CN104618286B - 基于冲击滤波器成型的严格带限高效调制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于冲击滤波器成型的严格帯限高效调制系统，系统的发端包括一成型滤波器，来实现严格带限通信系统，通过减小信号带宽，提升系统信号的频谱利用率，所述成型滤波器为一冲击滤波器；系统的接收端采用一最佳接收机，所述最佳接收机利用预存的经所述成型滤波器后展宽的跳变部分所得的冲击波形样本序列,作为相关运算模板或匹配滤波冲激响应，依次滑动固定步长至码元[1,2,....,M]的冲击出现位置后，分别与所述接收端接收到的当前码元的MPPSK接收信号做匹配滤波，解调出对应的发送码元；系统发端充分运用冲击滤波器的“谐振”效应，使得该严格带限系统码间干扰效应小，结构简单、复杂度低，频谱效率高、解调性能好。

Description

基于冲击滤波器成型的严格带限高效调制系统

技术领域

本发明属于通信系统中的信息解调领域，涉及一种数字通信系统，具体来说，涉及一种基于改进MPPSK脉冲调制的严格带限高效调制系统。

背景技术

1.严格带限高效调制系统

1)研究现状

世界范围内，电信运营商们都在加速部署4GLTE网络，但都不约而同面临一个重大的问题：频谱资源短缺。由此，LTE产业竞争的前沿阵地已演化为优势频谱资源的争夺战。根据某权威预测，到2020年4G频谱缺口将达1035～1455MHz。由此可见，在频谱资源异常紧张的今天，且不说频谱价格拍卖的天价，在我国花钱也再难买到最有利的频点和带宽。获取及科学分配频谱时刻挑战着运营商的智慧，并决定着运营商的LTE发展能否争取到最佳时机并顺利进军全球化商用。因此，研究高频谱利用率的通信系统以最大限度地压缩无线传输频谱，具有直接的经济效益和重要的战略意义。

在传统的通信理论中，要提高系统的频带利用率，最直接的方法是提高每波特中包含的信息量，即采用多进制调制。但是，近年来有人从另外的角度考虑，即在比特率不变的情况下，降低信号带宽，提高频谱利用率，称为超窄带通信，本发明中称之为“高效调制通信”。

2)关键技术

超窄带作为一种可以提供极高频谱利用率的通信新技术，最初由美国的H.R.Walker博士在1980年代提出。迄今为止，已经历可变相移键控(VPSK：Variable PhaseShifting Keying)、增强型VPSK、各种版本的最小移键控(VMSK：Very Minimum ShiftKeying)、脉位反相键控(3PRK：Pulse Position Phase Reversal Keying)、缺周期调制(MCM：Missing Cycle Modulation)、抑制周期调制(SCM：Suppressed Cycle Modulation)和最小边带调制(MSB：Minimum Sideband Modulation)等几个阶段。被Photron Science公司收购后，该类专利技术统一注册为超谱调制(USM：Ultra Spectral Modulation)。

在我国主要以高校为主体并在政府和军方的资助下对超窄带调制和类正弦通信开展探索。上海交通大学徐有云等人研究了VPSK、VMSK和VMSK/2的频谱利用率及编解码器的FPGA实现方案；胡剑凌等人则在RF传输系统中采用VMSK/2调制获得了近20bps/Hz的频谱利用率。上海大学的郑国莘团队提出了一种频谱利用率极高的甚小线性调频键控(VMCK：Very Minimum Chirp Keying)，并进一步通过控制信号初相得到一种正交甚小线性键控(OVMCK：Orthogonal VMCK)调制技术，使得信息传输速率和频谱利用率更高；北京邮电大学的赵成仕、周正等人又深入研究了xMAX技术，并发明了相应的类正弦无线通信技术，其团队通过引入随机脉位键控(RPPK：Random Pulse Position Keying)调制消除高效调制信号功率谱中的离散谱，达到了100bps/Hz的频谱利用率并提供多址和保密性。东南大学吴乐南等分析了超窄带调制的可行性，提出了扩展的二元相位键控(EBPSK：Extended BPSK)高效调制技术。进一步，如果每个符号的调制过程发生在载波信号的不同时间未知，还可得到频谱利用率更好的多元(即多进制)偏移键控(MPPSK：M－ary Phase Position Shift Keying)调制，可同时提供极高频谱利用率和极大能量利用率的高效调制通信技术，因而近年来备受关注。

