CN101710888A - 基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法，包括模拟信号和数字信息复合发送和复合信息接收解调两部分；其中模拟信号和数字信息的复合发送，包括以下步骤：信源编码，信道编码，载波成形，基带调制，上变频调制。所述载波成形，是利用二进制信息码元直接改变载波的波形，当信息比特为“1”时产生的调制波形f₁(t)和当信息比特为“0”时产生的调制波形f₀(t)与标准正弦波相比具有可调的微小差异。复合信息接收解调，其步骤如下：下变频，模拟信号和数字信息解调，信道译码，信源译码。本发明方法实现了模拟信号和数字信息的复合传输，提高了通信传输资源的利用率。

Description

基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法

技术领域

本发明是一种基于等幅等周期调制载波的模拟信号和数字信息复合传输通信方法，可以运用到以正弦波作为载波的各种通信传输系统中。

背景技术

一般在通信系统中需要发送的数据的频率是低频的，如果按照这些数据的频率来传输，将不利于接收和同步，而使用载波传输的方法，通过将数据信号加载到高频载波上，不同的数据信号直接改变载波的波幅，接收方按照载波的频率进行接收，从而可以提取出原始发送的数据信号。

但是在以上的这些系统中，载波仅仅起到运载工具的作用，并未充分发挥其功效，如果能对这里的载波进行再次开发利用，也传递一路有用信息，就可以大大提高现有通信系统的信息传输效率。

发明内容

本发明对传统通信系统的载波做了二次开发，克服了现有技术存在的缺陷，提供一种基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法，该方法基于等幅等周期调制载波技术，在传输模拟信号的同时还能通过载波传递一路高速数字信息，提高了通信系统的信息传输效率。

要实现上述发明目的，需要寻求一种能有效表征数字信息的载波波形，这种波形应该具有以下特点：首先，载波的每个码元周期的长度应该是一样的，这也就决定了无论是表征何种信息，载波的周期固定，频率也就恒定。其次，若需要用低频信号对载波的幅度进行调制，就要求载波的幅度必须是恒定的，载波的幅度不能随着表征的数字信息“0”和“1”的改变而发生跳跃或畸变。第三，载波中的两种基本波形的差异应该可控，以适应不同信噪比的环境，改变波形区分度的同时也会影响到带宽和调制效率，同时在这个过程中上述的两项基本特点不能有所改变。

本发明基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法，包括模拟信号和数字信息的复合发送以及复合信息的接收两部分；其中

模拟信号和数字信息的复合发送，包括以下步骤：

1、信源编码

对数字信息(如多媒体数据：字幕，图片，图形，视频，声音等)进行相应的编码和压缩，随后输出一路信源编码数据流；

2、信道编码

为了增强数据在信道中传输的可靠性，对上面输出的信源编码数据流进行纠错编码和交织；

3、载波成形

用经过上述1、2步骤后的信号对载波信号进行调制，使得载波的每个码元周期能够表征一位数字信息；

4、基带调制

用模拟信号对上一步骤产生的载波信号进行幅度调制，接着送入下一个处理步骤。

上述前三个步骤的结果是输出附加了高速数字信息于其上的高频载波，最后一个步骤是用低频信号来调制上述的高频载波。

所述载波成形，是利用二进制信息码元直接改变载波的波形，当信息比特为“1”时产生的调制波形f₁(t)和当信息比特为“0”时产生的调制波形f₀(t)与标准正弦波相比具有可调的微小差异；该调制方式可以表示为：

$f(t,\mathrm{\τ})=\left\{\begin{array}{cc}\sin t& 0\≤t\≤\frac{T}{4}\\ \sin (\frac{t-\frac{T}{4}}{\mathrm{\τ}-\frac{T}{4}}\frac{T}{4}+\frac{T}{4})& \frac{T}{4}\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{\frac{3T}{4}-\mathrm{\τ}}\frac{T}{4}+\frac{T}{2})& \mathrm{\τ}\≤t\≤\frac{3T}{4}\\ \sin t& \frac{3T}{4}\≤t\≤T\end{array}\right..---\left(1\right)$

