專利名稱：基于橢圓球面波函數(shù)的調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電通信中的調(diào)制方法，尤其涉及一種基于多路基帶預(yù)調(diào)制的調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
無線電頻譜是有限的自然資源。在滿足現(xiàn)有無線電頻譜管理要求的前提下，研究具有高
頻帶利用率、功率利用率的通信技術(shù)，是充分、合理、有效利用無線電頻譜、保證各種無線
電業(yè)務(wù)正常工作、防止各種無線電業(yè)務(wù)、無線電臺站和系統(tǒng)之間相互干擾的關(guān)鍵，也是無線
電通信領(lǐng)域不懈追求的目標(biāo)。
由Nyquist第一準(zhǔn)則可知，帶寬為『的傳輸系統(tǒng)，通信系統(tǒng)頻帶利用率的極限速率為
2WBaud，即奈奎斯特速率，但此時(shí)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為時(shí)域持續(xù)時(shí)間無限長的sine函數(shù)，其
頻域具有理想低通濾波器特性，然而，這種特性物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際應(yīng)用中，為了
提高物理可實(shí)現(xiàn)性，常采用具有滾降特性的升余弦函數(shù)或部分響應(yīng)波形代替sinc函數(shù)，但由
于這兩種傳輸波形在頻域上仍是絕對帶限的，因此嚴(yán)格說來并不能理想地得到。在實(shí)際應(yīng)用
中，典型的系統(tǒng)頻帶利用率極限值一般降至1.4 1.8 Baud/Hz(曹祁生，梁德群，非正交多重
調(diào)制的研究[J]，電子學(xué)報(bào)，2006年1月，34(1): 19~23)。
如何提高系統(tǒng)的頻帶利用率，主要有兩種方法， 一種方法是采用多進(jìn)制調(diào)制，另一種方 法是采用頻譜混疊技術(shù)。多進(jìn)制調(diào)制雖然可以提高系統(tǒng)的頻帶利用率，但會降低系統(tǒng)的功率 利用率；采用頻譜混疊技術(shù)提高頻帶利用率的最典型的調(diào)制方法是正交頻分復(fù)用(OFDM)技 術(shù)(李大治，王成友，王瑩，正交頻分利用(OFDM)的原理及實(shí)現(xiàn)[J]，山東電子，2002年第4 期，40~42)，通過采用多個(gè)IH交的子信道傳輸信息，有效提高了系統(tǒng)的頻帶利用率，其極限 值可達(dá)到2Baud/Hz，但由于其基帶波形采用矩形脈沖，己調(diào)信號的頻譜是sine函數(shù)頻譜(曹 祁生，梁德群，非正交多重調(diào)制的研究[J]，電子學(xué)報(bào)，2006年1月，34(1): 19~23)，帶外功 率衰減較慢，頻帶利用率提升速度較緩，易對相鄰用戶產(chǎn)生電磁干擾。
專利"非正弦時(shí)域正交調(diào)制方法"(王紅星，趙志勇，劉錫國等，非正弦時(shí)域正交調(diào)制方 法[P]，中國，公丌號CN101409697A， 2009)，公開了一種非正弦波調(diào)制方法，也是通過采 用頻譜混疊技術(shù)來提高頻帶利用率，通過時(shí)域正交脈沖組來傳輸信息，尤其是采用時(shí)域正交 橢圓球面波脈沖組時(shí)，頻帶利用率提升速度優(yōu)于OFDM調(diào)制，可快速接近奈奎斯特速率 2Baud/Hz，同時(shí)，帶外功率衰減快，使系統(tǒng)具有較好的功率利用率，該方法通過調(diào)整脈沖參 數(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜控制及頻譜搬移，既可實(shí)現(xiàn)大相對帶寬(或?qū)拵?通信，又可實(shí)現(xiàn)小相對帶寬(窄帶)通信；然而，當(dāng)改變通信波道時(shí)，采用該專利方法，需要重新設(shè)計(jì)時(shí)域正交橢圓球面波脈沖 組，且頻段越高，數(shù)據(jù)計(jì)算量越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的調(diào)制方法，在該方法中，采用時(shí)域持續(xù)時(shí)間有限、頻域帶 寬近似有限的橢圓球面波函數(shù)設(shè)計(jì)多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形，進(jìn)行多路基帶預(yù)調(diào)制，然后 通過正弦載波將信號頻譜搬移至輻射頻段，使通信系統(tǒng)的頻帶利用率可快速接近奈奎斯特速 率2Baud/Hz，同時(shí)也使系統(tǒng)具有較好的功率利用率，且相對簡便，數(shù)據(jù)計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)措施來達(dá)到
