CN101252568B - 频域直接序列扩频与分数傅立叶域切普信号扩频传输方法 - Google Patents

Abstract

频域直接序列扩频与分数傅立叶域切普信号扩频传输方法，它涉及无线通信中的混合扩展频谱技术，解决了接收机中干扰信号对单一扩频系统的影响及单频正弦干扰在传统傅立叶变换后产生的最佳能量聚集对直接序列扩频系统有较大干扰的问题。发射过程二进制信息码源通过串并转换器分为两路并分别进行调制相加后得到发送信号s(t)。接收过程将接收的信号依次通过射频滤波器、采样器和p阶分数傅立叶变换器后得到分数域信号r_p(u)。一路解调过程r_p(u)通过多阶分数傅立叶域滤波器和变换器、直接扩频序列发生器、载波信号生成器和滤波器，得到用户解调信息r₁(t)；另一路解调过程r_p(u)通过峰值位置判决器，得到用户解调信息r₂(t)，r₁(t)和r₂(t)通过串并转换器得到解调信息r(t)。

Description

频域直接序列扩频与分数傅立叶域切普信号扩频传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信中的混合扩展频谱技术，具体涉及一种频域直接序列扩频与分数域切普信号扩频联合扩展频谱信号产生和接收的方法。

背景技术

扩频通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的与待传输信息信号无关的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，在接收端利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。根据通信系统产生扩频信号的方式，可分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统等几类，扩频通信系统最大的特点是具有很强的抗干扰能力，进入接收机的干扰主要有带限平稳高斯随机干扰、窄带瞄准式干扰以及宽带阻塞式干扰等，当干扰信号瞄准扩展频谱系统的中心频率时，对于直接序列扩频系统的射频载波具有极强的干扰，而当宽带阻塞时的干扰，对于跳频扩频系统危害较大，混合扩频通信方式比单一的直接序列、跳频、跳时扩频方式具有更优良的特性。

分数傅立叶变换是傅立叶变换的一种广义形式，可以解释为信号在时平面内坐标轴绕原点逆时针旋转任意角度后构成的分数阶傅立叶域上的表示方法，由于分数傅立叶变换具有许多传统傅立叶变换不具备的性质，近年来在信号处理领域有较为广泛的应用。分数傅立叶变换的积分形式定义为：

$F^{p}f\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right){\mathrm{\κ}}_p(u,t)\mathrm{dt}$

$=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp \left[i(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \mathrm{\α}-\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})\right]f\left(t\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\α}\≠\mathrm{n\π}\\ f\left(t\right)& \mathrm{\α}=2\mathrm{n\π}\\ f(-t)& \mathrm{\α}=(2n\±1)\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中f(t)为信号的时域表达形式，F^pf(u)为f(t)的p阶分数傅立叶变换，K_p(u，t)为变换核，u为分数域坐标，α＝pπ/2。分数傅立叶变换的逆变换可表示为：

$F^{p}f\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right){\mathrm{\κ}}_{-p}(u,t)\mathrm{dt}$

因此信号f(t)的分数阶傅立叶变换可以解释为f(t)在以逆变换核κ_-p(u，t)为基的函数空间上的展开，该分数阶傅立叶变换核是一组正交的，调频率为cotα(α＝pπ/2)的切普(切普)基，因此一个切普信号在适当的分数阶傅立叶变换域中将表现为一个冲击函数，即分数傅立叶变换在某个分数阶傅立叶域中对给定的切普信号具有最好的能量聚集特性。其中切普信号的表达式为：

参数

f₀、k分别控制切普信号的相位、中心频率和调频率，A表示切普信号的幅值，k与带宽B的关系为B＝kT，其中T为切普信号时域宽度。在表达式中切普信号是复信号，在实际系统应用中发射端应当发送实信号，因此取两个共轭切普信号叠加，相位取0，使其成为余弦函数形式：

c(t)＝{exp[i(2πf₀t+πkt²)]+exp[-i(2πf₀t+πkt²)]}/2

＝cos(2πf₀t+πkt²)

传统傅立叶变换的基函数为正弦波，因此单频正弦干扰在传统傅立叶变换后有最佳的能量聚集，所以对于直接序列扩频系统干扰较大，而在分数傅立叶变换时p≠1的情况下，单频正弦干扰没有明显的能量聚集效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决接收机中干扰信号对单一扩频系统的影响以及单频正弦干扰在传统傅立叶变换后产生的最佳能量聚集对直接序列扩频系统有较大干扰的问题。

