专利名称：频域直扩-分数域跳频混合信号的产生和接收方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信中的混合扩展频谱技术，具体涉及一种频域直接 序列-分数域跳频混合扩展频谱信号的产生、接收的方法及装置。
技术背景直接序列扩频和跳频是扩频通信系统中常见的两种通信方式。这两种基本 的扩展频谱通信系统各有优缺点，直扩系统的优点在于信号隐蔽性好、抗干扰能力强，适合宽带数字系统，缺点是远近效应严重，与窄带系统不能建立通信； 跳频系统抗多径性能好、无明显远近效应适合瞬时窄带系统，缺点是信号隐蔽 性差、抗多频干扰能力有限、快速跳频器受限。单独使用其中一种时有时难以 满足系统要求，将这两种优缺点是互补的扩展频谱技术组合起来，即构成具有 更优良性能的一种扩展频谱系统。这就是直接序列/跳频(DS/FH)扩展频谱系 统。在直接序列扩展频谱系统中发信机端，待传输的数据信号与伪随机码(扩 频码)波形相乘(或与伪随机码序列模2和)，形成的复合码对载波进行调制，然 后由天线发射出去。在收信机端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本 地伪随机码，对接收信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传 送的信号。 '跳频系统是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出 频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。伪随机跳频序列控制跳频 器，使它的输出频率在很宽的频带范围内跳变，又称跳频图案，接收端要产生 一个与发射端伪随机码同步的本地伪随机序列，用伪随机序列控制载波振荡器 对接收到的信号进行解跳。分数傅立叶变换(FRFT)是可以应用到扩展频谱的算法中，所述分数傅 立叶变换是一种广义的傅立叶变换，信号在分数阶傅立叶域上的表示，同时包 含了信号在时域和频域的信号。分数傅立叶变换的积分形式定义为<formula>formula see original document page 6</formula>其中/(o为信号的时域表达形式，/(0的^阶分数傅立叶变换为"/(")，其中u为分数域坐标，"=p;r/2。当"=々2时/(")为普通的傅立叶变换。由于 分数傅立叶变换(FRFT)是信号在一组正交的切普信号(chirp)基上的展开， 因此分数傅立叶变换在某个分数阶傅立叶域中对给定的切普信号(chirp)具有 最好的能量聚集特性。即一个切普信号(chirp)在适当的分数阶傅立叶变换域 中将表现为一个冲击函数，而对子傅立叶变换来说，由于基函数为正弦波，所 以切普信号在传统的傅立叶变换中不会产生能量聚集。其中，切普信号的表达 式为-c0) = ^ expW外+ 2;r+ "的} (0 S " 71)参数p。、 /。、 yt分别表示切普信号的相位、中心频率和频率变化率。A:与带宽^的关系为^ = ^,其中r为切普信号时域宽度。在实际通信系统中，发射端发射的信号为实函.数，取两个共轭切普信号叠加，使其成为余弦函数形式，表达式如下c(f) = (exp[/(2;r+兀fe2)] + exp[-z'(2;r /0f + ;r打2)]} / 2=cos(2;r + ;rfe2) 发明内W本发明解决了现有频域直接序列扩频与分数域跳频这两种方式存在的缺 点，提供了一种新的混合扩展频谱信号的方法及信号收发装置，即频域直扩-分数域跳频混合信号的产生和接收方法及装置。 