廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法
2023-05-20 11:54:36
專利名稱：廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法
技術領域：
本發明是一種基於等幅等周期調製載波的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方
法，可以運用到需要對載波的幅度進行調製的廣播通信系統中。
背景技術：
現行的廣播系統都是採用把低頻的語音信號調製到較高頻段上的方法來方便傳 輸。以保留載波的模擬雙邊帶調幅(DSB-AM)為例，載波本身並沒有攜帶有用信息，但是卻 消耗了大量能量。以調幅廣播為例，載波在其中僅僅起到運載工具的作用，卻佔據了發射總 功率的三分之二，如果能把這部分載波充分利用起來，也傳遞一路有用信息而不是白白浪 費掉，就可以大大提高現有通信體制的效率。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術存在的缺陷，提供一種用於廣播通信系統的模 擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法，該方法基於等幅等周期調製載波技術，在傳輸語音 信號的同時還能通過載波傳遞一路高速多媒體信息，從而擴大廣播系統的應用面，實現多 種擴展功能，比如在收音機上看電子報紙，看圖片和看電視等。 要實現上述發明目的，需要尋求一種能有效表徵數字信息的載波波形，這種波形 應該具有以下特點首先，載波的每個碼元周期的長度應該是一樣的，這也就決定了無論是 表徵何種信息，載波的周期固定，頻率也就恆定。其次，若需要用低頻信號對載波的幅度進 行調製，就要求載波的幅度必須是恆定的，載波的幅度不能隨著表徵的數字信息"0"和"1 " 的改變而發生跳躍或畸變。第三，載波中的兩種基本波形的差異應該可控，以適應不同信噪 比的環境，改變波形區分度的同時也會影響到帶寬和調製效率，同時在這個過程中上述的 兩項基本特點不能有所改變。 將低頻的模擬語音信號送入調幅廣播發射機的音頻輸入口 ，對載波進行調幅後發 送出去；在接收端，可以採用相干解調或非相干解調的方法來得到發送的原始語音信號。
本發明廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法，包括模擬信號和 數位訊號的複合發送以及複合信息的接收兩部分；其中
模擬信號和數位訊號的複合發送，包括以下步驟
1、信源編碼 對多媒體數據(如字幕，圖片，圖形，視頻，聲音等)進行相應的編碼和壓縮，隨後 輸出一路信源編碼數據流；
2、信道編碼 為了增強數據在信道中傳輸的可靠性，對上面輸出的信源編碼數據流進行糾錯編
碼和交織； 3、載波成形 用經過上述1、2步驟後的信源編碼數對載波信號進行調製，使得載波的每個碼元周期能夠表徵一位數字信息；
4、基帶調製 用模擬語音信號對上一步驟產生的載波信號進行幅度調製，接著通過帶通濾波器 和功率放大器後從發送天線發送出去。 上述前三個步驟的結果是輸出附加了高速數字信息於其上的高頻載波，最後一個 步驟是用模擬的音頻信號來調製上述的高頻載波。 所述載波成形，是利用二進位信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為"l"時 產生的調製波形fjt)和當信息比恃為"0"時產生的調製波形f。(t)與標準正弦波相比具
有可調的微小差異；該調製方式可以表示為
formula see original document page 54
. (1) 其中T是調製波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f = 1/T是 載波的頻率，在數值上也等於碼元的傳輸速率；當信息比特為"l"時，波形發生器產生
^(l + a)^時的f(t)(記成fjt));當信息比特為"0"時，波形發生器產生7 = (3-")^時
的f(t)(記成f。(t))，其中a (0 < a < 1)是波形調控參數。 該調製方式具有如下技術特徵 a、兩種基本波形的差異在t = T/2達到極大值。 b、兩種基本波形振幅A是恆定不變的，峰值分別位於t = T/4和t = 3T/4處，且 不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變。 c、波形滿足fjt) = -f0(T-t) ， f。(t)和fjt)在
