一、引言
随着社会信息化进程的加快，人们对通信的需求越来越高，然而通信频谱是有限的，怎样更有效的使用这些有限的频谱，成为通信领域研究的焦点。普通的无线通信系统的频谱利用率一般在5bit/s/Hz以下，QAM调制可以提供很高的频谱利用率，但是却以功率的指数倍增长为代价。最近几年来，H.R.Walker等人提出了一种新的超窄带通信方式，其能够在极窄的信道带宽里进行高速率数据的传输。超窄带调制是一种非常独特的调制方式，在不扩展频谱的情况下进行数字信息的传输，可以增加20～50倍的传输能力，超窄带系统的初步定义是能够提供至少60bit/s/Hz以上的极高频谱利用率。本文简要介绍超窄带技术的原理和核心技术，并对其应用领域进行展望。
二、超窄带通信原理
超窄带通信系统的原理框图如图１所示，其核心技术是突变相位调制和零群时延滤波器。目前突变相位调制主要有最小边带键控 ( VMSK Very Minimum Sideband Keying)、脉冲位置相位改变键控(3PCK Pulse Position Phase Change Keying)、最小边带不归零（NRZMSB）等。
1．VMSK调制原理
用于VMSK调制的双相编码信号是双极性的，它的最大特点是过零点时刻随数据变化。根据编码输出每比特占用时槽固定与否区分，有两种基本的双相编码调制方式，即滑动编码和固定时槽编码。所谓滑动编码是指编码器根据NRZ码序列前后码元转换情况，使双极性码在某些倒相时刻相对与数据转换点有少量不等的超前或滞后，从而导致编码前后两个序列的每比特占用时槽宽度不一致，随着编码过程的推进两个序列的比特起止时刻产生相对滑动。为了不使同一比特在两个序列中相对时刻越滑越远，必须采取适应措施，使相对滑动距离累积到一个数量值（如一个NRZ码宽）后两个序列重新同步。固定时槽的双相编码是指编码前后两个序列每比特占用时槽带宽是相同的，NRZ码的数据取值用双极性码每比特时槽内反相时刻不同来表示。因此，随着编码过程的推进，两个序列对应比特的起止时刻始终是同步的。如果以滑动双极性码作为调制信号产生的调相波，相邻比特的载波相位+/-两个方向的变化幅度会不一致，所以相应的调制方式被称之为可变相移键控（VPSK——Variable Phase Shift Keying）调制；如果用固定时槽双相码作为调制信号去控制双频率RF调制，产生的调制信号很像GMSK或FSK信号，所以叫做VMSK调制。
VMSK调制方式分为VMSK/1和VMSK/2调制，从图２可以看出它是一种脉位调制，过零点时刻的变化可以用来携带有用信息，并可以通过测量时延来获取信息。
对于VMSK/1码，数据为1，输出在6/13反相，在13/13再次反相；数据为0，输出在7/13反相，在13/13再次反相。
如果将原固定时槽的VMSK基带信号一分为二，前后半宽脉冲各代表一个数据比特，那么它的频带利用率将进一步提高。这种双相编码调制称为VMSK/2。
VMSK/2基带编码采用非归零码(NRZ)，每个比特占用固定的时槽长度,且在每个比特周期内编码信号仅反相一次，反相时刻由比特值决定。 根据每个比特所占用时钟长度的奇偶情况，VMSK/2编码信号的反相时刻略有不同。假设在VMSK/2 编码中，每个比特占用M个时钟周期， 则当M为偶数时，对于比特“1”基带编码信号在第M/2+1时钟周期后反相，对于比特“0”基带编码信号在第M/2个时钟周期后反相。 当M为奇数时，对于比特“1”基带编码信号在第(M+1)/2时钟周期后反相，对于比特“0”基带编码信号在第(M-1)/2个时钟周期后反相。
编码规则如图４，用两个脉冲跳变的位置来携带信息，将时钟周期8等分，改变脉冲位置，分别得到跳变间隔为7、8、9等分，从而代表不同的数据。在每个数据比特当中，只有而且必须发生一次反相；如果数据前后比特是0→1，对应双相码宽度为9；如果数据前后比特是1→0，对应双相码宽度为7；如果数据前后比特无变化，对应双相码宽度为8。
