CN103117981A - 一种基于矢量叠加的直扩通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于矢量叠加的直扩通信方法，包括以下步骤：从一个PN码序列族中选取r个序列，根据数据－序列选择映射算法选取(r-1)个发送的序列，对应能传输

比特的信息数据，(r-1)个扩频序列共有q种相位选择，对应能传输(r-1)[log₂q]比特的信息数据；(r-1)个序列共有(r-1)·[log₂L]比特信息传输，把这些状态与信息数据一一对应，把选取出(r-1)个发送PN码序列、序列位移和相位状态等和1个固定定位标序列，矢量叠加在一起发送，形成高效的直扩信号。本发明改进了高效扩频通信方法，提高扩频通信传输效率和整体通信的有效性，充分利用矢量叠加的优势，在相同条件下比一种基于固定式PN码位移调制的高效直扩***发射与接收方法传输效率更高一些。

Description

一种基于矢量叠加的直扩通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种通信方法。 

背景技术

现代通信对通信高效性的要求日益增高。高效直扩通信是一种具有较高通信效率的扩频通信方式，并且继承了常规扩频通信抗干扰等优点。传输效率更高的并行组合扩频通信方式得到国内外学者的好评，并被国内外学者在学术杂志上介绍。高效直扩通信在传输效率上还有提升空间。 

发明内容

本发明的目的在于提供充分利用矢量叠加进一步增加一次发送数据量，从而解决了较高扩频增益对***传输效率的影响问题的一种基于矢量叠加的直扩通信方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明一种基于矢量叠加的直扩通信方法，其特征是： 

（1）发送的K比特数据记为d₁,d₂,d₃,…,d_K，每个信息数据周期为T_d，其中KT_d＝LT_c，L为每个PN序列的码元个数，T_c为码片周期；K比特发送信息送入串/并转换器，获得K路信号； 

（2）将步骤（1）获得的K路信号分为三个部分，分别对应为

比特、(r-1)[log₂q]比特和(r-1)·[log₂L]比特；根据数据映射算法从PN序列族中选取(r-1)个发送的序列，共有种发送扩频序列情况选择，对应能传输 

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，是M中取r的组合；(r-1)个扩频序列有q种相位S＝[S₁(t),S₂(t),....,S_r-1(t)]选择发送，其中S_j(t)＝exp[j{2π(m_j-1)/q}]，m_j＝1,2,...,q，q≥2；(r-1)个扩频序列从q种相位中选取某种相位状态发送，对应能传输(r-1)[log₂q]比特的信息数据；(r-1)个 序列中，每个序列都有L个位置可以选择进行发送，则共有(r-1)·[log₂L]比特信息传输；把这些状态与信息数据一一对应，则对应的信息数据K是： 

$K=(r-1)\left[{\log }_{2}q\right]+\left[{\log }_2{C}_{M-1}^{r-1}\right]+(r-1)\left[{\log }_{2}L\right]$

把选取出(r-1)个发送PN码序列、序列位移和相位状态等和1个固定定位标序列，在矢量空间叠加在一起发送，形成直扩信号位移排列关系 

$A^{\′}=\{{\mathrm{PN}}_1\left(0\right),S_{j_1}{\mathrm{PN}}_{j_1}\left(p_{j_1}\right),....,S_{j_2}{\mathrm{PN}}_{j_2}\left(p_{j_2}\right),....,S_{j_{(r-1)}}{\mathrm{PN}}_{j_{(r-1)}}\left(p_{j_{(r-1)}}\right)\}$

式中，{S_j∈exp[j{2π(m_j-1)/q}],j＝1,2,..r_p,m_j＝1,2,...,q}；r个序列在矢量空间叠加，形成组合多值信号： 

$\mathrm{MD}(r,t)={\mathrm{PN}}_1\left(0\right)+\underset{i=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{j_i}{\mathrm{PN}}_{j_i}\left(p_{j_i}\right)$

MD为多值发送信号，t为时间变量，

为第j次第i个发送序列相对于固定位标序列左移

个位置； 

（3）矢量叠加产生的多值信号，经载波调制后，映射为MQAM载波调制发送出去，发送信号s(t) 

式中，P是载波功率； 

（4）在高斯白噪声信道下，接收信号为 

r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t) 

