專利名稱：高頻帶利用率的信息調(diào)制和解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于數(shù)字通信的信息調(diào)制方法，屬于數(shù)字信息傳輸?shù)募夹g(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的遠(yuǎn)程傳輸，必須把二進(jìn)制數(shù)據(jù)加載到一個(gè)高頻信號(hào)(載波)上，這一過程就叫做調(diào)制，而相反的過程則稱之為解調(diào)。由于調(diào)制后的高頻信號(hào)(已調(diào)波)占有一定的頻帶寬度(信號(hào)帶寬)，因此為了較為可靠地傳輸已調(diào)波，也必須占用相應(yīng)的頻帶寬度(傳輸帶寬)。但是，頻率是一種不可再生的寶貴資源，為了達(dá)到盡可能高的頻帶利用率，就必須提高把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到模擬信道上時(shí)的調(diào)制效率，這樣才能在單位頻帶(例如1Hz)內(nèi)傳輸更高的數(shù)碼率(單位是bit/s)。因此，頻帶利用率以bit/s/Hz為量綱。例如，能通過現(xiàn)有300-3400Hz帶寬的公共電話網(wǎng)(PSTN)撥號(hào)上網(wǎng)的56kbits/s高速調(diào)制解調(diào)器(MODEM)，其頻帶利用率約為18bit/s/Hz。這通常是依靠盡可能地增加信號(hào)空間的星座點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，例如多電平的正交幅度相位調(diào)制(MQAM)和多相移鍵控(MPSK)調(diào)制方式，但處理起來較為復(fù)雜，尚未見到其調(diào)制效率超過20bit/s/Hz的報(bào)道。
另一種思路很直接，就是設(shè)法使表示數(shù)字“0”和“1”的載波波形不同，這樣在理論上每個(gè)載波周期T可以傳輸1位(1bit)信息，換句話說，就是信號(hào)的傳輸碼率在數(shù)值上可以等于通信的載頻，而提高調(diào)制效率的關(guān)鍵就是盡量縮減已調(diào)載波的帶寬。沿此思路，美國的H.R.Walker從早期的可變相移鍵控(VPSK，見“U.S.Patent 4742532，May 1988”)發(fā)展出了最小移(最小邊帶)鍵控(VMSK，見“IEEE Transactions onBroadcasting，43(1)，96-103，1997”)，展示了進(jìn)一步提高頻帶利用率的突破方向。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種頻帶利用率可達(dá)100bit/s/Hz(甚至更高)的高頻帶利用率的信息調(diào)制和解調(diào)方法，通過對(duì)調(diào)制效率的提高，能在更窄的帶寬內(nèi)傳輸高速數(shù)據(jù)流，以節(jié)省或合理利用寶貴的頻率資源，并為通信頻帶受限的場合提供更好的解決案。
技術(shù)方案最小波形差鍵控調(diào)制方式(VWDK)原始的VMSK之類的調(diào)制是用數(shù)字信息控制矩形波或三角波的位移，再通過由幾個(gè)石英晶體組成的特殊的模擬濾波器后輸出。而通信工程師都知道，帶寬最窄的信號(hào)形式應(yīng)該是正弦波一個(gè)純粹的正弦波，在頻域就是一根譜線，能量高度集中，理論上帶寬為零，當(dāng)然也無法傳遞任何有用的信息?，F(xiàn)在設(shè)想保持其頻率不變，而波形(幅度、相位、形狀或?qū)ΨQ性等)略微抖動(dòng)，則其頻譜能量仍然高度集中在載頻的譜線上，但在載頻兩旁會(huì)出現(xiàn)與隨機(jī)抖動(dòng)相對(duì)應(yīng)的連續(xù)譜，以及在載頻的諧波處，也會(huì)出現(xiàn)離散的譜線，這是信號(hào)分析的事實(shí)。由于波形的抖動(dòng)很微小，那么顯然連續(xù)譜和諧波離散譜的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載頻的能量。如果載波波形的抖動(dòng)受控于有用的信息，即可實(shí)現(xiàn)頻譜利用率很高的調(diào)制，和所謂“旗桿式”的“超窄帶”頻譜。這就是說如果能保持已調(diào)波與正弦波的差異盡可能小，就可望得到最窄的傳輸信號(hào)帶寬，或最高的信息調(diào)制效率。因此，本發(fā)明提出一種可稱之為“最小波形差鍵控”(Very-minimumWaveform Difference Keying，簡寫為VWDK)的高效調(diào)制方式該方式利用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的一個(gè)波形對(duì)稱參數(shù)α，使已調(diào)信號(hào)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，其信息傳輸速率等于載波頻率。