CN102223331B - 正弦型调频键控调制通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种正弦型非线性切普键控调制方法。根据已调信号带宽B、数据码元周期T，计算调制参数D；根据已调信号的中心频率f_c、码元周期T和调制参数D生成两个已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)；根据频率变化函数f₁(t)和f₂(t)生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，生成第i个信息码元对应的已调信号s_iT(t)；进而生成已调信号s(t)；经过数字-模拟转换器变成模拟已调信号。该种调制方法的两个已调波形样本为频率变化呈正弦型的非线性切普信号。由于已调信号相位连续、已调信号波形样本间的差异较小，正弦型非线性切普键控调制方法生成的已调信号具有极高的能量集中度，利于实现高频带利用率的数字通信。

Description

正弦型调频键控调制通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种带通数字调制方法，属于数字通信领域。

背景技术

数字通信中，由于数字基带信号能量主要集中在低频部分，为了实现远距离有线或无线传输，在发射端需采用频率较高的正（余）弦波作为载波，用基带信号来改变载波的某些参数，使其按照基带信号的变化规律而变化，实现基带信号的频谱搬移，使之适合信息的传输。在接收端用相应的电路恢复调制信号，实现解调。

2007年，上海大学的郑国莘等人申请了甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法的专利，即“VMCK”（专利公开号CN101146072A）。其做法是：用二进制数据控制线性调频“升调”或“降调”，载波的中心频率同时也是信息的传输速率、线性调频的频谱集中在载波附近，调频的正弦信号在一个比特内正好为一个周期。这种方法频带利用率高，可以实现超窄带通信。

但是甚小线性调频键控调制波形的幅度不是恒定的，在一些需要幅度恒定调制波形的应用场合不宜使用。分析VMCK功率谱发现由载波频点向两边的衰减比较缓慢，旁瓣衰减的也不是很大，这样在进行调制时还需要对其调制波形进行波形的整形处理，并且发射机中包含幅度调制部分，增加了系统电路的复杂度和资源占用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种已调信号能量集中度高的正弦型调频键控调制通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

根据已调信号带宽B、数据码元周期T，计算调制参数D；根据已调信号的中心频率f_c、码元周期T和调制参数D生成两个已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)；根据频率变化函数f₁(t)和f₂(t)生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，生成第i个信息码元对应的已调信号s_iT(t)；进而生成已调信号s(t)；经过数字-模拟转换器（DAC）变成模拟已调信号。

本发明还可以包括：

1．所述根据系统要求的调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D=TB。

2．所述根据载波的中心频率f_c、码元周期T和已调信号带宽B，生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)，即

$f_1\left(t\right)=f_c+\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T

$f_2\left(t\right)=f_c-\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T。

3．所述根据已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)，生成对应的已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)，即

$s_1\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_1\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_1],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_2\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_2],$ 0≤t≤T

为了确保已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)在一个数据码元周期T内的相位偏移均为0，设定f_cT为正整数，即

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_1]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=0$

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_2]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=0$

同时，为了使得已调信号的波形样本s1(t)和s2(t)的初始相位均为0，即

$s_1\left(0\right)=\sin [-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_1=\frac{D}{2}$

$s_2\left(0\right)=\sin [\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_2=-\frac{D}{2}$

可得一个码元间隔内相位偏移均为0、且初始相位均为0的已调信号波形样本为

$s_1\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T。

4．所述根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，第i个数据码元对应的已调信号为：

当第i个数据码元为“1”时，选取已调信号波形样本s₁(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

当第i个数据码元为“0”时，选取已调信号波形样本s₂(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T。

本发明的调制方法的两个已调波形样本为频率变化呈正弦型的非线性切普信号。该种调制利用已调波形样本的频率变化曲线的极性差异来载荷信息，使得数字对应“1”的已调信号波形样本s₁(t)的频率变化呈sin(t)型，数字“0”对应的已调信号波形样本s₂(t)的频率变化呈-sin(t)型。由于已调信号相位连续、已调信号波形样本间的差异较小，正弦型非线性切普键控方法生成的已调信号具有极高的能量集中度，利于实现高频带利用率的数字通信。

