CN101296208A - 每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法。本方法用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，同时控制信号的初始相位，产生正弦调频信号和余弦调频信号，其特征在于所述的正弦调频信号分为正弦升调和正弦降调两种，所述的余弦调频信号也分为余弦升调和余弦降调两种，选择调频系数，使正弦升调和正弦降调在一个周期内是正交的，余弦升调和余弦降调在一个周期内是正交的；由于相位相差π/2，正弦升调信号与余弦升调信号在一个周期内是接近正交的，正弦降调信号与余弦降调信号在一个周期内也是接近正交的，由此组成信号集；载波的中心频率同时也是信息的传输速率；因为信号具有很小的频带宽度，线性调频的频谱集中在载波附近，因而频带利用率极高。本发明提供的方法，传信率高，频带利用率高，容易在电路中实现，具有应用价值，程序系统结构简单，具有灵活性，可用于短波通信。

Description

每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法

技术领域

本发明是一种数字通信的调制解调方法，采用一种每符号两比特的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。超窄带通信概念最初由H.R.Walker在1997年提出：甚小键控调制(Very Minimum ShiftKeying，VMSK)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 Difference Keying，VWDK)。郑国莘等人2007年提出采用甚小线性调频键控(Very Minimum Chirp Keying，VMCK)进一步改善了波形，并使得电路容易实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，是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：提出每符号两比特的甚小线性调频键控调制(2bits/symbol Very Minimum Chirp Keying，2VMCK)这一新概念。

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VWDK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。发明人2007年提出了甚小线性调频键控VMCK波形来构造UNB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。本发明在此基础上进一步提出基于每符号两比特甚小线性调频键控的调制方式2VMCK。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，同时控制信号的初始相位，产生正弦调频信号和余弦调频信号，其特征在于所述的正弦调频信号分为正弦升调和正弦降调两种，所述的余弦调频信号也分为余弦升调和余弦降调两种，选择调频系数，使正弦升调和正弦降调在一个周期内是正交的，余弦升调和余弦降调在一个周期内是正交的；由于相位相差π/2，正弦升调信号与余弦升调信号在一个周期内是接近正交的，正弦降调信号与余弦降调信号在一个周期内也是接近正交的，由此组成信号集；载波的中心频率同时也是信息的传输速率；因为信号具有很小的频带宽度，线性调频的频谱集中在载波附近，因而频带利用率极高。

每符号两比特的甚小线性调频键控调制2VMCK信号的含义是：信号波形由甚小线性调频键控调制而成，每个符号传输2比特信息，传信率达到甚小键控调制VMSK、甚小波形差键控调制VWDK和甚小线性调频键控VMCK的两倍。

2VMCK信号每个符号由正弦升调和正弦降调、余弦升调和余弦降调组合而成。

正弦升调信号是

sin{2πf_s[1-α+αf_st]t}

正弦降调信号是

sin{2πf_s[1+α-αf_st]t}

余弦升调信号是

cos{2πf_s[1+α-αf_st]t}

余弦降调信号是

cos{2πf_s[1+α-αf_st]t}

f_s是载波的中心频率，同时也是符号的传输速率。α是调频系数，α越大带宽越宽。

由正弦升调和正弦降调、余弦升调和余弦降调组合而成的四种信号是：

S1：正弦升调信号与余弦升调信号之和，

S2：正弦升调信号与余弦降调信号之和，

S3：正弦降调信号与余弦升调信号之和，

S4：正弦降调信号与余弦降调信号之和。

四种时域波形见图1。

上述的α值是：

(a)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。选择α＝0.731，可以使正弦升调信号与降调信号正交，余弦升调信号与降调信号也正交。

(b)选择α＝0.731满足升调与降调正交的情况下，由于相位相差π/2，正弦升调信号与余弦升调信号在一个周期内接近正交的，正弦降调信号与余弦降调信号在一个周期内也是接近正交的。

在调频信号的一个周期1/f_s内可以传输一个符号，符号有四种信号，因而每个符号传输2比特信息，传信率是2f_s。

由于不论升调或降调，相邻两个正弦调频信号相位总是连续的，相邻两个余弦调频信号相位也总是连续的，由此组合成的以上四个信号中，任两个信号连在一起时，总是连续的正弦信号与连续的余弦信号的叠加，所以相邻两个符号的相位总是连续的。信号的频谱主要为正弦波产生的载波线谱，离散谱集中在载波附近，因而频带很窄，频带利用率极高。

上述的通信方法，所采用的通信电路中，采用压控电路作为调制电路，采用匹配滤波器构成解调电路。

上述的通信方法，所采用的无线电通信电路中，采用FPGA和DAC来实现调制，采用FPGA和ADC构成解调电路。

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、传信率高。常规UNB信号如VMSK、VWDK和VMCK传信率理论上可以达到射频(RF)载波的频率，而2VMCK传信率理论上可以达到射频(RF)载波的频率的两倍。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。

2、频带利用率高。2VMCK传输信号的波形非常接近于正弦波，因而频谱能量高度集中，占用带宽很窄(图2是1000个2VMCK信号的功率谱密度函数)，可以实现超窄带的高速数据传输。

3、2VMCK波的中心频率与码元传输速率相同，这使它更容易在电路中实现，具工业应用价值。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。