式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N₀/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端载波的频率、码元相位完全同步，根据载波解调后叠加在一起的序列信号，去掉已知的PN₁(0)的信息，再根据此时的数据是实数还是纯虚数，或者是复数，解调出调制的相位信息，去掉调制的相位信息，恢复成全部的实数数据再进行解扩；接收端有M个扩频器，在载波解调之后分别用PN_i(t)(i＝1,2,…M)作解扩处理，则M个解调器中除第1个解调器外的第i （2≤i≤M）个扩频解调器输出为： 

$Z_i\left(t\right)=P\underset{j=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i_j}\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{T+\mathrm{\τ}}{\∫}}{\mathrm{PN}}_{i_j}(t-\mathrm{\τ}){\mathrm{PN}}_i(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+N_i\left(t\right)+J_i$

式中，i＝i_j的积分是扩频序列的自相关，i≠i_j是互相关；解调器输出为 

$Z_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{ij}}\mathrm{PT}+N_i+J_i& i=i_j\\ N_i+J_i& i\≠i_j\end{array}\right.$

使用的两组PN序列行彼此准正交； 

（5）将步骤（4）获得的(M-1)个解调器输出值以及其对应PN码序号输入数据－序列选择逆映射器，从(M-1)个解扩器中的某一个相位输出值中，选取绝对值最大的(r-1)个输出值所对应的扩频序列序号、相位极性和位移关系作为发送来的组合序列，送入数据－位移逆映射器，得出接收的K路数据信息； 

（6）将得出接收的K路数据信息经并/串转换，得到K比特原信息。 

本发明的优势在于：本发明解决了现有的高效直扩频的传输效率低的问题，利用矢量叠加进一步增加一次发送数据量，同时也较好的解决了较高扩频增益对***传输效率的影响问题，较好的解决了高速传输与带宽的矛盾，可大幅度提高频带利用率。现有的直接序列高效扩频通信，从M个PN码序列中选取r个序列并行组合扩频方式传输，一次只能传输 

$K=r+\left[{\log }_2\left(C_M^r\right)\right]$

比特数据，而一种基于矢量叠加的高效直扩通信方法在相同条件下一次可以传输 

$K=(r-1)\left[{\log }_{2}q\right]+\left[{\log }_2{C}_{M-1}^{r-1}\right]+(r-1)\left[{\log }_{2}L\right]$

比特信息；一般q＝4或者8或者…，一次可以多发送(r-1)[log₂q]比特数据，使传输效率进一步提升。 

附图说明

图1为本发明的发送过程结构图； 

图2为本发明的接收过程结构图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

结合图1～2，步骤一：发送的K比特数据记为d₁,d₂,d₄,…,d_K，每个信息数据周期为T_d，其中KT_d＝LT_c，L为每个PN序列的码元个数，T_c为码片周期；K比特发送信息送入串/并转换器，获得K路信号； 

步骤二：将步骤一获得的K路信号分为三个部分，分别对应为

比特、(r-1)[log₂q]比特和(r-1)·[log₂L]比特；根据数据映射算法从PN序列族（除固定位标序列外的M-1个PN码序列）中选取(r-1)个发送的序列，总共有

种发送扩频序列情况选择，对应能传输

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，

是M中取r的组合；然后考虑(r-1)个扩频序列可以有多种相位S＝[S₁(t),S₂(t),....,S_r-1(t)]选择发送，共有q种（q≥2）相位选择，其中S_j(t)＝exp[j{2π(m_j-1)/q}]，m_j＝1,2,...,q，一般q＝4或者8或者…；如果(r-1)个扩频序列从q种相位中选取某种相位状态发送，对应能传输(r-1)[log₂q]比特的信息数据；再考虑到(r-1)个序列（序列码长都为L）中，每个序列都有L个位置（位置从p₀到p_L-1）可以选择进行发送（根据固定位标序列位置），则共有(r-1)·[log₂L]比特信息传输；把这些状态与信息数据一一对应，则对应的信息数据K是： 

$K=(r-1)\left[{\log }_{2}q\right]+\left[{\log }_2{C}_{M-1}^{r-1}\right]+(r-1)\left[{\log }_{2}L\right]$

把选取出(r-1)个发送PN码序列、序列位移和相位状态等和1个固定定位标序列，在矢量空间叠加在一起发送，形成高效直扩信号位移排列关系 

$A^{\′}=\{{\mathrm{PN}}_1\left(0\right),S_{j_1}{\mathrm{PN}}_{j_1}\left(p_{j_1}\right),....,S_{j_2}{\mathrm{PN}}_{j_2}\left(p_{j_2}\right),....,S_{j_{(r-1)}}{\mathrm{PN}}_{j_{(r-1)}}\left(p_{j_{(r-1)}}\right)\}$

