（电路与系统专业论文）基于梳状滤波的超窄带传输系统的研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 捣盘日期：冱f i 2 。主金 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，i l l j - 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：翅蛰 剔磁名悸卜 适用本授权书。 基于梳状滤波的超窄带传输系统的研究 摘要 超窄带( u n b ) 高效调制技术可获得非常高的频谱利用率，能 有效缓解频率资源的紧缺现状，因而近年来广受关注。本文选题来 源于国家自然科学基金等项目，具有重要的理论与现实意义。 本文在深入分析超窄带频谱特点的基础上，基于经典i i r 梳状 滤波提出一种新型超窄带传输方案，并分析了滤波后的超窄带波形 特征：利用最佳接收实现接收端的信息恢复，性能仿真验证了该方 案的有效性。 文中首先分析了超窄带调制技术的基本原理和已调信号的功率 谱特点，结合空中带宽的定义与信号解调，探讨了信号带宽的理论 定义与工程规定的区别，揭示了超窄带隐含的深层意义。接着，分 析了超窄带滤波器的特点，从信息恢复角度出发探讨了将经典滤波 器应用于超窄带通信系统的可行性。另外，为防止造成邻道干扰， 在滤除多余离散谱线并保留主载频的前提下，本文提出并设计了简 单灵活的梳状整形滤波器，对超窄带信号进行发送滤波。该方案可 有效降低边带辐射功率，从而使发射信号带宽符合超窄带的苛刻定 义，且滤波后的超窄带信号仍然保留信息差异性。通过在a w g n 信 道下进行计算机仿真表明，基于梳状滤波的超窄带调制方案的传输 性能可逼近b p s k ，优于传统的超窄带传输机制。 本文的研究是对超窄带系统实现方法的初步探索，对于促进超 窄带技术的推广应用将具有一定的参考价值。 关键词：超窄带调制功率谱密度超窄带滤波器梳状滤波器 北京邮电大学硕士论文 n o v e lu n bt r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nc o m bf i m r u l t r a n a r r o w b a n d ( u n b ) t e c h n o l o g yc a ng r e a t l yi m p r o v et h e s p e c t r u m u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , a n de a s et h et e n s i o no ff r e q u e n c y r e s o u r c e s t h e r e f o r ei th a sa t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n t h et o p i co ft h i s p a p e rc o m e sf r o mt h ei t e m o fc h i n e s en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ，a n ds oo n i th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gt ot h e o r ya n d r e a l i z a t i o n a f t e r d e e p l ya n a l y z i n g t h e p o w e rs p e c t r u m o fu n b ，u n b t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ni i rc o m bf i l t e rh a sb e e ne x p l o r e di nt h i s p a p e lt h ec h a r a c t e r i s t i co fu n bs i g n a la f t e rt h ec o m bf i l t e rw a s a n a l y z e d t h e ni n f o r m a t i o nr e c o v e r yh a sb e e np e r f o r m e du s i n go p t i m u m r e c e i v e r t h es i m u l a t i o nv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp r o g r a m 