连续频谱随机信号载波通信方法

摘要

本发明公开了一种连续频谱随机信号载波通信方法，包括：使噪声源产生白噪声，并采用带通滤波器将白噪声转变为预设频段内的宽带噪声；利用运算放大器对所述宽带噪声进行放大，并利用信息源对放大后的宽带噪声进行调制，得到带有信息的信号；通过检波器对所述带有信息的信号进行处理，得到初始电压信号；采用减法器与运算放大器的多级级联电路对所述初始电压信号中的噪声进行对消，得到并输出最终电压信号。该方法通过连续频谱载波调制的方式，充分利用频谱资源，实现一种超低功率谱密度的通信体制，其功率谱密度低于底噪的功率谱密度，即信噪比低于1。

权利要求

1.一种连续频谱随机信号载波通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，使噪声源产生白噪声，并采用带通滤波器将白噪声转变为预设频段内的宽带噪声，其中，通过统计无线电理论与时频分析的思想，由所述白噪声的功率谱密度反推其频谱是连续频谱；

步骤S2，利用运算放大器对所述宽带噪声进行放大，并利用信息源对放大后的宽带噪声进行调制，得到带有信息的信号；

步骤S3，通过检波器对所述带有信息的信号进行处理，得到初始电压信号；

步骤S4，采用减法器与运算放大器的多级级联电路对所述初始电压信号中的噪声进行对消，得到并输出最终电压信号，其中，采用减法器与运算放大器的多级级联电路对信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声进行处理，对消所述环境噪声和所述接收机的热噪声，得到所述最终电压信号。

2.根据权利要求1所述的连续频谱随机信号载波通信方法，其特征在于，所述初始电压信号包括信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声。

3.根据权利要求1所述的连续频谱随机信号载波通信方法，其特征在于，所述初始电压信号为：其中，vn1(t)为初始电压信号，A(t)n(f,t)为频率从f1到f2的带限信号，A(t)为调制信号，m为接近统计均值乘以带宽的常数。

4.根据权利要求1所述的连续频谱随机信号载波通信方法，其特征在于，所述最终电压信号为：vn2(t)＝mA(t)+mT0+mT1

其中，vn2(t)为最终电压信号，A(t)为调制信号，m为接近统计均值乘以带宽的常数，mT0为环境噪声，mT1为接收机的热噪声。

说明书

连续频谱随机信号载波通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及载波通信技术领域，特别涉及一种连续频谱随机信号载波通信方法。

背景技术

[0002] 现行无线通信体制中，基带的信源信号如果未经过调制，其频率很低，无法进无线传输，所以需要用基带信号对载波进行调制，使其搬移到载波的射频频谱上，进行无线传输，根据载波的不同形式，通信系统的调制方式可以分为连续波调制和脉冲调制，这两种调制方式，分别采用正余弦连续波和数字脉冲波作为载波。

[0003] 连续波调制技术通过信源信号对载波的幅度，频率，相位进行控制来传递信息，这是现有通信体制中应用最广泛的一种调制方式。脉冲调制技术采用数字脉冲作为载波，具体可采用脉冲幅度调制(PAM)，脉冲宽度调制(PWM)，脉冲间隔调制(PPM)来携带信息，例如在短距无线传输和室内精确定位中广泛应用的超宽带通信采用的就是脉冲调制。

[0004] 但是无论上述哪种通信体制中，所谓的连续波的概念指连续时间信号，信号的射频频谱均为离散频谱，即在不考虑信道噪声的情况下，每个确定的时刻，只有几个频率上有幅度，其他频点幅度为零，例如在连续波调制通信技术的调幅、调相、调频模式下，射频频谱是载波频率与调制频率的组合，在频域中是这些频点的组合构成了离散频谱。

[0005] 采用脉冲调制的超宽带通信技术，是利用纳秒至微秒级的窄脉冲传输数据，这种脉冲信号在时域和频域上都是离散的，其射频频谱是以脉冲周期的倒数为频率间隔，脉冲宽度的倒数为频带宽度的多条离散频谱序列。

[0006] 离散频谱只是利用了频域中的某些频点，还有频域中的很多频点没有得到充分利用，从信号的功率谱上看，信号的总射频功率是各个离散频点的功率之和，所以例如超宽带通信的频谱带宽虽然很宽，并且由于其多条离散频谱序列的存在一定程度上降低了其功率谱密度，但是对于频谱的利用率仍然不高，其功率谱密度也不够低。

