CN100421437C - 高频带利用率的信息调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

高频带利用率的信息调制和解调方法是一种用于数字通信的信息调制和解调法，该方式利用二进制信息码元直接改变正弦载波的一个波形对称参数α，使已调信号与正弦信号之间的波形差异最小，其信息传输速率等于载波频率。逻辑“0”所调制的波形为g(t，τ)，逻辑“1”所调制的波形为g(t，T-τ)：见右下式，这里T为信号波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；而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；其信息速率可以等于载频，而传输信号又非常接近于正弦波，因而频谱能量高度集中，占用带宽很窄，所以频带利用率极高，可以实现超窄带的高速数据传输。

Description

高频带利用率的信息调制和解调方法

技术领域

本发明是一种用于数字通信的信息调制方法，属于数字信息传输的技术领域。

背景技术

为了实现数字信息的远程传输，必须把二进制数据加载到一个高频信号(载波)上，这一过程就叫做调制，而相反的过程则称之为解调。由于调制后的高频信号(已调波)占有一定的频带宽度(信号带宽)，因此为了较为可靠地传输已调波，也必须占用相应的频带宽度(传输带宽)。但是，频率是一种不可再生的宝贵资源，为了达到尽可能高的频带利用率，就必须提高把数字信号转换到模拟信道上时的调制效率，这样才能在单位频带(例如1Hz)内传输更高的数码率(单位是bit/s)。因此，频带利用率以bit/s/Hz为量纲。例如，能通过现有300-3400Hz带宽的公共电话网(PSTN)拨号上网的56kbits/s高速调制解调器(MODEM)，其频带利用率约为18bit/s/Hz。这通常是依靠尽可能地增加信号空间的星座点数来实现的，例如多电平的正交幅度相位调制(MQAM)和多相移键控(MPSK)调制方式，但处理起来较为复杂，尚未见到其调制效率超过20bit/s/Hz的报道。

另一种思路很直接，就是设法使表示数字“0”和“1”的载波波形不同，这样在理论上每个载波周期T可以传输1位(1bit)信息，换句话说，就是信号的传输码率在数值上可以等于通信的载频，而提高调制效率的关键就是尽量缩减已调载波的带宽。沿此思路，美国的H.R.Walker从早期的可变相移键控(VPSK，见“U.S.Patent 4742532，May 1988”)发展出了最小移(最小边带)键控(VMSK，见“IEEE Transactions onBroadcasting，43(1)，96-103，1997”)，展示了进一步提高频带利用率的突破方向。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种频带利用率可达100bit/s/Hz(甚至更高)的高频带利用率的信息调制和解调方法，通过对调制效率的提高，能在更窄的带宽内传输高速数据流，以节省或合理利用宝贵的频率资源，并为通信频带受限的场合提供更好的解决案。

技术方案

最小波形差键控调制方式(VWDK)

原始的VMSK之类的调制是用数字信息控制矩形波或三角波的位移，再通过由几个石英晶体组成的特殊的模拟滤波器后输出。而通信工程师都知道，带宽最窄的信号形式应该是正弦波：一个纯粹的正弦波，在频域就是一根谱线，能量高度集中，理论上带宽为零，当然也无法传递任何有用的信息。现在设想保持其频率不变，而波形(幅度、相位、形状或对称性等)略微抖动，则其频谱能量仍然高度集中在载频的谱线上，但在载频两旁会出现与随机抖动相对应的连续谱，以及在载频的谐波处，也会出现离散的谱线，这是信号分析的事实。由于波形的抖动很微小，那么显然连续谱和谐波离散谱的能量要远远低于载频的能量。如果载波波形的抖动受控于有用的信息，即可实现频谱利用率很高的调制，和所谓“旗杆式”的“超窄带”频谱。这就是说：如果能保持已调波与正弦波的差异尽可能小，就可望得到最窄的传输信号带宽，或最高的信息调制效率。因此，本发明提出一种可称之为“最小波形差键控”(Very-minimumWaveform Difference Keying，简写为VWDK)的高效调制方式：

该方式利用二进制信息码元直接改变正弦载波的一个波形对称参数α，使已调信号与正弦信号之间的波形差异最小，其信息传输速率等于载波频率。即：使得对应逻辑“0”的已调信号g(t，τ)和对应逻辑“1”的g(t，T-τ)与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数来控制该波形差异和信号带宽；其中一种VWDK调制波形可以用如下的关系式来表示：

