CN116232819A - 一种高速ppm调制解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速PPM调制解调方法及装置，调制端根据系统特性、信道特性和解调端特性，插入自相关特性良好帧头和静默时隙，与数据内容区分度高，使得PPM调制信号抗信道干扰能力更强，更利于解调端处理。解调端实现简单，进行帧头匹配前先进行时隙初映射，对于最大值处于时隙端点位置的情形，使用滚动处理的方式将信号整体后移，规避极限位置，大幅度提高PPM调制解调误码的风险，尤其对于信噪比极低的信号具有重要的意义，提高通信准确性。

Description

一种高速PPM调制解调方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种高速PPM调制解调方法、装置和计算机可读存储介质。

背景技术

在通信领域中，调制技术和解调技术最为关键，直接影响到通信系统的可靠性和高效性。

PPM（PulsePositionModulation），即脉冲位置调制，是一种脉冲位置根据已调信号的变化而变化的调制技术。该技术具有编码简单、功率利用率高、频带利用率高等优点，广泛应用于水下通信、室内无线通信、光通信、超宽带移动通信等领域。PPM调制是将发射端待调制信号在对应的时隙位置上输出高脉冲，其他位置不输出脉冲；PPM解调是PPM调制的逆过程，即将接收端待解调信号根据脉冲位置还原为调制前信息。

PPM调制方法应依据通信系统特性和信道特性设计，以期最大程度减少系统和信道引入的不利因素，便于解调还原。由于通信系统发射端和接收端不同源的特性，PPM解调则需要常关键的时钟同步技术，如果时钟同步有误，会导致接收端解调后信息严重有误。

高速通信系统中，信道噪声、外界干扰、突发因素、硬件局限等不利因素对PPM信号的影响严重，会使得待解调信号发生失真、变形、噪底起伏不定等不确定因素，导致PPM时钟同步和PPM解调变得难上加难，可靠的高速PPM调制解调技术有待突破。图1所示为经过信道传输后的高速PPM信号示意图，特性为信号幅度起伏大，噪底起伏大，噪底甚至高于部分信号，导致难以寻找信号与噪声的统一分界，常在环境噪声大或者是硬件设备突然改变状态时的过渡期发生，这种信噪比大幅波动的现象在高速通信时不可避免，但传统的解调方法对其难解调，甚至导致大量数据因未能解调成功而丢失。

现有技术中，多引入阈值或电平判别编码逻辑位的时钟同步方法，该方法在低速通信中尚且可靠，但在高速通信中常因阈值引入不当而造成逻辑位误判。申请号为200919217164.9专利文献中提到利用电平跳变沿判定编码逻辑位，电平选取不当易造成误判，无法适用于图1所示信号与噪声难以分界的情况；申请号为202110205676.4的专利文献中提到利用信噪比监测和自适应阈值法完成编码逻辑位的判断，但信噪比监测实时性会影响自适应阈值实时性，其次阈值预测区间选择相对复杂，可能因阈值选取不当而造成的解调误码。

发明内容

技术目的：针对现有PPM信号解调方式对于信号幅度起伏大，噪底起伏大，无法进行准确可靠解调的不足，本发明公开了一种能够提高PPM解调的容错率和抗干扰能力，适用于信号和噪声无明显分界，信噪比低等恶劣情况的高速PPM调制解调方法及装置。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高速PPM调制解调方法，包括步骤：

S01、对待调制信号添加纠错码；

S02、对信号插入帧头，用于解调端时钟同步；所述帧头的内容区别于PPM调制格式，

S03、在帧头后插入静默时隙；

S04、产生PPM调制信号，传输至接收端进行解调

优选地，本发明在步骤S02中，所述帧头采用N个固定间隔为M1个时隙的高脉冲，M1≠L，L表示PPM调制信号的时隙数。

优选地，本发明的PPM调制信号的每个时隙包含Ns个采样周期，Ns≥3。

优选地，本发明在步骤S04中，对信号的解调过程包括：

S041、对待解调L-PPM信号进行预处理，预处理包括滤波和波形整形；

S042、对预处理后的信号进行时隙初映射，标定每个时隙最大值位置，当最大值处于时隙起点或者终点位置时，进行滚动处理，重新调整数据与时隙的映射，直至最大值不处于时隙端点位置；

