一种提高扩频系统通信速率的方法及其系统与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种提高扩频系统通信速率的方法及其系统。

背景技术：

随着电子技术的发展，现代战争的电磁环境日益复杂，截获手段也越来越先进，对通信系统提出了更高的要求，使用扩频、跳频、加密等技术提高系统的抗干扰、抗截获能力。直接序列扩频通信系统是一种典型的现代数字通信系统，它在发送端用扩频码将信号的频谱扩展后再送入信道进行传输，在接收端用相同的扩频码完成解扩。由于扩频信号在传输时所占带宽远远超过发送信息所需的带宽，因而扩频信号可以隐藏于噪声之中，使信号难于检测，而且即使是检测到了扩频信号但如果不知道发方的扩频码，也难于将原有信息恢复出来。这种通信系统在军事通信、卫星通信、移动通信、导航和c4isr等领域都得到了越来越广泛的应用。但是随着军用作战需求的多样性，通信速率要求越来越高，带宽越来越有限，因此，需要在保证信号高隐蔽性、低截获和低检测的条件下，在有限的信道带宽上要实时传输大容量的信息，这样传统的直扩系统难以兼顾抗干扰和高速率通信的双重要求，因此软扩频技术应运而生。

现有的软扩频技术是从直接序列扩频技术与编码技术相结合而发展来的一种新型的基带扩频技术，它主要应用于那些频带受限但是数据率又要求较高的通信系统中，如突发通信、计算机无线通信、无线局域网通信等。

所以，需要通过利用cazac(constantamplitudezeroautocorrelation，恒包络零自相关)序列的零自相关和近零互相关性，从不同维度联合调制提高扩频系统通信速率的方法，通过对循环移位调制和相位调制双重调制实现多纬度多进制扩频，使得在有限带宽内同时不增加系统复杂度和牺牲抗干扰性能的前提下提高扩频系统的通信速率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高扩频系统通信速率的方法及其系统，本发明在不增加现有带宽和硬件资源，也不降低系统抗干扰性能的条件下，通过使用具有零自相关和近零互相关特性的cazac序列作为扩频序列，以2k位循环移位实现对k位bit信息进行多进制扩频调制，然后对该循环移位后的cazac序列进行相位调制，相位调制采用p位bit信息映射，通过这种多进制扩频+相位调制的多维度调制方式，在不增加信号带宽和计算复杂度的情况下，能够比传统直接序列扩频系统速率提高k+p倍，比普通软扩频系统增加(k+p)/k倍。

为达到上述目的，本发明的一种提高扩频系统通信速率的方法，该方法的步骤为：

步骤1、接收比特数据进行分组组合，再通过串并转换将比特数据转换成多进制数据；

步骤2、将所述多进制数据通过序列和相位联合多进制数据映射运算得到扩频序列，再通过循环移位和相位旋转联合映射调制运算得到调制后的扩频序列，形成扩频调制信号；

步骤3、数模转换器接收所述扩频调制信号并将其发送至模数转换器；

步骤4、将扩频调制信号经过循环移位相关解扩运算、相位旋转解调运算及序列和相位多进制数据解映射运算，得到多进制数据，再经并串变换成比特数据。

优选地，所述步骤2包含：每一组k+p位比特数据通过映射得到一组扩频序列，k位比特数据和p位比特数据分别形成第一十进制数据k和第二十进制数据p；其中，所述扩频序列为时域信号。

优选地，所述步骤2还包含：根据所述第一十进制数据k对所述扩频序列进行循环移位，对经过所述循环移位后的扩频序列以相位值进行相位旋转，将循环移位和相位旋转后的序列作为扩频调制数据值，然后对所述扩频调制数据值依次进行插值滤波和插入同步序列处理，最后将处理后的扩频调制信号发送给数模转换器输出至无线信道。

优选地，在所述步骤2中，经过映射后的扩频序列对应的n个循环移位和p个相位旋转位数与发送端的一组k+p位比特数据相匹配；所述n个相位循环移位通过辅以p个相位形成n*p个扩频序列，所述扩频序列为：