其中：T是调制波形的周期，同时也是码元周期和信息的符号宽度；f＝1/T是载波的频率，在数值上也等于码元的传输速率；当信息比特为“1”时，波形发生器产生

时的f(t)(记成f₁(t))；当信息比特为“0”时，波形发生器产生

时的f(t)(记成f₀(t))，其中α(0＜α＜1)是波形调控参数。

该调制方式具有如下技术特征：

a、两种基本波形的差异在t＝T/2达到极大值。

b、两种基本波形振幅A是恒定不变的，峰值分别位于t＝T/4和t＝3T/4处，且不会随着基本波形差异的增大而发生任何改变。

c、波形满足f₁(t)＝-f₀(T-t)，f₀(t)和f₁(t)在[0，T/4]和[3T/4，T]时间段内均为标准的正弦波，其频谱得到了更好的压缩。

d、这种调制波形的频率始终是恒定不变的且在数值上等于比特速率。

e、通过波形调控参数α(0＜α＜1)的选择可以控制两种基本波形的差异大小，当处于大信噪比环境下可以通过增大α来减弱不同波形的区分度，当处于小信噪比环境下可以通过减小α来增强不同波形的区分度。

另外，在每个码元周期内无论是选择哪一种波形，发射功率几乎不变。

5、上变频调制

由第4步骤输出的结果对更高频段的正弦载波进行调制，这里所指更高频段的正弦载波一般下限频率至少是第三步输出载波的5倍，上限受调制电路及发送电路的技术制约，为调制电路及发送电路的技术能够达到的最高频率，在此频率范围内均可。信号被调制到更高的频段上，接着通过带通滤波器和功率放大器后从发送天线发送出去。

目的在于：

由第3步骤输出载波是附加了高速数字信息与其上的载波，而这些信息是靠载波码元周期一半处的微小相位差来体现的，这种微小相位差在频域上是靠载波的高次谐波分量来体现的，而现有的射频电路在振荡发射时只能发射一个频段的信息，如果固定在基频处，高次谐波的分量就无法发射，从而无法将表征了数字信号的微小相位差信息发射出去，这项发明技术就较难得到应用推广。

而现在在原有的基础上再增加一次调制，把信号调制到一个更高的频段上，就不会出现这个高频载波的高次谐波分量，发射电路可以将发射频率固定在此高频载波上，就可以发送出完整的调制波形，不会出现较大的波形失真。还可以逐次提高载波频段，进行多次上变频调制，波形失真会更小。

复合信息的接收解调

1、下变频

高频无线电波从天线接收下来后经带通滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响后，经过相干解调或非相干解调实现下变频，去除第5步调制的载波，还原出第4步调制后的信号。

2、模拟信号的解调

经过上面一步下变频后信号分成两路，一路用来还原出发送的模拟信号，因为此时载波的包络准确的反映了所要传递的低频信号，所以通过传统接收机上的包络检波环节即可解调出发送端的模拟信号；

3、数字信息的解调

从另一路信号的载波中解调出隐藏于其中的数字信息；有两种解调方法：方法一，在载波的每个码元周期一半处进行微小相位差检测，以恢复出比特信息。方法二，在载波的每个码元周期一半处进行过零点检测，以恢复出比特信息。它们的特点是运算量低，设备简单，处理速度快；

4、信道译码

从步骤3解调出的数据码流中去除纠错码等信道编码；

5、信源译码

信源编码的逆过程，最终恢复出发送端发送的多媒体信息。

本发明方法，相对于现有技术具有如下有益效果：

1、本发明方法实现了模拟信号和数字信息的复合传输，提高了通信系统的数据传输效率。

2、这种平滑化的载波在频域里拥有良好的窄带特性，频谱能量也较为集中。通过对一个波形调控参数的控制能够改变基本波形的区分度，以适应不同信噪比的场合，从而在带宽效率和解调性能之间寻求一个平衡点。

