正弦型非线性调频键控及性能分析

正弦型非线性调频键控及性能分析 . . 第卷第期 系统工程与电子技术 年月文章编号:??? 网址:.?. 正弦型非线性调频键控及性能分析 磊 孙志国,曹 雪,周 彬,宁晓燕,熊 .哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨; .北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 摘要:以正弦型非线性调频信号为载波样本,提出一种非单频波带通调制方法??正弦型非线性调频键控 ? ,。通过调整时间一带宽积和频率变化曲线频率等参数,可实现满足不 同信道环境和服务质量需求的无线通信。同时,由于采用非单频波作为载波样本,具有较好的多普勒频移 抑制能力。构建的数学模型,分析已调信号正交化设计方法、频域特征及信道适应能力等性能。理论分析 和实验结果表明:相较于甚小线性调频键控,具有相近的高白噪声抑制能力和频域能量集度;相较于最 小频移键控,具有更强的多普勒频移抑制能力。可作为通信终端高速率运动 场景下的变速率无线通 信系统的带通调制方案。 关键词:正弦型非线性调频键控;甚小频偏调频键控;高速率运动无线通信; 多普勒频移 中图分类号: 文献标志码: :./..?...? , , ?, ?,,; ., , . , , , ? : ? ? . ? ? ? ,. , . ? ,, ,, ? ? . ?, . . ? : ; ; ; 辨力能力较弱,限制了单频波调制在通信终端高速运动场 引 言 景下无线通信领域的应用?。 较单频波,诸如线性调频信号和非线性调频信号的非 由于具有易于频率分析和同步等诸多技术优势,以单 频波为载波的数字带通调制简称为单频波调制成为带通 单频信号具有较强的多普勒频移抑制能力‘和多径分辨能 力。因此,非单频波带通调制成为解决移动通信系统中 调制的主流技术’。但由于其多普勒频移抑制和多径分收稿日期:??;修回日期: 。 基金项目:国家自然科学基金;中央高校基本科研业务费专项资金;轨道交通控制与安全国家重点实验室开 放课题基金 资助课题 万方数据第期 孙志国等:正弦型非线性调频键控及性能分析 通信终端高速运动接入的技术途径之一,其中以线性/非线 。和。在数据码元周期内的相位偏移?九和 性调频信号作为载波的非单频波调制技术成为该领域的热 ?九为 点研究问题。。 ?九一???正 国内外专家提出多种线性调频键控方法,如甚小线性 为确保的无记忆调制特性,应令??。一?声: 调频键 .、频率驻留 ,即,丁一,为正整数。差分调频键控 , 为确保已调信号具有连续相位,且便于实现,设 、二分之一连续相位调频键控/一 ,和。初始相位均为,则,/一和三分之一连续相位调频 键控/一,/一,但均 导 五 存在参数设置受制及调制样式单一等技术缺陷。 屯一导 本文提出一种新型非单频波数字带通调制方法??正 弦型非线性调频键控 因此,当频率变化曲线的频率为时根据不同要 ,。 利用频率变化呈正弦?模式的非线性调频信号作为 求,频率变化曲线频率 可设置为其他值,无记忆、恒幅、连 载波样本,以频率变化曲线的极性来载荷信息。通过调整 续相位的载波波形 样本可表示为 数据映射方法、时间一带宽积或频率变化的频率,可 . 一 ,?? 实现灵活的参数配置;且由于采用非线性调频信号作为载 以一詈 孥 波样本,具有较强的多普勒频移抑制能力。 一 ,?? 以詈 争 原理和正交化设计 .载波波形样本的生成 .载波波形样本的正交化设计 图是载波波形样本的频率变化曲线曲线频 为提高的噪声抑制能力,一般情 况下要求。 率假定为。,和分别为载波波形样本。 和:在一个码元时宽内正交?。 和:的频率变化曲线,为载波频率,为码元时宽, 设,和: 归一化互相关系数为,即 为已调信号带宽,即 妯’ 。一志卜五:? 户一丽??川。 .吼 / 丁 正 /一 式中,:出和式?。;分别为 和 .射 丁 一 / 厂 。 的比特能量。 /一 一:一 统一跚丁 ,????????/、,?????? ,,?\,,?\ 可得 频率 。 “’ 『二了瓦忑两赢忑两 / 式中,一,,。为第一类九阶贝塞尔函数。 图是调制参数与归一化相关系数的关系曲线。 螽 / 装 ??:石;?一:正。 嚣 翠 图已调信号波形样本的频率变化曲线曲线频率一 士 设时问一带宽积?,,和。