CN101217333A - 一种信道资源复用的传输方式及其接收方法 - Google Patents

Abstract

一种信道资源复用的传输方式及其接收方法，本发明是一种无线通信中资源复用技术，具体公开一种信息传输方式及其接收算法。本发明解决了目前频谱资源日益紧张，不同系统之间干扰增大的问题。本发明的步骤是将信息数码转换为并行两路传输，这两路信息采用不同的波形进行调制，其中一路为现有系统采用的波形，一路为切普信号；并合适选取切普信号的参数使其和现有系统采用的波形占用相同的时域和频域资源；在接收端，首先通过分数傅立叶变换在分数域上实现二者的分离，然后在将分离后的两路分数域信号分别通过反变换得到两路时域信号，再分别与相应的本地模板信号进行相关，解调出两路信息，再经过并/串转换得到原信息。

Description

一种信道资源复用的传输方式及其接收方法

技术领域：

本发明涉及一种无线通信中资源复用的方式，具体涉及一种信息传输方式及其接收算法。

背景技术：

在无线通信领域，现有的通信技术主要通过信号的频率不同或者所处的时间位置不同来区分不同用户身份或者不同的信息符号。但是频率资源是有限的，因此在第三代移动通信系统中，人们提出了码分的概念，即通过不同的地址码来区分不同的用户，再结合时分和频分实现信道资源的复用，但是随着人们需求的不断提高以及通信技术迅猛发展，用户数量大大增加的同时，不同系统，不同用户之间干扰增大，系统容量和数据传输速率均受到限制。新的信道资源复用技术可以有效解决这一问题。

分数阶傅立叶变换在保留传统傅立叶变换的性质的基础上又添加了新的优势，可认为分数阶傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换。在给出分数阶傅立叶变换的积分形式的定义之前，先规定一些记号，记f(t)为信号的时域表达形式，它的p阶分数傅立叶变换为(F^pf)(u)，其中u代表分数域坐标，则f(t)的p阶分数傅立叶变换算子F^p：L²(R)→L²(R)可以表示成下面的式子，其中α＝pπ/2

$\left(F^{p}f\right)\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)K(p;u,t)\mathrm{dt}$

$=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\exp \left[i(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \mathrm{\α}-\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})\right]f\left(t\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\α}\≠\mathrm{n\π}\\ f\left(t\right)& \mathrm{\α}=2\mathrm{n\π}\\ f(-t)& \mathrm{\α}=(2n+1)\mathrm{\π}\end{array}\right.$

分数傅立叶变换的逆变换可以表示为：

$\left(F^{p}f\right)\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)K(-p;u,t)\mathrm{dt}$

上式表明信号f(t)的分数阶傅立叶变换可以解释为f(t)在以逆变换核K(-p；u，t)为基的函数空间上的展开，而该核是一组正交的切普基，具体写出切普信号的一般表达式如下：

c(t)＝Aexp(j(2πf₀t+πμ₀t²))

其中A为信号幅度参数。众所周知传统傅立叶变换是以正余弦函数作为基分解的，因此正余弦函数在频域表现为冲击函数，同理，根据上述分数傅立叶变换具有的切普基分解特性，一个切普信号在适当的分数阶傅立叶域中将表现为一个冲击函数。即分数阶傅立叶变换在某个分数阶傅立叶域上对给定的切普信号具有最好的能量聚集特性。

上述切普信号是复信号，在实际系统应用中，发射端应当发送实信号，取两个共轭切普信号叠加，使其成为余弦函数形式，表达式如下：

c(t)＝exp{i(2πf₀t+πkt²)}+exp{-i(2πf₀t+πkt²)}

    ＝2cos(2πf₀t+πkt²)

根据分数傅立叶变换的性质，上式中的两个切普信号分别在p阶分数域和2-p阶分数域能量最集中。

发明内容：

本发明是为了克服现在无线频谱资源日益紧张、不同系统之间干扰增大的问题，提出了一种信道资源复用的传输方式及其接收方法。其主要思想是在不增加现有系统所占用的时频域资源的前提下，在现有系统中再增加一路信号传输信息，并且该路信号可以和现有系统的信号在接收端有效分离开。