但是，纵观MPPSK通信系统现有或基于冲击滤波的幅度判决或基于冲击滤波响应几何特征的非线性判决等解调方案，都需首先设置某一门限用于区分码元“0”和非“0”码元，对不同非“0”码元再利用位置信息进行判别，这就决定了“合理设置这一门限”的突出重要性。若此门限设置不当，势必会对系统解调性能产生很大影响。对此，在“一种基于MPPSK调制的共信道双全工系统”(发明申请号：201410214289.7；公布号为CN10395718A)中提出了改进MPPSK调制，本发明中所用的通信信号为基于改进MPPSK调制的脉冲信号。

3)不足与改进

高效调制系统作为一种高速数据通信技术，虽然从高效调制技术方面来看，一系列的高效调制技术被提出，实现了超窄带传输。但是，对于超窄带传输是否真实可行的争议也一直存在。争议焦点在于，指出该方式下调制的码元信息存在于较宽的频谱中，当信号谱分量的旁瓣被衰减掉后，足够的调制信息也随之被丢弃，因而不能够被正确解调。这些现有技术的争议，都启示着后续的改进方向。

对此，本发明可以很好地弥补现有超窄带通信理论的缺陷。本发明所研究的高效调制信号是通过在传统基带调制信号上进行严格带限成型滤波得到的，并且通过新颖的成型滤波器设计思路，可获得严格带限的高效调制信号，实现真正意义上的严格带限高效通信。

2.MPPSK传输体制

1)脉冲信号

所谓脉冲信号就是一种离散信号，它的形状多种多样，与正弦信号相比，脉冲信号在时间轴上的波形是间断的，在两个脉冲信号之间存在有电压为零或是常量的间隔。脉冲信号表现在平面坐标上就是有无数间断点的曲线，也就是说在跳变的时刻极限不存在。脉冲信号分为周期性脉冲信号和非周期脉冲信号。最常见的脉冲波是矩形波，也就是常说的方波。脉冲信号包含很多有用的信息，比如脉冲边沿的到来时刻、脉冲宽度、脉冲的高低状态及频率。高频脉冲信号可以用来作为载波信号，比如脉冲调制中的脉冲编码调制和脉冲宽度调制。现如今，尤其在电子测量领域，如火箭、导弹、雷达、汽车、计算机、近代物理学等，脉冲信号的测量是屡见不鲜。或者，在一些特殊测量领域，如光导纤维、光通信、高速电子计算机等，不仅对脉冲波形的质量有很高的要求，而且还要对脉冲的频率、边沿上升时间等参数进行时域和频域的分析，这些特性都使得脉冲信号测量受到越来越广泛地应用和研究。众多的科研项目都与脉冲量的测量息息相关，在航天领域尤为明显。

随着科学技术的发展和应用场合的不断变化，各种数字电路以及高性能芯片的时钟信号也都是非常标准的数字脉冲信号，使得数字脉冲信号的应用越来越频繁，这是由脉冲信号所特有的特性所决定的。这正是本发明的研究对象和实用性所在。

2)改进MPPSK调制

我们曾发明一种保留载波的信号调制方法，称之为扩展的二元相移键控(EBPSK：Extended Binary Phase Shift Keying，见“一种统一的二元正交偏移键控调制和解调方法”，发明专利号：ZL200710025203.6)，其信号功率谱表现出高载波和低边带的鲜明特点，但传输码率还不够高，且功率谱中仍含有较高的离散线谱；而将EBPSK调制拓展到多进制，可得到更高的传输码率并降低甚至彻底消除线谱，即利用多元信息符号键控正弦载波的不同相位跳变位置，又得到一种多元位置的相移键控(MPPSK：M－ary Phase PositionKeying)调制(见“多元位置相移键控调制和解调方法”，发明专利号：ZL200710025202.1)，其在一个码元周期[0,T＝NT_c]的表达如式(1)所示。

g₀(t)＝sin2p f_ct 0≤t≤NT (1a)

其中，T＝NT_c＝N/f_c为符号周期，T为载波周期，f_c为载波频率，N为符号周期与载波周期的比值，K为相位跳变所持续的载波周期数，0≤q≤p为调制角度，r_g>0为符号保护间隔控制因子，由r_g和整数n₀、N、K构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的“调制参数”，实际应用中一般取A＝B＝1、q＝p。

