基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法和通信装置

摘要

本发明提供了一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法和通信装置，基带传输部分包含第一、第二两条并行直接序列扩频传输支路，其中，第二支路扩频调制采用的扩频码序列是第一支路扩频调制所采用的扩频码序列的希尔伯特变换，或第二支路基带成型采用的成型函数是第一支路基带成型所采用成型函数的希尔伯特变换，第一、第二两支路扩频调制信号经叠加后输出；接收端采用匹配滤波的方法对接收信号进行无干扰解调。本发明提供的通信方法和通信装置可将传统直接序列扩频通信系统的基带信号空间维度由1扩展到2，使其通信容量和传输速率变为原来的2倍，潜在的应用领域包括军用卫星通信、保密无线电通信、北斗卫星导航通信系统等。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电通信技术，更具体地，本发明涉及一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法和通信装置，属于信息传输技术领域。

背景技术

扩频系统的一个典型特征是被传输信号能量所占的带宽必须大于信息比特速率所对应的带宽(一般为远大于)，而且通常认为传输带宽与信息比特速率无关，美国公开的专利“METHODANDAPPARATUSFORSELECTINGASPREADINGCODEINASPECTRUMSPREADCOMMUNICATIONSYSTEM”(见U.S.Patent5515396)和RogerL的经典著作《IntroductiontoSpreadSpectrumCommunications》等文献资料中都明确提到了这一观点。

直接序列扩频系统(DSSS)是一种典型的扩频通信系统，它又称为直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统)，具有抗干扰、抗截获、抗多径能力强的特点，在全球卫星定位、北斗导航、卫星通信、军用无线电通信、深空探测等诸多领域都有广泛应用。直接序列扩频将要发送的信息用扩频码扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发射端相同的扩频码对接收到的扩频信号进行相关处理，进而恢复出原始数据信息。该系统的一个典型特征是已调扩频信号的带宽与调制信息比特速率无关，从频谱利用的角度来讲，这种系统的频谱效率极低。

众所周知，在不增大信号传输带宽的前提下，增加信号空间维度可以提高信息传输效率；同时，利用信号之间的正交或准正交特性可以实现多维调制信号的无干扰解调。从直接序列扩频通信系统的物理层基本原理可以看出，传统直接序列扩频传输系统在基带只有1个信号维度，其通信容量和传输速率也就受到了限制。如果可以在不增大信号传输带宽的前提下，增大直接序列扩频通信系统中与扩频码相关联的信号空间维度，就可以成倍提高直接序列扩频通信系统的通信容量和传输速率。

发明内容

基于直接序列扩频通信的基础物理层原理，从扩展调制信号空间维度的角度出发，实现基于单一扩频码的2维基带直接序列扩频传输，提高直接序列扩频传输系统的通信容量和传输速率。本发明提供一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法和通信装置。

根据本发明的一个方面，提供一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法：

发射部分：首先对预调信息进行串并转换预处理，其次对预处理后的信息进行基带数字调制，然后对基带数字调制信号进行直接序列扩频调制，再对直接序列扩频调制后的信号进行基带成型，将成型后的信号进行上变频并通过天线输出。

接收部分：首先通过天线接收已调信号，并对接收信号进行下变频；然后对接收信号进行解扩解调处理，得到解调信息，最后对解调信息进行并串转换处理。

其特征在于：基带传输包含第一、第二两条并行传输支路，其中，第二支路扩频码序列是第一支路扩频码序列的正交变换形式，或第二支路基带成型函数与第一支路基带成型函数相互正交；所述第一、第二支路扩频码序列分别是第一、第二支路直接序列扩频调制采用的扩频码序列，所述第一、第二支路基带成型函数分别是第一、第二支路基带成型采用的成型函数。

当第二支路扩频码序列是第一支路扩频码序列的正交变换形式时，第一、第二支路直接序列扩频调制后，先对支路扩频调制信号进行叠加，再对和信号进行基带成型。进一步，所述正交变换为希尔伯特变换；接收部分第一、第二支路解调均采用匹配滤波解调方法，第一、第二支路匹配滤波解调采用的模板信号分别为第一、第二支路扩频码序列基带成型后得到的波形信号。