本发明中的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生方法为信号生成的步骤信号源产生发送信号c(O，并将所述发送信号冲)通过串 /并转换获得两路二进制数字信号，所述两路二进制数字信号分别为第一路发 送信号c,(/)和第二路发送信号c^);对第一路发送信号c々)进行直接序列扩频的步骤通过与直扩序列发生器产生的直扩序列相乘获得直扩信号c',(O ，再对所述直扩信号c'々)进行二进制相 移键控(BPSK)进而获得直扩信号s,(O;对第二路发送信号^(0进行跳频的步骤跳频序列发生器产生跳频序列， 由所述跳频序列的序列值产生跳频图案，切普信号生成器根据所述跳频图案实时输出具有不同参数;t的切普信号，并与接收到的第二路发送信号wo进行混频获得分数域跳频信号&(,);混频及信号发送的步骤将上述步骤中获得的直扩信号s々)和分数域跳频 信号&(,)相加得到混和扩频发送信号W)，所述混和扩频发送信号^)经发射端 天线发射出去。本发明的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收方法为 信号接收的步骤通过接收天线接收信号并滤波后形成接收信号； 解跳步骤接收端的跳频序列发生器产生与接收信号同步的跳频序列，分 数傅立叶变换器在所述跳频序列的控制下对接收信号进行离散P阶分数傅立 叶变换得到p阶傅立叶变换信号。(")，峰值位置判决器在阶分数傅立叶域上 判断所述p阶傅立叶变换信号^(w)的波形峰值位置，进而获得解跳接收信号解扩步骤在接收信号中减去解跳接收信号^(")获得解扩信号—)，具体过程为，对在解跳步骤中获得的P阶傅立叶变换信号 (")在/7阶分数域滤去峰值部分信号，然后对信号进行离散2-2p阶分数傅立叶变换，并对变换后的信 号在2-2p阶分数域滤去峰值部分信号，之后再对信号进行离散p-2阶分数傅立叶变换，得到在时域去除解跳接收信号^")后的接收信号V(")，然后用接收 端直扩序列发生器产生与接收信号同步的直扩序列，对去除解跳接收信号^") 后的接收信号n '(")进行解扩，最后对解扩后的信号进行解调获得到解扩信号信号混合步骤将上述步骤中获得的解扩信号"tO和解跳信号^(w)通过并/串转换获得到原始发送的用户信号。在解跳步骤中，p值随跳频序列的序列值的改变而改变，当跳频序列值改变一次时，p值跳变一次，p值与发射端的H直一一对应。在解跳步骤中，峰值位置判决器判断所述p阶傅立叶变换信号^(")的波形峰值位置的具体过程为当峰值位置出现在分数域能量谱的前半段时输出1， 当峰值位置出现在分数域能量谱的后半段时输出0。本发明的基本思想、是当切普信号的l/tl取不同值时，在相应的不同分数域上 有最佳的能量聚集特性。用户在发射端将信号分成二路调制，然后在同一个频 段内传输这二路信号达到资源复用和增强隐蔽性的目的。本发明所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生装置包括信号源11、串/并转换器12、直接序列扩频器13、扩频调制器15、切普信号生成器18、 跳频序列发生器19、第一滤波器17和加法器20，信号源ll的信号输出端和 串/并转换器12的信号输入端连接，所述串/并转换器12的两个信号输出端分 别和直接序列扩频器13的信号输入端i切普信号生成器18的信号输入端连接， 所述直接序列扩频器13的信号输出端和扩频调制器15的信号输入端连接，所 述扩频调制器15的信号输出端和第一滤波器17的信号输入端连接，跳频序列 发生器19的信号输出端和切普信号生成器18的跳频信号输入端连接，所述切 普信号生成器18的信号输出端、第一滤波器17的信号输出端分别和加法器 20的两个信号输入端连接，所述加法器20的信号输出端输出待发射的输出信 号。本发明所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收装置中包括第二滤波 器32、 P阶分数傅立叶变换器33、跳频序列发生器34、第一分数傅立叶变换 域滤波器35、 2-2P阶分数傅立叶变换器36、第二分数傅立叶变换域滤波器37、 P-2阶分数傅立叶变换器38、解扩器39、扩频解调器41、第三滤波器43、峰 值判决器44和并/串转换器45，第二滤波器32的信号输出端和P阶分数傅立 叶变换器33的一个信号输入端连接，所述P阶分数傅立叶变换器33的跳频信 号输入端和跳频序列发生器34的信号输出端连接，所述P阶分数傅立叶变换 