第 20卷第4期
2006年 12月
河 海 大 学 常 州 分 校 学 报
JOURNAL OF HOHAI UNIVERSrIY CHANGZH0U
Vo1．20 No．4
Dec．2oo6
文章编号：1009—1130(2006)04-0005-04
变换域通信技术及其应用
康桂华
(河海大学 计算机及信息工程学院，江苏 常州 213022)
摘要：对新出现的变换域通信技术的主要特点和基本原理进行简要论述．给出了目前几种实现变换域通信的方案。
包括变换方法、调制方式和同步方式，指出了影响变换域通信系统性能的主要因素．对变换域通信在未来无线通信中
的应用作了较详细分析．并探讨了变换域通信的发展趋势．
关键词 ：变换域通信；抗干扰 ；频谱管哩；智能无线电
中图分类号 ：TN919．3 文献标识码：A
变换域通信(TDC)的思想最早可追溯到 1988年，German在文献[1]中设计了一种通信系统，该系统为
避开干扰。利用通信环境的频谱信息改造直接序列扩频(DS．ss)波形．1991年Andren等[2】申请了一项低概
率截获(LPI)通信系统的专利，该专利利用变换域信号处理技术将发射信号隐藏在噪声中，使对方很难发现．
1997年，美国空军考虑到当军用飞机飞l临敌方空域执行任务时，将受到敌方极强的电磁干扰，为了保证编
队飞行的飞机相互间通信的可靠性和安全性．美国空军研究实验室(AFRL)和空军技术学院(Arrr)的研究
人员采用了German的基于环境采样值产生基本调制波形的思想构架，以及 Andren的发射信号处理技术[3】，
对TDC进行了深入研究，取得了一批有价值的研究成果[3]，并将其广泛应用于军事通信领域．
1 变换域通信技术
1．1 主要特点
TDC是一种新的无线通信技术[3]，其新颖之处主要表现在：(a)用于传输信息的基本调制波形不是在时
域中设计，而是在变换域(频域、时间．尺度域或其他抽象域)中合成；(b)可以根据通信环境的变化，主动躲
避干扰，不会对正在工作的其他用户造成影响或影响很小；(c)无需使用载波调制技术(类似于超宽带通信)．
TDC技术具有智能无线电的特征．能自动地适应复杂多变的通信环境．
1．2 基本原理
假定发射机和接收机工作在相同的通信环境中，首先两者分别对所处的通信环境进行采样，将采得的
样值做适当的变换，并在变换域对当前通信环境中的干扰或其他正在使用的用户频段作出估计，得到相应
的估计值(例如变换域系数或频谱值等)；然后根据估计值，在变换域设计一种能代表基本调制函数的基函
数，该基函数不包含干扰频点，也不包含其他用户正在使用的频段；最后将其做反变换，得到基函数的时域
表示式，即基本的调制波形(~vtw)．传送数据信息时，只要将待传送的数据调制在 FMW 上，通过天线对外
发送．基于离散傅立叶变换(DlTr)的变换域通信系统，其发送端的实现过程如图 l(a)所示，图中IDlTr表示
逆傅立叶变换．基于其他变换形式的变换域通信系统的实现过程与此基本相同，只是将图中与 DFr相关的
模块替换成相应的变换模块．在接收端，产生一个与发送端相同的 FMW，将其与接收信号做相关运算，便可
解调出所传的数据．接收端的实现框图如图 1(b)所示，图中虚线框部分与发送端 FMW 产生的过程相同，天
线开关开始时处于位置A．完成环境采样后再置于位置日．整个系统的性能优劣在很大程度上取决于发送
端和接收端产生的FMW是否相同．理论上，只要收发两端所处的通信环境基本一致，采用上述方法，不难
收稿日期：2006-06-13
基金项目：河海大学常州校区博士启动基金资助项目(2004xzx，04B006-06)
作者简介：康桂华(1963一)，男，江西吉安人，副教授 ，通信与信息系统专业．
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(a)发送端 (b)接收端
圈 1 ．玎 发送机 和接收机的实现框圈
rig．1 TDC transmitter and receiver block dia掣姗
得到相同的FMW．
1．3 实现方案
1．3．1 变换域方法
目前．变换域通信系统的实现方法主要有以下 3种：
a．基于离散傅立叶变换(DFT)．该方法对环境采样值进行DFT．通过 DFT系数判别出当前频谱中哪些频点
含有干扰．哪些频点正在被其他用户所使用．首先通过对基函数的幅度设置，屏蔽有干扰和，或其他用户正
在使用的频点，对于净频点(无干扰或其他用户未使用)，将基函数的幅度置 1，否则置零；然后使用伪随机码
为基函数的每一个频点生成相位信息；最后将得到的幅度谱和随机相位合成一新频谱，即基函数的频域表
示式．反变换后便得到其时域表示式．即FMW．在此过程中随机相位的使用非常关键，因为相位的随机化能
确保生成的基函数具有类似于噪声的特性．
b．基于离散余弦变换(DCT)．该方法利用 DCT系数合成基函数．由于 DCT可以看成是用余弦函数取
代 DFT中的复指数而得到的一种变换．因此两者之间存在着非常直接的联系．两者产生基函数的工作原理
非常相似，主要区别是 DCT产生的谱只包含幅度信息，不包含相位信息，但这并不影响基函数的构造，因为
基函数的相位信息是靠伪随机码产生的．
c．基于离散小波变换(DWT)．该方法通过比较小波变换域中的时间．尺度系数．只使用净系数构造基函
