一种高速PPM调制解调方法及装置与流程

本发明涉及通信，具体涉及一种高速ppm调制解调方法、装置和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、在通信领域中，调制技术和解调技术最为关键，直接影响到通信系统的可靠性和高效性。

2、ppm（pulsepositionmodulation），即脉冲位置调制，是一种脉冲位置根据已调信号的变化而变化的调制技术。该技术具有编码简单、功率利用率高、频带利用率高等优点，广泛应用于水下通信、室内无线通信、光通信、超宽带移动通信等领域。ppm调制是将发射端待调制信号在对应的时隙位置上输出高脉冲，其他位置不输出脉冲；ppm解调是ppm调制的逆过程，即将接收端待解调信号根据脉冲位置还原为调制前信息。

3、ppm调制方法应依据通信系统特性和信道特性设计，以期最大程度减少系统和信道引入的不利因素，便于解调还原。由于通信系统发射端和接收端不同源的特性，ppm解调则需要常关键的时钟同步技术，如果时钟同步有误，会导致接收端解调后信息严重有误。

4、高速通信系统中，信道噪声、外界干扰、突发因素、硬件局限等不利因素对ppm信号的影响严重，会使得待解调信号发生失真、变形、噪底起伏不定等不确定因素，导致ppm时钟同步和ppm解调变得难上加难，可靠的高速ppm调制解调技术有待突破。图1所示为经过信道传输后的高速ppm信号示意图，特性为信号幅度起伏大，噪底起伏大，噪底甚至高于部分信号，导致难以寻找信号与噪声的统一分界，常在环境噪声大或者是硬件设备突然改变状态时的过渡期发生，这种信噪比大幅波动的现象在高速通信时不可避免，但传统的解调方法对其难解调，甚至导致大量数据因未能解调成功而丢失。

5、现有技术中，多引入阈值或电平判别编码逻辑位的时钟同步方法，该方法在低速通信中尚且可靠，但在高速通信中常因阈值引入不当而造成逻辑位误判。申请号为200919217164.9专利文献中提到利用电平跳变沿判定编码逻辑位，电平选取不当易造成误判，无法适用于图1所示信号与噪声难以分界的情况；申请号为202110205676.4的专利文献中提到利用信噪比监测和自适应阈值法完成编码逻辑位的判断，但信噪比监测实时性会影响自适应阈值实时性，其次阈值预测区间选择相对复杂，可能因阈值选取不当而造成的解调误码。

技术实现思路

1、技术目的：针对现有ppm信号解调方式对于信号幅度起伏大，噪底起伏大，无法进行准确可靠解调的不足，本发明公开了一种能够提高ppm解调的容错率和抗干扰能力，适用于信号和噪声无明显分界，信噪比低等恶劣情况的高速ppm调制解调方法及装置。

2、技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种高速ppm调制解调方法，包括步骤：

4、s01、对待调制信号添加纠错码；

5、s02、对信号插入帧头，用于解调端时钟同步；所述帧头的内容区别于ppm调制格式，

6、s03、在帧头后插入静默时隙；

7、s04、产生ppm调制信号，传输至接收端进行解调

8、优选地，本发明在步骤s02中，所述帧头采用n个固定间隔为m1个时隙的高脉冲，m1≠l，l表示ppm调制信号的时隙数。

9、优选地，本发明的ppm调制信号的每个时隙包含ns个采样周期，ns≥3。

10、优选地，本发明在步骤s04中，对信号的解调过程包括：

11、s041、对待解调l-ppm信号进行预处理，预处理包括滤波和波形整形；

12、s042、对预处理后的信号进行时隙初映射，标定每个时隙最大值位置，当最大值处于时隙起点或者终点位置时，进行滚动处理，重新调整数据与时隙的映射，直至最大值不处于时隙端点位置；

13、s043、基于脉冲间隔进行帧头匹配；

14、s044、帧头匹配成功的数据，使用最大值映射法进行解调；

15、s045、对ppm信号进行纠错码解码，纠正信号误码。

16、优选地，本发明在步骤s041中，预处理使用滑窗滤波进行信号处理，对ppm调制信号进行ns点滑窗累加，ns表示一个时隙所包含的采样周期数。

17、优选地，本发明在步骤s042中，进行滚动处理的过程包括：产生时隙计数器，计数周期为m1×ns，对每个m1×ns点均标定最大值位置，当最大值位于时隙计数器的0或者m1×ns-1时，信号最大值处于时隙端点位置时，将待解调数据整体向后移动一个时隙，即ns点，然后重新进行映射，在最大值不处于时隙端点位置时，进入步骤s043进行帧头匹配。

