专利名称：应用特殊相干调制解调载波信号的通信方法
技术领域：
本发明涉及一种采用相干解调的通信方法，其应用的调制载波信号是由对应的解调载波信号经特殊逆变换得到的、且两者是相互正交的。
背景技术：
调制解调技术是现代通信中的一个重要环节，在很大程度上决定了通信系统的有效性、可靠性、适应性、经济性等。所谓的调制解调，是指信号传输时，在发送端将需要传输的信号转换为适于信道传输的信号形式，在接收端将接收的信号再转换为原始信号的过程。
一般地说，调制过程是使调制载波信号的幅度、频率、相位随输入信号变化。解调是调制的逆过程，即信号的取出过程，通常采用的有相干解调法，它是在接收端采用一个与发送端载波同频同相的正交载波信号对接收到的信号进行相乘、滤波，从而还原出原始信号，这种解调方式优点是具有较好的抗噪声性能。从数学角度看，调制解调系统的分析方法是建立在傅立叶变换基础上的。调制载波信号使输入信号产生的频谱搬移，可以用傅立叶变换来描述；而解调载波信号对接收的信号还原，则可用对应的傅立叶逆变换来描述。
必须指出的是，在实际应用的通信系统中，信号传输通常情况下不是单路，而是通过调制把不同路的信号搬移到不同载波上，然后叠加在一起再通过信道传输，以实现信号多路复用，提高信道的传输效率。
调制解调技术的应用已经有相当长的历史，在目前的通信系统中使用着各种调制解调，其工作原理和性能可以参考相关的文献。总的来说，现有的系统和技术是有效和可靠的。但随着现代高速无线通信、宽带数据通信等的快速发展，调制解调系统的研究和发展依然是研究机构和产业界重视和关心的问题之一。研究的重点在于如何在满足特定传输要求的条件下最大限度地提高其抗噪声性能，以及如何通过降低调制信号产生、接收的复杂性，达到降低系统成本的要求。众所周知，高性能的调制解调系统，硬件上依赖大量高性能的滤波器、处理器，并还要使用各种软件技术来实现复杂的算法，其成本是很高的。因此可以预见，在现有技术基础上，按照传统方法实现大幅度提高调制解调系统性能，是有相当难度的。
另一方面，我们注意到，数学领域内的一些特殊的逆变换数学方法，为解决物理、材料、工程等方面的问题提供了一些极其有用的工具，具有广阔的应用前景。利用这些特殊的逆变换方法，一些本身非正交的周期函数族(即，组成该周期函数族的各个周期函数之间是非正交的)，能够找到与之正交的但其本身却是非正交的逆变换周期函数族。也就是说，组成周期函数族的各个周期函数，通过特殊的逆变换方法均能够找到与之正交的相应逆变换周期函数，而这些逆变换周期函数之间却是非正交的。
目前已报道的这类特殊的逆变换方法有多种，例如由中国科学院陈难先院士开创的Chen-Mobius变换方法(参见Chen Nx.Modified Mobius InverseFormula And Its Applications In Physics.phys.Rev Lett，64(11)1193-1195Mar 12 1990)。本发明人对此也进行了相关的研究(参见苏武浔等，几种常见信号波形的逆变换计算(I)，《华侨大学学报》(自然科学版)V26.No1.80-84；2005.1；刊号CN351079/N；华侨大学主办)。本发明提出的新型的通信方法，是对上述特殊的逆变换数学方法研究结果的应用方面的新的探索。
发明内容
本发明的目的是将上述特殊逆变换方法的研究结果应用于通信中，提供一种应用特殊相干调制解调载波信号的全新的通信方法。
本发明提供的应用特殊相干调制解调载波信号的通信方法，包括在发送端利用调制载波信号将输入信号转换为适于信道传输的信号形式，在接收端利用与调制载波信号正交的解调载波信号将接收的信号转换为原始信号，其特征是所述调制载波信号是由所述解调载波信号经特殊逆变换得到的、且两者之间相互正交。