器33的信号输出端分别和峰值判决器44的信号输入端、第一分数傅立叶变换 域滤波器35的信号输入端连接，所述第一分数傅立叶变换域滤波器35的信号 输出端和2-2P阶分数傅立叶变换器36的信号输入端连接，所述2-2P阶分数 傅立叶变换器36的信号输出端和第二分数傅立叶变换域滤波器37的信号输入 端连接，所述第二分数傅立叶变换域滤波器37的信号输出端和P-2阶分数傅 立叶变换器38的信号输入端连接，所述P-2阶分数傅立叶变换器38的信号输出端和解扩器39的信号输入端连接，所述解扩器39的信号输出端和扩频解调 器41的信号输入端连接，所述扩频解调器41的信号输出端和第三滤波器43 的信号输入端连接，所述第三滤波器43的信号输出端、峰值判决器44的信号 输出端分别与并/串转换器45的两个信号输入端连接，所述并/串转换器45的 输出端输出原始信号。本发明的有益效果有一、利用不同参数W的切普信号在相应的不同阶分数域上有最佳的能量聚 集的性质，结合了直接序列和频率跳变两种扩频方法，将频域直接序列扩频与 分数域跳频这两种优、缺点互补的扩频技术结合。二、在接收端按照正确的跳 频图案进行相应阶数的分数傅立叶变换进而获得能量聚集，然后用峰值判决解 跳出正确的信号。三、采用直接扩频和分数域跳频相结合的方法实现了信道复 用，即在同一频带内用两种调制方式同时传输两路信号。四、两种扩频技术相 结合，增强了系统隐蔽性。
图1是本发明的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生和接收装置的结构 示意图；图2是进行直接扩展频谱的波形示意图，AOc(0为扩展后的波形，W) 表示信号发送端输出的扩频信号，W)=*)c0)cos[27^+^)];图3是切普信号 与直扩信号叠加的混和扩频信号在时域的波形。图4是切普信号在其对应的分 数傅立叶变换域的能量谱波形；图5是切普信号与直扩信号叠加的混和扩频信 号在其对应的分数傅立叶变换域的能量谱波形，图6是切普信号与直扩信号叠 加的混和扩频信号在频域的能量谱波形。
具体实施方式
具体实施方式
一本实施方式中的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生 方法为信号生成的步骤信号源产生发送信号力)，并将所述发送信号c(O通过串 /并转换获得两路二进制数字信号，所述两路二进制数字信号分别为第一路发 送信号q(0和第二路发送信号^W ;对第一路发送信号q(O进行直接序列扩频的步骤通过与直扩序列发生器 产生的直扩序列相乘获得直扩信号c'々)，再对所述直扩信号c'々)进行二进制相移键控(BPSK)进而获得直扩信号W^对第二路发送信号^W进行跳频的步骤跳频序列发生器产生跳频序列，由所述跳频序列的序列值产生跳频图案，切普信号生成器根据所述跳频图案实时输出具有不同参数A的切普信号，并与接收到的第二路发送信号c^)进行混 频获得分数域跳频信号A(O;混频及信号发送的步骤将上述步骤中获得的直扩信号WO和分数域跳频信号A(O相加得到混和扩频发送信号w)，所述混和扩频发送信号w)经发射端 天线发射出去。在所述对第二路发送信号A(O进行跳频的步骤中，所述切普信号生成器参数k的正负设定方法为根据第二路发送信号c々)的码元情况产生切普信号， 当所述码元为1时生成信号为参数A的切普信号，当所述码元为o时生成信号 为参数4的切普信号。本实施方式中的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收方法为 信号接收的步骤通过接收天线接收信号并滤波后形成接收信号； 解跳步骤接收端的跳频序列发生器产生与接收信号同步的跳频序列，分 数傅立叶变换器在所述跳频序列的控制下对接收信号进行离散p阶分数傅立 叶变换得到p阶傅立叶变换信号 (")，峰值位置判决器在p阶分数傅立叶域上 判断所述p阶傅立叶变换信号。(tO的波形峰值位置，进而获得解跳接收信号r2(");解扩步骤在接收信号中减去解跳接收信号^(w)获得解扩信号"tO，具体过程为，对在解跳步骤中获得的阶傅立叶变换信号。