专利名称：一种用于统一二元调制信号的解调方法
技术领域：
本发明是一种用于统一二元调制信号的数字解调方法，属于数字信息传输的 技术领域。
背景技术：
国内外对于高效通信技术的研究多受限于具体的应用背景或领域目标，侧重 于某个实际系统(如第三代移动通信)或具体指标(如码率)，对具有公认理论依 据并得到实践检验因而风险很低的新技术如正交频分复用(OFDM)调制、超宽带
(UWB)传输、多天线(MIM0)空时/空时频编码等新技术研究很热，成果颇丰。 但对于尚未取得共识的新概念或风险较高的潜在技术，则少有问津或无人深究。 例如，对于由美国Harold R. Walk'er博士等提出的一系列高频谱利用率的超窄带 (UNB: Ultra Narrow Bandwidth)调制/解调专利技术，多依据"常识"或仅凭 "经验"便轻易否定，少有人能解释清楚(包括Walker本人)其是否可行的理论 依据。而根据我们多年来的潜心研究，发现实现能够实用化的UNB通信的关键， 在于如何实现与各种小角度调制波形相适应的特殊滤波器。
Walker基于零群时延滤波器的思想，取得了远高于二进制相移键控(BPSK) 调制的频谱效率和不劣于BPSK的功率效率，所发明的高品质因数(Q值)的模拟 带通滤波器(图l，见H. R. Walker: Ultra Narrow Band Modulation Textbook, 2006， http:〃www. vmsk.org/)的效果虽然最近得到了美国贝尔实验室的证实， 但由于其采用石英晶体实现，而晶体滤波器的中心频率一旦设定就不可调，不仅 灵活性差，容易受温度和震动等影响，而且难以数字化集成，特别是他的所谓"零 群时延"理论并不圆满；同时，长期以来，人们(包括Walker)都认为传统的数 字滤波器，无论是有限冲激响应(FIR)滤波器还是无限冲激响应(IIR)滤波器 结构，都无法用于超窄带通信。
发明内容
技术问题本发明的目的是设计一种统一的二元调制信号的解调方法，其包 含一种能够在功能表现上逼近模拟的石英晶体滤波器的数字滤波器，和一个实现 统一二元调制信息解调的门限检测器。该滤波器与UNB常用的小角度调制特别是 我们所提出的扩展的二元相位调制(EBPSK，见"统一的二元相位调制解调方法"， 发明专利申请号200610040767.2，公开号CN1889550A)和统一的二元正交偏 移键控(UBSK，见"统一的二元正交偏移键控调制和解调方法"，发明专利申请 号:200710025203.6，公开号101094209A)调制信号波形相配合，以便尽可能 地保持信号特征并最大限度地滤除噪声，并简化接收机结构。
技术方案无论超窄带调制使用哪种具体的方法实现，其面临的一个共同问 题就是要让相位突变信号能够通过窄带滤波器。观察图1所示的3种Walker零群 时延滤波器，不难发现石英晶体在其中至关重要。但是，当Walker在其UNB系 统的发送和接收端同时采用基于石英晶体的所谓"零群时延"(Zero Group Delay) 滤波器时，则受限于石英晶体自身参数的精度、稳定度和漂移，收发频差不可避 免，这对于带宽"超窄"的UNB系统的性能，载频或中心频率的偏移往往是灾难 性的。加之石英晶体一旦确定，其滤波器中心频率的可调范围就极小且不易或不 宜受控于电调谐，因而可靠性、稳定性和灵活性都很差。但是，长期以来，人们 认为石英晶体具有的某些特殊性质正是超窄带通信中所必须的，因而传统的FIR 或IIR结构的数字滤波器是不可能完成超窄带滤波的。
然而，我们注意到当石英晶体的串联和并联谐振点非常靠近时，其幅频和相 频合成曲线恰好与Walker给出的滤波器幅频和相频曲线相吻合。若考虑将晶体滤 波器数字化实现，则该串、并联谐振点就分别对应于滤波器的零、极点，通过设 计有N对非常靠近的共轭零、极点的IIR滤波器，即可完成Walker晶体滤波器的 数字化实现。
