CN100347966C - 一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法 - Google Patents

Abstract

一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法，本发明公开一种超宽带的无线通信技术，具体公开一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法。本发明克服了现有的超宽带无线通信中当考虑多用户和多径的干扰时，发射脉冲的自相关函数的能量值偏高，导致系统误码率高的缺陷。本发明的步骤是先构造一个脉冲，然后对该脉冲做i次压缩之后再进行时间上的平移，最后将原始波形与压缩后波形相互加权叠加来构造一个或一组新的组合波形，用这种组合波形按照现有的超宽带无线通信方式来传输数据，再在此基础上加各种调制和多址方式。

Description

一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法

技术领域：

本发明涉及一种超宽带(Ultra Wide-Band)的无线通信技术，具体涉及一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法。

背景技术：

应用于雷达和通信的超宽带技术的产生可追溯到20世纪60年代。由于技术和工业发展水平的限制，超宽带技术发展缓慢。美国从20世纪90年代中期以来，研制了多种超宽带无线电通信、雷达、成像和高精度定位系统，以及通信定位、通信雷达等具有综合功能的超宽带系统。作为军队和政府部门专用设备的超宽带无线电系统已得到实际应用。但直到1993年，美国南加州大学通信科学研究所的Scholtz在国际军事通信会议上发表论文，论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，才开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径，UWB也成为通信中最热门也是最重要的研究方向之一。UWB(超宽带)是无线通信领域的一次重大突破，它在雷达跟踪、无线通信(特别是军事无线通信、户内无线通信及个人化无线局域网等)、移动通信、测距、精确定位等诸多领域有广阔的应用前景。目前正处于研究开发阶段的UWB技术已经成为人类未来实现中短程高速无线通信的首选方案。由于使用纳秒级或亚纳秒级的脉冲传输数据，超宽带占用的频谱非常宽，其名称的来源就在于此。一种超宽带的定义方式是500MHz以上或超过中心频率25％以上的带宽。如图1所示，相对于普通的通信系统，超宽带系统使用的带宽非常宽，根据通信理论中计算信道容量的山农公式：C＝Blog₂(1+S/N)，宽的带宽意味着高的传输速率，因而超宽带有高达几十M～几Gbit/s的数据传输速率。超宽带信号的功率谱密度也特别低，这使得它具有功耗小，安全性高、设备简单等优点，但同时检测的难度也增大了。发射波形的不同是UWB与传统的无线通信系统之间的主要不同之处，UWB不只可以用传统通信系统中的正余弦载波作为发射波形，也可以用一系列非常尖锐的纳秒级或亚纳秒级超短脉冲作为发射波形，来承载信息，因此UWB有时也称为冲激无线电。目前超宽带通信系统中经常使用的基本脉冲是高斯起源脉冲、高斯单周期脉冲、瑞利单周期脉冲或矩形脉冲等，多址(即多用户)方式采用的多是跳时(TH)或直接序列扩频(DS)方式。其中跳时序列是一种伪随机序列，它主要有两个作用：一是分辨不同用户；另外一点是利用序列的伪随机性平滑频谱。但目前的超宽带无线通信中存在的一个问题是由于同一系统中不同用户使用相同的基本脉冲，在发送信号能量归一化的前提下，当考虑多用户和多径的干扰时，基本脉冲自相关函数的能量值偏高，从而导致系统误码率也很高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法，以克服现有的超宽带无线通信中当考虑多用户和多径的干扰时，基本脉冲自相关函数的能量值偏高，从而系统误码率也很高的缺陷。本发明的技术方案通过如下步骤实现：一、脉冲产生器1发出原始脉冲信号(t)，脉冲压缩延时器2把原始脉冲信号(t)分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号(t)进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由跳时序列码生成器3生成的跳时序列码和由帧信息时钟6产生的时钟信号在跳时序列输出器4中完成不同的时间延迟，生成跳时序列；二、输入到发射脉冲信号成型器5中的由信息源7产生的信息数据与组合波形相调制，完成组合波形的信息化，输入到发射脉冲信号成型器5中的跳时序列对信息化了的组合波形进行控制，通过发射天线8进行发射；三、接收端脉冲产生器11发出原始脉冲信号(t)，接收端脉冲压缩延时器12把脉冲信号(t)分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号(t)进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由接收端跳时序列码生成器13生成的跳时序列码和由接收端帧信息时钟16产生的时钟信号在接收端跳时序列输出器14中完成时间延迟，生成跳时序列，本步骤产生的组合波形与步骤一中产生的组合波形相同，本步骤产生的跳时序列与步骤一中产生的跳时序列相同；四、组合波形与跳时序列在模板信号生成器15中合成模板信号输入到脉冲相关器19中，模板信号与从接收天线18接收到的信号进行相关，得到脉冲相关器19的输出值；五、脉冲相关器19的输出值输入数据判决器20，由数据判决器20把信息数据还原后输入信息输出器17。