数．与 DCT一样．DWT也只能得到幅度值．因此必须使用伪随机码去控制净系数的幅度．仿真时一种简单方法
是将由±l组成的伪随机二进制序列作为净系数的幅度．而将含干扰或其他用户正在使用的频点的系数置为零．
1．3．2 调制方式
变换域通信系统将数据调制在 FMW上的主要方法有以下 3种：
a．双极性信号设计．双极性信号设计是最基本的调制方式 ．具体做法是用正基函数代表一个二进制
值．用负基函数代表另一个二进制值．这种调制方式可以应用于所有的变换域通信系统，而且在加性白高斯
噪声(AWGN)信道中的误码性能基本相同[41．文献[3]指出，当AWGN信道中存在其他干扰时，变换域通信
系统的优势将变得非常明显．
b．循环移位键控(CSK)．CSK调制对要发送的数据集合中的每一个不同的符号，使用基函数在时域分
别进行一次循环移位．二进制 CSK最简单．即用基函数表示一个符号，另一个符号用循环移位半个周期的
基函数表示．有关多进制 CSK的调制可参考文献[2—3]．CSK的调制基础是使用了具有类似于白噪声自相
关函数特性的波形．它可以看成是一种正交调制，与双极性调制相比，约有 3 dB的性能损失[4]．CSK调制能
很容易地应用于基于 DFT和基于 DCT的变换域通信中．因为它对基函数的频谱幅度没有任何影响．依据傅
立叶变换的时移性质．基函数在时域循环的移位不会改变频谱幅度，因此不管发送哪个数据符号，都不会使
已屏蔽的干扰频率重新出现．但将CSK调制应用于基于 DWT产生的基函数时就不一样，因为小波系数是
时间．尺度的函数．基函数的循环时移会引起小波系数在时间上移位，这就可能使原来因干扰而置为零的系
数又变成了非零．因此要设法避免．
c．正交编码．正交编码调制一般以伪随机信号作为基本的调制波形．而且要求伪随机信号能随发送数
据改变．无论是发送方还是接收方都必须知道所使用的伪随机码组．
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1．3-3 同步问题
同步一般包括相位和定时估计，在变换域通信中，由于基函数的相位在发送端是通过伪随机码映射生
成的，因此在接收端只要本地产生的基函数与收到的基函数在时间上一致．就可实现波形同步．原则上使用
匹配滤波器或相关器便可达到此目的，但依据不同的变换方法和调制方案。同步实现的具体细节略有差别．
对于基于 DFr实现的系统 ，若采用双极性调制方案，则其代表信息的二进制符号是以正负基函数形式
发送的．因此接收端应首先对基函数进行匹配滤波，然后每隔一个比特宽度对滤波器的输出进行采样 ．采样
值经过环路滤波后再去控制压控时钟．若采用 CSK调制方案，解调前必须在符号级(基函数周期)与接收波
形间建立起同步．一般地，对于 M进制 CSK，只要将接收波形与参考基函数作周期相关，每M个时隙就会出
现一个相关峰值．
2 影响 ，IDC性能的主要因素
2．1 环境估计的精度
TDC的性能与许多因素有关，其中最关键的是对环境估计的精度。因为传输信息使用的基函数是由环
境采样值直接产生的，因此采样值必须反映环境的真实特性．假定某环境存在一个慢速运动的扫频干扰。如
果TDC对该环境采样的时间很短，则依据采样值的估计会认为此干扰是固定的单音。由此产生的基函数显
然不能躲避此干扰，因为一旦此干扰的频率发生变化，便会偏离采样值所处的频点．与其他估计系统一样 ．
对环境采样的时间越长．采样点越多．估计的精度就越好．
2．2 变换域系数的平滑修整算法
对变换域系数做任何平滑修整都会直接影响环境的频谱估计值．如果平滑修整算法选择得当．则在变
换域内便能产生较平稳的基函数，就可以降低甚至消除 AWGN中的某些影响，文献[3]比较了几种不同的频
谱估计方法(周期图法、自回归模型法等)的平滑修整效果．
2．3 波形采样和 D，A变换引起的量化噪声
量化噪声会对 TDC系统的性能造成一定的损害．因为采样值的量化和D，A变换的精度直接影响基函
数的形状和一些具体的参数．例如在基于 D1；T设计的系统中，量化噪声会使基函数的频谱幅度产生波纹。
使净频段的频谱幅度不再平坦．归零后的频段的频谱也不再为零．
2．4 收发两端的环境估计值不一致
目前大多数 TDC结构都是假定收发两端处于相同的电磁环境．因此能产生相同的频谱估计值和基函
数．实际上这种假设只适合于短距离通信的情形，许多通信环境并不满足上述假设．一般情况下。如果发射
机和接收机在几何上相距较远，频谱估计又是在不同的地点分别独立地完成的。则得到的估计值就不一定
相同．由此出现下列现象：(a)接收机避开的频带含有所需信号的能量，造成有用信号能量的丢失；(b)接收
机保留的频带不含所需信号的能量。增添了许多无用的噪声和干扰．这 2种情形均会降低接收机的信噪比
(SNR)，增加符号的错误概率．改正措施之一是在发射机和接收机之间建立专门的反馈信道。该信道能将接
收机所处环境的频谱以及一些能反映通信链路的质量信息传递给发射机．
3 应用分析
目前，在无线通信领域，一方面随着新业务和新用户的不断增多，频谱资源变得越来越贫乏；另一方面，
频谱的使用效率十分低．按照目前的频谱管理方式，现有的频谱为少数用户(服务商)专用．美国联邦通信
委员会(FCC)最近的一项调查显示[s-，在已分配的频谱资源中，只有 2％在所有时间内都被使用，在某些国
