專利名稱：符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制與解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動通信領(lǐng)域中，應(yīng)用于深空、空地、空空無線通信的基帶信號調(diào) 制與解調(diào)方法，這些通信系統(tǒng)對調(diào)制信號的要求表現(xiàn)為頻譜特性要求高、可以應(yīng)用非線性 功放和通信終端間存在高速相對運動。
背景技術(shù)：
在移動通信領(lǐng)域中，由于信號在發(fā)射機與接收機之間的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，頻譜 資源的有限性加上移動信道的時變和多徑傳輸特性，無線信道通常被認(rèn)為是自然界中一種 較為惡劣的通信信道。有限的可利用頻譜資源和復(fù)雜的無線傳輸環(huán)境是無線通信領(lǐng)域的兩 大制約因素。隨著通信信息量的不斷增大，通信系統(tǒng)占用的帶寬越來越大，頻率較低的頻段 已經(jīng)趨于飽和。在信道帶寬限制和信道傳輸非線性對傳輸信號的影響情況下，傳統(tǒng)的數(shù)字 調(diào)制方式已不能滿足應(yīng)用的需求。為了滿足通信的需求，現(xiàn)有技術(shù)一方面將通信頻段不斷 向更高頻率延伸，另一方面也不斷努力提高頻譜的利用率。尤其在深空通信、空地通信和空 空通信領(lǐng)域，載波頻率較高時發(fā)送信號功率放大器通常采用高功率非線性放大器，并且由 于信道的非線性及AM/PM效應(yīng)，要求調(diào)制后的信號波形的瞬時幅度波動要盡量小，因而現(xiàn) 有技術(shù)一般采用具有恒定包絡(luò)或準(zhǔn)恒定包絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，如一種用載波相位表示輸入 信號信息的相移鍵控(PSK)調(diào)制技術(shù)，但這類調(diào)制技術(shù)的信號頻譜太寬，常常經(jīng)過帶通濾 波限帶，限帶后的PSK信號已經(jīng)不能保持恒包絡(luò)。當(dāng)前衛(wèi)星通信中常用的偏移四相相移鍵 控(OQPSK)調(diào)制方式，將正交路延時一段時間來調(diào)制，避免了信號中的180度相位突變，在 保持良好頻譜特性的同時可以減小信號經(jīng)限帶濾波后造成的包絡(luò)起伏，但包絡(luò)的起伏依然 明顯。連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)(CPM)在保證包絡(luò)恒定的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計信號相位的連續(xù)變 化，改善信號的頻譜特性。CPM通過設(shè)計不同相位路徑的變化規(guī)律，派生出多種恒包絡(luò)調(diào)制 方式，包括最小頻移鍵控(MSK)、SFSK等。另一種方法為偏移正交相移鍵控(IJF-0QPSK)，在這種調(diào)制方法中，同相路和正交 路信息序列先進(jìn)行IJF編碼，形成IJF基帶信號，再進(jìn)行OQPSK調(diào)制。在IJF-0QPSK基礎(chǔ)上 發(fā)展了 FQPSK調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步降低了幅度波動?？傮w來看，雖然CPM、IJF-OQPSK、FQPSK等調(diào)制技術(shù)，較好地解決了通信系統(tǒng)對包 絡(luò)恒定和頻譜效率的要求。但是在深空通信、空地通信和空空通信領(lǐng)域，通信收發(fā)端還存在 較大相對運動速度，多普勒頻移導(dǎo)致的頻偏和相位變化對相干解調(diào)影響顯著，尤其在信噪 比較低的突發(fā)通信中，多普勒頻率和初始相位很難精確估計。目前傳統(tǒng)的解決方法是采用 非相干解調(diào)，在調(diào)制端以差分方式調(diào)制信號。這種差分調(diào)制方式對于PSK、MSK調(diào)制方式來 說較為容易，但CPM、IJF-OQPSK、FQPSK等調(diào)制技術(shù)，在調(diào)制中要對前后發(fā)送的信息符號作 相關(guān)處理，進(jìn)行差分調(diào)制和解調(diào)都比較困難和復(fù)雜并且性能并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的是提供一種符號間相位為連續(xù)變化，可顯著提高功放有效發(fā)射功率 和頻譜有效利用率，能夠避免初相、多普勒頻移等引起的符號間相位變化對信號解調(diào)的影 響的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制和解調(diào)方法，以解決特定通信系統(tǒng)對包絡(luò)恒定和頻 譜效率的需求問題。上述目的可以通過以下措施來達(dá)到。