專利名稱：：等幅等周期數字信號調制及解調方法
技術領域：
：本發明是一種用于對數字信號進行調制與解調的方法，屬于數字通信領域。具體說是一種等幅等周期數字信號調制及解調方法。
背景技術：
：調制與解調是電子通信領域里的一項十分重要的環節，不同的調制手段對一個通信系統的各項性能參數起著決定性的作用。在通信系統的發送端，通常采用把低頻的二進制基帶信號調制到高頻上來方便傳輸，由接收端把高頻載波上的基帶信號解調出來，還原出原始發送信號。近年來，各種新型調制解調技術不斷涌現，為了達到盡可能高的頻帶利用率，即在單位頻帶內傳輸更高的數碼率(以bps/Hz為量綱)，以高帶寬傳輸效率和高邊帶抑制水平為主要亮點的超窄帶技術發展尤為迅猛。國內的一系列相關專利也紛紛申請，比如一種稱為"高頻帶利用率的信息調制和解調方法"(申請號03152978.X)，其發明關鍵在于使表征邏輯"0"的已調信號g。(t)和表征邏輯"l"的已調信號gl(t)都與正弦信號之間的波形差異最小，如圖1(a)所示，但其波形前后兩半部分的幅度不同，不利于應用到復合調制中。為了克服此缺點，"等幅的高頻帶利用率的信息調制與解調方法"(申請號200410064681.4)也被發明，如圖1(b)所示。但是，上述兩項專利仍有不盡如人意的地方。"高頻帶利用率的信息調制和解調方法"的波形如前所述，前后兩半部分的幅度不同，在某些幅度受限的場合，將會影響其解調性能，在一些對波形有統一幅度要求的場合不適用，而且因其每個碼元周期內的幅度不固定，這項技術也很難與傳統的調幅/調頻技術相結合，實現在傳輸模擬信號的同時又能傳遞一路高速的數字信息。觀察其功率譜如圖2(a)可以發現，該波形的高次諧波較多且幅度較大，這不僅會浪費能量還會限制帶寬效率的進一步提升。"等幅的高頻帶利用率的信息調制與解調方法"的波形雖然進行了一些限幅處理，但是若在低信噪比條件下為了進一步增加兩種基本波形的區分度，確保信息傳輸的準確性就需要通過增大參數A(該專利中的波形調控參數)來增強兩種基本波形的差異性，但是從圖3(b)中可以很明顯看出，隨著參數A的進一步增大，兩種基本波形的幅度漸漸開始出現不統一，特別是當A增大到0.5以上時，兩種波形區分度較高，但波形的幅度的跳變已經相當明顯，該專利中基本波形幅度統一這一最大優勢將不復存在，在對波形區分度要求比較高的場合下，無法較好的與廣播系統相結合，由于該專利當中采用的方法是在正弦波上疊加寄生波形，并不能從根本上解決上述缺陷。
發明內容技術問題本發明的目的是提供一種等幅等周期數字信號調制及解調方法，使得通信系統的帶寬利用率得到進一步的提高，同時調制波形的幅度具有恒定的統一性，可以運用到各類需要對載波的幅度進行調制的通信系統中，抵抗噪聲的能力也得到了進一步增強。技術方案本發明分數字信號調制與解調方法兩部分，分別如下1)等幅等周期數字信號調制方法該方法利用二進制信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為"l"時產生的調制波形4(t)和當信息比恃為"0"時產生的調制波形f。(t)與標準正弦波相比具有可調的微小差異。該調制方式可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)其中T是調制波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f=1/T是載波的頻率，在數值上也等于碼元的傳輸速率；當信息比特為"l"時，波形發生器產生"(l+");時的f(t)(記成fjt));當信息比特為"0"時，波形發生器產生"(3-")^時的f(t)(記成f。(t))，其中a(0<a<1)是波形調控參數。該調制方式具有如下技術特征a、兩種基本波形的差異在t=T/2達到極大值。b、兩種基本波形振幅A是恒定不變的，峰值分別位于t=T/4和t=3T/4處，且不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變。c、波形滿足^(t)=-f0(T-t)，f。(t)和^(t)在[O，T/4]和[3T/4，T]時間段內均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮。d、這種調制波形的頻率始終是恒定不變的且在數值上等于比特速率。e、通過波形調控參數a(0<a<1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小，當處于大信噪比環境下可以通過增大a來減弱不同波形的區分度，當處于小信噪比環境下可以通過減小a來增強不同波形的區分度。2)等幅等周期數字信號調制的實現根據a)式分別對表征信息"o"的f。