本发明把信息数据转化成组合波形的正相波形或反相波形(或其它信息调制方式)传输，由于组合波形是原始波形与自身压缩平移后波形的叠加，既便于通过改变压缩、平移系数来实现多址(即实现系统的多用户)，而且组合波形的自相关函数和互相关函数的能量值都很低。在接收端用和发射信号具有相同波形形状的模板信号与接收信号做相关，其它用户的信号因为波形与模板信号波形不是完全同相，所以不会在脉冲相关器19中得到很大的结果，从而有效提升了系统的误码特性。本发明方法的设备实现较为简单，只需一个脉冲发生器(或少数几个)产生一个(或少数几个)脉冲，再对它进行不同程度的压缩和平移，然后再将得到的一系列脉冲叠加即可。脉冲的产生可以基于现有的脉冲产生技术。与现有的通信系统相比较，减少了系统的载波产生和混频等环节，简化了系统结构；本发明通过叠加方式和叠加波形的改变，可以实现对频谱形状的控制，即软谱自适应(SSA)。组合波形时，所采用脉冲的压缩和叠加方式不同，显然所对应的频谱形状也是不同的。因此可以通过组合波形达到设计频谱的目的，以实现和现有通信系统的共存。本发明由于用不同波形相叠加的方式可以得到的波形有多种，而且不同波形之间也可以设计成相互正交的，因此也可以利用这多个波形来实现PSM(脉冲波形调制)以提高数据传输速率或与其它多址技术(如TH、DS等)联合起来共同提高系统所能容纳的用户数。本发明具有设计合理、工作可靠的优点，具有较大的推广价值。

附图说明：

图1是本发明实施方式一和实施方式二的结构示意图，图2是超宽带频谱范围示意图，图3、图4和图5是构造组合波形过程的示意图，图6是本发明实施方式三的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式通过如下步骤实现：一、脉冲产生器1发出原始脉冲信号(t)，脉冲压缩延时器2把原始脉冲信号(t)分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号(t)进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由跳时序列码生成器3生成的跳时序列码和由帧信息时钟6产生的时钟信号在跳时序列输出器4中完成不同的时间延迟，生成跳时序列；二、输入到发射脉冲信号成型器5中的由信息源7产生的信息数据与组合波形相调制，完成组合波形的信息化，输入到发射脉冲信号成型器5中的跳时序列对信息化了的组合波形进行控制，通过天线8进行发射；三、接收端脉冲产生器11发出原始脉冲信号(t)，接收端脉冲压缩延时器12把脉冲信号(t)分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号(t)进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由接收端跳时序列码生成器13生成的跳时序列码和由接收端帧信息时钟16产生的时钟信号在接收端跳时序列输出器14中完成时间延迟，生成跳时序列，本步骤产生的组合波形与步骤一中产生的组合波形相同，本步骤产生的跳时序列与步骤一中产生的跳时序列相同；四、组合波形与跳时序列在模板信号生成器15中合成模板信号输入到脉冲相关器19中，模板信号与从接收天线18接收到的信号进行相关，得到脉冲相关器19的输出值；五、脉冲相关器19的输出值输入数据判决器20，由数据判决器20把信息数据还原后输入信息输出器17。脉冲相关器19是把接收天线18接收到的信号与模板信号相乘后再求积分的装置。数据判决器是对相关器的输出值进行判决，从而得到原始发送数据信息的装置，当应用在TH-BPSK系统中时，即为简单的过零比较器，当应用在PSM系统中时，为最大值判决器。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括映射器21，映射器21把信息源7输出的二进制数据映射为“1”和“-1”后传输给发射脉冲信号成型器5，数据判决器20设置为把脉冲相关器19输出的大于0的数值判决为“1”，把小于0的数值判决为“-1”。本实施方式中数据判决器20就是过零比较器。如此设置，映射器21输出的“1”或“-1”与组合波形相乘直接得到的是正相的组合波形和反相的组合波形，利于传输和解调。其它的组成和连接方式与实施方式一相同。本实施方式适合用于TH-BPSK系统。如图1所示，含有Nu个用户的系统中，脉冲产生器1产生的是根据具体应用环境所设计的原始脉冲(t)，脉冲压缩延时器2产生的是i个压缩及平移系数不同的脉冲：(一般情况下，i为“1”或“2”)。这些脉冲与原始脉冲叠加后形成一个组合波形：