即使得對(duì)應(yīng)邏輯“0”的已調(diào)信號(hào)g(t，τ)和對(duì)應(yīng)邏輯“1”的g(t，T-τ)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，并且只用一個(gè)參數(shù)來控制該波形差異和信號(hào)帶寬；其中一種VWDK調(diào)制波形可以用如下的關(guān)系式來表示 這里T為信號(hào)波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；而f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；該調(diào)制波形本身具有如下技術(shù)特征①波形分兩段分別定義，每段都是某正弦波的半個(gè)周期，但是幅度分別為A/τ和A/(T-τ)，周期則分別為2τ和2(T-τ)；②載波被調(diào)制的程度因τ而異；若令τ＝αT，0＜α＜1，則α可作為帶寬控制參數(shù)當(dāng)α＝0.5，g(t，τ)＝g(t，T-τ)就是幅度為2A/T的正弦波，其中A為幅度因子，可用來控制已調(diào)波的頻譜最窄；而當(dāng)α→0或α→1，g(t，τ)和g(t，T-τ)均與正弦波相差最大，已調(diào)波的頻譜最寬；③已調(diào)波在分段定義的波形連接點(diǎn)處連續(xù)，在“0→1”或“1→0”處的相位也連續(xù)，這有助于抑制已調(diào)波頻譜的展寬，使其能量集中在頻率f處；④在一個(gè)波形周期T內(nèi)，已調(diào)波的平均值為零，因而其頻譜中不含直流分量，這也就是正弦波前后/正負(fù)兩段幅度不同的原因。
基于逆濾波的解調(diào)方式仙儂信息論指出，信道容量C幾乎正比于信道帶寬W，故VWDK的超窄帶一般要以更高的解調(diào)信噪比(通常意味著更高的發(fā)射功率)需求為代價(jià)。盡管許多帶寬受限型應(yīng)用具有較高的發(fā)射功率(如無線電廣播、長波電臺(tái)和水下通信等)，盡量降低對(duì)于解調(diào)信噪比的要求仍是應(yīng)用中很關(guān)心的。
經(jīng)過發(fā)送端超窄帶濾波器(帶通)嚴(yán)格限制的VWDK信號(hào)已非常接近于正弦波，代表“0”和“1”的波形之間的差異已微乎其微，難以可靠地解調(diào)。為了解決這一問題，本發(fā)明在通常的相干解調(diào)之前采用數(shù)字逆濾波來與信號(hào)波形相匹配，保證了解調(diào)的順利進(jìn)行。
有益效果①頻帶利用率高。VWDK是一種載波調(diào)制方式，就是利用“0”、“1”信息碼元直接改變正弦載波的波形，信息速率可以等于載頻，理論上可以達(dá)到射頻(RF)載波的頻率！即使考慮到技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難度而在中頻(IF)上進(jìn)行處理，則在短波頻段得到數(shù)百kb/s、微波頻段得到數(shù)百M(fèi)b/s的傳輸碼率，應(yīng)有可能。由于傳輸碼率高，而傳輸信號(hào)的波形又非常接近于正弦波，因而頻譜能量高度集中(圖1)，占用帶寬很窄，所以本發(fā)明的頻帶利用率極高，可以實(shí)現(xiàn)超窄帶的高速數(shù)據(jù)傳輸。
②全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。前述美國的VMSK調(diào)制要有專門的多晶體模擬濾波器，體積大，一致性差，不便于硬件集成；而本發(fā)明革除了美國專利主要保護(hù)的多晶體模擬濾波器，發(fā)送端可以直接將調(diào)制波形的數(shù)字樣本(甚至經(jīng)超窄帶濾波后的樣本)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出即可(圖2)，便于集成電路(IC)的制作，也便于利用數(shù)字濾波精確控制發(fā)送信號(hào)的帶寬和頻譜形狀；而接收端可以根據(jù)帶通采樣定理大大降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的轉(zhuǎn)換速率(因?yàn)樾盘?hào)所占頻帶很窄)，利用“軟件無線電”技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的全數(shù)字化處理(圖3)，從而有利于將整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)都集成在一片IC上，構(gòu)成所謂的片上系統(tǒng)(SOCSystem On Chip)。
③系統(tǒng)控制靈活，適應(yīng)面寬。根據(jù)前述VWDK的原理，只要改變一個(gè)波形參數(shù)α即可控制信號(hào)帶寬，而調(diào)制/解調(diào)方式及傳輸碼率均可不變；再配合以參數(shù)A的改變來控制發(fā)射功率或信噪比，引入信道編碼來提高可靠性，便可以構(gòu)成非常靈活的可事先編程設(shè)定或在線動(dòng)態(tài)重組的通信系統(tǒng)。
