CN103427952A - 一种非对称基带编码方法及收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称基带编码方法,采用两个不同的矩形脉冲g0(t)、g1(t)分别表示二进制数字0和1;矩形脉冲g0(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲;cτ可以无限的小,从而使得编码波形无限接近于周期波;非对称的程度可以用选择不同的调制参数来控制,以实现不同的频谱掩模,适应不同的信道或频谱占用需求。本发明还提供了非对称基带收发装置。其中发射装置包括编码模块、时钟发生器、载波调制模块、滤波模块和数模转换器;接收装置包括模数转换器、滤波模块、锁相环、时钟模块和匹配检测模块;本发明能以较小的边带能量来实现同等或较高速的数据传输,从而提高频带利用率。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信领域,尤其涉及一种非对称的基带信号编码方法,能够实现特殊的频谱分布及信息承载方式。
背景技术
随着信息社会的发展,人们对无线多媒体通信的需求不断提高,特别是高清视频及泛在移动互联业务的发展,使得人们对于频谱的“消费”需求越来越高;而频谱资源有限,因此,如何最大限度地利用/再利用有限的频谱资源来满足日益增长的无线通信需求,是通信领域的重要研究课题之一。通过不同的基带编码实现不同的频谱分布,可以有效地利用有限的频谱资源提高频谱效率。
传统的非归零(NRZ:None Return Zero,以下简称NRZ)编码方法,在此定义为“对称”的编码;之所以称之为“对称”,因为代表“0”和“1”的波形,幅值分别为+1和-1的脉冲持续时间相等。对于NRZ码,随着数据速率的提高,带宽以同样的速度提高,由典型的BPSK(双相移相键控)可以看出。因而,“宽带”意味着带宽也宽。对日益拥挤的无线频谱资源来说,这已经不是最有效的编码方法。多元调制、MIMO、OFDM、FQPSK等调制方法都尽可能在有限的频谱带宽内传输更高速率的数据位,来达到Shannon定理所给出的位率极限。依此为目标,根据不同的通信场合需求,这些调制技术总是在频带效率与能量效率之间寻求一种折衷,因此有必要“另谋出路”。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种非对称基带编码方法及收发装置,以较小的边带能量来实现同等或较高速的数据传输,从而提高频带利用率。本发明提出的“非对称”二进制基带编码(A2BC,Asymmetric Binary Baseband Coding,以下简称A2BC);此“非对称”是相对于传统的“对称”NRZ码而定义的。
为实现上述目的,本发明采取如下技术方案:
一种非对称基带编码方法,采用两个不同的矩形脉冲g0(t)、g1(t)分别表示二进制数字0和1,或者二进制数字1和0;所述矩形脉冲g0(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲,所述矩形脉冲g0(t)、g1(t)的函数表达式为:
g1(t)=Asym(g0(t))=Π(t)0≤t≤Ts
其中Π(t)代表矩形波,Asym表示非对称运算,Ts为位周期,且Ts=Nτ,0<c≤Ts/τ,d为窄脉冲起始点,且0≤d≤(Ts-cτ)/τ;另外,τ/Ts为周期占空比,代表两种波形g0(t)与g1(t)的“非对称”程度。
相对于整个Ts位周期,窄脉冲持续时间通常很小,或者相反,因而称为“非对称”编码。该编码调制方法,可以实现在连续的两个位周期内,超窄脉冲与超宽脉冲同时存在,含有丰富的定时信息,理想情况下,窄脉冲宽度趋于0,从而构成准周期波,用此基带信号去控制载波,可实现对载波的极小调制,实现能量高度集中,占用带宽极小的特殊调制信号。通过参数选择控制频带扩展。实现频谱的有效压缩,在频谱压缩同时,保留调制特征,降低信噪比,实现有效地解调。“非对称”的程度可以用选择不同的调制参数来控制,以实现不同的频谱掩模,适应不同的信道或频谱占用需求。
更进一步的,矩形脉冲g0(t)、g1(t)波形可直接生成,亦可通过叠加的方式实现,例如矩形脉冲g0(t)可通过矩形波θ0(t)和θ1(t)叠加实现,所述矩形脉冲g1(t)通过矩形波θ1(t)实现;所述矩形波θ0(t)、θ1(t)的函数表达式为:
