一种多载波扩频方法及其应用的通信方法和相关装置

1.本申请涉及通信领域，特别涉及一种多载波扩频方法及其应用的通信方法和相关装置。


背景技术：

2.正交频分复用技术（orthogonal frequency division multiplex, ofdm）通过串并转换将高速数据流分配到若干个相对低速的子信道中进行传输，使得信号中符号周期相对增加，从而减轻系统由于多径效应产生的时间弥散带来的干扰。扩频通信技术（spectrum spreading, ss）通过将发送的窄带信号与伪随机序列扩频后，使其带宽成倍增加，将有用信号扩展到一个很宽的频谱上，使得信号传输的带宽较信息本身带宽大很多倍，将信号频谱能量大大分散。另一方面，在这一频带内，干扰信号和噪声伴随着有用信号一起进行传输，接收机根据伪随机码进行解扩操作，将宽带信号还原成窄带信号，但是干扰信号和噪声没有经过伪随机序列扩频，所以其不能进行解扩操作，这样使得解调后的信号中含有的干扰和噪声分量大大降低，从而显著提升系统的传输性能。
3.传统多载波扩频系统的发射端，信息符号经过串并变换转化为路并行信息符号序列，然后将每个信息符号利用复制模块复制，在此基础上，每个信息符号先经过与扩频序列相乘，而后利用ifft进行ofdm调制。
4.传统多载波扩频系统的接收端，接收机内信号处理过程与发射机正好相反。接收到的信号先后经过时频同步、去掉循环前缀、串并变换和fft等操作后，将生成的每路子载波分成两路信号，其中一路进行信道估值后与另一路信号进行相关解扩频运算，再将运算后的子载波信号送入合并模块进行线性叠加运算，最后解调出原始信号。
5.但是传统多载波扩频系统其解扩模块是在频域实现的，即信号解调模块是能够获得扩频增益的，即扩频增益越大，系统的接收机灵敏度等性能指标越好。然而多载波扩频系统要能正常工作，首先系统得实现时频同步，而时频同步模块仅仅将多载波扩频系统认为是通用的ofdm系统，一般采用ofdm系统的时频同步算法进行时频同步，因此，其时频同步性能会随着信号带宽的增加而导致性能的下降。即传统多载波扩频系统并不能发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，其在复杂环境下的适应力较差。


技术实现要素：

6.本申请的目的是提供一种多载波扩频方法、一种多载波扩频的通信方法、一种多载波扩频系统、计算机可读存储介质和通信设备，通过先进行串并转换在对信号进行复制扩频，能够发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，改善系统在复杂环境下的适应能力为解决上述技术问题，本申请提供一种多载波扩频方法，具体技术方案如下：获取信号数据；将所述信号数据进行串并转换得到路并行信息符号序列；
根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制；其中，扩频因子为扩频序列的长度；将所述并行信息符号序列与所述扩频序列元素相乘，并利用点反向快速傅里叶变换进行ofdm调制，经过并串转换后得到所述信号数据扩频后的调制基带信号；其中，，所述调制基带信号用于信号发射端执行信号发射。
7.可选的，若接收到所述调制基带信号，还包括：将接收到的所述调制基带信号分别与对应的扩频序列元素相乘，得到份并行信息符号序列；将获得的份并行基带信号与对应的载波信号，相乘进行频谱搬移；将进行频谱搬移后获得的份并行基带信号进行线性叠加运算，得到所述调制基带信号解扩后的接收信号。
8.可选的，将进行频谱搬移后获得的份并行基带信号进行线性叠加运算之后，还包括：利用窄带低通滤波器滤除镜像信号和带外噪声，并进行m倍的下采样。
9.可选的，获得目标通信信号之后，包括：对所述接收信号进行时频同步、串并变换和k点快速傅里叶变换，执行ofdm解调，得到所述信号数据。
10.本申请还提供一种基于多载波扩频系统的通信方法，包括：根据信号接收灵敏度确定扩频因子；所述扩频因子与所述信号接收灵敏度呈正相关；获取最大可用带宽和所述扩频因子；根据所述最大可用带宽和所述最大扩频因子确定子信道的信道数量；对所述子信道中的信号数据执行如上所述的多载波扩频方法，得到调制基带信号并发射。
11.可选的，还包括：当所述扩频因子大于预设值时，利用快速滤波器组对解扩后的目标信号进行干扰滤除。
12.可选的，利用快速滤波器组对解扩后的目标信号进行干扰滤除包括：利用高阶原型滤波器替换快速傅里叶变换的一阶原型滤波器对解扩后的目标信号进行干扰滤除。
13.可选的，还包括：利用半带滤波器配置所述高阶原型滤波器；其中，所述半带滤波器的系数关于零时刻对称，且滤波器长度为奇数，所述半带滤波器所有大于0的偶数序号的冲激响应值均为0。
14.本申请还提供一种多载波扩频系统，包括：获取模块，用于获取信号数据；串并转换模块，用于将所述信号数据进行串并转换得到路并行信息符号序列；