由式(1)可知，码元“0”的调制波形并不存在“相位跳变”信息，因而其冲击滤波响应在整个码元周期内产生不了类似非0码元的幅度冲击，对两者的判决基本依赖于这种幅度或延伸得到的其他类型阈值上的差异，此即必须设置门限用于解调式(1)中MPPSK调制信号的根本原因。因此，不妨对(1)式进行微调，即在产生码元序列时直接舍弃码元“0”，将原来的码元类型从[0，1，....，M－1]调整为[1，2，....，M]，或可理解为将改进后的码元“0”置于改进前的码元“1”位置上，改进后的码元“1”置于改进前的码元“2”位置上，其他码元依此顺延类推。因此，改进的MPPSK调制方式舍弃了(1)式中码元“0”的调制表达式1(a)，仅保留非0码元的调制波形，并将非0码元调整为[1、2.....M]，则得到了一种改进MPPSK调制信号(见“一种基于MPPSK调制的共信道双全工系统”，发明申请号：201410214289.7)，其表达式如(2)式所示。

式(2)中各参数与(1)式相同。仿真结果表明，当M≥50时，改进后MPPSK调制信号对功率谱及频谱利用率的影响几乎可忽略，而其无论是抗邻道干扰性能或是抑制噪声能力都明显改善，而且无需判决门限，简化了解调器结构，扩大了应用场景。

3)冲击滤波器

为提高频谱利用率，MPPSK调制信号的码元“0”与“非0”码元在时域上的差异很小，而在解调器中为突出这一差异，我们曾发明了一种所谓的“冲击滤波器”，用以突出MPPSK调制信号的相位跳变信息。

该冲击滤波器最早采用一类特殊的无限冲激响应(IIR：Infinite ImpulseResponse)的窄带数字带通滤波器来实现，该滤波器由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，在其通带内呈现出一个图1(a)所示极窄的陷波－选频特性，从而将MPPSK调制信号在“非0”码元处的信息调制转变为明显而强烈的寄生调幅冲击，故称之为数字 冲击滤波器，但在码元“0”处则无相应的波形冲击，如图1(b)所示(见“用于增强不对称二元调制信号的冲击滤波方法”，发明专利号：ZL200910029875.3。本发明所涉及的“冲击滤波”，出处均在于此，以下不再声明)。此时便可利用简单的幅度判决即可进行可靠的解调。

理论上，任何数字滤波器都可通过一定的变换方法设计出与之对等的模拟滤波器；而MPPSK系统的接收机性能与模数转换器(ADC)的采样率直接相关，采样率越高，解调性能越好。为此，我们又曾发明了一种适用于MPPSK调制的模拟冲击滤波器(详见“一种不对称二元调制信号接收机”，发明专利公开号：CN102843323A)，并定量得到了其传递函数的理论表达式。模拟滤波器相当于无穷采样，因而可极大提升接收机的误码性能；更为重要的是，冲击滤波器的模拟化可省去无论对量化位数或采样率都要求甚高的造价高昂的ADC，解除了对该系统在应用方面的限制，并极大降低了运算复杂度。图2(a)与图3(a)是分别以陶瓷滤波器和晶体滤波器实现的模拟冲击滤波器，图2(b)与图3(b)则是其对应的MPPSK冲击滤波响应，后者更是展示了以不到6kHz的－40dB带宽却通过了码率高达2Mbps的MPPSK信号的神奇效果，其冲击功效非比寻常。同理，改进MPPSK调制的冲击效果也是如此。

因此，在传统的高效调制系统中，我们将冲击滤波器的引入经典的滤波理论，极大提升了MPPSK通信系统的解调性能。但是本发明中新颖地将冲击滤波器放置在系统发送端，扩展了系统信号的成型滤波器构成，又增添了它的灵活性和通用性。

3.改进MPPSK信号的匹配滤波(即最佳接收机)

