摘  要:  讨论了一种采用新的超窄带UNB技术的短波单边带(HF-SSB)广播系统。利用甚小波形差键控VWDK调制的类正弦波以及高调制效率特点，从而得到更好的脉冲压缩性能和测量精度。对VWDK结合SSB-SC的调制方式进行了理论分析，并给出了仿真结果。数值实验表明保证10-5误码率（BER）的前提下，该系统传输所需信噪比为11分贝（dB）。最后，利用多个载波的超窄带频分复用（FDMA）复合方式，提供超大容量的超高速信息传输，仿真数据表明在5个频道复用时，信噪比为20dB即可达到10-5误码率。 

    关键词: 甚小波形差键控; 超窄带; 单边带; 频分复用

    超窄带的技术思路就是使表示逻辑“0”、“1”的载波波形不同，这样理论上每个载波周期可以传1bit。依此思路，美国的H. R. Walker从早期的可变相移键控（VPSK）发展成了以甚小移键控(VMSK)为典型代表的超窄带传输，展示了用30kHz的标准蜂窝时隙传T1码率的惊人效果，C/W>50b/s/Hz。考虑到原始的VMSK信号是基于矩形波或三角波调宽再滤波成形，而理论上带宽最窄的信号当属正弦波，因此东南大学的吴乐南等人提出直接产生类似正弦波的调制信号——类正弦VMSK调制。该项技术得到了包括VMSK发明人Walker在内的美国一些大学和公司专业人士的关注。同时，为了体现自主知识产权，将其重新命名为甚小波形差键控(VWDK)，获得多项发明专利。该技术的关键思路就是：用单周期类正弦波作为载波，利用正弦波过零点时刻的差异（即相位差）表示逻辑“0”、“1”，同时实现已调信号与正弦信号之间的波形差异最小。 

    为了改善短波通信质量，发展了单边带调幅技术。这种单边带通信可以大大减小发射功率，节约频率资源，同时相应地减少电波间干扰，因此自上世纪70年代以来全世界的短波通信逐渐都改用单边带技术。为了合理运用频率资源，我国对3kHz～300GHz的频率段进行了划分。其中短波调幅广播及单边带通信使用3.5MHz～29.7MHz（HF）频段，电台间隔是9kHz。 

    FDMA有采用模拟调制，也有采用数字调制方式的。可以由一组模拟信号用频分复用方式(FDM/FDMA)或一组数字信号用时分复用方式(TDM/FDMA占用一个较宽的频带)，调制到相应的子频带后传送到同一个地址。本系统采用的就是前者。FDMA的主要优点是简单、技术较成熟；FDMA信号不需要进行同步或中心定时；每个信道基本独立于其他信道。 

1 VWDK调制及系统参数的估计 

    VWDK调制在周期T内的一般表达式如下^[1]： 

    运用功率谱估计方法得出类正弦VMSK信号的功率分布，如图1。

    从图1中可以看出类正弦VMSK信号的功率谱由两部分组成，第一部分是一些线谱，第二部分是一条连续谱。线谱与类正弦波相一致，而连续谱反映随机信息。当波形控制参数α(0<α<1)增大时，考虑三点影响：(1)线谱在基频处不断增强，而在谐波处则大幅减小，越来越反映出正弦特性;(2)连续谱和线谱的主要部分逐渐集中到基频周围的一个小区域，同时将频谱的上、下边带分开，反映出了甚小移键控VMSK(Very Minimum Shift Keying)调制技术的特点;(3)因为其功率谱更集中，从而它的传输带宽更窄，带宽效率更优。但是随着调控参数α不断接近于1，线谱不断集中到基频上，连续谱也逐渐退化，表明代表逻辑1和0的调制波形差异不断减少。事实上，当调控参数α=1时两调制波形变成了同一波形——正弦波。而正弦波不能表示任何信息。为此，当调控参数α接近于1时，这种类正弦VMSK的抗干扰性能将减弱，以致于调制信号在接收端将变得越来越难解调。 

　　我国对占用带宽的定义为：某一频带的带宽，在此频带的频率下限之下和频率上限之上所发射的平均功率(杂散功率)分别等于某一给定发射的总平均功率的规定百分数β/2。通常，除另作规定外，β/2值应取0.5%，即99%带宽。根据拓展Shannon公式可以得出理论上的信道带宽^[2]，本文运用Matlab仿真估算出信号带宽，同时确定带宽与参数的关系，从而选择合适的系统参数。假设采样频率f_s=50kHz，具体步骤如下: 

    (1)发送1 000bit数据，在参数T(带宽B与A无关，取A=1）变化的情况下，估算得到VWDK调制信号的99%带宽W。得到W与T的关系曲线如图2，可见带宽W随着T的增大而减小。 

    (2)根据国家规定，电台间隔是9kHz。若考虑邻路保护间隔（按照CCITT标准，应为900Hz，这样可以使邻路干扰电平低于-40dB），SSB-SC的发射带宽B<8.1kHz，VWDK调制的带宽W=2B<16.2kHz。对比图2，如当α=0.1时，要求T大约是大于15ms。 

