超窄带调制技术及TRIZ理论的应用_triz理论工程技术运用
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超窄带调制技术及TRIZ理论的应用
摘要：空中的无线电频谱越来越拥挤 ,频率的资源性影响日益彰显.为在单位频带内高速传输信息 ,就要尽可能提高频谱利用率.但能否使传输频带“超窄”,传输码率更高 ,同时还保持在可以接受的发射功率水平 ,需要重新审视经典的数字通信理论和调制解调技术.文中结合作者的研究探索 ,阐述了“超窄带高速通信”领域技术创新和工程实现的进展 ,辩证反思了通信工程界习以为常的经典方法 ,并总结了该领域的一些问题和进一步研究方向。关键词：VMSK调制和解调超窄带频带利用率概述
1.1关于 TRIZ理论
TRIZ(发明问题解决理论)诞生于前苏联，属于国家机密，曾在苏联的军事工业、航天工业等领域发挥了巨大作用，随着苏联的解体而逐步被外界知晓。
TRIZ理论可以引导科技人员以正确有效的方式实现发明和创新。TRIZ理论应用的例子多是机械、化工、环境等行业及日常生活的例子，这与TRIZ诞生的年代有关。如何将TRIZ理论应用于信息技术行业是一个值得深思的问题。韩国三星集团的迅速崛起与其当年在前苏联引进了大批此类科技人员不无关系，科技发明（或专利）的重要性不言而喻，在中国每出口一台VCD或DVD机要缴纳昂贵的专利费用，这是惨痛的教训。
1.2通信技术发展背景
现代通信中常用的数字编码调制技术主要有 Q AM、CAP 和 DM T等 调 制方 式 , 它 们目前所能能达到的最大频带利用率为 8 b it /s /Hz, 而近年出现的一种新的超窄带编码调制技术 VMSK(甚 小 频 移 键 控), 据称可将频带利用率 提高到 1 5 b it /s /Hz, 甚至 2 0 b it /s /Hz 以 上 , 因 此如 将 该技术应用于通信中 , 将极 大 地 提 高传输速率。另一种技术思路则是“回归”简单的二元调制,表面上看频谱效率最多只有 1 bps/Hz ,但关键在于尽量缩减已调信号带宽.沿此思路 ,美国Walker等近 20年来提出了一系列高效调制技术 ,从早期的可变相移键控及其改进型,到各种版本的甚小移键控(very minimum shift keying , VMSK)及其类似技术 ,后来的脉位反相键控、缺周期调制、抑制周期
调制、最小边带调制。在过去几年内 , VMSK 理论得到极大发展, 并且随着科学技术的发展, 在一些关键技术上也相继取得突破, 如 VM S K 所需的零群时延窄带滤波器得以实现。我们需要重新审视和辩证反思通信工程界习以为常的标准方法 ,以求把握有关超窄带高速
通信的研究方向。
2超窄带技术（UNB）
2.1 UNB调制原理
我们以VMSK为例进行介绍，VM S K 的基本作过程是在发送端 经过双相编码后, 对形 成的基带信号进行窄带滤波 , 再进行载波调制 , 然后以单边带抑制载波方式传输出去, 大大减小频宽 , 从而实现很高的频带利用率。
2.1.1 编码规则和基带波形
用 VM S K 编码后的基带信号是双极性的 ,它的最大特点是过零点时刻随数据变。VM S K 每比特占用固定时槽 , 在每个比特周期编码信号反相两次。它的基带信号携带的数据信息不是信号电平而是用信号反相时刻的一个较小固定差别来表示的, 因此 , 编码输出序列的脉冲是非等宽的 , 属于双相编码一类 , 与曼切斯特编码信号有相似的 频 谱 分布。
2.1.2 基带信号频谱分析
根据 VM S K 基带波形的特点, 可将 VM S K 的基带波形信号分解为g0(t)、g1(t)和 g2(t)。g0(t)为周期信号, 故其频谱为谱线 , 为无用信息。g1(t)表示数据1, g2(t)表示数 据 0。g1(t)和 g2(t)均 为宽 度 Ts/M的矩形波 , 周期为Ts, 且 g1(t)=-g2(t)。其频谱为调制信息, 为有用信息。因此, 传输过程中只需传输 g1(t)或 g2(t), 在 接 收端 再加 上 g0(t)即可恢复出原信号。信号能量主要集中在双相码中心频率附近的狭窄频带内。
