两种实用的连续波时分复用技术

第４Ａ期２００５年８月

信号处理

ＳＩＧＮＡＬＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ

Ｖｂｌ．２１．Ｎｏ．４Ａ

Ａｕｇ．２００５

两种实用的连续波时分复用技术

易克初

谷春燕王勇

（西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，西安７１００７１）

摘要：多个连续信号时分复用地共享一条连续信道进行传输，似乎是数字化时代到来之前就早已解决的老问题，但是要让这种时分复用传输方式在无线信道中传输的频带利用率接近１００％，则是一个一直没有解决的难题，而这种连续波时分复用技术在某些特殊场合下有～些非常重要的应用。本文介绍了两种实用的连续波时分复用方法，并给出了其相应的同步解决方案。理论分析和仿真表明，这两种技术均能获得很好的效果，因而具有重要实用价值。

关键词：无线通信，卫星通信，时分复用，连续波时分复用

１引言

多个连续信号时分复用地共享一条连续信道进行传输，是数字化时代到来之前就进行过许多研究和应用的老问题，已有多种成熟的解决办法，例如：在微波电信中，多路话音信号或视频信号的传输就采用了时分复用技术。但是，已有的解决办法都是基于常规的数字信号时分复用传输方法，借助数字调制解调技术实现的，它们的频带利用率很低，不符合某些特殊场合希望接近１００％的要求。例如：本来只需１２０ｋＨｚ带宽的３０路话音信号，采用常规时分复用（ＴＤＭ）方法对其ＰＣＭ编码的比特流进行时分复接（Ｅｌ接口标准），然后采用ＱＰＳＫ调制变为连续信号进形传输，就至少需要占用１．５ＭＨｚ带宽，频带利用率仅为７％，即使采用６４一ＱＡＭ调制，复接信号的频带利用率也仅为２８％。

本文所介绍的连续波时分复用技术（其英文表达为ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，简称ＣｗＴＤＭ），是一种能使频带利用率接近１００％的时分复用技术。为达到此目的，它不能采用常规ＴＤＭ和常规数字调制／解调技术，而必须采用直接操作信号样点序列进行时分复接以及数／模、模／数转换技术才能实现。针对连续波时分复用在无线通信和卫星通信中的应用，本文结合发明专利［１］介绍了两种连续波时分复用技术，理论分析、仿真试验和开发应用实践均表明，这两种方法是现实可行的，并具有很好的应用前景。

时分复用方法，另一类是分帧交织时分复用方法。第一类方法是采用轮流采样法，将各路信号以样点交织方式复接为一个样点序列，然后采用一个带宽合适的低通或带通滤波器平滑之后，便得到一个ＣＷＴＤＭ信号。接收端以同样的速率同步地采样，然后按照样点交织规则进行时分分接，就可以分离各路信号的样点序列，进而可通过Ｄ／Ａ变换、低通平滑恢复各个连续信号。这里除了各路信号的采样率都要符合奈奎斯特准则之外，还要求接收端采样点在信号中的相对位置必须精确地与发射端的相同，否则就有可能产生子信道间相互泄漏串扰。这个精度要求是非常高的，仿真和理论分析表明，要想使予信道问的泄漏小于一４０ｄＢ，其采样位置的偏离最多只允许有采样间隔的１％左右，参见图１。

样点交织ＣＷＴＤＭ技术在高精度同步容易解决的场合早已得到应用，例如：Ｐｏｒｔｅｒ博士采用样点交织时分复用法，将核磁共振ＣＴ成像仪中的４个感测线圈产生的信号共享一套接收放大设备，同时实现４个断面的成像［２］。但是，在无线信道中实现样点交织ＣＷＴＤＭ传输，是一个没有解决的难题。最近我们采用一种基于多相滤波器组的重新采样法，较好地解决了高精度同步问题，理论分析和仿真验证表明，其同步精度可以在信噪比并不很高的情况下达到１％个采样间隔［３】。

分帧交织ＣＷＴＤＭ方法的实现存在三个困难：第一，其频带利用率很难达到接近１００％，因为它每两个相邻子帧之间必须留一个很长保护问隙才能保证相邻子帧问不产生相互串绕，常规ＴＤＭ是不要留保护间隙的，因为它可以借助数字调制技术没有码间干扰的性质避免子信道问相互串绕。第二，

２两类可能的ＣＷＴＤＭ方法

实现ＣＷＴＤＭ的方法有两类，一类是样点交织

万方数据　

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如果各个子帧是用矩形窗截取的，即使在复接信号的子帧之间留了很长的保护间隙，也仍然无法避免经信道传输后恢复的各路信号在子帧衔接处产生波形失真。第三，要使接收端能够无失真地恢复各路信号，各予帧拼接处平滑过渡也需要很高的帧同步定时精度，特别是对于传输多路带有频偏的“零中频”复信号，还必须消除传输过程中频偏的影响，否则在将各子帧拼接恢复各路信号时，会产生严重的载波相位跳变现象。综上所述，可见采用这种常规的分帧交织时分复用方法，实际上是很难实现达到实用要求的。

