一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调方法及系统与流程

本发明一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调方法及系统，属于无线通信技术领域，涉及信息码高效传输和解调的方法，具体内容为帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决方法，以保证传输系统实现更低的误码率，提高通信的可靠性。

背景技术：

在数字时分多路通信系统中，为了能正确分离各路时隙信号，在发送端必须提供每帧的起始标记，在接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步。帧同步有起止式同步法和插入特殊同步码组法两种。但是现有的这些帧同步方法造成了帧结构的冗余，信道资源的利用率不高，传信率低。

将帧同步码序列隐含信息码进行调制的方案提升了传信率和信道利用率，但是针对帧同步码序列隐含信息码的特殊调制方案，传统的解调方案在判决时以0为固定门限的判决没有充分利用已知的帧同步码信息，造成了解调性能损失，导致误码性能差。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，本发明提出一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调方法及系统。帧同步码隐含于信息码中传输的方法，提高信道资源的利用率；在解调中充分利用帧同步码的信息对判决门限进行动态调整，解决了固定门限下判决时误码率性能差的问题。

本发明解决的技术方案为：一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调方法，如图6所示，步骤如下：

(1)对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络；(每一个低通包络对应一个信息比特，由于信息码是连续的，每一个信息比特对应的低通包络也是连续的)

(2)将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头；

(3)对步骤(2)得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找到相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步；

(4)根据本地已知的同步头m序列，动态调整(即动态确定)信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对步骤(1)信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点(最佳采样点位于该信息比特对应的低通包络的最中间的采样点)大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0；

(5)根据步骤(4)的判决，得到信息码的所有信息比特，即得到并行的信息码；对并行的信息码，进行并串转换，得到原始的信息码，完成解调。

步骤(1)对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络，具体如下：

利用同相正交环法(即科斯塔斯环，Coastas)实现载波恢复，将载波分成两路，一路相移π/2另一路不变，得到正交的两路载波。将两路正交载波与经过带通滤波后的调制信号相乘，之后进行低通滤波，得到隐含帧同步码的信息码的低通包络。

步骤(2)将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头，具体如下：

将步骤(1)得到的低通包络取其模值后，减去信息比特进行QPSK调制时的幅度值，然后经过并串转换，得到了仅包含帧同步码m’的包络；

步骤(3)对步骤(2)得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找出相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步，具体如下：

将仅包含帧同步码m’的包络以一个采样点为最小颗粒度进行滑动，然后与本地的m序列进行相关累加，找到最大值，即完成了同步码的捕获，实现了帧同步，并完成了位定时。

步骤(4)根据本地已知的同步头m序列，动态调整(即动态确定)信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对步骤(1)信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0，具体如下：

在完成帧同步和位定时后，即可获取步骤(1)低通包络中信息码隐含的同步码的信息，同时也能找到低通包络的最佳采样点。对低通包络进行抽取，找到最佳采样点，然后进行判决。判决的门限根据当前信息码隐含的同步码进行动态确定。当本地m序列为1时，为一个门限；为0时则是另一门限。根据动态确定的门限，对最佳采样点进行判决。

一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调系统，包括：低通包络确定模块、同步头确定模块、帧同步模块、判决模块、原始信息码确定模块；

低通包络确定模块，对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络；(每一个低通包络对应一个信息比特，由于信息码是连续的，每一个信息比特对应的低通包络也是连续的)

同步头确定模块，将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头；

帧同步模块，对同步头确定模块得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找到相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步；

判决模块，根据本地已知的同步头m序列，动态调整信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对低通包络确定模块得到的信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0；

原始信息码确定模块，根据判决模块的判决结果，得到信息码的所有信息比特，即得到并行的信息码；对并行的信息码，进行并串转换，得到原始的信息码，完成解调。

低通包络确定模块中对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络，具体如下：

利用同相正交环法(即科斯塔斯环，Coastas)实现载波恢复，即将载波分成两路，一路相移π/2，另一路相位不变，得到正交的两路载波，将两路正交载波与经过带通滤波后的调制信号即经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码相乘，之后进行低通滤波，经过QPSK调制，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络。