式中，n为扩频序列的长度，m与n互质，q为任意整数。

优选地，所述循环移位和所述相位旋转过程具体为：

先对映射后的扩频序列进行数据预处理，以产生n位原扩频码的k个循环移位码，其中k＝2k≤n；

设定一个n位扩频序列{c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2,cn-1}，并通过右循环移位处理得到n种不同位排列次序的序列：

{c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2,cn-1}：循环右移0次代表数据0；

{cn-1,c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2}：循环右移1次代表数据1；

{cn-2,cn-1,c0,c1,c2,…，cn-3}：循环右移2次代表数据2；

{c1,c2,…cn-3,cn-2,cn-1,c0}：循环右移n-1次代表数据n-1；

设定一个经k位循环移位后的扩频序列{cn-k,cn-k+1,c0,c1,c2,…，cn-k-1}，并通过相位旋转编码处理得到p种不同相位的序列：

相位旋转0次代表数据0；

相位旋转1次代表数据1；

相位旋转2次代表数据2；

相位旋转p-1次代表数据p-1。

优选地，所述步骤3中，所述模数转换器和所述数模转换器与无线信道连接，使模数转换器接收数模转换器输出的扩频调制信号；所述模数转换器输出的扩频调制信号经过定时同步和频率同步、抽取滤波，得到消除定时误差和频率误差后的扩频调制信号。

优选地，在所述步骤4中，所述循环移位相关解扩运的步骤包含：

将接收到的扩频调制信号进行多点fft运算，得到该接收到的扩频调制信号的频域信号；

通过本地基准序列依次进行多点fft变换和共轭互相关运算；

该共轭互相关运算结果与接收到的扩频调制信号号的频域信号进行对应点相乘运算得到多点序列，并对所述多点序列进行ifft运算得到多点复数序列，再对所述多点复数序列进行取模运算，得到相关值；

根据相关值最大值的在多点序列中的位置确定对应的经过循环移位的序列，解调及解映射得到对应的k位比特数据；

所述相位旋转解调运算的步骤包含：

在循环移位相关解扩运算之后，对相关值最大所对应共轭相关序列的数据值进行相位解调并解映射得到对应的p位比特数据。

本发明还提供了一种用于实现如上文所述的提高扩频系统通信速率的方法的扩频系统，

该系统包含：均设置在接收端的串并转换模块、序列和相位联合多进制数据映射模块、循环移位和相位旋转联合映射调制模块和数模转换器；其中，所述串并转换模块接收比特数据并将比特数据转换成多进制数据，所述序列和相位联合多进制数据映射模块将多进制数据进行映射成扩频序列，所述循环移位和相位旋转联合映射调制模块将所述扩频序列通过循环移位和相位旋转形成扩频调制信号；

该系统还包含：均设置在接收端的模数转换器、序列和相位联合多进制数据解映射调解模块、循环移位和相位旋转联合解映射调制模块和并串变换模块；其中，序列和相位联合多进制数据解映射模块和循环移位和相位旋转联合解映射调制模块用于将扩频调制信号解调并解映射成多进制数据，所述并串变换模块将多进制数据转换成比特数据。

优选地，所述循环移位和相位旋转联合解映射调制模块还包含fft模块和ifft模块；所述fft模块将扩频调制信号由时域信号形式变换到频域信号形式，所述ifft模块将扩频调整信号由频域信号形式变换到时域信号形式。

优选地，所述发送端还设置有与所述循环移位和相位旋转联合映射调制模块依次连接的插值滤波模块、插入同步序列模块和数模转换器；

所述接收端还设置有依次连接的模数转换器、用于自相关寻找所接收的扩频调制信号的帧头的时间同步模块、用于延时相关运算旋寻找收发端的频率偏差进行对应补偿的频率同步模块和抽取滤波模块；

所述数模转换器通过无线信道与所述模数转换器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在扩频系统中使用初始cazac序列作为基准序列，通过基准序列循环移位和相位旋转形成多进制扩频映射调制，作为扩频调制信号进行传输，在接收端通过对扩频信号进行fft变换后，在频域与本地基准cazac序列进行相关运算和相位解调运算，确定循环移位序列和相位旋转角度，联合解调恢复出多进制数据；相对于传统扩频技术，在同样有线带宽下提高了通信速率，增强了频谱利用率和传输效率；在同样比特速率下，可以提高扩频比，增强了抗多径衰落能力。