本发明的技术方案通过以下步骤实现：

发射过程：

步骤一：二进制信息码源通过第一串并转换器得到两路二进制信息c₁(t)，c₂(t)。

步骤二：第一直接扩频序列发生器生成直接扩频序列信号b₁(t)，二进制信息c₁(t)与此直接扩频序列信号b₁(t)相乘，得到直接序列扩频信号m₁(t)，第一载波信号生成器输出的信号n₁(t)与直接序列扩频信号m₁(t)相乘进行二进制相移键控调制，得到调制信号s₁(t)。

步骤三：切普信号生成器输出切普信号f(t)，二进制信息c₂(t)与切普信号f(t)经过波形生成器的调制，得到调制信号s₂(t)。当c₂(t)为1时，波形生成器输出调频率为k的切普信号；当c₂(t)为0时，波形生成器输出调频率为-k的切普信号。最后将调制信号s₁(t)与调制信号s₂(t)通过加法器相加后得到的发送信号s(t)经用户端天线发射。

接收过程：

步骤四：将接收的信号R(t)经过射频滤波器与采样器后通过p阶分数傅立叶变换器得到分数域信号r_p(u)，然后将分数域信号r_p(u)分别进行解调。

步骤五：第一路解调过程，分数域信号r_p(u)先通过p阶分数傅立叶域滤波器滤除了切普信号中exp[i(2πf₀t+πkt²)]/2的能量，再通过2-2p阶分数傅立叶变换器将信号变换到2-p阶，之后通过2-p阶分数傅立叶域滤波器滤除了切普信号中exp[-i(2πf₀t-πkt²)]/2的能量，再通过p-2阶分数傅立叶变换器得到时域信号r_s(t)，第二直接扩频序列发生器产生和接收与信号同步的直接扩频序列信号b₂(t)，此直接扩频序列信号b₂(t)与时域信号r_s(t)相乘进行解扩，解扩后的信号与第二载波信号生成器输出的信号n₂(t)相乘得到解调信号，此解调信号通过滤波器，得到用户解调信息r₁(t)；

第二路解调过程，将通过p阶分数傅立叶变换器后得到的分数域信号r_p(u)通过峰值位置判决器进行判决，当峰值位置出现在分数域前半段时输出1，当峰值位置出现在分数域后半段时输出0，得到用户解调信息r₂(t)。

步骤六：两路用户解调信息r₁(t)和r₂(t)通过第二串并转换器得到解调信息r(t)；上述公式f₀表示中心频率，k表示调频率，k与带宽B的关系为B＝kT，其中T为切普信号时域宽度。

本发明利用了传统直接序列扩频系统与基于分数傅立叶变换的切普信号扩频的方法，提出了频域直接序列扩频与分数傅立叶域切普信号扩频相联合的混合扩展频谱的方法，使传输过程中存在和频域直接序列扩频系统载波同频同相的单频正弦波干扰(对频域直接序列扩频系统最为严重的一种干扰)的情况，由于在分数域中正弦波不会像在传统傅立叶域中产生明显能量聚集，因此对解调的干扰减小，相对于传统直接序列扩频系统抗干扰能力有所提高，因为两路扩频调制与解调的过程都在同一频带内，实现了信道的复用，因此也加强了系统的隐蔽性与安全性。

附图说明

图1是本发明发射装置的结构示意图；图2是本发明接收装置的结构示意图；图3是调频率k为1时的切普信号p阶分数傅立叶域的波形图；图4是调频率k为-1时的切普信号p阶分数傅立叶域的波形图；图5是二进制信息c₂(t)为1时接收信号r(t)通过射频滤波器6、采样器7以及p阶分数傅立叶变换器8后的信号分数域的波形图；图6是二进制信息c₂(t)为0时接收信号R(t)通过射频滤波器6、采样器7以及p阶分数傅立叶变换器8后的信号分数域的波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。

本实施方式图1的发射装置由第一串并转换器1、第一直接扩频序列发生器2、第一载波信号生成器3、波形生成器4、切普信号生成器5组成。

步骤一：二进制信息码源15通过第一串并转换器1得到两路二进制信息c₁(t)，c₂(t)；

步骤二：第一直接扩频序列发生器2生成直接扩频序列信号b₁(t)，二进制信息c₁(t)与此直接扩频序列信号b₁(t)相乘，得到直接扩频信号m₁(t)，第一载波信号生成器3输出的信号n₁(t)与直接扩频信号m₁(t)相乘进行二进制相移键控调制，得到调制信号s₁(t)；

步骤三：切普信号生成器5输出切普信号f(t)，二进制信息c₂(t)与切普信号f(t)经过波形生成器4的调制，得到调制信号s₂(t)，当c₂(t)为1时，波形生成器4输出调频率为k的切普信号，当c₂(t)为0时，波形生成器4输出调频率为-k的切普信号，最后将调制信号s₁(t)与调制信号s₂(t)通过加法器相加后得到的发送信号s(t)经用户端天线发射。

