CN101146072B - 甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法。它是用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，载波的中心频率同时也是信息的传输速率、线性调频的频谱集中在载波附近，调频的正弦信号在一个比特内正好为一个周期。本方法频带利用率极高，不失为一种超窄带通信方法。

Description

甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法

技术领域

本发明是一种数字通信的调制解调方法，采用一种甚小线性调频键控调制实现超窄带通信，属于数字通信领域。

背景技术

数字通信技术中，为了实现远距离有线传输或无线电传输，在发射端必须采用频率很高的正弦波作为载体(载波)，用二进制信号“1”、“0”来改变载波的某些参数，以实现调制。在接收端用相应的电路还原信号，实现解调。调制的方法有幅度调制(调幅)、频率调制(调频)和相位调制(调相)等。信号的频率成分叫频谱，单纯的正弦波频谱是一个离散的线谱。调制后的信号所含的频率成分变为连续谱，并占有一定的宽度，称为带宽(单位为Hz)。由于无线电频谱资源十分宝贵，因此，人们一直追求新的通信技术，具有较窄的带宽，和较高的信息传输速率(单位为bit/s)。换言之，单位带宽内的传信率，即频带利用率(单位为bit/(s.Hz))是通信技术重要指标。超窄带(UltraNarrow Band，UNB)通信概念最初由H.R.Walker在1997年提出：甚小键控(Very Minimum Shift Keying，VMSK)调制具有非常高的频道利用率。在这种VMSK中，采用了矩形波，一个比特过零点的位置不同代表传送不同信息。当将此基带信号调制到高频后，由于信息的频谱并不在调制频率附近，所以可以采用单边带SSB-SC发射，减小了频带宽度，因而获得了很大的频带利用率(15bit/(s.Hz))。此后吴乐南提出采用类正弦信号的甚小波形差键控调制(Very Minimum Waveform DifferenceKeying，VDSK)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的超窄带通信方法。该方案中信号的频谱集中在载波附近，因而频带利用率极高，可以在很窄的的频率范围内，传输高速数据流，可以大幅度提高频率资源的利用率。

为达到上述目的，本发明的构思是：提出甚小线性调频键控的调制方式(VeryMinimum Chirp Keying，VMCK)。

超窄带通信概念最初是甚小键控(Very Minimum Shift Keying，VMSK)调制，在这种VMSK中，采用了矩形波，一个比特过零点的位置不同代表传送不同信息。一个比特被分成M个时隙。对应于“1”或“0”，波形相位的变化发生在(M-1)/2或(M+1)/2。由于矩形波具有较宽的频带，吴乐南提出采用类正弦信号的VDSK波形。此方案在一个比特中，前半段信号与后半段信号采用两种频率的正弦波，通过选择频率为“先高后低”或“先低后高”来改变过零点的位置，从而代表不同的信息。因为这两种正弦波的频率都与传信率不同，产生比较困难，接收端采用相干检测时，实现比特同步也不容易。本发明提出了采用甚小线性调频键控(Very Minimum ChirpKeying，VMCK)波形来构造超窄带信号。线性调频信号具有优良的相关性，并且容易产生，在接收端也容易实现相关运算。这种波形比矩形、类正弦都有较窄的频带，因而有更高的频带利用率。

VMCK信号的含义是：在一个比特内有一个线性调频的正弦波周期。

s₁(t)＝(1-α+2αf_st)sin{2πf_s[1-α+αf_st]t}，0＜α≤1  0＜t≤1/f_s

s₂(t)＝(1+α-2αf_st)sin{2πf_s[1+α-αf_st]t}，0＜α≤1  0＜t≤1/f_s

这里s₁(t)和s₂(t)代表数据“1”和“0”，f_s是载波的中心频率，同时也是信息的传输速率。α是调频系数，α越大带宽越宽。时域波形见图1。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法，其特征在于用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，载波的中心频率同时也是信息的传输速率，线性调频的频谱集中在载波附近，调频的正弦信号在一个比特内正好为一个周期。

