CN101094209A

CN101094209A - 统一的正交二元偏移键控调制和解调方法

Info

Publication number: CN101094209A
Application number: CN 200710025203
Authority: CN
Inventors: 吴乐南; 戚晨皓
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Suzhou Dongqi Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: CN100571230C

Abstract

统一的正交二元偏移键控调制和解调方法，将两路二进制信息序列分别送入相互正交的I路和Q路调制器进行UBSK调制：I路采用基本波形分别为I₀和I₁的调制，而Q路则采用基本波形分别为Q₀和Q₁的调制，两路的调制参数相同，只是所调制的载波相互正交即相位相差90°。用锁相环实现解调时，正交鉴相器的两路输出经反正切处理后，可得到幅度正比于θ的输出电平值，从而既可以简单地采用自适应调整门限电平的判决方法，也可以先依据时间τ对鉴相器输出进行相干积累，使得信噪比提高后再判决检测，以保证更好的解调性能。

Description

统一的正交二元偏移键控调制和解调方法

技术领域

本发明涉及数字通信中的信息调制与解调，特别是一种统一的正交二元偏移键控(UBSK：Unified Binary Shift Keying)调制和解调方法，属于数字信息传输的技术领域。

背景技术

数字通信系统中，把二进制数据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。实用中，既追求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)；也希望能更有效地利用发射能量，得到更好的传输效果。

本申请人在先专利申请“统一的二元相位调制和解调方法”(申请号：200610040767.2；公开号：CN1889550A)中，提出一种对二元相位调制方式的统一描述和全数字实现方法，得到了一类“扩展的二元相移键控”(EBPSK：Extended Binary Phase Shift Keying)调制方式。EBPSK利用数据位直接控制正弦载波的相位跳变及其时间占空比，即可分别或同时改变信号带宽、传输码率和传输性能，可以实现超窄带的高速数据传输。而现有的二元相移健控(BPSK或2PSK)和幅度偏移健控(2ASK)以及美国的3PRK/3PSK、MCM和NRZMSB等调制方式均为其特例。但在数字通信系统中，通常还将两路独立的数字序列分别对频率相同但相位相差90°的正交载波进行调制，从而形成正交传输，以获得更高的带宽利用率。经典的四元相移键控(QPSK或4PSK)将两路独立的BPSK信号正交传输，实现了带宽效率由1bps/Hz到2bps/Hz的翻倍，可在相同的码元速率下加倍信息传输速率，或在相同的信息速率下减半码元速率。

发明内容

本发明目的是提出一种统一的正交二元偏移键控(UBSK：Unified Binary Shift Keying)调制和解调方法，希望实现EBPSK信号的正交调制和解调，并将其扩展到载频也可以不同的频移健控(FSK)情形，以解决更广泛的统一的二元正交传输技术，实现两路独立的二进制序列在同一频谱资源下的混合传输。由于两路已调波形相互正交，理想传输时不会互相干扰，有望实现EBPSK信息传输速率的加倍，关键是需要采用适当的解正交和解调方法，将两路数字序列可靠地恢复出来

本发明的技术方案是：统一的正交二元偏移键控调制和解调方法，以二进制信息码元直接改变正弦载波的突变相位实现调制，用锁相环实现解调方法为基础，其特征在于将两路二进制信息序列分别送入相互正交的I路和Q路调制器进行UBSK调制：I路采用基本波形分别为I₀和I₁的调制，而Q路则采用基本波形分别为Q₀和Q₁的调制，两路的调制参数相同，只是所调制的载波相互正交即相位相差90°，表示如下：

I₀(t)＝Acos2πf_c0t， 0≤t＜T

I_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \cos (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \cos 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

Q₀(t)＝Asin2πf_c0t， 0≤t＜T

Q_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \sin (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \sin 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

其中，f_c0为码元“0”的载波频率以及码元“1”部分持续时间的载波频率，f_c1则为码元“1”部分持续时间的载波频率；T为二进制码元周期；τ＝K/f_c1，即相位跳变持续了K个f_c1载频周期的时间长度；θ为跳变角度大小。θ，τ，B和f_c1构成了改变调制方式、信号带宽、传输码率和解调性能的“调制参数组”；

用锁相环实现解调时，正交鉴相器的两路输出经反正切处理后，可得到幅度正比于θ的输出电平值，从而既可以简单地采用自适应调整门限电平的判决方法，也可以先依据时间τ对鉴相器输出进行相干积累，使得信噪比提高后再判决检测，以保证更好的解调性能。