则此时第k个用户发送的信号为：

其中，T_f为一帧持续时间，或称为脉冲重复时间，因此 $\underset{i=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}w(t-j{T}_f)$ 为时间间隔为T_f的脉冲串。为了避免因多址接入而产生的脉冲碰撞，每个用户使用一个特定的跳时序列c_j ^(k)，且有 $0\≤c_j^{\left(k\right)}\≤N_h-1.$ T_c为每个时隙持续的时间，且T_f≥N_h·T_c。N_h·T_c/T_f表示在时间T_f内允许进行跳时的时间比例。

表示取z的整数部分；N_s为每一比特数据要发送的脉冲数。

是第k个用户在第j帧传送的调制信息，它对应输入数据的第 位。用户k的输入数据流为

与输入数据

的关系为

由(2)式可见，需要使用N_s个UWB脉冲调制输入的1bit数据，第k个用户的输入数据经BPSK调制后产生数据

与UWB发送脉冲相乘后经天线辐射出去。第k个用户的接收不考虑多径和信号衰减，假设噪声为加性高斯白噪声，则接收天线18接收到的信号为

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N_u}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{\left(k\right)}(t-{\mathrm{\τ}}_k)+n\left(t\right)...\left(4\right)$

其中，τ_k是第k个用户信号发射与接收之间的传输延时，第k个用户的接收信号是

n(t)是双边功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声。同步控制的作用是使模板信号与接收信号对齐。

用户k的同一比特数据在N_s帧相加之后输出为

用户k的第

位判决准则为

通过改变α_i，β_i，

的值，可以得到不同的脉冲w(t)，以适应不同的要求。本实施方式只是针对一种具体的系统来说明这种脉冲波形的构造方法及其应用，对于采用其它调制方式和多址方式的系统也可以类似地应用。

具体实施方式三：下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括二、四进制数据转换器22、延时器23、一号反向器24、二号反向器25、接收端延时器26、三号反向器27、四号反向器28、0号相关器30、一号相关器31、二号相关器32、三号相关器33和四二进制数据转换器40，脉冲产生器1产生的原始脉冲信号(t)是正交小波信号，原始脉冲信号(t)输入延时器23后输出0延时信号(t)、一次延时信号(t-1)和二次延时信号(t-2)，原始脉冲信号(t)输入脉冲压缩延时器2后输出信号(2t)，二次延时信号(t-2)与信号(2t)相叠加后形成一路组合波形W0，二次延时信号(t-2)经过一号反向器24的倒相后与信号(2t)相叠加后形成二路组合波形W1，一次延时信号(t-1)经过二号反向器25的倒相后与0延时信号(t)相叠加后形成三路组合波形W2，0延时信号(t)与一次延时信号(t-1)相叠加后形成四路组合波形W3，一路组合波形W0、二路组合波形W1、三路组合波形W2和四路组合波形W3分别输入发射脉冲信号成型器5的四个输入端，二进制的信息数据从信息源7中输入到二、四进制数据转换器22后转化为四进制数据输入到发射脉冲信号成型器5中，四进制数据的每一个数分别与一路组合波形W0、二路组合波形W1、三路组合波形W2和四路组合波形W3相映射，从而完成四种组合波形的选择；接收天线18接收到发射天线8发射的信号r(t)后分别输入到0号相关器30、一号相关器31、二号相关器32和三号相关器33中，一路组合波形W0、二路组合波形W1、三路组合波形W2和四路组合波形W3分别在0号相关器30、一号相关器31、二号相关器32和三号相关器33中经跳时序列延时后与信号r(t)做相关，分别得到第一相关值W01、第二相关值W11、第三相关值W21和第四相关值W31，第一相关值W01、第二相关值W11、第三相关值W21和第四相关值W31都输入数据判决器20中，数据判决器20作出最大值判决，判决出最高相关值所对应的路数，再通过四二进制数据转换器40还原出二进制信息数据。所述0号相关器30、一号相关器31、二号相关器32和三号相关器33是把组合波形与跳时序列相结合后与信号r(t)做相关的装置。其它步骤与实施方式一相同。

