CN110289922A

CN110289922A - 一种时间调制及解调方法

Info

Publication number: CN110289922A
Application number: CN201910613347.6A
Authority: CN
Inventors: 徐大专; 屠伟林; 刘璟伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: CN110289922B

Abstract

本发明公开了一种时间调制及解调方法，属于信息传输与处理技术领域。该方法包括如下过程：调制时用待发送信息控制基带信号在符号持续时间内的位置；解调时对接收信号匹配滤波和峰值搜索得到接收信号带有的时间信息；最后还推导了单符号传输的时间调制容量。数值计算结果表明本发明在时间维度提供了信息，对目前通信信道容量的改善具有重要意义。

Description

一种时间调制及解调方法

技术领域

本发明涉及一种时间调制及解调方法，属于信息传输与处理技术领域。

背景技术

由香农建立的信息论为每个通信系统提供了一个重要的性能参数——信道容量，它代表信息可以可靠和正确地通过信道传输的速率的上限。经过通信行业几十年的探索和实践，编码理论已经帮助我们在加性高斯白噪声(AWGN)信道上几乎达到了香农容量。因此，对提高通信系统容量和其他意义上的实际系统容量的研究的要求已经增加。我们注意到，大部分关于信道容量分析的研究涉及香农信息论的相关预设。香农信息论假设信号信息的载体是信号的复杂包络。也就是说，发送的基带信号的幅度，相位或两者同时调制以表示数据信息，其不考虑包络的相对接收时间。原因是该模型假设每个符号是同步接收的，这就失去了时间信息。如果存在时间调制方案，则发射机处的调制操作使符号的发送时间在一定范围内是可自由控制的，并且可以包含信息数据，这使其具有信道容量的含义。因此，从时间维度提供信息的时间调制方案研究对于改善信道容量是有意义的。

发明内容

本发明提出了一种时间调制及解调方法，在信号传输中加入时间这一维的信息，突破现有调制方式的限制，以增加信道容量。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种时间调制及解调方法，包括如下步骤:

(1)用待发送信息控制基带信号在符号持续时间内的相对发送时间，当发送K比特信息时，将基带信号相对发送时间设为符号持续时间内均匀分布的2^K个位置，每个位置对应一个码字，再将基带信号调制到载波上得到发送信号：

其中，t是信号的时间分量，α表示基带信号的幅度，s(t-τ)表示时间调制后的基带信号，f_c表示载波频率，τ表示调制后基带信号在符号持续时间T内的位置；

(2)将接收信号下变频到基带，以两倍于带宽的采样率B采样进行离散化，采样数量N＝BT，T为符号持续时间，N≥2^K，得到接收信号的离散序列z(n)如下式：

z(n)＝αs(n-X_i)+w(n)

其中：X_i＝Bτ，表示符号实际相对发送位置，i∈{0,1,...,2^K-1}，s(n-X_i)表示采样后的基带信号，w(n)表示采样后的噪声；

(3)通过匹配滤波器，调制到第i个位置的信号在第m个符号位置上匹配滤波的结果U_m|i表示为：

其中X_m表示第m个符号位置，m∈{0,1,...,N-1}，s(n-X_m)表示匹配滤波器的参数在对应于X_m时的传递函数；

(4)对匹配滤波器的输出进行峰值搜索，得到峰值位置；符号持续时间内的2^K个调制位置中与峰值位置最接近的判决为符号的实际发送位置，完成解调。

步骤(1)当发送表示K比特信息的符号时，符号所有的位置应为：

其中：i∈{0,1,...,2^K-1}。

步骤(3)所述匹配滤波器的输出近似为

U_m|i＝αsinc(X_i-X_m)+w(X_m)

其中：αsinc(X_i-X_m)为匹配滤波后的信号部分，w(X_m)为匹配滤波后的噪声部分。

步骤(4)所述峰值位置的序号为：

其中，表示取实部运算，argmax(·)表示取最大值的位置。

步骤(4)中当调制时在所有采样点上设置符号的位置时，即2^K＝N时，调制容量最大。

本发明的有益效果如下：

发射机处的时间调制操作使符号的接收时间在一定范围内是可自由控制的，并且可以包含信息数据，这使其具有信道容量的含义。因此，从时间维度提供信息的时间调制方法研究对于改善信道容量是有意义的。

