CN100464542C

CN100464542C - 基于双载波的超宽带无线通信方法及其装置

Info

Publication number: CN100464542C
Application number: CNB2005100948908A
Authority: CN
Inventors: 毕光国; 张在琛; 徐平平; 樊祥宁; 余旭涛; 徐斌
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: CN1753399A

Abstract

基于双载波的超宽带无线通信方法及其装置是一种应用于高速无线短距离通信的超宽带无线通信方法，该方法采用双载波子频带划分方案，子频带的宽度为264MHz，共24个子频带，在通信时同时使用其中的两个分离的子频带传送基带OFDM信号，并根据通信质量或传输速率的不同要求，选用下面两种方案之一进行传输：方案一是在对通信质量有要求时，在两个分离的子频带内传送相同的基带OFDM信号，即采用频率分集技术获得优良的系统性能；方案二是在对传输速率有要求时，在两个分离的子频带内传送不同的基带OFDM信号，即采用复用技术获得高的传输速率。采用该方法，频谱利用更加灵活、效率更高、性能更好、更易于硬件实现。

Description

基于双载波的超宽带无线通信方法及其装置

技术领域

本发明是一种应用于高速无线短距离通信的超宽带无线通信方法。本发明属于通信技术领域。

背景技术

超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术是无线通信领域的一项革命性新技术。超宽带技术的特点是利用极宽的频带进行通信，可以达到超过1000M比特/秒的无线传输速率。为了不对使用频带内的其它通信系统造成干扰，超宽带系统的发射功率受到了严格的限制，因此，目前高速超宽带通信的距离一般在10米以内。

多带—正交频分复用(Multi-Band-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，MB-OFDM)方案是目前高速超宽带通信的主要实现方案之一。它将超宽带的可用频带分为若干个子频带，每个子频带的带宽大于500MHz，并采用时频交织技术，通过调制载波，轮流将基带超宽带OFDM信号搬移到这些子频带中的一个进行发送。比起传统的利用基带窄脉冲信号形式的超宽带实现方案，MB-OFDM方案可以更加灵活、有效地利用频谱资源；可以更加简单、有效地收集室内密集多径信道条件下的信号能量，从而在短距离高速通信中，实现更好的系统性能。

MB-OFDM方案的子频带带宽大于500MHz，频谱使用不灵活，频谱利用效率不高，对硬件实现要求高。这些问题亦普遍存在于其它超宽带无线通信方案中。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决目前超宽带技术方案频谱使用不够灵活、利用效率不够高、对硬件实现要求高等问题，提供一种频谱利用更加灵活、效率更高、性能更好、更易于硬件实现的双载波—正交频分复用(Dual-Carrier-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DC-OFDM)超宽带无线通信的方法及其装置，促进超宽带技术的发展和无线通信技术的进步。

技术方案：本发明提供一种基于双载波的超宽带无线通信方法，其特征在于采用表1所示的双载波子频带划分方案，子频带的宽度为264MHz，共24个子频带，在通信时同时使用其中的两个分离的子频带传送基带OFDM信号，两个子频带之间的距离可以根据资源占用情况动态地调整，并根据不同的应用要求，选用下面两种方案之一进行传输：方案一是在要求很高的通信质量时，在两个分离的子频带内传送相同的基带OFDM信号，即采用频率分集技术获得优良的系统性能；方案二是在要求高传输速率时，在两个分离的子频带内传送不同的基带OFDM信号，即采用复用技术获得高的传输速率。采用同样的方案，还可以同时使用两个以上的子频带进行传输。

