CN104038464A - 一种多载波正弦型调频键控调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字通信领域，涉及一种共带型并行传输的多载波正弦型调频键控调制方法。本发明包括：根据已调信号带宽和码元周期，计算出调制参数；由调制参数、中心频率和频率为的正弦频率变化曲线确定正弦频率变化曲线对，生成已调信号波形样本对；确定相互正交的子载波对；将数据映射到子载波，产生已调信号；经过数字/模拟转换器得到模拟已调信号。本发明已调信号波形样本的可调节参数较多，可以通过选择不同的参数组合来选取正交的子载波对，配置更灵活。该方法为共带并行传输，信号能量主要集中在载频附近，使得应用该种调制方法的通信系统频带利用率更高。

Description

一种多载波正弦型调频键控调制方法

技术领域

本发明属于数字通信领域，涉及一种共带型并行传输的多载波正弦型调频键控调制方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术可以将高速率的串行数据流转换为多路低速率并行数据流，利用子载波的正交性实现并行调制传输。该技术具有相对高的频带利用率、较强的码间干扰(ISI)抑制能力等技术优势，已成为第四代移动通信的核心技术。

但是OFDM通信技术必须充分保证子载波间的正交性，否则会产生严重的子载波间干扰(ICI)，由于采用频域正交技术，因此强的多普勒频移会严重影响系统性能；并且该技术属于部分频带重叠型的异带型并行传输技术，其频带利用率较低。

本发明的申请人于2011年10月19日申请公布了名称为“正弦型调频键控调制通信方法”的专利，该技术生成的已调信号具有极高的能量集中度，可实现高频带利用率的数字通信。以OFDM技术为基点，本发明研究基于正弦型调频键控的多载波调制技术，该技术属于频域共带型并行传输技术，抗多普勒能力强，可以提高频带利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高频带利用率的共带型并行调制传输的多载波正弦型调频键控调制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)根据已调信号带宽B和码元周期T，计算出调制参数D，D＝T·B；

(2)由调制参数D、中心频率f_c和频率为f_Li的正弦频率变化曲线确定第i个子载波所对应的正弦频率变化曲线对f_±i(t)，生成已调信号波形样本对s_±i(t)；在s_±i(t)中有另外两个待定参数：频率变化曲线的初相φ_Li和决定信号时域初相的φ_ci，

$f_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=f_c\&PlusMinus;\frac{B}{2}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}}),0\&le;t<T,$

$s_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\&PlusMinus;\frac{D}{2N_i}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}})+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ci}}],0\&le;t<T,$

其中N_i为频率变化曲线的频率f_Li与码元周期T的乘积，即N_i＝f_Li·T；

(3)通过选取合适的f_Li、φ_Li和φ_ci来确定M组相互正交的子载波对；

(4)根据二进制数据与波形样本之间的映射关系，将M个数据中的第i个数据“0”或“1”映射到第i个子载波，产生已调信号s_+i(t)或s_-i(t)；

(5)将M路波形样本在时域叠加，经过数字/模拟转换器(D/AC)得到模拟已调信号s(t)。

子载波对在当f_Li＝1T为固定值时，得出能达到三载波传输效果的并行调制方法，由于受到参数f_Li固定的限制，用两路波形来载荷3比特信息的三载波模式，给出子路1与子路2的波形样本为：

$s_{11}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)],0\&le;t<T$

$s_{12}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T$

$s_{13}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{14}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{21}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{22}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{23}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})],0\&le;t<T$

$s_{24}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T.$

本发明的有益效果在于：

所述已调信号波形样本的可调节参数较多，可以通过选择不同的参数组合来选取正交的子载波对，配置更灵活。该方法为共带并行传输，信号能量主要集中在载频附近，使得应用该种调制方法的通信系统频带利用率更高。调制方法的已调信号波形对多普勒频移效应不敏感，使得该多载波调制系统具有较强的多普勒效应抑制能力。