附图说明

图1为本发明公开的时间调制方法的流程图。

图2为传输3比特信息时的调制示意图。

图3为传输3比特信息时的接收信号采样示意图。

图4为解调过程的流程图。

图5为不同信噪比下传送K比特信息时的调制容量仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，一种时间调制及解调的方法，包括如下步骤：

步骤1、用待发送信息控制基带信号在符号持续时间内的相对发送时间，当发送K比特信息时，将基带信号相对发送时间设为符号持续时间内均匀分布的2^K个位置，每个位置对应一个码字，如图2所示为K＝3时的时间调制方式的示意图。再将基带信号调制到载波上得到发送信号：

其中，t是信号的时间分量，α表示基带信号的幅度，s(t-τ)表示时间调制后的基带信号，f_c表示载波频率，τ表示调制后基带信号在符号持续时间T内的位置。

步骤2、将接收信号下变频到基带，以两倍于带宽的采样率B采样进行离散化，如图3所示，采样数量N＝BT，T为符号持续时间，N≥2^K，得到接收信号的离散序列z(n)如下式：

z(n)＝αs(n-X_i)+w(n)

其中：X_i＝Bτ，表示符号实际相对发送位置，i∈{0,1,...,2^K-1}，s(n-X_i)表示采样后的基带信号，w(n)表示采样后的噪声。当发送表示K比特信息的符号时，符号所有的可能位置应为：

其中：i∈{0,1,...,2^K-1}。

步骤3、通过匹配滤波器，调制到第i个位置的信号在第m个符号位置上匹配滤波的结果U_m|i可以表示为：

其中X_m表示第m个符号位置，m∈{0,1,...,N-1}，s(n-X_m)表示匹配滤波器的参数在对应于X_m时的传递函数。

下面将以s(t)＝sinc(Bt)为例继续说明，根据基带信号的性质，匹配滤波器的输出可以近似为

U_m|i＝αsinc(X_i-X_m)+w(X_m)

步骤4、对匹配滤波器的输出进行峰值搜索，则峰值位置的序号为：

其中，表示取实部运算，argmax(·)表示取最大值的位置。

然后把与最近的X_i对应的τ判决为时间解调得到的实际发送位置，完成时间解调。时间解调流程如图4所示。

在上述调制规则下计算时间调制的调制容量。当调制时在所有采样点上设置符号的位置时，即2^K＝N时，调制容量最大，这时可进一步写成

其中：αsinc(i-m)为匹配滤波后的信号部分，w(m)为匹配滤波后的噪声部分，i∈{0,1,...,2^K-1}，m∈{0,1,...,N-1}。

记为N个符号位置上匹配滤波器输出，R的概率密度函数为：

其中：p(r_m|x_i)表示第m个符号位置上匹配滤波器输出r_m的概率密度函数，r_i表示第i个符号位置上匹配滤波器输出，N₀是噪声功率谱密度。

根据互信息公式，调制容量C_TM可以写成下式：

C_TM＝I(R；X)＝H(R)-H(R|X)

其中

其中：p(r|x_i)是符号发送位置是x_i时R的概率密度函数，p(x_i)是符号发送位置x_i的概率密度函数，p(r)是R的概率密度函数，p(r|x_n)是符号发送位置是x_n时R的概率密度函数，p(x_n)是符号发送位置x_n的概率密度函数。

把概率密度表达式带入，进一步计算H(R)和H(R|X)，并将结果代入互信息公式可得时间调制容量C_TM为：

其中：r_i，r_n分别表示第i个和第n个符号位置上匹配滤波器输出。

利用上式在不同信噪比下仿真得到的传送K比特信息的调制容量如图5所示。

Claims

1.一种时间调制及解调方法，其特征在于，包括如下步骤:

z(n)＝αs(n-X_i)+w(n)

2.根据权利要求1所述的一种时间调制及解调方法，其特征在于，步骤(1)当发送表示K比特信息的符号时，符号所有的位置应为：

其中：i∈{0,1,...,2^K-1}。

3.根据权利要求1所述的一种时间调制及解调方法，其特征在于，步骤(3)所述匹配滤波器的输出近似为

U_m|i＝αsinc(X_i-X_m)+w(X_m)

4.根据权利要求1所述的一种时间调制及解调方法，其特征在于，步骤(4)所述峰值位置的序号为：

其中，表示取实部运算，argmax(·)表示取最大值的位置。

5.根据权利要求1所述的一种时间调制及解调方法，其特征在于，步骤(4)中当调制时在所有采样点上设置符号的位置时，即2^K＝N时，调制容量最大。