为了更清楚地揭示和阐明本发明的要点，下面从数学的角度进行简要描述所述调制载波信号用调制函数 表示，所述解调载波信号用解调函数Sd(nt)表示。根据傅立叶分析方法，任何信号都可用许多不同频率不同幅值的正弦波和/或余弦波分量叠加而成。因此，所述解调函数Sd(nt)可以展开为公知的傅立叶级数。而所述调制函数 则是经特殊逆变换计算得到的含系数I(n)的有限个正弦或余弦分量的叠加，即表示为如下S~dn(t)=ΣI(n)cosnt]]>或S~dn(t)=ΣI(n)sinnt,]]>其中n是正整数，求和号表示对所有可能的n求和。式中，调制函数 的逆变换系数I(n)是由与其对应的解调函数Sd(nt)的傅立叶级数系数经特殊逆变换计算得到的。特殊逆变换的数学算法有多种，例如可以采用Chen-Mobius变换方法，计算出系数I(n)。上述经特殊逆变换得到的调制函数 与其对应的解调函数Sd(nt)是正交的。
通常，合适的解调载波信号是一些波形简单、容易产生的信号。而通过上述分析可以看出，经特殊逆变换后得到的调制载波信号，在频域上具有非常简单的频谱，非常适于在信道中传输，并且非常容易产生。不仅如此，经特殊逆变换得到的调制载波信号，与其对应的解调载波信号虽然属于两类不同的信号，但它们是相互正交的，采用这种特殊相干调制解调载波信号即可实现相干解调。因此，本发明提供的是一种异于现有通信方法的，具有良好的传输特性、很强的抗噪声性能、极低的成本和极其简单的系统结构的新的高性能通信方法。
所述解调载波信号的产生方法和装置是公知的。而所述调制载波信号的产生，则只需将对应频率的正弦波或余弦波乘以前面所述的逆变换系数I(n)再叠加就能生成；而逆变换系数I(n)可以通过按照特殊逆变换的数学算法进行编程计算经处理器来很快得到，故调制信号的产生也是很容易的。
进一步的，本发明提供的通信方法，其特征是在多路并行传输的发送端的每一路输入信号使用一个调制载波信号，在多路并行接收的接收端的每一路接收信号使用一个解调载波信号，且各路的调制载波信号、各路的解调载波信号之间均为非正交，而每一路的调制载波信号是其对应路的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
所述解调载波信号可以在相互之间非正交性的不同类型的多种信号中选择，而经过特殊逆变换得到的多路调制载波信号也分属相互之间非正交性的不同类型，但是对应的每一路调制载波信号和解调载波信号是相互正交。不仅如此，当属于同一类型但频率不同的信号之间是非正交的，这些不同频率的信号同样可以组成多路的解调载波信号，而经过特殊逆变换得到的多路调制载波信号也是频率不同且相互之间非正交的信号。满足上述条件的信号种类很多，具有非常大的选择范围。
上述的通信方法通常用于实现多路复用传输。在发送端，只要保证各调制载波信号的频谱不重叠、或者即使频谱有重叠但各调制载波信号属于不同类型，即可以将不同路的输入信号直接搬移到频谱不重叠的或不同类型的调制载波上，然后直接叠加在一起通过信道传输，由于各调制载波信号之间、各解调载波信号之间均是非正交，且每一路的调制载波信号只与对应的解调载波信号正交，因此在接收端可以直接进行相乘、积分，实现多路信号的简单分离和还原。这种方法是如此简单和有效，甚至无需使用带通滤波器等器件，大大简化系统结构，降低成本，而其抗噪声性能却是传统方法难于比拟的。
更进一步，还可以采用多重嵌套的调制解调方式，提供一种具有极大保密选择空间的保密通信方法，其特征是在发送端使用多级调制载波信号对输入信号进行多次调制，在接收端使用多级解调载波信号对接收信号进行逐级解调，且各级的调制载波信号、各级的解调载波信号之间均为非正交，而每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
