CN102413086A - 三进制调频键控调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三进制调频键控调制方法。根据调制带宽B、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生成三个已调信号波形样本

s₁(t)和s₂(t)；计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量Ψ₀、Ψ₁和Ψ₂；将二进制信息码元转换成三进制信息码元；计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT；根据三进制信息码元，选取已调信号波形样本，生成生成第i个信息码元的已调信号

经过数字-模拟转换器生成模拟的已调信号。本发明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

三进制调频键控调制方法

技术领域

本发明是一种数字通信的调制方法，具体的说是一种三进制调频键控调制方法。

背景技术

频谱高效调制技术的主要目的是获得最大的带宽效率，对数字传输信道性能的要求越来越高，因此必须研究频谱高效调制技术以最大化带宽效率，从而解决频谱拥挤问题。带有非线性转发器的卫星系统要求采用恒包络调制技术，所以MPSK、正交振幅调制QAM和最小频移键控MSK被广泛采用。

但是上述三种调制方式都有各自的缺点，MPSK调制方法是多进制调制方法，具有较高的频带利用率，但其已调信号相位不连续，使得MPSK信号功率谱展宽；QAM调制方法也是多进制调制方法，但是其随着调制进制的增多，为了保证通信性能所需要的能量将非常大；MSK调制方法为二进制最小频移键控调制方法，是一种已调信号幅度恒定，相位连续的调制方法，但MSK信号的频率变化是不连续的，这使得其功率谱较宽，并且二进制相对于多进制，频带利用率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有高能量集中度的新型三进制调频键控(TFMK)调制方法。

本发明的目的是这样实现的：

根据调制带宽B、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生成三个已调信号波形样本s₀(t)、s₁(t)和s₂(t)；计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量Ψ₀、Ψ₁和Ψ₂；将二进制信息码元转换成三进制信息码元；计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT；根据三进制信息码元，选取已调信号波形样本，生成生成第i个信息码元的已调信号s_iT(t)；经过数字-模拟转换器生成模拟的已调信号。

本发明还可以包括：

1.所述根据调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D为D＝TB。

2.所述根据已调信号的中心频率f_c、码元周期T和调制参数D生成三个已调信号波形样本包括：

频率不变的单频信号s₀(t)＝sin(2πf_ct)；

前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号

$s_{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号

$s_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

3.所述计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量为：

频率不变的单频信号s₀(t)码元间隔内相位变化量

Ψ₀＝arg[s₀(T)]-arg[s₀(0)]＝2πf_cT

arg[s₀(T)]是单频信号s₀(t)的T时刻的相位，arg[s₀(0)]是单频信号s₀(t)的0时刻相位；前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_{-1}=\arg \left[s_{-1}\left(T\right)\right]-\arg \left[s_{-1}\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+D-\frac{D}{2}-\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+\frac{D}{4}]$

arg[s_-1(T)]是单频信号s_-1(t)的T时刻的相位，arg[s_-1(0)]是单频信号s_-1(t)的0时刻相位；

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_1=\arg \left[s_1\left(T\right)\right]-\arg \left[s_1\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-D+\frac{D}{2}+\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-\frac{D}{4}]$

arg[s₁(T)]是单频信号s₁(t)的T时刻的相位，arg[s₁(0)]是单频信号s₁(t)的0时刻相位；

4.所述将二进制信息码元转换成三进制信息码元，先将二进制信息码元转换成双极性信息码元，取值为±1；每一个信息码元再加上前一个信息码元，则信息码元取值为+2，0或-2；再将信息码元+2，0或-2除以2，即转变成三进制信息码元，取值为+1，0或-1。

5.所述计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT，第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT等于第i-1个信息码元已调信号初始相位φ_(i-1)T和第i-1个信息码元已调信号相位变化量的和，即

φ_iT＝φ_(i-1)T+2πf_cT，即

式中：

为已调信号的初始相位。

6.所述根据三进制信息码元选取已调波形样本，生成第i个信息码元对应的已调信号为：当信息码元为“0”时，选取频率不变的单频信号s₀(t)，即s_iT(t)＝sin(2πf_ct+φ_iT)；当信息码元为“-1”时，选取前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