1 n h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ep o w e rs p e c t r u mo ft h et y p i c a lu n b m o d u l a t i o nm e t h o d s b yi o i n tr e s e a r c ho ft h ea i rb a n d w i d t hw i t hs i g n a l d e m o d u l a t i o n ，t h i sp a p e rc l a r i f i e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e f i n i t i o n o fs i g n a lb a n d w i d t ha n de n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s ，a n dr e v e a l st h ed e e p m e a n i n go fu n b t h e ni ta n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n bf i l t e r , a n d d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gc l a s s i c a lf i l t e rt ou n bt r a n s m i s s i o n s y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi n f o r m a t i o nr e c o v e r y t oa v o i dt h e i n t e r f e r e n c et ot h ea d i a c e n tc h a n n e l ，t h o s eu n w a n t e dd i s c r e e ts p e c t r a l l i n e se x c e p tc a r r i e rs h o u l db ee l i m i n a t e d b e f o r et r a n s m i s s i o n ，s ot h i s p a p e rd e s i g nas i m p l ea n df l e x i b l ec o m bf i l t e r n ep r o g r a mc a nr e d u c e t h es i d e b a n dp o w e re f f e c t i v e l y , a n dm e e tm o r es t r i n g e n tb a n d w i d t h r e s t r i c t i o n s t h ef i l t e r e du n bs i g n a lm a i n t a i n st h ed i f f e r e n c e so f i n f o r m a t i o n a ss i m u l a t i o nu n d e ra w g nc h a n n e lh a ss h o w e d t h eb e r p e r f o r m a n c ei sc l o s et ob p s k t h ep a p e rp r i m a r i l yr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no ft h e 北京邮i u 大学硕士论文 u n bt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n di ti sw o r t h w h i l et ot h ea p p l i c a t i o no f u n b k e yw o r d s ：u n bm o d u l a t i o nu n b p o w e rs p e c t r u md e n s i t y u n bf i l t e rc o m bf i l t e r m 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 2 4 1 超窄带的带宽定义2 0 2 4 2 与s h a n n o n 定理矛盾之处的分析2 3 超窄带滤波器的设计思路2 5 ；i 言：1 5 零群时延滤波器2 5 腿滤波器2 6 一、l ；与2 8 梳状整形滤波器设计2 9 弓i 言2 9 滤波器设计思路2 9 4 2 1 滤波器的选择。