基于穩(wěn)態(tài)的ABSK信號解調模式 - 全文

　　0 引言

　　隨著無線通信業(yè)務的高速發(fā)展，空中的無線電頻譜越來越擁擠，無線頻譜利用率越來越受到重視。經典的二元偏移鍵控，頻譜利用率很低，其中綜合性能較好的2-PSK（BPSK），頻譜利用率也最多只有1 bps/Hz.雖然通過增加信號空間的星座點數可以提高頻譜利用率（如多電平的正交幅度相位調制M-QAM和多相移鍵控調制M-PSK），但處理起來較為復雜，所需的發(fā)射功率也要相應增加。

　　與上述調制方式相比，不對稱二元偏移鍵控調制（Asymmetry Binary Shift Keying，ABSK）具有極大優(yōu)勢，其利用微小的波形差異來分別調制“0”、“1”碼元，使得調制信號能量集中在載頻處，信號帶寬大大縮減，符合工程意義上“超窄帶”的要求 。

　　同時，也正因為“0”、“1”碼元的波形差異微小，給ABSK信號的解調帶來不小困難。經典的濾波理論和常規(guī)的濾波器很難滿足要求，美國的H. R. Walker博士發(fā)明了所謂“零群時延”晶體帶通濾波器，雖然可實現(xiàn)ABSK信號的解調，但由于采用石英晶體實現(xiàn)，不僅可靠性、穩(wěn)定性、靈活性和一致性都很差，而且難以數字化集成。國內發(fā)明專利“用于增強不對稱二元調制信號的沖擊濾波方法”突破零群時延石英晶體濾波器的技術本質，用無限沖激響應（IIR）數字濾波器技術加以實現(xiàn)，使ABSK高效調制技術走向實用。但其濾波輸出響應往往存在較長時段的起始振蕩，這造成傳輸時間以及發(fā)射能量的浪費，對于電力線載波通信、猝發(fā)通信等要求極高傳輸效率的小數據包通信和對于能耗尤為在乎的無線傳感器網絡，不利影響非常突出。本文分析了起始振蕩產生的原因，提出了通過預先訓練的方法使沖擊濾波器直接進入穩(wěn)定狀態(tài)的改進方案，無需改變?yōu)V波器的設計和結構，消除了初始振蕩，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

　　1 不對稱的二元相移鍵控（ABSK）傳輸系統(tǒng)

　　ABSK調制定義如下：

　　式中：g0 （t） 和g1（t） 分別表示碼元“0”和“1”的調制波形;碼元周期T = 2π N ωc 持續(xù)了N ? 1 個載波周期，“1”碼元的調制時間長度τ = 2πK ωc 持續(xù)了K 《 N 個載波周期，K 和N 均為整數以保證整周期調制。其中θ 和τ這兩個參數構成改變信號帶寬、傳輸碼率和解調性能的調制指標。

　　根據文獻對ABSK 調制的研究分析，ABSK 調制具有如下特點：頻帶利用率高，式（1）表明，ABSK 調制信號波形除在數據“1”的起始處有短時的相位及幅度的變化外，其余都是連續(xù)的正弦波，其能量集中在載頻fc處，頻譜利用率高;抗干擾能力強;復雜度低，可數字化實現(xiàn)，這是該類調制能實現(xiàn)產業(yè)化應用的基礎;適應面廣，調制參數θ 和調制占空比τ T 的改變，均可控制調制信號的帶寬和傳輸碼率，在同樣的發(fā)射功率下得到不同的傳輸性能，以適應不同的信道環(huán)境。

　　基于以上特點，ABSK 信號的應用越來越受到重視。目前常用于ABSK信號解調的無限沖激響應（IIR）數字濾波器，由一對共軛零點和至少兩對共軛極點構成，信號載頻高于零點頻率但低于所有極點頻率，而零點頻率與極點頻率的靠近程度，至少要達到信號載頻的10-3量級。由此，該濾波器通過其通帶中心陡峭的陷波-選頻特性，可將ABSK 調制信號在碼元“1”處的相位變化信息轉換為明顯而強烈的寄生調幅沖擊，輸出信噪比得到顯著提升，但在碼元“0”處則無相應的波形沖擊，如圖1 所示。接下來，再對濾波器輸出信號進行幅度判決、位同步等常規(guī)處理，就可以簡單實現(xiàn)ABSK 調制信號的解調。

　　2 基于穩(wěn)態(tài)的沖擊濾波器解調方案

　　2.1 起始振蕩及其產生原因

　　ABSK 調制信號的沖擊濾波響應往往存在較長時段的起始振蕩，式（1）中取fc = 10 MHz，A = B = 1，θ =π，K ∶N = 2∶40，圖2 給出了10 倍采樣頻率下的沖擊濾波器輸出響應的包絡絕對值，圖中橫坐標為時間，縱坐標為幅度。圖中AD 段為振蕩期，在這段時間內，各碼元間的沖擊幅度起伏極大，較難確定一個合適的門限以供判決。因此，實際通信中為確保可靠性常要丟棄這幾百個碼元。對于小數據包的猝發(fā)通信系統(tǒng)，這種傳輸時間和能量的浪費尤其不可忽視。