$g(t,\mathrm{\τ})=\left\{\begin{array}{cc}\frac{A}{\mathrm{\τ}}\sin \frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\τ}}& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \frac{A}{T-\mathrm{\τ}}\sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{T-\mathrm{\τ}}\mathrm{\π}+\mathrm{\π})& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

这里T为信号波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；而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；该调制波形本身具有如下技术特征：

①波形分两段分别定义，每段都是某正弦波的半个周期，但是幅度分别为A/τ和A/(T-τ)，周期则分别为2τ和2(T-τ)；

②载波被调制的程度因τ而异；若令τ＝αT，0＜α＜1，则α可作为带宽控制参数：当α＝0.5，g(t，τ)＝g(t，T-τ)就是幅度为2A/T的正弦波，其中A为幅度因子，可用来控制已调波的频谱最窄；而当α→0或α→1，g(t，τ)和g(t，T-τ)均与正弦波相差最大，已调波的频谱最宽；

③已调波在分段定义的波形连接点处连续，在“0→1”或“1→0”处的相位也连续，这有助于抑制已调波频谱的展宽，使其能量集中在频率f处；

④在一个波形周期T内，已调波的平均值为零，因而其频谱中不含直流分量，这也就是正弦波前后/正负两段幅度不同的原因。

基于逆滤波的解调方式

仙侬信息论指出，信道容量C几乎正比于信道带宽W，故VWDK的超窄带一般要以更高的解调信噪比(通常意味着更高的发射功率)需求为代价。尽管许多带宽受限型应用具有较高的发射功率(如无线电广播、长波电台和水下通信等)，尽量降低对于解调信噪比的要求仍是应用中很关心的。

经过发送端超窄带滤波器(带通)严格限制的VWDK信号已非常接近于正弦波，代表“0”和“1”的波形之间的差异已微乎其微，难以可靠地解调。为了解决这一问题，本发明在通常的相干解调之前采用数字逆滤波来与信号波形相匹配，保证了解调的顺利进行。

有益效果

①频带利用率高。VWDK是一种载波调制方式，就是利用“0”、“1”信息码元直接改变正弦载波的波形，信息速率可以等于载频，理论上可以达到射频(RF)载波的频率！即使考虑到技术实现上的难度而在中频(IF)上进行处理，则在短波频段得到数百kb/s、微波频段得到数百Mb/s的传输码率，应有可能。由于传输码率高，而传输信号的波形又非常接近于正弦波，因而频谱能量高度集中(图1)，占用带宽很窄，所以本发明的频带利用率极高，可以实现超窄带的高速数据传输。

②全数字化实现。前述美国的VMSK调制要有专门的多晶体模拟滤波器，体积大，一致性差，不便于硬件集成；而本发明革除了美国专利主要保护的多晶体模拟滤波器，发送端可以直接将调制波形的数字样本(甚至经超窄带滤波后的样本)经数模转换器(DAC)输出即可(图2)，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；而接收端可以根据带通采样定理大大降低模数转换器(ADC)的转换速率(因为信号所占频带很窄)，利用“软件无线电”技术实现接收机的全数字化处理(图3)，从而有利于将整个收发系统都集成在一片IC上，构成所谓的片上系统(SOC：System On Chip)。

③系统控制灵活，适应面宽。根据前述VWDK的原理，只要改变一个波形参数α即可控制信号带宽，而调制/解调方式及传输码率均可不变；再配合以参数A的改变来控制发射功率或信噪比，引入信道编码来提高可靠性，便可以构成非常灵活的可事先编程设定或在线动态重组的通信系统。

④为新的高速传输体制(如移动通信、无线电广播和计算机网络)和抗干扰方法(如军用电子对抗)提供了可能。

总之，VWDK是一类利用二进制信息码元直接改变正弦载波波形的高效调制方式，只要改变一个波形的不对称参数即可控制信号带宽。其信息传输速率等于载波频率，传输信号波形非常接近于正弦波，频带利用率极高，可以实现超窄带的高速数据传输。

附图说明

图1是α＝0.475时VWDK调制信号功率谱幅度的对数表示图。

图2是VWDK调制系统框图。

图3是VWDK解调系统框图。

具体实施方式

本发明利用二进制信息码元直接改变正弦载波的一个波形对称参数α，使已调信号与正弦信号之间的波形差异最小，其信息传输速率等于载波频率。逻辑“0”所调制的波形为g(t，τ)，逻辑“1”所调制的波形为g(t，T-τ)：