3 0 4 2 2 滤波器设计方法。3 0 梳状整形滤波器设计3 1 4 3 1 梳状滤波器原理3 1 4 3 2 构造梳状整形滤波器3 4 4 3 3 梳状整形滤波器的同步问题3 8 仿真分析与验证4 2 4 4 1 滤波性能分析4 2 4 4 2 解调性能分析。4 8 4 5小结4 9 第五章总结与展望。5 1 参考文献5 2 j $ 【谢5 5 攻读硕士学位期间发表的论文5 6 i v 1 1 课题研究背景 宽带泛在网络从提 及新一代宽带无线移动 着全球社会向宽带泛在 越来越突出i 。 对于一些未被有效 谱及时回收至“频谱池 中，借助动态频谱管理d f ( s ) m 策略进行动态调度分 配，但是其技术复杂性、监管可行性及产品商用化面临诸多问题；另一方面， 借助提高频谱利用率的途径充分利用分散的频谱资源，这也是如今o f d m 、高 阶q a m 和m i m o 等高效调制技术备受推崇的原因之一，然而，目前在 i 肌胍+ 厂i m 删i m t - a d v a n c e d 等通信系统中应用上述先进技术所能达到的 可行频谱利用率仅为1 6 1 8 b i t s h z 左右，想要获得频谱利用率为2 0 - - 3 0 b i t s i - i z 乃至5 0 , - - ，9 0 b i t s h z 的超高效率，一直是通信界长久以来的追求目标1 1 j 。对此， 超窄带( u n b ) 技术的出现带来了一丝曙光。 相对于超宽带( u w b ) 以共享频谱资源实施宽带高速连接而言，超窄带 ( u n b ) 则以极高频谱利用率可在任何闲置的窄频谱缝隙传输宽带高速信息， 显然有其独特的资源管理特点与市场应用诱惑力，如：改善超长波、长波、短 波等带宽受限或严重受限信道的高速数据传送；使现有宽带无线接入信道转向 新一代的速率增强超高速化；使新一代移动通信及视频多媒体广播多播高速下 行甚至双向速率增强；应用于保密、伪装、示假、乱真、隐蔽等新的抗干扰与 安全应用途径等【l j 。 实现频谱的高效利用，通常通过提高调制状态数获得，例如m p s 尉m q a m 等典型高阶调制方式。此时功率增益往往要随着状态数的增加而相应减小，必 须靠编码级联码编码和或相应编码调制来获得补偿，以增加复杂度或牺牲时延 等其它q o s 指标为代价f 。一般情况下，要达到1 5 b i f f s h z 的频谱效率而功率 又在可操作的范围，实现起来极为困难；根据经典的s h a n n o n 信道容量公式， 欲达到1 0 0 b i t s h z 的频谱效率，所需e b n 0 为2 8 1 d b ，这在可预见的时间内几 乎无法实现。 近年来，超窄带技术所引领的新型调制模式为大幅度提高频谱利用率提供 了新途径。采用典型的超窄带调制技术，如v m s k ( 甚小移键控) 或v w d k ( 甚小波形差键控) ，能够使频谱利用效率超越传统极限得以较大幅度提高，同 w a l k e r 提出的“零群时延滤波器 5 3 1 1 5 4 。本文也正是针对这一主要技术争议， 开展对超窄带技术的研究与探索，以期得出更有意义的结果。经典的f i r 或i i r 滤波器经过时间的积淀与验证，适用于诸多经典的通信场合。显然，基于f i r 或i i r 滤波的超窄带系统，若能实现，具有很好的推广性。本文试图以i i r 滤 波器的设计为基础，进行对超窄带传输的有益探索。 1 2 超窄带技术的发展与研究现状 近年来，高效调制技术开始备受关注。美国的h r w a l k e r 等人从8 0 年代就开 始致力于高速数据传输的研究、开发和应用，他们突破了传统的调制思维模式， 通过设法使表示“o ”和“1 的载波波形不同这种传输方式调制信息，理论上每 个载波周期可传输l b i t 信息，通过调制波形及发送滤波器的选择尽量缩减已调载 波的带型2 5 1 ，并产生了4 项重要专利，奠定了超窄带高效调制的基础。 国际上超窄带技术的发展由两个团队主导。第一个是以美国的h r w a l k e r 为首的团队，相继提出了可变相移键控( v p s k - v a r i a b l ep h a s es h i f t i n gk e y i n g ) 【9 _ 1 3 ，3 5 1 、增强s k 【1 7 , 3 6 1 、各种版本的甚小移键控( v m s k ：v e r ym i n i m u m s i d e b a n dk e y i n g ) 6 8 , 3 7 等调制解调技术，后来又发展出p p m ( p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ) 、p r k ( p h a s er e v e r s a lk e y i n g ) 1 3 s 】和m s b ( m i n i m u ms i d e b a n d m o d u l a t i o n ) i s 】等技术。