一种新型的超窄带技术MCP-EBPSK

摘要为应对频谱资源的稀缺，超窄带作为高效调制技术之一已成为研究热点。本次毕业设计主要研究一种新型的超窄带技术---带功率谱调节系数的连续相位拓展的二元相移键控（MCP-EBPSK,ModifiedContinuePhase-ExtendedBinaryShiftKeying）。首先，研究EBPSK调制基本理论，接着研究CP-EBPSK调制基本原理，通过对比EBPSK、CP-EBPSK、MCPEBPSK调制、功率谱及解调仿真，研究其性能；最后对比MCP-EBPSK和CP-EBPSK的解调性能和频谱利用率性能，分析其优劣势并进一步提出发展的展望。关键词：超窄带、MCP-EBPSK、CP-EBPSKAbstractInordertocopewiththescarcityofspectrumresources,ultranarrowbandhasbecomeoneoftheresearchhotspots.ThisgraduationprojectmainlystudiesonekindofnewultranarrowbandtechnologyMCP-EBPSKFirstofall,thestudyonEBPSKmodulationofbasictheory,thenresearchCP-EBPSKmodulationprinciple,throughcontrastEBPSK,CP-EBPSK,modulationofMCPEBPSK,powerspectrumanddemodulationsimulationandstudytheperformance;andthedemodulationperformanceandthefrequencyspectrumofthecomparisonandCP-EBPSKmcp-ebpskuserateperformanceandanalysisoftheiradvantagesanddisadvantagesandfurtherputsforwardthedevelopmentprospect.Keywords:ultranarrowband,MCP-EBPSK,CP-EBPSK第一章绪论1.1课题的研究背景和现状伴随着社会的不断发展和进步，人们的生活水平渐渐提高，通信技术不断改变着人类社会的点点滴滴，人们希望可以随时随地、迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流的交流和沟通，“秀才不出门便知天下事”已然成为一个现实。在公众享受信息交流和沟通的同时，频带资源也已经被压榨的极为严重。显然，面对当下大众对通信技术的要求不断提高，现有的信息传输速率将会渐渐不能被人们所接受，人们对于信息的传输要求也将会不断提高。不同于无线传输和光纤通信，通信频率属于固有的不可再生资源，因此提高信道传输效率成为了当下通信界科研工作者们研究的热门话题。众所周知，传统的无线信号的频谱利用效率是在5bit/s/Hz以下，QAM（QuadratureAmplitudeModulation，正交振幅调制）可以做到较高的频谱利用效率，但是这是在牺牲很大的功率为前提的，这种做法并不“划算”甚至近乎不可能。因此高效率的信息传输方式这一难题的克服不容置缓。看眼下移动通信技术的发展史，20世纪80年代提出1G（第一代移动通信）的概念，而1G真正的成熟是在20世纪90年代。1G的主要特点是质量和安全性较差基于无线电技术和电话交换技术的模拟电话系统。随之而来的2G（第二代通信技术）是在20世纪90年代逐渐发展起来的全球移动通信系统（GSM：GlobalSystemforMobileCommunication）数字蜂窝技术，数据速率达到9.6kb/s。然后无线分组技术(GPRS)则是第二代通信技术的另一种进步。网络规模和用户规模的不断发展壮大是的2G技术渐渐无法满足人们的需求，其主要原因还是频带资源的枯竭限制了其发展。然后3G(第三代移动通信)开始走进人们的视野，3G的主流技术则是码分多址技术（CDMA）相对于GSM，CDMA可以传递的码元速率更高。虽然3G的传输速率比较高但是它实际的频谱利用效率还不算高。4G（第四代移动通信）的核心技术是正交频分复用（OFDM）技术。事实上“宽带”绝对不等同于“高速”所谓的“高速”实际上是以增加带宽为前提的，从根本上说，频谱利用效率并没有变高。然而超窄带（UNB，ultranarrowband）调制技术可以为该方向的研究的提出好的发展前景。超窄带调制技术（UNB）可以广泛应用于从有线到无线、从近距到远程乃至空间的各种通信应用，是当下通信技术研究的热门话题。通信技术的发展正是在一代一代科研工作者的不懈努力和刻苦专研之下不断进步，而对“超窄带”的研究显得更加紧迫。1.2超窄带发展超窄带（UNB，UltraNarrowBand）调制方式的概念最早由美国学者H.RWalker最先提出，UNB初期发展情况大致有4个标志：即VPSK，增强型VPSK，VMSK以及PRK。1988年Walker先生提出VPSK以及零群延时滤波器的概念并取得相关专利，VPSK主要是通过可变相移键控进行信息的调制，随后其对VPSK进行改进，并于1993年获得另一项专利进一步改进VPSK的调制方法，在1999年提出的VMSK方法获得再次相关专利，与VPSK不同，VMSK通过一个占较小带宽的标准蜂窝时隙调制信息。到2002年再次获得Digitalmodulationdeviceinasystemandmethodofusingthesame专利提出PRK的方法，PRK是指一种反相键控脉冲位置调制。以上4项专利为超窄带发展奠定了基础，也代表着超窄带发展的四个阶段。在中国，吴乐南教授等人在VMSK的基础上将基本波形中的方波信号改成类正弦波，省去了发送端的发送滤波器，提出了类正弦VMSK，随后对类正弦波规范化，去除直流分量，得到最小波形差异键控（VWDK，very-minimumWaveformDifferenceKeying），随后又出现3PRRK、VMCK、EBPSK、MCP-EBPSK、CP-EBSK及MPPSK等调制方法。