2.1.3 基带信号的调制
将编码产生的基带信号经过适当的窄带滤波 , 只保 基波频率成分, 滤波器输出的就是无过零点失真的变周期正弦波。
2.2UNB信号的单边带传输
已调波的上下两个边带是远离载频分布的, 取出单边带很容易, 因此可在传入传输载体前先用窄带滤波器滤除其中一个边带, 以单边带抑制载波方式传输以提高频带利用率。频带利用率 Q 与 VM S K 所采用的每比特时槽数M有关, 易得
比特率1/T1/TM21 Q =，带宽W(M1)/TM/[(M1)T]2M
随着M的增加 , 达到一定速率所需最小传输带宽反而越来越窄, 从而Q不断增大。M→∞ 时, Q→ M、2 , 当 然这会带来成本上的增加及技术上的不可实现性。如M= 1 9 时 , Q≈
9.5b it /s /Hz, 可见使频带利用率Q达到1 5甚至 2 0 以上是完全可能的。
2.3UNB信号的接收
在接收端, 用相干解调和匹配滤波恢复出基带信号 , 然后采用过零检测法还原出双相码, 再由解码器解出原始数据。
2.4 UNB与香农定理的关系,反对超窄带调制技术的学者认为,超窄带调制超出了乡农信道容量公式 ,与传统的认识产生了不符。然而，现在超窄带调制技术确实存在，我们说存在既是合理，那么如何解释这种现象呢？ 研究发现 ,乡农在推导其定理的过程中使用了尽合理的假设 ,也就是说不宜再用经典的香农定理解释超窄带现象。
2.5 应用TRIZ理论分析UNB
实际上TRIZ中的许多理论也适用于通信技术，TRIZ理论认为发明问题的核心是解决矛盾，未克服矛盾的设计不是创新设计，在设计中不断发现矛盾，解决矛盾是推动产品向理想化方向进化的动力。产品创新的标志是解决或移走设计中的矛盾，从而产生新的具有竞争力的解。无线通信在迅速发展，导致频谱带宽成为稀缺资源，如何分配有限的带宽资源也是各国政府头疼的问题。现在的矛盾是移动通信的迅速发展导致频谱资源不够用了。超窄带技术的实现恰恰解决了这一问题。尽管现在专家和学者对此理论存在争议，但有理由认为UNB一定是4G 中的主要技术。结论
Photron，xG等美国公司都认为, UNB高效调制技术可适用于从有线到无线、从近距到远程乃至空间的各种通信应用其中一个重要的发展趋势 ,就是作为下一代移动通信系统(4G)的基本架构.因此 ,深入研究超窄带高速通信的理论体系、总体框架、关键技术、核心专利、工业标准和优势产品 ,对于信息学科知识的丰富、人类社会的发展、电子对抗的更新 ,特别是我国在下一代信息技术和通信产业领域的竞争 ,都至关重要.但这从观念到入手都不容易 ,既要辩证反思沿用多年的成熟方法 ,更有待创新拓展现有经典的理论框架.该领域的问题与进一步研究的方向主要有:
(1)UNB技术只是紧缩发射信号的空中频谱 ,其惊人的频谱利用率要按“通过率”来理解 ,这非但与 Shannon极限并不矛盾 ,而且从理论上进一步总结和揭示 UNB滤波器优异性能背后所隐含的信号带宽远大于噪声和干扰带宽的现象 ,反而有助于拓展 Shannon极限 ,并为与扩频通信相对比的“缩频通信”奠定理论基础；
(2)传统的基带处理虽便于分析和实现 ,却损失了码率,使得“高速”必须“宽带”;而 UNB
直接进行载波调制 ,码率极限是对 RF载波的单周期调制 ,有时不得不降至中频来实现则更多是出于器件、成本和工艺上的考虑 ,因此 , RF频率上的直接 UNB调制和解调技术 ,需要不断提升；
(3)保留单一载波 ,是实现 UNB传输的充分条件,其对于高效通信的积极意义 ,有待于重新认识和深入挖掘。
(4)UNB体制将有可能、有优势竞争未来高效高速自适应调制解调器的主流技术标准 ,并进一步与 MIMO、OFDM(正交频分复用)技术结合 ,以得到更加高效高速的系统传输方案。参考文献
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