基于穩(wěn)態(tài)的ABSK信號解調(diào)模式

摘 要： 為了消除不對稱二元相移鍵控（ABSK）數(shù)字沖擊濾波器解調(diào)輸出的起始振蕩，提升傳輸效率，節(jié)省發(fā)射功率，提出一種消除數(shù)字沖擊濾波器起始振蕩的方法，該方法通過預(yù)先發(fā)送訓(xùn)練符號，使得沖擊濾波器的狀態(tài)參數(shù)達到穩(wěn)定，從而直接進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，消除了在實際通信中常被丟棄的過渡數(shù)據(jù)，此方法無需改變沖擊濾波器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)，尤其適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通信等小數(shù)據(jù)包的突發(fā)通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： ABSK； 沖擊濾波器； 起始振蕩； 功耗

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0049?03

0 引 言

隨著無線通信業(yè)務(wù)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(jīng)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(shù)可以提高頻譜利用率（如多電平的正交幅度相位調(diào)制M?QAM和多相移鍵控調(diào)制M?PSK），但處理起來較為復(fù)雜，所需的發(fā)射功率也要相應(yīng)增加。

與上述調(diào)制方式相比，不對稱二元偏移鍵控調(diào)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(diào)制“0”、“1”碼元，使得調(diào)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[1] 。

同時，也正因為“0”、“1”碼元的波形差異微小，給ABSK信號的解調(diào)帶來不小困難。經(jīng)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[2]，雖然可實現(xiàn)ABSK信號的解調(diào)，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(shù)字化集成。國內(nèi)發(fā)明專利“用于增強不對稱二元調(diào)制信號的沖擊濾波方法”[3]突破零群時延石英晶體濾波器的技術(shù)本質(zhì)，用無限沖激響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器技術(shù)加以實現(xiàn)，使ABSK高效調(diào)制技術(shù)走向?qū)嵱谩５錇V波輸出響應(yīng)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(shù)據(jù)包通信和對于能耗尤為在乎的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不利影響非常突出。本文分析了起始振蕩產(chǎn)生的原因，提出了通過預(yù)先訓(xùn)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(shè)計和結(jié)構(gòu)，消除了初始振蕩，仿真結(jié)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(diào)制定義如下：

[g0（t）=Asin2πfct，0≤t

式中：[g0（t）]和[g1（t）]分別表示碼元“0”和“1”的調(diào)制波形；碼元周期[T=2πNωc]持續(xù)了[N≥1]個載波周期，“1”碼元的調(diào)制時間長度[τ=2πKωc]持續(xù)了[K

根據(jù)文獻[4?7]對ABSK調(diào)制的研究分析，ABSK調(diào)制具有如下特點：頻帶利用率高，式（1）表明，ABSK調(diào)制信號波形除在數(shù)據(jù)“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(fù)雜度低，可數(shù)字化實現(xiàn)，這是該類調(diào)制能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)；適應(yīng)面廣，調(diào)制參數(shù)[θ]和調(diào)制占空比[τT]的改變，均可控制調(diào)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(yīng)不同的信道環(huán)境。

基于以上特點，ABSK信號的應(yīng)用越來越受到重視。目前常用于ABSK信號解調(diào)的無限沖激響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器[8]，由一對共軛零點和至少兩對共軛極點構(gòu)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(diào)制信號在碼元“1”處的相位變化信息轉(zhuǎn)換為明顯而強烈的寄生調(diào)幅沖擊，輸出信噪比得到顯著提升，但在碼元“0”處則無相應(yīng)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(diào)制信號的解調(diào)。

2 基于穩(wěn)態(tài)的沖擊濾波器解調(diào)方案

2.1 起始振蕩及其產(chǎn)生原因

ABSK調(diào)制信號的沖擊濾波響應(yīng)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(yīng)的包絡(luò)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(nèi)，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(shù)據(jù)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(chǎn)生的原因進行分析。數(shù)字沖擊濾波器的傳遞函數(shù)為：

[H（z）=1+b1z-1+b2z-21-i=12Iaiz-i] （2）

由于沖擊濾波器的直接2型結(jié)構(gòu)比直接1型結(jié)構(gòu)更簡單，這里采用直接2型結(jié)構(gòu)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：