表1：双载波子频带划分方案

频带编号	低端频率(MHz)	中心频率(MHz)	高端频率(MHz)
频带编号	低端频率(MHz)	中心频率(MHz)	高端频率(MHz)	1	3036	3168	3300
2	3564	3696	3828	1	3036	3168	3300
2	3564	3696	3828	3	3828	3960	4092
4	4092	4224	4356	3	3828	3960	4092
4	4092	4224	4356	5	4356	4488	4620
6	4620	4752	4884	5	4356	4488	4620
6	4620	4752	4884	7	5676	5808	5940
8	5940	6072	6204	7	5676	5808	5940
8	5940	6072	6204	9	6204	6336	6468
10	6468	6600	6732	9	6204	6336	6468
10	6468	6600	6732	11	6732	6864	6996
12	6996	7128	7260	11	6732	6864	6996
12	6996	7128	7260	13	7260	7392	7524
14	7524	7656	7788	13	7260	7392	7524
14	7524	7656	7788	15	7788	7920	8052
16	8052	8184	8316	15	7788	7920	8052
16	8052	8184	8316	17	8316	8448	8580
18	8580	8712	8844	17	8316	8448	8580
18	8580	8712	8844	19	8844	8976	9108
20	9108	9240	9372	19	8844	8976	9108
20	9108	9240	9372	21	9372	9504	9636
22	9636	9768	9900	21	9372	9504	9636
22	9636	9768	9900	23	9900	10032	10164
24	10164	10296	10428	23	9900	10032	10164

该装置包括发射机和接收机两部分，所采用的发射机的信道编码和交织器、符号映射器、OFDM调制器、数字分接器顺序串联连接，数字分接器的输出端分别接第一数模变换器、第二数模变换器，第一数模变换器、第二数模变换器的输出端分别接模拟分接器，模拟分接器的输出端分别接第一射频调制器、第二射频调制器，第一射频调制器、第二射频调制器的输出端分别接相加器，相加器的输出端接发送天线，发送端控制器的输出端分别接数字分接器、模拟分接器。

信道编码和交织器在输入数据中加入冗余信息进行编码，以提高传输的可靠性，并对编码得到的信息进行交织，提高编解码系统的纠错能力。符号映射器按照一定的星座图，将信道编码和交织器输出的比特流映射成符号流，一般多个比特映射成一个符号，在超宽带系统中，一般采用四相相移键控(Quadriphase-ShiftKeying，QPSK)星座，将两个连续的比特映射成一个QPSK符号。OFDM调制器3对输入的QPSK符号进行OFDM调制，典型的方法是先将输入的串行QPSK符号流转化成并行的符号流，并加入导频符号，然后进行反向快速傅立叶变换(Inverse Fast Fourier Transfer，IFFT)，再将变换输出进行并串变换，并加上循环前缀，构成OFDM符号。数字分接器根据采用上述方案一或方案二的不同，采用不同的分接方案。如采用方案一，则直接将OFDM调制器的输出连接到第一数模变换器，此方案中第二数模变换器不工作，可节省功耗；如采用方案二，则交替地将OFDM调制器输出的OFDM符号输出到第一数模变换器和第二数模变换器。数字分接器采用哪一种方案，受发送端控制器给出的控制信号的控制。发送端控制器根据来自上层的控制信号，对数字分接器和模拟分接器进行同步的控制。第一数模变换器和第二数模变换器将输入的数字信号转化为模拟信号。模拟分接器根据采用上述方案一或方案二的不同，采用不同的分接方案。如采用方案一，则将第一数模变换器的输出信号同时连接到第一射频调制器和第二射频调制器上，此方案中第二数模变换器无输出；如采用方案二，则将第一数模变换器和第二数模变换器的输出分别连接到第一射频调制器和第二射频调制器。模拟分接器采用哪一种方案，受发送端控制器给出的控制信号的控制。第一射频调制器和第二射频调制器通过载波调制，将数模变换器产生的基带模拟信号搬移到合适的频段以进行发射，包括正交调制、滤波和放大等步骤。第一射频调制器采用的载波中心频率f1和第二射频调制器采用的载波中心频率f2不同，且其间隔可以保证两路射频调制后的信号在频谱上不重叠。相加器将两路射频信号相加，并根据需要，对信号进行放大。最后，发送天线将相加后的信号发射到空中。

