专利名称：一种多信号恒包络合成方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及用于多信号叠加发射通信方式的恒包络信号合成方法及其装置。
背景技术：
在通讯系统中，常用的信号是实的窄带信号，记为s(t)＝a(t)cos(2πf0t+φ(t)) (1)其中f0为载波频率。对于调频，调相等恒幅的调制方式，信息包含在相位φ(t)中，幅度不变。一般的，可令a(t)＝1，并得到其解析信号或者说复信号为SA(t)＝exp(j(2πf0t+φ(t))) (2)由上式可以看出这样单个的通讯信号是恒包络信号。
为了提高通讯速率，通信中常采用的方法是将多个频域正交或码字正交的信号叠加合成在一起同时发射。在有效提高通讯速率的同时，这样造成的一个缺点是多个恒包络信号叠加而成的合成信号不再是恒包络信号，其峰值功率与平均功率比(Peak-to-Average Ratio)，简称峰均比(PAR)较高。
PAR高会带来以下问题(1)PAR越高，发射机输出信号的瞬时值的波动就越大。由于一般的功率放大器都不是线性的，而且其动态范围也是有限的，所以功率放大器的非线性就会对动态范围较大的信号产生非线性失真，造成频谱扩展干扰以及带内有效信号畸变；如果采用大动态范围的线性放大器，或者对非线性放大器的工作点进行补偿，那么功率放大器的效率会大大降低，绝大部分能量都将转化为热能被浪费掉。
(2)PAR较高，为保证峰值信号通过D/A转换器，必须增大D/A的动态范围，这无疑增加了系统复杂度；如果不增大D/A的动态范围，则允许的信号峰值有限，为了满足这一限制，只能减少信号叠加个数，降低发送信号功率，这样显然会导致系统传输率下降，且D/A转化器对小幅度信号的量化误差增大。
由此可以看出，PAR较高容易造成系统部件非线性失真，并造成部件工作效率低下，最终降低系统性能。
为减小PAR一般可以使用以下三种常规办法第一类方法是信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大PAR的出现。最常用的信号预畸变技术包括限幅和压缩扩张方法。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但会带来限幅噪声，引起系统性能下降；压扩方法也只有在保证功率放大器输入信号的平均功率不增加的前提下才能较好地降低PAR，否则系统会对大功率放大器的非线性更加敏感。
第二类方法是从减小发送信号峰值出现概率上入手。对同一输入信号，选择不同的调制方案将会产生不同的输出结果，选择输出峰值最小的一种方案。这种方法能较大地降低大峰值出现的概率。为此系统加上了冗余位，使接收端知道选取何种解调方案。并且为选择合适的调制方案，必须进行大量的计算。
第三类方法是增加发送信号的冗余度，使之彻底避免尖峰的影响。具体方法是选择一些子信道，用这些子信道来抵消调制信号的峰值，从而达到降低尖峰的目的。这种方法是以降低系统传输率为代价的。
以上常规方法的缺点是要么会引入噪声；要么会改变信号特性；要么会降低传输率；要么会增加计算量。因此需要有一种简单实用的恒包络合成方法，既能保证合成信号的恒包络性质，降低合成信号的PAR，又能克服以上缺点，合成方法简单，不引入噪声，不降低传输率，且保持信号的相关特性和频谱特性。
本申请人在申请号为03156106.3的中国专利申请“一种M-ary扩频通信方法”中提供了一种混沌调频信号的生成方法，该方法是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成混沌调频信号。前述申请也在此引入作为参考。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的多信号合成技术中的缺点和不足，提供一种可将多信号合成为恒包络信号的方法和装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种多信号恒包络合成方法，用于将多个实信号合成为恒包络实信号，包括步骤1)将所述多个实信号分别转换为其相对应的复信号；2)将所述多个复信号直接合成，得到一个直接合成的复信号；3)由所述直接合成的复信号得到一个恒包络复信号，分为两种情况A)当所述直接合成的复信号为零时，所述恒包络复信号为零；B)当所述直接合成的复信号不为零时，对所述直接合成的复信号进行归一化操作，得到一个恒包络复信号；4)取所述恒包络复信号的实部，得到恒包络实信号。
其中，所述多个实信号可为混沌调频信号。
由于本发明是采用归一化方法得到的恒包络信号，因此本发明的多信号恒包络合成方法可称为“归一化包络法”。