3、通过载波传递有效信息，载波的频率在数值上就等于数字信息的传递速率，这在很大程度上提升了通信系统的效率。

4、选用的这种新型载波波形的频率是恒定不变的，在解调时能较为方便的提取同步信号。

5、无论要表征的信息比特是“1”还是“0”时，波形发生器产生的两种基本波形的振幅恒定不变，波形不会随着调控参数取值的变化而发生畸变，抗干扰能力得到了增强。

6、从通信的安全性上考虑，蕴含了大量高速数字信息于其中的高频载波在每个比特周期内的波形变化并不明显，若在传输信道上再叠加上噪声，直观上几乎很难分辨出其与传统方式上利用单一正弦波作为高频载波的载波波形的差异，这也就大大增强了通信系统的保密性，通过与其他编解码方法和自定义的通信协议的结合，可以使得通信系统的安全性得到进一步加强。

附图说明

图1、是实施本发明方法的广播通信系统(发送端)的原理框图。

图2、是实施本发明方法的广播通信系统(接收端)的原理框图。

图3(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制方法的输出信号(调控参数α＝0.9)；图3(b)是“200410064681.4”号专利申请所提出的改进的VWDK调制方法的输出信号(调控参数A＝0.2)；图3(c)是本专利所使用的新型等幅等周期的调制方法的输出信号(调控参数α＝0.9)。

图4(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制方法的输出信号(α的取值从0.2～0.9)；图4b)是“200410064681.4”号专利申请所提出的改进的VWDK调制方法的输出信号(A的取值从0.2～0.9)。图4(c)是本发明方法的输出信号(α的取值从0.2～0.9)。

图5、是本发明方法中数字信息对等幅等周期载波调制的系统框图。

图6、是本发明方法中从等幅等周期载波中解调出数字信息(方法一)的系统框图。

图7、是本发明方法中从等幅等周期载波中解调出数字信息(方法二)的系统框图。

图8、是发送端的模拟语音信号。

图9、是频率为1kHz的等幅等周期载波波形。

图10、是语音信号对等幅等周期载波f(t)调制后的波形图。

图11、是语音信号对“03152978.X”号专利以及“200410064681.4”号专利中的不具有恒定等幅特性的载波g(t)调制后的波形图。

图12、是解调后的语音波形与发送的语音波形的比较图(针对f(t))。

图13、是解调后的语音波形与发送的语音波形的比较图(针对g(t))。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

图1，2为实施本发明方法的AM广播传输系统。图中虚线框中内容和上变频为新添加的部分，虚线框之外是现有的AM广播系统。本系统的发送端与传统的发射电台相比区别只是在载波提供处，传统方法是采用单一频率的正弦波作为高频载波，而这里采用的是附加了高速数字信息的载波信号。首先，模拟音频信号a(t)与直流电平M相加，对虚线框中的载波成形系统所提供的高频载波进行DSB-AM调制，再经上变频后通过带通滤波器和功率放大器后进入信道。接收端信号经下变频后分两路，一路仍然像传统接收端一样，无线电波经带通滤波器和包络检波环节可以解调出发送的模拟音频信号，另一路则要对恢复出的载波的每个码元进行微小相位差检测或过零点检测以恢复出隐藏在载波中的数字信息，最终还原出附加于其中的多媒体数据，在这里可以是文字，图片乃至是视频文件。

该方案的优势在于充分利用了我国地势幅员广阔，广播电台众多的特点，对现有广播体系改动较小，这项技术并不会影响到普通接收机的常规接收，未经改造的收音机能照常从无线电波中接收模拟语音信号，而经过改造的带显示屏的高端收音机还可以接收到附加在载波上的高速数字信息，方便的实现向下兼容。在载波环节上选用了一种等幅等周期的数字信号调制及解调方法，通过对一个波形调控参数的控制可以控制两种基本波形的差异，从而在带宽效率和解调性能中寻求一个平衡点。

一、发送端

发送端包括针对多媒体数据的信源编码，信道编码，载波成形，基带调制以及上变频等几大环节。其中前三个步骤的结果是输出附加了高速数字信息于其上的高频载波，第四步是用低频模拟语音信号来调制上述的高频载波。

