CN101714961A - 基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法，分别对表征信息“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，待传输的二进制信息控制选择开关，在一个波形周期内，分别选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储区；存储区中的波形样本在同步时钟的控制下转换成已调的高频模拟信号，经上变频调制、滤波和功率放大后发送。接收信号经下变频后，采用基于微小相位差的解调方法或基于过零点检测的解调方法对所述发送端上变频之前的调制信号解调。本发明还公开了实施本方法的专用设备。通过此法实现的等幅等周期高效调制系统，进一步提高了频带利用率，保证了调制波形幅度的恒定，其抵抗信道失真和噪声干扰的能力也得到了增强。

Description

基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法及设备

技术领域

本发明是一种基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法及设备，属于数字通信领域。

背景技术

数字信号传输中，调制与解调是电子通信领域里的一项十分重要的环节，不同的调制手段对一个通信系统的各项性能参数起着决定性的作用。在通信系统的发送端，通常采用把低频的二进制基带信号调制到高频上来方便传输，由接收端把高频载波上的基带信号解调出来，还原出原始发送信号。近年来，各种新型调制解调技术不断涌现，为了达到尽可能高的频带利用率，即在单位频带内传输更高的数码率(以bps/Hz为量纲)，以高带宽传输效率和高边带抑制水平为主要亮点的超窄带技术发展尤为迅猛。国内的一系列相关专利也纷纷申请，比如一种称为“高频带利用率的信息调制和解调方法”(申请号：03152978.X)，其发明关键在于使表征逻辑“0”的已调信号g₀(t)和表征逻辑“1”的已调信号g₁(t)都与正弦信号之间的波形差异最小，如图1(a)所示，但其波形前后两半部分的幅度不同，不利于应用到复合调制中。为了克服此缺点，“等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法”(申请号：200410064681.4)也被发明，如图1(b)所示。

但是，上述两项专利仍有不尽如人意的地方。“高频带利用率的信息调制和解调方法”的波形如前所述，前后两半部分的幅度不同，在某些幅度受限的场合，将会影响其解调性能，在一些对波形有统一幅度要求的场合不适用，而且因其每个码元周期内的幅度不固定，这项技术也很难与传统的调幅/调频技术相结合，实现在传输模拟信号的同时又能传递一路高速的数字信息。观察其功率谱如图2(a)可以发现，该波形的高次谐波较多且幅度较大，这不仅会浪费能量还会限制带宽效率的进一步提升。“等幅的高频带利用率的信息调制与解调方法”的波形虽然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加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(该专利中的波形调控参数)来增强两种基本波形的差异性，但是从图3(b)中可以很明显看出，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，两种波形区分度较高，但波形的幅度的跳变已经相当明显，该专利中基本波形幅度统一这一最大优势将不复存在，在对波形区分度要求比较高的场合下，无法较好的与广播系统相结合，由于该专利当中采用的方法是在正弦波上叠加寄生波形，并不能从根本上解决上述缺陷。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法及设备，使得通信系统的带宽利用率得到进一步的提高，同时调制波形的幅度具有恒定的统一性，可以运用到各类需要对载波的幅度进行调制的通信系统中，抵抗噪声的能力也得到了进一步增强。

技术方案：

基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法，分为数字信号调制发送、接收解调两部分：

1)数字信号调制发送：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。

根据(1)式分别对表征信息“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，将采样后得到的一个完整周期内的波形样本存储在两个存储区域内。待传输的二进制信息控制一个选择开关，在一个波形周期内，分别选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储区。存储区中的波形样本在同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成已调的高频模拟信号。完整的原理框图如图4所示，这种全数字的方案特点在于产生的信号频率精确，幅度稳定，产生的调制波形的上限频率直接由DAC的性能决定，既便于后期的集成电路制作，也有利于利用数字滤波精确控制发送信号的带宽和频谱形状。

考虑到现有的天线技术，如果要对上述的高频模拟信号进行无线发射时，还需要进行上变频处理。由上一步骤输出的高频模拟信号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至少是上述载波频率的5倍，上限频率可以是调制电路及发送电路允许的最高频率。这样发送信号被调制到更高的频段上，接着通过发送滤波器滤波和功率放大器放大后从发送天线发送出去。本技术方案还可以是进行二次或多次上变频。