用这种方法进行脉位调制以后，就可以对射频载波进行“手术”如图５，比如脉冲位置7代表“1”，在此时刻将载波的一个周期倒相360度再恢复；9代表“0”，同样倒相360度。在同步的基础上，接受端检测出这种变化，根据其位置数据1和0。
由于载波的变化只在很短的时间内，所以其频谱基本没有扩展如图６所示，频谱图中的傅立叶分量并不携带信息，而且分量很低，可以忽略不计，因此达到超窄带的效果。
但是VMSK还存在一些问题，比如“直流泄露”问题，由于在同一个符号宽度内，+1和-1所占长度不同，所以整个频谱上会有一定的直流成分存在。针对这个问题，通过提高在符号宽度内较窄的一部分的幅度，从而消除直流成份，如下图所示：
2.3PCK调制原理
脉冲位置相位改变键控（Pulse Position Phase Change Keying ） 采用直接改变载波的相位，或边带中频率的相位的办法，相对于VMSK来说减少了滤波器阶数，并提高了性能。
如图８所示基带信号，99% 的时间为1，1%时间为零。这种波形产生一个很宽的低电平采样函数sin(x)/x的频谱成分。但是没有Bessel成分。零出现的位置可以用来代表信息1或0。这就是Pulse Position Phase Change Keying ( 3PCK )。3PCK包括3PRK(Pulse Position Phase Reversal Keying)、3PSK （Pulse Position Phase Shift Keying）、MCM（Missing Cycle Modulation）。下面选用一个数据速率为1.5M比特/秒，IF为48MHz的系统进行分析，在每个比特时间内，32个载波周期中有2个被改变，一个3PRK调制的电路图如图9所示：
将图9中的异或门改变为与门或者与非门，可以将其改变为MCM调制，将电路进行一点更为复杂的变动也可以将其改变为3PSK调制。图10为MCM调制的波形图，图中为带通滤波之前的波形，可见有两个载波周期被移除。
图11为其频谱图，在载频峰值点上峰值比旁峰高大约24db。
3PSK的波形图如下，其中2个比特被频移
3PSK的频谱图
3PRK的波形图，相位被进行了180度的反转
其频谱图如下：
VMSK和3PCK看起来是相近的方式，都是调幅调制方式，携带相位反转信息，用来产生一个非常窄的射频信号。在VMSK中，边带携带信息且只有一个被传输，而在3PCK中，载波保留的同时滤除所有的边带。两种方式都需要特别的零群时延滤波器，只不过3PCK 直接使载波发生变化，而VMSK产生一个相位反转的边带
3．零群时延滤波器
超窄带调制方式，需要一种特殊的滤波器，这种滤波器针对相位或幅度突变，或针对冲击输入，具有近零群时延(Tg)。传统的积分滤波器除非具有极大带宽（低Q值），否则不能响应突发输入，而这种零群时延滤波器只对单一频率起作用，即带宽极窄。
零群时延滤波器的核心就是利用晶体的谐振特性和自差原理，下图为晶体的阻抗特性图。
在图16中a是串联谐振点，e是并联谐振点。从图中可以看出，晶体的阻抗在到达a点之间都是呈现出容性。呈现感性的部分只有a到e这么一段。而且在峰值点c，谐振晶体有一个拐点。实际电路工作在这一点时，相位变化。则由可得，此时的群时延为零。
在图17的桥接电路中，输入信号被分成两路，两路之间有180度的相移。在上面分路的晶体产生一个变化的阻抗，从而改变通过电容Cp的信号的电平。通过下一分路的信号的相位改变无失真的通过电容。
图18的‘Walker Shunt’滤波器中没有使用变压器，但是仍然使用晶体作为并联阻抗
在图19的TRS滤波器中，在拐点也就是最大相位改变角上，晶体的阻抗无穷大，而在其他频率点上，由于有巨大的容性并联阻抗，所以信号被极大的衰减。
图20为该滤波器的扫频响应图由图中可以看出，在T点群时延为零。可以使用于超窄带的滤波。
三、应用领域
