??? 摘? 要:? 討論了一種采用新的超窄帶UNB技術(shù)的短波單邊帶(HF-SSB)廣播系統(tǒng)。利用甚小波形差鍵控VWDK調(diào)制的類正弦波以及高調(diào)制效率特點(diǎn)，從而得到更好的脈沖壓縮性能和測(cè)量精度。對(duì)VWDK結(jié)合SSB-SC的調(diào)制方式進(jìn)行了理論分析，并給出了仿真結(jié)果。數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明保證10-5誤碼率（BER）的前提下，該系統(tǒng)傳輸所需信噪比為11分貝（dB）。最后，利用多個(gè)載波的超窄帶頻分復(fù)用（FDMA）復(fù)合方式，提供超大容量的超高速信息傳輸，仿真數(shù)據(jù)表明在5個(gè)頻道復(fù)用時(shí)，信噪比為20dB即可達(dá)到10-5誤碼率。?
??? 關(guān)鍵詞: 甚小波形差鍵控; 超窄帶; 單邊帶; 頻分復(fù)用
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??? 超窄帶的技術(shù)思路就是使表示邏輯“0”、“1”的載波波形不同，這樣理論上每個(gè)載波周期可以傳1bit。依此思路，美國(guó)的H. R. Walker從早期的可變相移鍵控（VPSK）發(fā)展成了以甚小移鍵控(VMSK)為典型代表的超窄帶傳輸，展示了用30kHz的標(biāo)準(zhǔn)蜂窩時(shí)隙傳T1碼率的驚人效果，C/W>50b/s/Hz?？紤]到原始的VMSK信號(hào)是基于矩形波或三角波調(diào)寬再濾波成形，而理論上帶寬最窄的信號(hào)當(dāng)屬正弦波，因此東南大學(xué)的吳樂南等人提出直接產(chǎn)生類似正弦波的調(diào)制信號(hào)——類正弦VMSK調(diào)制。該項(xiàng)技術(shù)得到了包括VMSK發(fā)明人Walker在內(nèi)的美國(guó)一些大學(xué)和公司專業(yè)人士的關(guān)注。同時(shí)，為了體現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將其重新命名為甚小波形差鍵控(VWDK)，獲得多項(xiàng)發(fā)明專利。該技術(shù)的關(guān)鍵思路就是：用單周期類正弦波作為載波，利用正弦波過零點(diǎn)時(shí)刻的差異（即相位差）表示邏輯“0”、“1”，同時(shí)實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)與正弦信號(hào)之間的波形差異最小。?
??? 為了改善短波通信質(zhì)量，發(fā)展了單邊帶調(diào)幅技術(shù)。這種單邊帶通信可以大大減小發(fā)射功率，節(jié)約頻率資源，同時(shí)相應(yīng)地減少電波間干擾，因此自上世紀(jì)70年代以來全世界的短波通信逐漸都改用單邊帶技術(shù)。為了合理運(yùn)用頻率資源，我國(guó)對(duì)3kHz～300GHz的頻率段進(jìn)行了劃分。其中短波調(diào)幅廣播及單邊帶通信使用3.5MHz～29.7MHz（HF）頻段，電臺(tái)間隔是9kHz。?
??? FDMA有采用模擬調(diào)制，也有采用數(shù)字調(diào)制方式的?？梢杂梢唤M模擬信號(hào)用頻分復(fù)用方式(FDM/FDMA)或一組數(shù)字信號(hào)用時(shí)分復(fù)用方式(TDM/FDMA占用一個(gè)較寬的頻帶)，調(diào)制到相應(yīng)的子頻帶后傳送到同一個(gè)地址。本系統(tǒng)采用的就是前者。FDMA的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、技術(shù)較成熟；FDMA信號(hào)不需要進(jìn)行同步或中心定時(shí)；每個(gè)信道基本獨(dú)立于其他信道。?
1 VWDK調(diào)制及系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)?
??? VWDK調(diào)制在周期T內(nèi)的一般表達(dá)式如下[1]：?