目的在于：

由于上变频之前的载波是附加了高速数字信息于其上的载波，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。

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，此时高频载波的高次谐波分量就不会出现，发射电路可以将发射频率固定在此高频载波上，可以发送出完整的调制波形，不会出现较大的波形失真。

2)数字信号接收解调：

与发送端相对应，高频无线电波从天线接收下来后经接收滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经过相干解调或非相干解调实现下变频，还原出发送端上变频之前的调制信号。

在基于微小相位差的解调方法中，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。如图5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，采样器通过对码元周期一半处采样将获得的相位送入微小相位差检测器还原出原始发送的二进制信息。这种方法的特点在于运算量低，设备简单，处理速度快，比起“03152978.X”号专利申请所使用的相关检测法，大大降低了采样率，提高了系统效率。

在这里，还可以采用另一种基于过零点检测的解调方法，同样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，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1(c)可知，在码元周期的中点处，有f₀(T/2)＞0，f₁(T/2)＜0。所以通过对该时刻的接收信号进行采样，就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”。

基于上述方法，本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输发射机，包括同步时钟，两个波形存储器，二选一选择器，数模转换器，上变频模块，发送滤波器，功率放大器和发送天线。

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同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号后输出；经上变频模块上变频处理后送入发送滤波器滤除干扰、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数字信号传输接收机，包括接收天线，接收滤波器，下变频模块，带通滤波器，采样器，采样脉冲产生电路，同步时钟，微小相位差检测器或过零点检测器；

接收天线接收下来的高频无线电波送入接收滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经下变频模块下变频处理和带通滤波器带通滤波后分成两路，一路进入采样器，另一路由同步时钟形成采样脉冲并送入采样器，采样脉冲控制采样器对进入采样器的接收信号码元周期一半处进行采样，将结果送入微小相位差检测器或过零点检测器还原出原始发送的数字信号。

本发明保留了现有技术的优点，如金数字化，系统调控灵活(只需改变一个调控参数)，除此以外还具有以下优点：

1)频带利用率更高。

由于抵御波形失真以及噪声干扰的能力更强，这种波形有望通过带宽更窄的信道，能把带宽受限所造成的影响降到最低，得到更高效的频带利用率。

2)实现了调制波形的幅度统一。

3)抵抗信道失真和噪声干扰的能力更强。

本发明的输出是等幅度的调制波形，它既能经过频带更窄的带通滤波，又能在一定程度上经受系统限幅的影响，随着两种基本波形在码元周期一半处差异的可调控的增强，系统的抗噪声性能也得到了进一步的增强，可见该波形在抵抗传输信道的线性失真(如频带受限)和非线性失真(如幅度受限)方面的能力都得到了增强。

附图说明

图1(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制方法的输出基本波形(α＝0.9)；图1(b)是“200410064681.4”号专利申请所提出的改进的VWDK调制方法的输出基本波形(A＝0.2)；图1(c)是本发明方法的输出基本波形(α＝0.9)。

图2(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制信号的功率谱幅度的对数表示图(α＝0.9)；图2(b)是“200410064681.4”号专利申请所提出的改进的VWDK调制信号的功率谱幅度的对数表示图(A＝0.2)；图2(c)是本发明方法的输出信号的功率谱幅度的对数表示图(α＝0.9)。

图3(a)是“03152978.X”号专利申请所发明的原始VWDK调制方法的输出基本波形(α的取值从0.2～0.9)；图3(b)是“200410064681.4”号专利申请所提出的改进的VWDK调制方法的输出基本波形(A的取值从0.2～0.9)。图3(c)是本发明方法的输出基本波形(α的取值从0.2～0.9)。

图4是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法的发送机原理框图。

图5是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法的接收机结构框图(基于微小相位差的解调方法)。

图6是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法的接收机结构框图(基于过零点检测的解调方法)。

图7是“03152978.X”号专利，“200410064681.4”号专利以及本发明方法在保持解调性能相同时的传输功率谱。

图8是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法的误码率性能曲线分析图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