1、信源编码

对多媒体数据(如字幕，图片，图形，视频，声音等)进行相应的编码和压缩，随后输出一路信源编码数据流；

2、信道编码

为了增强数据在信道中传输的可靠性，对上面输出的信源编码的数据流进行纠错编码和交织。

3、载波成形

用经过上述两个环节输出后的数据对载波信号进行调制，使得载波的每个码元周期能够表征一位数字信息。

该方法利用二进制信息码元直接改变载波的波形，当信息比特为“1”时产生的调制波形f₁(t)和当信息比特为“0”时产生的调制波形f₀(t)与标准正弦波相比具有可调的微小差异。该调制方式可以表示为：

$f(t,\mathrm{\τ})=\left\{\begin{array}{cc}\sin t& 0\≤t\≤\frac{T}{4}\\ \sin (\frac{t-\frac{T}{4}}{\mathrm{\τ}-\frac{T}{4}}\frac{T}{4}+\frac{T}{4})& \frac{T}{4}\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{\frac{3T}{4}-\mathrm{\τ}}\frac{T}{4}+\frac{T}{2})& \mathrm{\τ}\≤t\≤\frac{3T}{4}\\ \sin t& \frac{3T}{4}\≤t\≤T\end{array}\right..---\left(1\right)$

其中：T是调制波形的周期，同时也是码元周期和信息的符号宽度；f＝1/T是载波的频率，在数值上也等于码元的传输速率；当信息比特为“1”时，波形发生器产生时的f(t)(记成f₁(t))；当信息比特为“0”时，波形发生器产生时的f(t)(记成f₀(t))，其中α(0＜α＜1)是波形调控参数。

该调制方式具有如下技术特征：

a、两种基本波形的差异在t＝T/2达到极大值。

b、两种基本波形振幅A是恒定不变的，峰值分别位于t＝T/4和t＝3T/4处，且不会随着基本波形差异的增大而发生任何改变。

c、波形满足f₁(t)＝-f₀(T-t)，f₀(t)和f₁(t)在[0，T/4]和[3T/4，T]时间段内均为标准的正弦波，其频谱得到了更好的压缩。

d、这种调制波形的频率始终是恒定不变的且在数值上等于比特速率。

e、通过波形调控参数α(0＜α＜1)的选择可以控制两种基本波形的差异大小，当处于大信噪比环境下可以通过增大α来减弱不同波形的区分度，当处于小信噪比环境下可以通过减小α来增强不同波形的区分度。

另外，在每个码元周期内无论是选择哪一种波形，发射功率几乎不变。

将其与现有技术中国专利(专利号03152978.X)所发明的两段函数g(t)(图3(a)所示)相比较，在一个码元周期内，g(t)的表征逻辑“0”和逻辑“1”的两种基本码元波形几乎没有重合之处，幅度也不统一，两种波形时域里的较大出入导致频域里的性能也很难提升。专利号200410064681.4中国专利，虽然对波形进行了一些限幅处理，但是若在低信噪比条件下为了进一步增强两种基本波形的区分度，确保信息传输的准确性就需要通过增大参数A来增强两种基本波形的差异性，随着参数A的进一步增大，两种基本波形的幅度渐渐开始出现不统一，特别是当A增大到0.5以上时，两种波形幅度的跳变已经相当明显，无法满足幅度统一的要求(图3(b))。

综上所述，只有(1)式提出的波形(图3(c))满足背景技术中对载波提出的三大要求，与其他两项专利中的波形相比拥有较大优势，所以选择此波形作为载波波形，后面的仿真图也充分证明了这一点。载波波形的成形电路如图5所示。

4、基带调制

用模拟语音信号与直流电平相加后对上一步骤产生的载波信号进行幅度调制，接着送入下一个处理步骤。

针对图1，2，假设其中a(t)为模拟语音信号，M是双边带调制所需的直流电平，b(t)是由所要传送的多媒体信息决定的二进制数据，f(t)是载波，由b(t)的值来决定发送的是f₁(t)还是f₀(t)，无论选择发送哪一种波形，载波的周期T_c是固定的，这就意味着载波频率f_c＝1/T_c也是固定的，这里的f(t)代替了传统广播通信方式中的高频正弦载波Asin(ω_ct+θ)，假设通过加性高斯白噪声信道后的噪声影响是n(t)，则发送机发送的信号为

s(t)＝(a(t)+M)f(t)+n(t).                    (1)