目前该类专利技术已经注册为超谱调制( u s m ：u l t r a s p e c t r a lm o d u l a t i o n ) 。1 9 9 7 年，w a l k e r 在论文中称v m s k 调制技术的传输效率 已达1 5 b p s h z l 6 l ：2 0 0 0 年，w a l k e r 在美国的技术演示中用3 0 k h z 带宽的标准蜂 窝时隙传送v m s k 信号，码率达到1 5 4 4 m b p s ，带宽效率高达5 0 b p s h z i 别；2 0 0 5 年，u s m 技术已经实现了端到端的m a t l a b 仿真，表明它具备了在带宽为5 0 k h z 的窄带里以5 m b p s 的高速传输数据的能力瞄j 。另一个是美国x gt e c h n o l o g y 公 司的j o s e p hb o b i e r 主导的团队，提出x m a x 调制解调技术并申请了专利【1 9 j 1 2 0 j 。 2 0 0 6 年，他们通过像是无线电话一样的基站传送器，在9 0 0 m h z 频带使用x m a x 2 北京邮电大学硕士论文 技术，传送每秒3 6 7 m b i t 的数据信号，覆盖了美国迈阿密郊区1 8 英里半径的 范围，所使用的天线是全向天线，r f 功率只有3 5 微瓦【冽。 国内的研究也取得了诸多成果。以东南大学的吴乐南教授为首的团队沿 v m s k 思路进一步提出一种类正弦的v m s k 调制方式【2 1 1 1 2 2 1 ，命名为甚小波形差键 控( v w d k ：v e r y m i n i m u mw a v e f o r md i f f e r e n c ek e y i n g ) 调制，采用差异甚小 的类正弦波调制二进制信息，并进行了丰富的理论研究【2 3 瑙】。上海交通大学的 徐友云、阮铭等对v p s k 、v m s k 及v m s k 2 的频谱利用率估计及基于f p g a 的编 解码器实现方案进行了研究1 2 7 l 。胡剑凌、徐盛等利用现有硬件技术，在射频传输 系统中采用v m s k 2 调制技术获得了近2 0 b i t s h z 的频带利用纠矧。北京邮电大学 的赵成仕等人对x m a x 技术进行研究，提出一种x m a x 类正弦波调制技术i 捌。北京 邮电大学的李斌等人另辟蹊径，将经典的跳时多址引入单周期载波调制中，提出 一种全新的超窄带调制技术r p p k ( r a n d o mp u l s ep o s i t i o nk e y ) ! 捌。 此外，也有一些学者质疑该调制技术的可行性，最典型的反对意见是 e k a m o o ! ，t o m a z i e l 3 1 1 及中国的陈晓毅【3 2 l 【3 3 】等。前两者主要从信道容量的角度质 疑，认为u n b 与信息论的基础相背，而邓小涛等人【驯对s h a n n o n 定理进行了研究 与释疑：后者主要从信号处理的角度进行反驳，其观点并没有就事论事，略显无 力【矧。 技术的发展正源于不断的质疑与解惑，对超窄带技术的争议也促进了更深 入的研究与探索。超窄带调制方式的特殊性，使得对于超窄带系统的带宽界定 不同于传统数字传输系统，本文将带宽压缩与信号解调结合研究，探讨了信号 带宽的理论定义与工程规定的区别，以求更清晰的理解超窄带技术的含义。超 窄带技术刚刚起步，选择合适的滤波器，使得既能利用其极高的频谱利用率在 闲置的窄频谱缝隙传输宽带高速信息，又不至于影响其它传输系统，具有重要 意义，本文对此进行了有益的探索。 1 3 论文的主要工作 本文选题来源于国家自然科学基金等项目。文中首先研究了几种典型的超 窄带调制技术，分析其基本原理及已调信号的特点，在此基础上将空中带宽与 信号解调结合研究，探讨了信号带宽的理论定义与工程规定的区别，揭示超窄 带隐含的深层意义。接着分析了超窄带滤波器的特点，并提出作者自己的观点。 最后，基于滤除多余离散谱线并保留主载频的任务，从频域的角度考虑，设计 了简单灵活的梳状整形滤波器，对采用单周期调制的超窄带发送信号进行滤波。 该方案有效降低了边带辐射功率，使传输信号符合更苛刻的带宽限制，进而得 到优化的超窄带传输系统。计算机仿真结果表明滤波后的超窄带信号仍然保持 3 北京邮电大学硕士论文 信息差异性，a w g n 信道下的性能仿真验证了该方案的有效性。 