CN103944845B - 全频谱载波调制的相关检测方法 - Google Patents

Abstract

全频谱载波调制的相关检测方法，涉及无线通信。包括发送端和接收端信号处理；所述发送端信号处理：信源产生数据信息，对该数据信息进行QPSK符号映射；将映射后的符号信息调制到chirp波形中，实现一种全频谱的调制方式，将调制后的多路chirp信号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。所述接收端信号处理：对接收的信号经过滤波放大器和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，通过对接收信号和本地信号引入虚部来辅助相关检测处理，具体的相关计算有多种，这种相关可以分离出各路符号信息；对分离出的各路符号信息进行符号解映射，输出比特信息。

Description

全频谱载波调制的相关检测方法

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的相关检测方法。

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。

对线性调频信号的检测与估计是信号检测与估计的重要课题。已经成熟的检测技术包括在最大信噪比下研究的匹配滤波理论和相关接收技术（***,刘渝.多通道自相关信号检测算法及其FPGA实现[J].仪器仪表学报,2007,28(5):875-881；姚山峰,严航,曾安军,等.线性调频信号的相关检测性能分析[J].计算机工程,2012,38(1)）。利用相关处理实现线性调频信号的检测已经广泛应用于主动雷达，声呐***中（Blackman S S.Multiple-target tracking with radar applications[J].Dedham,MA,Artech House,Inc.,1986,463p.,1986,1）。

相关检测算法是在***接收端，对输入信号进行相关累加的检测算法，比频域法计算量小，不需对接收信号做分块处理，实时性较好，相关累加的算法能够累积信号能量，对消噪声，提高处理信噪比，累加的长度决定了信噪比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全频谱载波调制的相关检测方法，全频谱载波调制技术是将信息调制到chirp波形中。这种调制信号具有较强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。解调时利用相关累加的检测算法。

本发明包括全频谱载波调制***发送端信号处理和全频谱载波调制***接收端信号处理；

所述全频谱载波调制***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）将映射后的符号信息调制到chirp波形中，实现一种全频谱的调制方式，将调制后的多路chirp信号经过相加器叠加后输出；

（3）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；

所述全频谱载波调制***接收端信号处理包括以下步骤：

(a)对接收的信号经过滤波放大器和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，通过对接收信号和本地信号引入虚部来辅助相关检测处理，具体的相关计算有多种，这种相关可以分离出各路符号信息；

(c)对分离出的各路符号信息进行符号解映射，输出比特信息。

优选地，在步骤（2）中，所述将映射后的符号信息调制到chirp波形中的具体步骤包括：

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，可同时调制N路chirp信号波形，获得chirp的多路调制信号，整个***的频带充分地使用；

在步骤（2）中，所述将调制后的多路chirp信号经过相加器叠加，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，所述解调方法的具体步骤如下：

①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。

在步骤②中，所述峰值检测的具体方法可为：通过采用不同的相关处理算法，同时检测单个符号中的两个比特信息和不同符号中的两个比特信息，在计算复杂度允许范围内，甚至能检测多个符号中的比特信息；

所述不同的相关处理算法包括：

第一种是每次检测单个符号中的2比特信息；

第二种是每次检测相邻两个符号中的两比特信息；

第三种是每次检测多个符号中的多个比特信息。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了全频谱载波调制的几种相关检测方法，基于这种chirp信号的相关检测是将感兴趣信号的副本信号与待处理信号做自相关或互相关，获得这两组信号的相关函数，当待处理信号中存在感兴趣的信号时，相关函数峰中将会有相关峰的出现，通过检测相关峰即可实现感兴趣信号的检测。在接收端，通过对接收信号和本地信号引入虚部来辅助相关检测处理，不同的相关处理算法，可同时检测单个符号中的两个比特信息和不同符号中的两个比特信息，在一定的计算复杂度内，甚至能检测多个符号中的比特信息。本发明所提出的基于全频谱载波调制的相关检测方法，具有算法简单，精度高等优点。

附图说明

图1是本发明提供的全频谱调制***几种相关检测的***框图；

图2是本发明提供的全频带调制的原理图；

图3是本发明提供的全频带解调的原理图；

图4是本发明提供的相关检测算法流程图。

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，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是考虑全频谱载波调制中的相关检测方法，***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)]。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bit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；当虚部为-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：

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：

在发送端的信号处理过程中，利用了全频谱调制方式（用chirp信号的整个频率范围调制发送信息），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，也克服了传统正交频分复用中频带没有充分利用的缺点。