4、可以采用软件无线电的方法产生2VMCK信号，同时可以采用软件无线电来实现对2VMCK信号的同步、均衡、相关、检测等运算。简化了系统结构，并且使得系统具有灵活性。

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UNB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是四种2VMCK的波形图。

图2是1000个2VMCK信号的功率谱密度函数。

图3是2VMCK系统基于模拟电路的电路框图，图中的图(a)为发射电路，图(b)为接收电路。

图4是2VMCK作为中频信号的基于软件无线电的程序框图。

图5是2VMCK直接作为射频信号的基于软件无线电的程序框图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结付附图详述如下：

图3是本实施例的2VMCK系统基于模拟电路的电路框图。通信方法如下：数据信息输入串并电路后速率降低为1/2，通过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，一路用以控制压控振荡器正弦或余弦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2VMCK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，同时作为正弦或余弦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、均衡后，分别在正弦升调、正弦降调、余弦升调、余弦降调的匹配滤波器中进行相关运算，通过最大似然判决电路以及并串电路后输出解调后的信号。同步信号用于协调整个接收端的工作。

图4是2VMCK作为中频信号的基于软件无线电的程序框图。在发送电路中波形是由FPGA控制下的DAC产生的。在RF电路中将这个中频信号调制到射频，再通过带通滤波器和天线发射出去。在接收端射频信号经过滤波器后经低噪声放大器、变频器后还原为中频信号，经ADC电路变为数字信号。OVMCK通信的同步、均衡、相关、判断等过程均在FPGA电路中予以实现。FPGA的数字输出端口直接与应用系统相连。

图5是2VMCK直接作为射频信号的基于软件无线电的程序框图。在发送电路中波形是由FPGA控制下的DAC产生的。这个射频信号在RF电路中得到功率放大，再通过带通滤波器和天线发射出去。在接收端，射频信号经过滤波、低噪声放大后进入ADC电路直接变为数字信号。OVMCK通信的同步、均衡、相关、判断等过程均在FPGA电路中予以实现。FPGA的数字输出端口直接与应用系统相连。

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。

图1中示出四种2VMCK的波形。

图2中示出1000个2VMCK信号的功率谱密度函数。

Claims (6)

1.一种每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，同时控制信号的初始相位，产生正弦调频信号和余弦调频信号，其特征在于所述的正弦调频信号分为正弦升调和正弦降调两种，所述的余弦调频信号也分为余弦升调和余弦降调两种，选择调频系数，使正弦升调和正弦降调在一个周期内是正交的，余弦升调和余弦降调在一个周期内是正交的；由于相位相差π/2，正弦升调信号与余弦升调信号在一个周期内是接近正交的，正弦降调信号与余弦降调信号在一个周期内也是接近正交的，由此组成信号集；载波的中心频率同时也是信息的传输速率；因为信号具有很小的频带宽度，线性调频的频谱集中在载波附近，因而频带利用率极高。

2.根据权利要求1所述的每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，其特征在于每符号两比特甚小线性键控调制2VMCK信号的含义是信号波形由甚小线性调频键控调制而成，每个符号传输2比特信息，传信率达到甚小键控调制VMSK、甚小波形差键控调制VWDK和甚小线性调频键控VMCK的两倍；每个符号由正弦升调和正弦降调、余弦升调和余弦降调组合而成；

正弦升调信号是

sin{2πf_s[1-α+αf_st]t}

正弦降调信号是

sin{2πf_s[1+α-αf_st]t}

余弦升调信号是

cos{2πf_s[1+α-αf_st]t}

余弦降调信号是

cos{2πf_s[1+α-αf_st]t}

式中f_s是载波的中心频率，同时也是符号的传输速率；α是调频系数，介于0到1之间；α越大带宽越宽，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；

所述的α值为：

(a)选择α＝0.731，使正弦升调信号与降调信号实现正交，余弦升调信号与降调信号也实现正交；

(b)选择α＝0.731满足升调与降调正交的情况下，由于相位相差π/2，正弦升调信号与余弦升调信号在一个周期内接近正交的，正弦降调信号与余弦降调信号在一个周期内也是接近正交的。

3.根据权利要求2所述的每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，其特征在于调频信号的一个周期1/f_s内传输一个2VMCK符号，符号有四种信号：S1：正弦升调信号与余弦升调信号之和，S2：正弦升调信号与余弦降调信号之和，S3：正弦降调信号与余弦升调信号之和，S4：正弦降调信号与余弦降调信号之和；因而每个符号传输2比特信息，传信率是2f_s。

4.根据权利要求2所述的每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，其特征在于相邻2VMCK符号总是由相邻两个正弦调频信号与相邻两个余弦调频信号叠加而成；不论升调或降调，相邻两个正弦调频信号相位总是连续的，相邻两个余弦调频信号相位也总是连续的，所以相邻两个符号的相位总是连续的；信号的频谱主要为载波线谱，离散谱集中在载波附近，因而频带很窄，频带利用率极高。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信方法，其特征在于所采用的通信电路中，采用压控电路作为调制电路，采用匹配滤波器构成解调电路。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的每符号两比特的甚小线性调频键控调制通信电路方法，其特征在于所采用的无线电通信电路中，采用FPGA和DAC来实现调制，采用FPGA和ADC构成解调电路。

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