a)和"i"的的兩種基本波形在一個周期內進行采樣，將采樣后得到的一個完整周期內的波形樣本存儲在兩個存儲區域內。待傳輸的二進制信息控制一個選擇開關，在一個波形周期內，分別選擇f。a)或fjt)中的一路相應的存儲區。存儲區中的波形樣本在同步時鐘的控制下，通過數模轉換器轉換成已調的高頻模擬信號并經帶通濾波器后輸出。完整的原理框圖如圖4所示，這種全數字的方案特點在于產生的信號頻率精確，幅度穩定，產生的調制波形的上限頻率直接由DAC的性能決定，既便于后期的集成電路制作，也有利于利用數字濾波精確控制發送信號的帶寬和頻譜形狀。3)等幅等周期數字信號解調方法在基于微小相位差的解調方法中，只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調。如圖5所示，接收的已調信號先經過帶通濾波器去除干擾，然后進入采樣器，由系統時鐘形成采樣脈沖并送入采樣器，采樣器通過對碼元周期一半處采樣將獲得的相位送入微小相位差檢測器還原出原始發送的二進制信息。這種方法的特點在于運算量低，設備簡單，處理速度快，比起"03152978.X"號專利申請所使用的相關檢測法，大大降低了采樣率，提高了系統效率。在這里，還可以采用另一種基于過零點檢測的解調方法，同樣只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調。由圖l(c)可知，在碼元周期的中點處，有f。(T/2)>0，fjT/2)<0。所以通過對該時刻的接收信號進行采樣，就可以根據采樣值的極性來判決發送的二進制碼元是"1"還是"0"。4)頻帶利用率的提高對圖1(a)和圖1(b)中的原始VWDK波形和改進后的VWDK波形當然也可以采用同樣的微小相位差的解調方法，若同樣把采樣判決時刻取在碼元周期的中點，與圖l(c)相比，后者抵御波形失真以及噪聲干擾的能力更強，這種波形有望通過帶寬更窄的信道，能把帶寬受限所造成的影響降到最低，得到更高效的頻帶利用率。對圖1(a)，圖1(b)和本方法圖1(c)中的波形分別通過帶通濾波器后在碼元周期的中點進行微小相位差檢測，在保持相同無碼率的前提下，比較幾種信號經過各自的帶通濾波器后的頻譜，分別對應圖6(a)(b)(c)。可以看出，圖6(c)與圖6(a)(b)相比，雖保留了兩根線譜，但是主瓣寬度已大大減小，因此所需帶寬更窄。圖7為本方法的誤碼率分析。調控參數分別取0.9和0.85，并與MPSK(最小相移鍵控)進行了進一步的對比。本發明方法保留了現有技術的優點，如全數字化，系統調控靈活(只需改變一個調控參數)，除此以外還具有以下優點1)頻帶利用率更高。由式(1)以及圖l中的比較可知，圖l(c)的波形更加接近正弦波，圖6表明在解調性能大體相當的前提下，三種方法中，本專利所需的頻帶寬度最小，頻譜能量也更加集中。2)穩定的幅度恒定。由圖3可知，三種調制方法在各自的調控參數發生變化時，只有本專利能夠在真正意義上實現調制波形的幅度統一，而不像另外兩項專利中基本波形會隨著調控參數的變化而發生畸變或跳躍。3)抵抗信道失真和噪聲干擾的能力更強。本發明的輸出是等幅度的調制波形，它既能經過頻帶更窄的帶通濾波，又能在一定程度上經受系統限幅的影響，隨著兩種基本波形在碼元周期一半處差異的可調控的增強，系統的抗噪聲性能也得到了進一步的增強，可見該波形在抵抗傳輸信道的線性失真(如頻帶受限)和非線性失真(如幅度受限)方面的能力都得到了增強。4)更加廣闊的應用前景。正是因為表征不同信息的兩種基本波形的差異可以隨著調控參數的改變而變化，而且在變化的過程中，波形的幅度不變，使得該項發明的方法既可運用與大信噪比條件下，同樣也適用與小信噪比條件下，還可以運用在需要對載波的幅度進行調制的系統中，通過載波也傳輸一路高速數字信息，如通過傳統的廣播體系中的載波來傳遞數字信息，實現在收音機上看報紙，看圖片，看電視等，從而實現模擬通信和數字通信的復合。圖1(a)是"03152978.X"號專利申請所發明的原始VWDK調制方法的輸出信號(a=0.9);圖l(b)是"200410064681.4"號專利申請所提出的改進的VWDK調制方法的輸出信號(A=0.2);圖l(c)是本發明方法的輸出信號(a=0.9)。圖2(a)是"03152978.X"號專利申請所發明的原始VWDK調制信號的功率譜幅度的對數表示圖(a=0.9);圖2(b)是"200410064681.4"號專利申請所提出的改進的VWDK調制信號的功率譜幅度的對數表示圖(A=0.2);圖2(c)是本發明方法的輸出信號的功率譜幅度的對數表示圖(a=0.9)。圖3(a)是"03152978.X"號專利申請所發明的原始VWDK調制方法的輸出信號(a的取值從0.20.9);圖3(b)是"200410064681.4"號專利申請所提出的改進的VWDK調制方法的輸出信號(A的取值從0.20.9)。