① 在專利"非正弦時(shí)域正交調(diào)制方法"中，是在輻射頻段設(shè)計(jì)時(shí)域正交脈沖組，高頻段 通信時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)算量大，而在本發(fā)明中，是將相同帶寬的輻射頻段映射到基帶頻段后，再設(shè) 計(jì)iH交波形，這樣，可有效降低數(shù)據(jù)計(jì)算量。
② 多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形設(shè)計(jì)。在本發(fā)明中，正交波形設(shè)計(jì)只與通信系統(tǒng)帶寬有關(guān)， 而與通信波道無關(guān)，且只需要設(shè)計(jì)一次，當(dāng)改變通信波道時(shí)也無需重復(fù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟如下
i. 基帶頻段劃分。將帶寬為S、頻率范圍為0~/max的基帶頻段劃分為A:個(gè)子頻段 A=/^-/^， /^表示第^個(gè)子頻段的頻率上限，/w表示第A:個(gè)子頻段的頻率下限，各 子頻段帶寬均相同且相互交疊50%，基帶子頻段帶寬^與基帶頻段帶寬S的關(guān)系滿足 5 = (/t + l)S。/2，頻段劃分示意圖如圖1所示；
ii. 橢圓球面波函數(shù)的數(shù)值求解。各子頻段(A二/^-厶,)構(gòu)建積分方程
々^(,)0("hCr (1)
其中j;為一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間，、(o滿足
= 2A,h sinc(2/^,)-2厶丄sinc(2/^,) (2) 在碼元持續(xù)時(shí)間r、內(nèi)采樣w個(gè)點(diǎn)，積分方程(l)式可離散化為
<formula>formula see original document page 4</formula>， (3)
整理得矩陣形式4甲=11屮，其中，<formula>formula see original document page 5</formula>因此，A即為矩陣H的特征值，甲為A所對應(yīng)的特征函數(shù)，即橢圓球面波函數(shù)的數(shù)值解。 通過特征值分解可求得不同階的橢圓球面波函數(shù)的數(shù)值解。當(dāng)橢圓球面波函數(shù)的時(shí)間帶寬 積因子為c時(shí)，取前附(m = 「c/;r"])個(gè)最大特征值所對應(yīng)的特征函數(shù)</^M (")，得到滿足第A個(gè)
子頻段的橢圓球面波函數(shù)組
<formula>formula see original document page 5</formula>
由此可得到由^組橢圓球面波函數(shù)組成的函數(shù)組<formula>formula see original document page 5</formula>iii.通過Schmidt FF交化方法將橢圓球面波函數(shù)組^轉(zhuǎn)換為時(shí)域正交函數(shù)組^ ;
③ 多路基帶預(yù)調(diào)制。
將待傳信息吖";分解為M路信息AW ……A/W，即由原來的串行傳輸信息轉(zhuǎn)換為 多路并行傳輸信息，然后對分解得到的各路信息分別對應(yīng)多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形中的脈 沖信號&w/vy……iV^，分別進(jìn)行脈沖參數(shù)(幅度或相位)調(diào)制，如圖2所示。
④ 正弦載波調(diào)制。在專利"非IH弦時(shí)域正交調(diào)制方法"中，通過調(diào)整脈沖參數(shù)實(shí)現(xiàn)信號 的頻譜搬移，而在本發(fā)明中，是通過正弦載波將信號頻譜搬移至輻射頻段，當(dāng)改變通信波道 時(shí)，只需改變載波頻率即可。
頻譜搬移時(shí)，首先將各分路基帶預(yù)調(diào)制后的信號，重新在時(shí)域疊加合成為一路信號，然 后通過正弦載波將信號的頻譜搬移至輻射頻段輸出，如圖2所示。
⑤ 濾波。通過正弦載波實(shí)現(xiàn)頻譜搬移后，信號的頻譜具有雙邊帶特征，為了提高系統(tǒng)的 功率利用率及頻帶利用率，可通過濾波器濾除單邊帶及正弦載波后，形成抑制載波的單邊帶 調(diào)制信號，再送往天線輻射。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
