基于稳态的ABSK信号解调模式(一)

2014-02-10 08:53:18来源: 互联网

0 引言

  随着无线通信业务的高速发展,空中的无线电频谱越来越拥挤,无线频谱利用率越来越受到重视。经典的二元偏移键控,频谱利用率很低,其中综合性能较好的2-PSK(BPSK),频谱利用率也最多只有1 bps/Hz.虽然通过增加信号空间的星座点数可以提高频谱利用率(如多电平的正交幅度相位调制M-QAM和多相移键控调制M-PSK),但处理起来较为复杂,所需的发射功率也要相应增加。

  与上述调制方式相比,不对称二元偏移键控调制(Asymmetry Binary Shift Keying,ABSK)具有极大优势,其利用微小的波形差异来分别调制“0”、“1”码元,使得调制信号能量集中在载频处,信号带宽大大缩减,符合工程意义上“超窄带”的要求 。

  同时,也正因为“0”、“1”码元的波形差异微小,给ABSK信号的解调带来不小困难。经典的滤波理论和常规的滤波器很难满足要求,美国的H. R. Walker博士发明了所谓“零群时延”晶体带通滤波器,虽然可实现ABSK信号的解调,但由于采用石英晶体实现,不仅可靠性、稳定性、灵活性和一致性都很差,而且难以数字化集成。国内发明专利“用于增强不对称二元调制信号的冲击滤波方法”突破零群时延石英晶体滤波器的技术本质,用无限冲激响应(IIR)数字滤波器技术加以实现,使ABSK高效调制技术走向实用。但其滤波输出响应往往存在较长时段的起始振荡,这造成传输时间以及发射能量的浪费,对于电力线载波通信、猝发通信等要求极高传输效率的小数据包通信和对于能耗尤为在乎的无线传感器网络,不利影响非常突出。本文分析了起始振荡产生的原因,提出了通过预先训练的方法使冲击滤波器直接进入稳定状态的改进方案,无需改变滤波器的设计和结构,消除了初始振荡,仿真结果验证了理论分析的正确性。

  1 不对称的二元相移键控(ABSK)传输系统

  ABSK调制定义如下:

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  式中:g0 (t) 和g1(t) 分别表示码元“0”和“1”的调制波形;码元周期T = 2π N ωc 持续了N ? 1 个载波周期,“1”码元的调制时间长度τ = 2πK ωc 持续了K 《 N 个载波周期,K 和N 均为整数以保证整周期调制。其中θ 和τ这两个参数构成改变信号带宽、传输码率和解调性能的调制指标。

  根据文献对ABSK 调制的研究分析,ABSK 调制具有如下特点:频带利用率高,式(1)表明,ABSK 调制信号波形除在数据“1”的起始处有短时的相位及幅度的变化外,其余都是连续的正弦波,其能量集中在载频fc处,频谱利用率高;抗干扰能力强;复杂度低,可数字化实现,这是该类调制能实现产业化应用的基础;适应面广,调制参数θ 和调制占空比τ T 的改变,均可控制调制信号的带宽和传输码率,在同样的发射功率下得到不同的传输性能,以适应不同的信道环境。

  基于以上特点,ABSK 信号的应用越来越受到重视。目前常用于ABSK信号解调的无限冲激响应(IIR)数字滤波器,由一对共轭零点和至少两对共轭极点构成,信号载频高于零点频率但低于所有极点频率,而零点频率与极点频率的靠近程度,至少要达到信号载频的10-3量级。由此,该滤波器通过其通带中心陡峭的陷波-选频特性,可将ABSK 调制信号在码元“1”处的相位变化信息转换为明显而强烈的寄生调幅冲击,输出信噪比得到显着提升,但在码元“0”处则无相应的波形冲击,如图1 所示。接下来,再对滤波器输出信号进行幅度判决、位同步等常规处理,就可以简单实现ABSK 调制信号的解调。

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  2 基于稳态的冲击滤波器解调方案

  2.1 起始振荡及其产生原因

  ABSK 调制信号的冲击滤波响应往往存在较长时段的起始振荡,式(1)中取fc = 10 MHz,A = B = 1,θ =π,K ∶N = 2∶40,图2 给出了10 倍采样频率下的冲击滤波器输出响应的包络绝对值,图中横坐标为时间,纵坐标为幅度。图中AD 段为振荡期,在这段时间内,各码元间的冲击幅度起伏极大,较难确定一个合适的门限以供判决。因此,实际通信中为确保可靠性常要丢弃这几百个码元。对于小数据包的猝发通信系统,这种传输时间和能量的浪费尤其不可忽视。

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  为了消除冲击滤波器的起始振荡,先对起始振荡产生的原因进行分析。数字冲击滤波器的传递函数为:

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  由于冲击滤波器的直接2型结构比直接1型结构更简单,这里采用直接2型结构来分析,如图3所示。图中的“ z-1 ”为延时单元,在硬件中可用寄存器实现。

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  此时,冲击滤波输出为:

  基于稳态的ABSK信号解调模式

  而实际通信系统必然都是因果的,因此w( - 1),w( - 2),w( - 3),-,w( - 2I) 这些值其实并不存在,习惯上将它们都取为0.随着通信的开始,冲击滤波器便利用实际接收到的ABSK信号进行“自我调整”,以使其状态逐渐“步入正轨”,慢慢接近稳定滤波时所需的值,此时冲击滤波器也逐渐进入稳态。正是这种冲击滤波响应从无到有、滤波器状态从初始零状态调整至稳态的过程,形成了滤波响应起始阶段的振荡期。

关键字:稳态  ABSK信号  解调模式

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0210/article_24001.html
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