所采用的接收机的接收天线、第一射频解调器、第一模数变换器、第一OFDM解调器、数字合并器顺序串联连接，接收天线、第二射频解调器、第二模数变换器、第二OFDM解调器、数字合并器顺序串联连接，接收端控制器的输出端接数字合并器，数字合并器的输出端接符号解映射器，符号解映射器的输出端接解交织和信道解码器。接收天线从空中接收信号。第一射频解调器和第二射频解调器分别采用频率为f1和f2的载波对接收天线输出的信号进行射频解调，包括正交解调、滤波和放大等步骤，得到基带模拟信号。第一模数变换器和第二模数变换器分别将第一射频解调器和第二射频解调器的输出模拟信号转化为数字信号。第一OFDM解调器和第二OFDM解调器分别对第一模数变换器和第二模数变换器的输出进行OFDM解调。典型的OFDM解调器包括检测和同步、频偏估计、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transfer，FFT)、信道估计、均衡、相位校正等步骤。数字合并器根据采用上述方案一或方案二的不同，采用不同的方案将第一OFDM解调器和第二OFDM解调器的输出进行合并。如采用方案一，则将两路OFDM解调器的输出符号流加权平均后输出；如采用方案二，则通过并串变换，将两路OFDM解调器的输出符号流合并成一路输出。数字合并器采用哪一种方案，受接收端控制器给出的控制信号的控制。接收端控制器根据来自上层的控制信号，对数字合并器进行控制。符号解映射器采用与发射端一样的星座图，将数字合并器输出的符号流解映射成比特流。解交织和信道解码器根据发送端采用的编码和交织方案，对输入的比特流进行解交织和解码，得到输出数据。

有益效果：本发明提出的DC-OFDM超宽带通信方法，采用比目前提出的其它方法更窄的频带划分，提高了频谱使用的灵活性和利用效率。目前的超宽带系统是通过降低信号发射功率，以避免对其它通信系统的干扰。这种方式在很大程度上限制了超宽带通信系统的传输距离和抗干扰能力。超宽带通信的发展方向是采用更加灵活的频谱使用方法，动态地使用当前空余的频谱资源，这样可以大幅度提高超宽带通信系统的性能。

采用更窄的频带划分，可以降低硬件实现的难度和对工艺的要求。这是因为窄的频带对射频调制器和射频解调器的实现难度要求降低，每个频带所需要的数模变换和模数变换的速率降低，对每一个频带进行基带数字信号处理的要求也降低了。

当采用方案一的分集方式的时候，同样的信息被调制到两个分离的频带中进行传送，任何一个频带的衰落不会使性能严重恶化，而两个频带中相对应的频点同时衰落的概率又很小，这就给系统提供了分集增益。当信道条件好的时候，可以采用方案二的复用方式，可以为上层应用提供更高的信息传输速率。系统可以根据上层应用的要求和当前信道的条件，动态地选择合适的传输方案。

附图说明

图1是本发明的发射端结构框图。

图2是本发明的接收端结构框图。

图3是本发明的一种具体实施方式，频率分集方式的示意图。

图4是本发明的一种具体实施方式，复用方式的示意图。

具体实施方式

本发明的基于双载波的超宽带无线通信方法采用双载波子频带划分方案，子频带的宽度为264MHz，共24个子频带，在通信时同时使用其中的两个分离的子频带传送基带OFDM信号，并根据通信质量或传输速率的不同要求，选用下面两种方案之一进行传输：方案一是在对通信质量有要求时，在两个分离的子频带内传送相同的基带OFDM信号，即采用频率分集技术获得优良的系统性能；方案二是在对传输速率有要求时，在两个分离的子频带内传送不同的基带OFDM信号，即采用复用技术获得高的传输速率。

本发明的基于双载波的超宽带无线通信方法的通信装置包括发射机和接收机两部分，所采用的发射机其的信道编码和交织器1、符号映射器2、OFDM调制器3、数字分接器4顺序串联连接，数字分接器4的输出端分别接第一数模变换器5、第二数模变换器6，第一数模变换器5、第二数模变换器6的输出端分别接模拟分接器7，模拟分接器7的输出端分别接第一射频调制器9、第二射频调制器10，第一射频调制器9、第二射频调制器10的输出端分别接相加器11，相加器11的输出端接发送天线12，发送端控制器8的输出端分别接数字分接器4、模拟分接器7。信道编码和交织器1在输入数据中加入冗余信息进行编码和交织，以提高传输的可靠性；符号映射器2将比特流映射成符号流；OFDM调制器3对QPSK符号进行OFDM调制，输出OFDM符号；数字分接器4将OFDM调制器输出的OFDM符号输出到第一数模变换器5、第二数模变换器6；发送端控制器8根据来自上层的控制信号，对数字分接器4和模拟分接器7进行同步的控制；第一数模变换器5、第二数模变换器6将输入的数字信号转化为模拟信号；模拟分接器7将数模变换器的输出信号连接到第一射频调制器9、第二射频调制器10；第一射频调制器9、第二射频调制器10通过载波调制，将第一数模变换器5、第二数模变换器6产生的基带模拟信号搬移到合适的频段以进行发射，两个射频调制器采用的载波中心频率不同，且其间隔可以保证两路射频调制后的信号在频谱上不重叠；相加器将两路射频信号相加，并根据需要，对信号进行放大；发送天线将相加后的信号发射到空中；