附图说明

图1是多载波正交正弦型调频键控通信系统的示意图。

图2是多载波正交正弦型调频键控调制的流程图。

图3是多载波正交正弦型调频键控解调的流程图。

图4是三载波正弦型调频键控通信系统的组成框图。

图5是三载波正弦型调频键控已调信号的合成波形图。

图6是三载波正弦型调频键控已调信号的归一化功率谱密度。

图7是三载波正弦型调频键控调制通信系统在高斯白噪声信道下的误码率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明提供的是一种多载波正弦型调频键控调制方法。根据已调信号带宽B和码元周期T计算出调制参数D；由调制参数D、中心频率f_c和频率f_Li确定f_±i(t)(即第i路的二进制数据“0”和“1”分别对应的时间-频率变化曲线)，然后由f_±i(t)生成所对应的波形样本对s_±i(t)；此时波形表达式中有另外两个待定参数：频率变化曲线的初相φ_Li和决定信号时域初相的φ_ci；通过调节f_Li、φ_Li和φ_ci确定多组相互正交的子载波对s_±1(t),s_±2(t),…,s_±i(t)；在每个码元周期T内，将每一路二进制数据分别映射到各组子载波上，经过时域叠加后生成模拟已调信号s(t)。该种调制方法利用多组波形样本对之间的相关特性，在带宽B内共带并行传输数据，信号的能量集中在载波附近，其多普勒抑制能力强，利于实现高频带利用率的无线通信。

本发明的具体步骤如下：

1.所述根据系统要求的信号带宽B和码元周期T，计算出调制参数，即时宽-带宽积D＝B·T。

2.所述的由调制参数D、中心频率f_c和变化频率f_Li来确定第i个子载波所对应的正弦频率变化曲线对f_±i(t)，即

$f_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=f_c\&PlusMinus;\frac{B}{2}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}}),0\&le;t<T$

3.所述根据f_±i(t)生成的已调信号波形样本对s_±i(t)，即

$s_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\&PlusMinus;\frac{D}{2N_i}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}})+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ci}}],0\&le;t<T$

其中N_i为频率变化曲线的频率f_Li与码元周期T的乘积，即N_i＝f_Li·T。

4.所述已调信号波形样本对s_±i(t)中有另外两个待定参数：频率变化曲线的初相φ_Li和决定信号时域初相的φ_ci，此时，通过选取合适的f_Li、φ_Li和φ_ci来确定M组相互正交的子载波对。

5.所述根据二进制数据与波形样本之间的映射关系，将M个数据中的第i个数据“0”或“1”映射到第i个子载波，产生已调信号s_+i(t)或s_-i(t)。

6.所述多载波调制，即将M路已调信号波形样本在时域叠加，经过数字/模拟转换器(D/AC)得到模拟已调信号s(t)。

7.所述多载波解调过程，为上述所述调制过程的逆过程，利用波形样本的相关特性进行相关解调，通过比较相关值的大小得到判决结果。

8.本发明的调制方法的已调信号波形样本的频率变化曲线是正弦型，该调制方法利用已调信号波形样本的频率变化曲线的频率f_Li、初相φ_Li和时域相位参数φ_ci的差异来载荷信息。由于正弦型调频信号的能量主要集中在载波附近，并且为共带并行传输，因此应用该调制方案的通信系统频带利用率较高。

本发明提供了一种多载波正交正弦型调频键控调制通信系统。如图1所示，发送端主要包括子载波生成单元、数据-载波映射单元和加法器单元，接收端主要包括本地载波生成单元、相干运算单元和数据-载波逆映射单元。

实现多载波正交正弦型调频键控调制的过程如图2所示。调制流程如下：根据系统要求的调制带宽B和码元周期T，计算出调制参数D＝T·B，即时宽-带宽积；由调制参数D、中心频率f_c和变化频率f_Li来确定第i个子载波所对应的正弦频率变化曲线对f_±i(t)；选取正交的子载波对生成M组已调信号波形样本对s_±i(t)；根据二进制数据与波形样本对的映射准则，生成待发送的已调信号。

将M路已调信号波形样本在时域叠加，经过数字/模拟转换器(D/AC)得到模拟已调信号s(t)，信号发送后经过高斯白噪声无线信道，在接收端经过模拟/数字转换器(A/DC)得到用于解调的数字信号。