本发明与现有技术相比较，具有如下的技术特点：

（1）能量集中度较高：SNCK（正弦型调频键控）已调信号的功率密度谱仅在载频处有一个能量较高的线谱，其余线谱能量均较低；同时，SNCK已调信号相位连续、频率变化连续、波形平滑，其功率密度谱的连续谱较为集中，如图3所示。因此，SNCK已调信号的能量集中度较高，且无需采用特殊的线谱抑制技术，使发射机结构相对简单。

（2）频带利用率较高：由于SNCK已调信号的能量集中度较高，使得SNCK调制的频带利用率较高，在相对较窄的带宽内即可实现高速率的数据传输。

（3）抗幅度衰落能力较强：SNCK调制的两个已调信号波形样本的幅值参量相同，可实现恒幅调制，使得SNCK调制通信系统具有较强的幅度衰落抑制能力。

附图说明

图1a-图1b分别是SNCK已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)的频率变化示意图。

图2是SNCK已调信号的时域波形示意图。

图3a-图3b是SNCK已调信号的功率密度谱曲线图。

图4是全数字化SNCK调制的流程图。

图5是全数字化SNCK解调的流程图。

图6是全数字化SNCK调制器的原理框图。

图7是全数字化SNCK解调器的原理框图。

图8是SNCK通信系统的误码率曲线（高斯白噪声信道）。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述

图1是SNCK已调信号波形样本的频率变化示意图。可见SNCK已调信号的频率变化方式为：当发送二进制数据“1”时，已调信号波形样本的频率按正极性正弦型变化；当发送数据“0”时，已调信号波形样本的频率按负极性正弦型变化。

图2是SNCK已调信号的时域波形示意图。可见SNCK已调信号相位连续、频率过渡平滑，使得已调信号平滑度较高。

图3是SNCK已调信号的功率密度谱曲线图。其中图3（a）为带宽B=0～20R_b范围内的功率密度谱曲线，图3（b）是带宽B=0～R_b范围内的功率密度谱曲线，式中

可见，SNCK已调信号的能量主要集中在载频附近，且能量集中度极高。因此，SNCK已调信号带宽极窄，其频带利用率极高。

上述的通信方法采用的通信电路中，采用全数字化频率合成器作为调制电路，采用相关器构成解调电路。

图4是全数字化SNCK调制的流程图。调制流程如下：根据系统要求的调制带宽B、码元周期T和中心频率f_c计算调制参数D；生成两个已调信号波形样本对应的频率变化函数，根据频率变化函数生成已调信号波形样本；根据二进制数据和已调信号波形样本间的映射准则，生成SNCK已调信号。

图5是全数字化SNCK解调的流程图。解调流程如下：根据系统要求的调制带宽B、码元周期T和中心频率f_c，产生本地已调波形样本；接收已调信号进行带通滤波和AD变换，并将其与本地已调样本进行循环相关运算；比较相关值大小，输出解调数据信息。

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

图6是基于FPGA和DAC的全数字化SNCK调制器的原理框图。工作过程如下：FPGA中频率控制字生成器，根据系统要求的调制带宽B、码元周期T和中心频率f_c，分别产生对应二进制信息码元“0”和“1”的频率控制字表数据c1存入频率控制字表；根据二进制信息码元选择对应的频率控制字c2送入DDS核，产生SNCK已调数字信号c3，经DAC后输出模拟的已调信号。

图7是基于FPGA和ADC的全数字化SNCK解调器的原理框图。工作过程如下：接收到的调制信号经过带通滤波器滤除带外噪声，滤波后的信号e1由ADC将接收信号数字化；数字化的已调信号e2输入FPGA中的相关器0和相关器1；FPGA中频率控制字生成器，根据系统要求的调制带宽B、码元周期T和中心频率f_c，产生对应二进制信息码元“1”的频率控制字e3存入频率控制字表1，产生对应二进制信息码元“0”的频率控制字e4存入频率控制字表0；已调信号e2与FPGA中由频率控制字e5和e6控制的DDS核生成的二进制信息码元“1”对应的本地已调信号波形样本e7和二进制信息码元“0”对应的本地已调信号波形样本e8进行相关运算；利用FPGA中的检测判决器比较相关器1输出的相关值e9和相关器0输出的相关值e10，输出解调数据。