S043、基于脉冲间隔进行帧头匹配；

S044、帧头匹配成功的数据，使用最大值映射法进行解调；

S045、对PPM信号进行纠错码解码，纠正信号误码。

优选地，本发明在步骤S041中，预处理使用滑窗滤波进行信号处理，对PPM调制信号进行Ns点滑窗累加，Ns表示一个时隙所包含的采样周期数。

优选地，本发明在步骤S042中，进行滚动处理的过程包括：产生时隙计数器，计数周期为M1×Ns，对每个M1×Ns点均标定最大值位置，当最大值位于时隙计数器的0或者M1×Ns-1时，信号最大值处于时隙端点位置时，将待解调数据整体向后移动一个时隙，即Ns点，然后重新进行映射，在最大值不处于时隙端点位置时，进入步骤S043进行帧头匹配。

优选地，本发明在步骤S043中进行帧头匹配过程包括：根据步骤S042最终时隙映射结果，计算相邻最大值间隔，间隔与设定的帧头间隔处于误差范围内，帧头匹配成功，帧头数加一，否则帧头匹配数不变；将最终的帧头匹配数与设定的帧头目标数进行比较，大于或者等于帧头目标数，帧头匹配成功，进行数据解调；帧头匹配数小于帧头目标数，说明当前信号是噪声，则重新进行帧头匹配来捕捉信号，重新进行帧头匹配。

本发明还公开一种高速PPM调制解调装置，包括调制模块和解调模块，所述调制模块按照上述PPM调制方法进行数字信号的调制，所述解调模块按照上述PPM解调方法进行信号解调。

有益效果：本发明所提供的高速PPM调制解调方法及装置具有如下有益效果：

1、本发明的调制端根据系统特性、信道特性和解调端特性，插入自相关特性良好帧头和静默时隙，与数据内容区分度高，使得PPM调制信号抗信道干扰能力更强，更利于解调端处理，实现简单。

2、本发明对于调制信号每个时隙包括大于等于三个采样周期，给PPM解调时的时隙映射留有误判区间，提高了PPM解调的容错率和抗干扰能力，能有效抵抗PPM信号经过信道传输发生变形、凹口等问题。

3、本发明对于待解调信号使用滑窗累加的方式进行预处理，可以提高信噪比，削弱高强度窄脉冲干扰，同时可以优化失真波形。

4、本发明在进行帧头匹配前先进行时隙初映射，对于最大值处于时隙端点位置的情形，使用滚动处理的方式将信号整体后移，规避极限位置引入的风险，大幅度提高PPM调制解调误码的风险，尤其对于信噪比极低的信号具有重要的意义。

5、本发明使用脉冲间隔和极限滚动处理的方式进行时钟同步，摒弃引入阈值判别编码逻辑位的思想，可避免因编码逻辑位判别失误造成的解调错误，尤其适用于信号和噪声无明显分界，信噪比低等恶劣情况，同时具有实现简单、无复杂运算的优点。由于极限滚动方法的引入，将极限条件滚动至利于算法判定的位置，使得该调制解调方法鲁棒性高。

6、本发明使用最大值位置映射解调法，在数据段不使用阈值，可避免因阈值选取不当而造成的解调误码；不受码间串扰和波形展宽的影响，不需要PPM信号设计保护间隔，因此通信速率更高；不受信号寄生干扰影响，可以解调高于噪声的微弱信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为经过信道后的高速PPM信号示意图；

图2为本发明高速PPM调制方法整体流程图；

图3为本发明高速PPM调制方法调制过程流程图

图4为本发明高速PPM解调方法整体流程图；

图5为本发明高速PPM解调方法解调过程流程图；

图6为本发明实施例中16-PPM调制信号示意图；

图7为本发明实施例中16-PPM解调示意图；。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图2-图5所示为本发明所公开的一种高速PPM调制解调方法，包括步骤：