θ1(t)=Π(t)0≤t≤Ts
其中Π(t)代表矩形波,Ts为位周期,0<c≤Ts/τ,d为窄脉冲起始点,且0≤d≤(Ts-cτ)/τ。
更进一步的,窄脉冲的总脉冲宽度w=cτ,且cτ可以无限的小,从而使得编码波形无限接近于周期波,比如若c=1,τ取非常小的值。在此情况下,若加入正弦载波调制,则得到的调制波无限接近于正弦波,从而达到调制信号能量高度集中,形成特定的频域特性与频谱掩模,占用带宽更窄,频带利用率极高。并且,只需改变c,τ,Ts(N),即可控制信号频谱特性和传输码率,在同样的发射功率下得到不同的传输性能,以适应不同的信道环境。
本发明还提供了一种非对称基带发射装置,包括编码模块、时钟发生器、载波调制模块、滤波模块和数模转换器;编码模块,用于存储单位码元宽度的已调制基带波形样本g0(t)和g1(t),并在信源的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率选择g0(t)或g1(t),完成非对称基带信号编码,并将非对称基带信号发送给载波调制模块;载波调制模块,用于对接收到的非对称基带信号进行载波调制,并生成调制信号发送给滤波模块;滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,并发送给数模转换器;数模转换器,用于对接收到的调制信号进行数模转换并输出;时钟发生器,用于提供编码模块采样频率。
更进一步的,载波调制模块生成的调制信号还通过在信源的控制下,开关选择位周期Ts时间内对应载波波形实现;所述信源为二进制序列,设两个相同频率不同相位的载波f1(t)=Asin(2πfct)和f2(t)=Asin(2πfct+θ),当信源信息位为0时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为1时,调整信号=f2(t);或者,当信源信息位为1时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为0时,调整信号=f2(t)。
其中,A为载波幅值,fc为载波频率,θ为载波相位,且θ取值范围为180°~0°。
本发明还提供了一种非对称基带接收装置,包括模数转换器、滤波模块、锁相环、时钟模块和匹配检测模块;模数转换器,用于将接收到的调制信号进行模数转换,然后发送给滤波模块;滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,然后发送给锁相环和匹配检测模块;匹配检测模块,用于对调制信号进行信号检测,然后结合载波信号对调制信号进行解调;用于提取调制信号中的载波、定时信息,并将定时信息发送给时钟模块;时钟模块,用于接收定时信息并实现该接收装置内部模数转换器、滤波模块、锁相环和匹配检测模块时钟同步。
有益效果:(1)本发明提供的非对称基带信号接近于周期波,当用于正弦调制时,得到的调制结果已经完全接近正弦信号,因而其频谱能量高度集中,占用带宽更窄,若以有限带外衰减带宽或99%功率带宽计算,则频带利用率极高;(2)本发明提供的A2BC基带或调制信号便于集成电路(IC)的制作,有利于将整个基带信号收发系统都集成为IC片上系统;(3)本发明适应面宽,只要改变c,τ,Ts(N),即可控制信号频谱特性和传输码率,在同样的发射功率下得到不同的传输性能,以适应不同的信道环境;(4)本发明提供的A2BC发送装置和接收装置结构简单,并且接收装置采用锁相环(PLL)用于频率合成器、建立位同步、进行载频跟踪(消除多普勒频移)等,由于非对称基带调制不抑制载波,因而锁相环(PLL)输入信噪比高,整个收发系统的性能得以提高;(5)本发明实现新的频谱共享体制,为新的数据传输体制(如移动通信、无线电广播和计算机网络)和抗干扰方法(如军用电子对抗)提供了可能;(6)与传统的编码方法不同,本发明提供的信号调制方法以较小的边带能量来实现同等或较高速的数据传输,提高频带利用率,且边带能量可以根据调制强度,数据速率而加以控制,以在接收机复杂度与数据速率之间提供一种优化组合,并满足特定场合的通信需求。
附图说明
图1为两种非对称的基带波形图。
图2为本发明的A2BC调制基带编码波形图。
图3为非对称编码与双极性NRZ波形图。
图4为非对称基带编码波形叠加过程图。