本发明还提供一种多信号恒包络合成装置，用于将多个实信号合成为一个恒包络实信号，该装置包括信号转换模块，用于将所述多个实信号分别转换为其相对应的复信号；直接合成模块，用于将信号转换模块转换得到的多个复信号直接合成，得到一个直接合成的复信号；恒包络合成模块，用于由所述直接合成的复信号得到一个恒包络复信号，所述恒包络合成模块包括判断单元，用于判断所述直接合成的复信号是否为零；当所述直接合成的复信号为零时，所述恒包络合成模块直接输出零；当所述直接合成的复信号不为零时，由归一化单元处理所述直接合成的复信号；归一化单元，用于对述直接合成的复信号进行归一化操作得到一个恒包络复信号；取实模块，用于取所述恒包络复信号的实部，得到恒包络实信号。
本发明的“归一化包络法”具有如下优点(1)简单易用；(2)将合成信号的PAR降至最低；(3)在峰值功率相同的情况下，按照本发明合成的恒包络合成信号中包含的有效信号成份大于直接合成信号，与直接合成信号相比，能有效提高通信速率或通信距离；(4)合成信号与各成份信号保持良好的相关性能，与直接合成信号相比，相关性能没有改变。
图1是本发明的多信号恒包络合成方法的流程图；图2是两线性调频合成信号波形，其中(a)是直接合成信号，(b)是按照本发明的方法合成后的恒包络合成信号；
图3是两线性调频直接合成信号及按照本发明的恒包络合成信号与各成份信号的相关波形；图4是四混沌调频合成信号波形，其中(a)是直接合成信号，(b)是按照本发明的方法合成后的恒包络合成信号；图5是四混沌调频合成信号频谱，其中(a)是直接合成信号的频谱，(b)是按照本发明的方法合成后的恒包络合成信号的频谱；图6是四混沌调频直接合成信号及按照本发明的恒包络合成信号与非成份信号的相关波形。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步详细描述。
如图1所示，在步骤10中，本发明中首先要将待合成的N(≥2)个实信号转换为其对应的复信号。对于如公式(1)的N个恒幅的实窄带调制信号，其解析信号或者说复信号可分别写为S1(t)=exp(j(2πf1t+φ1(t)))---0≤t≤TS2(t)=exp(j(2πf2t+φ2(t)))---0≤t≤T······SN(t)=exp(j(2πfNt+φN(t)))---0≤t≤T---(3)]]>在步骤11中，将S1(t)～SN(t)直接合成，得到一个直接合成的复信号S(t)记为S(t)=Σi=1NS1(t)---0≤t≤T---(4)]]>此时，S(t)不再是恒包络信号。
在步骤12中，判断S(t)是否等于零，并根据判断结果采用不同的处理方法。在步骤13中，S(t)为零，直接输出一个为零的信号Sc(t)；在步骤14中，S(t)不为零，则对S(t)归一化操作，得到Sc(t)。如公式(5)所示Sc(t)=S(t)|S(t)|S(t)≠00S(t)=00≤t≤T---(5)]]>在这里，归一化操作是将Sc(t)取为S(t)与其模|S(t)|的商，此时Sc(t)的模为1。可以看出，最后得到的Sc(t)为恒包络复信号。
在步骤15中，取Sc(t)的实部，则得到所需的实信号sc(t)，如公式(6)所示sc(t)＝real(Sc(t)) (6)sc(t)为一实的恒包络合成信号。
在信号合成的实际应用中，通常是用装载有信号合成程序的计算机作为信号合成装置。为了实现本发明的恒包络合成方法，在本发明中，计算机中装载的信号合成程序包括信号转换模块、直接合成模块、恒包络合成模块和取实模块。其中恒包络合成模块中包括判断单元和归一化单元。
下面分别以对线性调频信号和混沌调频信号进行合成为例说明本发明的效果。
首先，以对两个线性调频信号s1(t)和s2(t)进行恒包络合成为例。
线性调频信号s1(t)记为 其中，f1为s1(t)的载频频率，m1为s1(t)的调频系数，1为s1(t)的初始相位，T为信号持续时间。
线性调频信号s2(t)记为 其中，f2为s2(t)的载频频率，m2为s2(t)的调频系数，2为s2(t)的初始相位，T为信号持续时间。
在本例中取f1＝600Hz、f2＝650Hz、m1＝7.08、m2＝9.28、 T＝2.5s。
对s1(t)和s2(t)分别进行直接合成和按照本发明的恒包络合成。图2(a)是直接合成信号s(t)，图2(b)是按照本发明的方法合成后的恒包络合成信号sc(t)。可以看出，与图2(a)中的直接合成信号s(t)相比，图2(b)恒包络合成信号sc(t)的PAR降至最低。
图3中给出图2(a)示出的s(t)及图2(b)示出的sc(t)与各成份信号s1(t)和s2(t)的相关波形。图3(a)是s(t)成份信号s1(t)的相关，图3(b)是sc(t)与成份信号s1(t)的相关，图3(c)是s(t)与成份信号s2(t)的相关，图3(d)是sc(t)与成份信号s2(t)的相关。可以看出二者基本一致，说明按照本发明合成的恒包络合成信号sc(t)与各成份信号保持良好的相关性能，与直接合成信号s(t)相比，相关性能没有改变。