在仿真中，采用频率为0.1kHz，幅度为

的余弦波作为模拟语音信号，如图8所示。选取M为2，载波f(t)的频率取1kHz，如图9所示。则输出的信号应为

$s\left(t\right)=\sqrt{2}(\cos (2\mathrm{\π}\×100t)+2)f\left(t\right).---\left(4\right)$

正弦波模拟语音信号a(t)对载波f(t)进行调制后的波形图如图10所示，这里同时也用“03152978.X”号专利以及“200410064681.4”号专利中的不具有恒定等幅特性的载波g(t)仿真了一次，结果如图11所示。

对比两幅图，可以很明显看出差距，图10比图11的误差要小的多，究其原因就在于这种新型载波f(t)在每个码元周期宽度内幅度始终是恒定的，而另两项专利中的载波g(t)不具有此特性，这必然会导致高频载波的包络不能很好的体现语音信号的变化，从而引起较大的失真。

5、由第4步骤输出的结果对更高频段的正弦载波进行调制，把信号调制到更高的频段上，这里可以将高频载波u(t)的频率取20kHz，接着通过带通滤波器和功率放大器后从发送天线发送出去，输出的信号为

$s\left(t\right)=\sqrt{2}(\cos (2\mathrm{\π}\×100t)+2)f\left(t\right)u\left(t\right).$

二、接收端

接收端与发送端顺序相反，也分五个环节。

1、下变频

高频无线电波从天线接收下来后经带通滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响后，经过相干解调或非相干解调实现下变频，去除第5步调制的载波，还原出第4步调制后的信号。

2、模拟语音信号的解调

经过上面一步下变频后信号分成两路，一路用来还原出发送的模拟信号，因为高频载波的包络准确的反映了所要传递的语音信号，所以通过传统接收机上的包络检波环节即可解调出发送端的模拟音频信号；

在解调端，对比两种不同的载波f(t)和g(t)分别进行相应的解调，解调结果如图12，13所示，从图中可以看出，用f(t)做高频载波，语音信号经包络检波后能很好的恢复出原始发送的模拟语音信号，对比用g(t)做高频载波的方法，解调后的失真非常大，可见载波f(t)更适合运用在广播通信系统上。

3、数字信息的解调

从另一路信号的载波中解调出隐藏于其中的数字信息；有两种解调方法：方法一，在载波的每个码元周期一半处进行微小相位差检测，以恢复出比特信息，其特点是运算量低，设备简单，处理速度快；方法二，在载波的每个码元周期一半处进行过零点检测，以恢复出比特信息；

在本例中的微小相位差解调法，只需要在接收信号波形的中点即二分之一周期处进行一次采样判决便可完成解调。图6是本发明的解调器的实例，已调信号经过带通滤波后，分成两路，一路通过载波频率提取出同步信号，形成采样脉冲；另一路在码元周期一半处采样，将采样得到的波形相位信息与标准正弦波相位进行比较，若波形相位比标准正弦波相位超前，可判断出发送的二进制信息是“1”，否则为“0”。过零点检测法同样只需要在接收信号波形的中点即二分之一周期处进行一次采样判决便可完成解调。由图3(c)可知，在码元周期的中点处，有f₀(T/2)＞0，f₁(T/2)＜0。所以通过在该时刻对接收信号进行采样，可以根据采样值的极性来判决发送的二进制码元是“1”还是“0”。如图7所示，接收的已调信号先经过带通滤波器去除干扰，然后进入采样器，由系统时钟形成采样脉冲并送入采样器，采样器在码元周期一半处将信号采样值送入过零点检测器，若采样值是正数，可判断出发送的二进制信息是“0”，否则为“1”，从而还原出原始发送端的数字信息。

