CN103888405A - 一种全频谱载波调制方法 - Google Patents

Abstract

一种全频谱载波调制方法，涉及无线通信。包括发送端和接收端信号处理；发送端信号处理：信源产生数据信息，对该数据信息进行QPSK符号映射；对符合映射后的信息进行chirp多载波调制，将传输的信息通过该调制方法转变成chirp信号波形；将调制后的信息经过相加器叠加后输出；将叠加后的调制信号通过D/A转换器和信号功率放大，最后发送到信道中。接收端信号处理：对接收的信号先经过滤波放大器和A/D转换，得到适合处理的数字信号；***采用非相关的解调方法，在接收端产生一组相应的本地信号对接收的信号进行相关处理，分离出各路符号信息；对分离出的信息进行符号解映射，输出比特信息。提高***的频谱利用率和可靠性。

Description

一种全频谱载波调制方法

技术领域

本发明涉及无线通信，特别是涉及一种全频谱载波调制方法。

背景技术

在无线通信技术发展过程中，随着人们的通信需求提高和通信环境的复杂化，高的数据传输速率会引起严重的多径干扰问题。多载波调制技术是一种高速的数据传输技术，正交频分复用技术作为其中的一种多载波调制方法，它同时满足高速和克服干扰两个方面的要求，将整个传输频带划分成N个正交子信道，将带传输的高速串行码并行的调制到这些子载波上，这种调制方式可以有效的提高传输速率和频带利用率（韩晓燕，OFDM干扰抑制技术研究[D]，哈尔滨工程大学，2012）。

线性调频信号是一种脉冲压缩信号，它的频率是在脉冲持续时间内随时间按线性变化。线性调频信号本身具有一定的抗多普勒频移特性，而且其模糊度函数具有尖锐的峰值，易于检测判决（吕妍妍，chirp FSK可靠水声通信技术研究[D]，哈尔滨工程大学，2010）。Chirp信号早期常用于频移键控调制技术中，利用chirp信号作为载波信号，将传输的数据序列调制到这样的载波信号上，具有可靠性好和抗起伏特性的优点，但是，这种调制方式其频谱利用率和通信速率都比较低，限制了它的应用和发展。后来，随着多载波调制技术，码分多址扩谱，空间分集技术等发展起来，基于chirp的频移键控调制技术有了进一步的发展，文献（LeBlanc L R,Beaujean P P.Multi-frequency shift key and differential phase shift key for acousticmodem[C]//Autonomous Underwater Vehicle Technology,1996.AUV'96.,Proceedings of the 1996Symposium on.IEEE,1996:160-166）中提出将多路的chirp频移键控调制信号进行叠加输出，可以节省传输时间，提高传输速率，但是，这种调制方式也没有充分的利用全频带来传输信息,只是利用频带中的某些频点传输信息，浪费了很多频谱资源。

发明内容

本发明的目的在于提供将传输频带划分成N个子频带，每个子频带范围为chirp信号的扫频区间，同时将传输信息调制到chirp信号中，克服传统正交频分复用调制技术中频带没有完全利用的缺点，将多路信号叠加后输出，提高频带利用率的一种全频谱载波调制方法。

本发明包括全频谱调制***发送端信号处理和全频谱调制***接收端信号处理；

所述全频谱调制***发送端信号处理包括以下步骤：

（1）信源产生数据信息，对该数据信息进行QPSK符号映射；

（2）对符合映射后的信息进行chirp多载波调制，将传输的信息通过该调制方法转变成chirp信号波形；

（3）将调制后的信息经过相加器叠加后输出；

（4）将叠加后的调制信号通过D/A转换器和信号功率放大，最后发送到信道中；

所述全频谱调制***接收端信号处理包括以下步骤：

（a）对接收的信号先经过滤波放大器和A/D转换，得到适合处理的数字信号；

（b）***采用非相关的解调方法，在接收端产生一组相应的本地信号对接收的信号进行相关处理，分离出各路符号信息；

（c）对分离出的信息进行符号解映射，输出比特信息。

优选地，在步骤（2）中，所述chirp多载波调制的具体方法包括以下步骤：

①对***传输使用的频带，利用正交频分复用技术将信道划分为N个子频带，每个子频带对应一个线性调频信号，因为chirp信号本身具有一定的扫频宽带，因此将chirp信号的扫频宽度设置为子频带的间隔；

