四進(jìn)制VMCK調(diào)制信號(hào)的傳輸仿真

馬 剛，周勝源

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

超窄帶（Ultra Narrow Band，UNB）[1]通信因其有效傳輸帶寬小，頻帶利用率高的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。超窄帶高效調(diào)制方式由最初Walker[2]的可變相位相移鍵控（Varible Phase Shift Keying，VPSK）和甚小相移鍵控（Very Mini?mum Shift Keying，VMSK）發(fā)展到相位反轉(zhuǎn)鍵控（Phase Reversal Keying，PRK），以及吳樂南等提出甚小波形差異鍵控（Very Minimum Waveform Difference Keying，VWDK）和統(tǒng)一的擴(kuò)展二元相移鍵控（Extended Binary Phase Shift Keying，EBPSK）[3-5]。作為一種新型的超窄帶調(diào)制技術(shù)，VMCK采用線性調(diào)頻的方式[6-8]，由波形頻率的升頻（up）或降頻（down）表示發(fā)送的信號(hào)。由于發(fā)送的信號(hào)始終保持相位連續(xù)，導(dǎo)致獲得信號(hào)的頻譜很窄，VMCK與其他超窄帶信號(hào)相比具有較窄的頻譜。

1 VMCK調(diào)制原理

VMCK調(diào)制的基本原理是用二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制線性調(diào)頻的“升調(diào)”或“降調(diào)”，“升調(diào)”和“降調(diào)”分別對應(yīng)數(shù)據(jù)1和0，載波的中心頻率同時(shí)也是信息的傳輸速率，線性調(diào)頻的頻譜集中在載波附近，調(diào)頻的正弦信號(hào)在1 bit內(nèi)為1個(gè)周期。單周期的VMCK調(diào)制信號(hào)數(shù)字表達(dá)式為

式中：S1(t)和S2(t)代表數(shù)據(jù)1和0，fs是比特傳輸速率，α是線性調(diào)頻系數(shù)。其中，α=0.731時(shí)兩信號(hào)正交。從式（1）和式（2）可得頻率方程f1(t)和f2(t)為

為了除去VMCK信號(hào)直流分量，可加上一定的系數(shù)，令其積分為0，得到表達(dá)式為

2 VMCK多進(jìn)制調(diào)制原理

由上述可知，表示 0和 1的信號(hào)S3和S4分別為up信號(hào)和down信號(hào)，因?yàn)檫@兩種信號(hào)本身都是由掃頻產(chǎn)生，所以0，1信號(hào)頻率變化仍然是連續(xù)的，并未產(chǎn)生相位翻轉(zhuǎn)。這也是VMCK調(diào)制“窄”的原因。進(jìn)行擴(kuò)展到多進(jìn)制信號(hào)，為了保證“窄”，參數(shù)改變上不宜考慮到頻率和相位方面。因此，本文所仿真的四進(jìn)制信號(hào)就是在原有信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行幅度翻倍，加上原有的up和down信號(hào)，就形成了4個(gè)類型的波形，分別用來表示四進(jìn)制信號(hào)0，1，2，3，然后經(jīng)疊加處理后調(diào)制成幅度有所變化的一條VMCK波形，加噪聲后通過濾波器，然后對其進(jìn)行解調(diào)。

3 Simulink仿真過程[9]

首先設(shè)定down（x）表示0，幅度翻倍的down（y）表示1，up（x）表示2，up（y）表示3，整體的仿真系統(tǒng)如圖1所示。

隨機(jī)產(chǎn)生了10 kHz的4個(gè)電平的四進(jìn)制信號(hào)，對其每個(gè)碼元進(jìn)行200個(gè)點(diǎn)的采樣后進(jìn)入調(diào)制模塊，分別被判為4種波形。與高斯白噪聲相加后通過帶寬為700 Hz的帶通濾波器，然后進(jìn)入解調(diào)單元。從解調(diào)單元出來3路數(shù)據(jù)A，B，C，在接下來就是通過這3路數(shù)據(jù)來進(jìn)行信息還原的。最后的部分是計(jì)數(shù)器，用以計(jì)算錯(cuò)誤的碼元數(shù)目。調(diào)制模塊如圖2所示。