①單位頻帶利用率高。采用本發(fā)明提出的調(diào)制方法，通信系統(tǒng)的單位頻帶利用率的極值 為2Baud/Hz(奈奎斯特速率)，且隨著多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形個(gè)數(shù)的增加，單位頻帶利用 率可快速接近2Baud/Hz，頻帶利用率提升速度遠(yuǎn)大于OFDM調(diào)制方法(圖3)。② 具有較好的功率利用率。采用本發(fā)明提出的調(diào)制方法，已調(diào)信號帶外旁瓣輻射功率衰 減迅速(圖4)，能量聚集性好，使系統(tǒng)具有較好的功率利用率。
③ 易實(shí)現(xiàn)。非正弦時(shí)域正交調(diào)制方法，通過調(diào)整脈沖參數(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，當(dāng)改變通信波 道時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)時(shí)域正交橢圓球面波脈沖組，且頻段越高，數(shù)據(jù)計(jì)算量越大，而本發(fā)明 提出的調(diào)制方法，正交波形設(shè)計(jì)只與通信系統(tǒng)帶寬有關(guān)，而與通信波道無關(guān)，且只需要設(shè)計(jì) 一次，通過正弦載波實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，如果改變通信波道，只需要改變載波頻率即可，相對簡 便，易于實(shí)現(xiàn)。


圖l是基帶頻段劃分示意圖。
圖2是基于橢圓球面波函數(shù)的調(diào)制原理框圖。
圖3是在99%能量帶寬條件下，本發(fā)明與OFDM調(diào)制的頻帶利用率比較曲線。 圖4是實(shí)施例一中已調(diào)信號的歸一化功率譜示意圖，正弦載波頻率為乂-100kHz。 圖5是實(shí)施例一中多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形圖，由16個(gè)橢圓球面波函數(shù)組成，持續(xù)時(shí)
間為55.6ms。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
調(diào)制原理如圖2所示，可按如下步驟實(shí)施調(diào)制
① 設(shè)計(jì)多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形；
② 串并轉(zhuǎn)換，將一路待傳信息轉(zhuǎn)換為多路待傳信息；
③ 多路基帶預(yù)調(diào)制，將分解得到的各分路信息分別對應(yīng)于時(shí)域正交基帶調(diào)制波形中的一 個(gè)脈沖信號，進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制；
④ 時(shí)域疊加，將各分路基帶調(diào)制后的信號，重新在時(shí)域疊加合成為一路信號；
⑤ 正弦載波調(diào)制，將時(shí)域疊加后的信號通過正弦載波將其頻譜搬移至輻射頻段輸出，為 了提高功率利用率及頻帶利用率，可通過濾波器濾除正弦載波及上邊帶或下邊帶后送往天線 輻射。
實(shí)施例
設(shè)計(jì)要求在頻率范圍100kHz 100.18kHz內(nèi)，采用本發(fā)明提出的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)通信 速率288Baud，即系統(tǒng)單位頻帶利用率1.6baud/Hz。
設(shè)計(jì)分析；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，信息傳輸帶寬為180Hz，若基帶頻段劃分個(gè)數(shù)A為4，則各 子頻段帶寬為72Hz，且相互交錯(cuò)36Hz，若橢圓球面波函數(shù)的時(shí)間帶寬積為c-4tt，則碼元持續(xù)時(shí)間為r、 = c/7zS0 = 55.6附s 。
①多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形設(shè)計(jì)。
