产生直扩MSK信号的方法及转换滤波器设计方法技术

本发明专利技术提供一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，包括：建立转换滤波器切比雪夫逼近的凸优化模型；确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若优化出的功率谱密度函数满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。本发明专利技术提供的转换滤波器设计方法具有更小的滤波器阶数，转换滤波器硬件实现占用资源更少。

【技术实现步骤摘要】
产生直扩MSK信号的方法及转换滤波器设计方法
本专利技术涉及数字通信
，特别是一种涉及扩频通信系统中的全数字调制器设计，及一种产生直扩MSK信号装置。
技术介绍
直扩MSK信号具有扩频系统的低截获性、多用户随机选址能力、抗干扰性能强等优点和最小频移键控(MinimumShiftKeying，MSK)信号的包络恒定、频谱利用率高、能量集中、旁瓣衰减快、带外辐射功率低、对非线性失真不敏感等优点，在战术数据链、民用航空地空数据链、导弹制导指令传输、卫星通信等领域得到了广泛应用。直扩MSK信号通常采用正交并行双通道结构产生，比如文献《ChipTimingRecoveryinDigitalModemsforContinuous-PhaseCDMARadioCommunications》(FilippoGiannetti,MarcoLuiseandRuggeroReggiannini.ChipTimingRecoveryinDigitalModemsforContinuous-PhaseCDMARadioCommunications[J].IEEETransactionsOnCommunications,VOL.43,NO2/3/4,February/March/April1995:762～766.)就是用并行方式产生直扩MSK调制信号的，扩频后的信号经过串并变换分成两路信号，再分别进行基带成型和正交调制，两路正交调制信号再合并成一路输出，得到最终发送的直扩MSK调制信号。在并行产生过程中，I、Q两通道需保持严格的时间同步、幅度平衡及相位正交，I、Q通道的不平衡会对扩频通信系统的性能产生严重的影响，特别是在高数据速率应用场合，更难保证通信系统的误码率不受影响；另一方面，双通道正交调制产生直扩MSK信号，具有更大的硬件复杂度。所以，在高速率直扩系统中，采用并行方式产生直扩MSK信号是较难实现的。C.R.Ryan、A.R.Hambley等提出了MSK信号的一种串行产生方法，将BPSK调制信号通过转换滤波器后，可以产生MSK调制信号，并在微波频段设计出模拟转换滤波器，实现了760Mbps传输速率的MSK调制解调器，但是，这种方式并不适合现代数字通信系统。在现代数字通信系统中，收发信机都是采用全数字调制/解调技术，以适应多速率、多业务、设备高度集成化的需求，如何在数字域设计、实现转换滤波器，成为直扩MSK信号串行产生方法应用于现代数字通信系统的关键技术。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供一种新的、适用于全数字调制/解调结构的直扩MSK信号产生装置，该装置无需保持两通道严格的时间同步、幅度平衡及相位正交，系统的性能也得到很好的保持，避免了常规直扩MSK信号产生实现复杂、占用硬件资源多、不适合高速数据传输要求等缺陷。本专利技术还提供一种产生直扩MSK信号的转换滤波器的设计方法，使经过BPSK调制后的扩频信号转换为直扩MSK信号。一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，该转换滤波器的输入信号为经载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号，滤波器冲激响应函数为以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用凸优化算法设计转换滤波器，包括：建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。一种基于上述转换滤波器产生直扩MSK信号的装置，该装置采用串行单通道架构产生直扩MSK信号，包括：对原始信号进行扩频处理的扩频器，对扩频后的信号进行BPSK调制的BPSK调制器，对调制后的信号进行转换得到离散域信号的转换滤波器，及对离散域信号进行数模转换产生连续的直扩MSK信号的D/A转换器。本专利技术与现有技术相比，具有显著优点：(1)避免了并行产生方法中双通道的严格平衡要求；(2)串行产生法使用单通道，硬件实现简单；(3)凸优化算法优化出的滤波器阶数更小，转换滤波器硬件实现占用资源更少；(4)接收机端对直扩MSK信号匹配接收后，可以得到直扩BPSK信号，其后的码捕获、跟踪、载波同步、相干解调等信号处理可以运用现有成熟的算法，降低全数字接收机的开发难度和代价。下面结合说明书附图对本专利技术做进一步描述。附图说明图1是本专利技术转换滤波器的设计流程图；图2是本专利技术符合转换滤波器设计要求的滤波器频率响应图；图3是本专利技术产生直扩MSK信号的装置的原理框图。具体实施方式本专利技术设计的转换滤波器所使用的输入信号来自载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号x(t)，x(t)由原始信号d(t)与伪随机序列c(t)进行扩频处理得到，其中伪随机序列选用的是gold码。本专利技术采用的方法是将直扩BPSK信号通过转换滤波器，来生成直扩MSK信号。根据MSK信号的特性，其中心频率满足条件：所以，这里设定其中，f0为载波频率，Tc为扩频码周期。从而得到转换滤波器的冲激响应为传输函数为对于上述特性的转换滤波器通常用FIR滤波器实现，可以用凸优化算法来设计逼近D(f)的FIR滤波器系数。结合图1，以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用凸优化算法设计转换滤波器，使所设计的FIR滤波器的幅频特性与原滤波器的幅频特性误差最小。设计过程包括：建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；确定合适的频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。为了优化出阶数更小FIR滤波器，将滤波器设计问题转化为如下的凸优化问题，所述转换滤波器的凸优化模型其中，sup为下确界；D(ω)为给定的频率响应函数，R(ω)为需要优化的功率谱密度函数，ω为瞬时角频率；所述D(ω)根据转换滤波器的传输函数确定，其中f为直扩MSK信号的瞬时频率，fs为采样频率，f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期；所述为滤波器脉冲响应系数h(n)的自相关系数，H(ω)为所设计的滤波器的频率响应，M为滤波器阶数。利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计，包括：将频率ω＝[0,π]进行采样，得到一组频率值0≤ω1≤ω2≤...≤ωN≤π，N为采样点数，采样点数取N＝15M。凸优化求解出R(ω)后，需要考量优化出的滤波器特性是否满足设计要求。设均方误差值ε若均方误差满足条件ε≤10-35，则R(ω)满足设计要求；否则重新选取滤波器阶数M，重新进行凸优化设计，直至均方误差满足条件为止。本方案中，当M≥41时，能满足设计误差要求，取滤波器阶数为41。对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数，包括：步骤1，设R(z)的最小相位谱因子z＝ejω，a(z)为实部，为虚部，表示虚数单位，e为自然底数，则步骤2，公式(1)取实部得步骤3，ak由公式(2)通过的傅里叶系数求得，根据公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，该转换滤波器的输入信号为经载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号，转换滤波器冲激响应函数为h(t)=sin(2πf2t);0<t<Tc0;others,]]>其中f2=f0-14Tc,]]>f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期，其特征在于，以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用切比雪夫逼近的凸优化算法设计转换滤波器，包括：建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；确定频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。