$g(t,\mathrm{\τ})\left\{\begin{array}{cc}\frac{A}{\mathrm{\τ}}\sin \frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\τ}}& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \frac{A}{T-\mathrm{\τ}}\sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{T-\mathrm{\τ}}\mathrm{\π}+\mathrm{\π})& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

这里T为信号波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；而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；该调制波形本身具有如下技术特征：

①波形分两段分别定义，每段都是某正弦波的半个周期，但是幅度分别为A/τ和A/(T-τ)，周期则分别为2τ和2(T-τ)；

②载波被调制的程度因τ而异；若令τ＝αT，0＜α＜1，则α可作为带宽控制参数：当α＝0.5，g(t，τ)＝g(t，T-τ)就是幅度为2A/T的正弦波，其中A为幅度因子，可用来控制已调波的频谱最窄；而当α→0或α→1，g(t，τ)和g(t，T-τ)均与正弦波相差最大，已调波的频谱最宽；

③已调波在分段定义的波形连接点处连续，在“0→1”或“1→0”处的相位也连续，这有助于抑制已调波频谱的展宽，使其能量集中在频率f处；

④在一个波形周期T内，已调波的平均值为零，因而其频谱中不含直流分量，这也就是正弦波前后/正负两段幅度不同的原因。

取α＝0.475，T＝1/20kHz，得到VWDK调制信号的功率谱幅度如图1所示，其中纵坐标是以载波频率20kHz处的功率谱幅度作为0dB。由图可见，即使信号频谱中幅度最高的二次谐波(40kHz)，也比基波(20kHz)的幅度低了将近50dB(相当于基波的近10万分之一)，因此，VWDK调制信号的时域波形确实非常近似于正弦波。

图2是VWDK调制系统的全数字化实施例：发送端直接将由(1)式所表达的一个周期内的已调制波形g(t，τ)和g(T，T-τ)的离散采样值预先保存在存储器内，然后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g(t，τ)波形样本(如果信息位是“0”)或g(t，T-τ)波形样本(如果信息位是“1”)；选中的调制波形数字样本经过所需要频谱形状的窄带或超窄带数字滤波器滤波后，由DAC直接转换成模拟的已调波输出。另外，我们甚至还可以直接存储g(t，τ)和g(t，T-τ)经超窄带滤波后的波形样本，这样在发送端就可以省去代价较高的数字滤波器，从而不仅使得整个全数字化实现的VWDK调制系统可以很容易地集成在一片IC上，而且可以提高调制系统的时钟频率(即已调波频率或传输码率)。

图3是VWDK解调系统的全数字化实施例：带有因信道传输噪声和畸变而失真劣化的VWDK接收信号经过必要的放大后由ADC转换为数字信号，经过逆滤波器的数字滤波后，送入由数字乘法器、积分器和判决器所组成的相干解调器，完成对相应“0”、“1”序列的解调。其中相干解调器的原理是经典而公知的，本例直接沿用；而数字逆滤波器则是为了配合本发明的超窄带VWDK信号的可靠解调而专门设计的，其频率响应曲线的实质就是在信号的有效频带内补偿(即“逆”滤波)发送端因超窄带数字滤波所造成的“0”“1”波形的模糊(即恢复乃至放大二者之间的原始差异)，而在信号的有效频带外仍然需要有效滤除无用的噪声和干扰。

对于本实施例，我们可以在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 (3)

1. 一种高频带利用率的信息调制方法，其特征在于该方式用二进制信息码元直接改变正弦载波的波形，使得已调信号g(t，τ)对应逻辑“0”和g(t，T-τ)对应逻辑“1”与正弦信号之间的波形差异最小，并且只用一个参数τ即可控制该波形差异和信号带宽，其中一种VWDK调制波形用如下的公式来表示：

$g(t,\mathrm{\τ})=\left\{\begin{array}{cc}\frac{A}{\mathrm{\τ}}\sin \frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\τ}}& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \frac{A}{T-\mathrm{\τ}}\sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{T-\mathrm{\τ}}\mathrm{\π}+\mathrm{\π})& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

这里T为信号波形的周期，同时也是信息的符号宽度和码元宽度；而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；载波被调制的程度则因τ而异，τ作为带宽控制参数。

2. 根据权利要求1所述的高频带利用率的信息调制方法，其特征在于调制时只要控制带宽参数τ趋向0.5T，则频带利用率越高，达100bit/s/Hz以上。

3. 一种适用于权利要求1所述的高频带利用率的信息调制方法的解调方法，其特征在于基于逆滤波的解调方式是在相干解调之前采用逆滤波来与信号波形相匹配。

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