CN100372345C - 等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法 - Google Patents

Abstract

等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法是一种用于数字通信的信息调制与解调方法，该方式用二进制信息码元直接改变正弦载波的波形，使得对应逻辑“0”的已调信号g₀(t)和对应逻辑“1”的已调信号g₁(t)与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数控制该波形差异和信号带宽；基于过零检测的信息解调方式中，只需在接收信号波形的中点(t＝T/2时刻)进行一次采样判决即可完成解调，复杂度和运算量很低，施加硬限幅来抑制脉冲噪声的干扰。使已调信号因没有寄生调幅和高次谐波而更接近于正弦波，使信息解调的采样率及运算量大大降低而更便于硬件实现。在保留原始VWDK调制全部优点和相同的误码率性能下，新波形比原始的VWDK波形占用带宽更窄，抵抗传输信道失真的能力也更强。

Description

等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法

技术领域

本发明是一种用于数字通信的信息调制与解调方法，属于数字信息传输的技术领域。

背景技术

数字通信系统中，把代表二进制数据的基带信号向上搬移到给定发送频段的过程叫做调制，而相反的过程则称之为解调。为了达到尽可能高的频带利用率，即在单位频带内传输更高的数码率(以bps/Hz为量纲)，我们在专利申请“高频带利用率的信息调制方法”(申请号：03152978.X)中，提出了一种称为“最小波形差键控”(简写为VWDK)的高效调制方式，其发明关键在于使代表“0”的已调信号g₀(t)和代表“1”的已调信号g₁(t)都与正弦信号之间的波形差异最小，如图1(a)所示。这就是“最小波形差”的含义。显然，VWDK的传输码率即为信号波形的频率。

但是，图1(a)的VWDK波形前后两半部分的幅度不同，也就是说，该专利申请所发明的调制方法引入了幅度调制，通信系统为了避免限幅失真，就要有更大的动态范围，在某些幅度受限的场合，将会影响其解调性能。而且其功率谱如图2(a)所示，不难看出其中高次谐波(即图中的线谱)的幅度仍较高，这既浪费了信号的能量，又影响了带宽的进一步缩窄。另外，我们在“03152978.X”号专利申请中对图1(a)的VWDK调制输出信号采用相关解调，虽然性能较好，但要求有较高的采样率，加重了硬件实现的成本，影响了调制信号频率的提高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法，该信息调制与解调方法的频带利用率更高、实现更简单快速，更利于实时处理，抵抗信道失真的能力更强。

技术方案：本发明分信息调制与解调方法，其两个方法分别如下：

1)一种改进的VWDK调制方法

该方式用二进制信息码元直接改变正弦载波的波形，使得对应逻辑“0”的已调信号g₀(t)和对应逻辑“1”的已调信号g₁(t)与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数控制该波形差异和信号带宽；该调制方式可以表示为：

$g_0\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}-x\left(t\right),$

             0≤t≤T   1

$g_1\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}+x\left(t\right),$

这里T为调制波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；f＝1/T则为信号波形的频率，在数值上也等于码元的传输速率；而x(t)为附加的被控信号；该调制方式还具有如下技术特征：

①是用二进制信息码元直接改变附加信号x(t)的极性符号，再与周期为T的正弦载波叠加，完成调制过程；

②附加的被控信号x(t)在t＝T/2达到极大值A且关于t＝T/2对称；

③代表“0”码元的g₀(t)和代表“1”码元的g₁(t)＝-g₀(T-t)，其前后部分或正负半周的幅度均相等，且峰值分别位于 $t=\frac{T}{4}$ 和 $t=\frac{3T}{4}$ 处，没有寄生的幅度调制；

④g₀(t)和g₁(t)在 $0\≤t\≤\frac{T}{4}$ 和 $\frac{3T}{4}\≤t\≤T$ 时间段均为标准的正弦波，因而可更好地抑制已调波频谱的展宽。