(")在p阶分数域滤去峰值部分信号，然后对信号进行离散2-2p阶分数傅立叶变换，并对变换后的信 号在2-2p阶分数域滤去峰值部分信号，之后再对信号进行离散p-2阶分数傅 立叶变换，得到在时域去除解跳接收信号,2(")后的接收信号^(")，然后用接收 端直扩序列发生器产生与接收信号同步的直扩序列，对去除解跳接收信号^") 后的接收信号V(")进行解扩，最后对解扩后的信号进行解调获得到解扩信号信号混合步骤将上述步骤中获得的解扩信号r,(")和解跳信号^tO通过并/串转换获得到原始发送的用户信号。在解跳步骤中，/7值随跳频序列的序列值的改变而改变，当跳频序列值改变一次时，^值跳变一次，^值与发射端的H直一一对应。在解跳步骤中，峰值位置判决器判断所述p阶傅立叶变换信号的波形峰值位置的具体过程为当峰值位置出现在分数域能量谱的前半段时输出1， 当峰值位置出现在分数域能量谱的后半段时输出o。本实施方式中的频域直扩与分数域跳频混合扩频信号的产生和接收方法， 在信号发送端产生信号的过程是将待发送的信号分成两路分别进行直接序列 扩频和跳频处理，然后再将获得的直接序列扩频信号和跳频信号相加后产生混 合扩频的发送信号；在接收端，提取接收信号中携带的同步信号使本地跳频序列发生器产生与接收信号同步的跳频序列，对接收信号进行解跳进而获得解跳 信号，同时，另一路解调电路先从接收信号中滤出分数域跳频信号，然后用与 接收信号保持同步的直扩序列将滤波后信号解扩，再解调获得解扩信号，最后 将获得的解跳信号和解扩信号通过并/串转换得到用户信号。本实施方式中所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生装置包括信号源11、串/并转换器12、直接序列扩频器13、扩频调制器15、切普信号生成. 器18、跳频序列发生器19、第一滤波器17和加法器20，信号源11的信号输 出端和串/并转换器12的信号输入端连接，所述串/并转换器12的两个信号输 出端分别和直接序列扩频器13的信号输入端i切普信号生成器18的信号输入 端连接，所述直接序列扩频器13的信号输出端和扩频调制器15的信号输入端 连接，所述扩频调制器15的信号输出端和第一滤波器17的信号输入端连接， 跳频序列发生器19的信号输出端和切普信号生成器18的跳频信号输入端连 接，所述切普信号生成器18的信号输出端、第一滤波器17的信号输出端分别 和加法器20的两个信号输入端连接，所述加法器20的信号输出端输出待发射 的输出信号。所述直接序列扩频器13中包含直扩序列发生器和乘法器，乘法器将直扩 序列发生器产生直扩序列和输入信号相乘获得直扩信号输出给扩频调制器 15。所述扩频调制器l5中包括载波信号发生器和乘法器，乘法器将输入信号 和载波信号发生器输出的载波信号相乘获得调制后的扩频信号给第一滤波器17。本实施方式中所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收装置中包括接 第二滤波器32、 P阶分数傅立叶变换器33、跳频序列发生器34、第一分数傅 立叶变换域滤波器35、 2-2P阶分数傅立叶变换器36、第二分数傅立叶变换域 滤波器37、 P-2阶分数傅立叶变换器38、解扩器39、扩频解调器41、第三滤 波器43、峰值判决器44和并/串转换器45，第二滤波器32的信号输出端和P 阶分数傅立叶变换器33的一个信号输入端连接，所述P阶分数傅立叶变换器 33的跳频信号输入端和跳频序列发生器34的信号输出端连接，所述P阶分数 傅立叶变换器33的信号输出端分别和峰值判决器44的信号输入端、第一分数 傅立叶变换域滤波器35的信号输入端连接，所述第一分数傅立叶变换域滤波 器35的信号输出端和2-2P阶分数傅立叶变换器36的信号输入端连接，所述 2-2P阶分数傅立叶变换器36的信号输出端和第二分数傅立叶变换域滤波器37 的信号输入端连接，所述第二分数傅立叶变换域滤波器37的信号输出端和P-2 阶分数傅立叶变换器38的信号输入端连接，所述P-2阶分数傅立叶变换器38 的信号输出端和解扩器39的信号输入端连接，所述解扩器39的信号输出端和 扩频解调器41的信号输入端连接，所述扩频解调器41的信号输出端和第三滤 波器43的信号输入端连接，所述第三滤波器43的信号输出端、峰值判决器 44的信号输出端分别与并/串转换器45的两个信号输入端连接，所述并/串转 换器45的输出端输出原始的信号。