图8是SNCK通信系统的误码率曲线。仿真的信道为加性高斯白噪声信道，载波频率为1KHz，采样频率为16KHz，码元速率为250bps，共仿真了100000个码元。

本发明的具体实现步骤为：

1．根据系统要求的调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D=TB。

2．根据载波的中心频率f_c、码元周期T和已调信号带宽B，生成已调信号波形样本s₁(t)和

s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)，即

$f_1\left(t\right)=f_c+\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T

$f_2\left(t\right)=f_c-\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T

3．根据已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)，生成对应的已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)，即

$s_1\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_1\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_1],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_2\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_2],$ 0≤t≤T

为了确保已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)在一个数据码元周期T内的相位偏移均为0，设定f_cT为正整数，即

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_1]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=0$

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_2]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=0$

同时，为了使得已调信号的波形样本s₁(t)和s₂(t)的初始相位均为0，即

$s_1\left(0\right)=\sin [-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_1=\frac{D}{2}$

$s_2\left(0\right)=\sin [\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_2=-\frac{D}{2}$

可得一个码元间隔内相位偏移均为0、且初始相位均为0的已调信号波形样本为

$s_1\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

4．根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，第i个数据码元对应的已调信号为：

当第i个数据码元为“1”时，选取已调信号波形样本s₁(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

当第i个数据码元为“0”时，选取已调信号波形样本s₂(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T。

Claims (2)

1.一种正弦型非线性切普键控调制方法，其特征是：

（1）根据已调信号带宽B、数据码元周期T，计算调制参数D；

（2）根据已调信号的中心频率f_c、码元周期T和调制参数D生成两个已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)，

$f_1\left(t\right)=f_c+\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T

$f_2\left(t\right)=f_c-\frac{B}{2}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right),$ 0≤t≤T；

（3）根据频率变化函数f₁(t)和f₂(t)生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；具体包括：

$s_1\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_1\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_1],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin \{\∫[2{\mathrm{\πf}}_2\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+{\mathrm{\φ}}_2],$ 0≤t≤T

设定f_cT为正整数，即

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_1]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=0$

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=[2{\mathrm{\πf}}_{c}T+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}T\right)+{\mathrm{\φ}}_2]-[-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=0$

同时，为了使得已调信号的波形样本s₁(t)和s₂(t)的初始相位均为0，即

$s_1\left(0\right)=\sin [-\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_1]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_1=\frac{D}{2}$

$s_2\left(0\right)=\sin [\frac{D}{2}\cos \left(0\right)+{\mathrm{\φ}}_2]=\sin \left(0\right),$ 则 ${\mathrm{\φ}}_2=-\frac{D}{2}$

得一个码元间隔内相位偏移均为0、且初始相位均为0的已调信号波形样本为

$s_1\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

$s_2\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T；

（4）根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，生成第i个信息码元对应的已调信号s_iT(t)；进而生成已调信号s(t)；所述根据二进制数字调制的数据和已调波形样本间的映射准则，第i个数据码元对应的已调信号为：

当第i个数据码元为“1”时，选取已调信号波形样本s₁(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t-\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)+\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T

当第i个数据码元为“0”时，选取已调信号波形样本s₂(t)，产生第i个数据码元对应的已调信号s_iT(t)，即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\sin [2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\right)-\frac{D}{2}],$ 0≤t≤T；

（5）经过数字-模拟转换器变成模拟已调信号。

2.根据权利要求1所述的正弦型非线性切普键控调制方法，其特征是所述根据已调信号带宽B、码元周期T，计算调制参数D是：D=TB。

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