CN1078411C - 带限信号时分多路复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息传输技术，具体地说是一种带限信号时分多路复用传输方法。用于解决现有时分多路复用方法在一连续信道中传输多路带限信号时的频率利用系数低且设备复杂度高的问题。本发明的方法，发送端通过模数变换、时分复接和数模变换实现带限信号的时分多路复接，形成连续的合路信号进行传输，接收端对此复接信号进行分接，近似地恢复各路信号。传输时所需信道带宽可比现有方法减少约十倍，而且其设备简单，传输速率容易提高。

Description

带限信号时分多路复用传输方法

本发明属于信息传输技术，具体地说是一种带限信号时分多路复用(英文名：Band Limited Signal Time Division Multiplex简称BLS-TDM)传输方法。

众所周知，采用时分多路复用方法，在一连续信道中同时传输多路带限信号有多方面的好处。但是，若用现有的时分多路复用方法进行传输，其设备复杂度高，而且频率利用率低。据各种文献报道，例如斯国新编著的、宇航出版社1992年出版的《卫星通信***》书中所说，必须先将输入的各路带限信号按照奈奎斯特准则分别转换为数字信号，然后，用数字复接器将这些数字信号按时分复用方式形成合路数字信号序列，再用数字调制技术变为连续信号在信道中传输；接收端则先用数字解调器解出该合路数字信号，再用数字分接器将各路数字信号分离，进而分别通过数模变换器、平滑滤波器恢复各路连续信号。这种传输方法的不足之处是：其发送端必须采用数字调制器，接收端必须采用数字解调器，设备复杂度和成本都比较高，特别是其信道利用率很低。以CCITT(国际电报电话咨询委员会)G.732建议的脉冲编码调制(PCM)基群为例，它为30/32路体制，即包括30路话音信号和两路作为信令和其它信息传输的信道，其时分复用后的比特率为2.048Mb/s。要将它用于连续信道中传输，即使采用频率利用系数高达1.5比特/赫兹的正交相移键控(QPSK)调制方法进行调制转换为连续信号，进行传输时所需信道带宽也要1.36MHz。如果采用频分多路复用方法将同样多话路复接在连续信道中传输，则只需128kHz带宽，二者相差十倍多。但是频分多路方法复杂度也高，而且不适于非线性信道传输。

本发明的目的就是为解决现有技术的设备复杂度高和频率利用率低这两个问题，提出的一种设备简单、频率利用率高的带限信号时分多路复用传输方法。

实现本发明的技术方案是：根据输入信号是否为连续信号，发射端有两种不同的处理方法，第一种是：当输入的各路频带有限信号是已经在其他设备中数字化后得到的数字信号时，则将它们分别直接输入到数据缓存与子帧划分单元4、5、6中。第二种是：当输入的各路频带有限信号是连续信号时，则先将它们分别经各自的信号数字化单元1、2、3转换为数字信号后，再输入到数据缓存与子帧划分单元4、5、6中，这里的信号数字化单元包括有防混叠滤波器和A/D变换器。下一步是按固定的时间间隔T将各路数字信号划分为子帧，并在复用帧形成单元7中，将同一时间各路信号的子帧分别输入到同一复用帧各相应的时隙中，每帧加一帧头，并将一帧信号样点等间隔地在一帧时间间隔T的内排列，一帧一帧地连接起来，即形成时分多路复接数字信号，或称合路数字信号。为了能在连续信道中传输，进而将此合路数字信号在信号连续化单元8中转换为连续信号，形成合路的连续信号在信道中进行传输。该信号经信道传输到接收端后，在信号数字化单元10中重新转换为数字信号，然后在信号缓存与帧头对准单元11中采用帧同步方法搜索到各帧帧头，确定各时隙的位置。于是，在子帧分路单元12中，从各相应的时隙位置取出各路信号的子帧，再用各路信号的子帧分别由13、14、15进行拼接，分别恢复出各路数字信号输出；如果希望输出的分路信号为连续信号，再经过信号连续化单元16、17、18将它们转换为连续信号输出。这样就实现了合路信号的分接，或称分路。

