CN1968029A - 一种采用特殊扩频序列的扩频调制解调方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用特殊扩频序列的扩频调制解调方法的算法原理以及实现方法，包括扩频码字的构成，实现方式，扩频调制解调系统的整体架构，扩频调制解调算法的理论推导；特点在于由Golay码进行扩展而得到相应的扩频码字；并将扩频和调制方式的设计有机结合起来；最后得到的信号具有功率峰平比低，自相关特性以及互相关特性优良，可以很好解决多址干扰问题，提高整个系统的通信性能。

Description

一种采用特殊扩频序列的扩频调制解调方法及装置
技术领域
本发明涉及一种扩频调制解调方法。扩频调制解调主要应用于移动通信，无线局域网，无线本地环路等领域，本发明以电力线载波通信(PLC)为例说明。
背景技术
扩频通信的基本理论依据是根据Shannon公式，即
            C＝Blog2(1+S/N)
式中，C为系统信道容量(bit/s)；B为系统信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。Shannon公式表明了一个系统信道无误差的传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比(S/N)以及用于传输信息的系统信道带宽(B)之间的关系。这说明两个概念：在一定的信道容量条件下，可以用减少发送信号功率，增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求；也可以用减少信道带宽而增加信号功率的办法来达到。扩频通信就是采用前一种方法的一种通信系统。
扩频通信系统包括直接序列扩频，跳频，跳时等，现在应用的最广的是第一种——直接序列扩频。直接序列扩频通信使用扩频码序列来实现频谱扩展，一般扩频码由伪随机序列实现，如m序列，gold序列等等。第三代移动通信系统里所用的扩频码字就是walsh码+gold码，其中walsh码实现正交特性，gold码对walsh码加扰，起到均匀化噪声的作用。这种码字的自相关性良好，但互相关性不是很好，由于不同小区的扩频码字无法做到同步，不同小区的用户会有严重的相邻小区多址干扰。
发明内容
为了解决互相关性较差的问题，本发明提供一种特殊的扩频码序列，即复数互补码。
已知Golay互补码最大的优点在于非零自相关值为0，其中自相关值为码字自身的卷积，非零自相关值即为卷积输入完全一致时的值。同时在给定序列长度的情况下，码字数量众多。
复数互补码的生成方法如下，任意给定一对Golay互补码M和N，M＝{m1，m2，m3，...mn}，N＝{n1，n2，n3，...nn}，按照如下描述生成与之相对应的复数互补码：
C＝{m1，n1*i，m2，n2*i，m3，n3*i，...mn，nn*i}
其中i表示采用正交调制，即m和n分别调制到正交的I，Q信道上。复数互补码的长度为对应Golay互补码长度的两倍。在实际系统中根据数据速率以及工作时钟的选择，选用最大长度为32的复数互补码，具体见下表
  序号   M Code   NCode   M+N   序号   M Code   NCode   M+N
  0   -1   0   -1   16   -1   0   -1
1 0 i i 17 0 -i -i
  2   -1   0   -1   18   -1   0   -1
  3   0   i   i   19   0   -i   -i
  4   -1   0   -1   20   -1   0   -1
  5   0   i   i   21   0   -i   -i
  6   1   0   1   22   1   0   1
7 0 -i -i 23 0 i i
  8   -1   0   -1   24   1   0   1
  9   0   i   i   25   0   i   i
  10   -1   0   -1   26   1   0   1
  11   0   i   i   27   0   i   i
  12   1   0   1   28   -1   0   -1
13 0 -i -i 29 0 -i -i
  14   -1   0   -1   30   1   0   1
  15   0   i   i   31   0   i   i
针对不同扩频因子按照以下规则生成扩频码字
  码字长度
  32   MN0～MN31
  16   MN8～MN23
  8   MN12～MN19
  4   MN14～MN17
下面介绍系统的实现架构
附图说明：
图1为扩频调制系解调统结构框图
图2为发送端扩频调制系统结构框图
图3为接收端解扩解调系统结构框图
具体实现说明
扩频调制解调系统结构如图1所示，发送端码发生器102生成扩频码字，与原始数据进行扩频101，扩频后的高速数据进行调制103，生成适配信道的发送数据，经过信道104的噪声加扰后，进入接收机，接收端首先对接收数据解调105，之后再与接收端码发生器107生成的本地扩频码字进行解扩106，最终恢复出来原始数据。这是扩频调制系统的一般结构表述，下面详细说明本发明的系统架构，首先通过公式推导来具体解释系统架构。
