CN101267224A - 基于多域协同多址技术的脉冲超宽带通信方法 - Google Patents

Abstract

基于多域协同多址技术的脉冲超宽带通信方法，它是一种基于多域协同的脉冲超宽带系统多址的通信方法，以解决随着用户数增多，超宽带系统中不同用户信号碰撞的概率增大，导致系统误码率较高的问题。首先计算线性叠加系数并存储于发射端叠加系数存储器中；生成的切普波形经过平移加权叠加得到基本脉冲波形g_n(t)对信息b(t)进行调制；基本脉冲波形根据跳时序列跳时得到发射信号s_n(t)；在接收端s_n(t)分为两路，分别做p_n阶和2－p_n阶分数傅立叶换，分数傅立叶变换域滤波后分别做－p_n阶和p_n－2阶分数傅立叶反变换；两路信号相加得到时域重构；根据与发端相同形状的脉冲波形和跳时序列，模板信号产生器产生积分模板信号并与重构后的信号相关，根据相关结果及调制方式进行判决，信息输出器输出。

Description

基于多域协同多址技术的脉冲超宽带通信方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带(Ultra Wide-Band)的无线通信技术，具体涉及一种基于多域协同的脉冲超宽带系统多址的通信方法。

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教授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，超宽带也成为通信中最热门也是最重要的研究方向之一。

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。为了不对现有系统造成干扰，美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带系统的功率谱密度提出了限制，我们称之为FCC规范。目前超宽带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。发射波形的不同是超宽带与传统的无线通信系统之间的主要不同之处，超宽带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，因此超宽带有时也称为脉冲无线电。目前脉冲超宽带系统中采用的多址(即多用户)方式主要是是跳时或直序扩频方式，其中跳时序列是一种伪随机序列，它在超宽带系统中主要用于区分多用户，而不是扩展系统的带宽。跳时序列可以控制超宽带脉冲在帧内随机跳时，减少和其他用户碰撞的概率，减小多用户干扰。但是当超宽带系统中用户数增加时，不同用户信号碰撞的概率随之加大，导致系统的误码率升高。

发明内容

本发明为解决现有的脉冲超宽带系统中用户数量增加时，不同用户信号碰撞的概率随之加大，导致系统的误码率较高的问题，提供一种基于多域协同多址技术的脉冲超宽带通信方法。本发明由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一、发送端切普信号产生器产生参数为k_n的切普信号c_n(t)，不同用户对应的k_n值不同；

步骤二、步骤一中得到的切普信号经过平移加权叠加后得到发送端基本脉冲g_n(t)， $g_n\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{W}_n\left(m\right)c_n(t-\mathrm{mT}),$ 其中M为叠加阶数，T为单位平移时间，W_n为1×M维数组，预先存储于发射端叠加系数存储器中；

步骤三、发射端切普信号产生器根据发射端脉冲波形产生器生成的基本脉冲波形g_n(t)对信息源输出的信息b(t)进行调制；

步骤四、根据发射端跳时序列产生器产生的跳时序列，发射波形成形器中的基本脉冲g_n(t)产生相应的时移，得到发射信号s_n(t)，由发射端天线发射，不同用户的跳时序列不同；

接收过程：

步骤五、接收端天线将接收到的信号s_n(t)滤波后分为两路处理，其中一路信号s_n(t)做p_n阶分数傅立叶换，对变换结果在峰值位置附近滤波，滤波后的信号做-p_n阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤六、对另一路信号s_n(t)做2-p_n阶分数傅立叶变换，对变换结果在峰值位置附近进行滤波，滤波后的信号做p_n-2阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤七、将两路变换回时域的信号相加，得到分数域滤波后对原信号的时域重构；

步骤八、接收端跳时序列产生器产生与发送端同步的跳时序列，接收端脉冲波形产生器得到与发端相同形状的切普叠加脉冲波形g_n(t)后，模板信号产生器根据本地跳时序列跳时，产生积分模板信号；

