。

Description

一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法

技术领域

本发明涉及一种多频点多信号分量的一体化准恒包络复用方法，属于卫星通信领域。

背景技术

低轨卫星的通信信号其信息速率较高，可以支持速率要求较高的业务，但其导航定位的能力不足，精度较导航信号和导航增强信号的精度较低；反之，基于中高轨的GNSS导航信号，其定位精度高，但往往信息速率非常低。因此如何将低轨卫星的通信信号信息速率较高的特点和GNSS导航信号导航定位精度高的特点结合起来，形成基于LEO的通信导航一体化信号，是有确切现实研究意义的。

此外，随着通信技术的快速发展，频率资源变得越来越紧张，人们对调制技术提出了更高的要求。由于使用非线性功率放大器和(准)恒定包络调制所得到的性能增益高于使用线性功率放大器和非恒定包络调制信号的增益，因此在卫星通信系统中往往都采用非线性功率放大器。由于通信信号和导航信号的信息速率及工作频率等均不相同，且星上高功率放大器在饱和区工作时会产生非线性效应，为了降低这种非线性所带来的信号畸变和频谱扩展，因此需要利用(准)恒包络复用技术将通信信号和导航信号进行调制复用。在恒包络复用过程中，引入的交调分量导致复用效率降低，进而导致功率效率降低。同时，有文献表明，对于导航信号的伪码跟踪精度等指标而言，恒包络处理相对非恒包络处理的改善十分有限。在处理通信导航一体化信号恒包络复用的问题中，目前还没有看到将通信导航多路信号进行一体化复用且各分量灵活可变的准恒包络复用方法。

发明内容

本发明的目的是在解决通信导航一体化多路信号复用的过程中，将多路卫星信号进行准恒包络调制后进行发射，可用于在星上功率受限的发射条件下对多频点多分量信号进行准恒包络调制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法，其中，卫星通信信号和导航信号的体制均采用CDMA，卫星通信信号和导航信号的信息速率和扩频码长度不同，但伪码速率相同；在复用前已经给出了有用信号分量间的功率约束和相位约束，并且这些有用信号之间的相关性是已知的；在复用前已经给定了包络值允许变化的最大值A_req，单位为dB，表征相对于恒定包络的变化幅度；

在卫星通导一体化信号复用中，存在N个信号分量x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)，每一个信号均为取值为{-1,1}的双极性信号，复用产生的交调分量由N个信号分量间随机相乘得到，复用后的信号为s(t)：

其中，r_i为x_i(t)对应的复系数，In(t)为所有交调分量的和；

复用的N路信号总共由2^N种可能取值组合即基信号构成；

r_i的表达式为：

其中，A为复合信号的包络值，x_i(k)为第i个基信号在第k种相位组合中的值，对应相位映射表中的第k行第i列；

该方法包括以下步骤：

步骤一、分析待复用的N路信号的频率特性，看其是否在同一频点上，若有M路信号不在，则利用复子载波搬移方法将M路信号搬移至和剩下的N-M路信号相同的频点，搬移至同一频点后信号个数为N+M；

复子载波搬移方法的具体方式为：

若信号分量s₁距分量s₂中心频点相差f_sc频率，则通过下式将信号s₁搬移到s₂的中心频点：

s₁(t)·[sign(cos(2πf_sct))±jsign(sin(2πf_sct))]＝s_1c(t)+js_1s(t)

其中，sign()为符号函数，‘+’号表示s₁的频率高于s₂，‘-’号表示s₁的频率低于s₂，并且s_1s中包含了复子载波的正负号；

搬移后的一路信号s₁变成两路非独立的信号s_1c和s_1s，其功率相同，相位彼此正交；

步骤二、根据给定的N路信号功率约束和相位约束，得到搬移后的N+M路信号的第一约束项和第二约束项：

Im{exp(-jΔφ_mn)r_mr_n ^*}＝0

其中，P_i为第i路有用信号的功率，Δφ_mn为第m路有用信号和第n路有用信号的相位差，即等于r_m和r_n的相位差，上标*表示复共轭；

步骤三、判断该交调分量是否是某一对非独立信号分量和其他分量的乘积，若是，则将该交调分量置于集合X中；由此，得到对有用信号分量造成波形畸变的交调分量集合X，将集合X中的功率约束和包络值允许变化的最大范围作为第三约束项：

