一种相移键控调制解调方法及设备与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种相移键控调制解调方法及设备。
背景技术：
：物联网是智能时代的基础，无线连接技术是物联网的核心。随着物联网的发展，各种无线连接技术得到了广泛的应用，如classicbluetooth和bluetoothlowenergy(ble)。尤其在大量的传感器和控制应用领域，人们也对无线连接技术的功耗、成本和性能提出越来越高的要求。ble2mgfsk调制技术相对于classicbluetoothedr2dqpsk调制技术，最大的优点在于gfsk是恒定包络调制技术。恒定包络调制的射频发射机具有更低的复杂度和更高的功率效率。但是，ble2mgfsk调制相对于classicbluetoothedr2dqpsk调制带宽效率低，抗多路径码间干扰性能差。经典的相移键控调制技术，例如，dqpsk，由于存在相位突变，信号经过带宽有限的滤波器后，信号幅度存在很大的起伏，或较大的峰均功率比。高峰均功率比的信号对功率放大器的线性度要求很高，因而实现复杂度高且功率效率低。技术实现要素：本发明公开一种相移键控调制方法，采用连续改变相位的方法避免相位突变以降低带外频谱，提高频谱效率的同时保持了复杂度低和功率放大效率高的恒包络调制的特征。本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为，一方面提供一种相移键控调制方法，其特征在于:将二元数据流{bn}，n＝0,1,2,3,…n-1，映射为由相位符号构成的相位序列{θk}，k＝0,1,2,…,k-1，其中n、k为正整数；将所述相位序列中的相位符号通过相位函数调制为连续的相位信号即：其中p(t)为相位函数,且p(t≤0)＝0，p(t≥t)＝1，p(0≤t≤t)的值在0到1之间连续变化，t为符号周期；基于所述相位信号获得射频信号。优选地，基于相位信号获得射频信号包括，基于相位信号获得基带信号，并基于所述基带信号获得射频信号；其中，所述基带信号为：其中v(t)为基带信号，a为信号幅度，j为虚部符号；所述射频信号为：其中s(t)为射频信号，fc为射频载波频率,re[]为取实部符号。优选地，所述相位函数p(t)的导数为连续函数。优选地,所述调制方法，其采用的相位函数为，或者，或者，其中，t为符号周期。优选地，基于相位信号获得射频信号包括，将所述相位信号的导函数作为频率函数，利用所述频率函数，采用频率调制方法获得所述射频信号。优选地，根据π/2bpsk调制、π/4qpsk调制、π/88psk调制中的一种或多种调制方式所对应的映射关系，将二元数据流{bn}映射为相位序列{θk}。另一方面提供一种相移键控信号调制方法，包括：获取相位序列步骤，包括根据预定的相移键控调制方式将待调制的二元数据流映射为由相位符号构成的相位序列；获取相位信号步骤，包括采用预设的相位函数对相位符号进行调制得到其值随时间连续变化的相位信号，且在每个符号周期内，该符号周期起点的相位信号值与该符号周期终点的相位信号值之间的差值等于在该符号周期内调制的相位符号；调制射频信号步骤，包括基于所述相位信号调制获得射频信号。优选地，相位函数p(t)为连续函数，并且p(t≤0)＝0，p(t≥t)＝1，p(0≤t≤t)的值在0到1之间连续变化，其中t为时间变量，t为符号周期。优选地，所述相位函数p(t)的导数为连续函数。具体地，所述获取相位信号步骤中所获得的相位信号为：其中θ为相位符号，相位序列表示为{θk}，k＝0,1,2,…,k-1；且k为整数，t为时间变量，t为符号周期。进一步的，对于m级相移键控调制，k＝n/log2(m)，其中m取值为2、4或8，且m＝2时，为二元相移键控调制；m＝4时，为正交相移动键控调制，m＝8时，为8-ary相移动键控调制。进一步具体地，所述相位函数为，或者，或者，进一步具体地，所述调制射频信号步骤中包括，将所述当前符号周期的相位信号调制为基带信号v(t)，并将所述基带信号以预定的射频载波频率调制为射频信号，其中：其中a为信号幅度，j为虚部符号。进一步具体地，所述调制射频信号步骤中，将所述相位信号的导函数作为频率函数，采用频率调制方法获得射频信号。优选地，所述预定的相移键控调制方式包括π/2bpsk调制、π/4qpsk调制、π/88psk调制中的一种或多种。另一方面提供一种相移键控解调方法，上述调制方法调制的信号进行解调，其中包括，将接收到的射频信号下变频为基带信号；对所述基带信号进行频率和时间同步并采样后得到基带采样信号；基于所述基带采样信号获得差分信号；根据所述差分信号解调出二元数据。