表1中则列出了峰值功率相同时，和sc(t)与各成份信号相关峰值及其比值，可以看出，比值约为4/π，即按照本发明合成的恒包络合成信号sc(t)中包含的有效信号成份是直接合成信号s(t)的4/π倍。
表1
在另一个例子中，将本发明应用于四个混沌调频信号的恒包络合成。
四个混沌调频信号是用混沌序列调制四个载波分别形成，四个载波的频率分别为f1＝625Hz、f2＝675Hz、f3＝725Hz和f4＝775Hz。因为共有四个载波，这样需要将四个混沌调频信号合成后发射，在此可应用本发明的恒包络合成方法进行四混沌调频信号的恒包络合成。
从图4可以看出，与图4(a)的直接合成信号相比，图4(b)的恒包络合成信号的PAR降至最低。下面比较一下直接合成信号及恒包络合成信号的频谱，如图5所示，可以看出图5(b)的恒包络合成信号的频谱与图5(a)的直接合成信号频谱相比，稍有扩展，但仍继承了直接合成信号的优良性质，带外频谱少。
图6中给出直接合成信号及本发明的恒包络合成信号与各成份信号的相关波形，可以看出二者基本一致。其中，图6(a)是直接合成信号与成份信号1相关，图6(b)是恒包络合成信号与成份信号1相关，图6(c)是直接合成信号与成份信号2相关，图6(d)是恒包络合成信号与成份信号2相关，图6(e)是直接合成信号与成份信号3相关，图6(f)是恒包络合成信号与成份信号3相关，图6(g)是直接合成信号与成份信号4相关，图6(h)是恒包络合成信号与成份信号4相关。表2中则列出了峰值功率相同时，直接合成信号及本发明的恒包络合成信号与各成份信号相关峰值及其比值，可以看出，比值约为1.8，即恒包络合成信号中包含的有效信号成份是直接合成信号的1.8倍。
表2
表3列出了相关旁瓣峰值，相关主峰值及二者比值。可以看出与恒包络合成信号与成份信号的相关性能与直接合成信号相同。
表3
从上面的例子可以看出，本发明的恒包络合成信号保持了直接合成信号的相关特性，频谱特性，同时将合成信号的PAR降到最低。在峰值功率相同的情况下，恒包络合成信号包含的成份信号幅度比直接合成信号大，四个信号叠加时是其1.8倍，且信号叠加数越多，提高倍数越大。因此将本发明应用于通信，在通信速率不变时，可以提高信号的发射功率，从而可以提高通信距离；在通信距离不变时可以增加成份信号的数量，从而提高通信速率。
权利要求
1.一种多信号恒包络合成方法，用于将多个实信号合成为恒包络实信号，包括步骤1)将所述多个实信号分别转换为其相对应的复信号；2)将所述多个复信号直接合成，得到一个直接合成的复信号；3)由所述直接合成的复信号得到一个恒包络复信号，分为两种情况A)当所述直接合成的复信号为零时，所述恒包络复信号为零；B)当所述直接合成的复信号不为零时，对所述直接合成的复信号进行归一化操作，得到一个恒包络复信号；4)取所述恒包络复信号的实部，得到恒包络实信号。
2.根据权利要求1所述的多信号恒包络合成方法，其特征在于，所述多个实信号为混沌调频信号。
3.一种实施权利要求1所述方法的多信号恒包络合成装置，用于将多个实信号合成为一个恒包络实信号，其特征在于，该装置包括信号转换模块，用于将所述多个实信号分别转换为其相对应的复信号；直接合成模块，用于将信号转换模块转换得到的多个复信号直接合成，得到一个直接合成的复信号；恒包络合成模块，用于由所述直接合成的复信号得到一个恒包络复信号，所述恒包络合成模块包括判断单元，用于判断所述直接合成的复信号是否为零；当所述直接合成的复信号为零时，所述恒包络合成模块直接输出零；当所述直接合成的复信号不为零时，由归一化单元处理所述直接合成的复信号；归一化单元，用于对述直接合成的复信号进行归一化操作得到一个恒包络复信号；取实模块，用于取所述恒包络复信号的实部，得到恒包络实信号。
全文摘要
本发明公开了一种多信号恒包络合成方法及其装置。本发明将多个实信号分别转换为其相对应的复信号，然后直接合成。当直接合成的复信号为零时，合成的恒包络复信号为零；当直接合成的复信号不为零时，对直接合成的复信号进行归一化操作，本发明的恒包络合成装置包括信号转换模块、直接合成模块、恒包络合成模块和取实模块。其中恒包络合成模块中包括判断单元和归一化单元。本发明简单易用，将合成信号的PAR降至最低。在峰值功率相同的情况下，按照本发明合成的恒包络合成信号中包含的有效信号成分大于直接合成信号，能有效提高通信速率或通信距离。本发明的合成信号与各成分信号保持良好的相关性能，与直接合成信号相比，相关性能没有改变。
文档编号H04B1/04GK1665146SQ20041000750
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月2日 优先权日2004年3月2日
发明者王海斌, 汪俊, 吴立新 申请人:中国科学院声学研究所