　　為了消除沖擊濾波器的起始振蕩，先對起始振蕩產生的原因進行分析。數字沖擊濾波器的傳遞函數為：

　　由于沖擊濾波器的直接2型結構比直接1型結構更簡單，這里采用直接2型結構來分析，如圖3所示。圖中的“ z-1 ”為延時單元，在硬件中可用寄存器實現(xiàn)。

　　此時，沖擊濾波輸出為：

　　而實際通信系統(tǒng)必然都是因果的，因此w（ - 1），w（ - 2），w（ - 3），-，w（ - 2I） 這些值其實并不存在，習慣上將它們都取為0.隨著通信的開始，沖擊濾波器便利用實際接收到的ABSK信號進行“自我調整”，以使其狀態(tài)逐漸“步入正軌”，慢慢接近穩(wěn)定濾波時所需的值，此時沖擊濾波器也逐漸進入穩(wěn)態(tài)。正是這種沖擊濾波響應從無到有、濾波器狀態(tài)從初始零狀態(tài)調整至穩(wěn)態(tài)的過程，形成了濾波響應起始階段的振蕩期。

　　2.2 起始振蕩消除方案

　　基于以上分析可知：如果將沖擊濾波器的初始狀態(tài)W ［0］ 預先設置為其到達穩(wěn)定狀態(tài)后的值，便可消除沖擊濾波響應的起始振蕩，而直接進入穩(wěn)定期。技術方案如下：

　　（1）預先發(fā)送一串ABSK 調制信號，在經信道由接收機接收并經ADC后送給沖擊濾波器;（2）待上述ABSK信號的沖擊濾波響應從不斷振蕩的瞬態(tài)徹底進入穩(wěn)態(tài)后（如圖2中的“D”點以后），存儲記錄下此時沖擊濾波器的輸出狀態(tài)W ［n］。

　?。?）在隨后的實際通信前，將沖擊濾波器的初始狀態(tài)W ［0］ 設置為步驟（2）中所得到的W ［n］，也即其初始狀態(tài)被“預置”為沖擊濾波器的穩(wěn)態(tài)，從而一舉消除ABSK信號沖擊濾波響應慣有的起始振蕩。

　　3 仿真

　　ABSK調制信號參數設置見2.1節(jié)，單零點-4極點的沖擊濾波器的傳遞函數形式為：

　　詳細步驟如下：

　?。?）發(fā)送1 000個碼元周期的ABSK調制信號，經信道后由接收機接收，再經ADC采樣量化后，將已數字化的等幅的接收信號送給沖擊濾波器，其輸出如圖2所示，此時由于沖擊濾波器的初始狀態(tài)被“強行”設為0，導致其初始段存在較長的振蕩期，圖中振蕩期持續(xù)了約300個碼元周期，實際通信時這部分碼元將不得不放棄。

　?。?）待沖擊濾波響應徹底進入穩(wěn)態(tài)后（圖2中D點后的輸出波形），此時存儲記錄下沖擊濾波器的輸出狀態(tài)W ［n］，經實測，其數值如下：

　　（3）在進行實際通信前，將沖擊濾波器的初始狀態(tài)設置為經步驟（1）和步驟（2）預先訓練得到的上述W （n）。

　　為驗證該方法的效果，可再次發(fā)送1 000或更多個碼元周期的ABSK 調制信號，此時的沖擊濾波響應如圖4所示，可見此時已確實不存在起始振蕩，而是直接進入了起伏十分微小的穩(wěn)定傳輸狀態(tài)。

　　仿真結果驗證了上述消除ABSK 信號沖擊濾波響應起始振蕩方法的正確性和可行性。

　　4 結語

　　本文提出了消除ABSK 信號沖擊濾波響應起始振蕩的方法，改進了ABSK 信號的解調模式，使其無需經歷過渡期而直接進入穩(wěn)態(tài)。這種改進使得經過“訓練”的沖擊濾波器在其后的每次通信前，都處于“時刻準備好”狀態(tài)，每次通信過程都能直接傳輸有效數據，無需再為“過渡數據”浪費寶貴的傳輸時間和能量，特別適用于短數據包的猝發(fā)應用場合（如電力線通信、無線傳感器網絡等）。與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

　?。?）提升了傳輸效率。由于消除了沖擊濾波響應的起始振蕩，使得其無需再丟棄初始段的無效位便可進行可靠通信，大大提高了小數據包通信的傳輸效率。

　　（2）提高了系統(tǒng)能效。由于無需再等待圖2 中AD段過渡期的結束而直接進入“D”點以后的穩(wěn)定通信，發(fā)射機的開機時間可以大為縮短，特別有利于微型數據采集終端和無線傳感器網絡節(jié)點等的節(jié)能降耗。

　?。?）通用性好。由于消除沖擊濾波響應起始振蕩的關鍵只在于沖擊濾波器初始狀態(tài)的合理設置，因此對于各種不同的ABSK信號、各種不同的采樣率以及各種形式的沖擊濾波器，本文提出的方法均適用。

　　本文對消除ABSK 信號沖擊濾波響應起始振蕩的方法進行了理論分析和仿真驗證，為該方法在工程實踐中的應用奠定了基礎，接下來的工作將秉承“節(jié)能高效”的綠色環(huán)保主張，將該方法運用于小數據包猝發(fā)通信的實際系統(tǒng)中并加以優(yōu)化，以進一步提升傳輸效率，降低通信能耗。

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