假设需要发送的数据为S(t)，复数互补码生成器生成的M码为Cc，N码为Cs，则发送端最终输出的数据为
St(t)＝S(t)(Cc·sin(ωt)+Cs·cos(ωt))
经过信道传输后，接收机前端AD变换后输入信号为，其中为发送信号经过信道传输后产生的相位畸变
Sr(t)＝S(t)(Cc·sin(ωt+)+Cs·cos(ωt+))
经过下变频后
I＝S(t)(Cc·sin(ωt+)+Cs·cos(ωt+))sin(ωt)
＝S(t)(Cc·cos()-Cc·cos(2ωt+)+Cs·sin(2ωt+)-Cs·sin())
Q＝S(t)(Cc·sin(ωt+)+Cs·cos(ωt+))cos(ωt)
＝S(t)(Cc·sin(2ωt+)+Cc·sin()+Cs·cos(2ωt+)+Cs·cos())
经过低通滤波器后，滤除高频成分
I＝S(t)(Cc·cos()-Cs·sin())
Q＝S(t)(Cc·sin()+Cs·cos())
经过解扩单元
main＝I·Cc+Q·Cs
＝(s(t)Cc·cos()-Cs·sin()))·Cc+(s(t)(Cc·sin()+Cs·cos()))·Cs
＝S(t)cos()(Cc 2+Cs 2)
aux＝I·Cs-Q·Cc
＝(S(t)Cc·cos()-Cs·sin()))·Cs-(s(t)Cc·sin()+Cs·cos()))·Cc
＝-S(t)sin()(Cc 2+Cs 2)
其中Cc 2，Cs 2表示复数互补码的相关值，当接收端与发送端码片完全同步时，这两个相关值最大，令A＝(Cc 2+Cs 2)，表示接收端本地载波和接收信号的相位差，在完全同步时，＝0，故
main＝S(t)(Cc 2+Cs 2)＝S(t)·A
aux＝0
main支路输出的结果即为最终解扩后的数据，这里假定接收端本地载波和接收信号完全同步，同时接收端码片与接收信号也完全同步。
在本系统中载波同步采用costas环路实现，如图1所示。main支路和aux支路输出数据经过鉴相器，输出如下：
Figure A20051011039300062
由于处于环路捕获带内时接近于0，cos()≈1，当接收端与发送端完全同步时，Cc 2，Cs 2最大，且为常数，同上，令A＝(Cc 2+Cs 2)，故main支路仅取符号位参与鉴相，同时S(t)＝±1，故S2(t)＝1，故鉴相器最终输出为
上式中sin()包含了调整NCO信息，鉴相器输出经过环路滤波器得到调整NCO的误差信号，对于调整信号来说，环路滤波器在环路中对噪声起抑制作用，并且对环路的校正速度起到调节作用。最终环路滤波器输出调节NCO，实现载波同步的功能。
具体实现见附图，图1中输入信号为原始数据，PN码生成器112生成需要的同相支路扩频码和正交支路扩频码，分别与原始数据进行同相支路扩频111和正交支路扩频113，扩频后的同相支路数据和正交支路数据送入基带成型滤波器114和115分别进行基带成型滤波，成型滤波后的同相支路数据和正交支路数据与本地载波产生器117生成的sin和cos信号进行上变频116和118，上变频后的同相支路数据和正交支路数据进入加法器模块119，最终生成发送数据。
图2中接收信号为接收机前端输入信号经过A/D变换后生成的数字信号，后续处理采用软件无线电的方式实现。本地载波产生器122产生sin和cos载波信号，接收信号与本地载波信号进入下变频模块121和123进行下变频处理，经过下变频后的数据进入低通滤波器模块124和125滤除下变频后产生的高频信号，接着进行解扩处理；本地PN码产生器126产生同相扩频码和正交扩频码，与低通滤波后的同相基带信号和正交基带信号分别进行解扩处理，之后如图1所示相加产生主输出和辅助输出信号，其中主输出信号即为解调结果；主输出信号和辅助输出信号进入鉴相器127进行鉴相处理，亦即乘法处理，具中主输出信号仅取符号位；鉴相器输出数据经过环路滤波器128生成控制NCO的误差信号，环路滤波器为一阶低通滤波器，最终环路滤波器输出进入本地载波发生器122调整本地载波发生器的输出，完成载波同步的功能。
上面介绍了一种特殊结构的扩频通信系统，在具体实现时采用FPGA完成整个系统架构的设计实现，在实际电力线载波通信(PLC)应用中其性能完全满足系统设计要求。

Claims (5)

1、一种扩频调制解调方法，其特征在于使用一种复数互补码作为扩频码字，该复数互补码由Golay互补码进行扩展而得到，码字的实部和虚部相互正交，分别作为QPSK调制同相和正交支路的扩频码字。
2、一种扩频调制解调装置，其特征在于该调制解调装置由发送端复数互补码字生成器，接收端复数互补码字生成器，扩频器，基带滤波器，低通滤波器，本地载波发生器，上变频器，下变频器，主支路解扩单元，辅助支路解扩单元，鉴相器和环路滤波器构成。
3、根据权利要求2所述的主支路解扩单元和辅助支路解扩单元，其特征在于主支路解扩单元用于计算系统所使用的复数互补扩频码字的自相关函数的实部，辅助支路借扩单元用于计算系统所使用的复数互补扩频码字的自相关函数的虚部。
4、根据权利要求2所述的鉴相器和环路滤波器，其特征在于鉴相器用于实现主支路符号位输出和辅助支路输出的相位检测，环路滤波器用于计算调节NCO所需要的数据。
5、根据权利要求1，2，3所描述的算法，在FPGA，ASIC，DSP，CPU等载体上的实现。
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