同样的，在保证各级信号之间非正交的前提下，解调载波信号可以在不同类型的多种信号中选择，而经过特殊逆变换得到的各级调制载波信号也分属相互之间非正交的不同类型信号。并且，每一类信号还具有不同频谱、幅度等的选择，因此，对多重嵌套的调制解调方式，就具有了非常广大的选择空间，从而使得每一具体的通信系统具有极大的保密性。
采用多路复用传输时，其特征是在发送端使用多级调制载波信号对至少一路的输入信号进行多次调制，在接收端使用多级解调载波信号对对应路的接收信号进行逐级解调，且各级的调制载波信号、各级的解调载波信号之间均为非正交，每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
当采用多重嵌套调制的一路或多路信道在众多的信道中是随机分配的，那么这一路或多路信道的通信就是极其保密而无法偷窃，其保密效果非常好。
在实际应用中，后一级调制载波信号的频率一般应高于前一级调制载波信号的频率至少一个数量级。
如前所述，由于调制载波信号、解调载波信号均可以分别在一些非正交的不同类型和不同频率的信号中选择，具有非常大的选择范围，可以达到非常好的保密效果。嵌套调制解调级的级数可根据保密性能要求与传输的频段要求来综合考虑。
必需指出的是，这种加密传输是在调制解调阶段实现，不但对信号传输时采用的其它加密措施(如编码加密)没有影响，而且能与其它加密手段联合运用，进一步提高通信的保密性能。
更具体地说，本发明应用的解调载波信号可以选自不同类型的周期性数字信号，如矩形脉冲、奇对称与偶对称方波、奇对称与偶对称三角波、锯齿波信号等以及它们的组合，这些信号具有如下性质这些信号在时域上具有非常简单的波形，虽然其频谱非常广泛，既不适于在信道中传输，也不能用于调制。但这些信号极其容易产生，因此作为解调载波信号是非常适宜的。
对应的，经特殊逆变换得到的信号有多种组合，变换后得到的这些信号与其对应的解调载波信号是相互正交的，而在频域上具有非常简单的频谱，非常适于在信道中传输，也极其容易产生。因此，这些信号作为调制载波信号也是非常适宜的。
选作解调载波信号的这些周期性数字信号，不但不同类型之间是非正交的，而且同一类型频率不同的信号之间也是非正交的。经过特殊逆变换得到的各种不同类型的调制载波信号的组合，以及同一类型不同频率的调制载波信号之间也都是非正交的。因此，用于多路复用传输时，调制、解调载波信号具有极大的选择范围，能很容易地提供出一族适合于信道传输且频谱不重叠的调制载波信号、解调载波信号。
图1是利用本发明提供的采用特殊相干调制解调载波信号的通信方法实现多路复用传输的原理图。
图2是利用本发明提供的采用特殊相干调制解调载波信号的通信方法实现加密传输的原理图。
图3是对利用本发明提供的通信方法实现的单路模拟通信系统，进行计算机软件仿真的模型示意图。
图4是图3所示仿真模型采用的输入信号波形图。
图5是图3所示仿真模型采用的调制载波信号波形图。
图6是图3所示仿真模型采用的解调载波信号波形图。
图7是图3所示仿真模型scope1处的信号波形图。
图8是图3所示仿真模型scope2处的信号波形图。
图9是图3所示仿真模型scope3处的信号波形图。
图10是图3所示仿真模型的输出信号波形图。
图11是对利用本发明提供的通信方法实现的单路数字通信系统，进行计算机软件仿真的模型示意图。
图12是图11所示仿真模型采用的输入信号波形图。
图13是图11所示仿真模型scope1处的信号波形图。
图14是图11所示仿真模型scope2处的信号波形图。
图15是图11所示仿真模型scope3处的信号波形图。
图16是图11所示仿真模型的输出信号的误码率分析图表。
具体实施例方式
图1示出了利用本发明提供的采用特殊相干调制解调载波信号的通信方法实现多路复用传输的原理。多路复用传输能极大地提高了信道的传输效率，是目前通信中应用最广泛的技术。本发明示意的多路复用传输属频段分组多路复用。