本發(fā)明提供的一種符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移 鍵控調(diào)制方法，其特征在于包括如下步驟(1)根據(jù)每個符號所需攜帶的比特信息量，在星座圖中設(shè)置一組和不同輸入比特 一一對應(yīng)的基帶信號集合，二進(jìn)制信息被映射為一個符號內(nèi)連續(xù)相位變化的不同累積量， 使信號相位為連續(xù)變化的并保持信號的準(zhǔn)恒包絡(luò)特性，計算集合中每個信號的相位變化累 積量，形成一一對應(yīng)的數(shù)值表；(2)在信號調(diào)制中，用信號調(diào)制結(jié)構(gòu)中的串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將串行輸入的二進(jìn) 制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)后輸入到基帶信號選擇模塊中，由基帶信號選擇模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù) 產(chǎn)生對應(yīng)的輸出基帶調(diào)制信號，并送到I、Q調(diào)制部分中，將基帶信號調(diào)制到載波上，再通過 功放，由天線發(fā)射出去；(3)在每次突發(fā)通信開始時，將狀態(tài)存儲器中的初始狀態(tài)設(shè)置為某一確定的初始 狀態(tài)，將當(dāng)前發(fā)送信號的終點狀態(tài)設(shè)為下一個發(fā)送信號的起始狀態(tài)，再根據(jù)輸入的一組比 特信息值和當(dāng)前狀態(tài)存儲器的狀態(tài)值，將存儲器中的狀態(tài)值更新。本發(fā)明提供的一種符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)方法，其特征在于包括如下 步驟1)在解碼結(jié)構(gòu)中，信號輸入前，已經(jīng)利用同步符號實現(xiàn)了位同步；2)對每個接收符號計算符號內(nèi)的相位變化累積量，和數(shù)值表中的值作比較，計算 接收符號對應(yīng)每一種可能發(fā)送比特的概率，選取概率最大的發(fā)送比特為當(dāng)前接收信號的解 碼信息輸出。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。本發(fā)明在星座圖中設(shè)置一組和不同輸入比特一一對應(yīng)的基帶信號集合設(shè)計達(dá)到 了使信號相位為連續(xù)變化的同時保持了信號的準(zhǔn)恒包絡(luò)特性。使基帶信號具有準(zhǔn)恒包絡(luò)特 性，提高了功放的有效發(fā)射功率；在星座圖中設(shè)計的一組基帶信號集合中的每個信號，在星 座圖上為一條連續(xù)軌跡，保證了信號在一個碼元中的相位是連續(xù)變化。連續(xù)相位的設(shè)計使 基帶信號具有良好的頻譜特性，提高了系統(tǒng)頻譜有效利用率。在信號調(diào)制中，不同的比特信 息由符號內(nèi)相位變化的累積量表示，在信號解調(diào)中，僅考察本符號內(nèi)的相位變化累積量，和 碼元符號的絕對相位無關(guān)。由于信號解調(diào)僅考察符號內(nèi)的相位變化累積量，本振頻偏、多普 勒頻移、無線信道等因素導(dǎo)致的信號相位變化對信號的正確解調(diào)幾乎沒有影響，簡化了基 帶信號解調(diào)方法，這種設(shè)計的優(yōu)點在于一是符號間相位為連續(xù)變化，使信號有良好的功率 譜；二是使發(fā)射信號為準(zhǔn)恒包絡(luò)，提高了有效發(fā)射功率；三是避免了初相、多普勒頻移等引 起的符號間相位變化對信號解調(diào)的影響，滿足高速運動終端間的通信需求。并解決了特定 通信系統(tǒng)對包絡(luò)恒定和頻譜效率的需求問題。本發(fā)明特別適合被應(yīng)用于高速運動平臺間的通信。


下面結(jié)合附圖和實施進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實例 范圍之中。圖1是本發(fā)明中基帶信號集合中各信號在星座圖中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移軌跡示意圖。圖2是本發(fā)明所提出的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制發(fā)送示意圖。圖3是本發(fā)明調(diào)制過程中基帶信號選擇模塊示意圖。圖4是本發(fā)明所提出的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)示意圖。