本发明的优点及有益效果：

1)利用数据位直接控制正弦载波的幅度、频率、相位跳变及其时间占空比，即可分别或同时改变调制方式、信号带宽、传输码率和传输性能，实现超窄带的高速数据传输，并涵盖包括最基本的2ASK、2PSK和2FSK在内的所有经典的二进制偏移键控调制方式；其次提出对两路独立数据采用正交的UBSK调制传输和基于锁相环正交鉴相器的信息解调方法：正交鉴相器的两路输出经反正切处理后，可得到幅度正比于相位跳变的输出电平值，从而既可以简单地采用自适应调整门限电平的判决方法，也可以先依据相位跳变时间对鉴相器输出进行相干积累，使得信噪比提高后再判决检测。从而在与单路传输相同的码元速率条件下，加倍了UBSK调制的信息传输比特率。

2)频带利用率高。由于本发明采用I、Q两路使用同一载波频率传输独立的UBSK调制信号，因此在相同的码元速率下，信息速率比单路传输提高了一倍，而频谱利用率则是200610040767.2号专利申请所发明的EBPSK高效调制的2倍。

3)接收机结构简单。以数字锁相环为核心的接收机，不仅实现了信号的相干解调，而且用于频率合成、建立位同步、进行载频跟踪等；本专利申请改进的正交鉴相器结构，能准确提取解调信息，有利于减轻后续的检测和判决模块的设计难度。整个图2所示的UBSK正交解调器可实现全数字化处理，从而有利于集成电路的芯片集成。

4)适应面宽。本专利申请所发明的UBSK调制扩展了200610040767.2号专利申请所发明的EBPSK调制方式，使之能进一步覆盖经典的2FSK调制，且调制参数的组合扩展到(θ，τ，B，f_c1)四元组，可在很大的自由度下控制调制方式(频率、幅度和相位)、信号带宽和传输码率，在同样的发射功率下(即参数A不变)得到不同的传输性能，以适应不同的信道环境。特别是当调制方式和传输码率均改变后，只要基本载频f_c0不变，则采用图2解调方式的接收机就可以不中断地自动识别出调制方式、调制占空比、码元宽度和传输码率等参数的改变值，尤其适合非合作的特殊通信要求，便于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，为正在蓬勃兴起的认知无线电(Cognitive Radio)技术提供了很好的物理层实现的技术框架，也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。

附图说明

图1是本发明申请所提出的正交UBS调制器系统框图；

图2是本发明申请所提出的正交UBSK解调器系统框图；

图3是本发明申请所提出的正交UBSK调制信号的鉴相器输出结果。

具体实施方式

首先，对本发明方法再作详细及进一步说明。

1、EBPSK调制方法回顾

我们在200610040767.2号专利申请中提出的EBPSK调制方法，是用二进制信息码元直接改变频率为f_c的正弦载波的突变相位实现调制，使得对应数字“0”的已调信号f₀(t)是N个载波周期的正弦波，而对应数字“1”的f₁(t)则是在频率为f_c的N个载波周期的正弦波中，前K个周期的相位跳变了θ角度。即

f₀(t)＝Asin 2πf_ct， 0≤t＜T (1)

f_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \sin (2 {πf}_{c} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \sin 2 π f_{c} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

其中，T＝N/f_c是数据信息的符号宽度(即码元的时间长度)，持续了N≥1个载波周期；τ＝K/f_c是跳变波形持续的时间长度(持续了K个载波周期，K≤N)。

由(1)式的EBPSK表达式不难看出：

1)当A＝0，(1)式退化为雷达中常用的普通脉冲调制；

2)当B＝0，(1)式退化为美国6445737和6968014号专利中的缺周期调制(MCM)；

3)当τ＝T，(1)式退化为经典的二元幅度偏移健控(2ASK)调制；若同时再有B＝0，则(1)式就是经典的开关健控(OOK)调制；

4)当B＝A：

a)若τ＝T且θ＝π，(1)式退化为经典的二元相移健控(2PSK)调制；

b)若τ＝T/4且θ＝π，(1)式退化为美国6445737号专利中的3PRK调制；

c)若τ＝T/4且θ＝π/2，(1)式退化为美国6445737号专利中的3PSK调制；

5)当B＝A，载波被调制的程度因θ和τ而异。0≤θ≤π，可作为带宽控制参数：当θ→0，已调波频谱最窄；而当θ→π，已调波频谱最宽；而τ/T＝K/N可称为“调制占空比”。根据(1)式选取适当的θ，加以τ的控制，再配合较好的成形滤波器，即可把已调信号的带宽控制得很窄，使调制后的高频信号功率谱呈现出主峰突出而边带极低的“超窄带”情形。

