CN101409697A - 非正弦时域正交调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非正弦时域正交调制方法，是基于正交脉冲传输信息的非正弦波调制。通过将待传信号调制到时域正交脉冲组上，并调整脉冲参数实现已调信号的频谱搬移与频谱控制。已调信号为频谱特性可控的带限信号，可适用于任意通信频段，既能实现大相对带宽或宽带通信，又能实现小相对带宽或窄带通信，在频谱管理上能够与现有其他小相对带宽通信体制分频段分信道通信模式兼容，且系统的频带利用率随着正交脉冲个数的增加可以无限接近奈奎斯特速率。

Description

非正弦时域正交调制方法

技术领域

本发明涉及无线电通信中的调制方法，尤其涉及一种基于时域正交脉冲传输信息的非正弦波调制。

背景技术

自从二十世纪初马可尼发明LC谐振电路以来，基于正弦载波进行无线电通信的系统一直占据着主导地位。其原因主要有二点：一是根据傅里叶变换理论，采用正弦波作为载波对传输信号进行调制时，可以非常简便地、无失真地将信号频谱进行搬移，通过滤波器滤波后，使得无线电信号可以在指定的、易于电磁波传播频段和信道内传输，实现无线电通信。二是基于正弦波谐振的LC谐振电路具有线性时不变性、易于选频、易于实现。无线电通信分频段分信道通信管理体制的要求，使得基于正弦载波进行无线电通信的系统具有天然的优势。目前，广播、电视、手机以及各类常用电台和卫星无线电通信的调制方式几乎都是基于正弦波载波的。

但是，由于LC正弦波谐振电路的谐振特性随着相对带宽的增加而逐渐减弱，因此基于正弦载波的调制信号必须具有小相对带宽特性，由此带来的问题是使得通信系统的传信带宽很窄，限制了系统总传信速率的提高。尤其是在低频段通信中，因载波频率非常低和小相对带宽特性要求，从而使基于正弦载波调制和LC正弦波谐振电路滤波的通信系统，通信带宽非常小，通信速率非常低。

1981年，H.F.Harmuth针对传统正弦载波调制体制的小相对带宽问题，在《非正弦波雷达及无线电通信》(H.F.Harmuth著，张其善，李植华译，人民邮电出版社，1989年，393-401)一书中提出了非正弦波通信的思想，其要点是采用多路正余弦脉冲叠加形成大相对带宽信号，增加信息传输的绝对带宽，从而提高通信系统的单位频带利用率和总传输速率。同时基于这一思想，提出了以正余弦脉冲传输信息的非正弦波基带调制方法。该方法存在的缺陷是：由于没有实现调制后信号频谱搬移的方法，以及有效控制频谱带宽的方法，使得调制后的信号只能形成大相对带宽信号，不能形成小相对带宽信号。这种方法产生的调制信号不能满足无线电频谱管理的要求，只能用于基带传输系统，或者类似于基带传输系统的极低频通信系统。

近年来发展起来的基于脉冲调制的无线电超宽带通信，也是非正弦波通信研究的一个方面，它是以纳秒级窄脉冲传输信息，在高频段形成超宽带信号，以提高通信系统的总传输速率；由于这种脉冲信号带宽通常远大于信息传输速率，因此其频带利用率非常低。

发明内容

本发明的目的是发明一种新的非正弦波调制方法。该方法中，在无载波调制条件下，实现非正弦波信号的频谱搬移；已调信号是频谱特性可控的带限信号，既能实现大相对带宽或宽带通信，又能实现小相对带宽或窄带通信，在频谱管理上能够与现有其他小相对带宽通信体制分频段分信道通信模式兼容，同时使系统具有较高的频带利用率。

为达到上述目的，本发明提出了非正弦时域正交调制方法。该调制方法是基于时域正交脉冲组传输信息的非正弦波调制方式，它将信息调制到时域正交脉冲组上，通过调整脉冲组参数，控制已调信号的频谱搬移和频谱带宽，使已调信号在时域上扩展，在频域上混叠或部分重叠，减小传输信息的带宽，以此提高单位频带利用率。