同步头确定模块中将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头，具体如下：

将低通包络确定模块得到的低通包络取其模值后，减去信息比特进行QPSK调制时的幅度值，然后经过并串转换，得到了仅包含帧同步码m’的包络。

帧同步模块对同步头确定模块得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找出相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步，具体如下：

将仅包含帧同步码m’的包络以一个采样点为最小颗粒度进行滑动，然后与本地的m序列进行相关累加，找到最大值，即完成了同步码的捕获，实现了帧同步，并完成了位定时。

判决模块根据本地已知的同步头m序列，动态调整信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对低通包络确定模块得到的信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0，具体如下：

在完成帧同步和位定时后，即能够获取低通包络确定模块中低通包络中信息码隐含的同步码的信息，同时也能找到低通包络的最佳采样点。对低通包络进行抽取，找到最佳采样点，然后进行判决。判决的门限根据当前信息码隐含的同步码进行动态确定，当本地m序列为1时，为一个门限；本地m序列为0时则是另一门限，根据动态确定的门限，对最佳采样点进行判决。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)由于数据辅助的特殊同步码序列或者是循环前缀序列的同步方法浪费频谱资源的问题，本发明针对一种帧同步码隐含于信息码中进行QPSK调制传输的方法提出一种动态门限判决方法。

(2)与已有的通信系统相比，帧同步码隐含于信息码中进行QPSK调制传输释放了帧同步码序列所占用的信道资源，提高了信道利用率。

(3)本发明提出的动态门限判决方法具有接近理论的误码率性能，扩展了帧同步码隐含于信息码中调制的应用市场，有效提升了调制方案的实用性。

(4)本发明在解调判决时，充分利用帧同步码的信息，结合帧同步码动态调整判决门限，改善了以0为固定门限带来的性能损失。

(5)本发明提出的动态判决门限具有实施简单的特点，在提升误码率性能的同时而不增加额外的计算开销。

(6)本发明涉及信息码高效传输和解调的方法，具体内容为帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决方法，以保证传输系统实现更低的误码率，提高通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明帧同步码隐含于信息码的QPSK调制示意图；

图2为本发明帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的星座图示意图；

图3为本发明帧同步码隐含于信息码的QPSK解调示意图；

图4为本发明帧同步码隐含于信息码的QPSK解调的动态门限判决示意图；

图5为本发明帧同步码隐含于信息码的QPSK动态门限判决的误码率性能示意图；

图6为本发明的解调流程图。

具体实施方式

下面为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。

本发明一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调方法，用于实现帧同步码和信息码两级QPSK调制方案的解调，帧同步码隐含于信息码的QPSK调制，发射端进行信号调制时，可以看作分为两个步骤。第一步是信息序列确定特定象限，第二步是同步序列控制每个象限中的特定位置。即由同步序列控制的I和Q信号，增加或减去幅度偏移。

如图1所示，优选方案为：设信息码序列为{b0,b1,b2,…,bN-1}，帧同步码序列为{m0,m1,…,mN-1}，其中，N为数据帧长度且为偶数，bi,mi∈{0,1}，采用双极性码，bi′＝2bi-1,mi′＝2mi-1∈{-1,1}；i＝0,1,…,N-1。信息码bi′与帧同步码mi′分别经过串并转换后分为同相I路、正交Q路两路的信息码和帧同步码，I路的信息码为b2′k，帧同步码为m2′k；Q路信息码为b2′k+1，帧同步码为m2′k+1；其中k＝0,1,…,N/2-1。将I路和Q路的信息码幅度a，帧同步码乘上幅度偏移d，然后将I路的乘上幅度后的信息码与乘上幅度偏移后的帧同步码相加，将Q路的乘上幅度后的信息码与乘上幅度偏移后的帧同步码相加，得到了I和Q路的分量，第k个QPSK调制符号的I和Q路分量分别为sI(k)＝a×b2′k+m2′k×d，sQ(k)＝a×b2′k+1+m2′k+1×d，其中k＝0,1,…,N/2-1；然后将I和Q路的分量分别乘上同频正交的两路载波后再相加，即得到了调制信号S(k)。