②经过QPSK映射后的符号为{1+i,1-i,-1+i,-1-i}，i为虚部，将每一个符号信息调制到chirp信号波形中，可同时产生N路chirp信号波形，获得chirp的多路调制信号，使用了整个***的频带。

在步骤（3）中，所述将调制后的信息经过相加器叠加，是由于产生的chirp信号其扫频宽度为子频带间隔，因此叠加后，信号的频谱不重叠，实现频分复用的传输方式，提高传输速率和频谱利用率。

优选地，在步骤（b）中，所述解调方法，具体包括以下步骤：

①全频谱调制***接收端产生的本地信号是N个不同频率区间的chirp信号；

②将接收到的信号分别与步骤①中的chirp信号做匹配相关，获得N个相关值，进行峰值检测，选择能量最大的，可以分离出不同频带上发送的信号；所述峰值检测可采用一次检测两个比特信息的检测方法。

本发明提供了一种全频谱载波调制方法，将传输频带划分成N个子频带，每个子频带范围为chirp信号的扫频区间，同时将传输信息调制到chirp信号中，克服传统正交频分复用调制技术中频带没有完全利用的缺点，将多路信号叠加后输出，提高频带利用率。在多径信道和高斯白噪声信道下仿真，可以看出该***能在低信噪比下正常工作，可靠性好，当信噪比为－20dB时，误码率为0.0058。

附图说明

图1是本发明提供的基于全频带调制方法的***框图；该***包括发送端和接收端；

图2是本发明提供的全频谱调制原理图，将发送信息调制到chirp信号中，将N路调制信号叠加后输出；

图3是本发明提供的全频谱解调的原理图，在接收端产生本地信号，并与接收信号做相关处理，进行峰值检测，选择能量最大的，可以分离出不同频带上发送的符号信息；

图4是本发明提供的全频谱调制***误码率性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步说明。

本发明是考虑一个全频谱载波调制方法，***框图如图1所示，信源首先产生数据信息，经过符号映射和串并转换后，进行chirp全频谱调制，调制过程如图2所示，同时，利用正交频分复用频带划分的思想，将***的频带划分成N个子频带[f₀,f₁,…,f_N-1]，f_i(i＝0,…,N-1)为频率，子频带宽度为chirp信号的扫频宽度，产生N个不同频率范围的chirp信号，频率范围是[(f₀,f₁),(f₁,f₂),…,(f_N-1,f_N)]，对N个不同频率范围的chirp信号经过相加器叠加后输出。在一个持续的周期T内，chirp信号的表达式为：

s(t)＝a(t)cos(2πf₀t+πkt²)  (1)

其中a(t)为信号的包络，a(t)＝0，

f₀为初始频率；k＝B/T为频率的变化率，B为chirp信号的带宽，T为脉冲宽度。线性调频信号的频率随时间线性变化f_i＝f₀+kt，即线性调频信号的瞬时频率与时间成正比。频率k＞0时频率线性增大，为up-chirp信号，k＜0，频率线性减小，为down-chirp信号。

Chirp信号具有良好的自相关性，其自相关函数为式（2），利用chirp信号的自相关函数和互相关函数的特性，up-chirp信号和down-chirp信号结合正负表示可以用于表示不同的符号信息。

可以看出，当t＝0时，

的包络取得最大幅度值

远大于此时的互相关值。当t≈±1/B时，

的包络取值为零，且随着chirp信号带宽B的增加，旁瓣电平降低。

发送端由待发送的数据比特流经过QPSK符号映射，x_i∈{1+i,1-i,-1+i,-1-i}，用up-chirp和down-chirp分别表示符号的实部和虚部信息，当实部为1时，选择up-chirp信号，实部为－1时，选择负的up-chirp信号，当虚部为1时，down-chirp信号，为－1时，选择负的down-chirp信号，这样用chirp信号可以表示映射的符号信息

