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[導(dǎo)讀]摘要:介紹了一種新的具有極高頻帶利用率的數(shù)字調(diào)制技術(shù)——最小波形差鍵控(VWDK),其可在不損失信噪比的前提下極大地壓縮信號(hào)傳輸所需的頻帶。文中對(duì)VWDK的調(diào)制方式進(jìn)行了理論分析,并給出了功率譜計(jì)算機(jī)

摘要:介紹了一種新的具有極高頻帶利用率的數(shù)字調(diào)制技術(shù)——最小波形差鍵控(VWDK),其可在不損失信噪比的前提下極大地壓縮信號(hào)傳輸所需的頻帶。文中對(duì)VWDK的調(diào)制方式進(jìn)行了理論分析,并給出了功率譜計(jì)算機(jī)仿真圖。對(duì)VWDK的頻帶利用率進(jìn)行估計(jì),給出了VWDK傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞:最小波形差鍵控;頻帶利用率;功率譜;調(diào)制與解調(diào)

    為了在已有模擬信道下提高數(shù)據(jù)傳輸效率,各種傳輸技術(shù)被廣泛使用,而探尋新的通過(guò)壓縮帶寬來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸效率的方法倍受關(guān)注。近年來(lái),甚小頻移鍵控(VMSK)調(diào)制技術(shù)發(fā)展飛速,其頻帶利用率已達(dá)到15 bit/(s·Hz)。2001年,Sayhood K H和吳樂(lè)南提出了一種新型的采用類(lèi)正弦波調(diào)制的VMSK,這種VMSK具有較高的頻帶利用率,較高的信噪比和較低的誤比特率。而最小波形差鍵控(VWDK)是從VMSK的類(lèi)正弦波調(diào)制;發(fā)展起的,一種超窄帶(UNB)載波調(diào)制技術(shù)。它通過(guò)對(duì)一個(gè)波形參數(shù)的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)帶寬效率與解調(diào)性能之間的折衷。本文通過(guò)對(duì)VWDK
原理的深入研究,表明了理論與仿真結(jié)果的一致性,從而驗(yàn)證了VWDK高頻帶利用率的可行性,并給出了VWDK傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 VWDK的原理與仿真
1.1 VWDK調(diào)制理論來(lái)源
    要提高頻帶利用率,就要在單位頻帶內(nèi)傳輸更高的數(shù)碼率。帶寬最窄的信號(hào)形式是正弦波。一個(gè)純粹正弦波,在頻域就是一根非零頻譜線,能量高度集中,理論上帶寬為0,當(dāng)然也無(wú)法傳遞任何有用信息。假設(shè)該正弦波的頻率保持不變,波形略微抖動(dòng),則其頻譜能量仍高度集中在載頻的譜線上,但兩旁會(huì)出現(xiàn)與隨機(jī)抖動(dòng)相對(duì)應(yīng)的連續(xù)譜,此外在載頻的諧波處也會(huì)出現(xiàn)離散的譜線,這是信號(hào)分析的結(jié)果。由于波形的抖動(dòng)較微小,連續(xù)譜和諧波離散譜的能量遠(yuǎn)低于載頻能量。如果載波波形的微小抖動(dòng)受控于有用信息,即可實(shí)現(xiàn)頻譜利用率很高的調(diào)制。因此“最小波形差鍵控”(Very-minimum Waveform Difference Keying簡(jiǎn)稱(chēng)VWDK)的高效調(diào)制方式由此而來(lái)。
1.2 VWDK調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)
    VWDK是對(duì)等概率二進(jìn)制信息進(jìn)行最小波形差鍵控的調(diào)制技術(shù)。原理概括如下:遇到邏輯“1”,在時(shí)間間隔T內(nèi)發(fā)送波形g1(t),而遇到邏輯“0”,則在T內(nèi)發(fā)送波形g2(t)。其中,g1(t)=g(t,τ),g2(t)=g(t,T,-τ),g(t,τ)定義與波形如圖1所示。
   


    其中,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)的波形頻率,在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率;波形分兩段分別定義,每段都是類(lèi)正弦波的半個(gè)周期,但是幅度分別為,周期為2τ和2(T-τ)。
1.3 VWDK的功率譜與仿真圖
    調(diào)制信號(hào)的功率譜直接決定其傳輸帶寬及帶寬效率。若令τ=T,而“”作為波形調(diào)控參數(shù)就直接影響著VWDK已調(diào)波的功率譜形狀及相應(yīng)的傳輸帶寬。當(dāng)→0時(shí),已調(diào)波的能量越來(lái)越分散,帶寬越來(lái)越寬;而當(dāng)→1時(shí),已調(diào)波的能量越來(lái)越集中,帶寬越來(lái)越窄。功率譜的表達(dá)式如式(2)所示,圖2為取不同值時(shí)VWDK已調(diào)波的功率譜估計(jì)。
   


2 VWDK的傳輸系統(tǒng)
    VWDK的傳輸系統(tǒng)分為調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng),分別如圖3和圖4所示。調(diào)制系統(tǒng)工作原理:發(fā)送端直接由圖1表達(dá)式的一個(gè)周期內(nèi)的已調(diào)波形g(t,T)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)生器提供的采樣頻率來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的g(t,τ)或g(t,T-τ)波形樣本;選中的調(diào)制波形經(jīng)濾波器濾波后,由DAC直接轉(zhuǎn)換成模擬的已調(diào)波輸出。


    解調(diào)系統(tǒng)工作原理:失真的VWDK接收信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的放大后由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)逆濾波器的數(shù)字濾波后,送入相干解調(diào)器,完成對(duì)相應(yīng)“0”、“1”序列的解調(diào)

3 數(shù)值分析
    由于VWDK是一種載波調(diào)制方式,信息速率可以等于載頻,理論上可以達(dá)到射頻載波的頻率。即使在相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的中頻上進(jìn)行處理,也能得到幾十kb·s-1、數(shù)百kb·s-1的傳輸碼率。頻帶利用率,就是在單位頻帶內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)碼率,單位為b/(s·Hz)。若信號(hào)的頻率f=1/T=15 kHz時(shí),數(shù)碼率為15 kb·s-1,若信號(hào)的帶寬為200~300 Hz,由頻帶利用率=數(shù)碼率/帶寬,即頻帶利用率可以達(dá)到50~75 bit/(s·Hz)。而當(dāng)f=20 kHz時(shí),調(diào)制效率可達(dá)100 bit/(s·Hz),甚至更高。

4 結(jié)束語(yǔ)
    VWDK是一種載波調(diào)制方式,信息速率可以等于載頻,又由于傳輸信號(hào)的波形非常接近正弦波,占用帶寬很窄,可以實(shí)現(xiàn)超窄帶的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于發(fā)送端直接將調(diào)制波形的數(shù)字樣本經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出,而接收端直接經(jīng)A/D后解調(diào)輸出,整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化處理,容易集成。對(duì)于VWDK調(diào)制技術(shù),只需改變一個(gè)參數(shù),就可以控制信號(hào)帶寬,而調(diào)制與解調(diào)方式不變,系統(tǒng)控制靈活。雖然VWDK可以使調(diào)制效率比以往有較大提高,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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