圖3(c)是本發明方法的輸出信號(a的取值從0.20.9)。圖4是本發明等幅等周期數字信號調制方法的等幅等周期波形的調制系統框圖。圖5是本發明等幅等周期數字信號解調方法(基于微小相位差的解調方法)的等幅等周期波形的解調系統框圖。圖6是本發明等幅等周期數字信號解調方法(基于過零點檢測的解調方法)的等幅等周期波形的解調系統框圖。圖7是"03152978.X"號專利，"200410064681.4"號專利以及本發明方法在保持解調性能相同時的傳輸功率譜。圖8是本發明等幅等周期數字信號解調方法的誤碼率性能曲線分析圖。具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作進一步詳細說明。本發明利用新型等幅等周期信息調制方式用二進制碼元直接改變正弦載波的波形，使得對應信息比特為"1"時產生的調制波形^(t)和當信息比特為"0"時產生的調制波形f。a)與標準正弦波相比具有可調的微小差異。通過對一個波形調控參數的控制可以在帶寬效率和解調性能之中尋找一個平衡點。調控參數取得越小，表征邏輯"0"和邏輯"1"的基本波形差異越大，解調的難度越小，但是帶寬效率也相應降低；調控參數取得越大，表征邏輯"0"和邏輯"1"的基本波形差異越小，頻帶利用率越高，但是解調性能會越來越差。該調制方式表示為smZsmsmZ474r—《d■3rsin4.a)這里的T是調制波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f=1/T是載波的頻率，在數值上也等于碼元的傳輸速率；當信息比特為"l"時，波形發生器產生"(l+");時的f(t)(記成fjt));當信息比特為"0"時，波形發生器產生"(3-");時的44f(t)(記成f。(t))，其中a(0<a<1)是波形調控參數。f(t)如圖1(c)所示，是一個四段函數。將其與"03152978.X"號專利所發明的兩段函數以及圖1(a)相比較，在一個碼元周期內，g(t)的表征邏輯"O"和邏輯"l"的兩種基本碼元波形在時域里沒有一處是重合的，兩種波形尚且有較大出入，這樣在頻域里的性能就不會太好。對于超窄帶調制技術來說，關鍵點是需要在碼元周期的一半處能體現出表征兩種基本邏輯信號的差異即可，對其他位置未作特殊要求，為了實現頻域里的超窄帶，當然希望其他位置處的基本波形差異越小越好，并且越接近標準正弦波越好。對比四段函數f(t)的第一段和第四段同屬于標準的正弦波，中間兩段[T/4，和，3T/4]處(假設一個碼元周期是T)表征邏輯"0"和邏輯"1"的兩種基本波形開始出現差異，并且在T/2達到最大，以利于解調時對一半周期處所進行的微小相位差檢測。該調制方式還具有如下技術特征a、兩種基本波形的差異在t=T/2達到極大值。b、兩種基本波形振幅A是恒定不變的，峰值分別位于t=T/4和t=3T/4處，且不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變。c、波形滿足^(t)=-f0(T-t)，f。(t)和^(t)在[O，T/4]和[3T/4，T]時間段內均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮。d、這種調制波形的頻率是始終是恒定不變的且在數值上等于比特速率。e、通過波形調控參數a(0<a<1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小，當處于大信噪比環境下可以通過增大a來減弱不同波形的區分度，當處于小信噪比環境下可以通過減小a來增強不同波形的區分度。另外，在每個碼元周期內無論是選擇哪一種波形，發射功率幾乎不變。取T=lms，得到三種不同調制方式的時域波形如圖1所示。圖2是三種不同調制方式對應的功率譜的對數幅度圖，其中縱坐標是以載波頻率1kHz處的功率譜幅度作為OdB，橫坐標是相對頻率f/f。，從圖中可以看出，本專利的輸出信號功率譜中有較小的高次諧波分量，但其幅度均比基波低至少40dB(約為基波的萬分之一)以上，在通過帶通濾波器后只需要較小的帶寬就能較好的保留波形特征，輸出的波形也較為接近正弦波。將圖2(c)8與圖2(a)相比較可以發現，頻譜能量更加向基頻處集中，頻譜包絡的整體衰減速度也更快。雖然頻譜主瓣加寬了，但這可以通過帶通濾波器來抑制。繼續對比圖2(c)和圖2(b)，可以看出圖2(c)的高次諧波分量比圖2(b)要多，主瓣的寬度也略有增加，這些也同樣都可以通過帶通濾波器來抑制。圖3給出了三種不同方法在各自的調控參數取不同值的時候對應的時域波形，可以明顯發現圖3(c)的性能優于其他兩種方法。