附图说明

图1本发明的提高扩频通信系统传输速率的方法的原理图；

图2本发明中cazac序列循环移位映射原理图；

图3a-图3b本发明中cazac序列解映射的实例示意图；

图4a-图4b本发明中cazac序列相位解映射的实例示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种提高扩频系统通信速率的方法及其系统，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的提高扩频系统通信速率的方法是基于本发明的提高扩频系统通信速率的系统的基础上实现的。该系统包含：均设置在发送端的串并转换模块、序列和相位联合多进制数据映射模块、循环移位和相位旋转联合映射调制模块、插值滤波模块、插入同步序列模块和数模转换器dac。该系统还包含均设置在接收端的模数转换器adc、时间同步模块、频率同步模块、抽取滤波模块、序列和相位联合多进制数据解映射调解模块、循环移位和相位旋转联合解映射调制模块和并串变换模块。

串并转换模块，其用于把高速串行比特流转换为多进制数据流。接收端的并串变换模块，其用于把多进制数据流变换为高速串行比特流。其中，在发送端和接收端均设置基于cazac序列的基准序列和基准相位。

序列和相位联合多进制数据映射模块，其用于将待发送数据按k+p位bit进行分组后映射扩频序列，再将该映射扩频序列通过循环移位和相位旋转联合映射调制模块的循环移位和相位旋转形成扩频调制信号。其中，循环移位和相位旋转联合映射调制模块是在映射后的扩频序列进行循环移位编码的基础上进行相位旋转调制编码。

数模转换器dac通过无线信道与模数转换器adc连接。数模转换器dac接收依次经过插值滤波模块的插值滤波和经过插入同步序列模块的添加经过插值滤波后的同步序列的组帧操作形成的扩频调制信号的数据帧，并输出至无线信道，则模数转换器adc接收来自无线信道的该扩频调制信号的数据帧。

时间同步模块用于通过自相关找到接收的扩频调制信号的数据帧的扩频信号帧头。

频率同步模块用于通过延时相关运算找出收发两端的频率偏差并进行补偿。

序列和相位联合多进制数据解映射模块和循环移位和相位旋转联合解映射调制模块用于将正交振幅调制信号解调、解映射回比特(bit)序列。其中，循环移位和相位旋转联合解映射调制模块还包含fft模块和ifft模块，fft模块用于cazac扩频序列数据由时域变换到频域。ifft模块用于将cazac扩频序列信号从频域变换到时域。

如图1所示，在发送端，将待发送数据分别以k+p位bit数据分组组合进行串并变换，再进行序列和相位联合多进制数据映射扩频序列。其中，每一组k+p位bit数据通过映射得到一组cazac扩频序列，该扩频序列为时域信号。k位和p位bit数据分别形成两个十进制数据k和p。

根据十进制数值k对cazac扩频序列进行循环移位，从而得到循环移位后的cazac扩频序列，然后对该循环移位后的cazac扩频序列以相位值p*2π/2^p进行相位旋转，把该循环移位和相位旋转后的序列作为扩频调制信号数据值，然后进行插值滤波，再添加经过插值滤波后的同步序列完成组帧工作，最后把完整的扩频数据帧发送给数模转换器dac输出至无线信道。

其中，发送端的待发送数据由k+p位bit信息对应cazac扩频序列的n个循环移位及p个相位旋转位数，n个相位循环移位再辅以p个相位形成n*p个扩频序列，序列的长度也为n，这些序列作为k+p位bit的对应的扩频序列。示例地，cazac扩频序列{cn}的定义如下：

式中，n为扩频序列的长度，m与n互质，q为任意整数。

其中，cazac序列为零自相关序列(constantamplitudezeroautocorrelation)。任意cazac序列循环移位n位后，n不是cazac序列的周期的整倍数时，移位后的序列与原序列不相关，其互相关和部分相关值接近于0；cazac序列经过傅里叶正反变换(fft，傅里叶变换；ifft，傅里叶反变换)后仍然是cazac序列；并且由cazac序列组成的信号，其峰值与其均值功率比很低。

在循环移位和相位旋转联合映射调制模块的用于cazac扩频序列循环移位的循环移位编码模块中，先对n位cazac扩频序列进行数据预处理，以产生n位原扩频码的k个循环移位码(其中k＝2k≤n)。