扩频模块，用于根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制；其中，扩频因子为扩频序列的长度；调制模块，用于将所述并行信息符号序列与所述扩频序列元素相乘，并利用点反向快速傅里叶变换进行ofdm调制，经过并串转换后得到所述信号数据扩频后的调制基带信号；其中，，所述调制基带信号用于信号发射端执行信号发射。
15.本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。
16.本申请还提供一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。
17.本申请提供一种多载波扩频方法，包括：获取信号数据；将所述信号数据进行串并转换得到路并行信息符号序列；根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制；其中，扩频因子为扩频序列的长度；将所述并行信息符号序列与所述扩频序列元素相乘，并利用点反向快速傅里叶变换进行ofdm调制，得到所述信号数据扩频后的调制基带信号；其中，，所述调制基带信号用于信号发射端执行信号发射。
18.本申请提供的多载波扩频方法利用频域扩频对信号时域的影响，首先在时域进行解扩操作，获得扩频增益。而后将多载波扩频系统作为通用的ofdm系统，根据通用ofdm系统进行处理。综上所述，所提供的多载波扩频方法能够发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，改善多载波扩频系统在复杂环境下的适应能力。
19.本申请还提供一种多载波扩频的通信方法、一种多载波扩频系统、计算机可读存储介质和通信设备，具有上述有益效果，此处不再赘述。
附图说明
20.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1为本申请实施例所提供的一种多载波扩频方法的流程图；图2为本申请实施例所提供的多载波扩频系统发送端的结构图；图3为本申请实施例所提供的多载波扩频系统接收端的结构图；图4为本申请实施例所提供的多载波扩频系统通信性能增益分析图；图5为本申请实施例所提供的m为16时的多载波扩频系统信号频谱图；图6为本申请实施例所提供的m为16时的多载波扩频系统解扩之后的信号频谱图；图7为本申请实施例所提供的基于ffb结构设计窄带低通滤波器示意图；图8为本申请实施例所提供的经过窄带滤波之后的信号频谱图；图9为本申请实施例所提供的恢复的信号星座图；图10为本申请实施例所提供的一种多载波扩频系统结构示意图。
具体实施方式
22.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
23.请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种多载波扩频方法的流程图，下文所描述的实施例基于如图2所示的信号发射端进行描述，图2为本申请实施例所提供的多载波扩频系统发送端的结构图该方法包括：s101：获取信号数据；s102：将所述信号数据进行串并转换得到路并行信息符号序列；如图2所示，本步骤针对信号数据进行串并转换后直接输入至复制模块进行复制。需要说明的是，该复制模块在实际的信号发射端中并不必须为独立的模块，而是可以由信号处理设备所执行，即复制模块可以为信号处理设备的部分硬件，或者有信号处理设备执行复制模块所对应的程序所实现。而串并转换以及并串转换为本领域较为成熟的技术，在此不作赘述。
24.本步骤在对信号数据进行串并转换后得到并行信号符号序列，而值可以由本领域技术人员在实现串并转换时自由设定，在此不作具体限定。
25.s103：根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制；本步骤需要根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制，而扩频因子为扩频序列的长度。扩频序列由本领域技术人员自由设定。即本步骤执行后可以得到个路并行信息符号序列。
26.s104：将所述并行信息符号序列与所述扩频序列元素相乘，并利用点反向快速傅里叶变换进行ofdm调制，得到所述信号数据扩频后的调制基带信号；本步骤旨在将并行信息符号序列与扩频序列元素相乘，再进行ofdm调制，即可得到调制基带信号。
27.本申请提供的多载波扩频方法利用频域扩频对信号时域的影响，首先在时域进行解扩操作，获得扩频增益。而后将多载波扩频系统作为通用的ofdm系统，根据通用ofdm系统进行处理。综上所述，所提供的多载波扩频方法能够发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，改善多载波扩频系统在复杂环境下的适应能力。