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（ｂ）．４０ｄＢ处放大图

图１同步样点偏差引起邻道泄漏示意图

３实现的ｃｗＴＤＭ的分帧叠接相加法

发明专Ｎ［Ｈ提出了一种分帧叠接相加的方法，是对上述分帧交织ＣＷＴＤＭ方法的改进，圆满地解决了上述三个问题，首次实现了ＣＷＴＤＭ在无线信道中的可靠传输。它将Ｍ路连续信号按照采样定理进行Ａ／Ｄ变换，再将所得各路信号的样点序列用相互搭接的滑动梯形窗进行截取，如图２所示相邻两次截取窗有ｃ＋２ｄ个样点是重叠的；将Ｍ路信号同一时相各子帧采用叠接相加法拼接起来（如图３所

万　

方数据示，每次有ｄ个样点是叠接相加的），然后加上帧同步头便得到一个复接帧，再将复接好的样点序列进行Ｄ／Ａ转换，低通平滑滤波重新变为连续信号，即实现Ｍ路连续信号的ＣＷＴＤＭ复接。由于它的复接信号中各子帧的过渡是借助窗函数的斜边实现平滑地过渡的，因此不仅过渡段可以很短，而且可以确保非过渡段信号的波形经过信道传输后与原信号的波形完全相同。因此不仅容易保证频带利用率接近１００％，而且有效地避免了恢复的各路信号的失真和相互串绕。它还便于通过同步头估计频偏并予以纠正，有效避免了分接信号拼接时的载波相位跳变现象。

图２梯形窗及其平移滑动

图３复接帧的构成

由于发送端每个子帧多传输了ｃ＋２ｄ个样点，其中两头各有ｄ个样点是与其相邻子帧的ｄ个样点叠接相加后进行传输的，因此在接收端进行时分分接时，应该丢弃多余的ｃ＋ｄ个样点（因其中ｄ个样点重叠，丢掉ｄ个样点相当于丢了２ｄ个），即每个子帧只应取其中间Ｄ—Ｃ个样点，就能通过简单拼接

无失真地恢复各路信号。假如帧同步定时不大准确，出现了Ｃ．个样点的偏差，丢掉ｃ＋ｄ个样点的位置也会相应地偏Ｃ】个样点，但只要Ｃ】、＜ｃ／２且各帧的同步偏差相同，那么每个子帧留下的Ｄ．Ｃ样点就不会受到影响，各子帧拼接起来的各路信号仍然不会产生波形失真的。这就是说，这种方法对于定时同步精度的要求非常低，在同步偏差大到ｃ／２个样点时还能无失真地恢复各路信号。

从前面的实现步骤可知，这种连续波时分复用方法采用叠接相加法使各个子帧衔接处平滑地过渡，加之它在用窗函数截取各分帧时，是前后搭接而重复传送的，因此可以保证不产生波形失真，而且因为每个分帧重复传输了２ｄ＋ｃ个样点，它们在

信号处理

２００５笠

分接过程中都是要扔掉的，即使帧头定位的误差多达±ｃ／２个样点，剩下的样点也总可以正确地衔接为原信号，可以准确而可靠地恢复各路信号，因此其同步精度要求很低。但是由于每两分帧之间进行了ｄ个样点的搭接，所以在将整帧信号通过信道滤波器滤波后，相邻子帧之间存在相互影响仍然不能完全避免，但是当ｄ足够大时，这种影响所引起的邻道泄漏和信号失真将会小到可以忽略的程度。

如上所述，分帧叠接相加构成的ＣＷＴＤＭ帧包含Ｄ，ｄ，ｈ，和ｃ四个参数，其中，ｄ的大小直接影响信号失真和邻道泄漏。假设采用８阶的３ｄＢ带宽为３４Ｆｂ的巴特沃斯滤波器对３２路带宽为Ｆｂ的信号进行滤波，信号采样率设为８Ｆｂ，即每码元８点采样。成型滤波后，用梯形窗进行截取。Ｄ＝４４８，ｄ为８：８：１０４。后边补足足够多的０以凑够～帧数据，一帧长度为３２×Ｄ＋３３×ｄ。然后送入设计好的滤波器，测得邻道泄漏、信号失真和ｄ的关系如图４所示。

