一種較高頻帶利用率的無線傳輸數(shù)字調(diào)制

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傳輸所需的頻帶。文中對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，而探尋新的通過壓縮帶寬來提高數(shù)據(jù)傳輸效率的方法倍受關(guān)注。近年來，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和吳樂南提出了一種新型的采用類正弦波調(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)。它通過對一個波形參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)帶寬效率與解調(diào)性能之間的折衷。本文通過對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。帶寬最窄的信號形式是正弦波。一個純粹正弦波，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，則其頻譜能量仍高度集中在載頻的譜線上，但兩旁會出現(xiàn)與隨機(jī)抖動相對應(yīng)的連續(xù)譜，此外在載頻的諧波處也會出現(xiàn)離散的譜線，這是信號分析的結(jié)果。由于波形的抖動較微小，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簡稱VWDK)的高效調(diào)制方式由此而來。
1．2 VWDK調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)
    VWDK是對等概率二進(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為信號波形的周期，同時也是信息的符號寬度和碼元寬度；而f=1／T則為信號的波形頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率；波形分兩段分別定義，每段都是類正弦波的半個周期，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，已調(diào)波的能量越來越分散，帶寬越來越寬；而當(dāng)→1時，已調(diào)波的能量越來越集中，帶寬越來越窄。功率譜的表達(dá)式如式(2)所示，圖2為取不同值時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)先保存在存儲器內(nèi)，然后在欲傳輸?shù)男畔⑿蛄械目刂葡掳凑諘r鐘發(fā)生器提供的采樣頻率來選擇對應(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接收信號經(jīng)過必要的放大后由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過逆濾波器的數(shù)字濾波后，送入相干解調(diào)器，完成對相應(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)。若信號的頻率f=1／T=15 kHz時，數(shù)碼率為15 kb·s-1，若信號的帶寬為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，調(diào)制效率可達(dá)100 bit／(s·Hz)，甚至更高。

4 結(jié)束語
    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，整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化處理，容易集成。對于VWDK調(diào)制技術(shù)，只需改變一個參數(shù)，就可以控制信號帶寬，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。