程夢莉 宋云燕

【摘要】 高頻譜利用率和高吞吐率是通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，針對該問題提出的超窄帶通信方式吸引了越來越多的注意力。本文通過香農(nóng)公式的拓展討論超窄帶技術(shù)的原理和可行性，對高效調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)作深入解析。

【關(guān)鍵字】 超窄帶 香農(nóng)公式 高效調(diào)制

一、引言

隨著頻譜資源的日益匱乏，如何最大化頻譜利用率具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和直接的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，美國學(xué)者H.R.Walker提出超窄帶（UNB）通信方式，能夠在極窄的信道帶寬里進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到60bit/s/Hz以上的極高頻譜利用率。根據(jù)傳統(tǒng)香農(nóng)公式，達(dá)到此頻譜利用率，信噪比至少為162.8dB！發(fā)射機(jī)無法提供如此高的功率，因此UNB技術(shù)遭到強(qiáng)烈質(zhì)疑。通過拓展香農(nóng)公式，理論和實(shí)驗(yàn)上都可以達(dá)到極高的頻帶利用率而不必以大功率發(fā)射機(jī)為代價。

二、超窄帶技術(shù)原理

香農(nóng)信道容量定義了通信系統(tǒng)的最大信息傳輸速率。它是通過奈奎斯特采樣定理取采樣頻率fs為兩倍有效帶寬B推出的，其忽略了信號帶寬與噪聲帶寬的區(qū)別。如果假設(shè)信號帶寬大于噪聲帶寬，則樣值間是相關(guān)的，因而推導(dǎo)不同于傳統(tǒng)香農(nóng)公式?？蓴U(kuò)展為：

文獻(xiàn)的仿真結(jié)果從事實(shí)上證明了可以支持UNB突破香農(nóng)信道容量。目前已研制出多種超窄帶濾波器可以有效減小噪聲、保持信號特征，這些濾波器的信號帶寬大于噪聲帶寬，這正是傳統(tǒng)線性系統(tǒng)無法解釋UNB技術(shù)的原因。

三、高效調(diào)制技術(shù)解析

3.1 美國專利提出的矩形波型高效調(diào)制技術(shù)

在超窄帶通信調(diào)制方式的大家族中，VPSK及其改進(jìn)版本最早由H.R. Walker提出，在1988和1993年分別公開兩份專利，成為超窄帶發(fā)展的伊始。VPSK調(diào)制信號的帶寬為基帶NRZ碼帶寬的1/6，即頻帶利用率高達(dá)6bps/Hz。傳統(tǒng)的MPSK根據(jù)被調(diào)信號的相位來調(diào)制信息，而VPSK則根據(jù)信號反相時刻（上升沿或下降沿的過零點(diǎn)）一個較小的固定差別來調(diào)制信息。改進(jìn)型VPSK編碼的比特寬度為M/M，（M+l）/M，和（M+2）/M個時鐘周期數(shù)（M為大于3的偶數(shù)）。

VMSK采用固定時隙雙相編碼，調(diào)制的每個比特寬度相等。這與VPSK直接對基帶NRZ碼進(jìn)行比特寬度微小差別的調(diào)制方法不同。VMSK將一個比特分為M個時隙（M是一個奇數(shù)）。若信息比特為1，則VMSK波形的相位會在（M+l）/2時隙和M時隙處翻轉(zhuǎn)；若信息比特為0，則VMSK波形的相位將在（M-l）/2時隙和M時隙處翻轉(zhuǎn)。這種調(diào)制方式稱為VMSK/1，而VMSK/2調(diào)制方式則在比特結(jié)束時不翻轉(zhuǎn)，相位延續(xù)。3PRK利用窄脈沖的位置來代表信息比特，而非利用過零點(diǎn)的時刻來表示比特l和0。經(jīng)過調(diào)制以后，當(dāng)出現(xiàn)信息比特1時，則在時鐘邊界觸發(fā)一種只具有1-2個射頻周期寬度的窄‘關(guān)閉脈沖。當(dāng)出現(xiàn)信息比特O時，則可觸發(fā)一個隨機(jī)延遲的窄‘關(guān)閉脈沖。

3.2 國內(nèi)專利提出的類正弦波形高效調(diào)制技術(shù)

上述美國專利提出的高效調(diào)制方式都是矩形波信號，其頻譜為無限寬，必須通過專用的發(fā)送成型濾波器之后才可作為傳輸波形。而由于正弦波的頻譜最窄，文獻(xiàn)提出了一種新的UNB調(diào)制方法，稱為VWDK。其采用類正弦脈沖來表示信息比特，取代了原有的矩形脈沖。與VMSK類似，VWDK中一個比特周期也被分為時隙長度不同的兩部分。每部分采用了半個正弦波周期。VWDK調(diào)制波形可表示為：

四、結(jié)束語

本文從香農(nóng)公式的拓展開始討論UNB原理及可行性，對于重點(diǎn)高效調(diào)制技術(shù)作深入解析，為構(gòu)建高速率、高帶寬利用率、高能效的超窄帶通信網(wǎng)奠定了良好基礎(chǔ)。