專利名稱：等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制與解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于數(shù)字通信的信息調(diào)制與解調(diào)方法，屬于數(shù)字信息傳輸?shù)募夹g(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字通信系統(tǒng)中，把代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)向上搬移到給定發(fā)送頻段的過程叫做調(diào)制，而相反的過程則稱之為解調(diào)。為了達(dá)到盡可能高的頻帶利用率，即在單位頻帶內(nèi)傳輸更高的數(shù)碼率(以bps/Hz為量綱)，我們?cè)趯＠暾?qǐng)“高頻帶利用率的信息調(diào)制方法”(申請(qǐng)?zhí)?3152978.X)中，提出了一種稱為“最小波形差鍵控”(簡寫為VWDK)的高效調(diào)制方式，其發(fā)明關(guān)鍵在于使代表“0”的已調(diào)信號(hào)g0(t)和代表“1”的已調(diào)信號(hào)g1(t)都與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，如圖1(a)所示。這就是“最小波形差”的含義。顯然，VWDK的傳輸碼率即為信號(hào)波形的頻率。
但是，圖1(a)的VWDK波形前后兩半部分的幅度不同，也就是說，該專利申請(qǐng)所發(fā)明的調(diào)制方法引入了幅度調(diào)制，通信系統(tǒng)為了避免限幅失真，就要有更大的動(dòng)態(tài)范圍，在某些幅度受限的場(chǎng)合，將會(huì)影響其解調(diào)性能。而且其功率譜如圖2(a)所示，不難看出其中高次諧波(即圖中的線譜)的幅度仍較高，這既浪費(fèi)了信號(hào)的能量，又影響了帶寬的進(jìn)一步縮窄。另外，我們?cè)凇?3152978.X”號(hào)專利申請(qǐng)中對(duì)圖1(a)的VWDK調(diào)制輸出信號(hào)采用相關(guān)解調(diào)，雖然性能較好，但要求有較高的采樣率，加重了硬件實(shí)現(xiàn)的成本，影響了調(diào)制信號(hào)頻率的提高。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制與解調(diào)方法，該信息調(diào)制與解調(diào)方法的頻帶利用率更高、實(shí)現(xiàn)更簡單快速，更利于實(shí)時(shí)處理，抵抗信道失真的能力更強(qiáng)。
技術(shù)方案本發(fā)明分信息調(diào)制與解調(diào)方法，其兩個(gè)方法分別如下1)一種改進(jìn)的VWDK調(diào)制方法該方式用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的波形，使得對(duì)應(yīng)邏輯“0”的已調(diào)信號(hào)g0(t)和對(duì)應(yīng)邏輯“ 1”的已調(diào)信號(hào)g1(t)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，并且只用一個(gè)參數(shù)控制該波形差異和信號(hào)帶寬；該調(diào)制方式可以表示為g0(t)=sin2πtT-x(t),]]>g1(t)=sin2πtT+x(t),]]>0≤t≤T]]>這里T為調(diào)制波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；而x(t)為附加的被控信號(hào)；該調(diào)制方式還具有如下技術(shù)特征①是用二進(jìn)制信息碼元直接改變附加信號(hào)x(f)的極性符號(hào)，再與周期為T的正弦載波疊加，完成調(diào)制過程；②附加的被控信號(hào)x(t)在t＝T/2達(dá)到極大值A(chǔ)且關(guān)于t＝T/2對(duì)稱；③代表“0”碼元的g0(t)和代表“1”碼元的g1(t)＝-g0(T-t)，其前后部分或正負(fù)半周的幅度均相等，且峰值分別位于t=T4]]>和t=3T4]]>處，沒有寄生的幅度調(diào)制；④g0(t)和g1(t)在0≤t≤T4]]>和3T4≤t≤T]]>時(shí)間段均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因而可更好地抑制已調(diào)波頻譜的展寬。