当第二支路扩频码序列与第一支路扩频码序列相同时，第二支路基带成型函数与第一支路基带成型函数相互正交；第一、第二支路基带成型后，对信号进行叠加，然后对和信号进行上变频。进一步，第二支路基带成型函数是第一支路基带函数的希尔伯特变换；接收部分第一、第二支路解调均采用匹配滤波解调方法，第一、第二支路解调模块匹配滤波采用的模板信号分别为第一、第二支路扩频码序列经第一、第二支路成型函数成型后得到的波形信号。

根据本发明的另一方面，提供一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信装置，包括发射单元和接收单元：

发射单元，用于完成2维基带直接序列扩频调制，并将调制信号变频发射输出；包含：信源模块，用于提供系统预调信息；串并转换预处理模块，用于对串行预调信息进行串并转换预处理；数字基带调制模块，用于预处理后的预调信息进行数字基带调制；直接序列扩频调制模块，用于对数字基带调制信号进行直接序列扩频调制；基带成型模块，用于对数字扩频调制信号进行基带成型；叠加模块，用于将支路调制信号叠加合成一路和信号；上变频输出模块，用于对基带扩频调制信号进行上变频，并将变频后的信号通过天线发射输出。

接收单元，用于接收已调信号，并对接收信号进行解调处理，得到解调信息；包含：下变频接收模块，用于通过天线接收已调信号，并对接收信号进行下变频；解调模块，用于对接收信号进行解调，得到解调信息；并串转换处理模块，用于对并行解调信息进行并串转换处理；信宿模块，接收或存储解调信息。

其特征在于：数字调制模块包含第一、第二数字调制模块，直接序列扩频模块包含第一、第二直接序列扩频模块，解调模块包含第一、第二解调模块；第二扩频码序列与第一扩频码序列相同，或是第一扩频码序列的正交变换形式，所述第一、第二扩频码序列分别是第一、第二直接序列扩频模块采用的扩频码序列。

当第二扩频码序列是第一扩频码序列的正交变换形式时，叠加模块输入端与第一、第二直接序列扩频模块相连接，输出端与基带成型模块相连接。进一步，所述正交变换为希尔伯特变换，第一、第二解调模块采用匹配滤波解调技术，第一、第二调模块匹配滤波采用的模板信号分别为第一、第二扩频码序列基带成型后得到的波形信号。

当第二扩频码序列与第一扩频码序列相同时，基带成型模块进一步包含第一、第二基带成型模块，叠加模块输入端与第一、第二基带成型模块相连接、输出端与上变频输出模块相连接，第一成型函数与第二成型函数相互正交，所述第一、第二成型函数分别是第一、第二基带成型模块采用的成型函数。进一步，第二成型函数是第一基带函数的希尔伯特变换，第一、第二解调模块采用匹配滤波解调技术，第一、第二调模块匹配滤波采用的模板信号分别为扩频码序列经第一、第二成型函数成型后得到的波形信号。

附图说明

以下参照附图对本发明具体实施方式和实施例作进一步说明，其中：

图1是基于2维基带直接序列扩频的扩频通信系统发射单元结构流程。

图2是基于2维基带直接序列扩频的扩频通信系统接收单元结构流程。

图3是基带成型函数h(t)的归一化时域响应。

图4是基带成型函数h(t)的希尔伯特变换的归一化时域响应波形。

图5是系统误码性能仿真曲线。

如图所示，为了能更明确说明本发明的实施例结构，在图中标注了特定的结构和模块，这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、模块或环境中，根据具体需要本领域的普通技术人员可以将这些器件和模块进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求范围中。

具体实施方式

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可仅利用本发明的一部分或全部结构或流程来实施本发明。为了解释的明确性，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。由于本发明采用的具体技术均为本领域普通技术人员熟知的基本技术(如串并转换、直接序列扩频、希尔伯特变换、匹配滤波解调等)，为了不混淆本发明，对于众多周知的特征将不再进行详细阐述。