由于有助于解决现在越来越严重的频谱资源紧张问题，超窄带在未来必将大有作为。其可能的用途费为民用和军用两方面。在民用方面，其可能的用途包括使用电力线传输高速数据，超高速DSL，超高速modem,CATV，移动通信和广播电台电视台等。在移动通信中，基站的发射功率很大，所以在下行可以使用超窄带的调制方式，从而可以提供高速的数据传输．与此同样的道理无线广播电台、电视台的载波功率很高，可考虑在其上利用超窄带技术调制极窄带的高速附加信息，从而可以使用信道传输更多的数据多媒体信息。
对于军事通信，超窄带技术大有用武之地。和传统通信相比，在数据率相同的情况下，采用UNB以后信号能量被浓缩在很窄的频带里，从而大大增加了抗干扰能力。另一方面，在相同的带宽内，UNB系统能提高传输速率甚至达到100倍，能够在现有信道条件下满足未来数字化战场对大容量多媒体信息传输的需求。在军事上可能的用途有：短波高速通信，采用UNB技术，在短波3kHz信道带宽内提供150kbps以上的传输速率，解决短波通信低数据率瓶颈；短波自适应猝发隐蔽通信，目前短波猝发通信只能依靠2.4kbps的Modem，传输一个100kB的文件需要7分钟，信号暴露时间很长，采用UNB技术以后只需7秒，使猝发通信真正发挥作用；战术互联网数据电台，目前的VHF数据电台最高速率可以做到384kbps，采用UNB以后，有望达到2Mbps以上，完全满足战场态势共享的需求；地域通信网的节点通信设备，将无线干线网数据率提高到52Mbps；战略卫星和战术卫星，采用UNB以后，在相同的信道带宽内将数据率提高20 ～50倍，大大提高卫星通信的传输效率。
四、结束语
目前超窄带通信本身还具有理论上的争议性，不少新的调制、解调算法也还处于理论研究阶段。不过，其目前所取得的成就，也得到了一些专家的肯定，Vodaphone的Dr W.C.Y.Lee对VMSK评价如下：“VMSK是可以使用的。它可以通过2kHz的滤波器传输48kb/s的数据流并且进行高质量的接收。实现的思路就是采用一种调制方法可以标注载波上的细微变化，以使得载波波形发生较小失真。一个没有失真的CW载波理论上只需要1Hz的滤波器带宽。”
随着社会信息化进程的加快，人们对通信的需求越来越高，然而通信频谱是有限的，怎样更有效的使用这些有限的频谱，成为通信领域研究的焦点。普通的无线通信系统的频谱利用率一般在5bit/s/Hz以下，QAM调制可以提供很高的频谱利用率，但是却以功率的指数倍增长为代价。最近几年来，H.R.Walker等人提出了一种新的超窄带通信方式，其能够在极窄的信道带宽里进行高速率数据的传输。超窄带调制是一种非常独特的调制方式，在不扩展频谱的情况下进行数字信息的传输，可以增加20～50倍的传输能力，超窄带系统的初步定义是能够提供至少60bit/s/Hz以上的极高频谱利用率。本文简要介绍超窄带技术的原理和核心技术，并对其应用领域进行展望。
二、超窄带通信原理
超窄带通信系统的原理框图如图１所示，其核心技术是突变相位调制和零群时延滤波器。目前突变相位调制主要有最小边带键控 ( VMSK Very Minimum Sideband Keying)、脉冲位置相位改变键控(3PCK Pulse Position Phase Change Keying)、最小边带不归零（NRZMSB）等。
1．VMSK调制原理
用于VMSK调制的双相编码信号是双极性的，它的最大特点是过零点时刻随数据变化。根据编码输出每比特占用时槽固定与否区分，有两种基本的双相编码调制方式，即滑动编码和固定时槽编码。所谓滑动编码是指编码器根据NRZ码序列前后码元转换情况，使双极性码在某些倒相时刻相对与数据转换点有少量不等的超前或滞后，从而导致编码前后两个序列的每比特占用时槽宽度不一致，随着编码过程的推进两个序列的比特起止时刻产生相对滑动。为了不使同一比特在两个序列中相对时刻越滑越远，必须采取适应措施，使相对滑动距离累积到一个数量值（如一个NRZ码宽）后两个序列重新同步。固定时槽的双相编码是指编码前后两个序列每比特占用时槽带宽是相同的，NRZ码的数据取值用双极性码每比特时槽内反相时刻不同来表示。因此，随着编码过程的推进，两个序列对应比特的起止时刻始终是同步的。如果以滑动双极性码作为调制信号产生的调相波，相邻比特的载波相位+/-两个方向的变化幅度会不一致，所以相应的调制方式被称之为可变相移键控（VPSK——Variable Phase Shift Keying）调制；如果用固定时槽双相码作为调制信号去控制双频率RF调制，产生的调制信号很像GMSK或FSK信号，所以叫做VMSK调制。