优选地，所述基带信号为：其中为基带信号，为接收信号的幅度，n(t)为加性噪声，δf(t)为残留频率偏差，ε(t)为相位噪声，为处理值符号；所述基带采样信号为：其中为基带采样信号，∈(k*t)为经过频率同步或校准后的相位误差；基于所述基带采样信号计算差分信号其中：具体地，计算所述差分信号的相位根据所述相位解调出二元数据，其中：其中，angle{}为求角度或相位运算。具体地，基于所述差分信号所包含的实部信号和虚部信号解调获得二元数据，其中：对于采用π/2bpsk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据的估值的方法为，对于采用π/4qpsk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据的估值和的方法为，和对于采用π/88psk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据的估值和的方法为，和和其中，||为绝对值符号。另一方面提供一种相移键控调制器，所述调制器为数字基带调制器，实现上述信号调制方法。另一方面提供一种相移键控解调器，所述解调器为数字基带解调器，实现上述信号解调方法。另一方面提供一种相移键控发射机，包括处理器及存储器、数字基带调制器、数模转化器、射频发射器；所述数字基带调制器，为上述恒定包络连续相位相移键控调制器。另一方面提供一种相移键控接收机，包括处理器及存储器、数字基带解调器、模数转化器、射频接收机；所述数字基带解调器，为上述相移键控解调器。本发明实施例提供的一种相移键控调制解调方法及设备，采用连续改变相位的方法避免相位突变以降低带外频谱，提高频谱效率；同时保持了复杂度低和功率放大效率高的恒包络调制的特征。附图说明图1为本发明实施例提供的一种相移键控调制方法的流程图；图2为本发明第一实施例中的数据包结构图；图3为本发明实施例提供的采用本发明的相移键控调制方法的发射机结构图；图4为本发明实施例提供的采用本发明的相移键控解调方法的接收机结构图；图5为包括本发明与其它现有技术中的两种调制方法的频谱对比图；下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它的实施例，都属于本发明保护的范围。在无线信号调制中，采用恒定包络的调制技术(如ble2mgfsk)的射频发射机具有更低的复杂度和更高的功率效率。但是其存在调制带宽效率低，抗多路径码间干扰性能差等问题。而经典的相移键控调制技术(例如dqpsk)由于存在相位突变，信号经过带宽有限的滤波器后，信号幅度存在很大的起伏，或具体有较大的峰均功率比。而高峰均功率比的信号对功率放大器的线性度要求很高，因而实现复杂度高且功率效率低。为解决这个问题，本发明结合相移键控调制与恒包络调制的特征，采用渐变地、连续地改变相位的方法避免相位突变以降低带外频谱，同时具有复杂度低和功率放大效率高的恒包络调制的优点。本发明采用的相移键控调制方法基于恒定包络连续相位(cecp:constantenvelopeandcontinuousphase)相移键控(psk:phaseshiftkeying)调制思想，如图1所示,包括如下步骤:步骤s110，获取相位序列步骤，根据预定的相移键控调制方式将待调制的二元数据流映射为由相位符号构成的相位序列；步骤s120，获取相位信号步骤，采用预设的相位函数对相位符号进行调制得到其值随时间连续变化的相位信号，且在每个符号周期内，该符号周期起点的相位信号值与该符号周期终点的相位信号值之间的差值等于在该符号周期内调制的相位符号；步骤s130，调制射频信号步骤，包括基于所得相位信号调制获得射频信号。具体的，本发明实施例中的相位函数为p(t)，其中，p(t≤0)＝0；p(t≥t)＝1；p(0≤t≤t)的值在0到1之间单调连续变化，p(t)的导数为连续函数，t为符号周期。在获取相位序列步骤中，将二元数据流{bn}，n＝0,1,2,3,…n-1，映射为由相位符号θ构成的相位序列{θk}，k＝0,1,2,…,k-1,其中k和n均为正整数。在一种具体实施方式中，对于m级相移键控调制，可以使k＝n/log2(m)。其中m可以取值2、4或8，即当m＝2时，所述调制为二元相移键控(bpsk:binaryphaseshiftkeying)调制；当m＝4时，所述调制为正交相移动键控(qpsk:quadraturephaseshiftkeying)调制；当m＝8时，所述调制为8-ary相移动键控(8psk:8phaseshiftkeying)调制。基于本发明核心思想的信号调制和解调步骤包括：在发射机端，调制信号相位为，其中，t为符号周期，相位序列{θk}即数字通信需要传递的数字相位，多个数字相位通过相位函数p(t)调制为连续的相位信号信号相位的调制是本发明核心，与经典相移键控调制不同，其对于相位的改变是缓慢进行的，从上述公式中可以看到，这个进度可以根据周期t来设置，这样就避免了传统方法中相位突变后信号带外频谱变高，需要通过波器滤波，但滤波后信号幅度存在很大的起伏的问题。