CN102801672A - 扩展的对称调频键控调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种扩展的对称调频键控调制方法。选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)；根据各段频率变化函数、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数

和

根据修正的各段频率变化函数、信息码元周期T、已调信号的中心频率f_c和调制参数τ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)；根据已调信号波形样本对应的频率变化函数，生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；根据二进制数据码元选取修正的已调信号波形样本，生成ESFMK已调信号。由于已调信号相位连续、已调信号波形样本间的差异较小，扩展的对称调频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

扩展的对称调频键控调制方法

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。

公开号为CN 101146072A的专利文件中，公开了一种甚小线性调频键控调制的超窄带通信方法(即“VMCK”)。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扩展的对称调频键控调制方法(Extended Symmetric Frequency Modulated Keying，ESFMK)。

本发明的目的是这样实现的：

(1)选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)；(2)根据各段频率变化函数、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数

和

(3)根据修正的各段频率变化函数、信息码元周期T、已调信号的中心频率f₀和调制参数τ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)；(4)根据已调信号波形样本对应的频率变化函数，生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；(5)根据二进制数据码元选取修正的已调信号波形样本，生成ESFMK已调信号。

本发明还可以包括：

1.所述选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)中，各段频率变化函数为起始值和截止值都为0的连续函数，选择方法包括：

频率变化函数g₁(t)的持续时间范围为0}t}τ，选如下函数

和

频率变化函数g₂(t)的持续时间范围为τ}t}T，选如下函数

和

其中B为调频带宽，T为信息码元周期，τ为调制参数。

2.所述根据选定的各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数

和的具体修正方法为：将

和

各乘以一个系数得到

和

并且满足公式其中max∝≤为取最大值函数。

3.所述根据修正的各段频率变化函数

和

信息码元周期T、已调信号的中心频率f₀和调制参数τ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)，即

4.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

其中

φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁、φ₂₂是为了保证已调信号波形的连续加入的相位项，其数值为

φ₁₂

5.所述根据二进制数据码元选取已调波形样本，生成ESFMK已调信号中，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

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

本发明的调制方法的二进制信息码元通过改变信号频率变化函数的极性来载荷信息，使得信息码元“1”对应的已调信号波形样本

的频率变化函数为信息码元“0”对应的已调信号波形样本

的频率变化函数为

其中t为时间变量，f_c为载波频率，T为信息码元周期，g₁(t)和g₂(t)为分段频率变化函数，τ为调制参数。由于已调信号相位连续、已调信号波形样本间的差异较小，扩展的对称调频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。

本发明与现有技术相比较，具有如下的技术特点：

(1)保密性好：由于各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)是可选项，作为通信系统中的非合作方，将很难对已调信号进行识别和解调。所以采用本调制方式进行通信具有一定的保密性。

(2)能量集中度较高：ESFMK已调信号具有相位连续、频率变化连续和波形平滑的特点。在调制过程中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0，一般设定已调信号的波形样本s₁(t)和s₂(t)的初始相位和截止相位均为0，并且T和f_c的乘积为正整数。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内的相位连续，则要求s₁(t)和s₂(t)在处连续，即

ESFMK调制方法通过选择各段频率变化函数和设置调制参数τ，可使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，如图2所示。因此，ESFMK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。

(3)频带利用率较高：由于ESFMK已调信号的能量集中度较高，使得ESFMK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。

(4)抗幅度衰落能力较强：如果ESFMK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ESFMK调制通信系统具有较强的幅度衰落抑制能力。

(5)广泛适用性：当ESFMK已调信号的调制参数

或

且

和为常数时，则ESFMK信号变成CPFSK信号。由于τ、

和的多样性，则由ESFMK调制可以衍生出多种调制方法。

附图说明

图1a-图1b是ESFMK已调信号波形样本的频率变化示意图。

图2a-图2b是ESFMK已调信号的功率密度谱曲线图。

图3是全数字化ESFMK调制的流程图。

图4是全数字化ESFMK解调的流程图。

图5是全数字化ESFMK调制器的原理框图。

图6是全数字化ESFMK解调器的原理框图。

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ESFMK已调信号波形样本的频率变化示意图。其中选择的各段频率变化函数为

可见ESFMK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在0}t}τ段按

变化，在τ}t}T段按

变化；当发送数据“0”时，已调信号波形样本的频率在0}t}τ段按

变化，在τ}t}T段按

变化。

图2是ESFMK已调信号的功率密度谱曲线图。其中各段频率变化函数选为

且其中图2(a)为带宽

范围内的功率密度谱曲线，图2(b)是带宽

范围内的功率密度谱曲线，式中

f表示频率。可见，ESFMK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，ESFMK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3是全数字化ESFMK调制的流程图。调制流程如下：初始化，设置码元周期T、中心频率f_c、调制参数τ、调频带宽B；选择各段频率变化函数

和

根据调频带宽B，公式

和对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数

和

根据修正的各段频率变化函数生成两个已调信号波形样本对应的频率变化函数f₁(t)和f₂(t)；根据已调信号波形样本对应的频率变化函数，生成对应的已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；根据二进制数据码元选取已调波形样本，生成ESFMK已调信号。

图4是全数字化ESFMK解调的流程图。解调流程如下：设置各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)、信息码元周期T、已调信号的中心频率f_c和调制参数τ；根据系统参数进行计算，对率变化函数

和

进行修正，根据修正的频率变化函数生成本地已调信号波形样本；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5是基于FPGA和DAC的全数字化ESFMK调制器的原理框图。工作过程如下：FPGA中的频率变化函数修正器，根据系统要求的码元周期T、中心频率f_c对频率变化函数进行修正，生成修正的频率变化函数c1，频率控制字生成器根据c1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c2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c3送入DDS核，产生ESFMK已调数字信号c4，经DAC后输出模拟的已调信号。

