CN105591992A - 一种基于单载波的模拟数字同步传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，包括调制模块、传输模块和解调模块；所述调制模块包括反相器、第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、第一相加器、第二相加器和乘法器；本发明还公开了一种基于单载波的模拟数字同步传输方法，本发明取消了目前模拟通信的单独网络形式，将其整合进数字传输网络，在传输数字信号的同时传输模拟信号，降低了运营成本；该系统具有模拟信号和数字信号各自传输，互不干扰的特性，因而不会增加两种信号的信噪比和误码率；本系统在整合模拟与数字通信网络的同时保证了传输质量，利于大规模运用开发。

Description

一种基于单载波的模拟数字同步传输系统及方法

技术领域

本发明涉及数字和模拟传输的技术领域，特别是一种基于单载波的模拟数字同步传输系统及方法。

背景技术

21世纪是数字时代，伴随着计算机科学的发展，一场由模拟技术到数字技术的变革正在进行中。数字信号凭借其抗干扰能力强，传输质量高，频道资源利用率高，便于计算机运行处理方便可各种信息服务的优点正被广泛应用，取代了早期模拟信号在通信网络中的主导地位。但模拟信号凭借其价格低廉，工艺相对简单的特性仍广泛应用于商用广播，电台等领域。

随着通信网络运营成本的上升，重组网络是其必然发展趋势，而数字网络与模拟网络分立传输的体系是必须要解决的首要技术难题，模拟通信网络的传输数据率只占整个通信网络的一小部分，鉴于目前模拟通信还是以一个单独网络的形式存在，造成资源浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于单载波的模拟数字同步传输系统及方法，通过单载波同时传输数字信号和模拟信号，以实现多终端的信号接受、互补式信号传输方式，更利于信号的传输和分析；该系统可以避免重建2个信道传输系统，适当降低功耗，提高公共交通系统的服务力度和网络的简明度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，包括调制模块、传输模块和解调模块；所述调制模块包括反相器、第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、第一相加器、第二相加器和乘法器；其中，

第一振荡器，用于产生频率为w₁的余弦波Y₁输出至第一选通开关；

第二振荡器，用于产生频率为w₂的余弦波Y₂输出至第二选通开关；

反相器，用于对接收的数字基带信号s(t)逐码元取反，输出反相后的数字基带信号至第二选通开关；其中，t为数字基带信号的传输时间；

第一选通开关，用于接收数字基带信号s(t)，且在数字基带信号的控制下，对频率为w₁的余弦波进行选通，使其在每一个“1”码元期间输出频率为w₁的载波s₁(t)至第一相加器；其中，s₁(t)＝s(t)Y₁；

第二选通开关，用于接收反相后的数字基带信号且在反相后的数字基带信号的控制下，对频率为w₂的余弦波进行选通，使其在每一个“0”码元期间输出频率为w₂的载波s₂(t)至第一相加器；其中，

第一相加器，用于将s₁(t)和s₂(t)求和，得到2FSK数字调制信号S_2FSK(t)输出至乘法器；

第二相加器，用于在接收的调制信号m(t)上叠加一个直流偏量A₀，输出叠加后的信号至乘法器；

乘法器，用于将叠加后的信号和S_2FSK(t)相乘后，得到调制后的数字模拟同步传输的单模信号s₀(t)输出至传输模块；

传输模块，用于将接收的单模信号s₀(t)传输至解调模块；

解调模块，用于对传输后的信号进行解调，解调出原始的数字信号和模拟信号。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述Y₁＝cosw₁t，Y₂＝cosw₂t。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述 $s\left(t\right)=\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT),\stackrel{\‾}{s\left(t\right)}=\underset{n}{\Σ}{\stackrel{\‾}{a}}_{n}g(t-nT);$ 其中，a_n为第n个码元的电平，是对电平a_n取反码，g(t-nT)为第n个矩形脉冲，T为脉冲持续时间。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述 $s_0\left(t\right)=\{\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}\stackrel{-}{a_n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t\}\[A_0+m\left(t\right)\].$

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述传输模块为光纤或同轴电缆。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述原始的数字信号是采用同步检测法解调。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统进一步优化方案，所述原始的模拟信号是采用非相干解调方法解调。

一种基于单载波的模拟数字同步传输方法，包括以下步骤：

步骤一、对输入的模拟信号和数字信号在单路载波上进行调制，得到调制后的单模信号s₀(t)， $s_0\left(t\right)=\{\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}\stackrel{-}{a_n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t\}\[A_0+m\left(t\right)\];$