本文的工作主要体现在以下几个方面： 1 ) 分析超窄带滤波器的研究目的与意义，从信息恢复的角度出发，探讨了 将经典滤波器应用于超窄带通信系统的可行性： 2 ) 在分析超窄带频谱特点的基础上，基于滤除多余离散谱线并保留主载频 的任务，从频域的角度出发，设计了梳状整形滤波器； 3 ) 提出基于梳状整形滤波器的超窄带传输方案，分析了滤波后的超窄带波 形特征，利用最佳接收实现接收端的信息恢复。在a w g n 信道下进行性 能仿真，得出的误码性能逼近于b p s k ，验证了此方案的有效性。 总之，本文的研究是对超窄带滤波器设计的有益探索，对于促进超窄带传输 统的推广应用将具有一定的参考价值。 4 北京邮电人学硕一 ：论文 2 1 引言 第二章u n b 技术的分析 由于频率资源的紧缺，取得极高的频带利用率一直是通信系统设计者不懈的 追求目标，近年来，超窄带( u n b ) 技术的出现为这一目标的实现带来了新思路。 1 9 9 7 年w a l k e r 首次在i e e et r a n sb r o a d c a s t i n g 上发表了关于v m s k 的文章 6 1 ，超窄 带调制技术引起人们的关注，以v m s k 和m s b 调制为标志的高效调制技术迅速发 展起来。这种全新的概念对传统的调制方式带来冲击，深入研究这些技术不仅可 以补充通信理论，也为打破常规大幅度提高频谱效率开拓了新的道路【5 7 1 。 v m s k 以及更早期的v p s k 、改进的v p s l 滞方法，最大特点是过零点时刻随 数据而变化。在v m s k 的基础上，东南大学的吴乐南教授经过潜心研究提出了一 种类j 下弦v m s k 调制及其改进方案，命名为v w d k 。而m s b 技术直接对r f 载波 进行处理，改变其中的一两个周期，根据改变载波周期的方式不同，m s b 可分为 3 p r k 、3 p s k 和m c m 引。随后，吴乐南教授又结合b p s k ，进一步将m s b 调制方 式统一起来，提出扩展的二元相移键控e b p s k l 4 9 1 。 本章将着重介绍u n b 通信的基础。首先对u n b 技术的4 个重要专利进行了介 绍，接着重点分析了v m s k 和m s b 两类调制方式，在此基础上将带宽压缩与信号 解调结合研究，探讨了信号带宽的理论定义与工程规定的区别，以求更清晰的理 解超窄带技术的含义。 2 2u n b 技术的四个基础专利 u n b 通信最早可追溯至l j w a l k e r 先生在1 9 8 8 年取得的专利【3 5 1 ，其中提出了 v p s k 及零群时延滤波器的概念；随后1 9 9 3 年又获准一项专利【3 6 1 ，提出改进的 v p s k 方法；1 9 9 9 年的专利【3 7 1 中提出了著名的v m s k 方法；在2 0 0 2 年获准的专利 f 3 8 1 中又提出了一种频谱更为集中的p r k 方法。本节将详细介绍这四个专利1 2 3 】【2 5 1 。 2 2 1 高速二进制数据通信系统 专利“h i g hs p e e db i n a r yd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m 发表于1 9 8 8 年5 月3 日l 矧，最主要的部分有两个：相位变化键控( v p s k ) 和零群延迟滤波器 ( z e r o g r o u pd e l a yf i l t e r ) 。 整个系统采用图2 1 的发射结构和接收结构。图2 - 1 ( a ) 中d a t a 经过编 码器1 0 送到一个低通滤波器，由1 2 、1 3 组成，经平衡调制器在理想滤波器前 5 北京邮电大学硕士论文 端1 7 产生双边带调制信号，这个双边带信号经理想滤波器1 8 滤波形成所谓的 v p s k 调制信号。图2 - 1 ( b ) 的接收端由3 部分组成：限幅器、相位变化检测 和解码。注意到这里并没有使用窄带接收滤波器。 ，1 8 ( a ) 发射端结构 r ( b ) 接收端结构 图2 1 采用v p s k 的通信结构 该系统采用了独特的编码技术( v p s k ) ，如图2 2 所示，编码规则描述为： 比特“o 或“1 重复则过零点延迟4 4 时钟周期( 或n r z 比特周期) ，比特 “o 、“1 交换则过零点延迟5 4 时钟周期( 或1 比特周期) ，经过4 比特交换 后会损失一个比特周期，如果损失比特“1 一不延迟，损失比特“o 一则延迟6 4 时钟周期。 