在接收端，信号经过滤波放大，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，经过相关检测，能够实现信息的分离，降低错误概率。相关检测是一种时域信息的检测方法，主要是对信号和噪声做相关分析利用信号和噪声具有的不同统计特性，通过自相关和互相关运算，达到抑制噪声、检测信号的目的。互相关函数描述了两组信号之间的依赖关系，表示为：

当s₁(t)＝s(t)+n(t)为被高斯噪声污染后的信号，s₂(t)为本地信号，求s₁(t)和s₂(t)的互相关函数，由于s(t)与n(t)是互不相关的，则，因此可以通过判断是否出现相关峰实现对信号的s(t)检测。这种检测算法利用了信号相关性和噪声随机性的特点，实现抑制噪声，检测信号的目的。

利用这种非相关的解调处理接收的信号步骤：

第一步：产生本地副本信号如式（7）所示：

c₁＝[up-chirp down-chirp]

c₂＝[up-chirp -1*down-chirp] (7)

c₃＝[-1*up-chirp down-chirp]

c₄＝[-1*up-chirp -1*down-chirp]

第二步：调制信号经过第一步处理后，接收端可同时检测单个符号中的两个比特信息和不同符号中的两个比特信息，在一定的计算复杂度内，甚至能检测多个符号中的比特信息：

1、当每次检测单个符号中的2比特信息时,产生的本地信号如式（7）所示，然后将接收信号和本地信号做积分处理产生判决变量，如式（8）所示；

2、当每次检测相邻符号中的2比特信息时，处理方法是将前一个符号的实部调制chirp信号和后一个符号的实部调制chirp信号同时做相关运算处理，产生判决变量，如式（8）所示，虚部的调制信号解调也是做类似的处理，这种处理方式可以减小多径干扰的影响，降低误码率性能；

3、当每次检测多个符号中的比特信息时，增大了相关运算的长度，信号的自相关和互相关值差异很大，易于峰值检测。

将接收的信号和产生的本地信号积分产生判决变量

其中c_i(t)，i＝1,2,3,4为式（7）的信号，经判决后选择峰值最大，解调出符号信息，再经过解映射，输出bit信息。

图4是***相关检测的流程图，***初始化后，利用匹配滤波方法对不同频段的chirp信号进行分离，其中本地信号的产生如表1所示，分别为：同时检测单个符号中的两比特信息，同时检测相邻符号中的两比特信息以及同时检测多个符号中的多个比特信息。然后，对每个chirp信号进行相关检测，得到积分变量，经过判决，获得发送信号的估计。

表1不同检测算法的本地信号产生

在本发明中，通过在接收端产生线性调频信号的副本信号，在相关累加时我们提出了几种处理方法，第一种是每次检测单个符号中的2比特信息；第二种是每次检测相邻两个符号中的两比特信息，第三种是每次检测多个符号中的多个比特信息，通过增加相关累加时的长度，增强相关峰值，提高检测性能。

本发明使用的全频谱载波调制技术，是利用正交频分复用频带划分的思想，用chirp信号的波形传输信息，克服了传统的正交频分复用通信***中频谱没有充分利用的缺点，提高了***的可靠性，将发送端的多路调制信号叠加后输出，节省了传输时间，提高了频谱利用率。

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。

Claims (2)

1.全频谱载波调制的相关检测方法，其特征在于包括全频谱载波调制***发送端信号处理和全频谱载波调制***接收端信号处理；

所述全频谱载波调制***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)将映射后的符号信息调制到chirp波形中，实现一种全频谱的调制方式，将调制后的多路chirp信号经过相加器叠加后输出；

所述将映射后的符号信息调制到chirp波形中的具体步骤包括：

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，可同时调制N路chirp信号波形，获得chirp的多路调制信号，整个***的频带充分地使用；

(3)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；

所述全频谱载波调制***接收端信号处理包括以下步骤：

(a)对接收的信号经过滤波放大器和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，通过对接收信号和本地信号引入虚部来辅助相关检测处理，具体的相关计算有多种，这种相关可以分离出各路符号信息；

所述解调方法的具体步骤如下：

①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；

所述峰值检测的具体方法为：通过采用不同的相关处理算法，同时检测单个符号中的两个比特信息和不同符号中的两个比特信息，在计算复杂度允许范围内，甚至能检测多个符号中的比特信息；

(c)对分离出的各路符号信息进行符号解映射，输出比特信息。

2.如权利要求1所述全频谱载波调制的相关检测方法，其特征在于所述不同的相关处理算法包括：

第一种是每次检测单个符号中的2比特信息；

第二种是每次检测相邻两个符号中的两比特信息；

第三种是每次检测多个符号中的多个比特信息。