本发明是通过如下技术措施来达到：

①将待调制信号d(t)分解为M路信号d₁(t)d₂(t)……d_M(t)，然后对分解得到的各路信号在时间上进行放大M倍，即由原来的串行传输转换为多路并行传输，生成在时间上展宽M倍的各分路信号，实现各路信号在时域上扩展，频域上压缩，如图1所示。

②将分解得到的各路信号d₁(t)d₂(t)……d_M(t)，分别对应时域正交脉冲组中的脉冲信号P₁(t)P₂(t)……P_M(t)，对组中各脉冲分别进行脉冲参数(幅度或相位)调制，如图1所示。

③将各分路调制后的信号，重新在时域相加合成为一路信号输出，如图1所示。

④时域正交脉冲信号发生器所产生的时域正交脉冲组具有下述特性：脉冲组中的各脉冲信号，在时域上是正交的，在频域上相互混叠或部分重叠，通过调整各脉冲的参数，脉冲组各脉冲频域特性的带宽和中心频率可调。参与调制脉冲组的脉冲个数M和单个脉冲的持续时间T_s，与系统带宽B和单位频带利用率η，四者必须满足 $\frac{M}{{\mathrm{BT}}_s}=\mathrm{\η}(\mathrm{baud}/\mathrm{Hz}),$ 并且 $\underset{M\→\∞}{\lim }\frac{M}{{\mathrm{BT}}_s}=2(\mathrm{baud}/\mathrm{Hz}),$ 即随着参与调制脉冲个数M的增加，系统的单位频带利用率η可以无限接近奈奎斯特速率2baud/Hz。

⑤满足技术措施④所述特性的时域正交脉冲组的形式可多样化，如时域正交椭圆球面波(PSWF)脉冲组、时域正交正余弦脉冲组等。作为示例，时域正交椭圆球面波(PSWF)脉冲组时域波形和频谱图分别如图2、图3所示，时域正交正余弦脉冲组的时域波形和频谱图分别如图4、图5所示。

⑥时域正交脉冲组的选择、各脉冲的参数以及参与调制的脉冲数量，对系统的单位频带利用率和总的传信率具有重要作用。在具体通信系统设计中，可以根据通信系统带宽、频段中心频率、单位频带利用率等要求，通过调整脉冲组中的各脉冲参数，控制已调信号的频谱搬移、频谱展宽与压缩，使得合成后信号的频谱特性，是大相对带宽(或宽带)信号，或者是小相对带宽(或窄带)信号，以满足系统要求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

①现有调制技术主要采用正弦载波调制实现信号的频谱搬移，而在本发明中，通过调整脉冲参数实现非正弦波调制信号的频谱搬移，解决了无载波调制条件下非正弦波信号分波段分波道传输的问题。

②本发明提出的调制技术是无载波通信方式，在频域上不产生上下边带，尤其是采用时域正交椭圆球面波(PSWF)脉冲组传输信息时，已调信号带外旁瓣辐射功率在-60dB以下(图3)，能量聚组性好，使系统具有较好的功率利用率，同时已调信号可不再需要滤波而直接送往天线辐射，避免了滤波时对信号时域波形产生失真。

③单位频带利用率高，且随着正交脉冲个数的增加，单位频带利用率理论上可无限接近奈奎斯特速率2baud/Hz，远大于现有基于脉冲调制的超宽带通信技术，尤其是采用时域正交椭圆球面波(PSWF)脉冲组传输信息时，可快速接近奈奎斯特速率，频带利用率提升速度大于现有频带利用率最高的OFDM调制(图6)。

④从传统观点来看，脉冲通信只能实现宽带或大相对带宽通信，且通信频段固定(例如超宽带通信频段固定在3.1～10.6GHz，Harmuth提出的基带调制方法只能应用于基带传输频段或极低频段)，而本发明中，已调信号是频谱特性可控的带限信号，可适用于任意通信频段，既能实现大相对带宽或宽带通信，又能实现小相对带宽或窄带通信。