当信息码元为“1”时，选取前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

本发明的方法的主要特点如下：

(1)频带利用率极高：TFMK调制波形中包含纯正(余)弦波，如果使另外两种调制波形也非常接近于正(余)弦波，则频谱能量高度集中，占用带宽很窄，可以实现超窄带的高速数据传输。而且TFMK中每个信息码元用三进制数表示，比用二进制调制方式传输的信息多。

(2)能量利用率高：TFMK基波处有一条能量较高的离散谱线，谐波处的离散谱线很小，使得它窄带性能更优越，在发端不需要加特殊功率谱优化措施，除载波线谱外连续谱将占有更多的能量，有利于信息的传输。

(3)抗幅度衰落能力强：TFMK可以实现恒幅调制，在接收端可以采用一些幅度补偿方法，从而能够更好的抵抗信号传输中由于幅度衰落对接收机造成的影响。

附图说明

图1是TFMK已调信号频率变化示意图；

图2是TFMK已调信号波形示意图；

图3是TFMK已调信号功率密度谱图；

图4是TFMK调制流程图；

图5是TFMK解调流程图；

图6是TFMK调制原理框图；

图7是TFMK解调原理框图；

图8是TFMK通信系统的误码率曲线(高斯白噪声信道)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

结合图1。可见TFMK已调信号的频率规律为：当三进制码元为“0”时，已调信号频率保持不变；当三进制码元为“-1”时，已调信号频率先升频后降频；当三进制码元为“1”时，已调信号频率先降频后升频。

结合图2。可见已调信号相位连续、频率过渡平滑，使得已调信号平滑度较高。

结合图3。图3为Rb从0到10范围内的功率密度谱曲线，Rb为频点f与TFMK调制带宽B的比值，即

可见TFMK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TFMK已调信号带宽极窄，频带利用率极高。

上述的通信方法，采用全数字化频率合成器作为调制电路，采用快速傅里叶变换模块构成解调电路。

结合图4。调制流程如下：设置调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D；设置已调信号的中心频率f_c，生成三个已调信号波形样本；计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量；将二进制信息码元转换成三进制信息码元；计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT；根据三进制信息码元选取已调波形样本；根据计算的第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT和选取的波形样本，生成TFMK已调信号。

结合图5。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模数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。

结合图6。工作过程如下：现场可编程门阵列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“-1”、“0”和“1”的频率控制字表数据c3存入频率控制字表；将二进制信息码元c1通过进制转换器变成三进制信息码元c2，根据三进制信息码元选择对应的频率控制字c4送入DDS核，产生TFMK已调数字信号c5，经数模转换器DAC后输出模拟的已调信号。

结合图7。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由模数转换器ADC将接收信号数字化；数字化的已调信号e2输入现场可编程门阵列FPGA中的相关器-1、相关器0和相关器1；现场可编程门阵列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，产生对应三进制信息码元“-1”、“0”和“1”的频率控制字e3存入相应的频率控制字表；已调信号e2与现场可编程门阵列FPGA中由频率控制字e4、e5和e6控制的DDS核生成的三进制信息码元“-1”对应的本地已调信号波形样本e7、三进制信息码元“0”对应的本地已调信号波形样本e8和三进制信息码元“1”对应的本地已调信号波形样本e9进行相关运算；利用现场可编程门阵列FPGA中的检测判决器，比较相关器-1输出的相关值e10、相关器0输出的相关值e11和相关器1输出的相关值e12，输出解调数据。

结合图8。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.根据调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D为D＝TB。

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生成三个已调信号波形样本包括：频率不变的单频信号s₀(t)＝sin(2πf_ct)；

前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号

$s_{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号

$s_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

3.计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量为：

频率不变的单频信号s₀(t)码元间隔内相位变化量

Ψ0＝arg[s₀(T)]-arg[s₀(0)]＝2πf_cT；

前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_{-1}=\arg \left[s_{-1}\left(T\right)\right]-\arg \left[s_{-1}\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+D-\frac{D}{2}-\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+\frac{D}{4}];$

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_1=\arg \left[s_1\left(T\right)\right]-\arg \left[s_1\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-D+\frac{D}{2}+\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-\frac{D}{4}].$