家．这个百分数甚至还要更低．这表明已分配的频谱在大部分时间是空闲的．因此不能简单地将造成目前频
谱资源 13趋紧张的原因归结于缺乏有效的可用频谱 ．在很大的程度上 。还与频谱的有效利用和管理有关．
TDC以其独特的频谱利用和净化干扰特性。为解决这类问题提供了有效的途径．具体表现在以下几方面：
a．及时发现频谱空穴．见缝插针般地加以利用。极大地提高了现有频谱的使用效率．美国FCC对部分
无线频谱进行扫描后发现某些频段中的大多数频率在很长的时间内未被使用 。以及还有一些频段中只有部
分频率得到使用．FCC把已经分配但未被使用的频段称之为频谱空穴，严格地说是指在某一特定的时间和
地点．这段频谱未被使用．如果能让其他用户在适当的时间和地点自动接人到上述频谱空穴中，就可使频谱
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的利用率得到有效的改善．变换域通信系统能实现这样的功能．
b．能有效躲避各种有意和无意的干扰，提高通信质量．传统技术通常采用滤波或者 DS．ss、跳频(FH)
等技术来消除干扰的影响，TDC与传统技术相比，在提高信号的抗干扰能力和传输的可靠性方面。主要不同
之处有：(a)在发射端和接收端同时产生一种可避免干扰的基本波形。该波形能消除数据传输中干扰的影响，
同时也避开了频谱拥挤的区域，不会对其他正在通信的用户造成交叉干扰；(b)TDC不是使用载波调制(类
似于超宽带通信)，而是使用“噪声状”的基函数进行数据调制 便于接收端使用相关解调或匹配滤波等处理
技术．实现数据的正确接收．
c．便于实现多址通信．增加用户的数量．使用上述正交编码调制系统。只要为每一用户分配一个独有的
身份码。就可以方便地实现多址接人．发送数据时．将此身份码用双极性或 CSK调制方式进行调制．与其他
CDMA系统一样，TDC系统的容量虽受到具体的性能指标和伪随机码正交性的限制．但 TDC是使用伪随机
码对相位进行编码(映射)，实现多址功能的．实验表明[6]这种多址接人方案在多用户环境中能更有效地实
现通信资源的共享．
d．将 TDC应用于LPI的通信中能提高信息传输的安全性．TDC通过逐符号改变产生基函数的PIN码。
传输信号的安全性或 LPI性能会随之增强．
4 发展趋势
TDC的发展趋势主要表现在以下几方面： ．
a．变换方法不断增多。且朝着综合方向发展．目前 TDC采用的典型变换主要有 DI；T、DCT和DWT。随
着TDC应用范围的不断扩大和对系统性能要求的不断提高．变换方法将逐渐增多．特别是对无线环境探测
参数的增多和对精度的提高，必然还会出现一些新的变换方法。而且由于应用需要。原有的变换方法也会做
出适当的修改．并且不断走向综合。使性能进一步提高．
b．调制方法不断改进。性能逐步提高．TDC目前的调制方法以双极性信号设计和二进制 CSK为主．为
了进一步提高数据传输速率。未来的TDC系统将发展成多进制 CSK调制；同时双极性信号设计和 CSK调制
将走向联合．例如综合了两者优点的循环双极性移位键控．结合超宽带调制技术。在 TDC中还会出现一些
类似的新调制方式。如为了实现远距离传输，可以在基函数调制后，再进行载波调制．
c．自适应TDC．通过对通信环境的周期性采样和不断产生新的基函数．可使TDC成为自适应系统．连
续采样的周期由电磁环境变化的快慢决定．连续采样的用时直接影响数据传输的时间．采样占用的时间多
了．数据传输的时间便要减少．两者间用时的合理分配由环境的估计精度要求和数据的传输速率决定．
d．随着数字信号处理(DSP)技术的发展和 DsP器件成本的下降，TDC的实用化进程将加快．目前，TDC
系统的设计侧重于软件。目的是方便修改。这样设计的系统当前只能依靠特别高速的DSP板来实现．为了达
到足够高的数据传输速率和满足实时处理要求。需多个高速 DSP并行处理数据。目前这种 DSP器件的价格
还相当昂贵．不适合集成到便携式无线终端中去．因此在TDC技术真正走向实用化之前。DSP技术必须取
得更进一步的发展．
参考文献 ：
[1]German E H． Transform domain signal processing study final reportER]．Reisterstown，MD：AFRL，USA，1988．
[2]Andren C F，Lucas L V． w probability of intercept communication system：USA，5029184[P1．1991．
[3]Radcliffe R A．Design and simulation of a transform domain communication system[D]．Ohio，USA：Wright Patterson AFB，
1998．
[4]Bernard S．Digital fundamentals and applications[M]．Englewood Cliffs，NJ：Prentice Hall，1988．
[5]Haykin S．Cognitive radio：Brain-empowered wireless communications[J]．I—EE—E Joumal∞ Selected Arms ~ mlcaims，