图6是基于FPGA和ADC的全数字化ESFMK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中频率变化函数修正器，根据系统要求的码元周期T、中心频率f_c对频率变化函数进行修正，生成修正的频率变化函数e3，频率控制字生成器根据e3产生对应二进制信息码元“1”的频率控制字e4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e5存入频率控制字表0；已调信号e2与FPGA中由频率控制字e6和e7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e8和二进制信息码元“0”对应的本地已调信号波形样本e9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e10和相关器0输出的相关值e11，输出解调数据。

本发明的具体实现步骤为：

1.选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)。频率变化函数g₁(t)可选如下函数

和

等。

频率变化函数g₂(t)可选如下函数

和等。其中B为调频带宽，T为信息码元周期，τ为调制参数。

2.根据选定的各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数

和

修正方法为：将

和

各乘以一个系数，使得到的和

满足公式

和

其中max∝≤为取最大值函数。

3.根据修正的各段频率变化函数

和

信息码元周期T、已调信号的中心频率f_c和调制参数τ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)，即

4.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

其中

φ₁₁

φ₁₂

5.根据二进制数据码元选取已调波形样本，生成ESFMK已调信号。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

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

Claims (6)

1.一种扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：(1)选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)；(2)根据各段频率变化函数、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数g′₁(t)和g′₂(t)；(3)根据修正的各段频率变化函数、信息码元周期T、已调信号的中心频率f_c和调制参数τ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)；(4)根据已调信号波形样本对应的频率变化函数，生成已调信号波形样本s₁(t)和s₂(t)；(5)根据二进制数据码元选取修正的已调信号波形样本，生成ESFMK已调信号。

2.根据权利要求1所述的扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：所述选择各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)中，各段频率变化函数为起始值和截止值都为0的连续函数，选择方法包括：

频率变化函数g₁(t)的持续时间范围为0≤t≤τ，选如下函数 $g_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Bt}/\mathrm{\τ},& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}/2\\ \mathrm{\τ}-(\mathrm{Bt}/\mathrm{\τ}),& \mathrm{\τ}/2\≤t\≤\mathrm{\τ}\end{array}\right.$ 和g₁(t)＝sin(πt/τ)，0≤t≤τ；

频率变化函数g₂(t)的持续时间范围为τ≤t≤T，选如下函数 $g_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Bt}/(T-\mathrm{\τ})-\mathrm{B\τ}/(T-\mathrm{\τ}),\mathrm{\τ}\≤t\≤(T+\mathrm{\τ})/2\\ \mathrm{Bt}/(\mathrm{\τ}-T)-\mathrm{B\τ}/(\mathrm{\τ}-T),(T+\mathrm{\τ})/2\≤t\≤T\end{array}\right.$ 和g₂(t)＝sin[π(t-τ)/(T-τ)]，τ≤t≤T；其中B为调频带宽，T为信息码元周期，τ为调制参数。

3.根据权利要求2所述的扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：所述根据选定的各段频率变化函数g₁(t)和g₂(t)、调频带宽B、信息码元周期T和调制参数τ，对各段频率变化函数进行修正，得到修正的各段频率变化函数g′₁(t)和g′₂(t)的具体修正方法为：将g₁(t)和g₂(t)各乘以一个系数得到g′₁(t)和g′₂(t)，并且满足公式

和B/2＝max{|g′₁(t)|，|g′₂(t)|}，其中max{}为取最大值函数。

4.根据权利要求3所述的扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：所述根据修正的各段频率变化函数g′₁(t)和g′₂(t)、信息码元周期T、已调信号的中心频率f_c和调制参数τ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)，即

$f_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_c+g_1^{\′}\left(t\right),& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ f_c-g_2^{\′}\left(t\right),& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

$f_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_c-g_1^{\′}\left(t\right),& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ f_c+g_2^{\′}\left(t\right),& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

5.根据权利要求4所述的扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：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

$s_1\left(t\right)=\sin \{\∫[2\mathrm{\π}{f}_1\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\left\{\begin{array}{cc}\sin \{2{\mathrm{\πf}}_{c}t+2\mathrm{\π}[G_1\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_{11}\left]\right\},& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \sin \{2{\mathrm{\πf}}_{c}t-2\mathrm{\π}[G_2\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_{12}\left]\right\},& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

$s_2\left(t\right)=\sin \{\∫[2\mathrm{\π}{f}_2\left(t\right)\left]\mathrm{dt}\right\}=\left\{\begin{array}{cc}\sin \{2{\mathrm{\πf}}_{c}t-2\mathrm{\π}[G_1\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_{11}\left]\right\},& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ \sin \{2{\mathrm{\πf}}_{c}t+2\mathrm{\π}[G_2\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_{12}\left]\right\},& \mathrm{\τ}\≤t\≤T\end{array}\right.$

其中 $G_1\left(t\right)={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{g}_1^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt},$ $G_2\left(t\right)={\∫}_{\mathrm{\τ}}^T{g}_2^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt},$ φ₁₁、φ₁₂、φ₂₁、φ₂₂是为了保证已调信号波形的连续加入的相位项，其数值为φ₁₁＝φ₂₁＝-G₁(0)，φ₁₂＝φ₂₂＝-G₂(T)。

6.根据权利要求5所述的扩展的对称调频键控调制方法，其特征是：所述根据二进制数据码元选取已调波形样本，生成ESFMK已调信号中，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_iT(t)＝s₁(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_iT(t)＝s₂(t)。

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