將帶寬為180Hz的基帶頻段l-180Hz劃分為4個(gè)子頻段，各子頻段帶寬相同均為72Hz， 且相互交錯(cuò)36Hz，第l個(gè)子頻段為l~72Hz，第2個(gè)子頻段為36Hz 108Hz，第3個(gè)子頻 段為72Hz 144Hz，第4個(gè)子頻段為108Hz 180Hz。將各子頻段根據(jù)式(l)構(gòu)建橢圓球面波 積分方程。在持續(xù)時(shí)間r,=55.6ms內(nèi)采樣A^256個(gè)點(diǎn)，整理可得如下矩陣關(guān)系式.-
<formula>formula see original document page 7</formula>
通過特征值分解可求得前4個(gè)最大特征值所對應(yīng)的4階橢圓球面波函數(shù)的數(shù)值解。由 此可得到由16個(gè)橢圓球面波函數(shù)組成的函數(shù)組y(O。然后，通過Schmidt正交化將該函數(shù)
組轉(zhuǎn)換為時(shí)域正交橢圓球面波函數(shù)組y (0，其時(shí)域波形如圖5所示。
② 串并轉(zhuǎn)換，待傳信息采用雙極性不歸零碼，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，碼元持續(xù)時(shí)間擴(kuò)展16倍，由
串行傳輸轉(zhuǎn)信息換為并行傳輸信息；
③ 多路基帶預(yù)調(diào)制，將分解得到的各分路信息分別對應(yīng)于時(shí)域正交基帶調(diào)制波形中的一 個(gè)脈沖信號，進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制；
時(shí)域疊加，將各分路基帶調(diào)制阜的信號，重新在時(shí)域疊加合成為一路信號； ⑤正弦載波調(diào)制，將時(shí)域疊加后的信號通過正弦載波將其頻譜搬移至輻射頻段，正弦載 波頻率為/^100kHz，己調(diào)信號的歸一化功率譜如圖4所示，帶外旁瓣衰減迅速，具有較好的能 量聚集性，從而使該系統(tǒng)具有較好的功率利用率，如要改變通信波道，只需改變載波頻率尸c 即可，為了提高功率利用率及頻帶利用率，可通過濾波器濾除正弦載波及上邊帶或下邊帶后 送往天線輻射。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)制方法，是基于多路基帶預(yù)調(diào)制的正弦載波調(diào)制方法，其特征是通過串并轉(zhuǎn)換將一路待調(diào)制信息分解為多路，通過設(shè)計(jì)多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形，將分解得到的每路信息對應(yīng)多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形中的一個(gè)脈沖信號，分別對脈沖參數(shù)(幅度或相位等)進(jìn)行預(yù)調(diào)制，然后將各路預(yù)調(diào)制后的信號重新合成為一路信號，通過正弦載波將信號的頻譜搬移至輻射頻段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制方法，其特征是，所述的多路時(shí)域正交基帶調(diào)制波形為基帶 調(diào)制波形采用時(shí)域持續(xù)時(shí)間有限、頻域帶寬近似有限的橢圓球面波函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制方法，其特征是，通過濾波器選擇濾除正弦載波、上邊帶或下 邊帶，可形成調(diào)幅信號、雙邊帶信號、抑制載波單邊帶信號及殘留邊帶信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于橢圓球面波函數(shù)的調(diào)制方法，通過設(shè)計(jì)多路時(shí)域正交的基帶調(diào)制波形，進(jìn)行多路基帶預(yù)調(diào)制，各分路基帶預(yù)調(diào)制后的信號在時(shí)域疊加合成為一路信號，然后經(jīng)正弦載波調(diào)制將信號的頻譜搬移至輻射頻段輸出，基帶調(diào)制波形采用時(shí)域持續(xù)時(shí)間有限、頻域帶寬近似有限的橢圓球面波函數(shù)，通信系統(tǒng)的頻帶利用率隨著時(shí)域正交基帶調(diào)制波形個(gè)數(shù)的增加，可以快速接近奈奎斯特速率，同時(shí)系統(tǒng)也具有較好的功率利用率，且簡便，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H04L27/00GK101552751SQ20091001514
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者劉錫國, 王紅星, 趙志勇 申請人:王紅星