VMSK调制方式分为VMSK/1和VMSK/2调制，从图２可以看出它是一种脉位调制，过零点时刻的变化可以用来携带有用信息，并可以通过测量时延来获取信息。
对于VMSK/1码，数据为1，输出在6/13反相，在13/13再次反相；数据为0，输出在7/13反相，在13/13再次反相。
如果将原固定时槽的VMSK基带信号一分为二，前后半宽脉冲各代表一个数据比特，那么它的频带利用率将进一步提高。这种双相编码调制称为VMSK/2。
VMSK/2基带编码采用非归零码(NRZ)，每个比特占用固定的时槽长度,且在每个比特周期内编码信号仅反相一次，反相时刻由比特值决定。 根据每个比特所占用时钟长度的奇偶情况，VMSK/2编码信号的反相时刻略有不同。假设在VMSK/2 编码中，每个比特占用M个时钟周期， 则当M为偶数时，对于比特“1”基带编码信号在第M/2+1时钟周期后反相，对于比特“0”基带编码信号在第M/2个时钟周期后反相。 当M为奇数时，对于比特“1”基带编码信号在第(M+1)/2时钟周期后反相，对于比特“0”基带编码信号在第(M-1)/2个时钟周期后反相。
编码规则如图４，用两个脉冲跳变的位置来携带信息，将时钟周期8等分，改变脉冲位置，分别得到跳变间隔为7、8、9等分，从而代表不同的数据。在每个数据比特当中，只有而且必须发生一次反相；如果数据前后比特是0→1，对应双相码宽度为9；如果数据前后比特是1→0，对应双相码宽度为7；如果数据前后比特无变化，对应双相码宽度为8。
用这种方法进行脉位调制以后，就可以对射频载波进行“手术”如图５，比如脉冲位置7代表“1”，在此时刻将载波的一个周期倒相360度再恢复；9代表“0”，同样倒相360度。在同步的基础上，接受端检测出这种变化，根据其位置数据1和0。
由于载波的变化只在很短的时间内，所以其频谱基本没有扩展如图６所示，频谱图中的傅立叶分量并不携带信息，而且分量很低，可以忽略不计，因此达到超窄带的效果。
但是VMSK还存在一些问题，比如“直流泄露”问题，由于在同一个符号宽度内，+1和-1所占长度不同，所以整个频谱上会有一定的直流成分存在。针对这个问题，通过提高在符号宽度内较窄的一部分的幅度，从而消除直流成份，如下图所示：
2.3PCK调制原理
脉冲位置相位改变键控（Pulse Position Phase Change Keying ） 采用直接改变载波的相位，或边带中频率的相位的办法，相对于VMSK来说减少了滤波器阶数，并提高了性能。
如图８所示基带信号，99% 的时间为1，1%时间为零。这种波形产生一个很宽的低电平采样函数sin(x)/x的频谱成分。但是没有Bessel成分。零出现的位置可以用来代表信息1或0。这就是Pulse Position Phase Change Keying ( 3PCK )。3PCK包括3PRK(Pulse Position Phase Reversal Keying)、3PSK （Pulse Position Phase Shift Keying）、MCM（Missing Cycle Modulation）。下面选用一个数据速率为1.5M比特/秒，IF为48MHz的系统进行分析，在每个比特时间内，32个载波周期中有2个被改变，一个3PRK调制的电路图如图9所示：
将图9中的异或门改变为与门或者与非门，可以将其改变为MCM调制，将电路进行一点更为复杂的变动也可以将其改变为3PSK调制。图10为MCM调制的波形图，图中为带通滤波之前的波形，可见有两个载波周期被移除。
图11为其频谱图，在载频峰值点上峰值比旁峰高大约24db。