击厂 广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 b 厂一qq 厂一q 厂_ q 阿 峙记 懈旧日灯砌n g 陋h 用跚闹m 姆m 图n g 0 哐 c 司必冈必厂i 一丝同盟厂 + r i v e tt 暇玎 州鼎嗽a n g 陋日甬嗍嗣孙0 u s m 图n g 甜啵r 8 f ：o c n di s i v l i s 篷d1 d 幽厂；丌躐冈阻几；丌必1 1 ；丌 a 刁芋d w 唱m s s e d a z e f i o v 、i i l l b e m s s i d 图2 - 2 v p s k 编码 v p s k 技术是否有效的关键在于后端经窄带滤波后能否正确解调。图2 - 1 6 北京邮电人学硕l ：论文 ( a ) 中的理想滤波器1 8 即“零群延迟滤波器 的结构如图2 3 所示，图2 4 是其幅频和相频特性曲线。该滤波器的目标是保持各频点的相位差不变而不去 管幅度的变化，在通带内提供平相位特性。 3 7 ： 4 0 4 1 ，。! ：f3 4 二f 船 卜匕f 图2 3 滤波器电路图 8 89 49 8 4 图2 - 4 滤波器幅频和相频响应 图2 3 的滤波器电路结构中，电容3 0 要高于电路中的其他电容，c 3 0 1 0 c 3 1 ， c 3 0 1 0 c 3 5 c 3 0 1 0 c 3 6 ( 或者1 0 倍以上到5 0 倍) ，以使两共振电路不产生相 互影响。3 6 和3 7 ，3 5 和3 8 分别组成低、高通滤波器，两滤波器是完全独立工 作的。4 0 与4 2 是放大器电路，分别正相和反相放大q 倍，q 是滤波器的品质 因素。两放大器一方面提供很高的输入阻抗，避免整个电路q 值降低；另一方 面由于其较小的输出阻抗，保证上下两路信号较好地混合。在混合电阻器4 1 和 4 5 上的两路信号接近于等幅，而相移相抵，得到平相位特性。滤波器增益的峰 值取决于低通滤波器的回路频率与高通滤波器的回路频率。对于1 0 8 k h z 的载 波频率，3 8 4 k b 的调制m f m 信号，低通滤波器和高通滤波器分别调谐到9 5 k h z 和9 3 k h z ，只有低于载波1 9 2 k h z 和9 6 k h z 之间的频率可以通过。若载波频率 选取为1 0 8 k h z ，通带范围为1 0 8 9 6 = 9 8 4 k h z ，1 0 8 1 9 2 = 8 8 8 k h z ，见图2 4 。 该系统可用于所有的无线及有线系统，包括f m s s b 子载波遥测系统，f m 广播子载波的数据传送，传输效率高达6 b p s h z 。对于f m s c a 系统采用此技 术，在一个f m 子载波频率间隔内可容纳高达4 个高速数据传输信道，分别是 3 8 4 k b p s ，1 9 2 k b p s ，1 9 2 k b p s ，1 9 2 k b p s 信道，因而可提供数倍于3 8 4 k b p s f m f m 系统的s c a 频谱利用率。另外该系统在发送端完全抑制载波，接收端不需要进 行载波恢复，较大地节省了带宽，也降低了接收机的复杂度，避免了接收端载 7 “0 ”、“1 极性的改变来回切换，根据数据比特的极性与前一个码元相比是否 改变以及是否是编码周期的最后一次极性改变，分配相应的波形宽度。已编码 信号经滤波与积分得到9 0 0 相移高阶正弦输出，接收端通过微分与过零检测器 重建已编码信号的解调信息。 m = 8 时的增强v p s k 编解码与n r z 编解码的对比如图2 5 所示。 e ( n r zd a t a ) f ( e n c o l ：m ) g ( d e c o o e ) 图2 - 5v p s k 编解码与n r z 编解码对照图 图2 - 6 ( a ) 是未经平衡调制的基带发射端结构，图2 - 6 ( b ) 是基带接收端 结构。n r z 数据经过增强v p s k 编码后送入积分器，然后放大，带通滤波后进 入信道。接收信号首先通过带通滤波器，然后微分，过零检测之后解码输出。 8 ， a 目 蛩 a b c 一 。一 m 糍 难 “ 晰 低 p ( b ) 基带接收端结构 图2 - 6 采用增强v p s k 的通信结构 图2 7 是射频发射和接收结构框图，n r z 数据经过与基带结构相同的编码 之后，送入平衡调制器，至此，与1 9 8 8 年专利所提结构类似：零群时延窄带滤 誊 波之后使用射频载波发送出去。接收端首先下变频，然后使用对应中频的零群 时延窄带滤波器，经过限幅器后送入乘积检测器解调输出。 10 7 8 9 m h z ( a ) 射频发射端结构 ( b ) 射频接收端结构 图2 - 7 射频系统结构 图2 7 中1 2 3 、1 3 2 的窄带零群时延滤波器使用与1 9 8 8 年专利中相同的电 路结构，如图2 8 ( a ) 所示，其幅相频响应见图2 8 ( b ) 。当使用8 ，9 ，1 0 的 增强v p s k 码时，积分后的信号瞬时频率为8 0 8 4 。