針對圖3(a)中的波形，當調控參數a取不同的值時，兩種基本波型的差異普遍較大，而且幅度不統一；圖3(b)中的波形，當調控參數A(與a類似的調控參數)取較小的值時，兩種基本波形有較小的差異，且幅度統一，當處于小信噪比環境下，需要增大調控參數A來增強基本波形的區分度時，問題就出現了，可以發現當A增大到O.5以后，兩種基本波形的幅度就變得不再統一，兩種波形在幅度最大值和最小值處會發生跳變，這會嚴重影響到各項性能參數及其進一步的應用。圖3(c)中的波形可以通過改變調控參數a來控制調制信號的輸出帶寬和信噪比，該調制信號再經濾波器后可以得到更高的頻帶利用率，在調控參數a改變過程中，調制波形處處連續，而且波形幅度始終統一，是真正意義上的等幅調制波形，滿足4(t)二-f。(T-t)，同時在時間段和[3T/4，T]就是標準的正弦波，這種波形正因為保持了已調信號幅度的恒定，所以不會受限幅的影響，同時有利于信號的同步，也方便解調端的接收，其實用性也得到了大大提升。本發明的調制器的實例如圖4所示，保存在存儲器中的是由(1)式所定義的f。(t)和4(t)波形在一個周期內的采樣值(即表征"0"，"1")的波形樣本，樣本值的數量可以根據需要設定，也可以根據帶寬的要求，存儲經過數字帶通濾波后的波形樣本，然后利用由所要傳輸的數字信號控制一個選擇開關，在時鐘信號的控制之下來選擇對應的波形樣本，所選擇的波形樣本由數模轉換器直接轉換成模擬的已調信號，再經過帶通濾波器濾波后輸出，整個調制系統為全數字化實現。本發明等幅等周期數字信號的解調方法，是基于微小相位差的信息解調方式，只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調。其特點有運算量低，設備簡單，處理速度快。圖5是本發明的解調器的實例，帶有信道噪聲和畸變而失真的已調信號經過帶通濾波后，分成兩路，一路通過載波頻率提取出同步信號，形成采樣脈沖；另一路在碼元周期一半處采樣，將采樣得到的波形相位信息與標準正弦波相位進行比較，若波形相位比標準正弦波相位超前，可判斷出發送的二進制信息是"1"，否則為"0"。這里也可以采用另一種基于過零點檢測的解調方法，同樣只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調。由圖l(c)可知，在碼元周期的中點處，有f。(T/2)X)，fjT/2)<0。所以通過在該時刻對接收信號進行采樣，可以根據采樣值的極性來判決發送的二進制碼元是"1"還是"0"。如圖6所示，接收的已調信號先經過帶通濾波器去除干擾，然后進入采樣器，由系統時鐘形成采樣脈沖并送入采樣器，采樣器在碼元周期一半處將信號采樣值送入過零點檢測器，若采樣值是正數，可判斷出發送的二進制信息是"0"，否則為"1"，從而還原出原始發送的數字信息。對于本系統，可以在200Hz的信號帶寬內，實現20kb/s的傳輸碼率，調制效率達到100bps/Hz，并有可能進一步提高。權利要求一種等幅等周期數字信號調制方法，利用二進制信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為“1”時產生的調制波形f1(t)和當信息比特為“0”時產生的調制波形f0(t)與標準正弦波相比具有可調的微小差異；該調制方式可以表示為<mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>sin</mi><mi>t</mi></mtd><mtd><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mi>t</mi><mo>-</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow><mrow><mi>τ</mi><mo>-</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow></mfrac><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mi>τ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>-</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mfrac><mi>T</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>T</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>τ</mi><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi></mrow><mn>4</mn></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><mi>t</mi></mtd><mtd><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mi>T</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>.