3PSK的波形图如下，其中2个比特被频移
3PSK的频谱图
3PRK的波形图，相位被进行了180度的反转
其频谱图如下：
VMSK和3PCK看起来是相近的方式，都是调幅调制方式，携带相位反转信息，用来产生一个非常窄的射频信号。在VMSK中，边带携带信息且只有一个被传输，而在3PCK中，载波保留的同时滤除所有的边带。两种方式都需要特别的零群时延滤波器，只不过3PCK 直接使载波发生变化，而VMSK产生一个相位反转的边带
3．零群时延滤波器
超窄带调制方式，需要一种特殊的滤波器，这种滤波器针对相位或幅度突变，或针对冲击输入，具有近零群时延(Tg)。传统的积分滤波器除非具有极大带宽（低Q值），否则不能响应突发输入，而这种零群时延滤波器只对单一频率起作用，即带宽极窄。
零群时延滤波器的核心就是利用晶体的谐振特性和自差原理，下图为晶体的阻抗特性图。
在图16中a是串联谐振点，e是并联谐振点。从图中可以看出，晶体的阻抗在到达a点之间都是呈现出容性。呈现感性的部分只有a到e这么一段。而且在峰值点c，谐振晶体有一个拐点。实际电路工作在这一点时，相位变化。则由可得，此时的群时延为零。
在图17的桥接电路中，输入信号被分成两路，两路之间有180度的相移。在上面分路的晶体产生一个变化的阻抗，从而改变通过电容Cp的信号的电平。通过下一分路的信号的相位改变无失真的通过电容。
图18的‘Walker Shunt’滤波器中没有使用变压器，但是仍然使用晶体作为并联阻抗
在图19的TRS滤波器中，在拐点也就是最大相位改变角上，晶体的阻抗无穷大，而在其他频率点上，由于有巨大的容性并联阻抗，所以信号被极大的衰减。
图20为该滤波器的扫频响应图由图中可以看出，在T点群时延为零。可以使用于超窄带的滤波。
三、应用领域
由于有助于解决现在越来越严重的频谱资源紧张问题，超窄带在未来必将大有作为。其可能的用途费为民用和军用两方面。在民用方面，其可能的用途包括使用电力线传输高速数据，超高速DSL，超高速modem,CATV，移动通信和广播电台电视台等。在移动通信中，基站的发射功率很大，所以在下行可以使用超窄带的调制方式，从而可以提供高速的数据传输．与此同样的道理无线广播电台、电视台的载波功率很高，可考虑在其上利用超窄带技术调制极窄带的高速附加信息，从而可以使用信道传输更多的数据多媒体信息。
对于军事通信，超窄带技术大有用武之地。和传统通信相比，在数据率相同的情况下，采用UNB以后信号能量被浓缩在很窄的频带里，从而大大增加了抗干扰能力。另一方面，在相同的带宽内，UNB系统能提高传输速率甚至达到100倍，能够在现有信道条件下满足未来数字化战场对大容量多媒体信息传输的需求。在军事上可能的用途有：短波高速通信，采用UNB技术，在短波3kHz信道带宽内提供150kbps以上的传输速率，解决短波通信低数据率瓶颈；短波自适应猝发隐蔽通信，目前短波猝发通信只能依靠2.4kbps的Modem，传输一个100kB的文件需要7分钟，信号暴露时间很长，采用UNB技术以后只需7秒，使猝发通信真正发挥作用；战术互联网数据电台，目前的VHF数据电台最高速率可以做到384kbps，采用UNB以后，有望达到2Mbps以上，完全满足战场态势共享的需求；地域通信网的节点通信设备，将无线干线网数据率提高到52Mbps；战略卫星和战术卫星，采用UNB以后，在相同的信道带宽内将数据率提高20 ～50倍，大大提高卫星通信的传输效率。
四、结束语
目前超窄带通信本身还具有理论上的争议性，不少新的调制、解调算法也还处于理论研究阶段。不过，其目前所取得的成就，也得到了一些专家的肯定，Vodaphone的Dr W.C.Y.Lee对VMSK评价如下：“VMSK是可以使用的。它可以通过2kHz的滤波器传输48kb/s的数据流并且进行高质量的接收。实现的思路就是采用一种调制方法可以标注载波上的细微变化，以使得载波波形发生较小失真。一个没有失真的CW载波理论上只需要1Hz的滤波器带宽。”