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??? 運(yùn)用功率譜估計(jì)方法得出類正弦VMSK信號(hào)的功率分布，如圖1。
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??? 從圖1中可以看出類正弦VMSK信號(hào)的功率譜由兩部分組成，第一部分是一些線譜，第二部分是一條連續(xù)譜。線譜與類正弦波相一致，而連續(xù)譜反映隨機(jī)信息。當(dāng)波形控制參數(shù)α(0<α<1)增大時(shí)，考慮三點(diǎn)影響：(1)線譜在基頻處不斷增強(qiáng)，而在諧波處則大幅減小，越來越反映出正弦特性;(2)連續(xù)譜和線譜的主要部分逐漸集中到基頻周圍的一個(gè)小區(qū)域，同時(shí)將頻譜的上、下邊帶分開，反映出了甚小移鍵控VMSK(Very Minimum Shift Keying)調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn);(3)因?yàn)槠涔β首V更集中，從而它的傳輸帶寬更窄，帶寬效率更優(yōu)。但是隨著調(diào)控參數(shù)α不斷接近于1，線譜不斷集中到基頻上，連續(xù)譜也逐漸退化，表明代表邏輯1和0的調(diào)制波形差異不斷減少。事實(shí)上，當(dāng)調(diào)控參數(shù)α=1時(shí)兩調(diào)制波形變成了同一波形——正弦波。而正弦波不能表示任何信息。為此，當(dāng)調(diào)控參數(shù)α接近于1時(shí)，這種類正弦VMSK的抗干擾性能將減弱，以致于調(diào)制信號(hào)在接收端將變得越來越難解調(diào)。?
我國(guó)對(duì)占用帶寬的定義為：某一頻帶的帶寬，在此頻帶的頻率下限之下和頻率上限之上所發(fā)射的平均功率(雜散功率)分別等于某一給定發(fā)射的總平均功率的規(guī)定百分?jǐn)?shù)β/2。通常，除另作規(guī)定外，β/2值應(yīng)取0.5%，即99%帶寬。根據(jù)拓展Shannon公式可以得出理論上的信道帶寬[2]，本文運(yùn)用Matlab仿真估算出信號(hào)帶寬，同時(shí)確定帶寬與參數(shù)的關(guān)系，從而選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)。假設(shè)采樣頻率fs=50kHz，具體步驟如下:?
??? (1)發(fā)送1 000bit數(shù)據(jù)，在參數(shù)T(帶寬B與A無關(guān)，取A=1）變化的情況下，估算得到VWDK調(diào)制信號(hào)的99%帶寬W。得到W與T的關(guān)系曲線如圖2，可見帶寬W隨著T的增大而減小。?
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??? (2)根據(jù)國(guó)家規(guī)定，電臺(tái)間隔是9kHz。若考慮鄰路保護(hù)間隔（按照CCITT標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)為900Hz，這樣可以使鄰路干擾電平低于-40dB），SSB-SC的發(fā)射帶寬B<8.1kHz，VWDK調(diào)制的帶寬W=2B<16.2kHz。對(duì)比圖2，如當(dāng)α=0.1時(shí)，要求T大約是大于15ms。?
2 VWDK調(diào)制的短波調(diào)幅廣播系統(tǒng)?
2.1系統(tǒng)概述?
??? 考慮到VWDK調(diào)制信號(hào)的上、下兩邊帶分離，為提高頻帶利用率，可采用單邊帶抑制載波（SSB-SC）的調(diào)制方式。同時(shí)為便于在解調(diào)端實(shí)現(xiàn)載波同步，應(yīng)使載波頻率等于比特速率的整數(shù)倍，而比特同步可根據(jù)VWDK過零點(diǎn)時(shí)刻的差異實(shí)現(xiàn)。?
??? VWDK調(diào)制的HF-SSB廣播系統(tǒng)框圖如圖3所示。?
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2.2 SSB-SC射頻傳輸原理?
??? 單邊帶(SSB)調(diào)制的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：濾波法和正交法。濾波法使用邊帶濾波器分別濾出上、下邊帶信號(hào)，但是對(duì)邊帶濾波器的要求過高，不易實(shí)現(xiàn)。所以一般還是采用正交法來生成單邊帶信號(hào)。
??? 已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：?
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其中，u-(t)為上邊帶信號(hào)，u+(t)為下邊帶信號(hào)。?
??? 單邊帶信號(hào)的解調(diào)要采用相干解調(diào)，如圖3所示。設(shè)接收機(jī)本地振蕩為cos(2πfct+φ)，接收到的已調(diào)SSB信號(hào)為:?
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??? 將r(t)與本地振蕩cos(2πfct+φ)相乘，再濾除二倍頻后的輸出為：?
