CN115173888A - 一种模拟信号的直接频谱扩展传输方法 - Google Patents

一种模拟信号的直接频谱扩展传输方法 Download PDF

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Abstract

发明《一种模拟信号的直接频谱扩展传输方法》属无线通信领域，将两路模拟信号视作复数基带信号，再将此信号乘以一个幅度基本恒定、相位按一定规律变化的复数扩频信号，用正交调制的方法将相乘后得到的复数信号调制到射频后发送。在接收端先将射频信号下变频到中频，用锁相环获取中频载频的同相和正交分量及扩频信号的同步信号，用此同步信号恢复出发送端的扩频信号，中频信号和恢复出的扩频信号相乘，进行反调制实现中频信号的解扩。用锁相环产生的中频载频的同相和正交分量对解扩后的中频信号进行同步检波，经后继的低通滤波器滤除残留的扩频信号，最终获得被发送的两路基带信号。

Description

一种模拟信号的直接频谱扩展传输方法
一、技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及模拟信号的无线传输方法，研究在不改变发送功率的前提下通过增加传输带宽来增加传输距离的技术。
二、背景技术
通信线路上传输的信号都是模拟信号，现代数字通信技术在传输模拟信号时通过采样、量化、编码等一系列步骤，将其变为数字信号，但在有线或无线传输时数字信号又通过码型变换变为模拟的电脉冲信号，即再一次变为另一种模拟信号。
香农信息论揭示了一种通过增加信号的传送带宽，在功率不变的情况下增加信号传输距离的方法，这就是现代的扩频通信技术的理论基础，但是目前的直接序列扩频通信(DSSS)中，模拟信号，例如语音，首先要变为数字信号，这一步往往会增加基带信号的带宽。
宽带调频也可以看作一种扩频通信，但是这种方法有一个缺陷，就是门限效应，当调频解调器的输入信噪比低于某个值后，一般在S/N＝10dB左右，解调器输出信噪比将突然降低，导致无法正常工作，通信距离无法继续增加。
本发明的目的是研究一种不需通过数字化的模拟信号的频谱扩展即扩频传输方法，同时克服门限效应对通信距离的限制。
三、发明内容
本发明将两路模拟信号视作复数基带信号，再将此信号乘以一个幅度基本恒定、相位按一定规律变化的复数扩频信号，用正交调制的方法将相乘后得到的复数信号调制到射频后发送。在接收端先将射频信号下变频到中频，用锁相环获取中频载频的同相和正交分量及扩频信号的同步信号，用此同步信号恢复出发送端的扩频信号，中频信号和恢复出的扩频信号相乘，进行反调制实现中频信号的解扩。用锁相环产生的中频载频的同相和正交分量对解扩后的中频信号进行同步检波，经后继的低通滤波器滤除残留的扩频信号，最终获得被发送的两路基带信号。在只传送一路信号时，只需将一路信号保持不变即可实现。
四、附图说明
图1是收发系统原理框图，其中101为复数乘法器，102为正交调制器，103为扩频信号发生器，201为正交下变频器，202为锁相环，203为接收端扩频信号发生器，204为解扩器，205为正交解调器，206为低通滤波器。
图2是一种扩频信号的时域波形以及幅度一时间曲线和相位一时间曲线。
图3是锁相环202原理框图，其中2021鉴相器，2022分路器，2023带通滤波器，2024低通滤波器，2025压控振荡器，2026正交4分频器。
五、具体实施方式
以下实施方式是根据图1的系统框图进行的，在系统实现时有多种方案，图1为其中之一，但是信号的处理思路是一样的，并不违背本发明的基本想法。
图1中复数乘法器101的两路输入信号分别为基带信号和扩频信号，基带信号为
Figure BSA0000276852940000021
I(t)＝I+S2(t)
Q(t)＝S1(t)
其中I为直流电压，S2(t)为第2路模拟信号；S1(t)为第1路模拟信号。当只传送一路信号时，S2(t)＝0。
扩频信号发生器103产生的扩频信号为
Figure BSA0000276852940000022
在这里假定扩频信号幅度为1，只有相位变化，实际的扩频信号的幅度允许有不大变化，只需基本恒定即可。
乘法器101的输出信号为
Figure BSA0000276852940000023
(3)式中的信号在正交调制器102对发射载波进行正交调制，得到发射信号，发射信号的复数形式为
Figure BSA0000276852940000024
式中K为常数，ωc为载频。
假定接收机本振频率ωL低于接收频率，正交下变频器201产生两路中频信号，A路为接收信号和
Figure BSA0000276852940000025
相乘，得
Figure BSA0000276852940000026
滤除和频分量后得