具體實施例方式參閱圖1。本發(fā)明是以每個符號攜帶兩比特信息為例來說明符號內(nèi)連續(xù)相位差分 相移鍵控調(diào)制的實現(xiàn)過程。根據(jù)每個符號所需攜帶的比特信息量，在圖1所述的星座圖中， 設(shè)置一組和不同輸入比特一一對應(yīng)的基帶信號集合，使二進(jìn)制信息被映射為一個符號內(nèi)連 續(xù)相位變化的不同累積量。集合中的每個信號在星座圖上為一條連續(xù)軌跡，使信號相位為 連續(xù)變化的并保持信號的準(zhǔn)恒包絡(luò)特性。圖中狀態(tài)表示為星座圖上某一固定位置，軌跡以不同符號區(qū)分，用于表示不同的 基帶信號所對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。信號總是從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到一個狀態(tài)，包括從一個狀態(tài)到自 身狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為一個固定點。所有圖中的軌跡構(gòu)成基帶信號集合。星座圖中的基帶 信號集合，可以根據(jù)每個符號所需攜帶的比特信息量，設(shè)置相應(yīng)數(shù)量和對稱分布的狀態(tài)點。 設(shè)計從某一狀態(tài)點出發(fā)到所有狀態(tài)點的光滑路徑，每條路徑為某一基帶信號并且對應(yīng)于某 一組確定輸入比特信息。圖中的上述所有路徑構(gòu)成了本發(fā)明基帶信號集合，計算上述集合 中每個信號的相位變化累積量，形成一一對應(yīng)的數(shù)值表。在基帶信號集合設(shè)計中，當(dāng)每個符 號需要攜帶的比特信息數(shù)為η時，狀態(tài)的數(shù)目為2n個，η為自然數(shù)1，2，3… n，并且狀態(tài)點 在復(fù)平面上的分布是中心對稱的?；鶐盘柤现械拿總€信號在復(fù)平面上都是從一個狀態(tài) 連續(xù)地移動到一個狀態(tài)，并且這種轉(zhuǎn)移是在一個符號時間內(nèi)完成的。信號集合中的每個信 號是準(zhǔn)恒包絡(luò)的，基帶信號集合中當(dāng)前調(diào)制信號的選擇由當(dāng)前發(fā)送比特信息和起始狀態(tài)點 共同決定。參閱圖2。在符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制發(fā)送示意圖中，本發(fā)明的信號調(diào)制 結(jié)構(gòu)由依次串聯(lián)的數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換模塊(1)、基帶信號選擇模塊(2)和I、Q調(diào)制部分(3)組 成。其中，串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將串行輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)后輸入到基 帶信號選擇模塊中；基帶信號選擇模塊，用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生對應(yīng)的輸出基帶調(diào)制信號， 并送到I、Q調(diào)制部分中。I、Q調(diào)制部分包括，I路、Q路閉環(huán)回路上的并聯(lián)的本振和90°移 相器。在信號調(diào)制中，用信號調(diào)制結(jié)構(gòu)中的串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊(1)，將串行輸入的二進(jìn) 制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)后輸入到基帶信號選擇模塊(2)中，由基帶信號選擇模塊(2)根據(jù) 輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生對應(yīng)的輸出基帶調(diào)制信號。I、Q調(diào)制部分將基帶信號調(diào)制到載波上，再通過 功放，由天線發(fā)射出去。在圖3中所示基帶信號選擇模塊(2)中，含有一個基帶信號存儲單元⑷、開關(guān)控 制邏輯單元(5)、狀態(tài)存儲器(6)。所述基帶信號存儲單元(4)含有由計算機預(yù)先計算并存 儲的基帶波形Stl……基帶波形S150在每次突發(fā)通信開始時，將狀態(tài)存儲器中的初始狀態(tài)設(shè) 置為某一確定的初始狀態(tài)，將當(dāng)前發(fā)送信號的終點狀態(tài)設(shè)為下一個發(fā)送信號的起始狀態(tài)。
6開關(guān)控制邏輯單元(5)根據(jù)輸入的發(fā)送比特信息和狀態(tài)存儲器(6)中的狀態(tài)信息，在基帶 信號存儲單元(4)中的基帶信號集合中選擇對應(yīng)的基帶信號作為輸出信號。把當(dāng)前發(fā)送的 基帶I、Q信號輸出終點狀態(tài)在狀態(tài)存儲器(6)中，設(shè)置為下一個發(fā)送信號的起始狀態(tài)。因此 整個過程是根據(jù)輸入的一組比特信息值和當(dāng)前狀態(tài)存儲器的狀態(tài)值產(chǎn)生對應(yīng)的輸出調(diào)制 信號并更新存儲器中的狀態(tài)值。發(fā)送比特信息、基帶信號和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的關(guān)系如下表所示表1 表中項目為“基帶信號/發(fā)送比特”，狀態(tài)數(shù)目由每個符號攜帶的比特數(shù)決定，示 例中為2bit信息，在星座圖中設(shè)置了 22個狀態(tài)，任意兩狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移用對應(yīng)的某一確定基 帶信號表示。基帶信號集合包含有16種復(fù)信號，分別表示為[S0，S1，’"SlS],且 K^) ~—<t<—(4) S3 = e Ts 4 , 2 2其他瀏=βχ，仍=fi x 幻，濟J x52 ,Sl = β χ幻，S8 = -SO，S9 = -Sl，