4.将二进制信息码元转换成三进制信息码元，先将二进制信息码元转换成双极性信息码元，取值为±1；每一个信息码元再加上前一个信息码元，则信息码元取值为+2，0或-2；再将信息码元+2，0或-2除以2，即转变成三进制信息码元，取值为+1，0或-1。

5.计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT，为了确保已调信号相位连续，第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT等于第i-1个信息码元已调信号初始相位φ_(i-1)T和第i-1个信息码元已调信号相位变化量的和，即

φ_iT＝φ_(i-1)T+2πf_cT，即

式中：

为已调信号的初始相位。

6.根据三进制信息码元选取已调波形样本，生成第i个信息码元对应的已调信号为：

当信息码元为“0”时，选取频率不变的单频信号s₀(t)，即s_iT(t)＝sin(2πf_ct+φ_iT)；

当信息码元为“-1”时，选取前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

当信息码元为“1”时，选取前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

Claims (7)

1.一种三进制调频键控调制方法，其特征是根据调制带宽B、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生成三个已调信号波形样本s₀(t)、s₁(t)和s₂(t)；计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量Ψ₀、Ψ₁和Ψ₂；将二进制信息码元转换成三进制信息码元；计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT；根据三进制信息码元，选取已调信号波形样本，生成第i个信息码元的已调信号s_iT(t)；经过数字-模拟转换器生成模拟的已调信号。

2.根据权利要求1所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述根据已调信号的中心频率f_c、码元周期T和调制参数D生成三个已调信号波形样本包括：

频率不变的单频信号s₀(t)＝sin(2πf_ct)；

前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号

$s_{-1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号

$s_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

3.根据权利要求2所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述计算三个已调信号波形样本在一个码元间隔内的相位变化量为：

频率不变的单频信号s₀(t)码元间隔内相位变化量

Ψ₀＝arg[s₀(T)]-arg[s₀(0)]＝2πf_cT；

前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_{-1}=\arg \left[s_{-1}\left(T\right)\right]-\arg \left[s_{-1}\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+D-\frac{D}{2}-\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T+\frac{D}{4}];$

前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)码元间隔内相位变化量

${\mathrm{\ψ}}_1=\arg \left[s_1\left(T\right)\right]-\arg \left[s_1\left(0\right)\right]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-D+\frac{D}{2}+\frac{D}{4}]=2\mathrm{\π}[f_{c}T-\frac{D}{4}].$

4.根据权利要求3所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述计算第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT，第i个信息码元的已调信号的初始相位φ_iT等于第i-1个信息码元已调信号初始相位φ_(i-1)T和第i-1个信息码元已调信号相位变化量的和，即

φ_iT＝φ_(i-1)T+2πf_cT，即

式中：

为已调信号的初始相位。

5.根据权利要求4所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述根据三进制信息码元选取已调波形样本，生成第i个信息码元对应的已调信号为：

当信息码元为“0”时，选取频率不变的单频信号s₀(t)，即s_iT(t)＝sin(2πf_ct+φ_iT)；

当信息码元为“-1”时，选取前半段码元周期升频后半段码元周期降频的调频信号s_-1(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{\mathrm{Dt}}{T}-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}-\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right.;$

当信息码元为“1”时，选取前半段码元周期降频后半段码元周期升频的调频信号s₁(t)，

即 $s_{\mathrm{iT}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& 0\≤t\≤\frac{T}{2}\\ \sin 2\mathrm{\π}(f_{c}t-\frac{\mathrm{Dt}}{T}+\frac{{\mathrm{Dt}}^2}{2T^2}+\frac{D}{4}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iT}}),& \frac{T}{2}\≤t\≤T\end{array}\right..$

6.根据权利要求5所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述根据调制带宽B、码元周期T，计算调制参数D为D＝TB。

7.根据权利要求6所述的三进制调频键控调制方法，其特征是所述将二进制信息码元转换成三进制信息码元，先将二进制信息码元转换成双极性信息码元，取值为±1；每一个信息码元再加上前一个信息码元，则信息码元取值为+2，0或-2；再将信息码元+2，0或-2除以2，即转变成三进制信息码元，取值为+1，0或-1。

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