可表示为 ? ? 一 庐 ,?? 调制参数 统一丁 ??:理论值;一。一:仿真值。 不 ?声 ,??丁 图 已调信号波形样本互相关曲线 一:? 辄一丁 ,,?\,,‘\ 、?,、?, ?,? 可见,有多种正交状态。通过设置的取值,可 式中,奴和虫分别为, 和的初始相位偏移。 实现满足不同信道条件和通信质量的正交。 万方数据?’ 系统工程与电子技术 第卷 因此,较常规的单载波调制和,具有灵活 已调信号的频域特征 的参数配置能力,可根据信道环境和通信资源选取适当 值以实现正交调制。 .功率密度特征 ..理论推导 为提高的频带利用率,本文选取。和: 正 已调信号。。。。的均值。。。和自相关 交时最小的值,即~一/。如?特殊说明,后文中均 函数, 分别为 假定?一不/。 . 原理 。。。。 一,?,一九丁一;?: 一 ” “ 通信系统的原理框图如图所示。 【,一 、 式中,,表示。的均值。 则有 ‰ ?‰ ,一,, 可见,。。为周期宽平稳信号,其功率谱密度函数 。。。。,可表示为 图 通信系统原理框图 ?,一川 ,一者 设第竹个待调制数据为。,。,一.则第胛个 码元时宽内已调信号可表示为 杀薹,占, ,予予 式中 “,一『不正一编导。孥秭导 ? 式中,月一??咒。 ,一 , 一。。 凼力是非记忆调制且码?相互独立,则已调信 。。 ,一 不, 号。。。。可以表示为 一,一 。。。。 一萎。.。一秭.: 一, ,, ?“,, 导。孥一导 式中,。表示第九个信息码元,。,。 对。 进行分解,可得 厂,一.不, ,, ??厂, 。詈。孥一詈 晶,一?一玉譬?一。擎一 ..仿真验证 图为已调信号的频率归一化功率密度曲 线,其中工一 ,码元速率? ,采样频率一 旦,一剐卜‰川一 ,一一,一,一。图为理论推导结果, ,。, ?, 图为基于叩平均周期图法的仿真曲线。 ?二孚,??。孥。。 因此,可采用交调制方式,其结构如图 ? 勺 \ 魁 馨 基 。? 皿 . 。 , 理论曲线 仿真曲线 图 已调信号的频率归一化功率密度曲线一 由图可见,已调信号功率密度谱的理论推导 图 的正交实现方案 结果和仿真结果基本吻合,初步证明了理论推导的正确性。 万方数据第期 孙志国等:正弦型非线性调频键控及性能分析 已调信号功率密度谱由连续谱和离散线谱组成;连 字通信。带宽大于.。时, 和的能量集中 续谱分量载荷信息;离散谱线为载频和载频谐波分量,不载 度低于,这主要是因为和已调信号存 荷信息,且占用大比例的信号能量“。因此,基于线谱去 在离散频谱分量,这也再次说明去除线谱的必要性。 除的波形优化设计是有待进一步解决的关键问题。 ..对比分析 图分别为正交最小频移键控 , 、正交和正交一?已调信号的频 率归一化功率密度曲线。此种调制的载波频率、码元速 率和采样率均相同。 风 ??::??:;:。弱\~ 士瑚 图 已词信号能量的频域分布 一育?弋??广??盲?’ 的信道适应能力分析 .高白噪声条件下的误码率特性 .. 全带情况下的误码率特性 由于是无记忆调制,其已调信号为宽平稳信号。 在严格同步、相干解调、高白噪声信道、全带宽条件下, 《随垂 误码率公式为 正交 正交/ 图 已调信号功率密度曲线 耻『硐 由图可见,与已调信号的频域能量分 当詈时,?,正交误码率为 布相近,频谱能量主要集中在载波附近,旁瓣功率衰减较 快。由图与图可见,当值变小时, 已调信号能量集中度变高,旁瓣衰减加快。因此,小值 驴属 适用于带宽严格受限、高功率通信场合。 图为、正交和正交不/误 .能量的频域分布特征 码率理论和仿真曲线。上述种调制的参数设置均相同, 定义:/百,正导频带内信号能量与全带信 ,? 。 ‘ 即一 , 号能量的比值,为频带截取宽度,则 一 ? , 生兰笔??????一 , , 露醛 图是正交一?、和正交的已 ‘ 调信号能量频域分布曲线。由图可见,已调信号能 量主要集中在带宽内,其已调信号能力频域分布平滑, 这主要是因为已调信号功率密度谱无线谱分量“。 / 和已调信号能量频域分布在。处有阶梯 一:理论值;?:仿真值;?:论值 ?:占真值;:真值。 型跳变,因为这两种已调信号的功率密度谱均有线谱分量, 图高白噪声信道下的误码率曲线全带情况下 导致其已调信号的能量频域部分不平滑;。带宽内, 已调信号能量集中度较低%。 