本发明传输方法的关键技术是：

1)发送端将输入的各路带限信号分别地由各个信号数字化单元转换为数字信号时，所用的防混叠滤波器的带宽和采样频率f_i，i＝1，2，…，M(这里M为输入信号的路数)根据采样定理和每一路的信号有效带宽分别确定。这就是说，各路信号可以根据情况各取不同的采样频率。

2)发送端在将各路数字信号划分为子帧时，是以相互搭接的方式划分的，即前一子帧信号的后部有D个样点在后一子帧的前部重复出现，而在接收端拼接恢复各路数字信号时，丢弃这D个重复出现的多余数据。这样做的目的是为了消除合路信号中前一子帧对后一子帧的影响。因为对合路数字信号进行连续化和对合路连续信号进行数字化的过程，相当于信号通过一个线性***后产生输出。这个***的响应有一定持续长度，它使后一子帧有一段信号受到前一子帧信号的影响。我们在合路时后一子帧多取D个数据，在分路时再丢弃D个数据，只要D大于该***响应的有效持续长度，就可有效地减小这一影响。

3)在复用帧形成单元中，除了将各路信号的子帧输入到相应的时隙之外，还向相邻时隙之间的保护间隙中输入一段反映相邻子帧信号平滑地过渡的信号，这段信号由二者之加权和求得。例如，第i帧信号x_i(n)和第i＋1帧信号x_i＋1(n)之间的过渡段信号为：

y(n)＝x_i(n)·w_i(n)＋x_i＋1(n)·w_i＋1(n)n＝1，2，……，L_s(1)其中权函数w_i(n)的值由1逐渐减小到0，而w_i＋1(n)的值由0逐渐增加到1，并满足：

   w_i(n)＋w_i＋1(n)＝1    n＝1，2，……，L_s    (2)这里L_s表示保护间隙的样点数。这样做的目的是为了进一步消除合路信号中前一子帧对后一子帧的影响。

关键技术2)和3)的共同作用相当于用一滑动的短时窗截取信号，然后进行叠接相加。这里窗函数的形状是一种平滑镶边的矩形窗，例如：梯形窗或余弦镶边矩形窗等，其镶边的宽度就是保护间隙宽度L_s。而第i路的窗滑动的间隔就是它相邻两子帧的平移间隔，即

   L_i＝f_i·T    i＝1，2……，M    (3)

4)在发送端的信号连续化单元中，采用D/A变换器和平滑滤波器将复接好的数字信号转换为连续信号，其D/A转换速率为： $f_s=(L_h+M\·L_s+M\·D)/T+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σfi}}}-----\left(4\right)$ 式中L_h为复用帧帧头样点数，T、L_s和D的定义与前面相同；或者把复接好的数字信号，先用一种保持信号频谱不变的内插法，将信号的速率提高n倍，再以nf_s的速率做D/A变换。以上两种情况的平滑滤波器带宽都取f_s/2。

由于采用了关键技术2)和3)，因此可采用常规的数摸变换将合路的数字信号转换为连续信号进行传输，而不须采用数字调制方法。这里的关键是D/A转换的速率和平滑滤波器的带宽必须正确。

5)在接收端的信号连续化单元中，采用带宽为f_s/2的防混叠滤波器和采样频率为f_s或nf_s的A/D变换器，将收到的合路连续信号转换为数字信号，其中f_s与(3)式相同。

由于采用了关键技术2)，3)和4)，因此在接收端可采用常规的摸数变换将合路的连续信号转换为数字信号进行分路，而不须采用数字解调方法将它转换为数字信号。这里的关键是防混叠滤波器的带宽和采样频率必须正确。

本发明的方法不需采用数字调制解调器，直接用常规的数模、模数变换来实现数字信号与连续信号之间的互相转换。其时分复接过程虽然也是在数字信号域进行的，但合路数字信号经数模变换所得到的连续信号，本质上是原输入的多路连续信号的时分复接信号，只不过是各种信号在时域压缩成为间断传输的小段，而在频域进行了保持频谱形状不变的频率轴扩展。