要求在t＝T/2達(dá)到極大值A(chǔ)且關(guān)于t＝T/2對(duì)稱，調(diào)制方式的表達(dá)式“1”中附加的被控信號(hào)選取如下的升余弦函數(shù) 改變附加被控信號(hào)x(t)的幅度A，控制調(diào)制信號(hào)輸出的帶寬和信噪比，該調(diào)制信號(hào)經(jīng)濾波后可得到更高的頻帶利用率。
其中A＞0，為唯一的波形控制參數(shù)，可以調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的發(fā)送帶寬和接收信噪比。因此，改進(jìn)波形處處連續(xù)、可導(dǎo)，滿足g1(t)＝-g0(T-t)且在0≤t≤T4]]>和3T4≤t≤T]]>時(shí)間段就是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。圖1(b)為其功率歸一化的時(shí)域波形?？梢娺@種改進(jìn)波形保持了已調(diào)信號(hào)幅度的恒定，故而不受系統(tǒng)限幅的影響，同時(shí)也有利于信號(hào)的同步。而圖2(b)則給出了該波形相應(yīng)的功率譜，將其與圖2(a)相比較，可見高次諧波成分已完全消除，且頻譜能量更加集中，頻譜包絡(luò)的總體衰減趨勢(shì)也更快。缺點(diǎn)則是頻譜的主瓣加寬了，這可以用帶通濾波器來抑制。
②改進(jìn)的VWDK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)按(1)式分別對(duì)代表信息“0”的g0(t)和代表信息“1”的g1(t)的基本調(diào)制波形采樣，將采樣得到的一個(gè)完整周期的“0”、“1”數(shù)字波形樣本存儲(chǔ)在兩塊存儲(chǔ)區(qū)中(根據(jù)帶寬要求，也可以存儲(chǔ)經(jīng)數(shù)字帶通濾波后的波形樣本)。利用一個(gè)“二選一”的電子開關(guān)，在待發(fā)送信息序列的控制下，在調(diào)制周期T內(nèi)，分別選通相應(yīng)的波形樣本存儲(chǔ)區(qū)。而存儲(chǔ)區(qū)中的波形樣本，則按照時(shí)鐘發(fā)生器的節(jié)拍，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換成調(diào)制后的高頻模擬信號(hào)輸出或發(fā)射。其完整的原理框圖如圖3，可見該方案為全數(shù)字式實(shí)現(xiàn)，精確、穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)的頻率上限基本上只取決與DAC的速度，便于集成電路(IC)的制作，也便于利用數(shù)字濾波精確控制發(fā)送信號(hào)的帶寬和頻譜形狀。
2)基于過零檢測(cè)的解調(diào)方式基于過零檢測(cè)的信息解調(diào)方式中，只需在接收信號(hào)波形的中點(diǎn)(t＝T/2時(shí)刻)進(jìn)行一次采樣判決即可完成解調(diào)，復(fù)雜度和運(yùn)算量很低，施加硬限幅來抑制脈沖噪聲的干擾。
由圖1(b)可知，在碼元周期的中點(diǎn)即t＝T/2時(shí)刻，有g(shù)0(T/2)＝-A，g1(T/2)＝A。因而若在該時(shí)刻對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，即可根據(jù)采樣的幅值與極性來判決發(fā)送信息是“1”還是“0”，這種簡單的過零檢測(cè)解調(diào)(圖4)可比“03152978.X”號(hào)專利申請(qǐng)中所用的相關(guān)檢測(cè)(匹配濾波，見圖5)大大降低采樣率(至少可降低20倍)，從而極大地提高處理速度。
3)頻帶利用率的進(jìn)一步提高對(duì)圖1(a)的原始VWDK波形當(dāng)然也可以采用同樣的過零檢測(cè)解調(diào)方法，但若將取樣判決時(shí)刻仍選在碼元周期的中點(diǎn)，則與(1)、(2)式和圖1(b)的改進(jìn)波形相比，可以預(yù)期后者抵御波形失真的能力更強(qiáng)。這種波形失真當(dāng)然也包括信道帶寬受限的影響。因此可以設(shè)想，圖1(b)的改進(jìn)調(diào)制波形可望通過帶寬更窄的信道，從而得到更高效的頻帶利用率。
為了證實(shí)這—推斷，本發(fā)明在實(shí)施例中對(duì)圖1(a)和(b)的新舊VWDK調(diào)制波形分別通過帶通濾波器后均在碼元周期的中點(diǎn)進(jìn)行采樣判決，并在保持相同誤碼率的前提下比較二者經(jīng)過各自的帶通濾波器后的信號(hào)頻譜，結(jié)果如圖6(a)和圖6(b)。而相應(yīng)的誤碼率性能則如圖7所示。由圖7可知，二者的誤碼率性能幾乎完全相同，而圖6(b)的改進(jìn)VWDK波形濾波后占用的頻帶明顯比圖6(a)更窄，顯然提高了頻帶利用率。