[0007] 如果在频域中能利用每一个频点，形成连续频谱，则会充分利用频域资源，提高对频谱的利用率，同时功率谱密度会显著降低，极低的功率谱密度带来的是极强的信息传输隐蔽性，而且利用连续频谱的超低功率谱密度体制进行射频传输，不会对现有体制通信系统产生任何干扰，只是相当于环境噪声略有提高，因此本发明提出了一种连续频谱通信新体制。

发明内容

[0008] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0009] 为此，本发明的一个目的在于提出一种连续频谱随机信号载波通信方法，该方法充分利用频谱资源，且功率谱密度低于底噪的功率谱密度。

[0010] 为达到上述目的，本发明实施例提出了连续频谱随机信号载波通信方法，包括以下步骤：使噪声源产生白噪声，并采用带通滤波器将白噪声转变为预设频段内的宽带噪声；利用运算放大器对所述宽带噪声进行放大，并利用信息源对放大后的宽带噪声进行调制，得到带有信息的信号；通过检波器对所述带有信息的信号进行处理，得到初始电压信号；采用减法器与运算放大器的多级级联电路对所述初始电压信号中的噪声进行对消，得到并输出最终电压信号。

[0011] 本发明实施例的连续频谱随机信号载波通信方法，对现有通信进行了理论和技术革新，区别于现有所有通信体制，采用真正的连续频谱随机信号作为载波，具有极低的功率谱密度，大大增强了通信的隐蔽性，射频隐身效果优于扩频通信，对现有通信体制不产生干扰，因此可供选择的频谱资源十分丰富，这一点可以大大提高连续频谱通信技术的传输速度，连续频谱通信技术在无需改动现有通信系统的基础上，可成为现行无线通信技术中的一个重要补充；另外，接收机部分采用的提高传感器灵敏度的方法，让这样极低功率谱密度的信号传输接收解调成为可能，甚至能提高传输距离，具有极大的军用民用价值；同时，通过接收机的噪声对消可以实现信噪比低于1的信号检测解调，对通信系统接收机来说是重大创新；换言之，本发明实施例经过信号的产生，调制，接收，解调等环节实现了超低功率谱密度的连续频谱随机信号载波通信。

[0012] 另外，根据本发明上述实施例的连续频谱随机信号载波通信方法还可以具有以下附加的技术特征：

[0013] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述白噪声为连续频谱，通过统计无线电理论与时频分析的思想，可以由所述白噪声的功率谱密度反推其频谱是连续频谱。

[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初始电压信号包括信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声。

[0015] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初始电压信号为：

[0016]

[0017] 其中，vn1(t)为初始电压信号，A(t)n(f,t)为频率从f1到f2的带限信号，A(t)为调制信号，m为接近统计均值乘以带宽的常数。

[0018] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S4具体为：采用减法器与运算放大器的多级级联电路对信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声进行处理，对消所述环境噪声和所述接收机的热噪声，得到所述最终电压信号。

[0019] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述最终电压信号为：

[0020] vn2(t)＝mA(t)+mT0+mT1

[0021] 其中，vn2(t)为最终电压信号，A(t)为调制信号，m为接近统计均值乘以带宽的常数，mT0为环境噪声，mT1为接收机的热噪声。

[0022] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0023] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0024] 图1是本发明一个实施例的连续频谱随机信号载波通信方法的流程图；

[0025] 图2是本发明一个实施例的噪声信号时频示意图；

[0026] 图3是本发明一个实施例的信号的超低功率谱密度与环境噪声功率谱密度示意图；

[0027] 图4是本发明一个实施例的噪声信号的瞬时频谱图；

[0028] 图5是本发明一个实施例的调制后的信号A(t)n(f,t)功率谱密度示意图；

[0029] 图6是本发明一个实施例的发射机系统框图；

[0030] 图7是本发明一个实施例的接收机系统框图。

具体实施方式

[0031] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0032] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的连续频谱随机信号载波通信方法。

[0033] 图1是本发明一个实施例的连续频谱随机信号载波通信方法的流程图。

[0034] 如图1所示，该连续频谱随机信号载波通信方法包括以下步骤：

[0035] 在步骤S1中，使噪声源产生白噪声，并采用带通滤波器将白噪声转变为预设频段内的宽带噪声。

[0036] 进一步地，在本发明的一个实施例中，白噪声为连续频谱，通过统计无线电理论与时频分析的思想，可以由白噪声的功率谱密度反推其频谱是连续频谱。

[0037] 具体而言，本发明实施例中采用噪声源发出的随机信号作为载波，即白噪声，如图2所示，白噪声是一个在时域和频域都是随机的信号。需要说明的是，虽然白噪声只是一种理想化的模型，但实际上，当本领域技术人员所研究的随机过程，在比所考虑的有用频带宽得多的范围内具有均匀的功率谱密度时，就可以把随机信号当做白噪声处理。