本发明的传输方法，输入的各路带限信号可以采用语音信号、电视信号、扫描图像信号、由任一种传感器的输出经放大或其它处理方法所产生的信号，或用调制器产生的带限信号。我们所说的带限信号就是频带有限信号，本来不包括一般的数据信息，但是若将数据信息采用数字调制方法调制后得到的信号，也属于带限信号。所采用的输入信号，既可以是数字信号，也可以是连续信号。

本发明的传输方法，在将各路信号的子帧装入同一复用帧各相应的时隙中时，子帧所属信号路数的序号与复用帧时隙序号的对应关系可以采用固定不变的对应关系，也可以按双方约定的变化规则逐帧地改变此对应关系。

与现有方法相比，本发明的传输方法具有如下优点：

1)明显地提高了信道的频率利用率：仍以前述PCM基群的时分复用传输为例，采用本发明的方法在连续信道传输所需带宽为160kHz，只相当于用现有时分复用方法结合QPSK调制解调方法所需带宽(1.36MHz)的1/8.5。若可牺牲时延采用更长的子帧，传输带宽可进一步减小，直至128kHz。

2)本发明的传输方法，分路时对帧同步精度要求比现有方法低得多，由于子帧划分是以相互搭接的形式划分的，接受端对子帧进行分路时即使帧头位置有多个样点的偏离，只要帧间隔正确，用分离出的子帧进行各路信号的拼接就是正确的。子帧间搭接越多，同步精度要求越低。因而不必另外传输帧同步信号，并能采用异源同步方法实现自动同步。

3)不用数字调制解调器，便于提高传输速率。

4)设备复杂度和成本明显降低。

5)按收发双方约定的规则逐帧改变信号路数序号与时隙序号的对应关系，可实现保密通信。

以下给出本发明的附图和实施例：

图1和图2给出了实现本发明传输方法的一套带限信号时分复接、分接设备的方框图。它包括两大部分：图1是复接器部分，图2是分接器部分。

图1中各方框的名称是：1-信号数字化单元1；2-信号数字化单元2；3-信号数字化单元M；4-缓存与子帧划分单元1；15-缓存与子帧划分单元2；6-缓存与子帧划分单元M；7-复用帧形成单元；8-信号连续化单元；9-控制单元。

图1中{x_i(n)，i＝1，2，……，M}是M路带限数字信号，{x_i(t)，i＝1，2，……，M}是M路带限连续信号。当输入为连续信号时，要经过信号数字化单元转化为数字信号再输入到信号缓存与子帧划分单元；当输入信号为数字信号时，直接输入到信号缓存与子帧划分单元。各路数字信号在子帧划分单元中划分为子帧后，输入到复用帧形成单元构成复用帧，形成等间隔的合路数字信号输出，或进一步输入到信号连续化单元中，转换为连续信号输出。

图2中各方框的名称是：10-信号数字化单元；11-信号缓存与帧头对准单元；12-子帧分路单元；13-信号拼接单元1；14-信号拼接单元2；15-信号拼接单元；16-信号连续化单元；17-信号连续化单元；18-信号连续化单元；19-控制单元。

图2中输入信号为y(n)和y(t)分别为接收到的合路数字信号和合路连续信号。当输入为连续信号时，要经过信号数字化单元转化为数字信号，再输入到信号缓存与帧头对准单元；当输入信号为数字信号时，直接输入到信号缓存与帧头对准单元。对准帧头后，输入到子帧分路单元进行分路，然后将各路信号的子帧输入到信号拼接恢复单元，恢复各路数字信号输出，或进一步输入到信号连续化单元转换为连续信号输出。两个图中的控制单元都是控制各个单元按正确的步骤和参数进行。[实施例1]基群PCM话音信号的BLS-TDM传输：