权利要求
1、频域直扩-分数域跳频混合信号的产生方法，其特征在于它的具体过程包括信号生成的步骤信号源产生发送信号c(t)，并将所述发送信号c(t)通过串/并转换获得两路二进制数字信号，所述两路二进制数字信号分别为第一路发送信号c1(t)和第二路发送信号c2(t)；对第一路发送信号c1(t)进行直接序列扩频的步骤通过与直扩序列发生器产生的直扩序列相乘获得直扩信号c′1(t)，再对所述直扩信号c′1(t)进行二进制相移键控进而获得直扩信号s1(t)；对第二路发送信号c2(t)进行跳频的步骤跳频序列发生器产生跳频序列，由所述跳频序列的序列值产生跳频图案，切普信号生成器根据所述跳频图案实时输出具有不同参数k的切普信号，并与接收到的第二路发送信号c2(t)进行混频获得分数域跳频信号s2(t)；混频及信号发送的步骤将上述步骤中获得的直扩信号s1(t)和分数域跳频信号s2(t)相加得到混和扩频发送信号s(t)，所述混和扩频发送信号s(t)经发射端天线发射出去。
2、 根据权利要求1所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生方法， 其特征在于在所述对第二路发送信号&(,)进行跳频的步骤中，所述切普信号生 成器参数k的正负设定方法为根据第二路发送信号^(,)的码元情况产生切普 信号，当所述码元为L时生成信号为参数^的切普信号，当所述码元为O时生 成信号为参数4的切普信号。
3、 频域直扩-分数域跳频混合信号的接收方法，其特征在于它的具体过 程包括信号接收的步骤通过接收天线接收信号并滤波后形成接收信号； 解跳步骤跳频序列发生器产生与接收信号同步的跳频序列，分数傅立叶 变换器在所述跳频序列的控制下对接收信号进行离散p阶分数傅立叶变换得 到p阶傅立叶变换信号。(")，峰值位置判决器在p阶分数傅立叶域上判断所述 P阶傅立叶变换信号。(")的波形峰值位置，进而获得解跳接收信号^(");解扩步骤在接收信号中减去解跳接收信号^tO获得解扩信号"")，具体 过程为，对在解跳步骤中获得的p阶傅立叶变换信号在^阶分数域滤去峰值部分信号，然后对信号进行离散2-2p阶分数傅立叶变换，并对变换后的信 号在2-2P阶分数域滤去峰值部分信号，之后再对信号进行离散P-2阶分数傅 立叶变换，得到在时域去除解跳接收信号r2(")后的接收信号V(")，然后用接收 端直扩序列发生器产生与接收信号同步的直扩序列，对去除解跳接收信号W") 后的接收信号n'(")进行解扩，最后对解扩后的信号进行解调获得到解扩信号信号混合步骤将上述步骤中获得的解扩信号q(")和解跳信号W")通过并/串转换获得到原始发送的用户信号。
4、 根据权利要求3所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收方法， 其特征在于在解跳步骤中，^值随跳频序列的序列值的改变而改变，当跳频序 列值改变一次时，^值跳变一次，^值与发射端的M直一一对应。
5、 根据权利要求3所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的接收方法， 其特征在于在解跳步骤中，峰值位置判决器判断所述P阶傅立叶变换信号^") 的波形峰值位置的具体过程为当峰值位置出现在分数域能量谱的前半段时输 出l，当峰值位置出现在分数域能量谱的后半段时输出0。