[0038] 进一步地，由于采用随机噪声信号作为载波，其射频频谱是真正的任意时刻的连续频谱，因为随机噪声信号是指功率谱密度均匀分布在频带内的信号，所以对应每一个瞬时时刻，其瞬时频谱都是连续的，由于随机信号不是确定信号，分析该信号时不能采用传统对时域信号取傅里叶变换后再分析频谱的方式，本发明实施例应用统计无线电理论与时频分析的思想，由白噪声的功率谱密度反推其频谱，得出结论白噪声的频谱是连续谱的结论，不是把信号的时域和频域分割开分析，而是把信号的时间和频率两个维度放在一起分析，通过对平稳随机过程对频域积分将二维时频信号降维成时域信号进行解调，从而获得具有这种任意时刻的连续的频谱，实现了对现有通信体制做出的改进。

[0039] 可以理解的是，由于信号的射频频谱为连续频谱，将信号的功率分布在整个频带内，极大的降低了单位频点的功率谱密度，低于现有任何的通信手段，超低的功率谱密度一方面带来了广阔的应用前景，如射频隐身，低干扰高速无线通信等，从应用的角度考虑，信号谱密度信号越低，其射频隐身效果越好，虽然这种功率谱密度远低于底噪，而且信噪比低于1，但是其传输信号在对频带内频率求积分后得到的信号瞬时功率并不低，因此理论上传输距离并不受影响，但是隐藏在环境噪声之下的超低功率谱密度也对接收机提出了新的挑战，对此本发明实施例提出了一种提高接收机灵敏度的方法，可以极大的提高接收机对微小信号的分辨率，实现对超低功率谱信号的接收识别，还能够提高通信距离。

[0040] 具体为：因本发明实施例将噪声信号作为信号载波，噪声信号是一个分布在全频带内的平稳随机过程，理论上其因为功率无限大而不存在傅里叶变换，所以对随机信号的频谱分析不能采用和传统信号一样的分析方式，而是引入统计无线电的理论，分析过程如下：

[0041] 根据傅里叶变换的知识，本领域技术人员知道一个函数s(t)如果能进行傅里叶变换即：

[0042]

[0043]

[0044] 成立，则函数s(t)必须满足下列条件

[0045]

[0046]

[0047] 如果s(t)代表电压，则上式说明要求这个信号的总能量是有限的。

[0048] 但是对于一个随机过程x(t)来说，显然不满足上述条件，因为一个随机过程的持续时间是无限长的，所以总能量不是有限的。但是尽管随机过程的总能量是无限的，但是它的平均功率是有限的。

[0049]

[0050] 若x(t)代表电压或电流，则P代表过程x(t)消耗在1欧姆电阻上的平均功率，因此本发明实施例研究随机过程的功率谱是有意义的。

[0051] 另x(t)代表随机过程x(t)的一个样本函数，在本发明实施例在x(t)中，任意截取长为2T的一段，记为xT(t)

[0052]

[0053] 对于这样一个持续时间为有限的xT(t)来说，它的傅里叶变换是存在的[0054]

[0055]

[0056] XT(ω)就是xT(t)的频谱函数，由于xT(t)是一个随机函数，没有确定的表达式，所以其频谱函数XT(ω)也是一个没有确定表达式的随机函数。

[0057] 由于xT(t)是随机过程的一个样本函数，它取决于试验结果，而试验结果究竟取哪个样本函数具有随机性，因此XT(ω)和xT(t)也都是试验样本的随机函数。

[0058]

[0059] 所谓信号的功率谱密度是这样一个频率函数：(1)当在整个频率范围内对它进行积分后，就给出了信号的总功率；(2)它描述了在各个不同频率上功率分布的情况。

[0060] 上式中 正具备了上述特性。它表示随机过程的一个样本函数x(t)在单位频带内消耗在1欧姆电阻上的平均功率。因此本发明实施例把它称为样本函数x(t)的功率谱密度函数，并用Gx(ω,ξ)表示，即

[0061]

[0062] 在上式Gx(ω,ξ)和XT(ω,ξ)中引入了符号ξ，表示它们是试验结果ξ的函数，即它们都是随机函数。

[0063] 将上式对所有样本取统计平均，可得到

[0064]