S01、对待调制信号添加纠错码；可以采用RS编码、LDPC编码等编码方式，可有效纠正信道误码

S02、对信号插入帧头，用于解调端时钟同步；所述帧头的内容区别于PPM调制格式，帧头内容可以是一段自相关特性良好的同步码元，如巴克码，也可以是固定序列；作为优选，调制端帧头采用N个固定间隔为M1个时隙的高脉冲，M1≠L，L表示PPM调制信号的时隙数，一个时隙包含Ns个采样周期。为使得PPM调制信号具有较强的抗干扰能力，需要每个时隙至少包含3个采样周期，即Ns≥3，在进行解调时，最大值映射到的时序区间左右各有一个冗错周期，大大提高解调成功率。

S03、在帧头后插入静默时隙；静默时隙将帧头与调制数据隔开，用于解调端完成帧头匹配数和帧头目标数的判定

S04、产生PPM调制信号，传输至接收端进行解调。如图3所示，产生PPM调制信号过程包括：待调制数据转为位宽为

的码元序列Mi，L表示PPM调制信号共包含L个时隙，并产生时序计数器cnt，计数周期为L×Ns，将转换的码元序列与时隙计数器比较，如Mi与cnt相等，则PPM调制信号置1，不相等则PPM调制信号置0，得到PPM调制信号输出至接收端。

在步骤S04中，对信号的解调过程包括：

S041、对待解调L-PPM信号进行预处理，预处理包括滤波和波形整形；优选使用滑窗累加的方式，对PPM调制信号进行Ns点滑窗累加，Ns表示一个时隙所包含的采样周期数，滑窗累加的权重可以依据信号情况灵活变更，可以提高信噪比，削弱高强度窄脉冲干扰，同时可以优化失真波形；

S042、对预处理后的信号进行时隙初映射，标定每个时隙最大值位置，当最大值处于时隙起点或者终点位置时，进行滚动处理，重新调整数据与时隙的映射，直至最大值不处于时隙端点位置；

如图5所示，进行滚动处理的过程包括：产生时隙计数器，计数周期为M1×Ns，对每个M1×Ns点均标定最大值位置，当最大值位于时隙计数器的0或者M1×Ns-1时，信号最大值处于时隙端点位置时，将待解调数据整体向后移动一个时隙，即Ns点，然后重新进行映射，在最大值不处于时隙端点位置时，进入步骤S043进行帧头匹配。

S043、然后基于脉冲间隔进行帧头匹配；根据步骤S042最终时隙映射结果，计算相邻最大值间隔，间隔与设定的帧头间隔处于误差范围内，帧头匹配成功，帧头数加一，否则帧头匹配数不变；将最终的帧头匹配数与设定的帧头目标数进行比较，大于或者等于帧头目标数，帧头匹配成功，进行数据解调；帧头匹配数小于帧头目标数，当前这一次的帧头匹配不成功，说明当前收到的是信道噪声而非信号，重新进行帧头匹配，捕捉信号。为了提高帧头匹配的成功率，帧头目标数可与发射端实际添加帧头数一致，也可以略小于实际添加帧头数，代表帧头匹配可承受的容错率，增大解调成功的概率。

S044、对于帧头匹配成功的数据，使用最大值映射法进行解调；在L个时隙单元内找到信号最大值的位置，并将最大值位置映射到时隙，完成解调。该解调方法可有效抵抗波形幅度波动大、干扰大的情况；由于码间串扰和波形展宽并不改变码元核心位置，所以该解调方法仍可完成脉冲展宽、码间串扰现象下的有效解调。

S045、对PPM信号进行纠错码解码，纠正信号误码，可纠正部分连续字节误码，减小通信误码率。

本发明还提供基于上述调制解调方法的一种高速PPM调制解调装置，包括调制模块和解调模块，所述调制模块按照PPM调制方法进行数字信号的调制，所述解调模块按照PPM解调方法进行信号解调。本发明的调制解调方法优选使用FPGA来实现，FPGA具有强大的并行数据处理能力，使用FPGA，收到数据可以实时解调，实时性强；也可以在调制解调装置内设有计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，指令在被处理单元执行时用于实现上述PPM调制解调方法，在电脑、DSP芯片等具备数据处理能力的设备上实现。