所采用的接收机的接收天线21、第一射频解调器22、第一模数变换器24、第一OFDM解调器26、数字合并器28顺序串联连接，接收天线21、第二射频解调器23、第二模数变换器25、第二OFDM解调器27、数字合并器28顺序串联连接，接收端控制器29的输出端接数字合并器28，数字合并器28的输出端接符号解映射器30，符号解映射器30的输出端接解交织和信道解码器31。接收天线21从空中接收信号；两个射频解调器即第一射频解调器22、第二射频解调器23采用不同频率的载波对接收天线21输出的信号进行射频解调，得到基带模拟信号；第一模数变换器24、第二模数变换器25将两个射频解调器的输出模拟信号转化为数字信号；OFDM解调器即第一OFDM解调器26、第二OFDM解调器27对模数变换器的输出进行OFDM解调；数字合并器28将OFDM解调器的输出进行合并；接收端控制器29根据来自上层的控制信号，对数字合并器进行控制；符号解映射器将数字合并器输出的符号流解映射成比特流；解交织和信道解码器31根据发送端采用的编码和交织方案，对输入的比特流进行解交织和解码，得到输出数据。

图3为本发明的一种具体的实施方式，采用频率分集方案，即方案一。因为无需在方案一和方案二之间切换，且方案一中第二数模变换器6不工作，所以在图3中省略了发送端的数字分接器4、模拟分接器7、发送端控制器8和第二数模变换器6，以及接收端的接收端控制器29。图3中发送数据的峰值速率为110M比特/秒。信道编码采用编码速率为1/3，约束长度为7的卷积码。信道编码的输出进行块交织，交织块的大小为200个比特。系统采用QPSK星座映射，每两比特数据映射成一个QPSK符号。接着进行串并变换，得到并行的QPSK符号流，并行度为100，即每个OFDM符号中传送100个QPSK符号。系统采用128点的IFFT，100个QPSK符号，12个导频符号和16个0构成了一次IFFT的输入。每次IFFT的输出经过并串变换，得到包含128个复数样值的串行序列，此序列加上32个样值的循环前缀，构成长度为160个样值的OFDM符号。第一数模变换器5包括两个数模变换单元，分别对输入复数样值的实部和虚部进行数模变换，得到基带模拟信号。基带模拟信号同时输入第一射频调制器9和第二射频调制器10，分别调制两路载波f₁和f₂，f₁＝3696MHz，f₂＝4224MHz。射频调制后得到的两路射频信号的带宽都为264MHz。相加器11将两路射频信号相加，然后由发送天线12发送到空中。

部分发射信号经过无线信道，到达接收端，由接收天线21收集并同时传送给第一射频解调器22和第二射频解调器23。与发送端对应，第一射频解调器22和第二射频解调器23的载波中心频率分别为f₁＝3696MHz和f₂＝4224MHz。解调后的两路基带模拟信号分别由第一模数变换器24和第二模数变换器25变换为数字信号。这里每个模数变换器都包含两个模数变换单元，分别对模拟基带信号的实部和虚部进行变换。第一OFDM解调器26和第二OFDM解调器27分别对模数变换后的两路数字信号进行OFDM解调。在数字合并器28中，两路OFDM解调后的信号在对应子载波频点上的值相加，合成一路，然后由QPSK符号解映射器30按照QPSK星座，进行符号解映射，得到比特流。接着块解交织器对比特流进行解交织，最后维特比译码器进行卷积码的译码，得到输出数据。