(一)基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法具体实施步骤：

根据本发明的一个方面，提供一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法，图1、图2分别是基于2维基带直接系列扩频的扩频通信系统发射单元和接收单元结构流程图。从图中可以看出，该方法实施步骤包括：预调信息串并转换、第一、第二数字基带调制与直接序列扩频、第一、第二支路数字扩频调制信号基带成型、叠加、上变频输出；接收下变频、第一、第二支路解调、并串转换。

具体地，基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法的具体实施步骤为：

①串并转换。根据信源模块提供的串行预调信息，对预调信息进行串并转换得到a_i、b_ii＝0,1,2,...两路并行预调信息，为了便于阐述，不妨将a_i支路称为第一支路，b_i支路称为第二支路预，a_i、b_i分别表示第一、第二支路预调信息。

②数字基带调制。根据系统采用的具体数字基带调制方式，分别对a_i、b_i进行数字基带调制，得到第一、第二支路数字基带调制信号a(t)、b(t)。

③直接序列扩频调制。分别利用长度为K的扩频码序列i＝1,2,...,K，对第一、第二支路数字基带调制信号进行直接序列扩频调制，得到第一、第二支路数字基带扩频调制信号a_c(t)、b_c(t)。

④基带成型。分别利用基带成型函数h₁(t)、h₂(t)，对第一、第二支路数字基带扩频调制信号a_c(t)、b_c(t)进行基带成型，得到第一、第二支路基带扩频调制信号s_a(t)、s_b(t)。

⑤时域叠加。对前一步得到的第一、第二支路信号进行时域叠加，得到一路和信号。

⑥上变频发射输出。对基带成型后的和信号进行上变频，并将变频后的信号通过天线输出。

⑦下变频接收。通过天线接收已调信号，并对其进行下变频，得到接收信号r(t)＝s(t)+n(t)，n(t)表示噪声干扰。

⑧解调。根据发送端的数字基带调制方式，分别利用扩频码序列i＝1,2,...,K，和基带成型函数h₁(t)、h₂(t)，对接收信号r(t)进行解调，得到第一、第二支路解调信息a′_i、b′_i。

⑨并串转换。对第一、第二支路并行解调信息a′_i和b′_i进行并串转换，得到最终的解调信息。

通信方法的特征在于，在基带同时传输两路扩频调制信号，需满足以下两个条件中的一个条件：

条件1)：步骤③中，第二支路扩频调制采用的扩频码序列i＝1,2,...,K是第一支路扩频调制采用扩频码序列i＝1,2,...,K的正交变换形式；

条件2)：步骤④中，第二基带成型采用的成型函数h₂(t)与第一基带成型采用的成型函数h₁(t)相互正交。

满足条件1)的情况下：

当第一、第二基带成型函数相同时，即h₁(t)＝h₂(t)时，也可保证基带成型后的码元扩频调制信号相互正交，即：

${\int }_{-\frac{T_g}{\text{2}}}^{T_s+\frac{T_g}{2}}{S}_a\left(t\right)S_b\left(t\right)\mathrm{dt}=0---\left(1\right)$

式中，T_s表示码元周期，T_g表示基带成型之后的码元扩展时间。

当第一、第二基带成型函数不同时，由扩频码序列的自相关特性可以得到：

${\int }_{-\frac{T_g}{2}}^{T_s+\frac{T_g}{2}}{S}_a\left(t\right)S_b\left(t\right)\mathrm{dt}\approx 0---\left(2\right)$

满足条件2)的情况下：

第一、第二基带扩频码序列相同或第二基带扩频码序列为第一基带扩频码序列的正交变换形式时，根据正交函数和扩频码序列的自相关特性，都可以得到：

${\int }_{-\frac{T_g}{2}}^{T_s+\frac{T_g}{2}}{S}_a\left(t\right)S_b\left(t\right)\mathrm{dt}\approx 0---\left(3\right)$