[0065] 此时Gx(ω)已经是ω的确定函数而不在具有随机性了。本发明实施例把Gx(ω)定义为随机过程x(t)的功率谱密度函数。

[0066] 本发明实施例采用随机信号即白噪声作为载波，而白噪声载波的一个重要特点就是，白噪声是一个具有各态历经性的平稳随机过程，其概率密度不随着时间起点的不同而改变。

[0067] 对所有样本取统计均值这一操作在现实条件下难以实现。针对这一问题数学家辛钦提出：在具备一定的补充条件下，对平稳随机过程的一个样本函数取时间均值(观察时间足够长)，就从概率意义上趋近于该过程所有样本的统计(集合)均值。对于这样的随机过程，说它具备各态历经性或遍历性。

[0068] 随机过程的各态历经性，可以理解为随机过程的各个样本都同样的经历了随机过程的各种可能状态，所以，从随机过程的任何一个样本就可以得出随机过程的全部统计信息任何一个样本的特性都可以充分地代表整个随机过程的特性。

[0069] 具有各态历经性的随机过程就成为各态历经过程，对于一个各态历经过程可以用以下公式去计算它的数学期望：

[0070]

[0071] 所以

[0072]

[0073] 随机过程的各态历经性具有重要的实际意义。要从大量样本中用统计方法求过程的数学期望和相关函数，存在着实际困难，而利用过程的各态历经性质，则可以选择一个样本，在不变的条件下对其作长时间的记录，然后用求时间平均的方法，求出数学期望和相关函数，这就使工作大大简化。对随机过程的观察时间总是有限的，因此用上式取时间平均时，只能用有限长的时间代替无限长的时间，这就会给结果带来一定的误差，但只要取的时间足够长，就可以满足实际要求。

[0074] 白噪声的定义为若一随机过程n(t)，他的功率谱密度均匀分布在整个频率区间，即

[0075]

[0076] 则称n(t)为白噪声。上面定义的白噪声理论上是不能存在的，因为上式定义的信号平均功率是无限的，而实际随机过程总有有限的平均功率，实际上，当所研究的随机过程在比所考虑的有用频带宽的多的范围具有均匀的功率谱密度时，就可以把它当做白噪声来处理。

[0077] 对于一个白噪声，n(t)表示信号的电压，在一个足够长的有限采样时间2T里，根据白噪声的定义，其功率谱密度为一个常数N0/2，可以求出其频谱XT(ω)：

[0078]

[0079] 是一个常数，经过白噪声的功率谱密度反推其频谱，证明了白噪声的频谱是一个真正的连续频谱。

[0080] 经过滤波器滤波之后功率谱密度为

[0081] Gx(ω)＝1/2N0 f1<ω

[0082] 由于连续频谱随机信号在频率上是一个连续信号，信号的功率等于

[0083]

[0084] B＝f2‑f1

[0085] 上式可以看出，当发射功率P一定时，带宽B越宽，信号的功率谱密度1/2N0会越低，当信号带宽为1GHz时，对比单一频谱的离散频谱通信，信号的功率谱密度将下降109倍，即‑90dB。如此低的功率谱密度将信号完全隐藏在环境噪声之中，信噪比低于1，如图3所示。

[0086] 白噪声是一个平稳随机过程，其信号在时间上和频率上都是随机信号，其概率密度不随着时间和频率起点的不同而改变，而且具有各态历经性，本发明实施例提出把白噪声表示为一个二维平稳随机过程，表示信号对每个确定时刻在确定的频率上的功率。此二维随机信号在频率f上也具有各态历经性，所以如果对二维信号n(f,t)的f求统计均值，相当于对信号降维，变为一个常数m与n(t)的乘积：

[0087]

[0088] 上式代表每个时刻对应的信号功率。经过上述分析，证明了采用噪声随机信号载波实现低功率谱密度发射，实现接收信噪比低于1的理论分析与可行性，即随机噪声信号在其频谱在任意时刻都是覆盖整个带宽的连续频谱，将信息调制在连频谱载波上，就可以得到超低功率谱的连续频谱射频信号，如图4所示。

[0089] 在步骤S2中，利用运算放大器对宽带噪声进行放大，并利用信息源对放大后的宽带噪声进行调制，得到带有信息的信号。

[0090] 具体地，如图5所示，发射端噪声源产生白噪声，经过带通滤波器后变为所需的某频段内的宽带噪声n(f,t)，被信息源产生的信号A(t)调制，在经过放大后变为带有信息的信号A(t)n(f,t)，则输出的信号A(t)n(f,t)功率谱密度极低，从而隐藏在周围的环境噪声中。