附图说明

图1是非正弦时域正交调制原理框图。

图2是由16个椭圆球面波脉冲组成的时域正交PSWF脉冲组时域波形图，脉冲持续时间为40ms。

图3是图2所示时域正交PSWF脉冲组的归一化功率谱，主瓣频率范围为1000Hz～1250Hz，带宽250Hz。

图4是由8个正余弦脉冲组成的时域正交正余弦脉冲组时域波形图，脉冲持续时间为10ms。

图5是图4所示时域正交正余弦脉冲组的频谱图，主瓣频率范围为0～500Hz，频宽为500Hz。

图6是在99％能量带宽条件下，本发明与OFDM调制的频带利用率比较曲线。

图7是实施例二已调信号频谱示意图。通过调整脉冲参数，将实施例一所示已调信号的频谱从1000Hz～1250Hz搬移到了200kHz～200.25kHz。

图8是实施例三已调信号频谱示意图。通过调整脉冲参数，将实施例二所示已调信号的频谱以200.125kHz为中心展宽两倍。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

调制原理如图1所示，可按如下步骤实施调制：

①构建时域正交脉冲组；

②串并转换，即将一路待调制信息(信号)分解为多路；

③分路调制，即将分解得到的每路信号对应时域正交脉冲组中的一个脉冲，分别对其进行脉冲幅度或相位调制；

④频谱控制，即通过调整脉冲参数实现已调信号的频谱搬移和频谱控制；

⑤叠加输出，即各路调制后的信号多路叠加形成输出信号。

实施例一

设计要求：在频率范围1000Hz～1250Hz，实现通信速率400baud的传输。

设计分析：根据设计要求，系统传输带宽为250Hz，中心频率为1125Hz。通过计算可知，传输系统的频带利用率为1.6baud/Hz，相对带宽为11％，即要求实现大相对带宽信号设计。采用本发明，时域正交脉冲组采用PSWF脉冲组，具体实现过程如下：

①时域正交PSWF脉冲组参数设置

在系统带宽B＝250Hz、系统的频带利用率η＝1.6baud/Hz条件下，正交脉冲个数采用M＝16时，根据关系式： $\frac{M}{{\mathrm{BT}}_s}=\mathrm{\η},$ 脉冲持续时间应为T_s＝40ms。时域正交PSWF脉冲组的参数设置如表1所示。

表1时域正交PSWF脉冲组参数设置

②时域正交PSWF脉冲组构建

通过频段划分、构建特性函数、构建积分方程、求解方程及Schmidt正交化可完成时域正交PSWF脉冲组的构建。详细构建过程如下：

将频段f_L～f_H划分为4个子频段，各频段带宽为B₀＝2B/5，且各子频段之间频谱相互交错B₀/2。即第1子频段频率范围为：1000Hz～1100Hz，第2子频段频率范围为：1050Hz～1150Hz，第3子频段频率范围为：1100Hz～1200Hz，第4子频段频率范围为：1150Hz～1250Hz，各频段带宽为100Hz，相位交错50Hz，根据各子频段的频率范围构建特性函数：

h_k(t)＝2f_k，Hsin c(2f_k，Ht)-2f_k，L sin c(2f_k，Lt)(2)

其中，f_k，L、f_k，H分别表示第k个子频段的频率下限、上限，将该特性函数代入积分方程：

$\mathrm{\λ\ψ}\left(t\right)={\∫}_{-T_s/2}^{T_s/2}\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\τ}\right)h_k(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

该方程的解ψ(t)即为椭圆球面波函数。采用B.Parr提出的数值解法，对脉冲持续时间T_s采样N个点，整理可得如下矩阵关系式：

$\mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}[-N/2]\\ \mathrm{\ψ}[-N/2+1]\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\ψ}\left[0\right]\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\ψ}[N/2]\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}{h}_k\left[0\right]& h_k[-1]& \·& \·& \·& h_k[-N]\\ h_k\left[1\right]& h_k\left[0\right]& \·& \·& \·& h_k[-N+1]\\ \·& \·& \·& & & \·\\ \·& \·& \·& & & \·\\ \·& \·& \·& & & \·\\ h_k[N/2]& h_k[N/2-1]& \·& \·& \·& h_k[-N/2]\\ \·& \·& \·& & & \·\\ \·& \·& \·& & & \·\\ \·& \·& \·& & & \·\\ h_k\left[N\right]& h_k[N-1]& \·& \·& \·& h_k\left[0\right]\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}[-N/2]\\ \mathrm{\ψ}[-N/2+1]\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\ψ}\left[0\right]\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\ψ}[N/2]\end{array}\right)---\left(4\right)$