我们曾在“一种兼容中波模拟调幅广播的复合调制系统”(发明专利申请号：201310464224.3)，在使用带通滤波器分离出MPPSK数字接收信号后，采用接收端预存的一段经带通滤波后的冲击序列m(t)作为相关运算模板或匹配滤波波形，用来与带通滤波后的MPPSK接收信号在码元[0，1，....，M－1]的冲击的出现位置处分别相乘后进行积分判决，将其中的积分值最大者判决为对应的MPPSK码元。相比于此专利中传统的高效调制系统中的匹配滤波解调方式，本发明中的严格带限高效调制系统将冲击滤波器放置在发端作为成型滤波器，并且解调器里并不需要再增加冲击滤波器，因此，本发明中改进MPPSK解调器可看作经典通信系统中最佳接收机的扩展。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明旨在提供一种基于冲击滤波器成型的严格带限高效调制系统。该系统在发送端用冲击滤波器作为成型滤波器，进行发送信号带宽限制，可以有效限制信号的频谱，使得信号频谱的旁瓣更加平坦，并提升了系统解调性能；在信号发端严格限制的恶劣条件下，由于发端冲击滤波器的“谐振”效应，该严格带限的限制系统能有效抑制码间干扰，结构简单、复杂度低，频谱效率高、解调性能好。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于冲击滤波器成型的严格帯限高效调制系统，所述的严格帯限高效调制系统的发端包括一成型滤波器，来实现严格带限通信系统，通过减小信号带宽，提升系统信号的频谱利用率，所述成型滤波器为一冲击滤波器，所述冲击滤波器由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，在其通带内呈现出极窄的陷波-选频特性；所述的严格帯限高效调制系统的接收端采用一最佳接收机，所述最佳接收机利用预存的经所述成型滤波器后展宽的跳变部分所得的冲击波形样本序列,作为相关运算模板或匹配滤波冲激响应，依次滑动固定步长至码元[1,2,....,M]的冲击出现位置后，分别与所述接收端接收到的当前码元的MPPSK接收信号做匹配滤波，解调出对应的发送码元；所述M为正整数，所述MPPSK为M-ray Position Phase Shift Keying的缩写，表示多元位置相移键控。

进一步的，所述冲击滤波器连接一窄带滤波器。所述窄带滤波器的具体参数如下：所述窄带滤波器的-2dB衰减带宽为70KHz、-90dB衰减带宽为1000kHz，阶数为1153、群延时为576.5。

进一步的，所述发端的通信信号为基于改进MPPSK调制的脉冲信号。

本发明的有益效果如下：

1)系统实现简单、成本低廉

现有高效调制通信系统一般是将冲击滤波放置于接收端的MPPSK解调器中，作为解调器的一部分，而本系统中将冲击滤波器放置于系统发端，置于系统调制信号之后，起到调制信号的成型滤波器的作用。那么，此时系统接收端的解调器只需使用最佳接收机即可，有效简化了系统的实现。

2)降低带限滤波器阶数、有效减小码间干扰

本系统将发端所使用的成型滤波器，用冲击滤波器与一个阶数较低的窄带滤波器的组合方式，来代替一个具有相同带限性能的严格带限窄带滤波器，这样在保证系统信号的频谱带宽限制得到保证的前提下，降低窄带滤波器的阶数，从而简化系统复杂度，有效减小了码间干扰。

3)频谱效率高，解调性能好

已有研究和公开测试表明改进MPPSK调制信号本身便具有远超现有常规通信体制的高频谱利用率，那么本系统将冲击滤波器放在发端，起到成型滤波器的作用，可以有效限制信号的频谱，使得信号频谱的旁瓣更加平坦，并且由于通过冲击滤波器的调制信号产生了“谐振”效应，提升了系统解调性能；再者，由于冲击滤波器与窄带滤波器的组合来代替同等带限性能的窄带滤波器，使得窄带滤波器的阶数减低，减少了系统通信信号的码间干扰，进一步提升了系统解调性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1(a)是IIR型数字冲击滤波器的幅频响应；图1(b)是MPPSK信号通过图1(a)中冲击滤波器的输出波形。

图2(a)是陶瓷冲击滤波器的幅频响应；图2(b)是MPPSK信号通过图2(a)中陶瓷冲击滤波器的输出波形。

图3(a)是晶体冲击滤波器的幅频响应；图3(b)是MPPSK信号通过图3(a)中晶体冲击滤波器的输出波形。

图4(a)是常规的高效调制通信系统框图；图4(b)、(c)是本发明的严格帯限高效调至系统框图。

图5(a)是改进MPPSK调制的码元“1”的波形；图5(b)表示改进MPPSK调制的码元“2”的波形。

图6是本发明中提出的系统发端通信信号，基于改进MPPSK的脉冲调制信号波形(局部)。

图7是滤波器的－3dB、－150dB带宽分别设为70KHz、1000KHz时的幅频和相频响应曲线。

图8是原始调制波形经过图7中所说的严格带限滤波器所得波形图。

图9(a)是原始调制信号的频谱图；图9(b)与经过图7中的严格带限滤波器所得信号频谱图。

图10是改进MPPSK脉冲调制信号通过图1(a)中冲击滤波器的输出波形。图10(a)为原始调制波形经过图1中所示的冲击滤波器所得波形图；图10(b)为(a)的局部放大图。

