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超窄带高效高速通信系列化产品

超窄带高效高速通信系列化产品

000年,上海交通大学也发表了对于Walker的VPSK、VMSK和VMSK/2的频谱利用率及编解码器的FPGA(Field Programmable Gate Arrays)实现方案的研究成果,2002年则在射频(RF)传输系统中采用VMSK/2调制获得了近20 bps/Hz的频带利用率。而东南大学的研究成果则从2001年开始在美国陆续公开:
1)注意到原始VMSK信号及类似波形的产生是基于矩形波或三角波再滤波成形,而我们直接产生类似于正弦波的调制信号,理论上带宽应最窄,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;
2)规范了类正弦VMSK调制信号的表示并命名为“甚小波形差键控”(VWDK:Very-minimum Waveform Difference Keying),即其关键思路就是使已调信号与正弦信号之间的波形差异最小。随之分析了VWDK调制信号的功率谱、符号相关性与正交性,仿真表明对于加性白高斯噪声(AWGN:Additive White Gaussian Noise)信道在频带利用率达100 bps/Hz且误比特率Pe=10-5时,所需信噪比Eb/N0<30 dB。为了体现自主知识产权,我们于2003年9月正式提出了发明专利申请;
3)我们将VWDK调制与1/2码率的非正则低密度奇偶校验(LDPC:Low Density Parity check)编码相结合,则可使该信噪比再降低8 dB以上。我们还研究了一种新的基于序列Monte Carlo方法的符号检测器及其用于VWDK的盲检测,通过深入分析VWDK已调信号的功率谱及其理论表达式,调整了其中的线谱,在不降低解调性能的前提下,优化了VWDK的基本波形和功率谱;为了达到更窄的传输带宽,还研究了发送整形滤波器和接收逆滤波器,设计了适当的滤波器组,进而得到了具有大幅度压缩带宽、信噪比代价较低的优化整形VWDK传输系统;与联合检测相结合后,还可进一步压缩调制带宽;
4)2003年11月在某通信抗干扰研讨会上,吴乐南提出的“基于超窄带的通信抗干扰初探”反响强烈,被评为优秀论文;同年12月在南京召开的2020年中国通信科技发展方向及相关政策研讨会上,吴乐南报告所涉及的UNB技术,除在各分会场成为讨论的主题外,又应几位领导和院士的要求,在闭幕式上再次就UNB问题进行了报告和释疑。形成了与扩频通信体制形成鲜明对照的所谓“缩频”通信体制;
5)值得注意的是,VMSK作为“Very Minimum Shift Keying”曾是美国特指的一项调制技术专利,目前已延伸用于泛指的一类“Very Minimum Sideband Keying”调制。国内学者多关注特指的甚小移键控特别是VMSK/2,结论褒贬不一:例如浙江大学在2003年11月就公开质疑“高效数字调制VMSK的错觉”。而在美国,连Walker本人都已放弃了VMSK/2,而投入其它甚小边带键控或MSB(Minimum Side-Band)调制如3PRK等技术的研究。因此,美国人有意无意布下的“陷阱”,更使得国内的UNB研究难以摆脱“非共识”状态;
6)就在国内外的争议中,一家美国上市公司的子公司Photron Science不露声色地收购了VMSK等多项UNB专利,并统一命名为USM,开始在许多亚洲国家和中国抢占市场。中国联通等企业也对引进USM技术表示出兴趣。但美方认为目前我们能较好地解释其技术原理,于是在2003年12月,包括VMSK发明人Walker在内的两家美国公司专程来交流演示,留下了他们的USM收发板。由于美方的VMSK及其后续成果如3PRK均要利用振荡器构成所谓“零群时延”滤波器,不便于IC制作和集成,而我们的方案可全数字实现,因此,美方又于2004年春节前后两次来南京,希望投资100万美元成立联合R&D中心,开发VWDK/3PRK的IC芯片,用于北美的广播卫星和DVB-S机顶盒,并提供所需的SUN工作站和SPW软件。而南京市科技局则紧急拨专款为我们的VWDK调制解调专利进行了PCT国际覆盖;
7)我们在非理想带宽和非理想采样等情形下拓展了Shannon极限,有助于在理论上阐释UNB特别是美国USM所表现出来的优异性能,以“Extensions of channel capacity formula”为题,于2004年8月发表在美国Austin的CCCT'04(Computing, Communications and Control Technologies)国际会议的“UNB Communications”分会上。该分会原定由我们主持,后因签证原因未能到会,故委托超窄带高效调制技术VMSK的发明人、美国的Walker博士替我们主持了会议。而Walker博士除宣读了他们的两篇论文外,还就他自己的理解,向其他听众介绍了我们另外3篇有关VWDK方面的论文;
8)根据我们多年来的潜心研究,发现实现UNB通信的关键,其实在于一个特殊的接收滤波器,其“噪声带宽”超窄,而“信号带宽”较宽(或正常)。这才是现有UNB专利的技术核心:Walker的“零群时延”滤波器、xG公司的小波对消滤波器以及我们的几何特征滤波器(GFF),都在不同程度上表现出了这一特征。只是这些发明人要么自己阐释不清(如Walker对于“零群时延”滤波器),要么披露不详(如xG公司的小波对消滤波器),要么等待专利保护(如我们对于GFF),总之,目前国内外通信界尚无人系统地归纳这一现象并深究其机理。姑且撇开如何构造此类UNB滤波器,先只假定如果存在信号带宽大于噪声带宽的滤波器,则著名的Shannon极限即可因此而拓展,因为当年导出信道容量公式时,Shannon所依据的完全是经典的滤波器概念:滤波带宽对于信号和噪声一视同仁!在国家自然科学基金的支持下,我们已完成了对于Shannon信道容量公式的推广,从而使UNB通信有了更加坚实的信息论基础,更为新型高效抗干扰通信体制的建立,指出了一条可行的技术途径。

我们已完成了以普通PC+声卡(作为A/D和D/A)构成虚拟无线电系统,进行VWDK实时传输的仿真。图1和图2分别为该VWDK传输系统已调信号的波形和频谱,图3则为该VWDK传输系统的性能仿真界面。并利用软件无线电技术,采用TMS320C6713高速数字信号处理器(DSP)和高速A/D、D/A,开发成功了VWDK调制解调器(MODEM)的硬件系统,如图4。
图5则是利用Agilent 54622A数字存储示波器实测的EBPSK已调信号的频谱,可见其与单一的纯粹正弦波已相差无几。

1 基于虚拟无线电平台的VWDK传输系统的时域波形

2 基于虚拟无线电平台的VWDK传输系统的信号频谱

3基于虚拟无线电平台的VWDK传输系统的性能仿真界面

4基于TMS320C6713高速DSPVWDK-MODEM硬件系统
 
(a)单纯正弦波                                (b)EBPSK已调信号

图5利用Agilent 54622A数字存储示波器实测的信号频谱对比
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