本发明的一种用于统一二元调制信号的解调方法基于一个用于去除噪声并同 时突出信号调制特征的窄带数字带通滤波器，和一个实现统一二元调制信息解调 的门限检测器；所述的窄带数字带通滤波器由一个或多个IIR数字滤波器基本环 节级联构成，每个基本环节利用一对谐振频率非常靠近的零点和极点产生相频特性曲线上的零群时延点，但该基本环节的中心频率与信号载频不一致，且其偏移 量由统一二元调制信号的调制角度与该滤波器基本环节的相频特性相配合来确 定，使得在滤除噪声的同时能够把输入信号的调制角度变化突出为输出信号的幅 度跳变；所述的统一二元调制信息解调的门限检测器直接通过设定的或自动调整 的门限对该幅度跳变进行高低电平判决，来解调出统一二元调制信号的二进制调 制信息。
有益效果本发明的优点如下
① 可在保持信号特征的同时很好地去除噪声。
本发明所提出的数字滤波机理不仅滤除噪声的能力强(因为带宽窄)，而且能 够很好地保持信号特征(因为具有特殊的相频特性)，这一性质对于雷达、声吶、 图像处理等都特别重要，但却为常规滤波器的致命弱点。同时，这从频域上理解， 就意味着该滤波器对调制信号所呈现的带宽要大于(甚至远远大于)其对于噪声 和干扰所呈现的带宽，从而为拓展香农信道容量拓展提供了实际例证。
② 适用面宽。本专利申请所发明的数字滤波器零点、极点个数不限，且载频 与滤波器中心频率的偏差可以根据不同的系统要求进行设定，即可在很大的自由 度下控制滤波性能，以适应不同的信道环境。
③ 简化了接收机结构。
本发明提出的特殊滤波器与EBPSK、 UBSK等小角度调制信号相配合，在对应于
"1"的调制波形的起始处产生过冲，其幅度明显高于原始的相位非跳变处波形， 因而可以直接通过幅度检测来判决，大大简化了 "统一的二元相位调制解调方法"
专利申请(公开号CN1889550A)中提出的以锁相环为核心的接收机解调结构。 由于锁相环不参加EBPSK信号的解调，可以直接选用(或集成)已经广为应用的锁 相环芯片(即图7虚线框内容)，因而整个EBPSK传输系统可实现全数字化处理，特 别有利于接收机的集成电路芯片集成和简化。
图1是Walker发明的3种零群时延滤波器的电路图。
图2是Walker发明的零群时延滤波器的典型幅频特性和相频特性曲线。图3和图4分别是石英晶体的并、串联谐振时的幅频和相频特性示意曲线。
图5是本发明所提出的滤波器的结构框图。
图6是本发明所提出的滤波器的幅频特性和相频特性曲线。
图7是EBPSK信号通过本滤波器前后的时域波形(a)为原始EBPSK信号，(b)、
(c)和(d)分别为载频位于滤波器中心频率的左侧、右侧和严格一致(即通常人们
所理解和采用的"准确调谐")。
图8是简化的超窄带接收机结构图。
图9是本发明所提出的滤波器对EBPSK高效调制系统的性能提升实验结果，以 误码率曲线来验证。
具体实施例方式
图2为Walker给出的零群时延滤波器的幅频和相频曲线，图3和图4分别为 石英晶体发生并联和串联谐振时的幅频、相频特性曲线示意图，显然当串、并联 谐振点很靠近时，晶体的幅频和相频合成曲线恰好与Walker给出的滤波器的幅频 和相频曲线吻合。若考虑将该晶体滤波器数字化实现，则该串、并联谐振点就分 别对应于数字滤波器的零、极点，我们通过设计有非常靠近的零点和共轭极点的 IIR滤波器，即可完成Walker晶体滤波器的数字化实现。
本发明以一对共轭零、极点的IIR滤波器作为实施例，其传递函数为