4)抗限幅效果的驗(yàn)證圖7還同時(shí)給出了改進(jìn)波形經(jīng)硬限幅(即“削波”。限幅前后的峰值幅值比為 )后濾波的誤碼性能．可見30％左右的限幅對(duì)改進(jìn)的VWDK調(diào)制信號(hào)誤碼性能幾乎沒有影響。若進(jìn)一步把削波的幅度加大到80％，則從圖8可見，其性能的惡化最壞也不超過4dB。
有益效果與“03152978.X”號(hào)專利申請(qǐng)中提出的高頻帶利用率的VWDK調(diào)制方法的實(shí)際效果(圖1(a))相比，本發(fā)明所改進(jìn)的VWDK調(diào)制方法(圖4，實(shí)際效果則如圖1(b))及解調(diào)方法(圖5)除保留了原發(fā)明的全部優(yōu)點(diǎn)，如全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)控制靈活(只需改變一個(gè)波形參數(shù)A)、適應(yīng)面寬等外，還具有如下優(yōu)點(diǎn)①頻帶利用率更高。
圖1(b)的改進(jìn)調(diào)制效果比圖1(a)更接近正弦波，而圖6表明在解調(diào)性能相當(dāng)(圖7)的前提下，改進(jìn)方法的調(diào)制輸出信號(hào)中不含高次諧波的線譜，占有的帶寬更窄，頻譜能量也更集中。例如，比較圖6(a)和圖6(b)的-40dB、-60dB和-80dB帶寬。
②實(shí)現(xiàn)更簡單快速，更利于實(shí)時(shí)處理。
由于VWDK調(diào)制信號(hào)的g0(t)和g1(t)都很像正弦波，波形差別很小，因而“03152978.X”號(hào)專利申請(qǐng)采用圖5的相關(guān)解調(diào)，對(duì)接收信號(hào)在一個(gè)波形周期T內(nèi)至少要采樣20點(diǎn)，否則不足以辨別出二者的差別。因此，在同步準(zhǔn)確的前提下，至少要做20次乘法和加法(圖5的兩個(gè)積分器可以用乘法累加器實(shí)現(xiàn)，并且可以合并)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)1位信息的解調(diào)，而且還要存儲(chǔ)這20個(gè)采樣值。而本發(fā)明按圖4只需在T/2時(shí)刻對(duì)信號(hào)采樣一次，無需乘、加即可判決，整個(gè)處理過程大為簡化。因此不難看出，本發(fā)明對(duì)于圖1(b)調(diào)制信號(hào)所采用的過零檢測(cè)解調(diào)方法，采樣率可以低至信號(hào)頻率即信息速率，而對(duì)比方法卻至少要比信號(hào)頻率高20倍。退一步說，即使兩種方法的運(yùn)算量相當(dāng)，在相同的硬件水平下，本發(fā)明能夠解調(diào)的信號(hào)頻率至少可以提高20倍。而VWDK調(diào)制方式高頻帶利用率的優(yōu)勢(shì)正需要以更高的信息速率來體現(xiàn)和應(yīng)用。
③抵抗信道失真的能力更強(qiáng)。
本發(fā)明的調(diào)制輸出是等幅的VWDK波形，它既能經(jīng)受帶寬更窄的帶通濾波，又能在一定程度上經(jīng)受系統(tǒng)限幅的影響，這表明該波形在抵抗傳輸信道的線性失真(如頻帶受限)和非線性失真(如限幅)方面的能力都增強(qiáng)了。另外，由于可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行限幅處理，抵抗脈沖噪聲干擾的能力也大大增強(qiáng)了。
總之，本發(fā)明進(jìn)一步提升了VWDK調(diào)制方式高頻帶利用率的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了原始調(diào)制方法的某些不足，可極大地降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和專用集成電路的成本。


圖1(a)是“03152978.X”號(hào)專利申請(qǐng)所發(fā)明的原始VWDK調(diào)制方法的輸出信號(hào)，作為對(duì)比；圖1(b)是本專利申請(qǐng)所提出的改進(jìn)的VWDK調(diào)制方法的輸出信號(hào)。