2 VWDK调制的短波调幅广播系统 

2.1系统概述 

    考虑到VWDK调制信号的上、下两边带分离，为提高频带利用率，可采用单边带抑制载波（SSB-SC）的调制方式。同时为便于在解调端实现载波同步，应使载波频率等于比特速率的整数倍，而比特同步可根据VWDK过零点时刻的差异实现。 

    VWDK调制的HF-SSB广播系统框图如图3所示。 

2.2 SSB-SC射频传输原理 

    单边带(SSB)调制的传统实现方法主要有两种：滤波法和正交法。滤波法使用边带滤波器分别滤出上、下边带信号，但是对边带滤波器的要求过高，不易实现。所以一般还是采用正交法来生成单边带信号。

    已调信号的时域表达式为： 

其中，u_-(t)为上边带信号，u₊(t)为下边带信号。 

    单边带信号的解调要采用相干解调，如图3所示。设接收机本地振荡为cos(2πf_ct+φ)，接收到的已调SSB信号为: 

    将r(t)与本地振荡cos(2πf_ct+φ)相乘，再滤除二倍频后的输出为： 

其中，N(t)为噪声信号。 

    图4显示了VWDK信号的SSB-SC传输的上边带功率谱图。 

2.3 FDMA多址方式 

    在移动通信系统的FDMA方式中，每个信道用一个载频，用单路单载波方式。设FDMA的系统容量用每个小区可用信道数目来度量。设系统总频带资源为W，一个信道的带宽为B，小区群中小区的数目为M，则每个小区内可用的信道数目为^[3]： 

    N=W/(BM)                                                  (8) 

    如果只考虑第一层同频信道的干扰，对窄带调频调制的FDMA，假设要求的信干比门限(S/I)_th(即信干比至少大于这个门限值)，可得： 

    将式(9)带入式(8)，得到FDMA的系统容量为： 

    所以，当系统总频带资源和每个信道所需带宽确定，每个小区分配到的信道数目取决于系统所需的信干比的要求。 

3 性能仿真 

    以下仿真中，SSB-SC系统采样频率fs=20kHz，载频f_c=7.0MHz，取码元间隔（周期）T=15ms。假设<500W。 

    表1显示了当α取0.1～0.9时，要求的A和估算的VWDK调制带宽。 

    从表中可以看出，此时VWDK调制带宽W=2B<16.2kHz，满足带宽要求。同时，随着α的增大,VWDK调制带宽明显减小，可以进一步减小电台间频率间隔。 

    以下对VWDK调制的HF-SSB广播系统性能做进一步分析。 

    首先，按照图3所示系统结构，（参数设定如表1），在Matlab中做误码率仿真，得到系统性能曲线(发送10 000bit数据)，如图5。当α=0.3时，系统误码率最低，若要求误码率<10-5，则SNR>11dB。 

    其次，考虑不同小区群小区数目M取值，对系统整体性能的影响。这里只讨论单个小区群的误码率，不考虑相邻小区的同频干扰。考虑到国家无线电频谱使用规定，把7.0MHz～7.1MHz频段作为系统的传输频段。假设电台间隔9kHz。VWDK调制波形参数设置为：A=0.16,T=15ms，α=0.3；SSB-SC取上边带信号；信道为AWGN；每个小区发送10 000bit数据。系统误码率如图6。当M=5时，SNR=20dB即可达到误码率<10^-5。 

    本文讨论了一种新的HF-SSB广播系统，利用VWDK调制的高频带利用率以及低误码率这些特点，提高了系统性能。同时，采用FDMA复用方式，提供了一种多电台情况下的系统方案。通过对VWDK调制的参数选择，满足了信号带宽的国家标准。选择7.0MHz～7.1MHz频段作为系统的传输频段，考察了多电台下该广播系统的性能。通过以上分析，探索了一种采用UNB技术传输的新一代通信系统论证，提供超大容量的超高速信息传输，可省去空-时处理之繁与多天线接收实现之难。 

参考文献 

[1] 李小平,吴乐南.一类规范的类正弦VMSK调制的功率谱分析.电波科学学报,2003,18(6):722-726. 

[2] 李小平.VWDK调制技术的研究[D].东南大学博士论文,2006,9. 

[3] 仇佩亮，陈惠芳，谢磊.数字通信基础.北京：电子工业出版社，2007:96-102. 

[4] 北京电信传输研究所.GB 13614-92 无线电发射机杂三发射功率电平的限值和测量方法[S].国家无线电管理委员会,1992. 

[5] WALKER H R.VPSK and VMSK modulation transmit digital audio and video at 15 Bits/sec/Hz [J]. IEEE  Transactions on Broadcast Engineering, March 1997. 

[6] WALKER H R. The advantage of VPSK modulation [C].Transactions IEEE WESCON Communications Technology, Part 1,San Francisco,Cal.,Nov.1995. 

[7] WALKER H R. Ultra narrow band modulation textbook.Pegasus Data Systems.February 10. 2006.