和[3T/4， T]時間段內 均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮。 d、這種調製波形的頻率始終是恆定不變的且在數值上等於比特速率。
e、通過波形調控參數a (0 < a < 1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小， 當處於大信噪比環境下可以通過增大a來減弱不同波形的區分度，當處於小信噪比環境 下可以通過減小a來增強不同波形的區分度。 另外，在每個碼元周期內無論是選擇哪一種波形，發射功率幾乎不變。
複合信息的接收解調
1、模擬語音信號的解調 高頻無線電波從天線接收下來後分成兩路，一路經帶通濾波器濾除信道中的噪聲 幹擾和信道失真所造成的影響，因為高頻載波的包絡準確的反映了所要傳遞的語音信號， 所以通過傳統接收機上的包絡檢 環節即可解調出發送端的模擬音頻信號；
2、數位訊號的解調 從另一路由天線接收下來的無線電波的高頻載波中解調出隱藏於其中的數字信 息；有兩種解調方法一，在載波的每個碼元周期一半處進行微小相位差檢測，或者是 過零點檢測，以恢復出比特信息；方法二，利用載波信號與發送端的兩種基本波形的相干性 差異而選用相干解調；
3、信道解碼 從步驟2解調出的數據碼流中去除糾錯碼等信道編碼；
4、信源解碼 信源編碼的逆過程，最終恢復出發送端發送的文字，圖片，視頻等多媒體信息。
本發明方法，相對於現有技術具有如下有益效果 1、充分利用現有的廣播系統設備，對發射機僅需要做較小改動，模擬音頻信號直
接從音頻口接入，仍然可以維持現有的調幅廣播體制，設備成本低，收效大。 2、未經改造的普通接收機能照常從無線電波中接收模擬語音信號，而經過改造的
帶顯示屏的高端收音機還可以接收到附加在載波上的高速數字信息，方便實現向下兼容。 3、這種平滑化的載波在頻域裡擁有良好的窄帶特性，頻譜能量也較為集中。通過
對一個波形調控參數的控制能夠改變基本波形的區分度，以適應不同信噪比的場合，從而
在帶寬效率和解調性能之間尋求一個平衡點。 4、通過載波傳遞有效信息，載波的頻率在數值上就等於數字信息的傳遞速率，這 在很大程度上提升了通信系統的效率。 5、選用的這種新型載波波形的頻率是恆定不變的，在解調時能較為方便的提取同 步信號。 6、無論要表徵的信息比特是"1"還是"0"時，波形發生器產生的兩種基本波形的
振幅恆定不變，波形不會隨著調控參數取值的變化而發生畸變，抗幹擾能力得到了增強。 7、從通信的安全性上考慮，蘊含了大量高速數字信息於其中的高頻載波在每個比
特周期內的波形變化並不明顯，若在傳輸信道上再疊加上噪聲，直觀上幾乎很難分辨出其
與傳統方式上利用單一正弦波作為高頻載波的載波波形的差異，這也就大大增強了通信系
統的保密性，通過與其他編解碼方法和自定義的通信協議的結合，可以使得通信系統的安
全性得到進一步加強。
圖1、是實施本發明方法的廣播通信系統(發送端)的原理框圖。 圖2、是實施本發明方法的廣播通信系統(接收端)的原理框圖。 圖3(a)是"03152978. X"號專利申請所發明的原始VWDK調製方法的輸出信號(調
控參數a =0.9);圖3(b)是"200410064681.4"號專利申請所提出的改進的VWDK調製方
法的輸出信號(調控參數A二0.2);圖3(c)是本專利所使用的新型等幅等周期的調製方
法的輸出信號(調控參數a = 0. 9)。 圖4(a)是"03152978.X"號專利申請所發明的原始VWDK調製方法的輸出信號(a 的取值從0. 2 0. 9);圖4b)是"200410064681. 4"號專利申請所提出的改進的VWDK調製 方法的輸出信號(A的取值從0.2 0.9)。圖4(c)是本發明方法的輸出信號(a的取值從0. 2 0. 9)。 圖5、是本發明方法中數位訊號對新型等幅等周期載波調製的系統框圖。 圖6、是本發明方法中從等幅等周期載波中解調出數位訊號(方法一 )的系統框圖。 圖7、是本發明方法中從等幅等周期載波中解調出數位訊號(方法二 )的系統框 圖。 圖8、是發送端的模擬語音信號。 圖9、是頻率為lkHz的等幅等周期載波波形。 圖10、是語音信號對等幅等周期載波f (t)調製後的波形圖。 圖11、是語音信號對"03152978. X"號專利以及"200410064681. 4"號專利中的不