由图可见,正交一号与正交具有 在.。带宽内,和的能量集中度远高 相近的误码率特征,较均有 的损耗。由图可 于,说明和适用于高频带利用率的数 万方数据系统工程与电子技术 第卷 提下,多普勒频移‰”和种调制所需归一化信噪比的关 知,这主要是因为和均有不载荷信息、且占 , 系曲线,其中? ,五 ,五一. 用大比例能力的线谱分量,这也是和具有高 由于仿真所需时间过长误码率,’。 频带利用率信息传输能力的技术代价’”。因此,如何提 高的功率利用率也是其急需解决的技术问题。 但较高的功率利用率是以调制的记忆性和最大 似然序列检测算法的高复杂度为代价的。为无记忆 鲁 \ 性调制,其相干解调的复杂度相对较低。 譬 \ 牙 ..带限情况下的误码率特性 图为带限情况下种调制的误码率曲线。图为 有限长单元冲滤响应滤波器型带限滤波器的幅频曲 线“”,阻带衰减为一 ,通带宽度为 ,过渡带为 相对速度// ?.一:;??:;:。 ;其他仿真条件和参数设置与图相同。 图多普勒频移与归一化信噪比的关系曲线。 /时,所需 由图可见,相对速度小于 归一化信噪比最低。由于和已调信号均存 在线谱分量,信号能量为全部用于载荷信息,因此不能说明 兽 的多普勒频移抑制能力最强。 \ 粤 图是当误码率恒定的前提下,种调制技术能量损 馨 耗的曲线,即当获得相同误码率时有无多普勒频移场景下 所需归一化信噪比的差值。 频率/ 带限滤波器幅频曲线 妒 兽 \ 旷 球 鞲 啊 艘 旷 瞽露殛 旷 旷 相对速度// ??:;??:;:。 / ??::?:;?:。 图多普勒频移与归一化信噪比损耗的关系曲线。一 误码率曲线 由图可见,多普勒频移引起的和归 图高白噪声信道下的误码率曲线带限情况下 一化信噪比损耗低于,这可以说明和 的多普勒频移适应能力较强。在去除已调信号线谱分量的 可见,带限情况下,的高白噪声抑制能力略有下 前提下,和适用于存在强多普勒频移的无线 降,有近~ 损耗。这主要是因为带限滤波器使得已 通信场合。 调信号带宽受限且时域波形失真,破坏了载波波形样本间 的互相关性,进而降低了调制的功率利用率。 结 论 因此,如何采用波形设计的方法提高已调信号能量的 是一种非单频波调制技术,具有强于的多 频域集中度,利用高效接收技术进一步降低带内和带外噪 普勒频移适应能力,与相近的高斯白噪声抑制能 声尤其是带内噪声是和这类非单频波调 力,且为非记忆性调制,实现复杂度较低,最 制的急需解决的技术问题。 为明显的技术优势在于其参数时间一带宽积和 频率变化曲 线频率可灵活配置,实现满足不同信道环境和服务质量需 . 多普勒频移的抑制能力 多普勒频移抑制能力是制约移动通信系统中通信终端 求的无线信息传输。 调制可作为通信终端高速率运 动场景下的变速率无线通信系统的带通调制方案。 高速运动能力的主要技术因素。图是误码率恒定的前 万方数据第期 孙志国等:正弦型非线性调频键控及性能分析. 为了进一步提高的功率利用率和信道适应能,: 力,基于线谱去除的波形优化设计方法、基于带内噪声和干 ?. 扰抑制技术的高效解调方法成为有待进一步研究的 , . 关键技术问题。 ‖.。 ? 参考文献: ,:?., .? . ?//.? ‖. ?,:?.,:?. 倪炳巍,张月.一种较高频带利用率的无线传输数字调制.. , . 电子科技,,:?. , ?? . ? ? . ,, ,:?. :?., , , . 徐利民,董建国.超窄带传输技术及其应用探.通信技术, . . ,:?. .,,: ?.? ?. ,,:?., .? . . ,。:?. ?., .,:?. , , , .. ‖. ,,:?.? . , . ,:?.: ? , , . ?. ? .. “ ,,:?. 。:?. ? ,, . , , . ? .,,:?.,:. ?. 作者简介: , . , . 孙志国一,男,副教授,博士,主要研究方向为高效安全无线? . 通信。 口. ,,:./ ?:.. ... 曹雪一,女,硕士研究生。主要研究方向为变换域通信技术。 , , . :.. 周彬一,男,博士研究生,主要研究方向为非单频波通信理 ,论与方法。 :?. :.. , . 宁晓燕一,女,讲师,博士,主要研究方向为变换域信号处理。 ?. ?:.. , :?. 熊磊一,男,副教授,博士,主要研究方向为宽带移动通信。 , . ?:.. ?。 万方数据