其中，A_req为要求的允许包络变化最大值，A_max为实际出现的最大包络值；

步骤四、以最大化复用效率即最小化复用信号的包络值为目标函数，联合上述三个约束项，合并为一个无约束最优化问题：

其中，M1、M2、M3为罚因子，F(θ)为目标函数；

步骤五、利用最优化方法求解步骤四得到的无约束最优化问题，得到从2^N种可能取值组合到复用发射信号的2^N种相位状态的一一对应的映射关系，并保存为相位映射表，在接收端根据该相位映射表进行接收结算。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出一种导航信号和通信信号等多路卫星信号的准恒包络复用方法，在解决通信导航一体化多路信号复用的过程中，基于相位优化恒包络发射方法(POCET)进行准恒包络复用，以获得更高的复用效率。

2、采用本发明的方法，可以在给定包络值允许变化的最大值情况下，将多路待发射信号搬移至同一频点，并求得对有用信号分量造成波形畸变的交调分量集合X，通过发射信号间的功率约束和相对相位约束，以及集合X中的功率和包络值允许变化的最大范围约束。在得到以上三个约束后，结合目标函数将其转化为无约束最优化问题，利用最优化方法求解该函数，进而得到对应的相位映射表以供接收端使用。

总之，采用本发明的方法，可以充分利用通信信号和导航信号的特性，从而提高复用效率，为通信导航一体化信号的发射与接收提供重要的技术支持。

附图说明

图1是准恒包络复用方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地说明。

一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法，本方法的应用前提条件如下：

(1)卫星通信信号和导航信号的体制均为CDMA，区别在于信息速率和扩频码长度不同，例如通信信号的信息速率高，扩频码长度较短；而导航信号的信息速率低，扩频码长度较长；但其伪码速率相同，即不同信号其信息速率和扩频码长度的乘积是相同的；

(2)在复用前已经给出了有用信号分量间的功率约束和相位约束，并且这些有用信号之间的相关性都是已知的；

(3)在复用前已经给定了包络值允许变化的最大值A_req，其单位为dB，表征相对于恒定包络的变化幅度。

在卫星通导一体化信号复用中，存在N个信号分量x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)，一般地，假设每一个信号均为取值为{-1,1}的双极性信号，复用产生的交调分量由N个信号分量间随机相乘得到，如x₁(t)x₂(t),x₁(t)x₂(t)·…·x_N(t)等，复用后的信号为s(t)，则其中r_i为x_i(t)对应复系数，In(t)为所有交调分量的和。复用的N路信号总共由2^N种可能取值组合(也称为基信号)构成，信号恒包络复用过程可以看作是从这2^N种可能取值组合到复用发射信号的2^N种相位状态一一对应的一种映射关系。r_i的表达式为/> _A为复合信号的包络值，x_i(k)为第i个基信号在第k种相位组合中的值，对应相位映射表中的第k行第i列。

如图1所示，本方法的具体步骤如下：

步骤一、分析待复用的N路信号的频率特性，看其是否在同一频点上，设有M路信号不在，则利用复子载波搬移方法将M路信号搬移至和剩下的N-M路信号相同的频点，搬移至同一频点后信号个数为N+M；

若信号分量s₁距分量s₂中心频点相差f_sc频率，可通过复子载波调制将信号s₁搬移到s₂的中心频点：

s₁(t)·[sign(cos(2πf_sct))±jsign(sin(2πf_sct))]＝s_1c(t)+js_1s(t)

其中‘+’号表示s₁的频率高于s₂，‘-’号表示s₁的频率低于s₂，并且s_1s中包含了复子载波的正负号。由于s_1c和s_1s采用相同的扩频码，因此s_1c和s_1s为一对非独立信号。采用上式所示的复子载波调制时，由于旁瓣功率的泄露，在f_sc处的谐波功率只占总功率的81.06％，为了使最终复用的功率比值不变，实际功率配比需要考虑该损失。因此，搬移后的一路信号s₁变成两路非独立的信号，其功率相同，相位彼此正交。

步骤二、根据给定的N路信号功率约束和相位约束，得到搬移后的N+M路信号的功率约束和相位约束，P_i为功率分配的约束关系，φ_mn为信号分量间的相位约束，将其分别作为第一，第二个约束项：

Im{exp(-jΔφ_mn)r_mr_n ^*}＝0

定义复用效率为N路有用信号的功率之和与合成信号的总功率之比即复用效率越高，等价于复用信号的包络A越小。由此得到有用信号功率约束项。

由于N路有用信号在发射时往往带有同向或正交的相位约束，第m路有用信号和第n路有用信号的相位差Δφ_mn等于r_m和r_n的相位差，因此有Im{exp(-jΔφ_mn)r_mr_n ^*}＝0，由此得到有用信号相位约束项。