6、 频域直扩-分数域跳频混合信号的产生装置，它包括信号源(11)，其 特征在于它还包括串/并转换器(12)、直接序列扩频器(13)、扩频调制器(15)、 切普信号生成器(18)、跳频序列发生器(19)、第一滤波器(17)和加法器(20)， 信号源(11)的信号输出端和串/并转换器(12)的信号输入端连接，所述串/ 并转换器(12)的两个信号输出端分别和直接序列扩频器(13)的信号输入端、 切普信号生成器(18)的信号输入端连接，所述直接序列扩频器(13)的信号 输出端和扩频调制器(15)的信号输入端连接，'所述扩频调制器(15)的信号 输出端和第一滤波器(17)的信号输入端连接，跳频序列发生器(19)的信号 输出端和切普信号生成器(18)的跳频信号输入端连接，所述切普信号生成器(18)的信号输出端、第一滤波器(17)的信号输出端分别和加法器(20)的 两个信号输入端连接，所述加法器(20)的信号输出端输出待发射的输出信号。
7、 根据权利要求6所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生装置， 其特征在于所述直接序列扩频器(13)中包含直扩序列发生器和乘法器，乘法 器将直扩序列发生器产生直扩序列和输入信号相乘获得直扩信号输出给扩频调制器(15)。
8、 根据权利要求6所述的频域直扩-分数域跳频混合信号的产生装置， 其特征在于所述扩频调制器(15)中包括载波信号发生器和乘法器，乘法器将 输入信号和载波信号发生器输出的载波信号相乘获得调制后的扩频信号给第 一滤波器(17)。
9、 频域直扩-分数域跳频混合信号的接收装置，其特征在于它包括第二 滤波器(32)、 P阶分数傅立叶变换器(33)、跳频序列发生器(34)、第一分 数傅立叶变换域滤波器(35)、 2-2P阶分数傅立叶变换器(36)、第二分数傅 立叶变换域滤波器(37)、 P-2阶分数傅立叶变换器(38)、解扩器(39)、扩 频解调器(41)、第三滤波器(43)、峰值判决器(44)和并/串转换器(45)， 第二滤波器(32)的信号输出端和P阶分数傅立叶变换器(33)的一个信号输 入端连接，所述P阶分数傅立叶变换器(33)的跳频信号输入端和跳频序列发 生器(34)的信号输出端连接，所述P阶分数傅立叶变换器(33)的信号输出 端分别和峰值判决器(44)的信号输入端、第一分数傅立叶变换域滤波器(35) 的信号输入端连接，所述第一分数傅立叶变换域滤波器(35)的信号输出端和 2-2P阶分数傅立叶变换器(36)的信号输入端连接，所述2-2P阶分数傅立叶 变换器(36)的信号输出端和第二分数傅立叶变换域滤波器(37)的信号输入 端连接，所述第二分数傅立叶变换域滤波器(37)的信号输出端和P-2阶分数 傅立叶变换器(38)的信号输入端连接，所述P-2阶分数傅立叶变换器(38) 的信号输出端和解扩器(39)的信号输入端连接，所述解扩器(39)的信号输 出端和扩频解调器(41)的信号输入端连接，所述扩频解调器(41)的信号输 出端和第三滤波器(43)的信号输入端连接，所述第三滤波器(43)的信号输 出端、峰值判决器(44)的信号输出端分别与并/串转换器(45)的两个信号 输入端连接，所述并/串转换器(45)的输出端输出原始的信号。
全文摘要
频域直扩-分数域跳频混合信号的产生和接收方法及装置，它解决了现有频域直接序列扩频与分数域跳频这两种方式存在的缺点。本发明的信号产生方法为由信号源获得两路二进制数字信号；对第一路发送信号进行直接序列扩频获得直扩信号；对第二路发送信号进行跳频获得分数域跳频信号；将上述两路信号相加获得混和扩频发送信号。本发明的信号接收方法为将接收信号进行解跳获得解跳信号；将接收信号先后进行p阶傅立叶变换、去峰值、离散2-2p阶分数傅立叶变换、去峰值、离散p-2阶分数傅立叶变换、解扩、解调获得到解扩信号；将上述解扩信号和解跳信号通过并/串转换获得到原始发送的用户信号。本发明将现有两种扩频技术结合到一起，增强了系统隐蔽性。
文档编号H04L27/26GK101252566SQ20081006428
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者吴少川, 张中兆, 张欣宇, 沙学军, 温容慧, 迟永钢, 高玉龙 申请人:哈尔滨工业大学