18、优选地，本发明在步骤s043中进行帧头匹配过程包括：根据步骤s042最终时隙映射结果，计算相邻最大值间隔，间隔与设定的帧头间隔处于误差范围内，帧头匹配成功，帧头数加一，否则帧头匹配数不变；将最终的帧头匹配数与设定的帧头目标数进行比较，大于或者等于帧头目标数，帧头匹配成功，进行数据解调；帧头匹配数小于帧头目标数，说明当前信号是噪声，则重新进行帧头匹配来捕捉信号，重新进行帧头匹配。

19、本发明还公开一种高速ppm调制解调装置，包括调制模块和解调模块，所述调制模块按照上述ppm调制方法进行数字信号的调制，所述解调模块按照上述ppm解调方法进行信号解调。

20、有益效果：本发明所提供的高速ppm调制解调方法及装置具有如下有益效果：

21、1、本发明的调制端根据系统特性、信道特性和解调端特性，插入自相关特性良好帧头和静默时隙，与数据内容区分度高，使得ppm调制信号抗信道干扰能力更强，更利于解调端处理，实现简单。

22、2、本发明对于调制信号每个时隙包括大于等于三个采样周期，给ppm解调时的时隙映射留有误判区间，提高了ppm解调的容错率和抗干扰能力，能有效抵抗ppm信号经过信道传输发生变形、凹口等问题。

23、3、本发明对于待解调信号使用滑窗累加的方式进行预处理，可以提高信噪比，削弱高强度窄脉冲干扰，同时可以优化失真波形。

24、4、本发明在进行帧头匹配前先进行时隙初映射，对于最大值处于时隙端点位置的情形，使用滚动处理的方式将信号整体后移，规避极限位置引入的风险，大幅度提高ppm调制解调误码的风险，尤其对于信噪比极低的信号具有重要的意义。

25、5、本发明使用脉冲间隔和极限滚动处理的方式进行时钟同步，摒弃引入阈值判别编码逻辑位的思想，可避免因编码逻辑位判别失误造成的解调错误，尤其适用于信号和噪声无明显分界，信噪比低等恶劣情况，同时具有实现简单、无复杂运算的优点。由于极限滚动方法的引入，将极限条件滚动至利于算法判定的位置，使得该调制解调方法鲁棒性高。

26、6、本发明使用最大值位置映射解调法，在数据段不使用阈值，可避免因阈值选取不当而造成的解调误码；不受码间串扰和波形展宽的影响，不需要ppm信号设计保护间隔，因此通信速率更高；不受信号寄生干扰影响，可以解调高于噪声的微弱信号。

技术特征：

1.一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，在步骤s02中，所述帧头采用n个固定间隔为m1个时隙的高脉冲，m1≠l，l表示ppm调制信号的时隙数。

3.根据权利要求2所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，ppm调制信号的每个时隙包含ns个采样周期，ns≥3。

4.根据权利要求1所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，在步骤s04中，对信号的解调过程包括：

5.根据权利要求4所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，在步骤s041中，预处理使用滑窗滤波进行信号处理，对ppm调制信号进行ns点滑窗累加，ns表示一个时隙所包含的采样周期数。

6.根据权利要求4所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，在步骤s042中，进行滚动处理的过程包括：产生时隙计数器，计数周期为m1×ns，对每个m1×ns点均标定最大值位置，当最大值位于时隙计数器的0或者m1×ns-1时，信号最大值处于时隙端点位置时，将待解调数据整体向后移动一个时隙，即ns点，然后重新进行映射，在最大值不处于时隙端点位置时，进入步骤s043进行帧头匹配。

7.根据权利要求4所述的一种高速ppm调制解调方法，其特征在于，在步骤s043中进行帧头匹配过程包括：根据步骤s042最终时隙映射结果，计算相邻最大值间隔，间隔与设定的帧头间隔处于误差范围内，帧头匹配成功，帧头数加一，否则帧头匹配数不变；将最终的帧头匹配数与设定的帧头目标数进行比较，大于或者等于帧头目标数，帧头匹配成功，进行数据解调；帧头匹配数小于帧头目标数，重新进行帧头匹配。

8.一种高速ppm调制解调装置，其特征在于，包括调制模块和解调模块，所述调制模块按照权利要求1-7任一所述的一种ppm调制方法进行数字信号的调制，所述解调模块按照权利要求1-7任一所述的一种ppm解调方法进行信号解调。

技术总结
本发明公开了一种高速PPM调制解调方法及装置，调制端根据系统特性、信道特性和解调端特性，插入自相关特性良好帧头和静默时隙，与数据内容区分度高，使得PPM调制信号抗信道干扰能力更强，更利于解调端处理。解调端实现简单，进行帧头匹配前先进行时隙初映射，对于最大值处于时隙端点位置的情形，使用滚动处理的方式将信号整体后移，规避极限位置，大幅度提高PPM调制解调误码的风险，尤其对于信噪比极低的信号具有重要的意义，提高通信准确性。

技术研发人员：赵晓燕,周田华,薛婧文,周军,王启龙
受保护的技术使用者：南京先进激光技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13