具有恆定等幅特性的載波g(t)調製後的波形圖。 圖12、是解調後的語音波形與發送的語音波形的比較圖(針對f (t))。 圖13、是解調後的語音波形與發送的語音波形的比較圖(針對g(t))。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明作進一步詳細說明。 圖1，2為實施本發明方法的AM廣播傳輸系統。圖中虛線框中內容為新添加的部 分，虛線框之外是現有的AM廣播系統。本系統的發送端與傳統的發射電臺相比區別只是在 載波提供處，傳統方法是採用單一頻率的正弦波作為高頻載波，而這裡採用的是附加了高 速數字信息的載波信號。首先，模擬音頻信號a(t)與直流電平M相加，對虛線框中的載波 成形系統所提供的高頻載波進行DSB-AM調製，再經帶通濾波器和功率放大器後進入信道。 接收端分兩路， 一路仍然像傳統接收端一樣，高頻無線電波經帶通濾波器和包絡檢波環節 解調出發送的模擬音頻信號，另一路則要對恢復出的高頻載波的每個碼元進行微小相位差 檢測或過零點檢測以恢復出隱藏在載波中的數字信息，最終還原出附加於其中的多媒體數 據，在這裡可以是文字，圖片乃至是視頻文件。 該方案的優勢在於充分利用了我國地勢幅員廣闊，廣播電臺眾多的特點，對現有
廣播體系改動較小，這項技術並不會影響到普通接收機的常規接收，未經改造的收音機能
照常從無線電波中接收模擬語音信號，而經過改造的帶顯示屏的高端收音機還可以接收到
附加在載波上的高速數字信息，方便的實現向下兼容。在載波環節上選用了一種等幅等周
期的數位訊號調製及解調方法，通過對一個波形調控參數的控制可以控制兩種基本波形的
差異，從而在帶寬效率和解調性能中尋求一個平衡點。 —、發送端 發送端包括針對多媒體數據的信源編碼，信道編碼，載波成形以及基帶調製等幾 大環節。其中前三個步驟的結果是輸出附加了高速數字信息於其上的高頻載波，最後一個 步驟是用模擬的音頻信號來調製上述的高頻載波。
1、信源編碼 對多媒體數據(如字幕，圖片，圖形，視頻，聲音等)進行相應的編碼和壓縮，隨後 輸出一路信源編碼數據流；
2、信道編碼
為了增強數據在信道中傳輸的可靠性，對上面輸出的信源編碼的數據流進行糾錯
編碼和交織。 3、載波成形 用經過上述兩個環節輸出後的數據對載波信號進行調製，使得載波的每個碼元周 期能夠表徵一位數字信息。 該方法利用二進位信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為"l"時產生的調 制波形4(t)和當信息比恃為"0"時產生的調製波形f。(t)與標準正弦波相比具有可調的 微小差異。該調製方式可以表示為
formula see original document page 8 其中T是調製波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f = 1/T是 載波的頻率，在數值上也等於碼元的傳輸速率；當信息比特為"l"時，波形發生器產生
formula see original document page 8時的f(t)(記成fjt));當信息比特為"0"時，波形發生器產生formula see original document page 8時
的f(t)(記成f。(t))，其中a (0< a <1)是波形調控參數。該調製方式具有如下技術特 徵 a、兩種基本波形的差異在t = T/2達到極大值。 b、兩種基本波形振幅A是恆定不變的，峰值分別位於t = T/4和t = 3T/4處，且 不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變。 c、波形滿足formula see original document page 8 ， f。(t)和fjt)在
和[3T/4， T]時間段內 均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮。 d、這種調製波形的頻率始終是恆定不變的且在數值上等於比特速率。
e、通過波形調控參數a (0 < a < 1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小， 當處於大信噪比環境下可以通過增大a來減弱不同波形的區分度，當處於小信噪比環境 下可以通過減小a來增強不同波形的區分度。 另外，在每個碼元周期內無論是選擇哪一種波形，發射功率幾乎不變。