圖2(a)是原始VWDK調(diào)制信號(hào)(τ＝0.475T)功率譜幅度的對(duì)數(shù)表示圖，作為對(duì)比；而圖2(b)是本專利申請(qǐng)所提出的VWDK調(diào)制信號(hào)功率譜幅度的對(duì)數(shù)表示圖。
圖3是本專利申請(qǐng)所提出的VWDK調(diào)制信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)框圖。
圖4是本專利申請(qǐng)所提出的VWDK解調(diào)系統(tǒng)框圖。
圖5是03152978.X號(hào)專利申請(qǐng)所提出的VWDK解調(diào)系統(tǒng)框圖。
圖6(a)和(b)分別是原始和改進(jìn)VWDK方法在保持解調(diào)性能相同時(shí)的傳輸功率譜。
圖7是兩種VWDK調(diào)制方法以及改進(jìn)方法經(jīng)30％限幅后的誤碼率性能曲線比較。
圖8是兩種VWDK信號(hào)波形以及改進(jìn)波形經(jīng)80％限幅后的誤碼率性能曲線比較。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制方式用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的波形，使得對(duì)應(yīng)邏輯“0”的已調(diào)信號(hào)g0(t)和對(duì)應(yīng)邏輯“1”的已調(diào)信號(hào)g1(t)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，并且只用一個(gè)參數(shù)控制該波形差異和信號(hào)帶寬；該調(diào)制方式可以表示為
g0(t)=sin2πtT-x(t),]]>g1(t)=sin2πtT+x(t),]]>0≤t≤T]]>這里T為調(diào)制波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；而x(t)為附加的被控信號(hào)；該調(diào)制方式還具有如下技術(shù)特征①是用二進(jìn)制信息碼元直接改變附加信號(hào)x(t)的極性符號(hào)，再與周期為T的正弦載波疊加，完成調(diào)制過程；②附加的被控信信號(hào)x(t)在t＝T/2達(dá)到極大值A(chǔ)且關(guān)于t＝T/2對(duì)稱；③代表“0”碼元的g0(t)和代表“1”碼元的g1(t)＝-g0(T-t)，其前后部分或正負(fù)半周的幅度均相等，且峰值分別位于t=T4]]>和t=3T4]]>處，沒有寄生的幅度調(diào)制；④g0(t)和g1(t)在0≤t≤T4]]>和3T4≤t≤T]]>時(shí)間段均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因而可更好地抑制已調(diào)波頻譜的展寬。
調(diào)制方式的表達(dá)式“1”中附加的被控信號(hào)選取如下的升余弦函數(shù) 改變附加被控信號(hào)x(t)的幅度A，控制調(diào)制信號(hào)輸出的帶寬和信噪比，該調(diào)制信號(hào)經(jīng)濾波后可得到更高的頻帶利用率。
取A＝0.15，T＝50μS，得到本發(fā)明的VWDK調(diào)制方法輸出信號(hào)功率譜的對(duì)數(shù)幅度如圖2(b)所示，其中縱坐標(biāo)是以載波頻率20kHz處的功率譜幅度值作為0dB。由圖可見，改進(jìn)方法輸出信號(hào)功率譜中的離散部分沒有高次諧波分量，而其它頻譜分量的幅度至少比基波(20kHz)約低50dB(約相當(dāng)于基波的10萬分之一)，因此，新方法的輸出調(diào)制信號(hào)比原始方法的輸出調(diào)制信號(hào)更接近于正弦波。
本發(fā)明的VWDK調(diào)制器的實(shí)施例如圖3，預(yù)先保存在存儲(chǔ)器內(nèi)的是由“1”和“2”式所定義的g0(t)和g1(t)波形一個(gè)周期內(nèi)的離散采樣值(即代表“0”和“1”的波形樣本，各有10-20個(gè)。根據(jù)帶寬要求，也可以存儲(chǔ)經(jīng)數(shù)字帶通濾波后的波形樣本)。然后利用一個(gè)“二選一”的電子開關(guān)，在欲傳輸?shù)男畔⑿蛄械目刂葡掳凑諘r(shí)鐘發(fā)生器所提供的采樣頻率來選擇對(duì)應(yīng)的g0(t)波形樣本(如果信息位是“0”)或g1(t)波形樣本(如果信息位是“1”)；所選中的調(diào)制波形數(shù)字樣本由DAC直接轉(zhuǎn)換成模擬的VWDK已調(diào)波輸出。整個(gè)VWDK調(diào)制系統(tǒng)為全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，很容易集成在一片集成電路上。