图1中，fn(t)为输入信号，A1，A2…AN为系统调制器的乘法器， 为调制载波信号，Sd(nt)为解调载波信号，B1，B2…BN为系统解调器的乘法器，C1，C2…CN为解调器的积分器或低通滤波器，fn′(t)为接收信号。
根据传输要求，解调载波信号Sd(nt)可以在各种各样的数字信号中，选择不同类型或具有不同频谱的信号组成一族非正交的解调载波信号。这些信号的数学表达函数均可以展开为傅立叶级数，在时域上的波形均是公知的。
满足特殊逆变换的对应调制载波信号 是各种各样数字信号的逆变换，属于不同类型的组合、或具有不同频谱，这些信号组成一族适合于信道传输且频谱不重叠的非正交调制载波信号。其频域上的频谱是极为简单的。在实际运用中，调制载波信号 的频率应高于输入信号fn(t)的频率至少一个数量级。
在系统A1，A2…AN处，实现输入信号fn(t)与调制载波信号 相乘调制变为已调信号Fn(t)，即fn(t)S~dn(t)=Fn(t),]]>各已调信号直接叠加后经信道传输，考虑信道中的噪声，到达系统B1，B2…BN处，信号变成Fn(t)+n(t)，其中n(t)是信道中的噪声。
在B1，B2…BN及C1，C2…CN处，应用解调载波信号Sd(nt)进行直接相干解调，系统实现∫0T[Fn(t)+n(t)]Sd(nt)dt=∫0T[fn(t)S~dn(t)+n(t)]Sd(nt)dt=fn′(t)]]>=fn(t)+ϵn(t)]]>
其中，ωn(t)表示因噪声所引起的误差。
图2示出利用本发明提供的采用特殊相干调制解调载波信号的通信方法实现加密传输的原理，图中的标示可参照图1。该系统也是多路复用的，在发送端使用多级调制载波信号(S~dn(t),S~dn(t)...mS~dn(t))]]>对每一路的输入信号进行多次调制，后一级调制载波信号的频率高于前一级调制载波信号的频率至少一个数量级。在接收端使用多级解调载波信号(Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt))对各路的接收信号进行逐级解调。各级的调制载波信号、各级的解调载波信号之间均为非正交，每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号的特殊逆变换，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
该系统的工作原理如下系统采用m个调制解调级，在系统的A1，A2...AN处，实现输入信号fn(t)与第一个调制载波信号 相乘调制的功能，即fn(t)S~dn(t)=Fn(t),]]>在2A1，2A2...2AN处，再与第二个调制载波信号 相乘，直至在mA1，mA2...mAN处与第m个调制载波信号 相乘。这样，输入信号fn(t)经m次调制，与m个调制载波信号相乘变为mFn(t)。
各已调信号叠加后经信道传输，考虑信道中的噪声，到达mB1，mB2...mBN处，信号变成mFn(t)+n(t)，其中n(t)是信道中的噪声。
经mB1，mB2...mBN至B1，B2...BN，以及C1，C2…CN处，分别应用解调载波信号mSd(nt)直至Sd(nt)进行相干解调，系统实现∫0Tl[lFn(t)+ln(t)]lSd(nt)dt=∫0Tl[lfn(t)lS~dn(t)+ln(t)]lSd(nt)dt=lfn′(t)]]>=lfn(t)+lϵn(t),(1≤l≤m,)]]>其中，l是表示m级解调中的一个，lfn(t)是l级解调后的信号，lεn(t)是l级解调后的噪声。