要求在t＝T/2达到极大值A且关于t＝T/2对称，调制方式的表达式“1”中附加的被控信号选取如下的升余弦函数

改变附加被控信号x(t)的幅度A，控制调制信号输出的带宽和信噪比，该调制信号经滤波后可得到更高的频带利用率。

其中A＞0，为唯一的波形控制参数，可以调节调制信号的发送带宽和接收信噪比。因此，改进波形处处连续、可导，满足g₁(t)＝-g₀(T-t)且在 $0\≤t\≤\frac{T}{4}$ 和 $\frac{3T}{4}\≤t\≤T$ 时间段就是标准的正弦波。图1(b)为其功率归一化的时域波形。可见这种改进波形保持了已调信号幅度的恒定，故而不受系统限幅的影响，同时也有利于信号的同步。而图2(b)则给出了该波形相应的功率谱，将其与图2(a)相比较，可见高次谐波成分已完全消除，且频谱能量更加集中，频谱包络的总体衰减趋势也更快。缺点则是频谱的主瓣加宽了，这可以用带通滤波器来抑制。

②改进的VWDK调制的实现

按(1)式分别对代表信息“0”的g₀(t)和代表信息“1”的g₁(t)的基本调制波形采样，将采样得到的—个完整周期的“0”、“1”数字波形样本存储在两块存储区中(根据带宽要求，也可以存储经数字带通滤波后的波形样本)。利用—个“二选一”的电子开关，在待发送信息序列的控制下，在调制周期T内，分别选通相应的波形样本存储区。而存储区中的波形样本，则按照时钟发生器的节拍，经数模转换器(DAC)转换成调制后的高频模拟信号输出或发射。其完整的原理框图如图3，可见该方案为全数字式实现，精确、稳定，能够实现的频率上限基本上只取决与DAC的速度，便于集成电路(IC)的制作，也便于利用数字滤波精确控制发送信号的带宽和频谱形状。

2)基于过零检测的解调方式

基于过零检测的信息解调方式中，只需在接收信号波形的中点(t＝T/2时刻)进行一次采样判决即可完成解调，复杂度和运算量很低，施加硬限幅来抑制脉冲噪声的干扰。

由图1(b)可知，在码元周期的中点即t＝T/2时刻，有g₀(T/2)＝-A，g₁(T/2)＝A。因而若在该时刻对接收信号进行采样，即可根据采样的幅值与极性来判决发送信息是“1”还是“0”，这种简单的过零检测解调(图4)可比“03152978.X”号专利申请中所用的相关检测(匹配滤波，见图5)大大降低采样率(至少可降低20倍)，从而极大地提高处理速度。

3)频带利用率的进一步提高

对图1(a)的原始VWDK波形当然也可以采用同样的过零检测解调方法，但若将取样判决时刻仍选在码元周期的中点，则与(1)、(2)式和图1(b)的改进波形相比，可以预期后者抵御波形失真的能力更强。这种波形失真当然也包括信道带宽受限的影响。因此可以设想，图1(b)的改进调制波形可望通过带宽更窄的信道，从而得到更高效的频带利用率。

为了证实这一推断，本发明在实施例中对图1(a)和(b)的新旧VWDK调制波形分别通过带通滤波器后均在码元周期的中点进行采样判决，并在保持相同误码率的前提下比较二者经过各自的带通滤波器后的信号频谱，结果如图6(a)和图6(b)。而相应的误码率性能则如图7所示。由图7可知，二者的误码率性能几乎完全相同，而图6(b)的改进VWDK波形滤波后占用的频带明显比图6(a)更窄，显然提高了频带利用率。

4)抗限幅效果的验证

图7还同时给出了改进波形经硬限幅(即“削波”。限幅前后的峰值幅值比为∶1)后滤波的误码性能，可见30％左右的限幅对改进的VWDK调制信号误码性能几乎没有影响。若进一步把削波的幅度加大到80％，则从图8可见，其性能的恶化最坏也不超过4dB。

有益效果：与“03152978.X”号专利申请中提出的高频带利用率的VWDK调制方法的实际效果(图1(a))相比，本发明所改进的VWDK调制方法(图4，实际效果则如图1(b))及解调方法(图5)除保留了原发明的全部优点，如全数字化实现、系统控制灵活(只需改变一个波形参数A)、适应面宽等外，还具有如下优点：