ｄ

图４信号邻道泄漏和最大失真与ｄ的关系从图中可以看出，ｄ的值越大，邻道泄漏和最ＣＷＴＤＭ传输中的几４＂ｇｒ殊问题

采用直接操作样点的ＣＷＴＤＭ方法，因样点的万　

方数据１０ｌｏｇ（Ｓ／忉＝６．０２Ｂ＋４．７７—２０Ｌｏｇ（ＸｍａＪｑ）（１）

其中工…和仃，分别为信号的最大值和标准差，二者平方之比即为峰／平均功率比如。。对于单路数字调

制信号的复包络信号来说，‰值很接近于ｌ，因此

量化噪声近似为６．０２Ｂ＋４．７７；当Ｂ＝８时，量化信噪比可达５３ｄＢ。对于ＦＤＭＡ多路信号来说，假定Ｒ。。－－－－３０，则当Ｂ＝８时，量化信噪比为４８ｄＢ。而目前高速Ａ／Ｄ变换的量化精度可以达到１０比特以上。因此只要设计合理，ＣＷＴＤＭ处理过程中引入量化噪声的问题是可以忽略不计的。

４．２载波相位连续性的问题

分帧交织ＣＷＴＤＭ或分帧叠接相加ＣＷＴＤＭ对于传输数字调制信号来说，都存在载波相位不连续的问题。如果我们将多路“零中频”信号进行ＣＷＴＤＭ复接，经无线信道传输后由于接收机的本振与发送端的本振存在偏差，就会使所传输的“零中频”信号产生新的频偏，如果不消除，在进行ＣＷＴＤＭ分接时，就会产生载波相位跳变的严重问题，所恢复的各路信号的载波不连续。

设用于进行ＣＷＴＤＭ复接的信号是星上频分分路后得到的Ｍ路基带复包络信号：

Ｘ。（甩）＝Ｉ。（以）＋歹（）ｍ（，２）＝

刊Ｘ。（ｎ）ＩｅｘｐＬｊ＃。（ｎ）］

ｍ－－０，ｌ，２，．．…，Ｍ一１

（２）

经过ＣＷＴＤＭ复接后得到的合路复信号设为

ｙ（咒）＝Ｉｙ（，ｚ）Ｉｅｘｐ［ｊｙ（，ｚ）】

（３）

假设经过下行链路传输时总的放大倍数等于１，信道中没有频率失真和非线性失真，只有下行频偏的影响，那么在地面站接收时用正交下变频变到基带后得到的信号可表示为：

ｙ’（ｎ）ｄｙ（ｎ）Ｉｅｘｐ［ｊ（１ｆＩｒ（咒）＋Ａｔｏ。）】

（４）

这里的Ａ６０＝２ⅡＡｆ是下行链路引入的频偏，它主要包括：地面接收站正交下变频时所用的本地振荡频率与星上进行正交上变频时所用的本地振荡频率之差，还包括因卫星位置漂移而引入的多谱勒频移。假设总的下行频偏为１×１０～，那么对于Ｋｕ波段来讲的下行频偏可能达到±１．２ｋＨｚ。显然，如果这个下行频偏不纠正，ＣＷＴＤＭ分接后所得复信

大失真越小。当ｄ＝３２时，邻道泄漏为一５９ｄＢ，信号最大失真为．５７ｄＢ，其影响已经可以忽略。因此这种信号复用方法是完全可以应用在无线信道中的。

４

４．１量化噪声问题

数字化难免要引入量化噪声。设量化比特数为Ｂ比特（包括符号位），那么所得信号的量化信噪比为【４】：

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号将在每两帧的衔接处将产生相位跳跃现象。这是因为在进行ＣＷＴＤＭ分接得到每一路信号时，除了扔掉帧头之外，还要扔掉其它Ｍ一１路信号的一段信号样点，才能将其相继的子帧拼接成一个连续的样点序列。每路的两个相邻子帧拼接到一起时，中间都要跳过的样点数为Ｒ＝（Ｍ．１）×Ｄ＋Ｍｄ＋ｃ＋帧头宽度，频偏为Ａｕ的ＣＷＴＤＭ复信号的相位在这段时间中将推进Ａ∞Ｒ，因此每路信号在帧间衔接处将产生Ａ

ｕ

Ｒ的相位跳变。这种相位跳跃本质上就是

载波相位跳跃，对于ＰＳＫ信号解调的影响是非常严重的。但是，这个下行频偏不难在地面站接收端利用同步信号进行估计和纠正。我们的实践表明，对于３６ＭＨｚ带宽的转发器，当存在的最大下行频偏为±１．２ｋＨｚ时，经帧头检测的相位跟踪后，剩余频偏值可以小于±０．７Ｈｚ，即帧间相位跳变小于±０．１０，其影响就完全可忽略不计了。４．４噪声累积问题

