CN101714960A - 基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射/接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机，包括载波成形电路，模拟信号调制电路以及无线射频电路；载波成形电路用来生成附加了数字信息的高频载波；模拟信号调制电路用来实现模拟信号对高频载波的调制和上变频处理；无线射频电路负责将高频信号发送出去。同时还公开了其接收机，高频无线电波滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响后，再经下变频处理后分成两路；一路经模拟信号恢复电路还原出发送方的模拟信号；一路经数字信号恢复电路解调出发送方发送的数字信号。本发明在现有的设备上做较小改动基础上，实现了在照常接收模拟信号的同时还可以接收到附加在载波上的高速数字信息。

Description

基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射/接收机

技术领域

本发明涉及一种基于等幅等周期调制载波的模拟信号和数字信号复合传输通信设备，具体说是一种基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机和接收机，用于模拟信号和数字信号复合传输通信的调幅通信系统中。

背景技术

现行的广播系统都是采用把低频的语音信号调制到较高频段上的方法来方便传输。以保留载波的模拟双边带调幅(DSB-AM)广播为例，载波本身并没有携带有用信息，仅仅起到运载工具的作用，但是却消耗了大量能量，大约占据了发射总功率的三分之二，如果能把这部分载波充分利用起来，也传递一路有用信息而不是白白浪费掉，就可以大大提高现有通信体制的效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种模拟/数字信号复合传输发射机和接收机，该设备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数字信息。

本发明的基本原理：

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，就要求载波基本波形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。

将低频的模拟信号送入发射机的模拟信号输入口(如音频输入口)，对载波进行调幅再经上变频后发送出去；在接收端，可以采用相干解调或非相干解调的方法来得到发送的原始模拟信号。

模拟信号和数字信号复合传输通信，包括模拟信号和数字信号的复合发送以及复合信息的接收两部分；其中

模拟信号和数字信号的复合发送，包括以下步骤：

1、信源编码

对数字信号(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步骤后的信源编码数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，最后一个步骤是用模拟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。信号被调制到更高的频段上，接着通过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。

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模拟信号(如语音信号)，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信号；

3、数字信号的解调

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，或者是过零点检测，以恢复出比特信息；方法二，利用载波信号与发送端的两种基本波形的相干性差异而选用相干解调；

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数字信号，如文字，图片，视频等多媒体信息。

基于上述原理，本发明基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机，包括载波成形电路1，模拟信号调制电路2以及无线射频电路3；其中，载波成形电路用来生成附加了高速数字信息于其上的高频载波，包含有：发送时钟产生器，两个波形存储器，二选一选择器，数模转换器，滤波器A；模拟信号调制电路用来实现模拟信号对上述载波的调制并实现上变频处理，由混频器，滤波器B和上变频模块构成；无线射频电路负责将高频信号发送出去，由功率放大器和发送天线组成；

将在一个周期内采样得到的表征信息为“0”的f₀(t)和“1”的f₁(t)这两种基本波形的波形样本分别存储在两个存储器内；由数字信号控制二选一选择器，在一个波形周期内，通过待发送的信号是“0”还是“1”来选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储器；存储器中的波形样本在发送时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号并经滤波器A后输出；待发送的模拟信号对上述载波信号进行调制，并经上变频处理后送入滤波器B滤除干扰、功率放大器放大后由发送天线发送。

基于上述原理，本发明基于等幅等周期调制载波的复合信号传输接收机，主要包括接收天线、滤波器E、下变频模块、模拟信号恢复电路4和数字信号恢复电路5，无线电信号先经同一天线接收，送入滤波器E滤除干扰，再经下变频处理后分别送入模拟信号恢复电路和数字信号恢复电路；其中模拟信号恢复电路用来还原出发送方的模拟信号，如低频语音信号，包括滤波器C以及包络检波器；数字信号恢复电路用来解调出发送方发送的数字信号，从而还原出如文字，图片，视频等多媒体文件，包括滤波器D，同步时钟产生器，采样器，过零点检测器/微小相位差检测器；

高频无线电波从接收天线接收下来后先送入滤波器E滤除滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经下变频处理后分成两路，分别送入模拟信号恢复电路和数字信号恢复电路，一路经滤波器C，再通过包络检波器解调出发送端的模拟信号；另一路同样先经滤波器D滤除干扰，然后进入采样器，同步时钟产生器将产生的采样脉冲送入采样器，采样器通过对码元周期一半处采样将结果送入过零点检测器/微小相位差检测器还原出原始发送的数字信号。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

1、充分利用现有的设备，对发射机仅需要做较小改动，模拟信号直接从模拟口接入，仍然可以维持现有的调幅发射体制，设备成本低，收效大。

2、接收机能照常从无线电波中接收模拟信号，同时还可以接收到附加在载波上的高速数字信息，方便实现向下兼容。

3、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。

4、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。

5、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。

6、无论要表征的信息比特是“1”还是“0”时，载波成形电路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。

7、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、是本发明基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机的原理框图。

图2、是本发明基于等幅等周期调制载波的复合信号传输接收机的原理框图。

图3、是本发明复合信号传输发射机应用于调幅广播的原理框图。

图4、是本发明复合信号传输接收机应用于调幅广播的原理框图。

图5、是发送端的模拟语音信号。

图6、是频率为1kHz的等幅等周期载波波形。

图7、是语音信号对等幅等周期载波f(t)调制后的波形图。

图8、是解调后的语音波形与发送的语音波形的比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明应用在调幅广播上举例作进一步详细说明。

图3是基于等幅等周期调制载波的模拟/数字信号复合传输的调幅广播发射机，图4是基于等幅等周期调制载波的模拟/数字信号复合传输的调幅广播接收机。图中方框中的内容为本发明新添加的数字电路部分，方框之外是现有的AM广播系统。本发明发射机与传统的发射电台相比区别在载波提供处以及上变频处理部分，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，最后还要经过一次上变频处理。