参照CCITT的G.732建议，采用本发明可构成一种30/32路PCM话音的BLS-TDM时分多路复用传输体制，其基本参数如下：

话音带宽              0.3-3.4kHz

通道数(每帧时隙数)    32路，第0路为帧同步信号，第1

                      路为信令，其余30路为用户话

各路信号采样频率      f_i＝8kHz i＝0，1，2，3，…，31

保护间隙的样点数      L_s＝12

帧间隔：              L_i＝80个样点，即T＝L_i/f_i＝10毫秒

子帧重叠样点数：          D＝20

合路数字信号D/A转换速率： 358,400k个样点/秒

接收端对合路信号采样频率：358.40kHz

工作原理如下：输入的各路信号(包括一路为QPSK调制的信令信号)分别经3.4kHz带宽的防混低通滤波，用8kHz采样率数字化为数字信号(线性采样)，用一个上底为100个样点，下底为124个样点的梯形窗函数，滑动地截取各路信号，每一子帧得到一个短时信号，窗函数的滑动间隔即为80个样点。然后将同一时间各路信号(不包括第0路)的短时信号以100个样点为平移间隔进行叠接相加，即得到31路信号的复用帧，其中每两个相邻时隙已并装入了12个样点的过度信号段。再加上112个帧头样点，便构成了一个完整的复用帧，共有112×32＝3584个样点。现在要在10毫秒发送一帧，因此D/A转换速率为358,400个样点/秒，后跟一个带宽为160kHz的低通滤波器进行平滑。112个样点的帧头信息的前部和后部各有26个值为零。中间60个样点取一个其自相关函数尽可能尖锐，而其带宽不超过160kHz的随机序列。信令信道为QPSK调制信号，载波频率取2kHz，数码率取2.4kHz，此处采用较低的频率利用系数，目的是使QPSK解调尽可能简单可靠。在接收端进行数字分路时，首先用相关检测法对准帧头，然后在每个子帧中部取80个数据，各路分别拼接恢复出其数字信号，再经8kHz的D/A变换和相应的平滑滤波，输出各种话音信号。信令信道还需用QPSK解调器解出其信令数据信息。[实施例2]以BLS-TDM群路接入的TDMA/TDM数话兼容卫星通信***：

该***以常规TDMA/TDM***(上行时分多址，下行时分复用，星上透明转发)为基础，结合实施例1所述BLS-TDM复接分接方法，实现带限信号的两级时分复用。该***只需两个36MHz带宽的星上透明转发器，即可构成6,000对双向话音通道，其基本原理和主要参数如下：

上行为TDMA方式接入，帧率为100帧/秒，每帧有200个时隙，每个时隙宽度为40微秒，相邻两时隙留有10微秒保护间隙。各个地面站按实施例1所述方法构成30/32路体制的BLS-TDM群路信号，对于此合路数字信号，逐帧地以73.3×10⁶个样点/秒的速率进行D/A变换和相应的平滑滤波，转换为连续信号，并上变频到射频，每隔10毫秒在指定的每一40微秒的时隙内各发送一帧。各个群路信号占据不同的TDMA时隙，经星上透明转发，下行即为200个BLS-TDM群路的时分复用信号，或称为BLS-TDM-TDM合路信号。地面站收到这样的两级时分复用接信号后，先在帧同步***控制下找到主帧帧头，然后采用相关法搜索到各站群路信号的分帧头，并按BLS-TDM分接方法在相应的时隙中取出各路信号的子帧，拼接恢复出各路数字信号，再分别用8kHz的D/A变换器转换为连续话音信号。对于每个群路的信令信道采用QPSK解调器解出其数据信息。每个地面站允许发送或接收一个或多个这样的群路信号，由网络管理***按需分配信道。[实施例3]基于BLS-TDM体制的超短波广播和通信***：