9 6 k h z ，所以滤波器曲线对 9 北京邮r i l 大学硕l 论文 ( b ) 所示。 厂一一一r 亨午。_ 厂一7 卅一 - r 商一+ ，or “卜 7 34 _ j t ； ( a ) 滤波器结构 7 4 7 4 t 广一 8 1 8 8 9 6 k l - i z 5 ( b ) 滤波器幅相频响应 图2 8n a r r o wb p f 的电路结构和频率响应 2 2 3 利用单边带的抑制载波数字调制 专利“d i g i t a lm o d u l a t i o ne m p l o y i n gs i n g l es i d e b a n dw i t hs u p p r e s s e dc a r r i e r 发表于1 9 9 9 年7 月2 7 日1 3 7 1 ，最主要的部分为使用a p e r t u r e 码的v m s k 调制方 法。 该专利提出一种改进的单边带传输技术，称为甚小移键控编码技术 ( v m s k ) ，使用单边带技术传输数字信息且不产生载波频率。这种方法具有极 窄的发送带宽和极高的带宽效率，适用于无线、微波和卫星应用场景。其基带 调制具有极窄的频带，可以在极窄的射频带宽内传输s s b s c ，实验状态下能达 到5 0 b p s h z 的带宽效率，实际硬件中可获得2 6 2 7 b p s h z 。文献【6 】中对v m s k 与v p s k 进行了比较。 v m s k 编码方法称为“缝隙码( a p e r t u r ec o d e ) 一，将数据编码成双相格式， 通过改变过零点时刻调制信息，已调信号频谱以比特率宽度分布在载波前后或 基带的0 h z 。如图2 - 9 所示，是6 ，7 ( 1 3 ) 型的信号调制示意图，此时一个比 特周期分成1 3 个时钟周期。如果传输比特“o ，调制信号在6 个时钟周期处反 相，如果传输比特“1 ，则在7 个时钟周期处反相。此外，还有1 1 ，1 2 ( 2 3 ) 等情形。 1 0 m 3 您8 r ； k e ) ，i l l g ) 的无线数字传输和接收方法。这种调制利用几乎只有一个载频周期时 长的脉冲在不同时段表征o 和1 ，通常在载频序列中表现为一些脉冲或载频周 期不出现，难以觉察。如图2 1 0 所示为0 、1 调制中的反相及反相脉冲情况。 图2 1 0 反相键控脉冲位置调制中的反相及反相脉冲 该方法将已调信号合成单边带，不含输入信号的载波及其边带，这时相位 不是从+ 9 0 0 变化到9 0 0 ，而是经历3 6 0 。的相位旋转，见图2 1 0 中( c ) 。图2 1 l 是截取w a l k e r 给出的频谱，从频域上看，该边带包括一根调制频率处表征功率 的尖峰及一些不同频率的小尖峰和平坡。考察平均功率，这种小尖峰和平坡可 以忽略不计。这种合成信号具有极强的抗多径干扰和衰落能力，小尖峰的幅度 远远低于系统的噪声水平，因此不会对其它通信设施产生可测干扰。和前面的 专利相比，第四个专利的传输频谱更集中，由于只产生很短的相位改变，在频 谱分析仪中觉察不到，其频域上几乎只出现一根线谱，所以该方法具有更高的 带宽效率，可以在非常窄的带宽内作极高速的数据传输【2 5 1 。 北京邮i 乜人学硕i ：论文 图2 - 1 1 反相键控脉冲位置调制频谱p 耐 2 3 两类典型u n b 信号的分析 啪) ；卜o t ：m 撕- 1 乃 抑) 2 1 一l 等二妄 氐2 。 盼卜o o ) ，其余m - 1 段的幅度仍为彳。对此基带编码 信号进行相位调制，当传输信息比特“1 ”时，第一段的初始相位为0 ( 0s0s 万) ， 其余胁1 段的初始相位为o ；当传输信息比特“o ”时，m 段的初始相位都为0 ， 即得到超窄带调制信号。 图2 1 8 为m s b 的基带编码与调制信号，其中m = 8 ，即一个信息码元包含 8 个载波周期，码元“1 ”的第一个载波周期发生相位翻转，翻转1 8 0 。，码元“o ” 是连续的8 个正弦波。 1 7 北京邮电人学硕+ i ：论文 瑙 馨 t 。1 _ - 。- 。一。一 11一 o 5 0 信息比特 一1 一4 一一一一j 1 0 01 2 01 4 0 1 1 基带编码信号 1 0 已调信号 时间i t s ! 图2 - 1 8m s b 的基带编码与调制信号 m s b 调制信号的时域波形可描述为： 岛o ) 一a s i n 知口0 墨l t 啪，篙端们 。篡焉瞻缸石 引2 母) 其中，信息比特的持续时间0 、跳变波形的持续时间瓦与载波周期的关系是： 弓。m t o 。了k m 式( 2 1 0 ) 七表示t o 包含的载波周期个数。 “o ”和“1 ”所调制的波形分别为g o ( f ) 和g 。