【技术特征摘要】
1.一种产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，该转换滤波器的输入信号为经载波频率为f1的BPSK调制器调制的扩频信号，转换滤波器冲激响应函数为其中f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期，其特征在于，以转换滤波器功率谱密度函数为优化对象，利用切比雪夫逼近的凸优化算法设计转换滤波器，包括：建立转换滤波器的切比雪夫逼近的凸优化模型；确定频率采样点数，利用频率采样对转换滤波器模型的半无界条件进行估计；解切比雪夫逼近的凸优化模型，求解出功率谱密度函数；选择滤波器阶数，计算转换滤波器功率谱密度值，并根据均方误差值判断功率谱密度值是否满足设计要求；若功率谱密度值满足设计要求，对功率谱密度值采用谱因子分解法求得转换滤波器的系数。2.根据权利要求1所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，转换滤波器设计的凸优化模型其中，sup为下确界；D(ω)为给定的频率响应函数，R(ω)为待优化的功率谱密度函数，ω为瞬时角频率；所述D(ω)根据转换滤波器的传输函数确定，其中f为直扩MSK信号的瞬时频率，fs为采样频率，f0为直扩MSK信号的载波频率，Tc为扩频码周期；所述为滤波器脉冲响应系数h(n)的自相关系数，H(ω)为所设计的滤波器的频率响应，M为滤波器阶数。3.根据权利要求2所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，利用频率采样对转化滤波器模型的半无界条件进行估计，包括：将角频率ω＝[0,π]进行采样，得到一组频率值0≤ω1≤ω2≤...≤ωN≤π，N为采样点数。4.根据权利要求3所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，采样点数N＝15M。5.根据权利要求3所述的产生直扩MSK信号的转换滤波器设计方法，其特征在于，设均方误差值ε

【专利技术属性】
技术研发人员：朱唯唯，刘杰，张舒，谢仁宏，芮义斌，李鹏，郭山红，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32