步骤二、调制后的信号经传输后分别解调出原始的数字信号和模拟信号。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输方法进一步优化方案，所述原始的数字信号是采用同步检测法解调。

作为本发明所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输方法进一步优化方案，所述原始的模拟信号是采用非相干解调方法解调。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明取消了目前模拟通信的单独网络形式，将其整合进数字传输网络，在传输数字信号的同时传输模拟信号，降低了运营成本；

(2)该系统具有模拟信号和数字信号各自传输，互不干扰的特性，因而不会增加两种信号的信噪比和误码率；

(3)本系统在整合模拟与数字通信网络的同时保证了传输质量，利于大规模运用开发。

附图说明

图1是本发明中的调制模块示意图。

图2是2FSK采用同步检测法的系统框图。

图3是模拟信号的解调框图。

图4是matlab仿真的单模数字模拟信号及其解调出的模拟信号和数字信号的效果图。

图5是数字信号的解调原理图；其中，(a)为数字基带信号，(b)为混合调制后的已调信号s₀(t)，(c)为通过中心频率w₁为的带通滤波器后的信号，(d)为通过中心频率为w₂的带通滤波器后的信号。

图6是分别以两个频率w₁和w₂为中心频率对已调信号进行滤波后的波形，其中，(a)为混合调制后的已调信号s₀(t)，(b)为频率为w₁的滤波结果，(c)为频率为w₂的滤波结果。

图7是将滤波后的结果通过相乘器，两个通道得到的时域波形；其中，(a)为频率为w₁的时域波形，(b)频率为w₂的时域波形。

图8是对两个通道的波形进行低通滤波以取其包络的波形图(即为包络检波)，其中，(a)为频率为w₁的时域波形，(b)频率为w₂的时域波形。

图9a是对频率为w₁的波进行延时修正。

图9b是对频率为w₂的波进行延时修正。

图9c为数字信号解调结果。

图10a是混合调制后的已调信号s₀(t)。

图10b是全波整流的结果。

图10c是模拟信号解调结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明中的调制模块示意图，一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，包括调制模块、传输模块和解调模块；所述调制模块包括反相器、第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、第一相加器、第二相加器和乘法器；其中，

第一振荡器，用于产生频率为w₁的余弦波Y₁输出至第一选通开关；

第二振荡器，用于产生频率为w₂的余弦波Y₂输出至第二选通开关；

反相器，用于对接收的数字基带信号s(t)逐码元取反，输出反相后的数字基带信号至第二选通开关；其中，t为数字基带信号的传输时间；

第一选通开关，用于接收数字基带信号s(t)，且在数字基带信号的控制下，对频率为w₁的余弦波进行选通，使其在每一个“1”码元期间输出频率为w₁的载波s₁(t)至第一相加器；其中，s₁(t)＝s(t)Y₁；

第二选通开关，用于接收反相后的数字基带信号且在反相后的数字基带信号的控制下，对频率为w₂的余弦波进行选通，使其在每一个“0”码元期间输出频率为w₂的载波s₂(t)至第一相加器；其中，

第一相加器，用于将s₁(t)和s₂(t)求和，得到2FSK数字调制信号S_2FSK(t)输出至乘法器；2FSK为二进制频移键控；

第二相加器，用于在接收的调制信号m(t)上叠加一个直流偏量A₀，输出叠加后的信号至乘法器；

乘法器，用于将叠加后的信号和S_2FSK(t)相乘后，得到调制后的数字模拟同步传输的单模信号s₀(t)输出至传输模块；

传输模块，用于将接收的单模信号s₀(t)传输至解调模块；

解调模块，用于对传输后的信号进行解调，解调出原始的数字信号和模拟信号。

所述调制方式可充分利用发射功率和载波，并且减小频带，模拟信号和数字信号的混合传输方式对于数字信号的频率调制与2FSK调制方式没有本质上的区别，只是载波的振幅不是一个不变的值。足够大的直流偏量保证了解调时不会将某一支路的信误判为零。

所述传输部分如下：已调信号中同时包含了模拟信号和数字信号，其振幅变化反映了模拟信号的时域波形，频率变化则包含了数字信号的“0”，“1”信息。

根据本发明所述的一种数字模拟同步传输技术，所述传输模块信道为光纤或同轴电缆。该模数复用信号s₀(t)的调制方式对噪声介入较敏感。但是考虑到光纤传输优良的噪声特性，常被应用于在光纤中传输数字信号。