將其與現有技術中國專利(專利號03152978.X)所發明的兩段函數g(t)(圖3 (a) 所示)相比較，在一個碼元周期內，g(t)的表徵邏輯"O"和邏輯"l"的兩種基本碼元波形 幾乎沒有重合之處，幅度也不統一，兩種波形時域裡的較大出入導致頻域裡的性能也很難 提升。專利號200410064681. 4中國專利，雖然對波形進行了一些限幅處理，但是若在低信 噪比條件下為了進一步增強兩種基本波形的區分度，確保信息傳輸的準確性就需要通過增 大參數A來增強兩種基本波形的差異性，隨著參數A的進一步增大，兩種基本波形的幅度漸漸開始出現不統一，特別是當A增大到0. 5以上時，兩種波形幅度的跳變已經相當明顯，無法滿足幅度統一的要求(圖3(b))。 綜上所述，只有(1)式提出的波形(圖3(c))滿足背景技術中對載波提出的三大要求，與其他兩項專利中的波形相比擁有較大優勢，所以選擇此波形作為載波波形，後面的仿真圖也充分證明了這一點。載波波形的成形電路如圖5所示。
4、基帶調製 用模擬語音信號與直流電平相加後對上一步驟產生的載波信號進行幅度調製，接著通過帶通濾波器和功率放大器後從發送天線發送出去。 針對圖1，2，假設其中a(t)為模擬語音信號，M是雙邊帶調製所需的直流電平，b(t)是由所要傳送的多媒體信息決定的二進位數據，f(t)是載波，由b(t)的值來決定發送的是&(t)還是f。(t)，無論選擇發送哪一種波形，載波的周期T。是固定的，這就意味著載波頻率^= 1/T。也是固定的，這裡的f(t)代替了傳統廣播通信方式中的高頻正弦載波Asin (" 。t+ e )，假設通過加性高斯白噪聲信道後的噪聲影響是n (t)，則發送機發送的信號為 s(t) = (a (t)+M) f (t)+n (t) (1) 在仿真中，採用頻率為O. lkHz，幅度為V^的餘弦波作為模擬語音信號，如圖8所示。選取M為2，載波f(t)的頻率取lkHz，如圖9所示。則發送的信號應為
順=VJ(cos(27ix聽)+ 2)/(;). (4) 正弦波模擬語音信號a(t)對載波f (t)進行調製後的波形圖如圖IO所示，這裡同時也用"03152978. X"號專利以及"200410064681. 4"號專利中的不具有恆定等幅特性的載波g(t)仿真了一次，結果如圖ll所示。 對比兩幅圖，可以很明顯看出差距，圖10比圖11的誤差要小的多，究其原因就在於這種新型載波f (t)在每個碼元周期寬度內幅度始終是恆定的，而另兩項專利中的載波g(t)不具有此特性，這必然會導致高頻載波的包絡不能很好的體現語音信號的變化，從而引起較大的失真。
二、接收端 接收端與發送端順序相反，也分四個環節。
1、模擬語音信號的解調 高頻無線電波從天線接收下來後分成兩路，一路經帶通濾波器濾除信道中的噪聲幹擾和信道失真所造成的影響，因為高頻載波的包絡準確的反映了所要傳遞的語音信號，所以通過傳統接收機上的包絡檢波環節即可解調出發送端的模擬音頻信號；
在解調端，對比兩種不同的載波f(t)和g(t)分別進行相應的解調，解調結果如圖12，13所示，從圖中可以看出，用f(t)做高頻載波，語音信號經包絡檢波後能很好的恢復出原始發送的模擬語音信號，對比用g(t)做高頻載波的方法，解調後的失真非常大，可見載波f(t)更適合運用在廣播通信系統上。
2、數位訊號的解調 從另一路由天線接收下來的無線電波的高頻載波中解調出隱藏於其中的數字信息；有兩種解調方法一，在載波的每個碼元周期一半處進行微小相位差檢測，以恢復出比特信息，其特點是運算量低，設備簡單，處理速度快；方法二，在載波的每個碼元周期一半處進行過零點檢測，以恢復出比特信息； 在本例中的微小相位差解調法，只需要在接收信號波形的中點即二分之一周期處 進行一次採樣判決便可完成解調。圖6是本發明的解調器的實例，已調信號經過帶通濾波 後，分成兩路， 一路通過載波頻率提取出同步信號，形成採樣脈衝；另一路在碼元周期一半 處採樣，將採樣得到的波形相位信息與標準正弦波相位進行比較，若波形相位比標準正弦 波相位超前，可判斷出發送的二進位信息是"1"，否則為"0"。過零點檢測法同樣只需要在 接收信號波形的中點即二分之一周期處進行一次採樣判決便可完成解調。由圖3(c)可知， 在碼元周期的中點處，有f。(T/2) >0，&(172) <0。所以通過在該時刻對接收信號進行採 樣，可以根據採樣值的極性來判決發送的二進位碼元是"1"還是"0"。如圖7所示，接收的 已調信號先經過帶通濾波器去除幹擾，然後進入採樣器，由系統時鐘形成採樣脈衝並送入 採樣器，採樣器在碼元周期一半處將信號採樣值送入過零點檢測器，若採樣值是正數，可判 斷出發送的二進位信息是"0"，否則為"1"，從而還原出原始發送端的數字信息。