SlO = -S2,S11 = -δ3,512 = 6";ΤΧι5 ^Sl3 = e^xSl ^S\4 = e~JlxS2 ySl5 = e'Jl χS3，其中 Ts為一個符號的持續(xù)時間。參閱圖4。圖4描述了本發(fā)明符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)結(jié)構(gòu)，在解碼結(jié)構(gòu) 中，信號輸入前，已經(jīng)利用同步符號實現(xiàn)了位同步；對每個接收符號計算符號內(nèi)的相位變化 累積量，和數(shù)值表中的值作比較，計算接收符號對應(yīng)每一種可能發(fā)送比特的概率，選取概率 最大的發(fā)送比特為當(dāng)前接收信號的解碼信息輸出。該結(jié)構(gòu)包括，閉環(huán)回路上并聯(lián)的正交解 調(diào)部分(7)、低通濾波部分(8)、基帶信號解調(diào)部分(9)和數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換部分(10)，其中基帶 信號解調(diào)部分(9)由符號內(nèi)相位累積判決模塊構(gòu)成。在解調(diào)結(jié)構(gòu)中，信號輸入前已經(jīng)利用 同步符號完成符號位同步。射頻接收信號依次通過正交解調(diào)部分和低通濾波部分(7)中并 聯(lián)的低通濾波器，轉(zhuǎn)換為基帶信號，輸入到基帶信號解調(diào)部分(9)；基帶信號被基帶信號解 調(diào)部分(9)中的符號內(nèi)相位累積判決模塊解調(diào)成并行的比特數(shù)據(jù)，并輸入到數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換 部分(10)中。數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換部分(10)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出?；鶐盘柦庹{(diào)部 分(9)中的符號內(nèi)相位累積判決模，對每一個基帶接收符號在符號內(nèi)用式(5)積累其相位 變化量，并用式(6)計算接收信號屬于某一發(fā)送比特的概率，選取最大概率的發(fā)送比特為
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表中Φ i由下式計算 式中Si(t)為基帶信號集合中的信號。
當(dāng)前接收信號的解碼信息。符號內(nèi)的相位變化累積量由下式計算 其中Ts為一個符號的持續(xù)時間，s(t)為一個符號的持續(xù)時間內(nèi)的基帶接收信號，
當(dāng)為數(shù)字處理系統(tǒng)時，所述符號內(nèi)的相位變化累積量計算式為
其中N
為一個符號內(nèi)的采樣點數(shù)。接收信號屬于某一發(fā)送比特的概率值由下式計算 式中 式中，Φ 為發(fā)送第i種比特信息時所選擇的基帶信號的相位變化累積量，Si(t) 為發(fā)送第i種比特信息時所選擇的基帶信號。上式中的基帶信號集合中信號的相位變化累積量Φ i和發(fā)送比特形成一一對應(yīng) 的關(guān)系，在信號映射中，不同的比特信息由符號內(nèi)相位變化的累積量表示，其關(guān)系如下表所 示表權(quán)利要求
一種符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法，其特征在于包括如下步驟(1)根據(jù)每個符號所需攜帶的比特信息量，在星座圖中設(shè)置一組和不同輸入比特一一對應(yīng)的基帶信號集合，二進(jìn)制信息被映射為一個符號內(nèi)連續(xù)相位變化的不同累積量，使信號相位為連續(xù)變化的并保持信號的準(zhǔn)恒包絡(luò)特性，并計算上述集合中每個信號的相位變化累積量，形成一一對應(yīng)的數(shù)值表；(2)在信號調(diào)制中，用信號調(diào)制結(jié)構(gòu)中的串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將串行輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并輸入到基帶信號選擇模塊中產(chǎn)生對應(yīng)的輸出基帶調(diào)制信號，然后送到I、Q調(diào)制部分中，將基帶信號調(diào)制到載波上，再通過功放，由天線發(fā)射出去；(3)在每次突發(fā)通信開始時，將狀態(tài)存儲器中的初始狀態(tài)設(shè)置為某一確定的初始狀態(tài)，將當(dāng)前發(fā)送信號的終點狀態(tài)設(shè)為下一個發(fā)送信號的起始狀態(tài)，再根據(jù)輸入的一組比特信息值和當(dāng)前狀態(tài)存儲器的狀態(tài)值，將存儲器中的狀態(tài)值更新。