作为本发明的一种较佳实施例，调制基带信号为，其中，a为信号幅度，连续的相位信号根据该公式调制为模拟基带信号。作为本发明的一种较佳实施例，调制射频信号为，其中，fc为射频载波频率，re[]为取实部符号，连续的相位信号调制的模拟基带信号v(t)被调制在载波fc上便于发送。在接收机端，对上述调制方法调制的信号进行解调的方法为：将接收到的射频信号下变频为基带信号；对基带信号进行频率和时间同步并采样后得到基带采样信号；基于所述基带采样信号获得差分信号；根据差分信号解调出二元数据。作为本发明的一种较佳实施例，其具体的步骤可以包括，第一步，把射频信号下变频为基带信号:其中，为接收信号的幅度，n(t)为加性噪声，δf(t)为残留频率偏差，ε(t)为相位噪声，为处理值符号。第二步，将第一步得到的信号经过频率和时间同步并采样后，得到基带采样信号其中，∈(k*t)为经过频率同步或校准后的相位误差。第三步，求第二步得到的基带采样信号的差分信号其中，∈k＝∈((k+1)*t)-∈(k*t)，()*为复共轭。第四步，根据上述差分信号求相位:其中，γk为相位估计误差。angle{}为求角度或相位运算。第五步，根据第四步得到的相位求其映射的二元数据。第一实施例，该实施例中，cecppsk调制的相位函数定义如下，其中，t为符号周期。本实施例cecppsk的m取2，4，8，分别对应π/2bpsk，π/4qpsk，π/88psk调制。二元数据流{bn}与相位序列{θk}的映射关系如下表tab.1，tab.2，tab.3。bkθk0+π/21-π/2tab.1π/2bpsk映射表b2kb2k+1θk00+π/401+3π/411-3π/410-π/4tab.2π/4qpsk映射表b3kb3k+1b3k+2θk000+π/8001+3π/8011+5π/8010+7π/8110-7π/8111-5π/8101-3π/8100-π/8tab.3π/88psk映射表在本实施例中，采用本发明的cecppsk调制方法的数据包格式如图2所示。如图所示，其中包括前导符号，同步字，包头，数据负载。作为一种较佳实施例，前导符、同步字和包头采用π/2bpsk调制，数据负载采用π/2bpsk、π/4qpsk或π/88psk调制。其中，前导符号用于自动增益控制(agc)，频率和符号时间同步，同步字用于包同步或连接识别，包头包括数据负载的调制格式、数据负载长度、编码速率，及序列号(seqn)和自动重传(arq)等控制信息。在本实施例中，前导符号长度为8个符号，同步字长度为32个符号，包头为16个符号。符号周期t为1us。同步字第1bit为0，前导符号为01010101；同步字第1bit为1，前导符号为10101010。本实施例中采用本发明的相移键控调制方法的发射机结构如图3所示，包括微处理器及存储器、数字基带调制器、数模转换器、射频发射机和天线。微处理器及存储器用于储存和执行程序，处理通信协议，配置和控制数字基带调制器和射频发射机，例如，准备和发送数据到数字基带处理器，配置同步字和调制格式，配置射频发射信道和功率等。数字基带调制器先把二元数据序列进行加密、加循环冗余校验(crc:cyclicredundancycheck)、白化、信道编码等处理后，根据tab.1-tab.3的映射表映射为相位序列，再根据eq.08和eq.01的波形映射为过采样的数字相位，过采样率32倍，即32msps。然后，根据eq.02生成过采样的i/q两路数字信号(分别对应和)，每路信号量化为8bits。然后，将32msps的i/q两路数字信号送给数模转换器转换为模拟信号，再送给射频发射机处理。射频发射机先对模拟基带信号低通滤波、增益放大、混频到2.4ghz载波上形成射频信号，射频信号经过功率放大器放大后，通过天线发送到空中。可见，本实施例中的射频发射机采用典型的i/q正交调制结构。本实施例中采用本发明的相移键控解调方法的接收机结构如图4所示，包括天线、射频接收机、模数转换器，数字基带解调器和微处理器及存储器。微处理器及存储器用于储存和执行程序，配置和控制数字基带解调器和射频接收机，例如，配置射频接收信道和预设的同步字，接收并处理数字基带解调器解调信号的结果或输出的数据，执行通信协议处理这些结果或数据。微处理器配置接收信道和接收时间后，天线接收的空中射频信号，通过射频接收机放大、下变频为低中频或基带模拟信号、滤波等处理后，送给模数转换器转换为数字信号，再送给数字基带解调器。数字基带解调器先检测图2所示中的前导符号，并用前导符号做agc、频率同步和符号时间同步，再解调和匹配同步字。