28.为了便于理解，所产生的调制基带信号可以表示为（1）其中，（2）其中，，表示扩频序列，表示扩频序列的长度。所述调制基带信号用于信号发射端执行信号发射。
29.再令
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（3）则（4）进一步，可以得到
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(5)可以看出，是以周期为n的循环移位，因此，根据离散傅里叶变换（discrete fourier transform, dft）的线性性质和循环移位性质有
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(6)和
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(7)根据式（7）可以看出，频域扩频对应于时域的频谱搬移。结合上述分析，针对图2所示的多载波扩频系统发送端，本申请还提供了图3所示的多载波扩频系统接收端。其具体的接收过程可以如下：s201：将接收到的调制基带信号分别与对应的扩频序列元素相乘，得到份并行信息符号序列；s202：获得的份并行基带信号与对应的载波信号，相乘进行频谱搬移；s203：将进行频谱搬移后获得的份并行基带信号进行线性叠加运算，得到调制基带信号解扩后的接收信号。
30.此外，在将进行频谱搬移后获得的份并行基带信号进行线性叠加运算之后，还可以利用窄带低通滤波器滤除镜像信号和带外噪声，并进行m倍的下采样（downsampled）。
31.而获得目标通信信号之后，还可以对接收信号进行时频同步、串并变换和k点快速傅里叶变换，执行ofdm解调，从而得到最初的信号数据。
32.可以看出，利用式（7）所示性质，图3示的多载波扩频系统的接收端进行解扩操作，即先经过复制模块获得份接收信号，而后对每一路接收信号与对应的扩频序列元素相乘，而后进行相应的频谱搬移，在此基础上进行线性叠加，至此，即实现了解扩，完成了信号能量聚集，获得了扩频增益。在此基础上，利用窄带低通滤波器滤除带外噪声、镜像和干扰
的影响，使信号中的干扰和噪声分量显著下降。而后利用通用ofdm系统的时频同步、信道估计等技术实现信号解调。
33.本申请实施例首先在时域进行解扩操作，获得扩频增益。而后将多载波扩频系统作为通用的ofdm系统，根据通用ofdm系统的接收模块进行处理。综上所述，本申请提供的多载波扩频系统能够发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，改善系统在复杂环境下的适应能力。
34.图4为本申请实施例所提供的多载波扩频系统通信性能增益分析图，可以看出，随着系统扩频因子的增大，系统能够获得更大的扩频增益，明显改善系统的传输性能。
35.本申请实施例提供的多载波扩频方法利用频域扩频对信号时域的影响，首先在时域进行解扩操作，获得扩频增益。而后将多载波扩频系统作为通用的ofdm系统，根据通用ofdm系统进行处理。综上所述，所提供的多载波扩频方法能够发挥其扩频增益用于提升系统的抗干扰能力，改善多载波扩频系统在复杂环境下的适应能力。
36.在上述实施例的基础上，本申请还提供一种基于多载波扩频系统的通信方法，包括：s201：据信号接收灵敏度确定扩频因子；扩频因子与信号接收灵敏度呈正相关；s202：获取最大可用带宽和扩频因子；s203：根据最大可用带宽和最大扩频因子确定子信道的信道数量；s204：对子信道中的信号数据执行多载波扩频，得到调制基带信号并发射。
37.当扩频因子大于预设值时，利用快速滤波器组对解扩后的目标信号进行干扰滤除。具体的，可以利用高阶原型滤波器替换快速傅里叶变换的一阶原型滤波器对解扩后的目标信号进行干扰滤除。此外，还可以利用半带滤波器配置高阶原型滤波器。半带滤波器的系数关于零时刻对称，且滤波器长度为奇数，半带滤波器所有大于0的偶数序号的冲激响应值均为0。
38.假设系统获得最大可用带宽为mhz，将最大可用带宽mhz划分为个子信道，其中，。另一方面，为多载波扩频系统的最大扩频因子。表示系统总的子载波数目，表示每个子信道的子载波数目，为了进行邻道保护和带外抑制，每个子信道预留个虚拟子载波。结合上述多载波扩频体制，通过软件配置不同的扩频因子来实现宽窄融合通信，例如，当扩频因子时，即系统等效为一般的ofdm系统，即支持宽带通信，越大表示系统的扩频增益越大，系统的接收机灵敏度越优，但是对应的，系统传输的有效数据速率越低，从而实现宽窄融合通信。
39.图5给出了为16时多载波扩频系统发送端信号频谱图，图6给出了均为16时多载波扩频系统接收端经过解扩后信号频谱图，可以看出，经过解扩后目标信号能量得到了聚集，但是也会存在镜像分量的干扰，因此，需要利用窄带滤波器进行干扰滤除。