①频带利用率更高。

图1(b)的改进调制效果比图1(a)更接近正弦波，而图6表明：在解调性能相当(图7)的前提下，改进方法的调制输出信号中不含高次谐波的线谱，占有的带宽更窄，频谱能量也更集中。例如，比较图6(a)和图6(b)的-40dB、-60dB和-80dB带宽。

②实现更简单快速，更利于实时处理。

由于VWDK调制信号的g₀(t)和g₁(t)都很像正弦波，波形差别很小，因而“03152978.X”号专利申请采用图5的相关解调，对接收信号在一个波形周期T内至少要采样20点，否则不足以辨别出二者的差别。因此，在同步准确的前提下，至少要做20次乘法和加法(图5的两个积分器可以用乘法累加器实现，并且可以合并)才能实现对1位信息的解调，而且还要存储这20个采样值。而本发明按图4只需在T/2时刻对信号采样一次，无需乘、加即可判决，整个处理过程大为简化。因此不难看出，本发明对于图1(b)调制信号所采用的过零检测解调方法，采样率可以低至信号频率即信息速率，而对比方法却至少要比信号频率高20倍。退一步说，即使两种方法的运算量相当，在相同的硬件水平下，本发明能够解调的信号频率至少可以提高20倍。而VWDK调制方式高频带利用率的优势正需要以更高的信息速率来体现和应用。

③抵抗信道失真的能力更强。

本发明的调制输出是等隔的VWDK波形，它既能经受带宽更窄的带通滤波，又能在一定程度上经受系统限幅的影响，这表明该波形在抵抗传输信道的线性失真(如频带受限)和非线性失真(如限幅)方面的能力都增强了。另外，由于可以对接收信号进行限幅处理，抵抗脉冲噪声干扰的能力也大大增强了。

总之，本发明进一步提升了VWDK调制方式高频带利用率的优点，改进了原始调制方法的某些不足，可极大地降低硬件实现的复杂度和专用集成电路的成本。

附图说明

图1(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制方法的输出信号，作为对比；图1(b)是本专利申请所提出的改进的VWDK调制方法的输出信号。

图2(a)是原始VWDK调制信号(τ＝0.475T)功率谱幅度的对数表示图，作为对比；而图2(b)是本专利申请所提出的VWDK调制信号功率谱幅度的对数表示图。

图3是本专利申请所提出的VWDK调制信号调制系统框图。

图4是本专利申请所提出的VWDK解调系统框图。

图5是03152978.X号专利申请所提出的VWDK解调系统框图。

图6(a)和(b)分别是原始和改进VWDK方法在保持解调性能相同时的传输功率谱。

图7是两种VWDK调制方法以及改进方法经30％限幅后的误码率性能曲线比较。

图8是两种VWDK信号波形以及改进波形经80％限幅后的误码率性能曲线比较。

具体实施方式

本发明的等幅的高频带利用率的信息调制方式用二进制信息码元直接改变正弦载波的波形，使得对应逻辑“0”的已调信号g₀(t)和对应逻辑“1”的已调信号g₁(t)与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数控制该波形差异和信号带宽；该调制方式可以表示为：

$g_0\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}-x\left(t\right),$

                        0≤t≤T                   1

$g_1\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}+x\left(t\right),$

这里T为调制波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；f＝1/T则为信号波形的频率，在数值上也等于码元的传输速率；而x(t)为附加的被控信号；该调制方式还具有如下技术特征：

①是用二进制信息码元直接改变附加信号x(t)的极性符号，再与周期为T的正弦载波叠加，完成调制过程；

②附加的被控信号x(t)在t＝T/2达到极大值A且关于t＝T/2对称；

⑨代表“0”码元的g₀(t)和代表“1”码元的g₁(t)＝-g₀(T-t)，其前后部分或正负半周的幅度均相等，且峰值分别位于 $t=\frac{T}{4}$ 和 $t=\frac{3T}{4}$ 处，没有寄生的幅度调制：

④g₀(t)和g₁(t)在 $0\≤t\≤\frac{T}{4}$ 和 $\frac{3T}{4}\≤t\≤T$ 时间段均为标准的正弦波，因而可更好地抑制已调波频谱的展宽。