图5为非对称基带编码叠加调制过程图。
图6为基于A2BC编码的一种频谱分布。
图7为本发明提供的非对称基带发射装置工作原理图。
图8为本发明提供的非对称基带接收装置工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
1、非对称基带编码方法
本发明提供的一种非对称基带编码方法,采用两个不同的矩形脉冲g0(t)、g1(t)分别表示二进制数字0和1,所述矩形脉冲g0(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲,所述矩形脉冲g0(t)、g1(t)的函数表达式为:
g1(t)=Asym(g0(t))=Π(t)0≤t≤Ts
其中,c取值满足条件为0<c≤Ts/τ,可以是整数也可以是小数;d取值满足条件为0≤d≤(Ts-cτ)/τ,可以是整数也可以是小数;τ/Ts为周期“占空比”,同时它代表了两种波形g0(t)与g1(t)的“非对称”程度。由此定义可以实现两种波形数字存储。
为便于描述,定义窄脉冲τ,宽度为τ秒;位周期Ts固定为N个窄脉冲τ,即Ts=Nτ,Ts,τ分别为位周期与窄脉冲周期。不失一般性,假定τ可以任意小,总可以满足c,d取整数的要求。因此,为便于说明,我们以c,d取整数为例。
以二进制基带编码为例,如图1(a)、1(b)所示给出两种非对称的基带波形。对于二进制调制的数字“0”和“1”,可以分别对应图2两种波形。若波形图2(a)代表数字“0”,则波形图2(b)代表数字“1”,或者相反。其中波形图2(a)为位周期为Ts,幅值为+1;波形图2(b)在整个位周期中有幅值为-1,持续时间为cτ的跳变(调制)。
cτ可以无限的小,从而使得编码波形无限接近于周期波,比如若c=1,τ取非常小的值。在此情况下,若加入正弦载波调制,则已调波无限接近于正弦波,从而达到调制信号能量高度集中,形成特定的频域特性与频谱掩模。图3给出了“对称”双极性NRZ码与“非对称编码”比较,其时域区别显而易见。
周期信号在频域表现为线谱,若以此周期信号对对正弦载波进行调制,则调制结果为正弦周期波,对于一个连续的正弦载波f(t)=Asin2πfct,若其中只有少数个周期的正弦波发生调制或“扰动”,则其频谱能量仍高度集中在载频fc所对应的谱线上,两旁也会出现相对应的边带,即由于调制而出现的能量扩展。这个‘只有少数个周期正弦波发生调制’可以通过表达式(1)中的cτ来控制。进一步的,为减少边带的扩展还可以在针对正弦载波调制的情况下加入相位控制,以控制cτ时间段内正弦载波的相位,当其相位从180°~0°变化时,在cτ选定的情况下,边带可以得到进一步的控制。有效的实现已调信号的能量分布,以适应特定的窄带信道频谱特性要求。显然,当相位角为0°时,为极限情况,整个载波是一个纯粹的正弦波,在频域就是一根谱线,能量高度集中,理论上带宽为零,当然也无法传递任何有用的信息。
假设:
1)数据信息的符号宽度(即码元的时间长度)Ts持续了N≥2个窄脉冲周期,即Ts=Nτ;
2)调制波形的时间长度持续了c个τ周期,即cτ,且c<N;如前所述c取整数。
3)“0”和“1”所调制的波形分别为g0(t)和g1(t);
则本发明基带信号可以通过波形叠加的形式来实现,即定义:
g11(t)=Π(t)0≤t≤Ts
则由式(2):
g0(t)=g00(t)+g11(t) (3)
g1(t)=g11(t)
由式(3)可以看出,“非对称”的基带编码可以通过波形叠加的方式来实现,如图4所示。这样在载波调制的时候,就可以选择相同频率不同相位的载波,然后分别对两种载波调制,调制结果相加生成“非对称”调制的载波调制。其实现原理如图5所示,二进制数据源控制波形选择开关,选择在位周期Ts内所对应的波形。图5中的波形生成部分载波分别为波形(a)和波形(b),其表达式分别为f(t)=Asin(2πfct),f(t)=Asin(2πfct+θ);其中f(t)=Asin(2πfct+θ)中相位θ取值范围为180°~0°,t的相对取值范围为0~cτ。
(1)、(2)式的调制波形本身具有如下特点:
①对于数据“0”,整个符号宽度Ts为,Ts=Nτ;
②对于数据“1”,整个符号宽度Ts为,Ts=Nτ,在中间的cτ持续时间内,幅值相反;