本发明的方法由以下步骤实现：

步骤一、信息源1输出二进制数字信息，经串/并转换器2转换后变为并行两路信息；

步骤二、由信号产生器4产生信息调制波形f₁(t)，用此波形对步骤一中转换的第一路信息进行调制，由一号波形成形器5输出经过调制信息的波形m₁(t)；

步骤三、切普信号产生器6根据信号产生器4输出的波形信息选取参数，产生实切普信号f₂(t)；

步骤四、f₂(t)通过二号波形成形器7对步骤一中转换的第二路信息进行调制，输出调制信息后的波形m₂(t)；

步骤五、由步骤二和步骤四得到的两路并行信号m₁(t)和m₂(t)通过相加器8叠加得到波形m(t)并输出，然后由发送端天线9发射；

步骤六、接收端天线10将接收到的波形m(t)送入采样器11进行离散采样；

步骤七、p阶分数傅立叶变换器12和2-p阶分数傅立叶变换器13分别对步骤六得到的离散采样值进行离散p阶和2-p阶分数傅立叶变换；

步骤八、波形m(t)的p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过一号滤波器14，提取信号中的c₁(t)部分(F^pc₁)(u)，波形m(t)的2-p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过二号滤波器16，提取信号中的c₂(t)部分(F^pc₂)(u)；

步骤九、p阶分数傅立叶反变换器15对步骤八得到的滤波结果(F^pc₁)(u)做-p阶分数傅立叶变换，得到对c₁(t)的估计

2-p阶分数傅立叶反变换器17对步骤八得到的滤波结果(F^pc₂)(u)做p-2阶分数傅立叶变换，得到c₂(t)的估计

步骤十、相加器18将步骤九得到的

和

叠加得到对m₂(t)的估计

相减器19将采样器11接收到的全部信号中减去得到对m₁(t)的估计

步骤十一、接收端切普信号产生器21根据接收端信号参数存储器20中存储的信号参数产生与步骤三产生的切普信号具有相同参数的切普信号，接收端信号产生器26根据接收端信号参数存储器20中存储的信号参数产生一个与步骤二的调制参数相同的波形信号；

步骤十二、根据步骤十一产生的切普信号，二号模板信号产生器23通过接收端时钟22产生本地积分模板信号，该积分模板信号与

经过二号相关器24后，积分值送入二号判决器25，判决器25根据发送端采用的调制方式选取判决准则得到第一路解调的数字信息；

步骤十三、根据步骤十一产生的波形信号，一号模板信号生成器27通过接收端时钟22产生第二路信号的本地积分模板，它与

经过一号相关器28后，积分值送入一号判决器29，得到另一路解调的数字信息，该路解调的数字信息同步骤十二中产生的解调信息一同经过并/串转换器30后的输出信息由信息输出器31输出。

本发明的方法实现较为简单，通过在接收端增加离散分数傅立叶变换和反变换运算将两路在时频域上都占用相同资源的信号分离，有效的实现资源复用；同时，本发明设计合理、工作可靠，具有较大的推广价值。

附图说明：图1是本发明的方法在现有系统中实施的结构示意图；图2是具体实施方式二的结构示意图；图3是时频域资源复用说明；图4是信号在分数域的谱形状及滤波窗；图5是重构信号与原信号的比较。

具体实施方式：

具体实施方式一、参见图1，本实施方式由以下步骤实现：

步骤一、信息源1输出二进制数字信息，经串/并转换器2转换后变为并行两路信息；

步骤二、由信号产生器4产生信息调制波形f₁(t)，f₁(t)是现有系统中采用的调制波形，用此波形对步骤一中转换的第一路信息进行调制，由一号波形成形器5输出经过调制信息的波形m₁(t)；