图11是为原始调制信号经过图1中的冲击滤波器所得信号的频谱图。

图12是经过图1与窄带滤波器组合的成型滤波器之后的信号波形。

图13是经过图1与窄带滤波器组合的成型滤波器之后的频谱图。

图14是发端经过成型滤波器之后的波形序列m(t)作为匹配滤波中的相关运算模板的码元“1”波形。

图15是系统在发端采用冲击滤波器作为成型滤波器前后的系统解调性能。

图16是系统在发端分别采用严格带限窄带滤波器、冲击滤波器、冲击滤波器与窄带滤波器组合这几种不同成型滤波器时的解调性能。

图17是当系统采用冲击滤波器与窄带滤波器的组合作为成型滤波器时，其中的窄带滤波器选用不同参数时的系统解调性能曲线。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图4(a)一种基于冲击滤波器成型的严格帯限高效调制系统，所述的严格帯限高效调制系统的发端包括一成型滤波器，来实现严格带限通信系统，通过减小信号带宽，提升系统信号的频谱利用率，如图4(b)所述成型滤波器为一冲击滤波器1，所述冲击滤波器1由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，在其通带内呈现出极窄的陷波-选频特性；所述的严格帯限高效调制系统的接收端采用一最佳接收机，所述最佳接收机利用预存的经所述成型滤波器后展宽的跳变部分所得的冲击波形样本序列,作为相关运算模板或匹配滤波冲激响应，依次滑动固定步长至码元[1,2,....,M]的冲击出现位置后，分别与所述接收端接收到的当前码元的MPPSK接收信号做匹配滤波，解调出对应的发送码元；所述M为正整数，所述MPPSK为M-ray Position Phase Shift Keying的缩写，表示多元位置相移键控。

进一步的，如图4(c)所述冲击滤波器1连接一窄带滤波器2

进一步的，所述发端的通信信号为基于改进MPPSK调制的脉冲信号。

1.改进MPPSK脉冲调制器

1).参数选择

本实施例中通信信号调制参数为：

载波频率fc＝21MHz；采样率＝10倍；A＝0；B＝1；q＝p；r_g＝0；M＝2；N＝105；选用改 进MPPSK调制。

2).改进MPPSK脉冲调制器的实现

由于本实施例中以M＝2为例，当A＝1时，那么信号码元只含有码元“1”，码元“2”，此改进MPPSK调制的波形如图5所示。

图5(a)表示改进MPPSK调制的码元“1”的波形；图5(b)表示改进MPPSK调制的码元“2”的波形。

令A＝0，可对图5中的改进MPPSK信号做脉冲调制，可得图6所示的基于改进MPPSK的脉冲调制信号波形的局部图。

2.成型滤波器

本实施例中采用严格带限窄带滤波器、冲击滤波器1、以及冲击滤波器1与带限滤波器2组合这三种成型滤波器在发端生成带限信号，比较发端采用不同成型滤波器前后信号频谱的变化，并分析不同情况下系统的检测性能。

1)严格带限窄带滤波器

按实践经验，本实施例中选用一带宽相对比较窄的严格带限窄带滤波器，其具体参数为：

分别设滤波器的-3dB通带带宽、-150dB阻带带宽为70KHz、1000KHz，其幅频、相频响应如图7所示。以有限脉冲响应(FIR:Finite Impulse Response)滤波器设计，其阶数为1799、群延时为899.5。

图8为原始调制波形经过图7中所说的严格带限滤波器所得波形。由图8可见，经过此严格帯限窄带滤波器滤波之后，系统通信信号的幅度衰减非常大，幅值由原来的[-1,1]衰减至10^-2数量级，并且前后码元之间产生了较为严重的码间干扰。

可见，经过严格带限的窄带滤波之后，系统通信信号的频谱带宽虽然得到了很好的抑制，但是由于同时带入的码间干扰将无疑对系统检测性能造成影响。对比图9(a)与图9(b)可知，经过图7中的严格帯限窄带滤波器之后，系统通信信号的频谱只保留了主瓣一半的频谱信息。