④為新的高速傳輸體制(如移動(dòng)通信、無線電廣播和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))和抗干擾方法(如軍用電子對(duì)抗)提供了可能。
總之，VWDK是一類利用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波波形的高效調(diào)制方式，只要改變一個(gè)波形的不對(duì)稱參數(shù)即可控制信號(hào)帶寬。其信息傳輸速率等于載波頻率，傳輸信號(hào)波形非常接近于正弦波，頻帶利用率極高，可以實(shí)現(xiàn)超窄帶的高速數(shù)據(jù)傳輸。


圖1是α＝0.475時(shí)VWDK調(diào)制信號(hào)功率譜幅度的對(duì)數(shù)表示圖。
圖2是VWDK調(diào)制系統(tǒng)框圖。
圖3是VWDK解調(diào)系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的一個(gè)波形對(duì)稱參數(shù)α，使已調(diào)信號(hào)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，其信息傳輸速率等于載波頻率。邏輯“0”所調(diào)制的波形為g(t，τ)，邏輯“1”所調(diào)制的波形為g(t，T-τ) 這里T為信號(hào)波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；而f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；該調(diào)制波形本身具有如下技術(shù)特征①波形分兩段分別定義，每段都是某正弦波的半個(gè)周期，但是幅度分別為A/τ和A/(T-τ)，周期則分別為2τ和2(T-τ)；②載波被調(diào)制的程度因τ而異；若令τ＝αT，0＜α＜1，則α可作為帶寬控制參數(shù)當(dāng)α＝0.5，g(t，τ)＝g(t，T-τ)就是幅度為2A/T的正弦波，其中A為幅度因子，可用來控制已調(diào)波的頻譜最窄；而當(dāng)α→0或α→1，g(t，τ)和g(t，T-τ)均與正弦波相差最大，已調(diào)波的頻譜最寬；③已調(diào)波在分段定義的波形連接點(diǎn)處連續(xù)，在“0→1”或“1→0”處的相位也連續(xù)，這有助于抑制已調(diào)波頻譜的展寬，使其能量集中在頻率f處；④在一個(gè)波形周期T內(nèi)，已調(diào)波的平均值為零，因而其頻譜中不含直流分量，這也就是正弦波前后/正負(fù)兩段幅度不同的原因。
取α＝0.475，T＝1/20kHz，得到VWDK調(diào)制信號(hào)的功率譜幅度如圖1所示，其中縱坐標(biāo)是以載波頻率20kHz處的功率譜幅度作為0dB。由圖可見，即使信號(hào)頻譜中幅度最高的二次諧波(40kHz)，也比基波(20kHz)的幅度低了將近50dB(相當(dāng)于基波的近10萬分之一)，因此，VWDK調(diào)制信號(hào)的時(shí)域波形確實(shí)非常近似于正弦波。
圖2是VWDK調(diào)制系統(tǒng)的全數(shù)字化實(shí)施例發(fā)送端直接將由(1)式所表達(dá)的一個(gè)周期內(nèi)的已調(diào)制波形g(t，τ)和g(t，T-τ)的離散采樣值預(yù)先保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，然后在欲傳輸?shù)男畔⑿蛄械目刂葡掳凑諘r(shí)鐘發(fā)生器所提供的采樣頻率來選擇對(duì)應(yīng)的g(t，τ)波形樣本(如果信息位是“0”)或g(t，T-τ)波形樣本(如果信息位是“1”)；選中的調(diào)制波形數(shù)字樣本經(jīng)過所需要頻譜形狀的窄帶或超窄帶數(shù)字濾波器濾波后，由DAC直接轉(zhuǎn)換成模擬的已調(diào)波輸出。另外，我們甚至還可以直接存儲(chǔ)g(t，τ)和g(t，T-τ)經(jīng)超窄帶濾波后的波形樣本，這樣在發(fā)送端就可以省去代價(jià)較高的數(shù)字濾波器，從而不僅使得整個(gè)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的VWDK調(diào)制系統(tǒng)可以很容易地集成在一片IC上，而且可以提高調(diào)制系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率(即已調(diào)波頻率或傳輸碼率)。