步骤三、切普信号产生器6根据信号产生器4输出的波形信息选取参数，产生实切普信号f₂(t)；

步骤四、f₂(t)通过二号波形成形器7对步骤一中转换的第二路信息进行调制，输出调制信息后的波形m₂(t)；

步骤五、由步骤二和步骤四得到的两路并行信号m₁(t)和m₂(t)通过相加器8叠加得到波形m(t)并输出，然后由发送端天线9发射；

步骤六、接收端天线10将接收到的波形m(t)送入采样器11进行离散采样；

步骤七、p阶分数傅立叶变换器12和2-p阶分数傅立叶变换器13分别对步骤六得到的离散采样值进行离散p阶和2-p阶分数傅立叶变换；

步骤八、波形m(t)的p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过一号滤波器14，提取信号中的c₁(t)部分(F^pc₁)(u)，波形m(t)的2-p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过二号滤波器16，提取信号中的c₂(t)部分(F^pc₂)(u)；

步骤九、p阶分数傅立叶反变换器15对步骤八得到的滤波结果(F^pc₁)(u)做-p阶分数傅立叶变换，得到对c₁(t)的估计

2-p阶分数傅立叶反变换器17对步骤八得到的滤波结果(F^pc₂)(u)做p-2阶分数傅立叶变换，得到c₂(t)的估计

步骤十、相加器18将步骤九得到的和

叠加得到对m₂(t)的估计相减器19将采样器11接收到的全部信号中减去

得到对m₁(t)的估计

步骤十一、接收端切普信号产生器21根据接收端信号参数存储器20中存储的信号参数产生与步骤三产生的切普信号具有相同参数的切普信号，接收端信号产生器26根据接收端信号参数存储器20中存储的信号参数产生一个与步骤二的调制参数相同的波形信号；

步骤十二、根据步骤十一产生的切普信号，二号模板信号产生器23通过接收端时钟22产生本地积分模板信号，该积分模板信号与

经过二号相关器24后，积分值送入二号判决器25，判决器25根据发送端采用的调制方式选取判决准则得到第一路解调的数字信息；

步骤十三、根据步骤十一产生的波形信号，一号模板信号生成器27通过接收端时钟22产生第二路信号的本地积分模板，它与经过一号相关器28后，积分值送入一号判决器29，得到另一路解调的数字信息，该路解调的数字信息同步骤十二中产生的解调信息一同经过并/串转换器30后的输出信息由信息输出器31输出。

利用切普信号的分数域能量聚集特性，可以将传统的时频域通信扩展到分数域上，将切普信号与传统系统中的信号一起传输，并占用相同的时频域资源，并且它们可以分别在两个分数域上分离，这样就通过收端增加一次分数傅立叶变换，滤波和反变换，实现变换域传输信息，达到时频域信道资源复用的目的，增大数据传输效率和系统容量。在硬件实现上切普信号可以由声表面波器件产生，而离散分数傅立叶变换已经有快速算法可以实现，并且其运算量为Nlog(N)，即运算复杂度和快速傅立叶变换相同。

具体实施方式二：参见图2～图5，本实施方式表示具体应用的背景为脉冲体制超宽带系统，在该系统中采用的调制方式为BPSK，多址方式为跳时(TH)码分多址，基本波形为高斯1阶导函数。

映射器把信息源1输出的二进制数码映射为1和-1，输出数据流{d_n}与输入数据流{b_n}的关系为：

$d_n=\left\{\begin{array}{cc}1& b_n=0\\ -1& b_n=1\end{array}\right.$ (n＝0，1，2，...)