2)冲击滤波器

冲击滤波器1最早采用一类特殊的IIR窄带数字带通滤波器来实现，该冲击滤波器由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，在其通带内呈现出极窄的陷波-选频特性，从而将MPPSK调制信号在“非0”码元处的信息调制转变为明显而强烈的寄生调幅冲击，输出信噪比得到显著提升。因此，经过冲击滤波器1成型的系统通信信号， 便可在系统接收端采用最佳接收机进行可靠的解调。

本实施例中采用冲击滤波器1代替图7中的严格帯限窄带滤波器，作为系统通信信号的成型滤波器，IIR型数字冲击滤波器的幅频响应如图1(a)所示，图10是改进MPPSK脉冲调制信号通过图1(a)中冲击滤波器的输出波形。

图10(a)为原始调制波形经过图1中所示的冲击滤波器所得波形图，图10(b)为(a)的局部放大图。由图10可见，经过所述冲击滤波器之后，系统通信信号的幅度增幅非常大，幅值由原来的(-1,1)增加至10²数量级。在图10(b)的冲击滤波前后波形的比较中可见，原信号波形已经被冲击滤波信号完全淹没了。同时，可见图10(a)信号波形开始端有一段波形震荡，本发明中称此现象为冲击滤波器的“谐振”效应。

图11为原始调制信号经过图1中所示的冲击滤波器所得信号频谱图。由图11可见，在系统发送端用图1中的冲击滤波器作为成型滤波器，可以有效限制信号的频谱，使得信号频谱的旁瓣更加平坦。

3)冲击滤波器与窄带滤波器组合

鉴于2)中成型滤波前后的频谱变化，本实施例提出在发端冲击滤波器1之后再加一窄带滤波器2，相比于1)中单独在发端加一个窄带滤波器作为成型滤波器，采用这个组合方案可有效降低窄带滤波器的边带衰减度，进而降低滤波器阶数，因此，可有效减低系统码间干扰程度，提升系统解调性能。发端选用的成型滤波器为冲击滤波器与窄带滤波器组合的方式时系统的框图，如图4(b)所示。

相比于图7中的严格带限窄带滤波器的各个参数，现需要使得冲击滤波器与一个窄带滤波器组合的方式能发挥到与图7中滤波器同等的作用，本实施例中设计的此窄带滤波器的具体参数为：

分别取滤波器的-2dB衰减带宽、-90dB衰减带宽为70KHz、1000kHz。此FIR滤波器阶数为1153、群延时为576.5。

图12为经过图1与此窄带滤波器组合的成型滤波之后的信号波形。相比于图10，由图12可见成型滤波之后的幅度有所降低，但幅度仍比图8中成型滤波之后的信号幅度大10⁴数量级。

图13为经过图1与此窄带滤波器组合的成型滤波之后的频谱图。由图13可见，通过冲击滤波器与窄带滤波器组合构成的成型滤波器，系统通信信号频谱图与图9(b)中的频谱基本一致。但是这种组合方式构成的成型滤波器，比图7给出的滤波器阶数低，可有效减低码间干扰，降低系统复杂度。

4.改进MPPSK解调器

本实施例中提出的严格带限高效调制系统，由于系统通信信号经过严格带限滤波器之后，信号的频谱已经被限制在很窄频段内，并考虑到改进MPPSK冲击波形的特征，可选用匹配滤波(即最佳接收机)作为系统解调器。该改进MPPSK解调器的具体实现过程为：

本实施例中将发端经过成型滤波器之后的波形序列m(t)作为匹配滤波中的相关运算模板，用来与接收端接收到的某个信号s_k(t)中码元[1,2,....,M]脉冲内的波形分别相乘后进行积分判决，将其中的积分值最大者判决为解调出的改进MPPSK脉冲码元。

考虑到改进MPPSK调制波形的特点，在具体实现时可仅先获得码元“1”的匹配序列，再将其冲击部分依次滑动(K+r_g)个载波周期得到其他码元的匹配序列；另外，考虑到经过成型滤波之后的不同码元的信号波形主要差异仍只在于信号波形跳变的区域，所以上述匹配波形中可采用冲击波形的部分，如图14中虚线框内波形所示，从而在保持匹配滤波解调效果的同时又降低了运算量。