2.如權(quán)利要求1所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法，其特征在于，基帶信 號集合中，當(dāng)每個符號需要攜帶的比特信息數(shù)為η時，狀態(tài)的數(shù)目為2η個，并且狀態(tài)點在復(fù) 平面上的分布是中心對稱的，η為自然數(shù)1，2，3… η。
3.如權(quán)利要求1所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法，其特征在于，基帶信 號集合設(shè)計中的每個信號在復(fù)平面上都是從一個狀態(tài)連續(xù)地移動到一個狀態(tài)，并且這種轉(zhuǎn) 移是在一個符號時間內(nèi)完成的。
4.如權(quán)利要求1所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法，其特征在于，基帶信 號集合設(shè)計中的每個信號是準(zhǔn)恒包絡(luò)的，且當(dāng)前調(diào)制信號的選擇由當(dāng)前發(fā)送比特信息和起 始狀態(tài)點共同決定。
5.如權(quán)利要求1所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制技術(shù)，其特征在于，基帶信 號集合是在星座圖中，設(shè)置相應(yīng)數(shù)量、對稱分布的狀態(tài)點，設(shè)計從某一狀態(tài)點出發(fā)到所有狀 態(tài)點的光滑路徑，每條路徑為某一基帶信號并且對應(yīng)于某一組確定輸入比特信息，所有路 徑構(gòu)成了本發(fā)明基帶信號集合。
6.一種符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)方法，其特征在于包括如下步驟1)在解碼結(jié)構(gòu)中，信號輸入前，已經(jīng)利用同步符號實現(xiàn)了位同步；2)對每個接收符號計算符號內(nèi)的相位變化累積量，和數(shù)值表中的值作比較，計算接收 符號對應(yīng)每一種可能發(fā)送比特的概率，選取概率最大的發(fā)送比特為當(dāng)前接收信號的解碼信 息輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)方法，其特征在于，所述符 號內(nèi)的相位變化累積量由下式計算 其中Ts為一個符號的持續(xù)時間，s(t)為一個符號的持續(xù)時間內(nèi)的基帶接收信號，當(dāng)為 數(shù)字處理系統(tǒng)時，所述符號內(nèi)的相位變化累積量計算式為 唭中N為一個符號內(nèi)的采樣點數(shù)。 i=\
8.如權(quán)利要求6所述的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控解調(diào)技術(shù)，其特征在于，接收信 號屬于某一發(fā)送比特的概率值由下式計算 式中，Φ i為發(fā)送第i種比特信息時所選擇的基帶信號的相位變化累積量，Si(t)為發(fā) 送第i種比特信息時所選擇的基帶信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種主要應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制與解調(diào)方法。該方法在信號調(diào)制中，主要包括，一組基帶信號集合，集合中的每個信號在星座圖上為一條連續(xù)軌跡，在每次突發(fā)通信開始時，設(shè)置狀態(tài)存儲器中的狀態(tài)為某一確定的初始狀態(tài)；根據(jù)輸入的一組比特信息值和當(dāng)前狀態(tài)存儲器的狀態(tài)值產(chǎn)生對應(yīng)的輸出調(diào)制信號并更新存儲器中的狀態(tài)值。在信號解調(diào)中，先計算接收符號的相位變化累積量，然后計算其屬于每組比特信息值的概率，選擇概率最大的比特信息為當(dāng)前接收信號的解碼輸出。本發(fā)明保證了信號在一個碼元中的相位是連續(xù)變化，提高了有效發(fā)射功率，避免了初相、多普勒頻移等引起的符號間相位變化對信號解調(diào)的影響。
文檔編號H04L27/22GK101902420SQ20101012515
公開日2010年12月1日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者張劍 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所