步骤三、基于步骤一得到的非独立信号对，求得对有用信号分量造成波形畸变的交调分量集合X，为使其功率尽可能低的同时保证较高的复用效率，将集合X中的功率约束和包络值允许变化的最大范围其作为第三个约束项。具体方式为：

确定某个交调分量是否属于X的方法为：判断该交调分量是否是某一对非独立信号分量和其他分量的乘积，若是，则将该交调分量置于集合X中。

将集合X中的功率约束和包络值允许变化的最大范围其作为第三个约束项：

其中，A_req为要求的允许包络变化最大值，A_max为实际出现的最大包络值。

步骤四、以最大化复用效率即最小化复用信号的包络值A为目标函数，联合上面三个约束项，合并为一个无约束最优化问题：

有资料显示，罚因子M2比M1大5-10倍时结果比较理想，因此仿真取罚因子M1＝M3＝10000,M2＝50000；利用最优化方法求解该函数，进而得到对应的相位映射表，接收端可参考该相位映射表进行接收结算。

总之，本发明通过复子载波搬移实现了将不同频点的信号搬移至同一频点；通过对待复用信号的功率和相位约束提高了复用效率；通过对有害交调分量功率约束和准恒包络约束避免了波形畸变并且实现了准恒包络的信号特性。本发明不仅能够降低交调分量造成的波形畸变，还能够充分利用通信信号和导航信号的特性，进而提高复用效率，为通信导航一体化信号的发射与接收提供了重要的技术支持。

Claims (1)

1.一种多频点多信号分量的通导一体化准恒包络复用方法，其特征在于，卫星通信信号和导航信号的体制均采用CDMA，卫星通信信号和导航信号的信息速率和扩频码长度不同，但伪码速率相同；在复用前已经给出了有用信号分量间的功率约束和相位约束，并且这些有用信号之间的相关性是已知的；在复用前已经给定了包络值允许变化的最大值A_req，单位为dB，表征相对于恒定包络的变化幅度；

在卫星通导一体化信号复用中，存在N个信号分量x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)，每一个信号均为取值为{-1,1}的双极性信号，复用产生的交调分量由N个信号分量间随机相乘得到，复用后的信号为s(t)：

其中，r_i为x_i(t)对应的复系数，In(t)为所有交调分量的和；

复用的N路信号总共由2^N种可能取值组合即基信号构成；

r_i的表达式为：

其中，A为复合信号的包络值，x_i(k)为第i个基信号在第k种相位组合中的值，对应相位映射表中的第k行第i列；

该方法包括以下步骤：

步骤一、分析待复用的N路信号的频率特性，看其是否在同一频点上，若有M路信号不在，则利用复子载波搬移方法将M路信号搬移至和剩下的N-M路信号相同的频点，搬移至同一频点后信号个数为N+M；

复子载波搬移方法的具体方式为：

若信号分量s₁距分量s₂中心频点相差f_sc频率，则通过下式将信号s₁搬移到s₂的中心频点：

s₁(t)·[sign(cos(2πf_sct))±jsign(sin(2πf_sct))]＝s_1c(t)+js_1s(t)

其中，sign()为符号函数，‘+’号表示s₁的频率高于s₂，‘-’号表示s₁的频率低于s₂，并且s_1s中包含了复子载波的正负号；

搬移后的一路信号s₁变成两路非独立的信号s_1c和s_1s，其功率相同，相位彼此正交；

步骤二、根据给定的N路信号功率约束和相位约束，得到搬移后的N+M路信号的第一约束项和第二约束项：

Im{exp(-jΔφ_mn)r_mr_n ^*}＝0

其中，P_i为第i路有用信号的功率，Δφ_mn为第m路有用信号和第n路有用信号的相位差，即等于r_m和r_n的相位差，上标*表示复共轭；

步骤三、判断该交调分量是否是某一对非独立信号分量和其他分量的乘积，若是，则将该交调分量置于集合X中；由此，得到对有用信号分量造成波形畸变的交调分量集合X，将集合X中的功率约束和包络值允许变化的最大范围作为第三约束项：

其中，A_req为要求的允许包络变化最大值，A_max为实际出现的最大包络值；

步骤四、以最大化复用效率即最小化复用信号的包络值为目标函数，联合上述三个约束项，合并为一个无约束最优化问题：

其中，M1、M2、M3为罚因子，F(θ)为目标函数；

步骤五、利用最优化方法求解步骤四得到的无约束最优化问题，得到从2^N种可能取值组合到复用发射信号的2^N种相位状态的一一对应的映射关系，并保存为相位映射表，在接收端根据该相位映射表进行接收结算。