式中，{S_j∈exp[j{2π(m_j-1)/q}],j＝1,2,..r_p,m_j＝1,2,...,q}；r个序列在矢量空间叠加（(a_j+b_ji)值相加），形成组合多值信号： 

$\mathrm{MD}(r,t)={\mathrm{PN}}_1\left(0\right)+\underset{i=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{j_i}{\mathrm{PN}}_{j_i}\left(p_{j_i}\right)$

步骤三：矢量叠加产生的多值信号，经载波调制后，可以映射为MQAM载波调制发送出去，发送信号s(t) 

式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)发射； 

接收端过程： 

步骤四：在高斯白噪声信道下，接收信号为 

r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t) 

式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N₀/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端载波的频率、码元相位完全同步，根据载波解调后叠加在一起的序列信号，去掉已知的PN₁(0)的信息（PN₁(0)没有进行相位调制），再根据此时的数据是实数还是纯虚数，或者是复数，解调出调制的相位信息，去掉调制的相位信息，需要恢复成全部的实数数据再进行解扩；接收端有M个扩频器，在载波解调之后分别用PN_i(t)(i＝1,2,…M)作解扩处理，则M个解调器中除第1个解调器外的第i（2≤i≤M）个扩频解调器输出为： 

$Z_i\left(t\right)=P\underset{j=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i_j}\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{T+\mathrm{\τ}}{\∫}}{\mathrm{PN}}_{i_j}(t-\mathrm{\τ}){\mathrm{PN}}_i(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+N_i\left(t\right)+J_i$

式中，τ为通信传播时延；i＝i_j的积分是扩频序列的自相关；i≠i_j是互相关；解调器输出为 

$Z_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{ij}}\mathrm{PT}+N_i+J_i& i=i_j\\ N_i+J_i& i\≠i_j\end{array}\right.$

使用的两组PN序列行彼此准正交，满足要求； 

步骤五：将步骤四获得的(M-1)个解调器输出值以及其对应PN码序号输入数据-序列选择逆映射器，从(M-1)个解扩器中的L个相位输出值中，选取绝对 值最大的(r-1)个输出值所对应的扩频序列序号、相位极性和位移关系作为发送来的组合序列，送入数据－位移逆映射器，得出接收的K路数据信息； 

步骤六：经并/串转换，得到K比特原信息。 

下面举例说明： 

结合图1，一种基于矢量叠加的高效直扩通信方法采用和常规并行组合扩频方法相同的***参数相同的***参数，从M＝16个PN码序列中选取r＝3个序列并行组合发送，PN码长L＝512，q＝4； 

步骤一：发射过程中，发送的K比特数据记为d₁,d₂,d₃,…,d₂₈，  $K=(3-1)\left[{\log }_{2}4\right]+\left[{\log }_2{C}_{16-1}^{3-1}\right]+(3-1)\·\left[{\log }_{2}512\right]=28;$ 28比特发送信息送入串/并转换器，获得28路并行信号；将这些并行信号分成三个部分，分别为信息6比特、4比特和18比特； 

步骤二：将对应为6比特、4比特和18比特的并行数据，根据数据-映射算法从PN序列族（一共包含15个PN码序列）中选取2个发送的序列，总共有105种发送扩频序列情况选择，对应能传输6比特的信息数据；考虑2个扩频序列可以有q＝4种相位S＝[S₁(t),S₂(t)]选择发送，共有q＝4种相位选择，其中S_j(t)＝exp[j{2π(m_j-1)/4}]，m_j＝1,2,3，4；如果2个扩频序列从4种相位中选取某种相位状态发送，对应能传输4比特的信息数据；再考虑到2个序列（序列码长都为512）中，每个序列都有512个位置（位置从p₀到p_L-1）可以选择进行发送（根据固定位标序列位置），则共有18比特信息传输；把选取出2个发送PN码序列、序列位移和相位状态等和1个固定定位标序列，在矢量空间叠加在一起发送，形成高效直扩信号位移排列关系 

$A^{\′}=\{{\mathrm{PN}}_1\left(0\right),S_{j_1}{\mathrm{PN}}_{j_1}\left(p_{j_1}\right),S_{j_2}{\mathrm{PN}}_{j_2}\left(p_{j_2}\right)\}$