$\left\{\begin{array}{cc}1+i\→[\mathrm{up}-\mathrm{chirp}& \mathrm{down}-\mathrm{chirp}]\\ 1-i\→[\mathrm{up}-\mathrm{chirp}& -1*\mathrm{down}-\mathrm{chirp}]\\ -1+i\→[-1*\mathrm{up}-\mathrm{chirp}& \mathrm{down}-\mathrm{chirp}]\\ -1-i\→[-1*\mathrm{up}-\mathrm{chirp}& -1*\mathrm{down}-\mathrm{chirp}]\end{array}\right.---\left(3\right)$

将N路子频带的chirp信号波形通过相加器叠加，实现了频分复用的调制，最后将叠加后的波形发送到无线信道中，***传输的信号表示为

$S_{\mathrm{chirp}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2\mathrm{\π}(f_{i}t+\frac{k}{2}{t}^2)\right)g_T\left(t\right)---\left(4\right)$

发送端的信号处理过程中，利用了全频谱调制方式（用chirp信号的整个频谱调制发送信息），同时结合传统的正交频分复用思想，将多路调制信号叠加后输出，可以提高***的传输速率。

在接收端，信号经过滤波放大和模数转换后，进行非相关解调，解调的具体过程如图3所示，将接收到的信号与N路chirp本地信号进行匹配滤波，因为线性调频信号是一种具有尖锐能量峰值的信号，经过本地信号具有较高峰值能量，能够实现信息的分离，降低错误概率。利用这种非相关的解调，接收的信号分别与式（6）的信号相乘，

c₁＝[up-chirp down-chirp]

c₂＝[up-chirp-1*down-chirp]

                                         (6)

c₃＝[-1*up-chirp down-chirp]

c₄＝[-1*up-chirp -1*down-chirp]

积分产生判决变量

$u_i=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{c}_i\left(t\right)r\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

其中c_i(t)，i＝1,2,3,4为公式（6）的信号，经判决后选择峰值最大，解调出符号信息，再经过解符号映射，输出比特信息。

基于chirp全频谱调制***在多径信道下进行了仿真，仿真结果如图4所示，在低信噪比下，***的BER性能也很好，在信噪比为－20dB时，误码率为10^-3数量级。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种全频谱载波调制方法，其特征在于包括全频谱调制***发送端信号处理和全频谱调制***接收端信号处理；

所述全频谱调制***发送端信号处理包括以下步骤：

（1）信源产生数据信息，对该数据信息进行QPSK符号映射；

（2）对符合映射后的信息进行chirp多载波调制，将传输的信息通过该调制方法转变成chirp信号波形；

（3）将调制后的信息经过相加器叠加后输出；

（4）将叠加后的调制信号通过D/A转换器和信号功率放大，最后发送到信道中；

所述全频谱调制***接收端信号处理包括以下步骤：

（a）对接收的信号先经过滤波放大器和A/D转换，得到适合处理的数字信号；

（b）***采用非相关的解调方法，在接收端产生一组相应的本地信号对接收的信号进行相关处理，分离出各路符号信息；

（c）对分离出的信息进行符号解映射，输出比特信息。

2.如权利要求1所述一种全频谱载波调制方法，其特征在于在步骤（2）中，所述chirp多载波调制的具体方法包括以下步骤：

①对***传输使用的频带，利用正交频分复用技术将信道划分为N个子频带，每个子频带对应一个线性调频信号，因为chirp信号本身具有一定的扫频宽带，因此将chirp信号的扫频宽度设置为子频带的间隔；

②经过QPSK映射后的符号为{1+i,1-i,-1+i,-1-i}，i为虚部，将每一个符号信息调制到chirp信号波形中，可同时产生N路chirp信号波形，获得chirp的多路调制信号，使用了整个***的频带。

3.如权利要求1所述一种全频谱载波调制方法，其特征在于在步骤（b）中，所述解调方法，具体包括以下步骤：

①全频谱调制***接收端产生的本地信号是N个不同频率区间的chirp信号；

②将接收到的信号分别与步骤①中的chirp信号做匹配相关，获得N个相关值，进行峰值检测，选择能量最大的，分离出不同频带上发送的信号；所述峰值检测采用一次检测两个比特信息的检测方法。

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