2、EBPSK调制方法扩展

在(1)式所表达的EBPSK调制中只改变一个参数即引入第二个载波，其它不变，便得到一个更为广泛和通用的二元键控调制表达式：

f₀(t)＝Asin 2πf_c0t， 0≤t＜T (2)

f_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \sin (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \sin 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

其中，f_c0为码元“0”的载波频率以及码元“1”部分持续时间的载波频率，f_c1则为码元“1”部分持续时间的载波频率；T为二进制码元周期；τ＝K/f_c1，为相位跳变时间长度。不难看出：

1)如果B＝A且τ＝T，(2)式退化为经典的二元频移健控(2FSK)。一般地，设定f_c0-f_c1＝1/T，这样能保证FSK调制波形具有连续的相位，即CPFSK；

2)如果f_c0＝f_c1，(2)式便退化为(1)式。

至此，本发明便将200610040767.2号专利申请所提出的“扩展的二元相移键控”(EBPSK)调制方式进一步推广为由(2)式所表达的“统一的二元偏移键控”(UBSK：UnifiedBinary Shift Keying)调制方式，因为UBSK可涵盖包括最基本的2ASK、2PSK和2FSK在内的、几乎所有经典和可能的采用正弦载波的二元(或二进制)偏移键控调制方式。而θ、τ、B和f_c1这4个参数则构成了改变信号带宽、传输码率和解调性能的“调制波形参数”。

3、UBSK双路正交调制

为了实现两路二进制信息序列的UBSK正交调制，本发明首先将该两路二进制信息序列(或将四进制编码的符号序列拆分为两路并行的二进制比特序列)，分别送入相互正交的I路和Q路调制器进行UBSK调制：I路采用基本波形分别为I₀和I₁的调制，而Q路则采用基本波形分别为Q₀和Q₁的调制；I路和Q路的调制参数定义均与(2)式相同，只是所调制的载波相互正交即相位相差90°，表示如下：

I₀(t)＝Acos2πf_c0t， 0≤t＜T (3a)

I_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \cos (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \cos 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

Q₀(t)＝Asin2πf_c0t， 0≤t＜T (3b)

Q_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \sin (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t < τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \sin 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

由(3)式并结合(1)式和(2)式的讨论可见：

1)如果(2)式的参数选取为2FSK调制，则(3)式即为双路2FSK的正交调制；

2)如果(2)式的参数选取为2ASK调制，则(3)式即为双路2ASK的正交调制；

3)如果(2)式的参数选取为2PSK调制，则(3)式即为双路2PSK的正交调制(QPSK调制)；

4)在一般情形下，(3)式表示两路独立的UBSK调制。

因此，可把(3)式所表示的波形，称之为“正交的UBSK调制”。

4、基于锁相环鉴相器的正交UBSK信号解调

锁相环(PLL)能有效地跟踪正弦载波，环路中的鉴相器(PD)能及时检测出载波的相位跳变；而对于不同的相位跳变大小，PD输出信号的幅度也不同。因此，可依据PD的输出结果对角度健控(如PSK、FSK)调制信号进行有效地解调。通常PD由乘法器和低通滤波器构成，分析和设计时采用θ来近似sinθ以简化推导过程和PD的电路结构，但这种近似会引入误差，并把PD的工作范围限制在[-π/2，π/2]。本发明则改进了PD结构：采用两路正交鉴相，使得PD输出信号的幅度精确地正比于输入信号的相角偏移，并把PD的工作范围展宽至[-π，π]。实验表明，该正交鉴相器准确地输出了相位跳变值，极大地提高了信号的解调性能；同时发现，如果把信号的相位跳变控制在(π/2，π)，可获得最佳判决性能。

实施例：1、正交UBSK调制

图1是正交UBSK调制系统的全数字化实施例，具体步骤如下：

1)按照(3)式选定具体的调制方式。例如：取A＝B＝1，

θ = \frac{3}{4} π,

τ = \frac{1}{100} T,

f_{c 0} = f_{c 1} = f_{c} = \frac{1}{T} = 465 kHz .