众所周知，超短波音频广播和通信一般都只能采用调频方式，这是因为调幅方式相对频带太窄，很难进行调谐和稳定地接收。调频方式虽然能获得很大的信噪比改善，但使容量降低数倍。采用BLS-TDM体制，将多路带限信号进行时分复接，使频带展宽5倍左右再进行传输，就可使容量扩大而仍能正常接收。也可先用BLS-TDM方式将多路信号进行时分复接，再用调频方法调制到射频上进行传输。这样既可保证具有高的信噪比，又能使容量扩大，还能抗信道非线性畸变。这里的关键环节就是采用本发明的带限信号时分复接/分接方法，具体的设计参数可根据应用目标而定。[实施例4]多路遥测信号的BLS-TDM传输：

设有M路连续信号，其带宽分别为不b₁，b₂，…，b_M，根据奈奎斯特准则分别设计相应的防混叠滤波器，计算A/D变换采样频率：f₁，f₂，…，f_M。每路采用不同宽度的短时窗，但取相同的镶边宽度L_s，子帧间过渡段样点数就是L_s，各路信号的子帧间隔分别为L₁，L₂，…，L_M个样点，并使：

L₁/f₁＝L₂/f₂＝...＝L_i/f_i＝...＝L_M/f_M＝T    (5)其中T表示一帧的时长。帧同步头长度取L_h，数字复接以后的子帧间隔分别为：L₁＋D，L₂＋D，…，L_M＋D，其中D表示每两个相邻子帧矩形窗重叠部分样点数，于是对数字复接以后合路信号以f_s的速率进行D/A变换，并进行相应的平滑滤波，其中f_s为： $f_s=(L_h+L_s+M.D+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i)/T------\left(6\right)$ 合路信号转换为连续信号在信道中传输后，接收端将其以f_i采样速率转换为数字信号，然后用相关法搜索帧同步头位置，再在各相应时隙取出L_i个信号样点，分别拼接恢复各路数字信号，如有必要再转换为连续信号。这就实现了M路不同带宽的连续信号的时分复用传输。[实施例5]多光谱遥感图象信号的BLS-TDM传输***：

设有M个波段的多光谱强感图像数据，每个波段各一幅图像，以逐行扫描方式变为一维数字信号，每行回扫间隔中带有行同步信号。将这M路一维信号按BLS-TDM方式进行复接，帧周期取一个行扫周期，每路信号一个行发周期作为一个子帧，每路各取一相应子帧并加上帧和了帧间保护间隙即构成复接帧、形成合路数字信号，然手以适当速率f_s作D/A变换和平滑滤波将它转化为连续信号，再上变频到射频发送。接收端将收到的信号下变频到基带后，进行防混叠滤波，并以nf_s(其中n＝2或3)采样率将其重新变为数字信号，用相关法搜索帧头，按本发明的BLS-TDM法恢复各路一维数字信号。所恢复的数字扫描图像信号，其回扫间隔中已饮食有行同步信号，本可以用于得构图像，但为了行同步有更高精度，以保证水平方向各行的像素位置不发生偏差，进一步进行精确的行同步校正，所恢复的数字扫描图像的采样率相当于原信号采样率的n倍，这为行同步的精确校正创造了条件。行同步校正方法是采用相关检测法检测每个行扫间隔的行同步信号位置，并在整幅图像中求统计，得到精确的行同步位置，再以此为准用n∶1的抽样法将采样率降低到原来的水平，重构各通道的图像。如果时延和缓存允许，帧长可以选为整帧图像，可得到更高的频率利用系数。[实施例6]基于星上FDM/BLS-TDM转换的卫星通信***：

各卫星地面站上行以FDMA(频分多路)接入。一个转发器36MHz的频带范围划分为2,048个等宽间隔，每个间隔传输一路带宽约16kHz的连续信号，允许提供一路单向调频话音信号或带宽不超过16kHz的数字调制信号，这可采用QPSK或其它数字调制方法将数据信息进行调制而得到。每个地面站可以发送一咱或多路这样的连续信号，由网络管理***按需分配信道。在星上对于每个转发器收到的FDMA信号，下变频到基带(0--36MHZ)，经变速A/D变换转换为数字信号，然后用多相阵列FFT法进行频分分路，然后采用本发明所述的BLS-TDMA方法进行时分复接，所得合路连续信号经上变频器转换到射频向下发送。地面站接收端采用本发明的BLS-TDM分接方法进行分路得到各路基带信号，输出信号若为数字调制信号则采用相应的数字解调方法解出数据信息，若为调频话音信号则将其上变频到合适的载频再用鉴频器解出话音信号输出。