</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中T是調制波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f＝1/T是載波的頻率，在數值上也等于碼元的傳輸速率；當信息比特為“1”時，波形發生器產生時的f(t)(記成f1(t))；當信息比特為“0”時，波形發生器產生時的f(t)(記成f0(t))，其中α(0＜α＜1)是波形調控參數；該方法具有如下技術特征a、兩種基本波形的差異在t＝T/2達到極大值；b、兩種基本波形振幅A是恒定不變的，峰值分別位于t＝T/4和t＝3T/4處，且不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變；c、波形滿足f1(t)＝-f0(T-t)，f0(t)和f1(t)在和[3T/4，T]時間段內均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮；d、這種調制波形的頻率始終是恒定不變的且在數值上等于比特速率；e、通過波形調控參數α(0＜α＜1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小，當處于大信噪比環境下可以通過增大α來減弱不同波形的區分度，當處于小信噪比環境下可以通過減小α來增強不同波形的區分度。F2008101548554C0000012.tif,F2008101548554C0000013.tif2.—種用于權利要求1所述的等幅等周期數字信號調制方法，其特征是根據(1)式分別對表征信息"0"的f。(t)和"l"的fjt)的兩種基本波形在一個周期內進行采樣，將采樣后得到的一個完整周期內的波形樣本存儲在兩個存儲區域內；待傳輸的二進制信息控制一個選擇開關，在一個波形周期內，分別選擇f。(t)或fjt)中的一路相應的存儲區；存儲區中的波形樣本在同步時鐘的控制下，通過數模轉換器轉換成已調的高頻模擬信號并經帶通濾波器后輸出。3.—種用于權利要求1或2所述的等幅等周期數字信號調制方法的等幅等周期數字信號的解調方法，分為基于微小相位差的解調方法和基于過零點檢測的解調方法兩種；其特征是基于微小相位差的解調方法，只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調；即接收的已調信號先經過帶通濾波器去除干擾，然后進入采樣器，由系統時鐘形成采樣脈沖并送入采樣器，采樣器通過對碼元周期一半處采樣將獲得的相位送入微小相位差檢測器還原出原始發送的二進制信息。基于過零點檢測的解調方法，只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調；即在碼元周期的中點處，有f。(T/2)>0，fjT/2)<O，通過對該時刻的接收信號進行采樣，根據采樣值的極性來判決發送的二進制碼元是"1"還是"0"。全文摘要本發明公開了一種等幅等周期數字信號調制及解調方法，利用二進制信息碼元直接改變載波的波形。具體為分別對表征信息“0”的f0(t)和“1”的f1(t)的兩種基本波形在一個周期內進行采樣，待傳輸的二進制信息控制一個選擇開關，在一個波形周期內，分別選擇f0(t)或f1(t)中的一路相應的存儲區；存儲區中的波形樣本在同步時鐘的控制下，通過數模轉換器轉換成已調的高頻模擬信號并經帶通濾波器后輸出。只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次采樣判決便可完成解調，還原出原始發送的二進制信息。通過此法實現的等幅等周期高效調制系統，進一步提高了頻帶利用率，保證了調制波形幅度的恒定，其抵抗信道失真和噪聲干擾的能力也得到了增強，具有廣闊的應用前景。文檔編號H04L25/49GK101729470SQ20081015485公開日2010年6月9日申請日期2008年10月24日優先權日2008年10月24日發明者張羽,朱松盛,殷奎喜,閭國年申請人:南京師范大學