异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统与方法

摘要

本发明公开了异步多子带频率及幅度联合调制数字通信系统与方法，该方式是将通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带，每个子带都进行频率和幅度的联合异步相对调制；该系统包括发送机和接收机，发送机的多个码元判决单元分别与发送运算控制单元的多个输入端连接，多个载波生成单元连接在发送运算控制单元的多个输出端与多个无线发射单元的输入端之间，频率幅度存储单元分别与多个载波生成单元的输入端以及发送运算控制单元连接，频率幅度判决单元分别与频率幅度存储单元与多个发送运算控制单元的输入端连接。本发明将直接数字频率合成技术和高精度频率估计技术通过硬件结合，充分利用各自的优点，实现高可靠性的抗多普勒频移和抗长时延的通信。

主权项

1.一种异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，其特征在于：将通信信道带宽划分成一个子带或者多个子带，划分的子带总数记为N，N为整数且N≥1；划分成多个子带时，N≥2，相邻子带频率留有保护带，保护带大小需满足公式（1）：$f_{n+1}-f_n>[\frac{1+{\alpha }_{\max }}{1-{\alpha }_{\max }}·\frac{(1+{\delta }_{n\max })(1+{\delta }_{n+1\max })}{(1-{\delta }_{n\max })(1-{\delta }_{n+1\max })}-1]f_n---\left(1\right)$n=1,...,N-1其中，α_max是信道中多普勒频移因子的最大值，由实际测量得出；δ_nmax是第n子带的最大的相对调频因子，0<δ_nmax<1；M_n1是第n子带实现的频率调制进制数，M_n1取2、4、8和16中的一个值；f_n是通信系统第n子带设定的参考载波频率，通信双方在约定好第一子带的参考载波频率f₁的大小之后，根据公式（1）算出第二子带参考载波频率f₂，第三子带参考载波频率f₃，…，第N子带参考载波频率f_N的取值；每个子带都进行频率和幅度的联合异步相对调制；对于任意一个子带的异步多子带频率及幅度联合调制数字通信方法，包括以下步骤：步骤1，在发射机端，码元判决单元在发送运算控制单元的控制下对码元数据进行M_n进制码元判决，M_n表示第n子带实现的进制数，M_n取4、8、16和32中的一个值，码元判决单元根据i=0,1,...,M_n1-1，计算得出相对调频因子δ_ni,码元判决单元根据i=0,1,...,M_n2-1，计算得出相对调幅因子ξ_ni，其中M_n1是第n子带频率调制实现的进制数，M_n1取2、4、8或16，M_n2是第n子带幅度调制实现的进制数，M_n2取2、4、8或16，M_n1、M_n2的取值需满足等式M_n=M_n1×M_n2；码元判决单元将δ_ni、ξ_ni发送给发送运算控制单元；频率幅度判决单元对频率幅度存储单元发送过来的前一码元周期的调制载波频率f_t-T、前一码元周期的调制载波幅度A_t-T分别与设定的参考载波频率f_n、参考载波幅度A_n进行比较，并将比较结果发送给发送运算控制单元；发送运算控制单元收到码元判决单元的判决结果、频率幅度判决单元的比较结果和频率幅度存储单元的输入后，分别由公式（2）和公式（3）计算当前码元的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t，发送运算控制单元将调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t运算结果发送给频率幅度存储单元进行存储，同时发送运算控制单元根据调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t控制载波生成单元工作；频率幅度存储单元将发送运算控制单元发送过来的调制载波频率f_t、调制载波幅度A_t进行存储以提供给下一码元数据调制使用；载波生成单元在发送运算控制单元的控制下生成对应频率、对应幅度的载波；无线发射单元将载波生成单元发送过来的载波进行波形放大和滤波平滑后，再用发射子模块将调制信号发射出去；所述公式（2）为：$f_t=\left\{\begin{array}{c}{f}_{t-T}+\frac{2{\delta }_{\mathrm{ni}}}{1-{\delta }_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}\le f_n\\ f_{t-T}-\frac{2{\delta }_{\mathrm{ni}}}{1+{\delta }_{\mathrm{ni}}}{f}_{t-T},\mathrm{if}{f}_{t-T}>f_n\end{array}\right.---\left(2\right)$其中，T代表一个码元周期；f_t是当前时刻t的调制载波频率；所述公式（3）为：$A_t=\left\{\begin{array}{c}{A}_{t-T}+\frac{2{\xi }_{\mathrm{ni}}\mathrm{}}{1-{\xi }_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}\le A_n\\ A_{t-T}-\frac{2{\xi }_{\mathrm{ni}}}{1+{\xi }_{\mathrm{ni}}}{A}_{t-T},\mathrm{if}{A}_{t-T}>A_n\end{array}\right.---\left(3\right)$A_n是通信系统第n子带设定的参考载波幅度；A_n的取值由通信双方事先约定；步骤2，在接收机端，无线接收单元负责接收信号并进行波形放大、A/D转换、带通滤波，然后将滤波后的数字信号发送给频率估计及幅度估计单元；同步单元根据第一子带的信号提取码元同步信息并将码元同步信息发送给各子带的频率估计及幅度估计单元以作解调使用，第一子带的信号为参考载波频率为f₁的子带；频率估计及幅度估计单元根据码元同步信息对无线接收单元发送过来的数据进行一个码元周期内的频率估计和幅度估计，然后将频率估计和幅度估计的结果分别发送给频率幅度存储单元和接收运算控制单元；频率幅度存储单元将频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果进行存储以提供给下一码元数据解调使用；接收运算控制单元接收到频率估计及幅度估计单元发送过来的频率估计和幅度估计结果和频率幅度存储单元发送过来的前一码元的频率估计和幅度估计结果之后，根据公式（4）和公式（5）进行运算分别得出接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni；码元判决输出单元在接收运算控制单元的控制下根据接收端相对调频因子γ_ni和接收端相对调幅因子β_ni进行M_n进制码元判决并将判决结果进行输出；所述公式（4）为：$\frac{|f_t^{\prime }-f_{t-T}^{\prime }|}{f_t^{\prime }+f_{t-T}^{\prime }}=\frac{|(1+\alpha )f_t-(1+\alpha )f_{t-T}|}{(1+\alpha )f_t+(1+\alpha )f_{t-T}}=\frac{|f_t-f_{t-T}|}{f_t+f_{t-T}}={\gamma }_{\mathrm{ni}}---\left(4\right)$T代表一个码元周期,f′_t代表发送方发出的调制载波频率f_t经频移信道传输后传到接收方的载波频率,f′_t-T代表发送方发出的调制载波频率f_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波频率，γ_ni代表接收端相对调频因子；α是快衰落信道的时变的多普勒频移因子,f′_t和f′_t-T分别表示为(1+α)f_t和(1+α)f_t-T；所述公式（5）为：$\frac{|A_t^{\prime }-A_{t-T}^{\prime }|}{A_t^{\prime }+A_{t-T}^{\prime }}=\frac{|\lambda A_t-\lambda A_{t-T}|}{\lambda A_t+\lambda A_{t-T}}=\frac{|A_t-A_{t-T}|}{A_t+A_{t-T}}={\beta }_{\mathrm{ni}}---\left(5\right)$A′_t代表发送方发出的调制载波幅度A_t经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，A′_t-T代表发送方发出的调制载波幅度A_t-T经频移信道传输后传到接收方的载波幅度，β_ni代表接收端相对调幅因子；λ是快衰落信道的时变的幅度衰减因子,A′_t和A′_t-T分别表示为λA_t和λA_t-T。