然后由串并转换器2将{d_n}转换为并行的两路，分别传输给一号波形成形器5和二号波形成形器7。一号波形成形器5采用的基本脉冲波形为高斯1阶导函数脉冲g(t)，设系统工作的中心频率为f₀，则一号波形成形器5输出的信号可以表示为

二号波形成形器7采用的基本脉冲波形为切普信号c(t)。它的输出信号可以表示为

其中，T_f为一帧持续时间，或称为脉冲重复时间，因此

和

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，跳时码生成器为每个用户产生一个特定的跳时序列{c_j}，且有0≤c_j≤N_h-1。T_c为每个时隙持续的时间，且T_f≥N_h·T_c。由于这两路脉冲串是采用相同的跳时序列{c_j}和跳时时隙时间T_c得到的，它们中每个脉冲在时间轴上出现位置是相同的，由此实现时域资源的复用。额外增加的一路信号也不会与其他用户信号碰撞。z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。

d_j/Ns ^(k)(k＝1，2)是第k路在第j帧传送的调制信息，它对应该路数据的第(j/N_s)位。

为了在频域上通过时域和频域相同资源的复用来增大系统容量，因此在表达式

中，切普信号的选取应当满足如下准则：

1.二者在分数域上可分离；

2.二者占用相同频段；

3.二者持续时间相同；

其中第1点主要从系统性能角度出发，因为只有二者在分数域分离后仍保持原信号的大部分能量，才能保证接收端的正确解调，这种新型信息传输体制的提出才有意义。第2点、第3点保证二者在相同时间，占用同一频段，即保证这种信息传输方式相较于原来的系统不会占用额外的资源。

要满足后两点要求，需要根据高斯1阶导的时域宽度和频谱宽度来选择切普信号参数。将切普信号表达式重写如下：

c(t)＝2cos(2πf₀tπkt²)

对上述信号截取时间宽度T为一段脉冲，根据切普信号性质，它的各个参数与信号特性之间的关系为：信号中心频率f₀，带宽B＝kT。则选取切普信号的参数方法为：首先，选取T与高斯函数持续时间相当，选取f₀为系统工作的中心频率，选取k使得切普信号带宽为原系统带宽。这样可以得到两种占用相同的时域和频域资源的基本脉冲形式，实现了时频域资源的复用。恰当的选取切普信号的参数后，二者时频域形状如图3所示。

由公式

可见，需要使用N_s个UWB脉冲调制输入的1bit数据，第k路的输入数据经BPSK调制后产生数据d_j/Ns」 ^(k)，d_j/Ns ^(k)分别与两种基本发送脉冲相乘，两路信号叠加后经发送端天线9辐射出去。在此不考虑多径和信号衰减，假设噪声为加性高斯白噪声，记为n(t)，则接收天线10接收到的信号为

r(t)＝m₁(t)+m₂(t)+n(t)

其中m₂(t)由两部分共轭的切普信号组成，记为m₂(t)＝c₁(t)+c₂(t)。在接收端，首先对收到的信号进行离散采样，然后分别进行p阶和2-p阶离散分数傅立叶变换，得到它的p阶和2-p阶分数域表示。信号在分数域的谱形状及滤波窗如图4所示。已知在p阶分数域上c₁(t)的能量非常集中(由于做了截断，所以它只是近似冲击函数)。通过p阶分数域上的矩形窗滤波器，将(F^pc₁)(u)分离出来。再反变换得到对c₁(t)的估计

同样通过2-p阶分数域的滤波和反变换可以得到对c₂(t)的估计二者通过相加器18相加可以得到对m₂(t)的估计

切普信号重构的结果如图5所示，可以看到只是信号幅度上有所失真，但是其振荡极性基本不变。并且在只考虑白噪声，采用相关接收机的情形下，噪声一定时，信号能量决定信噪比，而信噪比决定系统性能。所以在下面的分析中将以信号能量的损失程度为标准衡量系统性能。经计算，在两路信号能量相同的情况下，滤波窗内切普信号的能量为切普信号总能量的90.17％，滤波窗内高斯函数的能量仅为高斯函数总能量的8.74％，即本方法能够有效的从叠加信号中将切普信号分离出来，并从接收信号中减去分离出的切普信号即得到对高斯信号m₁(t)的估计