[y（n）=w（n）+b1w（n-1）+b2w（n-2）] （3）

其中，中間變量[w（n）]為：

[w（n）=i=12Iaiw（n-i）+x（n）] （4）

因而，對于沖擊濾波器的直接2型結(jié)構(gòu)，其狀態(tài)變量為：

[W[n]=[w（n-1），w（n-2），…，w（n-2I）]] （5）

沖擊濾波器的初始狀態(tài)（即[n=0]）為：

[W[0]=[w（-1），w（-2），w（-3），…，w（-2I）]] （6）

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(xí)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(diào)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(yīng)從無到有、濾波器狀態(tài)從初始零狀態(tài)調(diào)整至穩(wěn)態(tài)的過程，形成了濾波響應(yīng)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(yù)先設(shè)置為其到達穩(wěn)定狀態(tài)后的值，便可消除沖擊濾波響應(yīng)的起始振蕩，而直接進入穩(wěn)定期[9?10]。技術(shù)方案如下：

（1）預(yù)先發(fā)送一串ABSK調(diào)制信號，在經(jīng)信道由接收機接收并經(jīng)ADC后送給沖擊濾波器；

（2）待上述ABSK信號的沖擊濾波響應(yīng)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]。]

（3）在隨后的實際通信前，將沖擊濾波器的初始狀態(tài)[W[0]]設(shè)置為步驟（2）中所得到的[W[n]，]也即其初始狀態(tài)被“預(yù)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(yīng)慣有的起始振蕩。

3 仿 真

ABSK調(diào)制信號參數(shù)設(shè)置見2.1節(jié)，單零點?4極點的沖擊濾波器的傳遞函數(shù)形式為：

[H（z）=（1+b1?z-1+b2?z-2）（1-a1?z-1-a2?z-2-a3?z-3-a4?z-4-a5?z-5-a6?z-6-a7?z-7-a8?z-8）] （7）

式中濾波器各系數(shù)為：

此時沖擊濾波器的狀態(tài)變量和初始狀態(tài)為：

[W[n]=[w（n-1），w（n-2），w（n-3），w（n-4），w（n-5），w（n-6），w（n-7），w（n-8）]]

[W[0]=[w（-1），w（-2），w（-3），w（-4），w（-5），w（-6），w（-7），w（-8）]]

詳細步驟如下：

（1）發(fā)送1 000個碼元周期的ABSK調(diào)制信號，經(jīng)信道后由接收機接收，再經(jīng)ADC采樣量化后，將已數(shù)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(shè)為0，導(dǎo)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。

（2）待沖擊濾波響應(yīng)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(jīng)實測，其數(shù)值如下：

[W[n]EBPSK]=（1.0e+002）×

[1.635 992 931 384 332，-5.884 946 5077 607 70，

8.756 502 154 417 090， -5.092 170 189 211 374，

-1.963 197 155 626 663， 5.058 385 512 434 584，

-3.145 766 426 521 917， 0.763 944 515 200 356] （8）

（3）在進行實際通信前，將沖擊濾波器的初始狀態(tài)設(shè)置為經(jīng)步驟（1）和步驟（2）預(yù)先訓(xùn)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(diào)制信號，此時的沖擊濾波響應(yīng)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(jié)果驗證了上述消除ABSK信號沖擊濾波響應(yīng)起始振蕩方法的正確性和可行性。

4 結(jié) 語

本文提出了消除ABSK信號沖擊濾波響應(yīng)起始振蕩的方法，改進了ABSK信號的解調(diào)模式，使其無需經(jīng)歷過渡期而直接進入穩(wěn)態(tài)。這種改進使得經(jīng)過“訓(xùn)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(shù)據(jù)，無需再為“過渡數(shù)據(jù)”浪費寶貴的傳輸時間和能量，特別適用于短數(shù)據(jù)包的猝發(fā)應(yīng)用場合（如電力線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等）。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

（1）提升了傳輸效率。由于消除了沖擊濾波響應(yīng)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(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)采集終端和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等的節(jié)能降耗。

（3）通用性好。由于消除沖擊濾波響應(yīng)起始振蕩的關(guān)鍵只在于沖擊濾波器初始狀態(tài)的合理設(shè)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(yīng)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)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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