3、信道译码

从步骤2解调出的数据码流中去除纠错码等信道编码；

4、信源译码

信源编码的逆过程，最终恢复出发送端发送的多媒体信息。

Claims (2)

1.一种基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法，包括模拟信号和数字信息的复合发送以及复合信息的接收两部分；其中

模拟信号和数字信息的复合发送，包括以下步骤：

a、信源编码

对数字信息进行相应的编码和压缩，随后输出一路信源编码数据流；

b、信道编码

为了增强数据在信道中传输的可靠性，对上面输出的信源编码数据流进行纠错编码和交织；

c、载波成形

用经过上述a、b步骤后的信号对载波信号进行调制，使得载波的每个码元周期能够表征一位数字信息；

d、基带调制

用模拟信号对上一步骤产生的载波信号进行幅度调制，接着送入下一个处理步骤；

e、上变频调制

由a步骤输出的结果对更高频段的正弦载波进行调制，把信号调制到更高的频段上，接着通过带通滤波器和功率放大器后从发送天线发送出去。

复合信息接收解调，其步骤如下：

A、下变频

高频无线电波从天线接收下来后经带通滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响后，经过相干解调或非相干解调实现下变频，去除e步骤调制的载波，还原出d步骤调制后的信号；

B、模拟信号的解调和数字信息的解调

经过A步骤下变频后的信号分成两路，一路用来还原出发送的模拟信号，通过传统接收机上的包络检波环节解调出发送端的模拟信号；

从另一路信号的载波中解调出隐藏于其中的数字信息；有两种解调方法：方法一，在载波的每个码元周期一半处进行微小相位差检测，以恢复出比特信息；或者，方法二，在载波的每个码元周期一半处进行过零点检测，以恢复出比特信息；

C、信道译码

从B步骤数字信息解调中解调出的数据码流中去除纠错码等信道编码；

D、信源译码

信源编码的逆过程，最终恢复出发送端发送的多媒体信息。

2.根据权利要求1所述基于等幅等周期调制载波技术的复合信号传输通信方法，其特征是：所述载波成形，是利用二进制信息码元直接改变载波的波形，当信息比特为“1”时产生的调制波形f₁(t)和当信息比特为“0”时产生的调制波形f₀(t)与标准正弦波相比具有可调的微小差异；该调制方式表示为：

$f(t,\mathrm{\τ})=\left\{\begin{array}{cc}\sin t& 0\≤t\≤\frac{T}{4}\\ \sin (\frac{t-\frac{T}{4}}{\mathrm{\τ}-\frac{T}{4}}\frac{T}{4}+\frac{T}{4})& \frac{T}{4}\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \sin (\frac{t-\mathrm{\τ}}{\frac{3T}{4}-\mathrm{\τ}}\frac{T}{4}+\frac{T}{2})& \mathrm{\τ}\≤t\≤\frac{3T}{4}\\ \sin t& \frac{3T}{4}\≤t\≤T\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：T是调制波形的周期，同时也是码元周期和信息的符号宽度；f＝1/T是载波的频率，在数值上也等于码元的传输速率；当信息比特为“1”时，波形发生器产生

时的f(t)(记成f₁(t))；当信息比特为“0”时，波形发生器产生时的f(t)(记成f₀(t))，其中α(0＜α＜1)是波形调控参数；

该调制方式具有如下技术特征：

a、两种基本波形的差异在t＝T/2达到极大值；

b、两种基本波形振幅A是恒定不变的，峰值分别位于t＝T/4和t＝3T/4处，且不会随着基本波形差异的增大而发生任何改变；

c、波形满足f₁(t)＝-f₀(T-t)，f₀(t)和f₁(t)在[0，T/4]和[3T/4，T]时间段内均为标准的正弦波，其频谱得到了更好的压缩；

d、这种调制波形的频率始终是恒定不变的且在数值上等于比特速率；

e、通过波形调控参数α(0＜α＜1)的选择可以控制两种基本波形的差异大小，当处于大信噪比环境下可以通过增大α来减弱不同波形的区分度，当处于小信噪比环境下可以通过减小α来增强不同波形的区分度。

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