对于组合波形这种波形设计方法来说，构造不同波形的设备实现较为简单，因此可以将这种方法应用于波形调制，本实施方式选用四进制，即用不同的波形来分别代表四进制数据00(0)、01(1)、10(2)、11(3)。当应用于PSM(脉冲波形调制)时要求发送的各个脉冲应当是相互正交的，因此应用组合波形时需要有一些额外的条件。即要求原始波形(t)要具有尺度伸缩正交特性和时间平移正交特性，而目前看来正交小波是满足这个要求的一个选择，因此下面以正交小波为例来说明尺度伸缩正交特性和时间平移正交特性。

令ψ(t)为一正交小波，则必然有{ψ_k，j(t)＝2^k/2ψ(2^kt-j)}_{(k，j)∈Z×Z}是L²(R)空间的一组标准正交基，那么其相应的尺度伸缩正交特性和时间平移正交特性分别为：

            <ψ_k，j(t)，ψ_m，j(t)>＝δ_k＝m                (7)

            <ψ_k，j(t)，ψ_k，n(t)>＝δ_j＝n                (8)

取我们的原始波形(t)＝ψ_0，0(t)，则ψ_0，0(t)，ψ_0，1(t)，ψ_0，2(t)，......，ψ_1，0(t)，ψ_1，1(t)，ψ_1，2(t)，......都是相互正交的，由上述一系列函数中的一部分组成一个向量ψ，当我们取定一个正交矩阵T时，得到的向量w＝ψ·T的各元素之间也是相互正交的。对应于不同的要求，只要设计不同的正交矩阵T即可。下面给出这个正交矩阵T的两个例子：

$T=\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{2}}{2},-\frac{\sqrt{2}}{2},\mathrm{0,0}\\ \frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2},\mathrm{0,0}\\ \mathrm{0,0},\frac{\sqrt{2}}{2},-\frac{\sqrt{2}}{2}\\ \mathrm{0,0},\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\end{array}\right]$ 或 $T=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{2},-\frac{1}{2},-\frac{1}{2},\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},\frac{1}{2},-\frac{1}{2},-\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},-\frac{1}{2},\frac{1}{2},-\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2}\end{array}\right]...\left(9\right)$

如图6所示，对于有N_u个用户的系统，若选用的基本脉冲波形为(t)，则对应上面的矩阵T可以得到

其余与图1相类似，区别只在于不同的发送数据对应于不同的发送脉冲，接收时根据不同的用户选择对应的跳时序列，并用和发射时的四个脉冲相对应的四个模版信号去同接收信号做相关，在发射波形能量归一化的条件下，得到如下的四组积分值

令 则用户k的第

位判决准则为

利用本发明的方法构造的组合波形也可以同跳时或直接序列扩频技术结合起来一起实现多址，以提高系统同时接入的用户数。其具体方法与实施方式一中所述的方法类似，只不过此时不同用户发送的脉冲是不相同的，即不同用户不是只根据跳时序列或直扩序列来判断，波形也将作为判断条件之一。此时第k个用户的发送信号为

在接收端，经过相关器以后的信号可以表示为

此时的判决准则为

由于本实施方式不同用户采用不同的波形，在接收时可以利用这一特征根据接收到的信号的不同判断其所对应的用户，因此可以提高系统的多址性能。

下面给出具体选择脉冲波形(t)的一个例子：将(t)选为一个正交小波，如meyer小波，daubechies小波等，它们的二进伸缩和整数平移都是相互正交的。构造组合波形时，叠加的波形形式为(2^jx-k)k，j∈Z。这样其他用户干扰信号和本地模板信号作积分时，由于构成它们的叠加信号中有一部分是正交的，积分值定会小于模板信号和正确信号的积分值。这样其他用户的干扰值就是可以估计并控制的。

Claims (3)