如果解调的同步字同本地预设的同步字匹配，则解调包头。再根据包头传输的调制格式、数据负载长度、编码速率等参数解调数据负载。解调数据负载的过程包括，根据eq.08和tab.1-tab.3的映射表恢复发送的二元数据的估计，信道解码、解白化，crc检测，及解密等。最后，把crc检测通过的二元数据或crc检测失败的状态信息送给微处理器做进一步的处理。第二实施例：除了上述实施例中的i/q正交调制(调相)之外，本实施例中，发射机以调频方法实现本发明的调制思路，包括采用频率直接调制或频率两点调制(i/q)方法。具体地，对eq.01里采用本发明的相移键控调制方法获得的信号相位求导数，即：该导函数为频率函数,利用f(t)，使用频率调制方法调制所述基带信号。采用频率直接调制或两点调制的发射机结构如图3所示，包括微处理器及存储器、数字基带调制器、数模转换器、射频发射机和天线。微处理器及存储器用于储存和执行程序，处理通信协议，配置和控制数字基带调制器和射频发射机，例如，准备和发送数据到数字基带处理器，配置同步字和调制格式，配置射频发射信道和功率等。数字基带调制器先把二元数据序列进行加密、加循环冗余校验(crc:cyclicredundancycheck)、白化、信道编码等处理后，根据tab.1-tab.3的cecppsk映射表映射为相位序列，再根据eq.08和eq.01的波形映射为过采样的数字相位，过采样率32倍，即32msps。然后，根据eq.09生成过采样的一路数字频率信号，每路信号量化为8bits。32msps的数字频率信号送给数模转换器转换为模拟信号，再送给射频发射机处理。射频发射机先对模拟基带信号低通滤波和增益放大，再送给两点调制的锁相环(pll)和压控振荡器(vco)，直接调制到2.4ghz载波上形成射频信号，射频信号经过功率放大器放大后，通过天线发送到空中。本实施例中的射频发射机采用典型的两点直接调制结构。第三实施例，在该实施例里，解调中求差分信号为信号分量可以分开，相对前述第一实施例，本实施例解调方法更简单，且性能更好。具体的，基于差分信号所包含的实部信号和虚部信号解调获得二元数据。在该实施例中，如图4所示的采用本发明的相移键控调制方法的接收机，数字基带解调器恢复发送的二元数据的方法如下。改写eq.06为其中，使用π/2bpsk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据bk的估值的方法如下，使用π/4qpsk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据b2k和b2k+1的估值和的方法如下，和使用π/88psk调制技术调制的射频信号，恢复二元数据b3k,b3k+1和b3k+2的估值和的方法如下，和和其中，||为绝对值符号。第四实施例，在本实施例中，采用如下相位函数进行相移键控调制，其中，t为符号周期。第五实施例，在本实施例中，采用如下相位函数进行相移键控调制，其中，t为符号周期。在具体实施例时，发明人发现采用本发明的相移键控调制方法调制的2mbps速率的π/4qpsk信号，相对于ble2mgfsk调制的信号，占用更低的信号带宽，符号周期更长因而具有更好的抗多路径码间干扰的性能。图5即为检验本发明实施例提供的调制方法和其他调制方法的效果对比图。如图5所示，其中，假设传输速率相同，都是2mbps，且都采用恒定包络信号，浅灰色为采用本发明调制的π/4qpsk调制信号的频谱，黑色为le2m采用的调制指数为0.5的gfsk调制信号的频谱，深灰色为恒包络π/4dqpsk调制信号的频谱。从图中可以发现，传输相同速率的数据，本发明的π/4qpsk调制信号占用的频谱比gfsk少，也远远小于恒包络π/4dqpsk调制信号的频谱。为了减少π/4dqpsk调制信号占用的频谱，可以对其滤波，例如，bluetoothedr2采用的π/4dqpsk，但是，滤波后的信号就不是恒定包络信号了。本发明π/4qpsk调制信号的符号周期为1us，而le2mgfsk调制的符号周期为0.5us，本发明π/4qpsk调制信号比le2mgfsk调制信号更加抗多路径干扰。从以上实施例可以看出，采用本发明公开的一种相移键控调制方法以及相应的调制解调器，采用连续改变相位的方法避免相位突变以降低带外频谱，提高频谱效率；同时保持恒定包络的特征以提高射频信号功率放大的效率。上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或
技术领域：
内所公知的任意其它形式的存储介质中。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12