本实施例中以16-PPM信号为例，设定一个时隙包含Ns=3个采样周期，每个采样周期8ns。帧头采用固定序列111111，帧头序列间隔12个时隙，静默间隔为4个时隙，则16-PPM调制格式如图6所示，PPM调制信号经过信道传输后，进行3点滑窗累加的预处理工作后，如图7所示。

在进行解调时，解调端产生12*3=36进制的时隙计数器，每36个时隙计数器区间内计算一次最大值，若最大值位于时隙计数器0或35，则表示待解调信号脉冲发生在时隙起点或者端点的地方，此种情况不能确定该最大值是上一个时隙尾还是下一个时隙初，这种极限情况，不利于解调，需使用滚动处理的方式，将预处理后的数据后移3个采样点，重新进行判别；若最大值不位于时隙计数器0或35，则表示待解调信号不处于极限位置，则进入帧头匹配。

每36个时隙计数器区间内计算一次最大值，并计算最大值间隔，若最大值间隔为35、36、37，则表示两脉冲间隔与预设帧头间隔36一致或处于误差允许范围内，则帧头匹配数加1，否则帧头匹配数保持不变，由于本实例调制端帧头数为111111表示6个帧头数，则解调端考虑系统的容错范围，帧头目标数可以设定为4，当帧头匹配数大于等于4时，则认为帧头匹配成功，否则帧头匹配不成功（可能为噪声），重新进行时隙初映射。依次循环，帧头匹配成功后，重新产生48进制时隙计数器，待解调信号高脉冲的最大值对应于时隙计数器的区间则为解调结果，按照调制端的纠错码完成纠错码的译码。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，包括步骤：

S01、对待调制信号添加纠错码；

S02、对信号插入帧头，用于解调端时钟同步；所述帧头的内容区别于PPM调制格式，

S03、在帧头后插入静默时隙；

S04、产生PPM调制信号，传输至接收端进行解调。

2.根据权利要求1所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，在步骤S02中，所述帧头采用N个固定间隔为M1个时隙的高脉冲，M1≠L，L表示PPM调制信号的时隙数。

3.根据权利要求2所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，PPM调制信号的每个时隙包含Ns个采样周期，Ns≥3。

4.根据权利要求1所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，在步骤S04中，对信号的解调过程包括：

S041、对待解调L-PPM信号进行预处理，预处理包括滤波和波形整形；

S042、对预处理后的信号进行时隙初映射，标定每个时隙最大值位置，当最大值处于时隙起点或者终点位置时，进行滚动处理，重新调整数据与时隙的映射，直至最大值不处于时隙端点位置；

S043、基于脉冲间隔进行帧头匹配；

S044、帧头匹配成功的数据，使用最大值映射法进行解调；

S045、对PPM信号进行纠错码解码，纠正信号误码。

5.根据权利要求4所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，在步骤S041中，预处理使用滑窗滤波进行信号处理，对PPM调制信号进行Ns点滑窗累加，Ns表示一个时隙所包含的采样周期数。

6.根据权利要求4所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，在步骤S042中，进行滚动处理的过程包括：产生时隙计数器，计数周期为M1×Ns，对每个M1×Ns点均标定最大值位置，当最大值位于时隙计数器的0或者M1×Ns-1时，信号最大值处于时隙端点位置时，将待解调数据整体向后移动一个时隙，即Ns点，然后重新进行映射，在最大值不处于时隙端点位置时，进入步骤S043进行帧头匹配。

7.根据权利要求4所述的一种高速PPM调制解调方法，其特征在于，在步骤S043中进行帧头匹配过程包括：根据步骤S042最终时隙映射结果，计算相邻最大值间隔，间隔与设定的帧头间隔处于误差范围内，帧头匹配成功，帧头数加一，否则帧头匹配数不变；将最终的帧头匹配数与设定的帧头目标数进行比较，大于或者等于帧头目标数，帧头匹配成功，进行数据解调；帧头匹配数小于帧头目标数，重新进行帧头匹配。

8.一种高速PPM调制解调装置，其特征在于，包括调制模块和解调模块，所述调制模块按照权利要求1-7任一所述的一种PPM调制方法进行数字信号的调制，所述解调模块按照权利要求1-7任一所述的一种PPM解调方法进行信号解调。

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