隨機(jī)信號(hào)進(jìn)來后根據(jù)其4個(gè)不同的電平被分別調(diào)制成4種波形，在時(shí)間軸上將其相加便得到連續(xù)的調(diào)制波形。其中的4個(gè)判決模塊是通過了一個(gè)Matlab函數(shù)塊形成，對于第一路的up（y）信號(hào)，其程序?qū)?yīng)為：

其中，將調(diào)制系數(shù)設(shè)定為0.7，這個(gè)系數(shù)是對應(yīng)的up和down信號(hào)正交時(shí)的數(shù)據(jù)，設(shè)此為滿足解調(diào)過程。原始圖如圖3所示。

其調(diào)制的波形如圖4所示。

圖4的最后一行就是加起來的整體調(diào)制波形，它有幅度和 up，down兩種變化，可以用來表示四進(jìn)制信號(hào)。解調(diào)模塊如圖5所示。

為了避免傳統(tǒng)的直接相關(guān)解調(diào)方式會(huì)造成的錯(cuò)誤判斷，采用了分級解調(diào)方式，首先從中間路進(jìn)入圖中的紅色A路，先判斷這一段波形是屬于up類或者down類，如是前者，則直接進(jìn)入上一路黃色B路再行判斷，判斷方式是up（x）和up（y）波形分別積分后，將所得值取出中間一個(gè)幅值作為判決門限電平，通過比較這個(gè)電平判斷出是屬于up類中幅度較大還是較小的。如是后者道理類似。圖5中所示的判決電平是根據(jù)濾波器的不同而有所改變的，因?yàn)闉V波器設(shè)置不同，通過它產(chǎn)生的衰減也有所不同，但一旦確定了濾波器參數(shù)就確定了判決電平，這個(gè)電平也就可以穩(wěn)定采用了。經(jīng)解調(diào)模塊得出三路數(shù)據(jù)A，B，C，原始信號(hào)恢復(fù)就是通過這三路來恢復(fù)的（見圖1）。若A路判斷為1，即為up類，在看B路，如果B為1，則為up（y）型，為 0 則為up（x）型，而此時(shí)沒有參考價(jià)值的C路為0，這時(shí)，就可以直接采用A路×2+B路+C路的方法來恢復(fù)原來電平，例如，110為電平3，100為電平2，001為電平1，000為電平0。調(diào)制和解調(diào)部分設(shè)計(jì)完成后，加上噪聲和濾波器部分，整個(gè)仿真系統(tǒng)完成，如圖6所示。

在圖6中，第1行是原始序列，第2行是調(diào)制后的信號(hào)，第3行是所加入的高斯白噪聲，第4行是第2行和第3行相加后的結(jié)果，第5行是通過濾波器過濾后的效果，最后一行是解調(diào)出的波形。圖6中原始序列與解調(diào)結(jié)果相比有2個(gè)碼元的延時(shí)，證明解調(diào)效果比較理想，解調(diào)方式可行。

4 小結(jié)

通過Simulink軟件仿真，隨機(jī)產(chǎn)生4個(gè)電平的四進(jìn)制信號(hào)并分別判為4種波形，疊加處理后調(diào)制成VMCK調(diào)制波形，加噪聲后通過700 Hz帶通濾波器，然后對其進(jìn)行解調(diào)。該過程的誤碼率與所設(shè)置的濾波器參數(shù)以及所加白噪聲參數(shù)都有關(guān)系，仿真重點(diǎn)在于平臺(tái)的搭建，而將濾波器參數(shù)設(shè)置固定，不同的濾波器參數(shù)影響信號(hào)通過的幅度衰減從而影響解調(diào)部分的門限電平，故每次重設(shè)濾波器參數(shù)都得重新調(diào)整門限電平，誤碼率與信噪比的關(guān)系仍有待探討。

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馬 剛（1985-），碩士，主研軟件無線電；

周勝源（1974-），副教授，碩士生導(dǎo)師，主研寬帶網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)。