2)将串行输入的每个码元用2bit表示的(00，01，10，11)四进制码元序列，经过图1的串并转换器拆分成I、Q两路每个码元用1bit表示的(0，1)二进制码元表示的比特序列。

3)每路比特序列分别控制自己的波形样本存储器。以I路为例：

如果该比特为“0”，则按照采样频率f_s＝10f_c＝4.65MHz的速率输出(3a)式中代表数字“0”的基本波形I₀(t)；

如果该比特为“1”，则按照采样频率f_s＝10f_c＝4.65MHz的速率输出(3a)式中代表数字“1”的基本波形I₁(t)；

对于Q路则完全类似，只不过要按照(3b)式输出基本波形Q₀(t)或Q₁(t)。

4)将I路和Q路输出的分别对应两个单路UBSK调制的信号波形样本直接相加，便得到一路正交UBSK调制的波形样本；

5)加法器输出的正交UBSK调制的波形样本经过图1中的数模转换器(DAC)，便得到了正交UBSK调制信号。

2、正交UBSK解调

图2是正交UBSK解调系统的全数字化实施例，其中除了检测判决模块以外，其余功能模块构成数字锁相环；而锁相环中的两路乘法器、两路低通滤波器、一个90°移相器和一个反正切(Arctan)计算器则构成一个正交鉴相器；另外一个“÷M”模块表示M倍分频器，以便使系统时钟发生器产生频率严格为UBSK载波频率f_c的M倍的采样脉冲和系统时钟，并与f_c严格同步(对于本例，M＝10)。具体解调步骤如下：

1)把接收到的UBSK调制信号数字化后同时送入正交鉴相器的I、Q两路乘法器，分别与来自PLL压控振荡器(VCO)的本地载波信号相乘，但其中一路本地载波信号在相乘前经过了90°移相；

2)I、Q两路乘法器的输出信号经过特性相同的低通滤波器滤除了其它高频分量后，分别得到幅度正比于sinθ和cosθ的输出电平值；

3)将I、Q两路的输出电平值同时送入反正切计算器，便得到幅度正比于θ的正交鉴相器输出电平值，如图3所示；

4)理想情况下，鉴相器输出信号电平应该为

三者之一，这时，可以简单设定门限电平为和

进行判决；

5)在信道噪声比较严重的情况下，对鉴相器输出进行积分，通过累积和放大来提高信噪比，并自适应调整判决门限，有效提高了信号的解调性能。

Claims

1、统一的正交二元偏移键控调制和解调方法，以二进制信息码元直接改变正弦载波的突变相位实现调制，用锁相环实现解调，其特征在于将两路二进制信息序列分别送入相互正交的I路和Q路调制器进行UBSK调制：I路采用基本波形分别为I₀和I₁的调制，而Q路则采用基本波形分别为Q₀和Q₁的调制，两路的调制参数相同，只是所调制的载波相互正交即相位相差90°，表示如下：

I₀(t)＝Acos2πf_c0t， 0≤t＜T

I_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \cos (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t \leq τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \cos 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

Q₀(t)＝Asin 2πf_c0t， 0≤t＜T

Q_{1} (t) = \{\begin{matrix} B \sin (2 π f_{c 1} t + θ), & 0 \leq t \leq τ, 0 \leq θ \leq π \\ A \sin 2 π f_{c 0} t, & τ \leq t < T \end{matrix}

其中，f_c0为码元“0”的载波频率以及码元“1”部分持续时间的载波频率，f_c1则为码元“1”部分持续时间的载波频率；T为二进制码元周期；τ＝K/f_c1，即相位跳变持续了K个f_c1载频周期的时间长度；θ为跳变角度大小，θ，τ，B和f_c1构成了改变调制方式、信号带宽、传输码率和解调性能的“调制参数组”；

用锁相环实现解调时，正交鉴相器的两路输出经反正切处理后，得到幅度正比于θ的输出电平值，然后进行判决。

2、根据权利要求1所述的统一的正交二元偏移键控调制和解调方法，其特征在于经反正切处理后的鉴相器输出可以简单地采用自适应调整门限电平的判决方法，也可以先依据时间τ对鉴相器输出进行相干积累，使得信噪比提高后再判决检测，以保证更好的解调性能。