2OO5，23(2)：201-220．
[6]Swackhammer P J，T~mple M A，Raines R A．Performance simulation of a transform domain communication system for
multiple access application[C]／／IEEE Military Communication．Atlantic City，NJ，USA：IEEE Publications，1999：1—5．
(下转第 28页)
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河 海 大 学 常 州 分 校 学 报 2006年 12月
Symposium on Circuits and System，2004(3)：813-816．
[8]Pan Feng，Feng G．A study of MPEG-4 rate control scheme and its improvements[J]．IEEE Transaction on Circuits and
Sy~ems for Video Technology，2003(5)：44|D ．
[9]Cho Y．CIPR sequences[EB／OL]．2005-05-18[2006-07-02]．http：／／www．cipr．rp1．edu／resource／sequences．
A Bit Allocation Scheme for H．264 Rate Control
DING Hai-jun， LI De-jun． ZU Zhao—yah
(CoUege of Computor& Information Engineering，Hohai Univ．，Changzhou 213022，China)
Abst ract： An effective rate control bit allocation scheme is proposed to avoid the unsuitability of bit
allocation in the H．264 rate contro1．The linear weighting function is used for modi~ng the target buffer
level，and quantization parameters(QP)are adjusted for bit allocation of the basic unit layer．Comparing to
H．264 JM95，simulation results show that the proposed bit allocation ~heme can control the target bit rate
more accurately，obtain a higher peak signal-to-noise ratio and improve the subjective video quality
effectively．
Key words：H．264 ；bit allocati0n；rate control
— — — + -—_一-+
(上接第 8页)
Transform--domain Communication Technology and Its Appfica tion
(College of Computor& Information Engineering，Hohai Univ．，Changzhou 213022，China)
Abstract：Th e main characteristics an d basic principle of the tran sform-domain communication technology
proposed recently are brieny introduced，and the current implementation schemes，which include tra~ ornl
method and modulation，synchronization way， are presented．Th e main factors of affecting the pedormance
of the transform ．domain communication systems are po inted out． Th e application of the technology for the
future wireless communication is carefully analyzed， and the developing tendency of the technology is
discussed．
Key words：transform -domain communication；anti-interference；spectrum managemeut；cognitive radio
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