摘 要

传统通信手段大多利用正弦波作为调制载波，为探究新的短波通信策略并提高频带利用率，提出了基于椭圆球面波函数(prolate spheroidal wave function)的短波通信策略。本文先讨论了PSWF函数的定义、特性及解法。介绍了PSWF的数值解法和特征值分解法来产生波形。在产生一组或多组完备正交的PSWF函数集的基础上，进行短波通信系统的研究及仿真。在整个系统仿真完成的基础上，对传输路径不同与误码率的关系、正交子载波能量聚集性不同与误码率的关系及频带宽度与正交子载波的传输特性进行了研究。仿真结果及理论研究表明传输路径增加使频带利用率增加，提升子载波能量聚集性可提高系统可靠性，对于一定的带宽，正交子载波集存在极限值。而且除此之外，基于PSWF的非正弦短波通信策略频带利用率比较高，可快速接近的香农理论极限值，频带利用率、误码率性能等性能都优于OFDM技术。

关键词：PSWF,短波通信，频带利用率

Abstract

The traditional communication strategies often utilize sine wave as the carrier in modulation.We proposed a non-sinusodial communication based on PSWF in HF channel in order to search for new communication strategy in HF channel and enhance the bandwidth efficiency.In this paper,we first introduce the definition,properties and solution of PSWF.In addition,the Numerical solution and Eigenvalue decomposition method to produce the wave form also involved.Then we commence on the study and simulation of the communication system based on one or more groups of orthogonal PSWFs.After the complete of the system,we study on the factors related to the bit error rate ,such as the number of transmission route ,the energy aggregation of the sub-carrier.The result of simulation and theoretical analysis indicated that the increase of transmission route can upgrade the bandwidth efficiency,the increase of the energy aggregation of the sub-carrier can improve the reliability of the system and for an constant bandwidth ,there is a limit on the orthogonal PSWFs.In addition,the non-sinusodial communication strategy based on PSWF in HF channel possess a high bandwidth efficiency,and will get to the theoretical threshold at quickly.Besides it’s bandwidth efficiency,Peak to average power ratio and bit error rate are better than OFDM.

Keywords: PSWF , HF channel , bandwidth efficiency

目 录

1 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 基于PSWF的非正弦短波通信系统的研究现状 2

1.3 本课题的主要研究内容 3

2 基于PSWF的非正弦短波通信系统的相关原理研究 4

2.1 PSWF基本原理 4

2.1.1 PSWF定义 4

2.1.2 PSWF脉冲产生原理 5

2.2 基于PSWF的短波通信基本原理 9

2.2.1 短波通信概述 9

2.2.2 基于PSWF的短波通信原理 10

2.2.3 调制解调原理 11

2.3 PSWF能量聚集性研究 12

3 基于PSWF的非正弦短波通信系统的设计与实现 15

3.1 系统方案设计 15

3.2 PSWF波形设计 16

3.3 调制解调方案设计 17

3.4 仿真实现及分析 18

3.4.1 PSWF正交脉冲组产生 18

3.4.2 通信系统仿真 20

4 总结和展望 25

4.1 论文的工作总结 25

4.2 研究工作展望 25

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

现代通信系统中，各种新型的无线电系统层出不穷，但作为一种传统的通信方式，短波通信依旧发挥着巨大的作用，没有被时代所淘汰，反而还在不断焕发活力得到进一步的发展。这是因为它有着许多其它通信系统不具备的优点。

首先，短波这一通信手段对通信设备的依赖程度很小，在某些极端情况下，例如战争或自然灾害等，依然可以实现通信的功能。而除短波外的其他通信方式都有着这一致命的弱点。其次，在一些自然条件比较恶劣的地方，超短波无法覆盖，只能依靠短波进行通信；此外，与昂贵的卫星通信相比，利用短波进行通信不用支付费用，而且运行成本非常低。总的说来，利用短波进行通信具有传输设备简便，成本低廉并且具有优良的抗毁坏性质，在军事领域和自然灾害发生场合具有重要的意义。

在通信系统中，无线电频谱可以说是有限的自然资源，因此对具更高频带利用率的通信策略进行研究不仅具有学术研究意义，而且还有着重要的现实意义。现代数字调制为获取较高的频带利用率，通常采用两种方法^[1]。第一种是增加信号空间星座点数，即采取多进制调制手段，如多进制相移监控（MPSK），多进制正交振幅调制（MQAM）。多进制调制的缺点在于它牺牲了系统的功率效率而获得较高的频带利用率。第二种则采用频谱混叠技术。如高效的正交频分复用（OFDM），OFDM方式中各子载波重叠50%，并且保持相互正交，可以有效提高系统频带利用率。但该方法中存在调制后的信号能量聚集性较差，频带利用率提升的比较缓慢等问题。

自从LC谐振电路问世以来，正弦波函数一直作为无线通信系统的主流调制载波。其原因主要有两点^[2]：其一是基于正弦波谐振的LC谐振电路具有线性时不变性，实现起来比较简单，且频率可控。二是根据傅里叶变换相关的理论可知，采用正弦波对传输信号进行调制时，可以将信号的频谱进行搬移，将低频带的需要传输的信号的频谱方便的搬移到易于在信道中传输的高频信号，就实现了无线电通信。利用正弦波作为载波的通信系统设计过程一般为：首先根据需求的通信指标将是域波形设计出来，在频域中使用频率高的正弦载波进行调制，实现频谱搬移。为提高调制效率，采用滤除边带的单边带传输和将信道多路复用的策略。然而，这种通信系统设计方法的不足之处在于，利用正弦波进行调制所得到的已调信号通常是非带限的并且可能不能满足无线电频谱管理关于电磁辐射的要求，解决这一问题就需要滤波器进行滤波，这样就造成了信号时域波形无可避免的产生失真，从而引入了码间干扰，系统的抗干扰能力显然也降低了，同时，系统功率的利用率也会因为滤除了带外信号而下降；另外，由于一些现实的外界因素的限制，以正弦函数为调制载波的通信系统无码间干扰时的可达到的最大的单位频带利用率由香农定理中的理论极限值2 bit/s·Hz^-1一般会降低至1.4～1.8 bit／s·Hz^-1，这一缺陷是正弦载波通信体制与生俱来的。