本实施例将主要分析本发明中提出的严格带限高效调制系统的解调性能。

1)比较本系统在发端采用冲击滤波器作为成型滤波器前后的系统解调性能，如图15所示。由图15可知，系统发端通信信号经过冲击滤波之后，有效限制信号的频谱，使得信号频谱的旁瓣更加平坦，提升了系统频带利用率；同时，在系统发端严格限制的恶劣条件下，由于发端冲击滤波器的“谐振”效应，该严格带限的限制系统能有效抑制码间干扰，提升了系统解调性能。

2)比较本系统在发端分别采用严格带限窄带滤波器、冲击滤波器、冲击滤波器与窄带滤波器组合这几种不同成型滤波器时的解调性能，如图16所示。图16中用于与冲击滤波器组合的窄带滤波器参数为：滤波器的-2dB衰减带宽、-90dB衰减带宽分别设为70KHz、1000kHz。由图16中系统发端采用不同类型的成型滤波器所得的系统解调性能比较可得，本实施例提出的将冲击滤波器、冲击滤波器与窄带滤波器组合这两种成型滤波器，相比于发端直接利用一个严格带限窄带滤波器作为成型滤波器，在系统通信信号的频谱利用率与系统解调性能提升上均具有不可替代的优势。

3)当本系统采用冲击滤波器与窄带滤波器组合作为成型滤波器时，比较此处的窄带滤波器选用不同参数时，对系统解调性能影响，如图17所示。由图17所示，在冲击滤波器与窄带滤波器组合构成成型滤波器时，由图8中冲击滤波器之后的频谱变化可知，相比于图7中所示的一带内衰减3dB、带外衰减150dB的严格带限的窄带滤波器，冲击滤波器可起到一带内衰减1dB、带外衰减60dB的窄带滤波器的作用，然后再与一阶数相比于 图7中的滤波器的阶数稍低的窄带滤波器组合，构成成型滤波器，对严格带限高效调制系统的频谱利用率、解调性能均有所提升。同时，由图17可知，当组合中增加这一窄带滤波器的带外衰减度时，对系统解调性能影响不大，但是增加其带内衰减度会提升系统解调性能，但这是牺牲系统通信信号的频谱利用率换来的。

以上结果表明，本发明提出的基于改进MPPSK脉冲调制的严格带限高效调制系统实现简单、结构与运算复杂度低；而且，本发明中的冲击滤波器在实践中可以用模拟滤波器实现，所以它不会影响发端通信信号的功放，可以将本发明中提出的改进MPPSK调制的脉冲信号通过在无源天线后面接一个滤波器将其成型，非常具备实用性；最为关键的是，系统发端选用基于冲击滤波器的成型滤波器时，可提升系统通信信号的频谱利用率、系统检测性能，因而必将在未来的高效通信中“大有作为”。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于冲击滤波器成型的严格帯限高效调制系统，其特征在于：所述的严格帯限高效调制系统的发端包括一成型滤波器，来实现严格带限通信系统，通过减小信号带宽，提升系统信号的频谱利用率，所述成型滤波器由一冲击滤波器（1）和一窄带滤波器（2）构成，所述冲击滤波器（1）与一个阶数较低的所述窄带滤波器（2）的组合方式，来代替一个具有相同带限性能的严格带限窄带滤波器，所述冲击滤波器（1）由谐振频率非常靠近的一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，在其通带内呈现出极窄的陷波-选频特性；所述的严格帯限高效调制系统的接收端采用一最佳接收机，所述最佳接收机利用预存的经所述成型滤波器后展宽的跳变部分所得的冲击波形样本序列,作为相关运算模板或匹配滤波冲激响应，依次滑动固定步长至码元[1, 2, ...., M]的冲击出现位置后，分别与所述接收端接收到的当前码元的MPPSK接收信号做匹配滤波，解调出对应的发送码元；所述M为正整数，所述MPPSK为M-ray Position Phase Shift Keying的缩写，表示多元位置相移键控；所述窄带滤波器（2）的具体参数如下：所述窄带滤波器（2）的-2dB衰减带宽为70KHz、-90dB衰减带宽为1000kHz，阶数为1153、群延时为576.5。

2.根据权利要求1所述的基于冲击滤波器成型的严格帯限高效调制系统，其特征在于：所述发端的通信信号为基于改进MPPSK调制的脉冲信号；所述改进MPPSK调制的脉冲信号的表达式如下：

其中，为符号周期，为载波周期，为载波频率，为符号周期与载波周期的比值，为相位跳变所持续的载波周期数，为调制角度，为符号保护间隔控制因子，由和整数、、构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的“调制参数”，实际应用中一般取。