下面详细描述对利用本发明提供的通信方法实现的模拟和数字系统，进行计算机软件仿真的过程和结果图3是对模拟通信系统对计算机软件仿真的模型示意图，图11是对数字通信系统计算机软件仿真的模型示意图。计算机仿真软件采用Matalab，运行于Windows XP Professional平台。通过计算机软件模拟信号产生、处理等，并对过程进行分析，进而仿真出各种系统性能。为简单起见，本附图只给出单路传输仿真结果。
对于模拟通信系统，输入信号f(t)＝sin(2*pi*4500*t)+sin(2*pi*6000*t)，信号功率＝1.0556，其波形可从仿真模型的scope in处提取，如图4所示。调制载波信号 是解调载波信号(采用方波)的特殊逆变换(n＝5)，即S~(t)=12Eπsin(5ωt)-110Eπsin(ωt),]]>其中，ω＝60000×2π/5，功率＝1.2830，其波形如图5所示。解调函数Sd(nt)采用频率60000Hz的方波，功率＝1，Sd(nt)与 正交，其波形如图6所示。加入的噪声类型为随机高斯噪声，噪声功率＝12.6472。
在仿真模型的scope1、scope2、scope3处对仿真数据进行提取、分析，见图7至9所示，分别表示输入信号乘以 的波形、输入信号乘以 加上噪声的波形、输入信号乘以 加上噪声再乘以S(t)的波形。最后，在仿真模型的scopeout处得到输出信号波形，如图10所示。其结果是输出信号与原信号的均方差是0.0069，均方差除以信号功率得比值＝0.0069/1.0556＝0.0066＝0.66％。在噪声功率＝12.6472的条件下，信噪比S/N＝1.0556/12.6472＝0.0835，10log(S/N)＝-10.78db～-11db。系统性能非常优异。
对于数字通信系统，输入信号采用随机二进制信号，零的概率0.5，取样时间＝0.00002秒，其波形可从仿真模型的scope in处提取，如图12所示。调制载波信号 是解调载波信号(采用偶对称方波)的特殊逆变换(n＝5)。解调函数Sd(nt)采用频率500000Hz的偶对称方波，波的峰峰值＝2(-1至+1)，Sd(nt)与 正交。Sd(nt)、 的波形与图5、图6类似。加入的噪声类型为高斯噪声，平均值＝0，方差＝30，由此得到系统的功率信噪比S/N＝1∶85.8490，也就是S/N＝-19dB。低通滤波器截止频率fc＝500000Hz。
在仿真模型的scope1、scope2、scope3处对仿真数据进行提取、分析，见图13至15所示，分别表示输入信号乘以 的波形、输入信号乘以S(t)加上噪声的波形、输入信号乘以 加上噪声再乘以S(t)并经低通滤波后的波形。scope3处的信号即为系统的输出信号，从图16所示的表中可以看出在S/N＝-19dB，传输的误码率等于零，系统性能也是非常优异。
上述结果表明，采用特殊相干调制解调载波信号的通信系统，具有非常优异的性能。在单信道的信噪比达到负分贝的情况下，都能很好地恢复原信号。对于模拟信号，原信号能高保真地恢复。而对于数字信号，误码率为零。进一步的仿真实验已证明，在多路、多信道传输的条件下，系统具有同样优异的性能。
当系统在多信道的情况下，可按一定的频段进行分组(如8信道一组)，在接收时采用分配器进行有效分离。在一定性能指标的要求下，每组信道中各信道信号的直接叠加可满足信道传输要求的信道数目是大大超过传统的系统，因此，采用多信道传输，可大大降低系统的建设成本和运行成本。
以上结合一些具体应用，对本发明提供的通信方法进行较为详细地描述，但这并不构成对本发明内容的限制。事实上，本发明提供的这种全新的通信方法适用于模拟通信系统、数字基带通信系统、数字调制通信系统等各种通信系统。因此，在同样的构思下所作出的修改和变化，也均属于本发明保护的范围。
权利要求
1.应用特殊相干调制解调载波信号的通信方法，包括在发送端利用调制载波信号将输入信号转换为适于信道传输的信号形式，在接收端利用与调制载波信号正交的解调载波信号将接收的信号转换为原始信号，其特征是所述调制载波信号是所述解调载波信号经特殊逆变换得到的、且两者之间互相正交。