进一步，考虑基带成型引起的码元时间扩展T_g导致支路之间前后码元的码间干扰问题，由于直接序列扩频通信的扩频因子K(也就是扩频码长度)通常较大(几十、几百甚至上千)，而上述码间干扰是扩频调制码片进行基带成型时引起的，其值相对于整个码元的能量来说几乎可以忽略。

由以上分析可以看出，在满足所述的任一条件下，均可使两支路扩频调制码元处于准正交的状态，也是保证系统传输性能的必要条件。

众所周知，希尔伯特变换是一种正交变换，对离散序列进行希尔伯特变换可以得到另一离散序列，对连续函数进行希尔伯特变换可以得到另一连续函数。将这一特性运用到本发明中，既可得到与第一支路扩频码序列i＝1,2,...,K相互正交的希尔伯特变换序列又可得到与第一支路基带成型函数h₁(t)相互正交的成型函数h₂(t)。希尔伯特变换的天然特性可以给系统带来近乎理想的传输性能。特别地，升余弦成型函数及其希尔伯特变换的时域波形分别如图3、图4所示。

一种调制方式往往有多种解调方法，当两路信号满足正交或准正交特性时，匹配滤波是一种简单、高效的解调方法，也是通信系统中广泛应用的解调方法之一。基于本发明调制信号的基本特性，可采用匹配滤波解调的方法。

具体地，步骤⑧中，采用匹配滤波的解调方法，第一解调支路匹配滤波采用的模板信号为扩频码序列i＝1,2,...,K经成型函数h₁(t)成型后的波形信号，第二解调支路匹配滤波采用的模板信号为扩频码序列i＝1,2,...,K经成型函数h₂(t)成型后的波形信号。

需要说明的是，考虑系统实现的复杂度问题，在满足条件1)的情况下，第一、第二基带成型函数h₁(t)、h₂(t)相同，此时可将步骤④与步骤⑤顺序互换，并将步骤④中第一、第二两个基带成型合并为一个基带成型，成型后得到基带扩频调制信号。

(2)基于2维基带直接序列扩频的扩频通信装置具体实施步骤

根据本发明的另一方面，提供一种基于2维基带直接序列扩频的扩频通信装置。发射单元包含信源模块、串并转换模块、数字基带调制模块(包含第一、第二数字基带调制模块)、直接序列扩频调制模块(包含第一、第二直接序列扩频调制模块)、基带成型模块、叠加模块、上变频发射模块；接收单元包含接收下变频模块、解调模块(包含第一、第二解调模块)、并串转换模块和信宿模块。图1、图2基于2维基带直接系列扩频的扩频通信系统发射单元和接收单元结构流程。

其中，发射单元用于完成2维基带直接序列扩频调制，并将调制信号变频发射输出；包含：信源模块，用于提供系统预调信息；串并转换模块，用于对串行预调信息进行串行转换，得到第一支路和第二支路两路并行预调信息；数字基带调制模块，包含第一、第二数字基带调制模块，分别用于对第一、第二支路预调信息进行数字基带调制，得到第一、第二支路数字基带调制信号；直接序列扩频调制模块，包含第一、第二直接序列扩频调制模块，分别用于对数字基带调制信号进行直接序列扩频调制，得到第一、第二支路数字扩频调制信号；基带成型模块，用于对数字扩频调制信号进行基带成型；叠加模块，用于将第一、第二支路基带扩频调制信号叠加，得到一路和信号；上变频发射模块，用于对基带成型叠加后的信号进行上变频，并将变频后的信号通过天线发射输出。

接收单元用于接收已调信号，并对接收信号进行解调处理，得到解调信息；包含：下变频接收模块，用于通过天线接收已调信号，并对接收信号进行下变频；解调模块，包含第一、第二支路解调模块，分别用于解调第一、第二支路调制信息，得到第一、第二支路解调信息；并串转换模块，用于对第一、第二支路解调信息进行并串转换，得到与发射单元相同的串行数据流形式；信宿模块，接收或存储解调信息。