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其中，N(t)為噪聲信號(hào)。?
??? 圖4顯示了VWDK信號(hào)的SSB-SC傳輸?shù)纳线厧Чβ首V圖。?
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2.3 FDMA多址方式?
??? 在移動(dòng)通信系統(tǒng)的FDMA方式中，每個(gè)信道用一個(gè)載頻，用單路單載波方式。設(shè)FDMA的系統(tǒng)容量用每個(gè)小區(qū)可用信道數(shù)目來度量。設(shè)系統(tǒng)總頻帶資源為W，一個(gè)信道的帶寬為B，小區(qū)群中小區(qū)的數(shù)目為M，則每個(gè)小區(qū)內(nèi)可用的信道數(shù)目為[3]：?
??? N=W/(BM)????????????????????????????????????????????????? (8)?
??? 如果只考慮第一層同頻信道的干擾，對(duì)窄帶調(diào)頻調(diào)制的FDMA，假設(shè)要求的信干比門限(S/I)th(即信干比至少大于這個(gè)門限值)，可得：?
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??? 將式(9)帶入式(8)，得到FDMA的系統(tǒng)容量為：?
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??? 所以，當(dāng)系統(tǒng)總頻帶資源和每個(gè)信道所需帶寬確定，每個(gè)小區(qū)分配到的信道數(shù)目取決于系統(tǒng)所需的信干比的要求。?
3 性能仿真?
??? 以下仿真中，SSB-SC系統(tǒng)采樣頻率fs=20kHz，載頻fc=7.0MHz，取碼元間隔（周期）T=15ms。假設(shè)
<500W。?
??? 表1顯示了當(dāng)α取0.1～0.9時(shí)，要求的A和估算的VWDK調(diào)制帶寬。?
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??? 從表中可以看出，此時(shí)VWDK調(diào)制帶寬W=2B<16.2kHz，滿足帶寬要求。同時(shí)，隨著α的增大,VWDK調(diào)制帶寬明顯減小，可以進(jìn)一步減小電臺(tái)間頻率間隔。?
??? 以下對(duì)VWDK調(diào)制的HF-SSB廣播系統(tǒng)性能做進(jìn)一步分析。?
??? 首先，按照?qǐng)D3所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，（參數(shù)設(shè)定如表1），在Matlab中做誤碼率仿真，得到系統(tǒng)性能曲線(發(fā)送10 000bit數(shù)據(jù))，如圖5。當(dāng)α=0.3時(shí)，系統(tǒng)誤碼率最低，若要求誤碼率<10-5，則SNR>11dB。?
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??? 其次，考慮不同小區(qū)群小區(qū)數(shù)目M取值，對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。這里只討論單個(gè)小區(qū)群的誤碼率，不考慮相鄰小區(qū)的同頻干擾?？紤]到國(guó)家無線電頻譜使用規(guī)定，把7.0MHz～7.1MHz頻段作為系統(tǒng)的傳輸頻段。假設(shè)電臺(tái)間隔9kHz。VWDK調(diào)制波形參數(shù)設(shè)置為：A=0.16,T=15ms，α=0.3；SSB-SC取上邊帶信號(hào)；信道為AWGN；每個(gè)小區(qū)發(fā)送10 000bit數(shù)據(jù)。系統(tǒng)誤碼率如圖6。當(dāng)M=5時(shí)，SNR=20dB即可達(dá)到誤碼率<10-5。?
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??? 本文討論了一種新的HF-SSB廣播系統(tǒng)，利用VWDK調(diào)制的高頻帶利用率以及低誤碼率這些特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)性能。同時(shí)，采用FDMA復(fù)用方式，提供了一種多電臺(tái)情況下的系統(tǒng)方案。通過對(duì)VWDK調(diào)制的參數(shù)選擇，滿足了信號(hào)帶寬的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。選擇7.0MHz～7.1MHz頻段作為系統(tǒng)的傳輸頻段，考察了多電臺(tái)下該廣播系統(tǒng)的性能。通過以上分析，探索了一種采用UNB技術(shù)傳輸?shù)男乱淮ㄐ畔到y(tǒng)論證，提供超大容量的超高速信息傳輸，可省去空-時(shí)處理之繁與多天線接收實(shí)現(xiàn)之難。?
參考文獻(xiàn)?
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