超窄带高效调制关键技术研究

程梦莉 宋云燕

【摘要】 高频谱利用率和高吞吐率是通信领域的热点问题，针对该问题提出的超窄带通信方式吸引了越来越多的注意力。本文通过香农公式的拓展讨论超窄带技术的原理和可行性，对高效调制关键技术作深入解析。

【关键字】 超窄带 香农公式 高效调制

一、引言

随着频谱资源的日益匮乏，如何最大化频谱利用率具有重大的现实意义和直接的经济效益。近年来，美国学者H.R.Walker提出超窄带（UNB）通信方式，能够在极窄的信道带宽里进行高速率数据传输，达到60bit/s/Hz以上的极高频谱利用率。根据传统香农公式，达到此频谱利用率，信噪比至少为162.8dB！发射机无法提供如此高的功率，因此UNB技术遭到强烈质疑。通过拓展香农公式，理论和实验上都可以达到极高的频带利用率而不必以大功率发射机为代价。

二、超窄带技术原理

香农信道容量定义了通信系统的最大信息传输速率。它是通过奈奎斯特采样定理取采样频率fs为两倍有效带宽B推出的，其忽略了信号带宽与噪声带宽的区别。如果假设信号带宽大于噪声带宽，则样值间是相关的，因而推导不同于传统香农公式。可扩展为：

文献的仿真结果从事实上证明了可以支持UNB突破香农信道容量。目前已研制出多种超窄带滤波器可以有效减小噪声、保持信号特征，这些滤波器的信号带宽大于噪声带宽，这正是传统线性系统无法解释UNB技术的原因。

三、高效调制技术解析

3.1 美国专利提出的矩形波型高效调制技术

在超窄带通信调制方式的大家族中，VPSK及其改进版本最早由H.R. Walker提出，在1988和1993年分别公开两份专利，成为超窄带发展的伊始。VPSK调制信号的带宽为基带NRZ码带宽的1/6，即频带利用率高达6bps/Hz。传统的MPSK根据被调信号的相位来调制信息，而VPSK则根据信号反相时刻（上升沿或下降沿的过零点）一个较小的固定差别来调制信息。改进型VPSK编码的比特宽度为M/M，（M+l）/M，和（M+2）/M个时钟周期数（M为大于3的偶数）。

VMSK采用固定时隙双相编码，调制的每个比特宽度相等。这与VPSK直接对基带NRZ码进行比特宽度微小差别的调制方法不同。VMSK将一个比特分为M个时隙（M是一个奇数）。若信息比特为1，则VMSK波形的相位会在（M+l）/2时隙和M时隙处翻转；若信息比特为0，则VMSK波形的相位将在（M-l）/2时隙和M时隙处翻转。这种调制方式称为VMSK/1，而VMSK/2调制方式则在比特结束时不翻转，相位延续。3PRK利用窄脉冲的位置来代表信息比特，而非利用过零点的时刻来表示比特l和0。经过调制以后，当出现信息比特1时，则在时钟边界触发一种只具有1-2个射频周期宽度的窄‘关闭脉冲。当出现信息比特O时，则可触发一个随机延迟的窄‘关闭脉冲。

3.2 国内专利提出的类正弦波形高效调制技术

上述美国专利提出的高效调制方式都是矩形波信号，其频谱为无限宽，必须通过专用的发送成型滤波器之后才可作为传输波形。而由于正弦波的频谱最窄，文献提出了一种新的UNB调制方法，称为VWDK。其采用类正弦脉冲来表示信息比特，取代了原有的矩形脉冲。与VMSK类似，VWDK中一个比特周期也被分为时隙长度不同的两部分。每部分采用了半个正弦波周期。VWDK调制波形可表示为：

四、结束语

本文从香农公式的拓展开始讨论UNB原理及可行性，对于重点高效调制技术作深入解析，为构建高速率、高带宽利用率、高能效的超窄带通信网奠定了良好基础。