经过以上步骤完成的帧同步码隐含于信息码的QPSK调制信号的星座图如图2所示。I路和Q路的信息码决定了某一星座点位于哪一个象限，而I路和Q路的帧同步码则确定了该星座是在E0，E1，E2或E3中的哪个个位置。假设发射端发送的某一信号在星座图的映射在第一象限，采用传统QPSK调制的信号将会位于星座图的虚线圈处，而基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的信号则会有规律的出现在E0、E1、E2或E3四个不同的坐标上，其中E0、E1、E2和E3关于虚线圈中心对称，每个象限的坐标相当于其他象限通过平移得到。a1、a2表示I路或Q路信号发生偏移后的坐标，传统QPSK的星座点参数a＝(a1+a2)/2，幅度偏移量d＝(a2-a1)/2。

将帧同步码隐含于信息码的调制方式在卫星通信中，提升了宝贵的卫星信道的利用率和传信率。而针对该特殊调试方式，本发明在解调中充分利用了信息码中隐含的帧同步码的信息，动态地调整判决门限，解决了传统QPSK解调以0为判决门限带来的误码性能差的问题，取得了接近理论误码率曲线的性能。扩展了帧同步码隐含于信息码中调制的应用市场，有效提升了调制方案的实用性。

具体的动态门限判决解调的优选方案如下：

(1)利用同相正交环法(即科斯塔斯环，Coastas)实现载波恢复，将载波分成两路，一路相移π/2另一路不变，得到正交的两路载波。将两路正交载波与经过带通滤波后的调制信号相乘，之后进行低通滤波，得到隐含帧同步码的信息码的低通包络。

(2)如图3所示，将步骤(1)得到的低通包络取其模值后，减去信息比特进行调制时的幅度值a，然后经过并串转换，得到了仅包含帧同步码m’的包络，实现帧同步码的剥离；

(3)对步骤(2)得到将仅包含帧同步码m’的包络以一个采样点为最小颗粒度进行滑动，然后与本地的m序列进行相关累加，找到最大值，即完成了同步码的捕获，实现了帧同步，并完成了位定时。

(4)在完成帧同步和位定时后，即可获取步骤(1)低通包络中每个信息码隐含的同步码的信息，同时也确定了低通包络的最佳采样点。对低通包络进行抽取，找到最佳采样点，然后进行判决。判决的门限根据当前信息码隐含的同步码进行动态确定。当本地m序列为1时，为一个门限；为0时则是另一门限。对于动态门限的选取，本发明给出了门限确定的优选方案，如下：

假设接收的I路信号中的m＝1，则对应的符号位于图2各个象限的E1或E2。发送端的I路发送比特-1和1，在接收端表示为星座图上的I路坐标为-a1+nI(k)和a2+nI(k)。因此，当I路信号中的m＝1时，I路传输的总误比特率可优选表示为：

其中nI(k)为第k个接收符号叠加的高斯白噪声，均服从均值为0、方差为σ²/2的正态分布。要使最小，对求导并令可得：

求解可得Vd＝(a2-a1)/2＝d。同理最小时，动态门限最优值Vd＝d。

当m＝-1时，对应图2各个象限的E0和E3，其对应的接收信号在I路的坐标为-a2+nI(k)和a1+nI(k)，对这两点的坐标进行判决，其误码率可表示为：

由可求得Vd＝-(a2-a1)/2＝-d。同理最小时，动态门限最优值Vd＝-d。

从图2的星座图中可以看到I路信号和Q路信号的坐标是对称的，所以Q路的分析也如I路一样，分m＝1和m＝-1两种情况讨论，结果相同。因此可以发现动态门限的最优值与m有关，其最优值Vd＝md。

当动态门限Vd＝md时，此时的解调的误码性能为：

(5)如图4所示，根据本地已知的帧同步码序列，动态调整(即动态确定)信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对步骤(1)中I路和Q路低通包络分别进行判决。若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0；然后对并行的信息码，进行并串转换，得到原始的信息码，完成解调，恢复出原始的信息比特流bk。