本发明提供的基于2维基带直接序列扩频的扩频通信装置发射单元的具体实施过程如下：

①串并转换。基于串并转换预处理模块，根据信源模块提供的串行预调信息，对预调信息进行串并转换得到a_i、b_ii＝0,1,2,...两路并行预调信息，为了便于阐述，不妨将a_i支路称为第一支路，b_i支路称为第二支路预，a_i、b_i分别表示第一、第二支路预调信息。

②数字基带调制。基于第一、第二数字基带调制模块，根据系统采用的具体数字基带调制方式，分别对a_i、b_i进行数字基带调制，得到第一、第二支路数字基带调制信号a(t)、b(t)。

③直接序列扩频调制。基于第一、第二直接序列扩频调制模块，分别利用长度为K的扩频码序列i＝1,2,...,K，对第一、第二支路数字基带调制信号进行直接序列扩频调制，得到第一、第二支路数字基带扩频调制信号a_c(t)、b_c(t)。

④基带成型。基于基带成型模块，分别利用基带成型函数h₁(t)、h₂(t)，对第一、第二支路数字基带扩频调制信号a_c(t)、b_c(t)进行基带成型，得到第一、第二支路基带扩频调制信号s_a(t)、s_b(t)。

⑤时域叠加。基于时域叠加模块，对前一步得到的第一、第二支路信号进行时域叠加，得到一路和信号。

⑥上变频发射输出。基于上变频输出模块，对基带扩频调制信号s(t)进行上变频，并将变频后的信号通过天线输出。

本发明提供的基于2维基带直接序列扩频的扩频通信装置接收单元具体工作过程如下：

①下变频接收。基于下变频接收模块，通过天线接收已调信号，并对其进行下变频，得到接收信号r(t)＝s(t)+n(t)，n(t)表示噪声干扰。

②解调。基于第一、第二支路解调模块，根据发送端的数字基带调制方式，分别利用扩频码序列i＝1,2,...,K，和基带成型函数h₁(t)、h₂(t)，对接收信号r(t)进行解调，得到第一、第二支路解调信息a′_i、b′_i。

③并串转换。基于并串转换模块，对第一、第二支路并行解调信息a′_i和b′_i进行并串转换，得到最终的解调信息。

特征在于在基带同时传输两路扩频调制信号，需满足以下两个条件中的一个条件：

条件1)：发射单元工作过程3中，第二支路扩频调制采用的扩频码序列i＝1,2,...,K是第一支路扩频调制采用扩频码序列i＝1,2,...,K的正交变换形式；

条件2)：发射单元工作过程4中，第二基带成型采用的成型函数h₂(t)与第一基带成型采用的成型函数h₁(t)相互正交。

上述两个条件可确保两支路扩频调制码元处于准正交的状态，也是保证系统传输性能的前提。

进一步，采用希尔伯特变换的处理手段，使条件1)中，第二支路直接序列扩频调制采用的扩频码序列i＝1,2,...,K是第一支路直接序列扩频调制采用扩频码序列i＝1,2,...,K的希尔伯特变换；使条件2)中，第二基带成型采用的成型函数h₂(t)是第一基带成型采用成型函数h₁(t)的希尔伯特变换。

更进一步，接收端第一、第二支路解调模块均采用匹配滤波解调检测技术，第一解调模块匹配滤波采用的模板信号为扩频码序列i＝1,2,...,K经成型函数h₁(t)成型后的波形信号，第二解调模块匹配滤波采用的模板信号为扩频码序列i＝1,2,...,K经成型函数h₂(t)成型后的波形信号。

需要说明的是，为了使通信装置的结构尽可能简单，在满足条件1)的情况下，第一、第二支路基带成型模块采用的成型函数相同，此时可将实施步骤④与实施步骤⑤顺序互换，并将步骤④中第一、第二两个基带成型模块合并为一个基带成型模块，成型后得到基带扩频调制信号。