本实施方式图2的接收装置由射频滤波器6、采样器7、p阶分数傅立叶变换器8、p阶分数傅立叶域滤波器9、2-2p阶分数傅立叶变换器10、2-p阶分数傅立叶域滤波器11、p-2阶分数傅立叶变换器12、第二直接扩频序列发生器22、第二载波信号生成器33、滤波器13、峰值位置判决器14以及第二串并转换器21组成。

步骤四：将接收的信号R(t)r(t)经过射频滤波器6与采样器7后通过p阶分数傅立叶变换器8得到分数域信号r_p(u)，然后将分数域信号r_p(u)分别进行解调；

步骤五：第一路解调过程，分数域信号r_p(u)先通过p阶分数傅立叶域滤波器9滤除了切普信号中exp[i(2πf₀t+πkt²)]/2的能量，再通过2-2p阶分数傅立叶变换器10后将信号变换到2-p阶，之后通过2-p阶分数傅立叶域滤波器11滤除了切普信号中exp[-i(2πf₀t-πkt²)]/2的能量，再通过p-2阶分数傅立叶变换器12得到时域信号r_s(t)，第二直接扩频序列发生器22产生和接收与信号同步的直接扩频序列信号b₂(t)，此直接扩频序列信号b₂(t)与时域信号r_s(t)相乘进行解扩，解扩后的信号与第二载波信号生成器33输出的信号n₂(t)相乘得到解调信号，此解调信号通过滤波器13，得到用户解调信息r₁(t)；

第二路解调过程，将通过p阶分数傅立叶变换器8后得到的分数域信号r_p(u)通过峰值位置判决器14进行判决，当峰值位置出现在分数域前半段时输出1，当峰值位置出现在分数域后半段时输出0，得到用户解调信息r₂(t)；

步骤六：两路用户解调信息r₁(t)和r₂(t)通过第二串并转换器21得到解调信息r(t)。

Claims (1)

1.频域直接序列扩频与分数傅立叶域切普信号扩频传输方法，其特征在于它由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一：二进制信息码源(15)通过第一串并转换器(1)得到两路二进制信息c₁(t)，c₂(t)；

步骤二：第一直接扩频序列发生器(2)生成直接扩频序列信号b₁(t)，二进制信息c₁(t)与此直接扩频序列信号b₁(t)相乘，得到直接扩频信号m₁(t)，第一载波信号生成器(3)输出的信号n₁(t)与直接扩频信号m₁(t)相乘进行二进制相移键控调制，得到调制信号s₁(t)；

步骤三：切普信号生成器(5)输出切普信号f(t)，二进制信息c₂(t)与切普信号f(t)经过波形生成器(4)的调制，得到调制信号s₂(t)，当c₂(t)为1时，波形生成器(4)输出调频率为k的切普信号，当c₂(t)为0时，波形生成器(4)输出调频率为-k的切普信号，最后将调制信号s₁(t)与调制信号s₂(t)通过加法器相加后得到的发送信号s(t)经用户端天线发射；

接收过程：

步骤四：将接收的信号R(t)经过射频滤波器(6)与采样器(7)后通过p阶分数傅立叶变换器(8)得到分数域信号r_p(u)，然后将分数域信号r_p(u)分别进行解调；

步骤五：第一路解调过程，分数域信号r_p(u)先通过p阶分数傅立叶域滤波器(9)滤除了切普信号中exp[i(2πf₀t+πkt²)]/2的能量，再通过2-2p阶分数傅立叶变换器(10)后将信号变换到2-p阶，之后通过2-p阶分数傅立叶域滤波器(11)滤除了切普信号中exp[-i(2πf₀t-πkt²)]/2的能量，再通过p-2阶分数傅立叶变换器(12)得到时域信号r_s(t)，第二直接扩频序列发生器(22)产生和接收与信号同步的直接扩频序列信号b₂(t)，此直接扩频序列信号b₂(t)与时域信号r_s(t)相乘进行解扩，解扩后的信号与第二载波信号生成器(33)输出的信号n₂(t)相乘得到解调信号，此解调信号通过滤波器(13)，得到用户解调信息r₁(t)；

第二路解调过程，将通过p阶分数傅立叶变换器(8)后得到的分数域信号r_p(u)通过峰值位置判决器(14)进行判决，当峰值位置出现在分数域前半段时输出1，当峰值位置出现在分数域后半段时输出0，得到用户解调信息r₂(t)；

步骤六：两路用户解调信息r₁(t)和r₂(t)通过第二串并转换器(21)得到解调信息r(t)；

上述公式f₀表示中心频率，k表示调频率，k与带宽B的关系为B＝kT，其中T为切普信号时域宽度。

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