实现多载波正交正弦型调频键控解调的过程如图3所示。解调流程如下：根据系统要求产生本地已调信号波形样本对，并与接收到的信号进行相关运算；比较相关值的大小，进行数据-载波逆映射，输出解调数据信息。

下面将以三载波正弦型调频键控通信系统为例说明调制和解调的具体实施步骤。

所述的三载波正弦型调频键控通信系统的实现框图如图4所示。其调制过程与上述调制过程略有不同，该调制过程中子路1承载2比特信息，子路2承载1比特信息，根据子载波间的相关性，由子路1中s_1i(t)决定子路2中s_2i(t)的选取，其数据-载波映射模式如表1所示。

表1 数据-载波映射模式

所述的三载波模式实际上为2路子载波，是由于受到参数f_Li固定的限制，即当f_Li＝1T固定时的一种特殊情况，给出表1中对应的子路1与子路2的波形样本表达式如下：

$s_{11}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)],0\&le;t<T$

$s_{12}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T$

$s_{13}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{14}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{21}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{22}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{23}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})],0\&le;t<T$

$s_{24}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T$

三载波正弦型调频键控已调信号的8种合成波形如图5所示，这是发送端经过调制之后的子载波叠加结果。

在接收端，信号的解调为相干解调，根据信号参数设置在本地生成已调信号的波形样本对，利用波形之间的正交性，并通过比较相关值的大小解调出二进制数据“0”和“1”。

三载波正弦型调频键控已调信号的归一化功率谱密度曲线如图6所示，已调信号的能量主要集中在中心频率附近，能量集中度较高，占用频带资源少。为进一步说明该系统的可行性，图7给出三载波正弦型调频键控通信系统的误码率曲线。仿真的无线信道为加性高斯白噪声信道，中心频率为900MHz，信号带宽为300kHz，调制参数有两种，分别为1和π2。图4中给出的调制方式只是为举例参考，并不仅限于该种调制方式，可根据实际情况对调制方式进行调整，只要确定参数的设置满足子载波间正交就可以满足要求。

总之，本发明基于正弦型调频键控调制技术，实现了共带型并行调制传输的多载波通信系统，该系统频带利用率高，多普勒频移抑制能力强，可适用于高速率场景下的移动通信。

Claims (2)

1.一种多载波正弦型调频键控调制方法，其特征在于：

(1)根据已调信号带宽B和码元周期T，计算出调制参数D，D＝T·B；

(2)由调制参数D、中心频率f_c和频率为f_Li的正弦频率变化曲线确定第i个子载波所对应的正弦频率变化曲线对f_±i(t)，生成已调信号波形样本对s_±i(t)；在s_±i(t)中有另外两个待定参数：频率变化曲线的初相φ_Li和决定信号时域初相的φ_ci，

$f_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=f_c\&PlusMinus;\frac{B}{2}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}}),0\&le;t<T,$

$s_{\&PlusMinus;i}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\&PlusMinus;\frac{D}{2N_i}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{Li}}t+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{Li}})+{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ci}}],0\&le;t<T,$

其中N_i为频率变化曲线的频率f_Li与码元周期T的乘积，即N_i＝f_Li·T；

(3)通过选取合适的f_Li、φ_Li和φ_ci来确定M组相互正交的子载波对；

(4)根据二进制数据与波形样本之间的映射关系，将M个数据中的第i个数据“0”或“1”映射到第i个子载波，产生已调信号s_+i(t)或s_-i(t)；

(5)将M路波形样本在时域叠加，经过数字/模拟转换器(D/AC)得到模拟已调信号s(t)。

2.根据权利要求1所述的一种多载波正弦型调频键控调制方法，其特征在于：所述子载波对在当f_Li＝1T为固定值时，得出能达到三载波传输效果的并行调制方法，由于受到参数f_Li固定的限制，用两路波形来载荷3比特信息的三载波模式，给出子路1与子路2的波形样本为：

$s_{11}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)],0\&le;t<T$

$s_{12}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T$

$s_{13}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{14}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}\right)+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{21}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{22}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}],0\&le;t<T$

$s_{23}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})],0\&le;t<T$

$s_{24}\left(t\right)=\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t+\frac{D}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{T}+\mathrm{\&pi;})+\mathrm{\&pi;}],0\&le;t<T.$