实施例：

为了更好说明本发明的实施步骤，同时展现本发明的优良特性，以下结合附图对本发明所提供的通信系统进行进一步描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据基于2维基带直接序列扩频的扩频通信方法和通信装置的实施步骤，设置通信系统参数如下：

扩频码序列：m序列；

数字基带调制方式：二进制脉冲幅度调制(BPAM)；

直接序列扩频调制方式：127位直接序列扩频调制(本原多项式为x⁷+x³+1)；

基带成型函数：升余弦滤波成型(成型系数：0.25，过采样率：8)；

信道条件：加性高斯白噪声信道(AWGN)；

解调方式：匹配滤波解调；

传输条件：第一、第二支路扩频码序列相同(i＝1,2,...,127)，第二支路基带成型函数为第一支路成型函数的希尔伯特变换(h₂(t)＝Hilbert{h₁(t)}，Hilbert{·}表示希尔伯特变换算子)；

信源：伪随机信源；

传输信息量：2×10⁷bit。

具体实施步骤如下：

①串并转换。将串行伪随机预调信息转换为第一、第二两条支路并行预调信息。

②二进制脉冲幅度调制。分别对第一、第二支路预调信息进行BPAM调制，得到第一、第二支路数字基带调制信号。

③直接序列扩频调制。利用长度为127的m序列，分别对第一、第二支路数字基带调制信号进行直接序列扩频调制，得到第一、第二支路数字基带扩频调制信号。

④基带成型。分别利用升余弦滤波成型函数和其希尔伯特变换，对第一、第二支路数字基带扩频调制信号进行基带成型，得到第一、第二支路基带扩频调制信号。

⑤叠加。对基带成型得到的第一、第二支路基带扩频调制信号进行时域叠加，得到一路基带和信号。

⑥上变频发射输出。对基带和信号进行上变频，并将变频后的信号通过天线输出。

⑦信道加噪。对发射信号添加高斯白噪声。

⑦下变频接收。通过天线接收已调信号，并对其进行下变频，得到接收信号。

⑧解调。分别采用m序列经升余弦滤波成型函数和其希尔伯特变换成型后的波形信号作为模板信号，对接收信号进行第一、第二支路匹配滤波解调，得到第一、第二支路解调信息。

⑨并串转换。对第一、第二支路并行解调信息进行并串转换，得到最终的解调信息。

图4是通过误码统计得到的系统在高斯白噪声信道条件下的误码率曲线图。从误码率结果中可以看出，统计误码率几乎与BPAM调制的理论误码率完全一致。与传统的直接序列扩频通信系统相比，本发明提供的扩频通信方法和通信装置在不扩频通信带宽、不降低传输性能的前提下，将传输速率提高了一倍，这一结果展现了本发明提供通信方法和通信装置的优越性。

有益效果：

总的来说，对于本发明提供的直接序列扩频通信系统和通信方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

①通信容量大、传输速率高。

与传统的直接序列扩频调制方法相比较，在不扩展系统传输带宽、不降低系统传输性能的前提下，本发明将基带直接序列扩频通信的信号空间维度由1提高到2，使直接序列扩频调制系统的通信容量和传输速率大大提高，可以达到原来的两倍。

②工程实现简单、硬件成本低。

本发明提供的通信方法是在现有的、成熟的通信信号处理方法的基础上得到的，不涉及复杂的算法，在现有的硬件技术水平下，可以直接通过集成芯片来实现，对硬件性能没有特殊的要求，具有工程实现简单、硬件成本低的特点。

③应用范围广。

本发明提供的通信系统和通信方法具有重要的应用价值和现实意义，可直接应用于现有直接序列扩频通信系统的升级改造和下一代直接序列扩频通信系统的研制。潜在的应用领域还包括：军用卫星通信、无线电保密通信、北斗卫星导航、移动CDMA通信等。

最后需要说明的是，以上具体实施方式和实施例旨在说明本发明的技术方案而不是对技术方法的限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变换、应用和实施例都在本发明的精神和教导范围之内。