然后将它们分别与本地模板信号进行相关，接收端切普信号产生器21的参数由高斯函数参数决定，其选取方法和原则也和发送端相同，这样就得到了与发送端相同的两种基本发射脉冲波形。跳时码产生器产生和发送端一样的跳时码。一号相关器28和二号相关器24输出接收信号与模板信号的相关值用于信息的判决，由于采用的是BPSK调制，因此一号判决器29和二号判决器25均采用过零比较器。

上述是将一个用户的信号分为并行两路的情形，完全类似的，可以将两个用户的信号按相同的原则叠加在一起传输，通过在分数域上滤波分离出不同用户的信号。

Claims (3)

1.一种信道资源复用的传输方式及其接收方法，其特征在于它由以下步骤实现：

步骤一、信息源(1)输出二进制数字信息，经串/并转换器(2)转换后变为并行两路信息；

步骤二、由信号产生器(4)产生信息调制波形f₁(t)，用此波形对步骤一中转换的第一路信息进行调制，由一号波形成形器(5)输出经过调制信息的波形m₁(t)；

步骤三、切普信号产生器(6)根据信号产生器(4)输出的波形信息选取参数，产生实切普信号f₂(t)；

步骤四、f₂(t)通过二号波形成形器(7)对步骤一中转换的第二路信息进行调制，输出调制信息后的波形m₂(t)；

步骤五、由步骤二和步骤四得到的两路并行信号m₁(t)和m₂(t)通过相加器(8)叠加得到波形m(t)并输出，然后由发送端天线(9)发射；

步骤六、接收端天线(10)将接收到的波形m(t)送入采样器(11)进行离散采样；

步骤七、p阶分数傅立叶变换器(12)和2-p阶分数傅立叶变换器(13)分别对步骤六得到的离散采样值进行离散p阶和2-p阶分数傅立叶变换；

步骤八、波形m(t)的p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过一号滤波器(14)，提取信号中的c₁(t)部分(F^pc₁)(u)，波形m(t)的2-p阶分数傅立叶变换(F^pm)(u)经过二号滤波器(16)，提取信号中的c₂(t)部分(F^pc₂)(u)；

步骤九、p阶分数傅立叶反变换器(15)对步骤八得到的滤波结果(F^pc₁)(u)做-p阶分数傅立叶变换，得到对c₁(t)的估计

，2-p阶分数傅立叶反变换器(17)对步骤八得到的滤波结果(F^pc₂)(u)做p-2阶分数傅立叶变换，得到c₂(t)的估计

步骤十、相加器(18)将步骤九得到的和

叠加得到对m₂(t)的估计

相减器(19)将采样器(11)接收到的全部信号中减去

得到对m₁(t)的估计

步骤十一、接收端切普信号产生器(21)根据接收端信号参数存储器(20)中存储的信号参数产生与步骤三产生的切普信号具有相同参数的切普信号，接收端信号产生器(26)根据接收端信号参数存储器(20)中存储的信号参数产生一个与步骤二的调制参数相同的波形信号；

步骤十二、根据步骤十一产生的切普信号，二号模板信号产生器(23)通过接收端时钟(22)产生本地积分模板信号，该积分模板信号与

经过二号相关器(24)后，积分值送入二号判决器(25)，判决器(25)根据发送端采用的调制方式选取判决准则得到第一路解调的数字信息；

步骤十三、根据步骤十一产生的波形信号，一号模板信号生成器(27)通过接收端时钟(22)产生第二路信号的本地积分模板，它与

经过一号相关器(28)后，积分值送入一号判决器(29)，得到另一路解调的数字信息，该路解调的数字信息同步骤十二中产生的解调信息一同经过并/串转换器(30)后的输出信息由信息输出器(31)输出。

2.根据权利要求1所述的一种新型信道资源复用的传输方式及其接收方法，其特征在于调制方式为BPSK，基本调制波形为高斯1阶导函数。

3.根据权利要求1所述的一种新型信道资源复用的传输方式及其接收方法，其特征在于选取的切普信号与另一路信号之间的关系满足以下条件：

a、二者在分数域上可分离；

b、二者占用相同频段；

c、二者持续时间相同。

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