40.从图6可以看出，要实现目标信号的提取，具有良好滤波特性的窄带滤波器设计是关键。特别的，当扩频因子较大时，由于采样频率高而通道带宽窄，因此，采用传统多相滤波器设计窄带低通滤波需要很高的阶数才能实现，从而导致实现复杂度很大，需要消耗很多硬件资源。
41.针对这一问题，本申请提出采用快速滤波器组（fast filter bank, ffb）技术来
实现。ffb是fft的扩展形式，其核心思想是利用高阶原型滤波器替换fft的一阶原型滤波器，以提高fft的旁瓣衰减。与fft相比，ffb各级原型滤波器的非零系数较少，能够保持fft的低复杂度特性，并且具有级联结构形式，便于硬件实现。图7为本申请实施例所提供的基于ffb结构设计窄带低通滤波器示意图。
42.ffb的时频变换表达式为：
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(8)其中，为通道的等效滤波器系数，d为的长度，，n为ffb的通道数。由通道的各级子滤波器系数通过卷积得到，其表达式为： (9)由（9）可以看出，通道k的各级子滤波器系数由各级原型滤波器系数通过不同程度内插得到。为降低ffb的计算复杂度，通常采用半带滤波器的方式来设计原型滤波器。半带滤波器的系数关于零时刻对称，且滤波器长度为奇数，滤波器所有的大于0的偶数序号的冲激响应值均为0。通道的各级子滤波器系数和原型滤波器系数的关系为：
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（10）其中，为第级原型滤波器系数的时域有效范围。
43.图8和图9分别给出了经过窄带滤波后的目标信号频谱和恢复的信号星座图。可以看出，本申请所提供的多载波扩频通信方法能够实现信息的可靠稳定传输，且能够充分发挥系统的扩频增益，提升系统在复杂环境下的通信性能。
44.下面对本申请实施例提供的一种多载波扩频系统进行介绍，下文描述的多载波扩频系统与上文描述的多载波扩频方法可相互对应参照。
45.参见图10，图10为本申请实施例所提供的一种多载波扩频系统结构示意图，本申请还提供一种多载波扩频系统，其特征在于，包括：获取模块100，用于获取信号数据；串并转换模块200，用于将所述信号数据进行串并转换得到路并行信息符号序列；扩频模块300，用于根据扩频因子对所述并行信息符号序列复制；其中，扩频因子为扩频序列的长度；调制模块400，用于将所述并行信息符号序列与所述扩频序列元素相乘，并利用点反向快速傅里叶变换进行ofdm调制，经过并串转换后得到所述信号数据扩频后的调制基带信号；其中，，所述调制基带信号用于信号发射端执行信号发射。
46.基于上述实施例，作为优选的实施例，还包括：信号接收模块，用于将接收到的所述调制基带信号分别与对应的扩频序列元素相乘，得到份并行信息符号序列；将获得的份并行基带信号与对应的载波信号
，相乘进行频谱搬移；将进行频谱搬移后获得的份并行基带信号进行线性叠加运算，得到所述调制基带信号解扩后的接收信号。
47.基于上述实施例，作为优选的实施例，还包括：降噪模块，用于利用窄带低通滤波器滤除镜像信号和带外噪声，并进行m倍的下采样。
48.基于上述实施例，作为优选的实施例，包括：信号解调模块，用于对所述接收信号进行时频同步、串并变换和k点快速傅里叶变换，执行ofdm解调，得到所述信号数据。
49.本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（read
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only memory ，rom）、随机存取存储器（random access memory ，ram）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
50.本申请还提供了一种通信设备，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述通信设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
51.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的系统而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
52.本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
53.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。