2.根据权利要求1所述的通信方法，其特征是在多路并行传输的发送端对每一路输入信号使用一个调制载波信号，在多路并行接收的接收端对每一路接收信号使用一个解调载波信号，且各路的调制载波信号、各路的解调载波信号之间均为非正交，每一路的调制载波信号是其对应路的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
3.根据权利要求2所述的通信方法，其特征是所述各路解调载波信号选自相互之间非正交的不同类型的信号和/或同一类型但不同频率的信号，所述各路调制载波信号是由各自解调载波信号经特殊逆变换得到的、且相互之间非正交的不同类型和/或同一类型但不同频率的信号。
4.根据权利要求1所述的通信方法，其特征是在发送端使用多级调制载波信号对输入信号进行多次调制，在接收端使用多级解调载波信号对接收信号进行逐级解调，且各级的调制载波信号、各级的解调载波信号之间均为非正交，每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。
5.根据权利要求4所述的通信方法，其特征是所述各级解调载波信号选自相互之间非正交的不同类型的信号和/或同一类型但不同频率的信号，所述各级调制载波信号是由各自解调载波信号经特殊逆变换得到的、且相互之间非正交的不同类型和/或同一类型但不同频率的信号。
6.根据权利要求1所述的通信方法，其特征是在多路并行传输的发送端对至少一路的输入信号使用多级调制载波信号进行多次调制，在多路并行接收的接收端对对应路的接收信号使用多级解调载波信号进行逐级解调，且各级的调制载波信号、各级的解调载波信号之间均为非正交，每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号经特殊逆变换得到的，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交。进行多重嵌套调制的信道可随机配置，达到高度保密的通信。
7.根据权利要求6所述的通信方法，其特征是所述各级解调载波信号选自相互之间非正交的不同类型的信号和/或同一类型但不同频率的信号，所述各级调制载波信号是由各自解调载波信号经特殊逆变换得到的、且相互之间非正交的不同类型和/或同一类型但不同频率的信号。
8.根据权利要求4或6所述的通信方法，其特征是后一级调制载波信号的频率高于前一级调制载波信号的频率至少一个数量级。
9.根据权利要求1至7中所述的任一种通信方法，其特征是所述特殊逆变换为Chen-Mobius变换。
10.根据权利要求1至7中所述的任一种通信方法，其特征是所述解调载波信号选自周期性数字信号，包括矩形脉冲、奇对称与偶对称方波、奇对称与偶对称三角波、锯齿波信号以及它们的组合。
全文摘要
应用特殊相干调制解调载波信号的通信方法，包括在发送端使用调制载波信号将输入信号转换为适于信道传输的信号形式，在接收端利用与调制载波信号正交的解调载波信号将接收的信号转换为原始信号，其特征是调制载波信号是解调载波信号经特殊逆变换得到的、且两者之间互相正交。解调载波信号选自不同类型的数字信号组合，在时域上具有非常简单的波形。对应的调制载波信号也有各种不同的类型组合，在频域上具有非常简单的频谱。该通信方法具有很强的抗噪声性能，且调制、解调载波信号极易产生。利用该通信方法实现的多路复用通信和多重嵌套调制解调的加密传输具有极好效果。
文档编号H04L27/227GK1878156SQ20051004377
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月10日 优先权日2005年6月10日
发明者苏武浔, 魏腾雄 申请人:苏武浔, 魏腾雄