③时间cτ相对于整个位周期Ts很小,幅度相等。用于载波调制,存在不连续点,其余都是连续的正弦波,这有助于抑制已调波频谱的展宽,使其能量集中在直流分量处,而且,cτ越小,已频谱越集中,调制越接近于完全连续的周期波,如图6所示;
④在用于载波调制时,载波被调制的程度因cτ而异。可作为带宽控制参数:当c→0,已调波频谱越来越窄,整个调制愈接近周期波;已调波频谱最窄,c的选择有助于频带的横向压缩,为了控制适当的连续谱带宽,应选择合适的c值。根据(1)式选取适当的c,即可把已调信号的带宽控制得很窄。
作为本发明的具体实施方式,若取N=10,τ=10-6s,即窄脉冲的频率为1MHz,则符号速率为符号/s。在等概的条件下,整个调制信号只有的窄脉冲被调制(反相),其余95%的窄脉冲构成周期波。由此可以看出,整个调制信号的调制结果已经十分接近正弦信号,其频谱能量高度集中,占用带宽更窄。
对于基于A2BC编码的调制,最理想情况下,c=N/2,其调制信息与载波的比可以达到1:2,即理想情况下数据速率可以达到载波速率的一半,载波能量利用率高。而在对称的情况下如NRZ,c=N,但带有大幅度的上变频,使得位率只是载波速率的一小部分。
2、非对称基带收发装置
(1)非对称基带发射装置
本发明还提供了一种非对称基带发射装置,如图7所示,包括编码模块、时钟发生器、载波调制模块、滤波模块和数模转换器;编码模块,用于存储单位码元宽度的已调制基带波形样本g0(t)和g1(t),并在信源的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率选择g0(t)或g1(t),完成非对称基带信号编码,并将非对称基带信号发送给载波调制模块;载波调制模块,用于对接收到的非对称基带信号进行载波调制,并生成调制信号发送给滤波模块;滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,并发送给数模转换器;数模转换器,用于对接收到的调制信号进行数模转换并输出;时钟发生器,用于提供编码模块采样频率。
发射装置将由式(1)或式(3)所表达的一个码元宽度内的已调制波形g0(t)和g1(t)的离散采样值预先保存在编码模块内,然后在欲传输信源的信息序列的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率来选择对应的g0(t)基带波形样本(如果信息位是“0”)或g1(t)基带波形样本(如果信息位是“1”),完成A2BC的编码;然后再载波调制模块载波调制、滤波,产生已调信号输出;或图5通过叠加的方式产生调制,开关选择位周期Ts时间内对应载波波形实现;其中信源为二进制序列,假设存在两个相同频率不同相位的载波f1(t)=Asin(2πfct)和f2(t)=Asin(2πfct+θ),当信源信息位为0时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为1时,调整信号=f2(t);或者,当信源信息位为1时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为0时,调整信号=f2(t)。
(2)非对称基带接收装置
香农信息论指出,信道容量C几乎正比于信道带宽W,“非对称”信号性能一般或多或少地要更高的解调信噪比(通常意味着更高的发射功率)需求为代价。尽管许多带宽受限型应用具有较高的发射功率(如无线电广播、长波电台和水下通信等),但尽量降低对于解调信噪比的要求仍是应用中很关心的。
本发明提供的一种非对称基带接收装置,如图8所示,包括模数转换器、滤波模块、锁相环、时钟模块和匹配检测模块;模数转换器,用于将接收到的调制信号进行模数转换,然后发送给滤波模块;滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,然后发送给锁相环和匹配检测模块;匹配检测模块,用于对调制信号进行信号检测,然后结合载波信号对调制信号进行解调;用于提取调制信号中的载波、定时信息,并将定时信息发送给时钟模块;时钟模块,用于实现该接收装置时钟同步。