Figure BSA0000276852940000027
式中K′为常数，ω1＝ωc-ωL。
B路为(4)式信号和
Figure BSA0000276852940000028
相乘，滤除和频分量后得
Figure BSA0000276852940000029
锁相环202锁定于其中一路，从中得到中频载波的同相和正交两个分量，它们是频率为中频、相位相差90度的两路方波，锁相环202同时产生扩频信号的同步信号，利用此信号，可以在接收端扩频信号发生器203中得到与发送端扩频信号相同的信号
Figure BSA0000276852940000036
解扩器204对A、B两路中频信号进行解扩，如下式：
Figure BSA0000276852940000031
可以看出解扩后204输出信号相位不再随
Figure BSA0000276852940000037
变化，可见解扩过程即反调制过程。
解扩器204的输出和锁相环202产生的两路中频方波相乘，实现同步检波，得到原来发送的信号Q(t)即S1(t)及I(t)中的S2(t)，低通滤波器206用于滤除解扩后信号中残留的扩频信号以及中频的谐波。
任何幅度基本恒定、相位按一定规律变化的信号都可选作扩频信号，图2为此类信号的一个实例，此信号由一个正弦信号sinωdt和一个2倍频的升余弦信号
Figure BSA0000276852940000032
构成。图2中分别画出了两路信号的时域波形以及它们构成的复数扩频信号的幅度和相位变化曲线，由图可以看出幅度最低值为0.866，出现在ωdt等于
Figure BSA0000276852940000033
等处，此扩频信号仅有两个频率，它们都高于基带信号的最高频率，此时扩频信号的幅度变化可以被低通滤波器206滤除。
以传送立体声为例进一步说明本方法，立体声信号的最高频率为15kHz，选Q(t)为立体声左右两路信号之和，I(t)中的交变分量S2(t)为立体声的左右两路信号之差，选Qd(t)为38.4kHz的正弦波，Id(t)为76.8kHz的升余弦波，中频取614.4kHz，此时射频信号的带宽和调频立体声广播的带宽相同。
按照以上参数进一步说明锁相环的工作原理，图3为锁相环202原理框图，锁相环的基本构成为鉴相器2021，低通滤波器2024和压控振荡器2025，这是一个分频锁相环，压控振荡器2025输出经四分频器2026以后得到两路正交方波，将其中一路同时送至鉴相器2021，锁定状态压控振荡器频率为中频频率614.4kHz的四倍，即2.4576MHz，锁相环锁定于中频信号中的导频，下面解释导频是如何产生的：
(3)式中复数乘法器101的输出信号的实部包含一项I(t)Id(t)，I(t)中有直流电压I，
Figure BSA0000276852940000034
两者相乘后有一直流电压
Figure BSA0000276852940000035
此直流电压调制发射载频后即成为导频信号。锁相环锁定时，鉴相器两路输入信号的相位相差90度，因此鉴相器相当于中频信号中正交分量的同步检波器，对照(3)式，其虚部有一项为I(t)Qd(t)，I(t)中有直流电压I，因此鉴相器2021的输出中含有38.4kHz的成分I sin(2π×38.4×103t)，分路器2022的作用是将38.4kHz的成分和锁相环路的控制电压分离。中频信号的正交分量还含有其它和基带信号有关的成分和传输过程中出现的噪声。带通滤波器2023的作用是提纯38.4kHz的信号。

Claims (4)

1.一种模拟信号的直接频谱扩展传输方法，其特征在于基带信号在发送前乘以扩频信号
Figure FSA0000276852930000011
即增加一次
Figure FSA0000276852930000012
的相位调制，在接收端产生一个与发送端相同的信号
Figure FSA0000276852930000013
对接收信号进行反调制，即实行解扩，消除接收信号中的扩频相位调制。
2.根据权利要求1所述方法，一种最简单的扩频信号为一个正弦信号和一个两倍频的升余弦信号构成的复数信号。
3.根据权利要求1，一种符合立体声广播的信道要求的立体声传输方法，采用38.4kHz正弦波和76.8kHz升余弦波构成的复数信号为扩频信号；中频频率为614.4kHz，低通滤波器截止频率为15kHz。
4.根据权利要求3的方法，一种分频锁相环，其特征是，压控振荡器经四分频后得到两路正交的脉冲方波；锁相环的低通滤波器前加一个分路器，将锁相环控制信号和扩频同步信号分离；分路器的一路至低通滤波器实现频率和相位的闭环控制，另一路经38.4kHz带通滤波器提纯后成为接收机扩频信号产生电路的同步信号。
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