o ) ，除在码元“1 ”的起始时间瓦内 有相位跳变( 口为跳变角) 或幅度跳变( 跳变值为曰卅) 外，其余都是连续的 正弦波。这种方法有助于抑制已调信号的频谱展宽，使其能量集中在载频处。 适当地选择公式( 2 9 ) 中的参数曰和口，可以得到不同的超窄带信号。例如， b = a 且0 。石时，为3 p r k ( 脉冲位置反相键控) 信号；b = a 且0 - 万2 时， 为3 p s k ( 脉冲位置相移键控) 信号；b = 0 时，为m c m ( 缺失周期调制) 信号 【1 2 ，5 l 。图2 1 8 中的超窄带调制信号即为3 p r k 信号。 1 8 北京邮电人学硕一 ：论文 下面仍以3 p r k 信号为例，分析该类调制方式的功率谱密度【5 5 】。3 p r k 的 基带编码信号等效表示如下，其中g o o ) 和g 。o ) 分别代表0 和“1 ”。 g 。o ) 一0 f - 2 g o 。t 0 0 t l 0 t 瓦 瓦 t 瓦 由傅立叶变换的线性叠加性可以得到功率谱如下1 4 1 1 5 5 】： 跗+ 掣i g 2 l + 孛薹| ( 1 - p ) g ( m 刊w 叫旁她2 ， 式中，p 为信息比特取“0 ”的概率，1 中则表示信息比特取1 的概率；而g 为 g 似的傅立叶变换： a f t ) ；一珥s i n 二( 万i - _ t o ) 式( 2 1 3 ) 丑l l n 由式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 可知，信号的功率谱由离散谱和连续谱组成，其 中离散谱除了包含中心载波谱线以外，还包含其余离散谱线，这些多余离散谱 线主要对应于周期为l 的信号分量所产生的高阶谐波；信息由连续谱携带，且 参数瓦决定了信号的带宽，对于其他m s b 调制信号，如3 p s k ，信号带宽还与 0 有关，并随0 递增1 5 卯。 随机产生1 0 0 0 0 个信息序列，采用3 p r k 调制方式，参数为：l = 4 0 * 1 0 石s ， 毛= t 8 = 5 宰1 0 - ，b = a = i ，m = 8 ，七= 1 ；m a t l a b 仿真得到3 p r k 信号功率谱 如图2 1 9 所示。 1 9 北京邮i 乜大学硕+ f ：论文 百 已 越 糨 蜜 得 雷 雹 基 l 西 o ， 1 0 2 0 + 3 0 功率谱密度 一 1 一r 一1 图2 1 93 p r k 信号功率谱 如图，3 p r k 信号的功率谱由离散谱和连续谱组成，其中离散谱除了包含 中心载波谱线以外，还包含其余离散谱线；连续谱则包含了调制信息的随机性， 且连续谱降得很低。 2 4u l q b 技术的关键概念 2 4 1 超窄带的带宽定义 前面介绍了几种典型的超窄带信号，信号频谱的特点都很明显：由连续谱 和离散谱组成，且连续谱和谐波离散谱的能量远低于载频能量( 超窄带时可低 几十d b ) 。文献1 3 j 提出如果载波波形的微小抖动受控于有用信息，能最大限度 压缩用于传输信息的频谱，产生与扩频通信体制成鲜明对照的缩频通信体制。 这种说法究竟有没有道理，本文认为想要深入理解超窄带的基本理论，必须对 超窄带信号的带宽有一个清晰的认识。 下面先来回顾一下基本通信概念。通信系统中，按照信号所占的频域及能 量是否有限可分为带限信号和非带限信号两类1 4 4 1 ，根据n y q u i s t 采样定理1 4 5 ， 带限信号可以被采样恢复，只要满足采样频率大于等于2 倍以上带宽，一些经 典通信理论如s h a n n o n 信道容量公式也以此为基础。但是有限的时域和有限的 频域不可兼得，在通信实践中严格带限信号几乎是不可实现的，不过在频域上 这些信号的主体分布在一定的频带范围内，频带范围之外泄漏的能量很少。工 程上依据多信道通信抗干扰能力的要求，以一定的信号衰减范围来确定信号传 2 0 二_吖m雌n 川=二川=_“协0一 i lj血4 北京邮l u 人学硕1 ：论文 输中容许占用的带宽，超出此带宽的分量即被邻道视作噪声【4 n 引。 信号带宽的常用定义有以下几种i 矧，如图2 2 0 所示： 1 ) 半功率带宽( 3 d b 带宽) ：功率谱的值下降到峰值的一半，或低于峰值 3 d b 的两频率之间的频率区间； 2 ) 等效噪声带宽：总功率与功率谱峰值的比值； 3 ) 第一零点位置带宽：功率谱主瓣宽度( 以第一个零点位置定义带宽) ， 该定义不能用于没有明显主瓣的信号，不具有普遍性； 4 ) 百分比定义带宽：根据带宽区间内信号的能量或功率占信号总能量或总 功率的某一百分比而定义的带宽，常用9 9 功率带宽； 5 ) 有限带外功率衰减带宽：这种方法限制带外功率必须处处低于功率