图4是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输发射机的结构框图，包括同步时钟，两个波形存储器，二选一选择器，数模转换器，上变频模块，发送滤波器，功率放大器和发送天线。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；由待发送的数字信号控制二选一选择器，在一个波形周期内，通过待发送的数字信号是“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同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号后输出；经上变频模块上变频处理后送入发送滤波器滤除干扰、功率放大器放大后由发送天线发送。

数字信号调制发送：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。

根据(1)式分别对表征信息“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，将采样后得到的一个完整周期内的波形样本存储在两个存储区域内。待传输的二进制信息控制一个选择开关，在一个波形周期内，分别选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储区。存储区中的波形样本在同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成已调的高频模拟信号。

由上一步骤输出的高频模拟信号对更高频段的正弦载波进行调制(上变频)，这样发送信号被调制到更高的频段上，接着通过发送滤波器滤波和功率放大器放大后从发送天线发送出去。

数字信号的接收解调：高频无线电波从天线接收下来后经接收滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经过相干解调或非相干解调实现下变频，还原出发送端上变频之前的调制信号，接下来的解调方法可以采用基于微小相位差的信息解调方式，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。其特点有运算量低，设备简单，处理速度快。图5、图6是本发明基于等幅等周期调制载波的数字信号传输接收机结构框图。图5中，带有信道噪声和畸变而失真的已调信号从天线接收下来后经过滤波和下变频处理并滤波后，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”。这里也可以采用另一种基于过零点检测的解调方法，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1(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6所示，从天线接收下来的信号经过滤波和下变频处理并滤波后进入采样器，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的数字信息。

Claims (5)

1.一种基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法，分为数字信号调制发送、接收解调两部分：

数字信号调制发送：

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；

该方法具有如下技术特征：

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；

根据(1)式分别对表征信息“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，将采样后得到的一个完整周期内的波形样本存储在两个存储区域内；待传输的二进制信息控制一个选择开关，在一个波形周期内，分别选择f₀(t)或f₁(t)中的一路相应的存储区；存储区中的波形样本在同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成已调的高频模拟信号；

上变频调制，即：将所述高频模拟信号对更高频段的正弦载波进行调制，这样发送信号被调制到更高的频段上，接着通过发送滤波器滤波和功率放大器放大后发送出去；

数字信号接收解调：

高频无线电波从天线接收下来后经接收滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经过相干解调或非相干解调实现下变频，还原出发送端上变频之前的调制信号；然后，采用基于微小相位差的解调方法或基于过零点检测的解调方法对所述发送端上变频之前的调制信号解调。

2.根据权利要求1所述基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法，其特征是：所述基于微小相位差的解调方法是，所述还原出的发送端上变频之前的调制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，采样器通过对码元周期一半处采样将获得的相位送入微小相位差检测器还原出原始发送的二进制信息。

3.根据权利要求1所述基于等幅等周期调制载波的数字信号传输方法，其特征是：所述基于过零点检测的解调方法是，所述还原出的发送端上变频之前的调制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，在调制信号波形的在码元周期的中点处，有f₀(T/2)＞0，f₁(T/2)＜0，通过对该时刻的信号进行采样，根据采样值的极性来判决发送的二进制码元是“1”还是“0”。

4.一种实施权利要求1所述方法的基于等幅等周期调制载波的数字信号传输发射机，包括同步时钟，两个波形存储器，二选一选择器，数模转换器，上变频模块，发送滤波器，功率放大器和发送天线；

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同步时钟的控制下，通过数模转换器转换成高频载波信号后输出；经上变频模块上变频处理后送入发送滤波器滤除干扰、功率放大器放大后由发送天线发送。

5.一种实施权利要求1所述方法的基于等幅等周期调制载波的数字信号传输接收机，包括接收天线，接收滤波器，下变频模块，带通滤波器，采样器，采样脉冲产生电路，同步时钟，微小相位差检测器或过零点检测器；

接收天线接收下来的高频无线电波送入接收滤波器滤除信道中的噪声干扰和信道失真所造成的影响，再经下变频模块下变频处理和带通滤波器带通滤波后分成两路，一路进入采样器，另一路由同步时钟形成采样脉冲并送入采样器，采样脉冲控制采样器对进入采样器的接收信号码元周期一半处进行采样，将结果送入微小相位差检测器或过零点检测器还原出原始发送的数字信号。

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