上述的用二进制数据控制线性调频为：设定数据“1”对应的波形为：

(1-α+2αf_st)sin{2πf_s[1-α+αf_st]t}，

数据“0”对应的波形为

(1+α-2αf_st)sin{2πf_s[1+α-αf_st]t}，

这里f_s是载波的中心频率，同时也是信息的传输速率，则

(a)数据“1”对应的波形是“升调”，频率为线性上升，对角度的微分可以得到频率的方程是2πf_s[1-α+2αf_st]；

(b)数据“0”对应的波形是“降调”，频率为线性下降，对角度的微分可以得到频率的方程是2πf_s[1+α-2αf_st]；

(c)数据“1”对应的波形的幅度随着频率上升线性升高，使得在一个比特时间内信号的积分为0，即不含直流分量；

(d)数据“0”对应的波形的幅度随着频率下降线性下降，使得在一个比特时间内信号的积分为0，即不含直流分量；

(e)α为线性调频指数，介于0到1之间；当α为0时，信号为纯正弦波，频带为0，但不能传输信息，当α为1时，频带最宽，信号抗干扰能力最强；

在上述的甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法中，采用压控电路作为调制电路来实现调制，采用匹配滤波器构成解调电路来实现解调。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.频带利用率高。VMCK是一种载波调制方式，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，在短波频段得到数百kb/s、微波频段得到数百Mb/s的传输码率也是可能的。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，占用带宽很窄，可以实现超窄带的高速数据传输。

2.矩形VMSK和类正弦的VWDK频谱在二次、三次等谐波处有较高的离散谱线，需要通过滤波器陷波或波形修正。而VMCK在基波处有一条离散谱线，谐波处的离散谱线很小(图2)，使得它窄带性能优越。

3.在“1”、“0”两种信号是正交的情况下，VMCK比矩形VMSK和类正弦的VWDK带宽都窄，频带利用率也更高。

4.VMCK波的中心频率与信息传输速率相同，这使它更容易在电路中实现，具工业应用价值。线性调频电路可以用模拟电路实现，其核心电路为压控振荡器VCO。加在VCO上的电压是线性变化的，这个电压还可以同步地作为线性调频后的幅度调制信号。因此，发射端比较容易构造出高频调制电路，这为实现微波段甚至更高频段的超窄带通信提供了可能。

5.本方案可以用于短波通信。短波电台数据传输速率只有几kb/s。若利用VMCK中频调制，可望达到上百kb/s的高速数传。本方案可以用于XDSL实现系统增容。可以用于无线广播电台、电视台的载波/副载波携带高速信息，实现附加服务。

附图说明

图1是不同α下的VMCK波形图。

图2是VMCK的信号频谱图。

图3是VMCK系统图。

具体实施方式

图3是VMCK系统的实施例。数据信息输入双极性发生器，产生了正负电平的信号输出。通过积分电路后变为随时间而变的斜坡电平。该电平分为两路，一路用以控制压缩振荡器VCO，产生线性调频信号，另一路对线性调频信号再进行一次线性调幅，最后输出VMCK信号。原数字信号通过时钟电路产生与比特同步的窄脉冲，作为积分电路所需的猝息脉冲，同时作为VCO电路的触发脉冲，保证各部分电路在统一的时钟电路控制下协调一致工作。在接收电路中接收通过具有近似零时延误差的窄带滤波器后，分别在“升调”和“降调”匹配滤波器中进行相关运算，最后通过判决电路得到解调后的信号。

采用本实施方案，可以在50k中频上用1-5k带宽传输50-100kbps数据。也可以进一步调制到短波甚至超短波，仍然保证很高的频带利用率。

Claims (2)

1.一种甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法，其特征在于用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，载波的中心频率同时也是信息的传输速率，线性调频的频谱集中在载波附近，调频的正弦信号在一个比特内正好为一个周期；所述的用二进制数据控制线性调频为：设定数据“1”对应的波形为：

(1-α+2αf_st)sin{2πf_s[1-α+αf_st]t}，

数据“0”对应的波形为

(1+α-2αf_st)sin{2πf_s[1+α-αf_st]t}，

这里f_s是载波的中心频率，同时也是信息的传输速率，则

a)数据“1”对应的波形是“升调”，频率为线性上升，对角度的微分可以得到频率的方程是2πf_s[1-α+2αf_st]；

b)数据“0”对应的波形是“降调”，频率为线性下降，对角度的微分可以得到频率的方程是2πf_s[1+α-2αf_st]；

c)数据“1”对应的波形的幅度随着频率上升线性升高，使得在一个比特时间内信号的积分为0，即不含直流分量；

d)数据“0”对应的波形的幅度随着频率下降线性下降，使得在一个比特时间内信号的积分为0，即不含直流分量；

e)α为线性调频指数，介于0到1之间；当α为0时，信号为纯正弦波，频带为0，但不能传输信息，当α为1时，频带最宽，信号抗干扰能力最强；

其中，0＜t≤1/f_s。

2.根据权利要求1所述的甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法，其特征在于采用压控电路作为调制电路来实现调制，采用匹配滤波器构成解调电路来实现解调。