基于等幅等周期调制载波的模拟/数字信号复合传输的调幅广播发射机，包括载波成形电路，模拟信号调制电路以及无线射频电路。其中载波成形电路用来生成附加了高速数字信息于其上的高频载波，包含有：发送时钟产生器，波形存储器，二选一选择器，数模转换器，滤波器A。模拟信号调制电路用来实现模拟信号对高频载波的调制及上变频处理，由加法器，混频器，上变频模块和滤波器B构成。无线射频电路负责将高频信号发送出去，主要由功率放大器和发送天线组成。

首先将对表征信息“0”的f₀(t)和“1”的f₁(t)的两种基本波形在一个周期内进行采样，并将得到的波形样本分别存储在两个存储器内。由数字信号来控制二选一选择器，在一个波形周期内，通过待发送的信号是“0”还是“1”来选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储器。存储器中的波形样本在发送时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号并经滤波器A后输出，其中的数字电路部分可以使用大规模可编程器件FPGA/CPLD来实现。接着由待发送的模拟语音信号a(t)与直流电平M经加法器相加后通过混频器对上面生成的载波信号进行调制，并经上变频处理后由滤波器B滤除干扰，功率放大器放大信号后由发送天线发送出去。

与之对应，模拟/数字信号复合传输的调幅广播接收机，主要包括接收天线、滤波器(E)、下变频模块、模拟信号恢复电路4(现有技术)和数字信号恢复电路5，无线电信号先经同一天线接收，送入滤波器E滤除干扰，再经下变频处理后分别送入模拟信号恢复电路和数字信号恢复电路；其中模拟信号恢复电路用来还原出发送方的模拟信号，如低频语音信号，包括滤波器C以及包络检波器；数字信号恢复电路用来解调出发送方发送的数字信号，从而还原出如文字，图片，视频等多媒体文件，包括滤波器D，同步时钟产生器，采样器，过零点检测器/微小相位差检测器。

高频无线电波从接收天线接收下来后先送入滤波器E滤除滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经下变频处理后分成两路，分别送入模拟信号恢复电路和数字信号恢复电路，一路经滤波器C，再通过传统接收机上的包络检波环节和去直流偏置电路即可解调出发送端的模拟语音信号；另一路同样先经滤波器D滤除干扰，然后进入采样器，由同步时钟产生器形成采样脉冲并送入采样器，采样器通过对码元周期一半处采样将结果送入过零点检测器/微小相位差检测器还原出原始发送的数字信号，该部分数字电路可以使用大规模可编程器件FPGA/CPLD来实现。

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。

基于等幅等周期调制载波的模拟/数字信号复合传输的调幅广播发射机的工作原理和过程：

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：

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

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。

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。

针对图3，4，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)是表征所要传送的多媒体信息的二进制数据，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)。

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5所示。选取M为2，载波f(t)的频率取1kHz，如图6所示。则输出的信号应为

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

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7所示。

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，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B和功率放大器后从发送天线发送出去。输出的信号应为：

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

基于等幅等周期调制载波的模拟/数字信号复合传输的调幅广播接收机的工作原理和过程：

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，如图8所示；

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。已调信号经过滤波后，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6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4所示，天线接收的高频信号先经过滤波器E去除干扰，经下变频处理后送入滤波器D，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。

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文字，图片，视频等多媒体信息。

Claims (2)

1.一种基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机，包括载波成形电路(1)，模拟信号调制电路(2)以及无线射频电路(3)；所述载波成形电路(1)用来生成附加了高速数字信息于其上的高频载波，包含有：发送时钟产生器，两个波形存储器，二选一选择器，数模转换器，滤波器(A)；所述模拟信号调制电路用来实现模拟信号对上述载波的调制并实现上变频处理，由混频器，滤波器B和上变频模块构成；无线射频电路(3)负责将高频信号发送出去，由功率放大器和发送天线组成；其特征是：

将在一个周期内采样得到的表征信息为“0”的f₀(t)和“1”的f₁(t)的两种基本波形的波形样本分别存储在两个存储器内；由数字信号控制二选一选择器，在一个波形周期内，通过待发送的信号是“0”还是“1”来选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储器；存储器中的波形样本在发送时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号并经滤波器(A)后输出；待发送的模拟信号对高频载波信号进行调制，并经上变频模块上变频处理、滤波器(B)滤除干扰、功率放大器放大信号后由发送天线发送。

2.一种接收权利要求1所述的基于等幅等周期调制载波的复合信号传输发射机发射的基于等幅等周期调制载波的复合信号传输接收机，包括接收天线、滤波器(E)、下变频模块、模拟信号恢复电路(4)和数字信号恢复电路(5)；接收天线接滤波器(E)，滤波器(E)接下变频模块，下变频模块分别接模拟信号恢复电路(4)和数字信号恢复电路(5)；所述模拟信号恢复电路用来还原出发送方的模拟信号，包括滤波器(C)以及包络检波器；所述数字信号恢复电路用来解调出发送方发送的数字信号，包括滤波器(D)，同步时钟产生器，采样器，过零点检测器/微小相位差检测器；其特征是：

高频无线电波从接收天线接收下来后先送入滤波器E滤除滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经下变频处理后分成两路；一路经滤波器(C)滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再通过包络检波器解调出发送端的模拟信号；另一路经滤波器(D)滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，然后进入采样器，由同步时钟产生器形成的采样脉冲送入采样器，采样器通过对码元周期一半处采样将结果送入过零点检测器/微小相位差检测器还原出原始发送的数字信号。

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