[0091] 接下来，现有技术的接收机信号处理部分都是在数字采样之后做数字信号处理，但是由于本发明实施例提出的连续频谱噪声载波通信技术，其信号具有极低的功率谱密度，比环境噪声低得多，信号十分微弱，在采样A/D转换过程中微小的误差也会对信号产生破坏导致不能解调，所以本发明实施例提出的超高灵敏度接收机是在检波器之后，直接对模拟信号进行处理，提高信号的分辨能力，即设计了一种极大提高接收机灵敏度的方式，具体如下：

[0092] 在步骤S3中，通过检波器对带有信息的信号进行处理，得到初始电压信号，其中，初始电压信号包括信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声。

[0093] 举例而言，根据上述理论分析，接收机部分信号通过检波器相当于对频率求积分，对于一个频率从f1到f2的带限信号A(t)n(f,t)，对频率积分，由于白噪声在频率上也是平稳随机过程，具有各态历经性，带宽越宽，频率积分结果就越接近统计均值(数学期望)乘以带宽，可近似为一个常数m，所以检波器输出的初始电压信号为：

[0094]

[0095] 信号经过检波之后输出一个电压信号vn1(t)，通过对该电压信号的后续处理就可以还原出被测量量。

[0096] 在步骤S4中，采用减法器与运算放大器的多级级联电路对初始电压信号中的噪声进行对消，得到并输出最终电压信号。

[0097] 具体地，实际上检波器输出部分不仅是对信号频率积分，还包括环境噪声NT0和接收机系统的热噪声NT1，这两部分噪声也是白噪声，所以通过检波器输出为也近似为其频率上的统计均值(数学期望)乘以带宽，表示为常数mT0，mT1。最终的检波器输出可以表示为：

[0098] vn2(t)＝mA(t)+mT0+mT1

[0099] 其中，vn2(t)为最终电压信号，A(t)为调制信号，m为接近统计均值乘以带宽的常数，mT0为环境噪声，mT1为接收机的热噪声。

[0100] 本发明实施例的接收机采用减法器与运算放大器的多级级联电路在检波器后对信号频率积分、环境噪声和接收机的热噪声进行处理，提高模拟信号的动态范围，即检波器输出电压信号的变化量，对消噪声，直接提高了系统对信号的分辨能力，将系统噪底mT0，mT1对消，突出待检测信号，提高了接收机灵敏度，如图6所示，检波器输出的电压信号即为后续电路的输入信号，该信号依次通过多级减法器、运算放大器后输出。

[0101] 如图7所示，本发明实施例所提出的提高传感器灵敏度的方法的工作原理为：信号通过检波器输出为一个电压信号，该电压信号又作为输入信号输入到减法器与运算放大器的级联电路中，最后得到的信号经过模数转换与计算机程序处理就可以得到被测量量的具体数值。由于增加了减法器与运算放大器的级联电路，可以将接收机的灵敏度大幅提高。

[0102] 综上，本发明实施例提出的连续频谱随机信号载波通信方法，通过连续频谱载波调制的方式，充分利用频谱资源，实现一种超低功率谱密度的通信体制，其功率谱密度低于底噪的功率谱密度，超低的功率谱密度使信号的隐蔽性大大增强，首先使敌方发现我方通信的难度和获取我方通信频段的难度极大增加，由于本发明采用随机噪声信号的连续频谱载波，信息被分布在整个带宽范围内，敌方在不知道我方通信频段的前提下难以截获到传输的全部信息，而且随机噪声信号载波给信道中传输的信号增加了额外的不确定性，最后因为传输信号超低功率谱密度的特点，现有体制的接收机并不能分辨这种信号，所以本发明实施例采用的超高灵敏度接收机系统也对通信系统的接收机部分做出了开创性的革新，是一种无法被现有通信手段探测，截获的一种具有开创性的通信手段；

[0103] 同时，由于超低的功率谱密度，所以利用连续频谱的超低功率谱密度体制进行射频传输，在信道中只是相当于略微提高了环境噪声幅度，并不会对现有体制通信系统产生任何干扰，因此可供选择的频谱资源十分丰富，而且提出的超高灵敏度接收机新体制在实现信噪比远小于1的信号接收识别的同时还可以提高通信的传输距离，连续频谱通信技术在无需改动现有通信系统的基础上，可成为现行无线通信技术中的一个重要补充。

[0104] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0105] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0106] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。