该单模数字模拟信号及其解调出的模拟信号和数字信号的效果图如图4所示。

步骤一：传统的双边带(DSB)调制信号为：

s_DSB(t)＝[A₀+m(t)]cosw_ct，(1)

式中，m(t)为调制信号，均值为零；A₀表示叠加的直流分量且为常数，w_c为载波频率，t为时间。

步骤二：传统2FSK调制信号的表达式为：

$s_{2FSK}\left(t\right)=\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}{\stackrel{\‾}{a}}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t,---\left(2\right)$

式中，g(t)为单个矩形脉冲，T为脉冲持续时间，n是按照时序对码元进行的标号，a_n为第n个码元的电平，表示对第n个码元的电平取反，w₁是2FSK调制信号中低频载波的频率，w₂是2FSK调制信号中高频载波的频率。

步骤三：数模复用调制：即将DSB和2FSK复用在单路载波上，得到的数字模拟混合信号的表达式为： $s_0\left(t\right)=\{\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}\stackrel{-}{a_n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t\}\[A_0+m\left(t\right)\],---\left(3\right)$

所述解调模块的解调过程包括以下步骤：

步骤一：数字信号的解调，采用同步检测法。

2FSK采用同步检测法的系统框图如图2所示，对于2FSK信号的解调原理是通过带通滤波器将2FSK信号分解成上下两路2FSK信号后分别解调，再进行抽样判决输出信号。

设发送“1”时对应的载波频率为w₁，发送“0”对应的载波频率为w₂。那么在一个码元的持续时间T内，发送端产生的信号为

考虑到信道的加性高斯白噪声，接收端的输入合成波形可以写成

式中，a为信号成分，n_i(t)为加性高斯白噪声，其均值为0。

接收端信号y_i(t)在经过两个中心频率分别为w₁和w₂的带通滤波器后，上下两条支路得到的输出波形y₁(t)和y₂(t)分别为：

式中，n₁(t)和n₂(t)分别为高斯白噪声n_i(t)经过上下两个频率分别为w₁和w₂的带通滤波器的输出噪声——窄带高斯噪声，其均值为0。

数字信号的解调原理如图5所示，图5中的(a)为数字基带信号；图5中的(b)为混合调制后的已调信号；图5中的(c)为通过中心频率为w₁的带通滤波器后的信号；图5中的(d)为通过中心频率为w₂的带通滤波器后的信号。

仿真图如下：

分别以两个频率w₁和w₂为中心频率对已调信号进行滤波。滤波的结果如图6所示是分别以两个频率w₁和w₂为中心频率对已调信号进行滤波后的波形，其中，图6中的(a)为混合调制后的已调信号s₀(t)，图6中的(b)为频率为w₁的滤波结果，图6中的(c)为频率为w₂的滤波结果。

在解调的过程中，将滤波后的结果通过相乘器，两个通道得到的时域波形如图7所示，图7是将滤波后的结果通过相乘器，两个通道得到的时域波形；其中，图7中的(a)为频率为w₁的时域波形，图7中的(b)频率为w₂的时域波形。

经过低通滤波的时域波形如图8所示，图8是对两个通道的波形进行低通滤波以取其包络的波形图(即为包络检波)，其中，图8中的(a)为频率为w₁的时域波形，图8中的(b)频率为w₂的时域波形。

对两个频率通道的波形进行低通滤波以提取其包络，并作延时修正，如图9a、图9b和数字信号解调，如图9c。图9a是对频率为w₁的波进行延时修正，图9b是对频率为w₂的波进行延时修正，图9c为数字信号解调结果。

在对解调过程进行仿真时可以看到，经过滤波器后，信号出现一定的延迟。但这个延迟并非随机的，因此在最后抽样判决之前对延迟进行一定的修正即可。修正后，可以通过抽样判决恢复出数字信号。若频率为w₁的通道中的波形幅值大于频率为w₂的通道中的波形幅值，则抽样判决的结果为“1”，否则，抽样判决的结果为“0”。如图9c即为抽样判决的结果即数字解调的结果。可以看到，这一解调结果与图5中的原始数字信号相同。