因此，λ即为矩阵H的特征值，ψ即为λ所对应的特征向量，通过特征值分解可求得不同阶的椭圆球面波(PSWF)函数。本例中采样数N等于128，各子频段取前4个最大特征值所对应的4阶PSWF脉冲，由此构建由16个PSWF脉冲组成的脉冲组，通过Schmidt正交化将该脉冲组转换为时域正交的PSWF脉冲组。

③串并转换。待传信息采用双极性不归零码，经串并转换，码元持续时间扩展16倍，由串行传输转换为并行传输；

④分路调制。将分解得到的每路信号对应时域正交脉冲组中的一个脉冲，通过脉冲参数(幅度、相位等)分别对其进行调制；

⑤叠加输出。各路调制后的信号多路叠加形成输出信号。已调信号的归一化功率谱如图3所示。

实施例二

设计要求：将实施例一所示调制信号的频谱搬移至200kHz～200.25kHz频段内。

设计分析：系统的传输带宽不变，仍为250Hz，但此时相对带宽变为0.06％，即要求实现小相对带宽信号设计，具体实现过程如下：

在系统带宽B、系统的频带利用率η、正交脉冲个数M以及脉冲持续时间T_s不变的前提下，调整j脉冲组的频域上下限参数，使f_L＝200kHz、f_H＝200.25kHz，按照实施例一步骤②所述时域正交PSWF脉冲组构建方法，构建新的时域正交PSWF脉冲组，按实施例一步骤③、④、⑤完成信息的调制。通过上述脉冲参数调整过程，将实施例一所示调制信号的频谱搬移到了200kHz～200.25kHz频段内。如图7所示。

实施例三

设计要求：在保持系统频带利用率不变的前提下，以200.125kHz为中心，将实施例二所示调制信号的频谱扩展两倍。

设计分析：系统频带利用率η＝1.6baud/Hz不变时，若频谱展宽两倍，则总的传信容量也增加两倍，即实现传信速率800baud，具体实现过程如下：

调整脉冲组的频域上下限参数，使f_L＝199.875kHz、f_H＝200.375kHz，系统带宽为B＝500Hz，正交脉冲个数仍采用M＝16时，根据关系式：M/BT_S＝η，脉冲持续时间应为T_s＝20ms。时域正交PSWF脉冲组的参数设置如表2所示。

表2时域正交PSWF脉冲组参数设置

按照实施例一步骤②所述时域正交PSWF脉冲组构建方法，构建新的时域正交PSWF脉冲组，按实施例一步骤③、④、⑤完成信息的调制，通过上述脉冲参数调整过程，以200.125kHz为中心，将实施例二所示调制信号的频谱扩展两倍。如图8所示。

Claims (5)

1.一种非正弦波调制方法，是基于正交脉冲传输信息的无载波调制，其特征是：将一路待调制信息(信号)分解为多路，即串并转换，并对分解得到的各路信号在时域上展宽，通过构建时域正交脉冲组，将分解得到的每路信号对应时域正交脉冲组中的一个脉冲，分别对脉冲参数(幅度或相位等)进行调制，将各路分别调制后的信号重新合成为一路信号输出，通过调整脉冲参数实现已调信号的频谱搬移与频谱控制，已调信号在时域上正交，在频域上混叠或部分重叠。

2.根据权利要求1所述的非正弦波调制方法，其特征是，所述的时域正交脉冲组为：构建的时域正交脉冲组，具有各路脉冲信号时域上正交、其频谱在频域上相互混叠或部分重叠的特性，且可通过调整脉冲参数其频域特性中带宽和中心频率可调。

3.根据权利要求1所述的非正弦波调制方法，其特征是，所述的通过调整脉冲参数实现已调信号的频谱控制为：控制已调信号的频谱展宽与压缩，既能实现大相对带宽或宽带通信，又能实现小相对带宽或窄带通信。

4.根据权利要求2所述的时域正交脉冲组构建，其特征是，时域正交脉冲组构建的形式可多样化，时域正交脉冲组及其参数决定传信率，且随着正交脉冲个数的增加，频带利用率可以无限接近奈奎斯特速率2baud/Hz。

5.根据权利要求4所述的时域正交脉冲组构建，其特征是，时域正交脉冲组构建的形式是基于椭圆球面波函数(PSWF)。

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