其中6。-l、 6,=—1.630、 62=1、 a, =1.608且《2 =-0.996，相应的框图结构如图 5所示，幅频和相频特性曲线如图6所示。图7分别给出了滤波器中心频率与EBPSK 信号载频有偏差时的各种情况下的滤波结果，其中，图7(a)为原始EBPSK信号， 图7(b)为载频位于滤波器中心频率左侧时的滤波结果，图7(c)为载频位于滤波器 中心频率右侧时的滤波结果，图7(d)则为载频与滤波器中心频率相吻合时的结果， 显然，此时的相位跳变完全被抹掉，0、 l信号根本无法区分。
本EBPSK传输系统利用图7(b)所示的结果，即滤波后在相位跳变点处产生过 冲现象，采用如图8所示的接收机结构，通过对每个码元起始时刻的波形幅度检测来对"0"、 "1"信号进行判决，大大简化了 EBPSK接收机的实现。图9给出了 接收端加滤波器和不加滤波器的误码率比较，显然，在使用该接收滤波器后，系 统的误码率性能有明显改善。
本发明提出数字滤波器的中心频率与EBPSK信号的载频应略有偏差，当载频 位于滤波器中心频率左侧(低端)时，信号相位跳变点处产生增大的寄生调幅， 即相位跳变部分的幅度明显升高；当载频位于滤波器中心频率右侧(高端)时， 相位跳变部分的波形幅度则明显降低，对于非跳变部分则幅度保持不变；而如果 保持信号载频与数字滤波器中心频率完全一致时，则EBPSK信号的相位跳变就会 被完全抹掉，"0"和"1"调制信号根本无法区分。这正是通常人们认为Walker 的石英晶体滤波器无法数字化实现的根本原因。
而载频与滤波器中心频率的偏移量并非可以随便设定，而是要使得EBPSK信 号的调制角度与数字滤波器的相频特性相配合。载频应恰好设在相频曲线的下降 沿处，利用其瞬态特性使得EBPSK信号通过滤波器的输出在相位跳变处产生过冲 现象。
EBPSK信号通过本发明所提出的这种特殊滤波器后，在对应于"1"调制波形 起始有跳变的周期处波形产生过冲，幅度明显高于初始相位为0的正弦波部分， 因而在精确同步的情况下，我们可以通过幅度检测来直接判决"0" 、"1"信号， 从而使得接收机结构大大简化。同时，由于利用了该滤波器的瞬态特性，研究表 明其能够尽可能地保持信号特征并最大限度地滤除噪声，呈现出较大的信号带宽 和较小的噪声带宽，使得信道容量的拓展成为可能，并为滤波理论的发展和通信 性能的提升启示了新的途径。
权利要求
1、一种用于统一二元调制信号的解调方法，其特征在于该解调方法基于一个用于去除噪声并同时突出信号调制特征的窄带数字带通滤波器，和一个实现统一二元调制信息解调的门限检测器；所述的窄带数字带通滤波器由一个或多个IIR数字滤波器基本环节级联构成，每个基本环节利用一对谐振频率非常靠近的零点和极点产生相频特性曲线上的零群时延点，但该基本环节的中心频率与信号载频不一致，且其偏移量由统一二元调制信号的调制角度与该滤波器基本环节的相频特性相配合来确定，使得在滤除噪声的同时能够把输入信号的调制角度变化突出为输出信号的幅度跳变；所述的统一二元调制信息解调的门限检测器直接通过设定的或自动调整的门限对该幅度跳变进行高低电平判决，来解调出统一二元调制信号的二进制调制信息。
全文摘要
一种用于统一二元调制信号的解调方法包括一个窄带数字带通滤波器和一个门限检测器窄带数字带通滤波器由一个或多个IIR数字滤波器基本环节级联构成，每个基本环节利用一对谐振频率非常靠近的零点和极点产生相频特性曲线上的零群时延点，可以在去除噪声的同时突出信号的调制特征；门限检测器直接通过设定的或自动调整的电平值对该窄带数字带通滤波器输出端对应于信号调制特征的幅度跳变进行判决，来解调出统一二元调制信号的二进制调制信息。
文档编号H04L27/00GK101316252SQ20081012447
公开日2008年12月3日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者熳 冯, 吴乐南, 力 马 申请人:东南大学