调制方式的表达式“1”中附加的被控信号选取如下的升余弦函数

改交附加被控信号x(t)的幅度A，控制调制信号输出的带宽和信噪比，该调制信号经滤波后可得到更高的频带利用率。

取A＝0.15，T＝50μS，得到本发明的VWDK调制方法输出信号功率谱的对数幅度如图2(b)所示，其中纵坐标是以载波频率20kHz处的功率谱幅度值作为0dB。由图可见，改进方法输出信号功率谱中的离散部分没有高次谐波分量，而其它频谱分量的幅度至少比基波(20kHz)约低50dB(约相当于基波的10万分之一)，因此，新方法的输出调制信号比原始方法的输出调制信号更接近于正弦波。

本发明的VWDK调制器的实施例如图3，预先保存在存储器内的是由“1”和“2”式所定义的g₀(t)和g₁(t)波形一个周期内的离散采样值(即代表“0”和“1”的波形样本，各有10-20个。根据带宽要求，也可以存储经数字带通滤波后的波形样本)。然后利用一个“二选一”的电子开关，在欲传输的信息序列的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率来选择对应的g₀(t)波形样本(如果信息位是“0”)或g₁(t)波形样本(如果信息位是“1”)；所选中的调制波形数字样本由DAC直接转换成模拟的VWDK已调波输出。整个VWDK调制系统为全数字化实现，很容易集成在一片集成电路上。

基于过零检测的信息解调方式中，只需在接收信号波形的中点(t＝T/2时刻)进行一次采样判决即可完成解调，复杂度和运算量很低，施加硬限幅来抑制脉冲噪声的干扰。

图4是本发明的VWDK解调器的实施例：带有因信道传输噪声和畸变而失真劣化的VWDK接收信号经带通滤波，分成两路：一路用来提取载波频率，以形成采样脉冲(即数字锁相环)；而另一路在t＝T/2固定点采样后，经过零检测器判决，完成对相应“0”、“1”序列的解调。

对于本实施例，我们同样可以在200-300Hz(甚至更低)的信号带宽内，实现20kb/s的传输码率，调制效率达到60-100bits/s/Hz(甚至更高)。

Claims (2)

1.一种等幅的高频带利用率的信息调制方法，其特征在于用二进制信息码元直接改变正弦载波的波形，使得对应逻辑“0”的已调信号g₀(t)和对应逻辑“1”的已调信号g₁(t)与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数控制该波形差异和信号带宽，该调制方法可以表示为：

$g_0\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}-x\left(t\right),$ 0≤t≤T    1

$g_1\left(t\right)=\sin \frac{2\mathrm{\πt}}{T}+x\left(t\right),$

这里T为调制波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；f＝1/T则为信号波形的频率，在数值上也等于码元的传输速率；而x(t)为附加的被控信号，选取为如下的升余弦函数经滤波后可得到更高的频带利用率：

该调制方法具有如下技术特征：

①是用二进制信息码元直接改变附加信号x(t)的极性符号，再与周期为T的正弦载波叠加，完成调制过程；

②附加的被控信号x(t)在t＝T/2达到极大值A且关于t＝T/2对称，改变它的幅度A可控制调制信号输出的带宽和信噪比；

③代表“0”码元的g₀(t)和代表“1”码元的g₁(t)＝-g₀(T-t)，其前后部分或正负半周的幅度均相等，且峰值分别位于 $t=\frac{T}{4}$ 和 $t=\frac{3T}{4}$ 处，没有寄生的幅度调制：

④g₀(t)和g₁(t)在 $0\≤t\≤\frac{T}{4}$ 和 $\frac{3T}{4}\≤t\≤T$ 时间段均为标准的正弦波，因而可更好地抑制已调波频谱的展宽。

2.一种适用于权利要求1所述的等幅的高频带利用率的信息调制方法的信息解调方法，其特征在于基于过零检测，只需在接收信号波形的中点即t＝T/2时刻进行一次采样判决即可完成解调，复杂度和运算量很低，施加硬限幅来抑制脉冲噪声的干扰。

Images