1、一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法，其特征在于它通过如下步骤实现：一、脉冲产生器(1)发出原始脉冲信号((t))，脉冲压缩延时器(2)把原始脉冲信号((t))分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号((t))进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由跳时序列码生成器(3)生成的跳时序列码和由帧信息时钟(6)产生的时钟信号在跳时序列输出器(4)中完成不同的时间延迟，生成跳时序列；二、输入到发射脉冲信号成型器(5)中的由信息源(7)产生的信息数据与组合波形相调制，完成组合波形的信息化，输入到发射脉冲信号成型器(5)中的跳时序列对信息化了的组合波形进行控制，通过发射天线(8)进行发射；三、接收端脉冲产生器(11)发出原始脉冲信号((t))，接收端脉冲压缩延时器(12)把脉冲信号((t))分别进行i次压缩和时间平移后与原始脉冲信号((t))进行加权叠加，从而形成一个组合波形；同时，由接收端跳时序列码生成器(13)生成的跳时序列码和由接收端帧信息时钟(16)产生的时钟信号在接收端跳时序列输出器(14)中完成时间延迟，生成跳时序列，本步骤产生的组合波形与步骤一中产生的组合波形相同，本步骤产生的跳时序列与步骤一中产生的跳时序列相同；四、组合波形与跳时序列在模板信号生成器(15)中合成模板信号输入到脉冲相关器(19)中，模板信号与从接收天线(18)接收到的信号进行相关，得到脉冲相关器(19)的输出值；五、脉冲相关器(19)的输出值输入数据判决器(20)，由数据判决器(20)把信息数据还原后输入信息输出器(17)。

2、根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法，其特征在于它还包括映射器(21)，映射器(21)把信息源(7)输出的二进制数据映射为“1”和“-1”后传输给发射脉冲信号成型器(5)，数据判决器(20)设置为把脉冲相关器(19)输出的大于0的数值判决为“1”，把小于0的数值判决为“-1”。

3、根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲波形信号的构造和接收方法，其特征在于它还包括二、四进制数据转换器(22)、延时器(23)、一号反向器(24)、二号反向器(25)、接收端延时器(26)、三号反向器(27)、四号反向器(28)、0号相关器(30)、一号相关器(31)、二号相关器(32)、三号相关器(33)和四二进制数据转换器(40)，脉冲产生器(1)产生的原始脉冲信号((t))是正交小波信号，原始脉冲信号((t))输入延时器(23)后输出0延时信号((t))、一次延时信号((t-1))和二次延时信号((t-2))，原始脉冲信号((t))输入脉冲压缩延时器(2)后输出信号((2t))，二次延时信号((t-2))与信号((2t))相叠加后形成一路组合波形(W0)，二次延时信号((t-2))经过一号反向器(24)的倒相后与信号((2t))相叠加后形成二路组合波形(W1)，一次延时信号((t-1))经过二号反向器(25)的倒相后与0延时信号((t))相叠加后形成三路组合波形(W2)，0延时信号((t))与一次延时信号((t-1))相叠加后形成四路组合波形(W3)，一路组合波形(W0)、二路组合波形(W1)、三路组合波形(W2)和四路组合波形(W3)分别输入发射脉冲信号成型器(5)的四个输入端，二进制的信息数据从信息源(7)中输入到二、四进制数据转换器(22)后转化为四进制数据输入到发射脉冲信号成型器(5)中，四进制数据的每一个数分别与一路组合波形(W0)、二路组合波形(W1)、三路组合波形(W2)和四路组合波形(W3)相映射，从而完成四种组合波形的选择；接收天线(18)接收到发射天线(8)发射的信号(r(t))后分别输入到0号相关器(30)、一号相关器(31)、二号相关器(32)和三号相关器(33)中，一路组合波形(W0)、二路组合波形(W1)、三路组合波形(W2)和四路组合波形(W3)分别在0号相关器(30)、一号相关器(31)、二号相关器(32)和三号相关器(33)中经跳时序列延时后与信号(r(t))做相关，分别得到第一相关值(W01)、第二相关值(W11)、第三相关值(W21)和第四相关值(W31)，第一相关值(W01)、第二相关值(W11)、第三相关值(W21)和第四相关值(W31)都输入数据判决器(20)中，数据判决器(20)作出最大值判决，判决出最高相关值所对应的路数，再通过四二进制数据转换器(40)还原出二进制信息数据。

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