3、信道解碼 從步驟2解調出的數據碼流中去除糾錯碼等信道編碼；
4、信源解碼 信源編碼的逆過程，最終恢復出發送端發送的文字，圖片，視頻等多媒體信息。
權利要求
一種廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法，包括模擬信號和數位訊號複合發送和複合信息接收解調兩部分；其中模擬信號和數位訊號的複合發送，包括以下步驟步驟1、信源編碼對多媒體數據(如字幕，圖片，圖形，視頻，聲音等)進行相應的編碼和壓縮，隨後輸出一路信源編碼數據流；步驟2、信道編碼為了增強數據在信道中傳輸的可靠性，對上面輸出的信源編碼數據流進行糾錯編碼和交織；步驟3、載波成形用經過上述A、B步驟後的信源編碼數對載波信號進行調製，使得載波的每個碼元周期能夠表徵一位數字信息；步驟4、基帶調製用模擬語音信號對上一步驟產生的載波信號進行幅度調製，接著通過帶通濾波器和功率放大器後從發送天線發送出去；複合信息接收解調，其步驟如下步驟A、語音信號的解調高頻無線電波從天線接收下來後分成兩路，一路經帶通濾波器濾除信道中的噪聲幹擾和信道失真所造成的影響，因為高頻載波的包絡準確的反映了所要傳遞的語音信號，所以通過傳統接收機上的包絡檢波部分即可解調出發送端的模擬音頻信號；步驟B、載波恢復將另一路從天線接收下來的高頻無線電波先恢復出載波信號解調出隱藏在高頻載波中的數字信息；有兩種解調方法一，對載波的每個碼元周期一半處進行微小相位差檢測，或者是波形幅值檢測，以恢復出比特信息；方法二，利用載波信號與發送端的載波波形發生器根據所要傳輸的不同數位訊號而選擇的兩種基本波形的相干性差異而使用相干解調；步驟C、信道解碼從步驟B解調出的數據碼流中去除糾錯碼等信道編碼；步驟D、信源解碼信源編碼的逆過程，最終恢復出發送端發送的多媒體信息。
2. 根據權利要求1所述廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法，其特徵是所述載波成形，是利用二進位信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為"1"時產生的調製波形fjt)和當信息比特為"0"時產生的調製波形f。(t)與標準正弦波相比具有可調的微小差異；該調製方式表示為formula see original document page 3(1)其中T是調製波形的周期，同時也是碼元周期和信息的符號寬度；f = 1/T是載波的頻率，在數值上也等於碼元的傳輸速率；當信息比特為"1"時，波形發生器產生r = (1 + ")*時的f(t)(記成fjt));當信息比特為"O"時，波形發生器產生rformula see original document page 3成f。 (t))，其中a (0 < a < 1)是波形調控參數；該調製方式具有如下技術特徵a、 兩種基本波形的差異在t = T/2達到極大值；b、 兩種基本波形振幅A是恆定不變的，峰值分別位於t = T/4和t = 3T/4處，且不會隨著基本波形差異的增大而發生任何改變；c、 波形滿足^ a) = -f0(T-t) ， f。(t)和^ a)在
和[3T/4， T]時間段內均為標準的正弦波，其頻譜得到了更好的壓縮；d、 這種調製波形的頻率始終是恆定不變的且在數值上等於比特速率；e、 通過波形調控參數a (0< a < 1)的選擇可以控制兩種基本波形的差異大小，當處於大信噪比環境下可以通過增大a來減弱不同波形的區分度，當處於小信噪比環境下可以通過減小a來增強不同波形的區分度。
全文摘要
本發明公開了一種廣播通信系統的模擬信號和數位訊號複合傳輸通信方法，包括模擬信號和數位訊號複合發送和複合信息接收解調兩部分；其中模擬信號和數位訊號的複合發送，包括以下步驟信源編碼，信道編碼，載波成形，基帶調製。所述載波成形，是利用二進位信息碼元直接改變載波的波形，當信息比特為「1」時產生的調製波形f1(t)和當信息比特為「0」時產生的調製波形f0(t)與標準正弦波相比具有可調的微小差異。複合信息接收解調，其步驟如下模擬語音信號的解調，數位訊號的解調，信道解碼，信源解碼。只需對現有廣播系統做較小改動，即可實現模擬語音信號和高速數字信息的複合發送。
文檔編號H04L27/00GK101729471SQ20081015485
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者張羽, 朱松盛, 殷奎喜, 閭國年 申請人:南京師範大學