Claims (3)

1.一种带限信号时分多路复用传输方法，在发送端将输入的各路带限数字信号分别输入到信号缓存与子帧划分单元(4)、(5)、(6)，或先将输入的各路带限连续信号分别经信号数字化单元(1)、(2)、(3)转换为数字信号后输入到信号缓存与子帧划分单元(4)、(5)、(6)，并将各路数字信号按固定的时间间隔T划分为子帧，并在复用帧形成单元(7)中将同一时间各路信号的子帧分别输入到同一复用帧各相应的时隙中，每帧加一帧头，并将一帧信号样点在时间间隔T内等间隔地排列、逐帧输出，即形成时分多路复接数字信号，进而将此数字信号在信号连续化单元(8)中转换为连续信号，形成合路的连续信号进行传输；该信号经信道传输到接收端后，在信号数字化单元(10)中重新转换为数字信号，在信号缓存与帧头对准单元(11)中搜索到各帧帧头后，在子帧分路单元(12)中从各相应的时隙取出各路信号的子帧，分别由拼接单元(13)、(14)、(15)拼接，恢复出各路数字信号进行输出，或再经信号连续化单元(16)、(17)、(18)转换为连续信号输出，从而实现时分多路分接，其特征在于：

1)发送端将输入的各路带限信号分别地由信号数字化单元转换为数字信号，其防混叠滤波器的带宽和采样频率f_i，i＝1，2，…，M根据采样定理和每一路的信号有效带宽分别确定，M为输入信号的路数；

2)发送端将各路数字信号以相互搭接的方式划分为子帧，即前一子帧信号的后部有D个样点在后一子帧的前部重复出现，而在接收端拼接恢复各路数字信号时，丢弃这D个重复出现的多余数据；

3)在复用帧形成单元中，既将各路信号的子帧输入到相应的时隙，又向相邻时隙之间的保护间隙中输入一段反映相邻子帧信号平滑地过渡的信号，这段信号由二者之加权和求得，即第i帧信号x_i(n)和第i＋1帧信号x_i＋1(n)之间的过渡段信号为：

y(n)＝x_i(n)·w_i(n)＋x_i＋1(n)·w_i＋1(n)n＝1，2，……，L_s

其中权函数w_i(n)的值由1逐渐减小到0，而w_i＋1(n)的值由0逐渐增加到1，并满足：w_i(n)＋w_i＋1(n)＝1，n＝1，2，……，L_s，这里L_s表示保护间隙的样点数；

4)在发送端的信号连续化单元中，采用D/A变换器和平滑滤波器将复接好的数字信号转换为连续信号，其D/A转换速率为： $f_s=(L_h+M\·L_s+M\·D)/T+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σfi}}}$ 式中L_h为复用帧帧头样点数，L_s、D和T的定义与前面相同；或者把复接好的数字信号先用一种保持信号频谱不变的内插法将信号的速率提高n倍，n为整数，再以nf_s的速率做D/A变换，以上两种情况的平滑滤波器带宽都取f_s/2；

5)在接收端的信号连续化单元中，采用带宽为f_s/2的防混叠滤波器和采样频率为f_s或nf_s的A/D变换器，将收到的合路连续信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于输入的各路带限信号，采用语音信号、电视信号、扫描图像信号、由任一种传感器的输出经放大或其它处理方法所产生的信号，或用调制器产生的带限信号，都是适合的。

3.根据权利要求1中所述的传输方法，其特征在于将各路信号的子帧输入同一复用帧各相应的时隙中时，子帧所属信号路数的序号与复用帧时隙序号的对应关系可以采用固定不变的对应关系，或按双方约定的变化规则逐帧地改变此对应关系。

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