UNB的发展历程不断进步，经过超窄带技术的不断发展，扩展的二元相移键控(EBPSK，extended-BPSK)开始展现其性能上的优越性，首先，它拥具有比较优秀的抗干扰性能，其次它的解调手段相对简单，再者它可以有效控制已调波频谱结构提高频谱利用效率。这种调制方式可以通过对幅度和相位调控的方法来进行带宽效率与解调性能之间的相对取舍。本课题对EBPSK、MCPEBPSK技术学习，通过MATLAB对这些技术的调制、频谱、解调进行仿真，试分析其基本性能。试图通过EBPSK调制介绍及分析进一步仿真CP-EBPSK（Continuephase-extendedbinaryPhaseShiftKeying，连续相位扩展的二元相移键控），以及带功率谱调节系数的随机极性修正的连续相位拓展的二元相移键控（MCP-EBPSK，ModifiedContinuePhase-ExtendedBinaryShiftKeying）并研究其性能。1.3、课题目标和工作内容前期学会使用MATLAB工程应用软件，并学会用MATLAB做简单的数字信号的调制解调、生成一定数目的随机二进制数、基本的NRZ波形调制等等，再学习并尝试频率普密度的仿真练习并尝试给出误码率曲线，同时查阅资料，学习EBPSK、CP-EBPSK及MCP-EBPSK调制技术，用MATLAB进行相关的调制仿真测试，研究解调方法，根据调制结果进行解调并得出误码率曲线，最后对比三者解调性能和功率谱利用率，并提出有关研究的设想展望。基本工作流程图如下所示：图1.1基本工作流程图1.4.论文组织结构第一章绪论，交代本次毕业设计的课题相关背景，以及课题研究方向、工作内容，提出UNB（超窄带）的概念第二章本课题涉及的部分MATLAB语句解析，本次课题都是基于MATLAB的仿真测试，源程序中有关的语句将在本章节展示说明。第三章EBPSK调制技术的引入调制解调以及性能分析，通过功率产生随机序列（a）基带信号M调制信号y噪声信号解调信号y2误码率曲功率谱密度h对比分析其性能NRZ调制波形EBPSK、CP-EBPSK、MCP-EBPSK调制解调对比加入高斯白噪声谱以及误码率曲线分析调制系统的性能。第四章CP-EBPSK调制技术的的引入和调制解调仿真，并对CP-EBPSK调制技术做性能分析。第五章MCP-EBPSK调制技术的引入和调制解调分析，以及MCP-EBPSK性能分析，解析三种调制的解调方式解调思路。第六章对比CP-EBPSK和MCP-EBPSK调制的性能第七章总结和展望，总结工作内容提出发展和展望，并就本次毕设工作中遇到的问题和解决问题的方法思路总结第二章：本课题涉及相关程序解析课题所有测试工作基于MATLAB的仿真，本章简单介绍MATLAB，并解析程序使用的部分语句。1)rand（a，b）：函数产生由在(0,1)之间均匀分布的随机数组成的数组。rand语句有五种用法，分别是：Y=rand(n)：生成一个n行xn列的随机矩阵Y=rand(m,n)：生成一个m行xn列的随机矩阵Y=rand([mn])：生成一个一个m行xn列的随机矩阵。Y=rand(m,n,p,...)：生成随机数组Y=rand(size(A))：生成一个和A有相同尺寸的随机矩阵。2)round（）：四舍五入取整。本次课题就是利用语句a=round(rand（1，num）)产生若干个（num）随机二进制数，并进行NRZ调制作为基带信号。3)linspace（a，b，n）：生成线性间隔向量4)reshape(M,a,b):数组M重排排序为a行*b列矩阵。reshape（）语句将得出矩阵重新排序，但是在排序过程中应该注意矩阵中元素的总数必须保持不变，否则排序失败，提示矩阵维度不同。5)Y=[y1y2]：波形（矩阵）对接t=0:pi/1/100:1;t2=0:pi/1/100:2;y1=sin(2*pi*t);y2=cos(2*pi*t);figure(1)plot(t,y1)figure(2)plot(t,y2)y3=[y1y2];figure(3)plot(t2,y3)演示结果：波形y1波形y2波形y图2.1波形对接MATLAB仿真演示如图2.1所示，本次课题中调制过程的基本思路就是：根据参考文献分别给出码元“0”和码元“1”的波形图，然后在循环过程中判别随机数分别为“0”或者“1”再利用波形对接，完成调制并绘出波形。波形的对接实际就是矩阵的对接，可以将y1和y2分别看成一个1行*X列矩阵然后二者拼接，注意当两个矩阵对接之后总取样点数会多一个，一般将采样间隔减少一个避免出现对接断点。6）awgn(y,snr)：加入高斯噪声，snr为信噪比。7）Sum（）：求和函数。sum函数对矩阵求和是对矩阵列求和。程序演示：a=[135;7911];b=sum(a);演示结果：b=81216本课题解调过程涉及部分采样点求和即跳变波部分求和，可采用sum（y（a：b））；进行部分求和。程序演示：t=0:1/100:2;fc=10;y=sin(2*pi*fc*t);plot(t,y)c=sum(y(3:5));演示结果：y=C=y3+y4+y5=0.9511+0.9511+0.5878=2.4899程序解析：在循环中，对加噪声的调制波形跳变部分分别求和可得到一个新的矩阵对比门限判决值大小可进行波形解调。程序：a=[12345678];b=sum(a(1):a(4))c=sum(a(1:4))演示结果：b=10c=10程序解析：从运行结果来看，b的值和c的值相同，两种求和方式是一样的，实则并非如此，二者有着本质区别。这里运算结果一样纯粹是测试时取值的巧合导致，若矩阵换一组数据则其结果将会完全不同。譬如程序：a=[24681097];b=sum(a(1):a(4))c=sum(a(1:4))演示结果：b=35c=20本次运算结果证明两种求和方式绝不相同，a（1