式中，{S_j∈exp[j{2π(m_j-1)/q}],j＝1,2,,m_j＝1,2,3,4}；3个序列在矢量空间叠加具体方法为，共有q＝4种相位，为{+1,-1,+i,-i}，当有3个序列发送时，共有3⁴＝27种情况，但一些把情况合并，根据矢量星座图可以产生16种相位； 

（a）当3个序列都为实数相位时叠加，根据组合定律，共有4种情况：{1,1,1}，{1,-1,1}，{-1,1,-1}，{-1,-1,-1}；这4种情况总共可以产生4种新相位{-3,-1,1,3}； 

（b）当3个序列都为纯虚数相位叠加时，根据组合定律，也共有4种情况：{i,i,i}，{i,-i,i}，{-i,i,-i}，{-i,-i,-i}。这4种情况总共可以产生4种新相位{-3i,-i,i,3i}； 

（c）当3个序列都为实数虚数混合相位时叠加，根据组合定律，共有12种情况，{1,1,i}，{1,1,-i}，{1,-1,i}，{1,-1,-i}，{-1,-1,i}，{-1,-1,-i}，{i,i,1}，{i,i,-1}，{i,-i,1}，{i,-i,-1}，{-i,-i,1}，{-i,-i,-1}；这12种情况总共可以产生8种新相位{2＋i，2-i，-2+i，-2-i，1+2i，1-2i，-1+2i，-1-2i}。 

步骤三：矢量叠加产生的多值信号，一共产生16种相位，经载波调制后，可以映射为16QAM载波调制发送出去，发送信号s(t) 

式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)发射； 

步骤四：在接收端高斯白噪声信道下，接收信号为 

r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t) 

式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N₀/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端载波的频率、码元相位完全同步，根据载波解调后叠加在一起的序列信号，去掉已知的PN₁(0)的信息（PN₁(0)没有进行相位调制），再根据此时的数据是实数还是纯虚数，或者是复数，解调出调制的相位信息，去掉调制的相位信息，需要恢复成全部的实数数据再进行解扩；接收端有16个扩频器，在载波解调之后分别用PN_i(t)(i＝1,2,…16)作解扩处理，则16个解调器中除第1个解调器外的第i（2≤i≤16）个扩频解调器输出为： 

$Z_i\left(t\right)=P\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i_j}\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{T+\mathrm{\τ}}{\∫}}{\mathrm{PN}}_{i_j}(t-\mathrm{\τ}){\mathrm{PN}}_i(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+N_i\left(t\right)+J_i$

式中，τ为通信传播时延；i＝i_j的积分是扩频序列的自相关；i≠i_j是互相关；解调器输出为 

$Z_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{ij}}\mathrm{PT}+N_i+J_i& i=i_j\\ N_i+J_i& i\≠i_j\end{array}\right.$

使用的两组PN序列行彼此准正交，满足要求； 

步骤五： 

将步骤四获得的15个解调器输出值以及其对应PN码序号输入数据－序列选择逆映射器，从15个解扩器中的512个相位输出值中，选取绝对值最大的2个输出值所对应的扩频序列序号、相位极性和位移关系作为发送来的组合序列，送入数据－位移逆映射器，得出接收的28路数据信息； 

步骤六：经并/串转换，得到28比特原信息。 

从相同条件的16个PN码序列中选取3个序列进行并行组合扩频方式传输，一次只能传输 $K=r+\left[{\log }_2\left(C_M^r\right)\right]=12$ 比特数据，而一种基于矢量叠加的高效直扩通信方法在相同条件下可以一次传输  $K=(3-1)\left[{\log }_{2}4\right]+\left[{\log }_2{C}_{16-1}^{3-1}\right]+(3-1)\·\left[{\log }_{2}512\right]=28$ 比特信息，一般q＝4或者8或者…，一次可以多发送4比特数据，使传输效率进一步提升。本发明改进了高效扩频通信方法，提高扩频通信传输效率和整体通信的有效性，充分利用矢量叠加的优势，在相同条件下比一种基于固定式PN码位移调制的高效直扩***发射与接收方法传输效率更高一些；还可同时较好的解决较高扩频增益对***传输效率的影响问题，较好的解决了高速传输与带宽的矛盾，可大幅度提高频带利用率。当矢量空间q越多时，传输效率越高。 