在数字通信中,锁相环(PLL)则广泛用于为相干解调提取参考载波、建立位同步及频率合成器等。A2BC信号本身含有丰富的定时信息,因此,针对本编码方法可采用锁相环进行基于A2BC基带信号的载波提取、时钟及定时跟踪工作。为提高A2BC信号的检测性能,在AWGN信道情况下,本发明匹配检测模块使用经典的AWGN最佳接收装置解调基于A2BC信号,先用相关解调器/匹配滤波器积累,然后使用检测器最佳判决“0”和“1”的方法,来保证更好的解调和传输性能。非对称基带接收装置收到调制信号后,经模数转换、滤波后,发送给匹配检测模块进行信号检测,然后结合载波信号对调制信号进行解调;同时还发送给锁相环(PLL)提取调制信号中的载波、定时信息,并将定时信息发送给时钟模块进行时钟同步,以保证更好的传输性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种非对称基带编码方法,其特征在于:采用两个不同的矩形脉冲g0(t)、g1(t)分别表示二进制数字0和1;所述矩形脉冲g0(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲,所述矩形脉冲g0(t)、g1(t)的函数表达式为:
g1(t)=Asym(g0(t))=Π(t)0≤t≤Ts
其中Π(t)代表矩形波,Asym表示非对称运算,Ts为位周期,d为窄脉冲起始点。
2.根据权利要求1所述的一种非对称基带编码方法,其特征在于:所述矩形脉冲g0(t)通过矩形波θ0(t)和θ1(t)叠加实现,所述矩形脉冲g1(t)通过矩形波θ1(t)实现;所述矩形波θ0(t)、θ1(t)的函数表达式为:
θ1(t)=Π(t)0≤t≤Ts
其中Π(t)代表矩形波,Ts为位周期,d为窄脉冲起始点。
3.根据权利要求1所述的一种非对称基带编码方法,其特征在于:所述窄脉冲的个数0<c≤Ts/τ,窄脉冲起始点0≤d≤(Ts-cτ)/τ。
4.根据权利要求1所述的一种非对称基带编码方法,其特征在于:所述窄脉冲的总脉冲宽度w=cτ,且cτ<<Ts。
5.一种根据权利要求1所述非对称基带发射装置,其特征在于:包括编码模块、时钟发生器、载波调制模块、滤波模块和数模转换器;
所述编码模块,用于存储单位码元宽度的已调制基带波形样本g0(t)和g1(t),并在信源的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率选择g0(t)或g1(t),完成非对称基带信号编码,并将非对称基带信号发送给载波调制模块;
所述载波调制模块,用于对接收到的非对称基带信号进行载波调制,并生成调制信号发送给滤波模块;
所述滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,并发送给数模转换器;
所述数模转换器,用于对接收到的调制信号进行数模转换并输出;
所述时钟发生器,用于提供编码模块采样频率。
6.一种根据权利要求5所述的非对称基带发射装置,其特征在于:所述载波调制模块生成的调制信号还通过在信源的控制下,开关选择位周期Ts时间内对应载波波形实现;所述信源为二进制序列,所述调制信号实现包含两种情况:设两个相同频率不同相位的载波f1(t)=Asin(π2fct)和f2(t)=Asin(2πfct+θ),当信源信息位为0时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为1时,调整信号=f2(t);或者,当信源信息位为1时,调制信号=f1(t)+f2(t),当信源信息位为0时,调整信号=f2(t);
其中,A为载波幅值,fc为载波频率,θ为载波相位,且θ取值范围为180°~0°。
7.一种根据权利要求1所述非对称基带接收装置,其特征在于:包括模数转换器、滤波模块、锁相环、时钟模块和匹配检测模块;
所述模数转换器,用于将接收到的调制信号进行模数转换,然后发送给滤波模块;
所述滤波模块,用于对接收到的调制信号进行滤波,然后发送给锁相环和匹配检测模块;
所述匹配检测模块,用于对调制信号进行信号检测,然后结合载波信号对调制信号进行解调;
所述锁相环,用于提取调制信号中的载波、定时信息,并将定时信息发送给时钟模块;
所述时钟模块,用于接收定时信息并实现模数转换器、滤波模块、锁相环和匹配检测模块时钟同步。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131204 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |