專利名稱：一種用于統(tǒng)一二元調(diào)制信號的解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于統(tǒng)一二元調(diào)制信號的數(shù)字解調(diào)方法，屬于數(shù)字信息傳輸?shù)?技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外對于高效通信技術(shù)的研究多受限于具體的應(yīng)用背景或領(lǐng)域目標(biāo)，側(cè)重 于某個實(shí)際系統(tǒng)(如第三代移動通信)或具體指標(biāo)(如碼率)，對具有公認(rèn)理論依 據(jù)并得到實(shí)踐檢驗(yàn)因而風(fēng)險很低的新技術(shù)如正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制、超寬帶
(UWB)傳輸、多天線(MIM0)空時/空時頻編碼等新技術(shù)研究很熱，成果頗豐。 但對于尚未取得共識的新概念或風(fēng)險較高的潛在技術(shù)，則少有問津或無人深究。 例如，對于由美國Harold R. Walk'er博士等提出的一系列高頻譜利用率的超窄帶 (UNB: Ultra Narrow Bandwidth)調(diào)制/解調(diào)專利技術(shù)，多依據(jù)"常識"或僅憑 "經(jīng)驗(yàn)"便輕易否定，少有人能解釋清楚(包括Walker本人)其是否可行的理論 依據(jù)。而根據(jù)我們多年來的潛心研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)能夠?qū)嵱没腢NB通信的關(guān)鍵， 在于如何實(shí)現(xiàn)與各種小角度調(diào)制波形相適應(yīng)的特殊濾波器。
Walker基于零群時延濾波器的思想，取得了遠(yuǎn)高于二進(jìn)制相移鍵控(BPSK) 調(diào)制的頻譜效率和不劣于BPSK的功率效率，所發(fā)明的高品質(zhì)因數(shù)(Q值)的模擬 帶通濾波器(圖l，見H. R. Walker: Ultra Narrow Band Modulation Textbook, 2006， http:〃www. vmsk.org/)的效果雖然最近得到了美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的證實(shí)， 但由于其采用石英晶體實(shí)現(xiàn)，而晶體濾波器的中心頻率一旦設(shè)定就不可調(diào)，不僅 靈活性差，容易受溫度和震動等影響，而且難以數(shù)字化集成，特別是他的所謂"零 群時延"理論并不圓滿；同時，長期以來，人們(包括Walker)都認(rèn)為傳統(tǒng)的數(shù) 字濾波器，無論是有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器還是無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器 結(jié)構(gòu)，都無法用于超窄帶通信。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種統(tǒng)一的二元調(diào)制信號的解調(diào)方法，其包 含一種能夠在功能表現(xiàn)上逼近模擬的石英晶體濾波器的數(shù)字濾波器，和一個實(shí)現(xiàn) 統(tǒng)一二元調(diào)制信息解調(diào)的門限檢測器。該濾波器與UNB常用的小角度調(diào)制特別是 我們所提出的擴(kuò)展的二元相位調(diào)制(EBPSK，見"統(tǒng)一的二元相位調(diào)制解調(diào)方法"， 發(fā)明專利申請?zhí)?00610040767.2，公開號CN1889550A)和統(tǒng)一的二元正交偏 移鍵控(UBSK，見"統(tǒng)一的二元正交偏移鍵控調(diào)制和解調(diào)方法"，發(fā)明專利申請 號:200710025203.6，公開號101094209A)調(diào)制信號波形相配合，以便盡可能 地保持信號特征并最大限度地濾除噪聲，并簡化接收機(jī)結(jié)構(gòu)。
技術(shù)方案無論超窄帶調(diào)制使用哪種具體的方法實(shí)現(xiàn)，其面臨的一個共同問 題就是要讓相位突變信號能夠通過窄帶濾波器。觀察圖1所示的3種Walker零群 時延濾波器，不難發(fā)現(xiàn)石英晶體在其中至關(guān)重要。但是，當(dāng)Walker在其UNB系 統(tǒng)的發(fā)送和接收端同時采用基于石英晶體的所謂"零群時延"(Zero Group Delay) 濾波器時，則受限于石英晶體自身參數(shù)的精度、穩(wěn)定度和漂移，收發(fā)頻差不可避 免，這對于帶寬"超窄"的UNB系統(tǒng)的性能，載頻或中心頻率的偏移往往是災(zāi)難 性的。加之石英晶體一旦確定，其濾波器中心頻率的可調(diào)范圍就極小且不易或不 宜受控于電調(diào)諧，因而可靠性、穩(wěn)定性和靈活性都很差。但是，長期以來，人們 認(rèn)為石英晶體具有的某些特殊性質(zhì)正是超窄帶通信中所必須的，因而傳統(tǒng)的FIR 或IIR結(jié)構(gòu)的數(shù)字濾波器是不可能完成超窄帶濾波的。
然而，我們注意到當(dāng)石英晶體的串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)非?？拷鼤r，其幅頻和相 頻合成曲線恰好與Walker給出的濾波器幅頻和相頻曲線相吻合。若考慮將晶體濾 波器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，則該串、并聯(lián)諧振點(diǎn)就分別對應(yīng)于濾波器的零、極點(diǎn)，通過設(shè) 計(jì)有N對非?？拷墓曹椓?、極點(diǎn)的IIR濾波器，即可完成Walker晶體濾波器的 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的一種用于統(tǒng)一二元調(diào)制信號的解調(diào)方法基于一個用于去除噪聲并同 時突出信號調(diào)制特征的窄帶數(shù)字帶通濾波器，和一個實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一二元調(diào)制信息解調(diào) 的門限檢測器；所述的窄帶數(shù)字帶通濾波器由一個或多個IIR數(shù)字濾波器基本環(huán) 節(jié)級聯(lián)構(gòu)成，每個基本環(huán)節(jié)利用一對諧振頻率非?？拷牧泓c(diǎn)和極點(diǎn)產(chǎn)生相頻特性曲線上的零群時延點(diǎn)，但該基本環(huán)節(jié)的中心頻率與信號載頻不一致，且其偏移 量由統(tǒng)一二元調(diào)制信號的調(diào)制角度與該濾波器基本環(huán)節(jié)的相頻特性相配合來確 定，使得在濾除噪聲的同時能夠把輸入信號的調(diào)制角度變化突出為輸出信號的幅 度跳變；所述的統(tǒng)一二元調(diào)制信息解調(diào)的門限檢測器直接通過設(shè)定的或自動調(diào)整 的門限對該幅度跳變進(jìn)行高低電平判決，來解調(diào)出統(tǒng)一二元調(diào)制信號的二進(jìn)制調(diào) 制信息。
有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
① 可在保持信號特征的同時很好地去除噪聲。
本發(fā)明所提出的數(shù)字濾波機(jī)理不僅濾除噪聲的能力強(qiáng)(因?yàn)閹捳?，而且能 夠很好地保持信號特征(因?yàn)榫哂刑厥獾南囝l特性)，這一性質(zhì)對于雷達(dá)、聲吶、 圖像處理等都特別重要，但卻為常規(guī)濾波器的致命弱點(diǎn)。同時，這從頻域上理解， 就意味著該濾波器對調(diào)制信號所呈現(xiàn)的帶寬要大于(甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于)其對于噪聲 和干擾所呈現(xiàn)的帶寬，從而為拓展香農(nóng)信道容量拓展提供了實(shí)際例證。
② 適用面寬。本專利申請所發(fā)明的數(shù)字濾波器零點(diǎn)、極點(diǎn)個數(shù)不限，且載頻 與濾波器中心頻率的偏差可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)定，即可在很大的自由 度下控制濾波性能，以適應(yīng)不同的信道環(huán)境。
③ 簡化了接收機(jī)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的特殊濾波器與EBPSK、 UBSK等小角度調(diào)制信號相配合，在對應(yīng)于
"1"的調(diào)制波形的起始處產(chǎn)生過沖，其幅度明顯高于原始的相位非跳變處波形， 因而可以直接通過幅度檢測來判決，大大簡化了 "統(tǒng)一的二元相位調(diào)制解調(diào)方法"
專利申請(公開號CN1889550A)中提出的以鎖相環(huán)為核心的接收機(jī)解調(diào)結(jié)構(gòu)。 由于鎖相環(huán)不參加EBPSK信號的解調(diào)，可以直接選用(或集成)已經(jīng)廣為應(yīng)用的鎖 相環(huán)芯片(即圖7虛線框內(nèi)容)，因而整個EBPSK傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化處理，特 別有利于接收機(jī)的集成電路芯片集成和簡化。


圖1是Walker發(fā)明的3種零群時延濾波器的電路圖。
圖2是Walker發(fā)明的零群時延濾波器的典型幅頻特性和相頻特性曲線。圖3和圖4分別是石英晶體的并、串聯(lián)諧振時的幅頻和相頻特性示意曲線。
圖5是本發(fā)明所提出的濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6是本發(fā)明所提出的濾波器的幅頻特性和相頻特性曲線。
圖7是EBPSK信號通過本濾波器前后的時域波形(a)為原始EBPSK信號，(b)、
(c)和(d)分別為載頻位于濾波器中心頻率的左側(cè)、右側(cè)和嚴(yán)格一致(即通常人們
所理解和采用的"準(zhǔn)確調(diào)諧")。
圖8是簡化的超窄帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
圖9是本發(fā)明所提出的濾波器對EBPSK高效調(diào)制系統(tǒng)的性能提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以 誤碼率曲線來驗(yàn)證。
具體實(shí)施例方式
圖2為Walker給出的零群時延濾波器的幅頻和相頻曲線，圖3和圖4分別為 石英晶體發(fā)生并聯(lián)和串聯(lián)諧振時的幅頻、相頻特性曲線示意圖，顯然當(dāng)串、并聯(lián) 諧振點(diǎn)很靠近時，晶體的幅頻和相頻合成曲線恰好與Walker給出的濾波器的幅頻 和相頻曲線吻合。若考慮將該晶體濾波器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，則該串、并聯(lián)諧振點(diǎn)就分 別對應(yīng)于數(shù)字濾波器的零、極點(diǎn)，我們通過設(shè)計(jì)有非?？拷牧泓c(diǎn)和共軛極點(diǎn)的 IIR濾波器，即可完成Walker晶體濾波器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明以一對共軛零、極點(diǎn)的IIR濾波器作為實(shí)施例，其傳遞函數(shù)為
其中6。-l、 6,=—1.630、 62=1、 a, =1.608且《2 =-0.996，相應(yīng)的框圖結(jié)構(gòu)如圖 5所示，幅頻和相頻特性曲線如圖6所示。圖7分別給出了濾波器中心頻率與EBPSK 信號載頻有偏差時的各種情況下的濾波結(jié)果，其中，圖7(a)為原始EBPSK信號， 圖7(b)為載頻位于濾波器中心頻率左側(cè)時的濾波結(jié)果，圖7(c)為載頻位于濾波器 中心頻率右側(cè)時的濾波結(jié)果，圖7(d)則為載頻與濾波器中心頻率相吻合時的結(jié)果， 顯然，此時的相位跳變完全被抹掉，0、 l信號根本無法區(qū)分。
本EBPSK傳輸系統(tǒng)利用圖7(b)所示的結(jié)果，即濾波后在相位跳變點(diǎn)處產(chǎn)生過 沖現(xiàn)象，采用如圖8所示的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，通過對每個碼元起始時刻的波形幅度檢測來對"0"、 "1"信號進(jìn)行判決，大大簡化了 EBPSK接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)。圖9給出了 接收端加濾波器和不加濾波器的誤碼率比較，顯然，在使用該接收濾波器后，系 統(tǒng)的誤碼率性能有明顯改善。
本發(fā)明提出數(shù)字濾波器的中心頻率與EBPSK信號的載頻應(yīng)略有偏差，當(dāng)載頻 位于濾波器中心頻率左側(cè)(低端)時，信號相位跳變點(diǎn)處產(chǎn)生增大的寄生調(diào)幅， 即相位跳變部分的幅度明顯升高；當(dāng)載頻位于濾波器中心頻率右側(cè)(高端)時， 相位跳變部分的波形幅度則明顯降低，對于非跳變部分則幅度保持不變；而如果 保持信號載頻與數(shù)字濾波器中心頻率完全一致時，則EBPSK信號的相位跳變就會 被完全抹掉，"0"和"1"調(diào)制信號根本無法區(qū)分。這正是通常人們認(rèn)為Walker 的石英晶體濾波器無法數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的根本原因。
而載頻與濾波器中心頻率的偏移量并非可以隨便設(shè)定，而是要使得EBPSK信 號的調(diào)制角度與數(shù)字濾波器的相頻特性相配合。載頻應(yīng)恰好設(shè)在相頻曲線的下降 沿處，利用其瞬態(tài)特性使得EBPSK信號通過濾波器的輸出在相位跳變處產(chǎn)生過沖 現(xiàn)象。
EBPSK信號通過本發(fā)明所提出的這種特殊濾波器后，在對應(yīng)于"1"調(diào)制波形 起始有跳變的周期處波形產(chǎn)生過沖，幅度明顯高于初始相位為0的正弦波部分， 因而在精確同步的情況下，我們可以通過幅度檢測來直接判決"0" 、"1"信號， 從而使得接收機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化。同時，由于利用了該濾波器的瞬態(tài)特性，研究表 明其能夠盡可能地保持信號特征并最大限度地濾除噪聲，呈現(xiàn)出較大的信號帶寬 和較小的噪聲帶寬，使得信道容量的拓展成為可能，并為濾波理論的發(fā)展和通信 性能的提升啟示了新的途徑。
權(quán)利要求
1、一種用于統(tǒng)一二元調(diào)制信號的解調(diào)方法，其特征在于該解調(diào)方法基于一個用于去除噪聲并同時突出信號調(diào)制特征的窄帶數(shù)字帶通濾波器，和一個實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一二元調(diào)制信息解調(diào)的門限檢測器；所述的窄帶數(shù)字帶通濾波器由一個或多個IIR數(shù)字濾波器基本環(huán)節(jié)級聯(lián)構(gòu)成，每個基本環(huán)節(jié)利用一對諧振頻率非?？拷牧泓c(diǎn)和極點(diǎn)產(chǎn)生相頻特性曲線上的零群時延點(diǎn)，但該基本環(huán)節(jié)的中心頻率與信號載頻不一致，且其偏移量由統(tǒng)一二元調(diào)制信號的調(diào)制角度與該濾波器基本環(huán)節(jié)的相頻特性相配合來確定，使得在濾除噪聲的同時能夠把輸入信號的調(diào)制角度變化突出為輸出信號的幅度跳變；所述的統(tǒng)一二元調(diào)制信息解調(diào)的門限檢測器直接通過設(shè)定的或自動調(diào)整的門限對該幅度跳變進(jìn)行高低電平判決，來解調(diào)出統(tǒng)一二元調(diào)制信號的二進(jìn)制調(diào)制信息。
全文摘要
一種用于統(tǒng)一二元調(diào)制信號的解調(diào)方法包括一個窄帶數(shù)字帶通濾波器和一個門限檢測器窄帶數(shù)字帶通濾波器由一個或多個IIR數(shù)字濾波器基本環(huán)節(jié)級聯(lián)構(gòu)成，每個基本環(huán)節(jié)利用一對諧振頻率非常靠近的零點(diǎn)和極點(diǎn)產(chǎn)生相頻特性曲線上的零群時延點(diǎn)，可以在去除噪聲的同時突出信號的調(diào)制特征；門限檢測器直接通過設(shè)定的或自動調(diào)整的電平值對該窄帶數(shù)字帶通濾波器輸出端對應(yīng)于信號調(diào)制特征的幅度跳變進(jìn)行判決，來解調(diào)出統(tǒng)一二元調(diào)制信號的二進(jìn)制調(diào)制信息。
文檔編號H04L27/00GK101316252SQ20081012447
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者熳 馮, 吳樂南, 力 馬 申請人:東南大學(xué)