步骤四：模拟信号的解调：采用非相干解调法。模拟信号的解调框图如图3所示：

经过信号的2FSK解调后，接收端已经能够得到已调信号中的数字信息，同时也能够由此数字信息恢复出模拟信号所乘的“载波”。使得模拟信号即便是采用相干解调，也变得常规而简单。

混合调制后的已调信号s₀(t)如图10a，对已调信号s₀(t)进行全波整流，其结果如图10b，再进行低通滤波和滤波后的延时修正，即可解调出原始的模拟信号，如图10c。

在模拟信号的解调过程中，最终解调出的信号与原始的模拟信号相比在幅度上有一定的衰减，同时也有一定的漂移。但时间上的漂移不是随机的，因而可以再解调时加以修正。

在本系统中，取消了目前模拟通信的单独网络形式，将其整合进数字传输网络，在传输数字信号的同时传输模拟信号，降低了运营成本。并且该系统具有模拟信号和数字信号各自传输，互不干扰的特性，因而不会增加两种信号的信噪比和误码率。因而，本系统在整合模拟与数字通信网络的同时保证了传输质量，利于大规模运用开发。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，包括调制模块、传输模块和解调模块；其特征在于，所述调制模块包括反相器、第一振荡器、第二振荡器、第一选通开关、第二选通开关、第一相加器、第二相加器和乘法器；其中，

第一振荡器，用于产生频率为w₁的余弦波Y₁输出至第一选通开关；

第二振荡器，用于产生频率为w₂的余弦波Y₂输出至第二选通开关；

反相器，用于对接收的数字基带信号s(t)逐码元取反，输出反相后的数字基带信号至第二选通开关；其中，t为数字基带信号的传输时间；

第一选通开关，用于接收数字基带信号s(t)，且在数字基带信号的控制下，对频率为w₁的余弦波进行选通，使其在每一个“1”码元期间输出频率为w₁的载波s₁(t)至第一相加器；其中，s₁(t)＝s(t)Y₁；

第二选通开关，用于接收反相后的数字基带信号且在反相后的数字基带信号的控制下，对频率为w₂的余弦波进行选通，使其在每一个“0”码元期间输出频率为w₂的载波s₂(t)至第一相加器；其中，

第一相加器，用于将s₁(t)和s₂(t)求和，得到2FSK数字调制信号S_2FSK(t)输出至乘法器；

第二相加器，用于在接收的调制信号m(t)上叠加一个直流偏量A₀，输出叠加后的信号至乘法器；

乘法器，用于将叠加后的信号和S_2FSK(t)相乘后，得到调制后的数字模拟同步传输的单模信号s₀(t)输出至传输模块；

传输模块，用于将接收的单模信号s₀(t)传输至解调模块；

解调模块，用于对传输后的信号进行解调，解调出原始的数字信号和模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述Y₁＝cosw₁t，Y₂＝cosw₂t。

3.根据权利要求2所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述 $s\left(t\right)=\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT),\stackrel{\‾}{s\left(t\right)}=\underset{n}{\Σ}{\stackrel{\‾}{a}}_{n}g(t-nT);$ 其中，a_n为第n个码元的电平，是对电平a_n取反码，g(t-nT)为第n个矩形脉冲，T为脉冲持续时间。

4.根据权利要求3所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述 $s_0\left(t\right)=\{\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}{\stackrel{\‾}{a}}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t\}\[A_0+m\left(t\right)\].$

5.根据权利要求1所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述传输模块为光纤或同轴电缆。

6.根据权利要求1所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述原始的数字信号是采用同步检测法解调。

7.根据权利要求1所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输系统，其特征在于，所述原始的模拟信号是采用非相干解调方法解调。

8.一种基于单载波的模拟数字同步传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对输入的模拟信号和数字信号在单路载波上进行调制，得到调制后的单模信号s₀(t)， $s_0\left(t\right)=\{\[\underset{n}{\Σ}{a}_{n}g(t-nT)\]\cos w_{1}t+\[\underset{n}{\Σ}\stackrel{\‾}{a_n}g(t-nT)\]\cos w_{2}t\}\[A_0+m\left(t\right)\];$

步骤二、调制后的信号经传输后分别解调出原始的数字信号和模拟信号。

9.根据权利要求8所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输方法，其特征在于，所述原始的数字信号是采用同步检测法解调。

10.根据权利要求8所述的一种基于单载波的模拟数字同步传输方法，其特征在于，所述原始的模拟信号是采用非相干解调方法解调。