基于過零檢測(cè)的信息解調(diào)方式中，只需在接收信號(hào)波形的中點(diǎn)(t＝T/2時(shí)刻)進(jìn)行一次采樣判決即可完成解調(diào)，復(fù)雜度和運(yùn)算量很低，施加硬限幅來抑制脈沖噪聲的干擾。
圖4是本發(fā)明的VWDK解調(diào)器的實(shí)施例帶有因信道傳輸噪聲和畸變而失真劣化的VWDK接收信號(hào)經(jīng)帶通濾波，分成兩路一路用來提取載波頻率，以形成采樣脈沖(即數(shù)字鎖相環(huán))而另一路在t＝T/2固定點(diǎn)采樣后，經(jīng)過零檢測(cè)器判決，完成對(duì)相應(yīng)“0”、“1”序列的解調(diào)。
對(duì)于本實(shí)施例，我們同樣可以在200-300Hz(甚至更低)的信號(hào)帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)20kb/s的傳輸碼率，調(diào)制效率達(dá)到60-100bits/s/Hz(甚至更高)。
權(quán)利要求
1.—種等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制方式，其特征在于該方式用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的波形，使得對(duì)應(yīng)邏輯“0”的已調(diào)信號(hào)g0(t)和對(duì)應(yīng)邏輯“1”的已調(diào)信號(hào)g1(t)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，并且只用—個(gè)參數(shù)控制該波形差異和信號(hào)帶寬；該調(diào)制方式可以表示為g0(t)=sin2πtT-x(t),]]>O≤t≤T1g1(t)=sin2πtT-x(t),]]>這里T為調(diào)制波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；而x(t)為附加的被控信號(hào)；該調(diào)制方式還具有如下技術(shù)特征①是用二進(jìn)制信息碼元直接改變附加信號(hào)x(t)的極性符號(hào)，再與周期為T的正弦載波疊加，完成調(diào)制過程；②附加的被控信號(hào)x(t)在t＝T/2達(dá)到極大值A(chǔ)且關(guān)于t＝T/2對(duì)稱；③代表“0”碼元的g0(t)和代表“1”碼元的g1(t)＝-g0(T-t)，其前后部分或正負(fù)半周的幅度均相等，且峰值分別位于t=T4]]>和t=3T4]]>處，沒有寄生的幅度調(diào)制④g0(t)和g1(t)在0≤t≤T4]]>和3T4≤t≤T]]>時(shí)間段均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，因而可吏二好地抑制已調(diào)波頻譜的展寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等幅的高頗帶利用率的信息調(diào)制方式，其特征在于凋制方式的表達(dá)式“1”中附加的被控信號(hào)選取如下的升余弦函數(shù) 改變附加被控信號(hào)x(t)的幅度A，控制調(diào)制信號(hào)輸出的帶寬和信噪比，該調(diào)制信號(hào)經(jīng)濾波后可得到更高的頻帶利用率。
3.一種適用于權(quán)利要求1所述的等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制方式的信息解調(diào)方式，其特征在于基于過零檢測(cè)的信息解調(diào)方式中，只需在接收信號(hào)波形的中點(diǎn)(t＝T/2時(shí)刻)進(jìn)行一次采樣判決即可完成解調(diào)，復(fù)雜度和運(yùn)算量很低，施加硬限幅來抑制脈沖噪聲的干擾。
全文摘要
等幅的高頻帶利用率的信息調(diào)制與解調(diào)方法是一種用于數(shù)字通信的信息調(diào)制與解調(diào)方法，該方式用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的波形，使得對(duì)應(yīng)邏輯“0”的已調(diào)信號(hào)g
文檔編號(hào)H04L27/00GK1588932SQ20041006468
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者吳樂南, 張仕元 申請(qǐng)人:東南大學(xué)