超窄帶高效調制關鍵技術研究

程夢莉 宋云燕

【摘要】 高頻譜利用率和高吞吐率是通信領域的熱點問題，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。本文通過香農公式的拓展討論超窄帶技術的原理和可行性，對高效調制關鍵技術作深入解析。

【關鍵字】 超窄帶 香農公式 高效調制

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實意義和直接的經濟效益。近年來，美國學者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行高速率數據傳輸，達到60bit/s/Hz以上的極高頻譜利用率。根據傳統香農公式，達到此頻譜利用率，信噪比至少為162.8dB！發射機無法提供如此高的功率，因此UNB技術遭到強烈質疑。通過拓展香農公式，理論和實驗上都可以達到極高的頻帶利用率而不必以大功率發射機為代價。

二、超窄帶技術原理

香農信道容量定義了通信系統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別。如果假設信號帶寬大于噪聲帶寬，則樣值間是相關的，因而推導不同于傳統香農公式。可擴展為：

文獻的仿真結果從事實上證明了可以支持UNB突破香農信道容量。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，這正是傳統線性系統無法解釋UNB技術的原因。

三、高效調制技術解析

3.1 美國專利提出的矩形波型高效調制技術

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

VMSK采用固定時隙雙相編碼，調制的每個比特寬度相等。這與VPSK直接對基帶NRZ碼進行比特寬度微小差別的調制方法不同。VMSK將一個比特分為M個時隙（M是一個奇數）。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；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。這種調制方式稱為VMSK/1，而VMSK/2調制方式則在比特結束時不翻轉，相位延續。3PRK利用窄脈沖的位置來代表信息比特，而非利用過零點的時刻來表示比特l和0。經過調制以后，當出現信息比特1時，則在時鐘邊界觸發一種只具有1-2個射頻周期寬度的窄‘關閉脈沖。當出現信息比特O時，則可觸發一個隨機延遲的窄‘關閉脈沖。

3.2 國內專利提出的類正弦波形高效調制技術

上述美國專利提出的高效調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，文獻提出了一種新的UNB調制方法，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調制波形可表示為：

四、結束語

本文從香農公式的拓展開始討論UNB原理及可行性，對于重點高效調制技術作深入解析，為構建高速率、高帶寬利用率、高能效的超窄帶通信網奠定了良好基礎。