在实施例中，为了验证本发明所提方法的可行性，对所设计的调制解调系统进行了性能仿真。仿真中，为重复实验，是100,000次独立实验的结果。

图5中对优选的数据长度N＝512的调制解调系统，所选取的帧同步码为长度为511的m序列在连续8个0处补1后的新序列。在不同SNR下的误比特性能进行了仿真。

本发明的一种基于帧同步码隐含于信息码的QPSK调制的动态门限判决的解调系统，包括：低通包络确定模块、同步头确定模块、帧同步模块、判决模块、原始信息码确定模块；

低通包络确定模块，对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络；(每一个低通包络对应一个信息比特，由于信息码是连续的，每一个信息比特对应的低通包络也是连续的)

同步头确定模块，将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头；

帧同步模块，对同步头确定模块得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找到相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步；

判决模块，根据本地已知的同步头m序列，动态调整信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对低通包络确定模块得到的信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0；

原始信息码确定模块，根据判决模块的判决结果，得到信息码的所有信息比特，即得到并行的信息码；对并行的信息码，进行并串转换，得到原始的信息码，完成解调。

低通包络确定模块中对经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码，乘上两路正交载波，再进行低通滤波，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络，具体如下：

利用同相正交环法(即科斯塔斯环，Coastas)实现载波恢复，即将载波分成两路，一路相移π/2，另一路相位不变，得到正交的两路载波，将两路正交载波与经过带通滤波后的调制信号即经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码相乘，之后进行低通滤波，经过QPSK调制，得到经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码的低通包络。

同步头确定模块中将经过QPSK调制的隐含帧同步码的信息码中的帧同步码进行剥离，得到帧同步码m’，即同步头，具体如下：

将低通包络确定模块得到的低通包络取其模值后，减去信息比特进行QPSK调制时的幅度值，然后经过并串转换，得到了仅包含帧同步码m’的包络。

帧同步模块对同步头确定模块得到的帧同步码m’和本地已知的同步头m序列进行滑动相关累加后，找出相关峰，完成对同步码m’的捕获，实现了帧同步，具体如下：

将仅包含帧同步码m’的包络以一个采样点为最小颗粒度进行滑动，然后与本地的m序列进行相关累加，找到最大值，即完成了同步码的捕获，实现了帧同步，并完成了位定时。

判决模块根据本地已知的同步头m序列，动态调整信息码中的每个信息比特对应的低通包络的判决门限，根据判决门限，对低通包络确定模块得到的信息码中的所有信息比特对应的低通包络依次进行判决；若某一信息比特对应的低通包络的最佳采样点大于判断门限，则将该信息比特判决为1；否则，判决为0，具体如下：

在完成帧同步和位定时后，即能够获取低通包络确定模块中低通包络中信息码隐含的同步码的信息，同时也能找到低通包络的最佳采样点。对低通包络进行抽取，找到最佳采样点，然后进行判决。判决的门限根据当前信息码隐含的同步码进行动态确定，当本地m序列为1时，为一个门限；本地m序列为0时则是另一门限，根据动态确定的门限，对最佳采样点进行判决。

对比了帧同步码隐含于信息码的QPSK使用传统的以0为固定门限判决、本发明提出的动态门限判决与理论相干解调的误比特性能。当SNR为5dB时，采用本发明的动态门限判决的BER降到了10^-2以下；当BER为10^-5时，采用本发明的动态门限判决与传统QPSK的相干解调SNR相差很小，不足1dB。与以0为固定判决门限的帧同步码隐含于信息码的QPSK相比，动态门限判决的误比特性能极大提高；与传统QPSK相比，动态门限判决具备非常接近相干解调的理论误比特性能，且释放了帧同步码所占用的资源，提高了信道资源的利用率。

本发明解决了数据辅助的特殊同步码序列或者是循环前缀序列的同步方法浪费频谱资源的问题，本发明针对一种帧同步码隐含于信息码中进行QPSK调制传输的方法提出一种动态门限判决方法。帧同步码隐含于信息码中进行QPSK调制传输释放了帧同步码序列所占用的信道资源，提高了信道利用率。本发明提出的动态门限判决方法具有接近理论的误码率性能，扩展了帧同步码隐含于信息码中调制的应用市场，有效提升了调制方案的实用性。本发明在解调判决时，充分利用帧同步码的信息，结合帧同步码动态调整判决门限，改善了以0为固定门限带来的性能损失。本发明提出的动态判决门限具有实施简单的特点，在提升误码率性能的同时而不增加额外的计算开销。