ＣＷＴＤＭ的一个重要应用是在信道的中继点（例如卫星通信的星上转发器）处将多个接收到的数字调制信号，不进行解调译码而直接将它们的基。带复包络连续信号进行时分复接，变为一个复包络信号再搬移到射频发送。与在中继处进行再生式转发相比，（即将各路信号、时分复接为一路，为窄带连续信道发送）这种传输方式虽然具有复杂度低的优点，但是它在两段信道中传输信号时噪声是要累加的，即存在噪声累积的问题。这个问题的影响有多大，能否设法弥补，我们在【５］中通过证明如下定理得出了有一个参考价值的明确结论。

定理

设一个数字调制信号在两段连续高斯

信道中级联地传输，在中继处可以进行信号再生式转发也可直接透明转发。当且仅当中继处信号再生所用解调译码器的误码特性足够好，才能改善整个用解调译码器的误码特性还要差３ｄＢ以上，那么再生式转发传输的性能，肯定比直接透明转发传输的这个定理表明，采用ＣＷＴＤＭ复接方式将多路在噪声累积问题，但是对于像卫星通信那样只有星万　

方数据的性能得到弥补的。当然，像微波电信那样要经过许多中继点进行传输的情况，还是采用信号再生式转发好。

５

ＣＷＴＤＭ的应用

ＣＷＴＤＭ的一个重要应用是用于构成一种性

能优良的卫星通信多址／复用体制［６】，我们已经通过大量的仿真和系统开发，在这方面的应用研究取得了重要进展【５］。第二类应用通过这种“信道”共享技术大幅度简化设备，如多探头核磁共振ＣＴ成像仪、阵列处理天线接收系统等；第三类应用是在某连续波时分复用技术在某些特殊的场合具有重实用的连续波时分复用方法，并分析了其相关性能。具有推广应用价值。

发明专利９８１１２８４６．７

ａｎｄ

Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆ

ａ

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ

ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＵｓｉｎｇｉｎ

ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ

Ｉｍａｇｉｎｇ”［Ｄ］，Ｐｈ．Ｄ

Ｔｈｅｓｉｓ，Ｔｅｘａｓ

Ａ＆ＭＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９３．

交时分复用传输方法及系统”，中国发明专利

２００５１００４２９ｉ０．７

北京，国防工业出版社，２０００年６月，ｐ２８５．

Ｙｉ，Ｃｈｕｎｙａｎ

Ｇｕ，Ｃｈｕｎｔｉｎｇ

Ｗａｎｇ，

“Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ

ＷａｖｅＴｉｍｅ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ—Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ

ａｎｄ

ＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＣＩＣＥ

Ｔｒａｎｓ．（Ｊａｐａｎ），已通

过二审。

ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，ｏｎ—ｂｏａｒｄｍｕｌｔｉ—

ｃａｒｒｉｅｒ

ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒｆｏｒＤＶＢ—ＲＣＳａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

［Ｊ］，ＳｐａｃｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｖ

１７

ｎ

１—３２００１．Ｐ

１９３．２０２．

些特殊环境中用于提高信道的频带利用率。

信道的传输特性，如果其误码特性比终端接收机所性能还要差。

信号进行中继传输，虽然因为没有做信号再生而存上转发器一个中继点的情况来说，这个噪声累积所付出的代价是可以通过改进接收终端的解调译码器

６结束语

要的实用价值，但由于在无线信道中的高精度同步等问题难以解决而没有得到应用。本文介绍了两种理论分析和仿真均表明，这两种方法是现实可行的，参考文献

［１］易克初，“带限信号时分复用传输方法”，中国

［２］Ｊ．Ｒ．Ｐｏｒｔｅｒ，“Ｄｅｓｉｇｎ

［３】易克初，王勇，易鸿锋、董华、田红心，“准正

【４］易克初，田斌，付强，“语音信号处理”［Ｍ］，

【５］Ｋｅｃｈｕ

［６］Ｌ．Ｅｒｕｐ，Ｍ．Ｃｏｔｅ，Ａ

两种实用的连续波时分复用技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

易克初， 谷春燕， 王勇

西安电子科技大学,综合业务网国家重点实验室,西安,710071信号处理

SIGNAL PROCESSING2005,21(z1)

参考文献(6条)

1. L. Erup;M Cote A high-speed on-board multicarrier demodulator for DVB-RCS applications[外文期刊]2001(1-3)

2. Kechu Yi;Chunyan Gu;Chunting Wang Continuous Wave Time-Division-Multiplexing and Its Applications3. 易克初;田斌;付强 语音信号处理 2000

4. 易克初;王勇;易鸿锋;董华 田红心 准正交时分复用传输方法及系统

5. J.R. Porter Design and Analysis of a Multiplexing Data Acquisition System for Using in MagneticResonance Imaging 1993

6. 易克初 带限信号时分复用传输方法

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