圖3是VWDK解調(diào)系統(tǒng)的全數(shù)字化實(shí)施例帶有因信道傳輸噪聲和畸變而失真劣化的VWDK接收信號(hào)經(jīng)過必要的放大后由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過逆濾波器的數(shù)字濾波后，送入由數(shù)字乘法器、積分器和判決器所組成的相干解調(diào)器，完成對(duì)相應(yīng)“0”、“1”序列的解調(diào)。其中相干解調(diào)器的原理是經(jīng)典而公知的，本例直接沿用；而數(shù)字逆濾波器則是為了配合本發(fā)明的超窄帶VWDK信號(hào)的可靠解調(diào)而專門設(shè)計(jì)的，其頻率響應(yīng)曲線的實(shí)質(zhì)就是在信號(hào)的有效頻帶內(nèi)補(bǔ)償(即“逆”濾波)發(fā)送端因超窄帶數(shù)字濾波所造成的“0”“1”波形的模糊(即恢復(fù)乃至放大二者之間的原始差異)，而在信號(hào)的有效頻帶外仍然需要有效濾除無用的噪聲和干擾。
對(duì)于本實(shí)施例，我們可以在200-300Hz(甚至更低)的信號(hào)帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)20kb/s的傳輸碼率，調(diào)制效率達(dá)到60-100bits/s/Hz(甚至更高)。
權(quán)利要求
1.一種高頻帶利用率的信息調(diào)制方法，其特征在于利用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的一個(gè)波形對(duì)稱參數(shù)α，使已調(diào)信號(hào)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，其信息傳輸速率等于載波頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻帶利用率的信息調(diào)制方法，其特征在于邏輯“0”所調(diào)制的波形為g(t，τ)，邏輯“1”所調(diào)制的波形為g(t，T-τ) 這里T為信號(hào)波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；而f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；該調(diào)制波形本身具有如下技術(shù)特征①波形分兩段分別定義，每段都是某正弦波的半個(gè)周期，但是幅度分別為A/τ和A/(T-τ)，周期則分別為2τ和2(T-τ)；②載波被調(diào)制的程度因τ而異；若令τ＝αT，0＜α＜1，則α可作為帶寬控制參數(shù)當(dāng)α＝0.5，g(t，τ)＝g(t，T-τ)就是幅度為2A/T的正弦波，其中A為幅度因子，可用來控制已調(diào)波的頻譜最窄；而當(dāng)α→0或α→1，g(t，τ)和g(t，T-τ)均與正弦波相差最大，已調(diào)波的頻譜最寬；③已調(diào)波在分段定義的波形連接點(diǎn)處連續(xù)，在“0→1”或“1→0”處的相位也連續(xù)，這有助于抑制已調(diào)波頻譜的展寬，使其能量集中在頻率f處；④在一個(gè)波形周期T內(nèi)，已調(diào)波的平均值為零，因而其頻譜中不含直流分量，這也就是正弦波前后/正負(fù)兩段幅度不同的原因。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻帶利用率的信息調(diào)制方法，其特征在于波形對(duì)稱參數(shù)α典型可取α＝0.47-0.48，帶寬可以控制得很窄，頻帶利用率可高達(dá)100bit/s/Hz以上。
4.一種適用于權(quán)利要求1所述的高頻帶利用率的信息調(diào)制方法的解調(diào)方式，其特征在于在通常的相干解調(diào)之前采用逆濾波來與信號(hào)波形相匹配。
全文摘要
高頻帶利用率的信息調(diào)制和解調(diào)方法是一種用于數(shù)字通信的信息調(diào)制和解調(diào)法，該方式利用二進(jìn)制信息碼元直接改變正弦載波的一個(gè)波形對(duì)稱參數(shù)α，使已調(diào)信號(hào)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小，其信息傳輸速率等于載波頻率。邏輯“0”所調(diào)制的波形為g(t，τ)，邏輯“1”所調(diào)制的波形為g(t，T－τ)這里T為信號(hào)波形的周期，同時(shí)也是信息的符號(hào)寬度和碼元寬度；而f＝1/T則為信號(hào)波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；其信息速率可以等于載頻，而傳輸信號(hào)又非常接近于正弦波，因而頻譜能量高度集中，占用帶寬很窄，所以頻帶利用率極高，可以實(shí)現(xiàn)超窄帶的高速數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號(hào)H04L27/00GK1494284SQ03152978
公開日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2003年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月8日
發(fā)明者吳樂南, 李小平, 司宏偉, 張士凱 申請(qǐng)人:東南大學(xué)