假定一个n位cazac序列{c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2,cn-1}通过右循环移位处理可以得到的n种不同位排列次序的序列如下：

{c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2,cn-1}：循环右移0次代表数据0；

{cn-1,c0,c1,c2,…，cn-3,cn-2}：循环右移1次代表数据1；

{cn-2,cn-1,c0,c1,c2,…，cn-3}：循环右移2次代表数据2；

……

{c1,c2,…cn-3,cn-2,cn-1,c0}：循环右移n-1次代表数据n-1。

其中，循环移位和相位旋转联合映射调制模块是在扩频序列进行循环移位编码的基础上进行相位旋转调制编码。假定一个经k位循环移位后的扩频序列为{cn-k,cn-k+1,c0,c1,c2,…，cn-k-1}，通过相位旋转编码处理可以得到的p种不同相位的序列如下：

相位旋转0次代表数据0；

相位旋转1次代表数据1；

相位旋转2次代表数据2；

……

相位旋转p-1次代表数据p-1。

如图1所示，在接收端，接收来自无线信道的扩频数据帧，并经过模数转换器adc采样后，先经过定时同步和频率同步运算，进行抽取滤波，得到消除定时误差和频率误差后的扩频序列信号数据帧，对扩频序列信号数据帧进行循环移位共轭相关解扩运算和相位旋转解调运算，进行序列和相位多进制数据解映射，得到k+p位多进制数据，最后经并串变换解调出最终的比特数据流。

其中，在接收端是通过时间同步模块和频率同步模块等功能模块找到接收到的扩频信号的帧同步头，并消除频率偏差，然后根据帧头确定一系列扩频时域信号。

另，在接收端通过本地cazac序列与接收到的序列进行互相关运算和相位解调，根据相关峰取模后最大值位置确定cazac序列的循环移位数据值，解调出对应的k位bit信息；然后再根据相关峰值确定其相位旋转数据值，解调出对应的p位bit信息，从而最终组合得到k+p位bit信息。

如图2所示，循环移位和相位旋转联合解映射解调运算过程包含：循环移位相关运算和相位旋转解调运算两个步骤。

循环移位相关运算的步骤具体为：

循环移位相关运算是对接收到的扩频序列信号(即是cazac序列的循环移位序列数据)进行n点fft运算，得到该扩频序列信号的频域信号形式。通过本地基准cazac序列依次进行n点fft变换和共轭互相关运算，该共轭互相关运算结果与接收到的cazac循环移位序列的频域信号序列进行对应点相乘运算得到n点序列{ck}，并对该n点序列{ck}做ifft运算得到n点复数序列{cn}，再对该n点复数序列{cn}进行取模运算，得到最终的相关值{|cn|}和相关值最大值(即相关峰)的位置。

根据相关值最大值所在n点序列中的位置vp，确定对应的循环移位的cazac序列，解调映射为k位bit信息，然后对相关峰所对应共轭相关序列的数据值进行相位解调，得到旋转相位并解映射出p位bit信息。cazac序列的循环移位的位数k＝vp-1，该k即为解调出的多进制数据。

如图3a和图3b所示为具体的解调实例，其中，图3a所示为vp＝16，解调多进制数据为15。图3b所示为vp＝26，解调多进制数据为25。图3a和图3b示意图中的横坐标x轴表示vp值，纵坐标为相关值。

相位旋转解调运算的具体步骤为：

相位旋转解调运算在循环移位解相关运算之后，其对相关峰对应的序列数据cn求解相位θn，然后根据相位旋转映射关系解调出p，如图4a和图4b所示为解调实例。图4a中的相位为π/2，解调多进制数据为2；图4b中的相位为π/4，解调多进制数据为1。

综上所述，本发明通过使用具有零自相关和近零互相关特性的cazac序列作为扩频序列，以2k位循环移位实现对k位bit信息进行多进制扩频调制，然后对该循环移位后的cazac序列进行相位调制，相位调制采用p位bit信息映射，通过这种多进制扩频+相位调制的多维度调制方式，在不增加信号带宽和计算复杂度的情况下，能够比传统直接序列扩频系统速率提高k+p倍，比普通软扩频系统增加(k+p)/k倍。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。