Claims (1)

1.一种基于矢量叠加的直扩通信方法，其特征是：

（1）发送的K比特数据记为d₁,d₂,d₃,…,d_K，每个信息数据周期为T_d，其中KT_d＝LT_c，L为每个PN序列的码元个数，T_c为码片周期；K比特发送信息送入串/并转换器，获得K路信号；

（2）将步骤（1）获得的K路信号分为三个部分，分别对应为

比特、(r-1)[log₂q]比特和(r-1)·[log₂L]比特；根据数据映射算法从PN序列族中选取(r-1)个发送的序列，共有

种发送扩频序列情况选择，对应能传输

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，

是M中取r的组合；(r-1)个扩频序列有q种相位S＝[S₁(t),S₂(t),....,S_r-1(t)]选择发送，其中S_j(t)＝exp[j{2π(m_j-1)/q}]，m_j＝1,2,...,q，q≥2；(r-1)个扩频序列从q种相位中选取某种相位状态发送，对应能传输(r-1)[log₂q]比特的信息数据；(r-1)个序列中，每个序列都有L个位置可以选择进行发送，则共有(r-1)·[log₂L]比特信息传输；把这些状态与信息数据一一对应，则对应的信息数据K是：

$K=(r-1)\left[{\log }_{2}q\right]+\left[{\log }_2{C}_{M-1}^{r-1}\right]+(r-1)\left[{\log }_{2}L\right]$

把选取出(r-1)个发送PN码序列、序列位移和相位状态等和1个固定定位标序列，在矢量空间叠加在一起发送，形成直扩信号位移排列关系

$A^{\′}=\{{\mathrm{PN}}_1\left(0\right),S_{j_1}{\mathrm{PN}}_{j_1}\left(p_{j_1}\right),....,S_{j_2}{\mathrm{PN}}_{j_2}\left(p_{j_2}\right),....,S_{j_{(r-1)}}{\mathrm{PN}}_{j_{(r-1)}}\left(p_{j_{(r-1)}}\right)\}$

式中，{S_j∈exp[j{2π(m_j-1)/q}],j＝1,2,..r_p,m_j＝1,2,...,q}；r个序列在矢量空间叠加，形成组合多值信号：

$\mathrm{MD}(r,t)={\mathrm{PN}}_1\left(0\right)+\underset{i=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{j_i}{\mathrm{PN}}_{j_i}\left(p_{j_i}\right)$

MD为多值发送信号，t为时间变量，

为第j次第i个发送序列相对于固定位标序列左移

个位置；

（3）矢量叠加产生的多值信号，经载波调制后，映射为MQAM载波调制发送出去，发送信号s(t)

式中，P是载波功率；

（4）在高斯白噪声信道下，接收信号为

r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t)

式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N₀/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端载波的频率、码元相位完全同步，根据载波解调后叠加在一起的序列信号，去掉已知的PN₁(0)的信息，再根据此时的数据是实数还是纯虚数，或者是复数，解调出调制的相位信息，去掉调制的相位信息，恢复成全部的实数数据再进行解扩；接收端有M个扩频器，在载波解调之后分别用PN_i(t)(i＝1,2,…M)作解扩处理，则M个解调器中除第1个解调器外的第i（2≤i≤M）个扩频解调器输出为：

$Z_i\left(t\right)=P\underset{j=1}{\overset{r-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i_j}\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{T+\mathrm{\τ}}{\∫}}{\mathrm{PN}}_{i_j}(t-\mathrm{\τ}){\mathrm{PN}}_i(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+N_i\left(t\right)+J_i$

式中，i＝i_j的积分是扩频序列的自相关，i≠i_j是互相关；解调器输出为

$Z_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{ij}}\mathrm{PT}+N_i+J_i& i=i_j\\ N_i+J_i& i\≠i_j\end{array}\right.$

使用的两组PN序列行彼此准正交；

（5）将步骤（4）获得的(M-1)个解调器输出值以及其对应PN码序号输入数据－序列选择逆映射器，从(M-1)个解扩器中的某一个相位输出值中，选取绝对值最大的(r-1)个输出值所对应的扩频序列序号、相位极性和位移关系作为发送来的组合序列，送入数据－位移逆映射器，得出接收的K路数据信息；

（6）将得出接收的K路数据信息经并/串转换，得到K比特原信息。

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