图4为本发明的另一种具体的实施方式，采用复用方案，即方案二。因为无需在方案一和方案二之间切换，所以在图4中省略了发送端的数字分接器4、模拟分接器7和发送端控制器8，以及接收端的接收端控制器29。图4中发送数据的峰值速率为220M比特/秒。信道编码采用编码速率为1/3，约束长度为7的卷积码。信道编码的输出进行块交织，交织块的大小为400个比特。系统采用QPSK星座映射，每两比特数据映射成一个QPSK符号。接着进行串并变换，得到并行的QPSK符号流，并行度为100，即每个OFDM符号中传送100个QPSK符号。系统采用128点的IFFT，100个QPSK符号，12个导频符号和16个0构成了一次IFFT的输入。每次IFFT的输出经过并串变换，得到包含128个复数样值的串行序列，此序列加上32个样值的循环前缀，构成长度为160个样值的OFDM符号。OFDM调制器3输出的OFDM符号交替地输入到第一数模变换器5和第二数模变换器6。第一数模变换器5和第二数模变换器6各自包含两个数模变换单元，分别对输入复数样值的实部和虚部进行数模变换，得到基带模拟信号。两路基带模拟信号分别输入第一射频调制器9和第二射频调制器10，分别调制两路载波f₁和f₂，f₁＝3696MHz，f₂＝4224MHz。射频调制后得到的两路射频信号的带宽都为264MHz。相加器11将两路射频信号相加，然后由发送天线12发送到空中。

部分发射信号经过无线信道，到达接收端，由接收天线21收集并同时传送给第一射频解调器22和第二射频解调器23。与发送端对应，第一射频解调器22和第二射频解调器23的载波中心频率分别为f₁＝3696MHz和f₂＝4224MHz。解调后的两路基带模拟信号分别由第一模数变换器24和第二模数变换器25变换为数字信号。这里每个模数变换器都包含两个模数变换单元，分别对模拟基带信号的实部和虚部进行变换。第一OFDM解调器26和第二OFDM解调器27分别对模数变换后的两路数字信号进行OFDM解调。在数字合并器28中，两路OFDM解调后的信号进行并串变换，合成一路，然后由QPSK符号解映射器30按照QPSK星座，进行符号解映射，得到比特流。接着块解交织器对比特流进行解交织，最后维特比译码器进行卷积码的译码，得到输出数据。

Claims

1.一种基于双载波的超宽带无线通信方法，其特征在于采用双载波子频带划分方案，子频带的宽度为264MHz，共24个子频带，在通信时同时使用其中的两个分离的子频带传送基带OFDM信号，并根据通信质量或传输速率的不同要求，选用下面两种方案之一进行传输：方案一是在对通信质量有要求时，在两个分离的子频带内传送相同的基带OFDM信号，即采用频率分集技术获得优良的系统性能；方案二是在对传输速率有要求时，在两个分离的子频带内传送不同的基带OFDM信号，即采用复用技术获得高的传输速率。

2.一种如权利要求1所述的基于双载波的超宽带无线通信方法的通信装置，其特征在于该装置包括发射机和接收机两部分，所采用的发射机的信道编码和交织器(1)、符号映射器(2)、OFDM调制器(3)、数字分接器(4)顺序串联连接，数字分接器(4)的输出端分别接第一数模变换器(5)、第二数模变换器(6)，第一数模变换器(5)、第二数模变换器(6)的输出端分别接模拟分接器(7)，模拟分接器(7)的输出端分别接第一射频调制器(9)、第二射频调制器(10)，第一射频调制器(9)、第二射频调制器(10)的输出端分别接相加器(11)，相加器(11)的输出端接发送天线(12)，发送端控制器(8)的输出端分别接数字分接器(4)、模拟分接器(7)。

3.根据权利要求2所述的基于双载波的超宽带无线通信装置，其特征在于所采用的接收机的接收天线(21)、第一射频解调器(22)、第一模数变换器(24)、第一OFDM解调器(26)、数字合并器(28)顺序串联连接，接收天线(21)、第二射频解调器(23)、第二模数变换器(25)、第二OFDM解调器(27)、数字合并器(28)顺序串联连接，接收端控制器(29)的输出端接数字合并器(28)，数字合并器(28)的输出端接符号解映射器(30)，符号解映射器(30)的输出端接解交织和信道解码器(31)。