步骤九、模板信号与步骤七中得到的重构信号进行积分相关，根据相关结果及调制方式由判决器进行判决，由信息输出器输出解调的数据。

有益效果：本发明的根本思想是不同用户采用不同参数k_n的切普信号平移叠加设计基本脉冲波形，它们分别在p_n阶分数域上有最佳的能量聚集的性质。当用户1的信号为期望信号时，根据前面的分析，分别在p₁阶域和2-p₁域进行滤波。此时由于其他用户信号在这两个域能量并不聚集，可以有效滤除多用户干扰。这种多址方式相当于分数傅立叶变换域多址(用户占用不同阶数的分数域)与时域多址(用户占用不同时间段)协同，由于多域协同，增加了一个多址的域，可以有效提高系统容量，改善信号碰撞时产生误码的问题，提高系统性能。

附图说明

图1是本发明实施方式一的发射端与接收端的结构示意图；图2是满足FCC规范的切普叠加信号时域波形图；图3是满足FCC规范的切普叠加信号频谱图；图4和图5分别是不同用户跳时信号波形示意图；图6是不同用户信号碰撞时时域图；图7是在p_n阶分数傅立叶换域下不同用户信号碰撞时分数域谱及分数域滤波图；图8是2-p_n阶分数傅立叶换域下不同用户信号碰撞时分数域谱及分数域滤波图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1～图8，本实施方式由以下步骤组成：

发射过程：

步骤一、发送端切普信号产生器2产生参数为k_n的切普信号c_n(t)。不同用户对应的k_n值不同；

步骤二、发射端脉冲波形产生器3将步骤一中得到的切普信号c_n(t)经过平移加权叠加后得到发送端基本脉冲g_n(t)， $g_n\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{W}_n\left(m\right)c_n(t-\mathrm{mT}),$ 其中M为叠加阶数，T为单位平移时间，W_n为1×M维数组，预先存储于发射端叠加系数存储器1中，W_n的选取准则为使得叠加后的脉冲g_n(t)的频谱满足FCC规范；

步骤三、发射端脉冲波形产生器3生成的基本脉冲波形g_n(t)通过调制器5对信息源4输出的信息b(t)进行二进制相移键控(BPSK)调制；

步骤四、根据发射端跳时序列产生器6产生的跳时序列，在发射波形成形器7中的基本脉冲g_n(t)产生相应的时移，得到发射信号s_n(t)，由发射端天线发射；

接收过程：

步骤五、接收端天线将接收到的信号s_n(t)通过滤波器8滤波后分为两路处理，其中一路信号s_n(t)通p_n阶分数傅立叶换器9做p_n阶分数傅立叶换，对变换结果在峰值位置附近通过第一分数傅立叶变换域滤波器10进行滤波，将滤波窗外信号置零，如图7所示，其中滤波位置需要根据本地同步跳时序列确定，滤波后的信号通过-p_n阶分数傅立叶换变换器11做-p_n阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤六、对另一路信号s_n(t)通过2-p_n阶分数傅立叶变换器12做2-p_n阶分数傅立叶变换，对变换结果在峰值位置附近通过第二分数傅立叶变换域滤波器13进行滤波，滤波过程如图8所示，其中滤波位置需要根据本地同步跳时序列确定，滤波后的信号通过p_n-2阶分数傅立叶变换器14做p_n-2阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤七、将两路反变换回时域的信号相加，得到分数域滤波后对原信号的时域重构；

步骤八、接收端跳时序列产生器15产生与发送端同步的跳时序列，接收端切普信号产生器16与接收端叠加系数存储器17的参数分别与发射端切普信号产生器2和发射端叠加系数存储器1相同，接收端脉冲波形产生器18得到与发端相同形状的切普叠加脉冲波形g_n(t)后，模板信号产生器19根据与发端相同的本地跳时序列跳时，产生积分模板信号；

步骤九、模板信号与步骤七中得到的滤波重构处理后的接收信号进行相关，根据相关结果及由判决器20进行判决，由于采用BPSK调制，进行过零判决即可，最后由信息输出器21输出解调的数据。

在只采用跳时多址方式的超宽带系统中，不同用户之间脉冲信号碰撞时将引起系统的误判。本实施方式通过增加分数域协同模块30，利用所设计的脉冲在分数域能量聚集的特性，进行分数域预滤波，消除其它用户的干扰，再通过时域协同模块40进行跳时解扩解调，此时即使不同用户脉冲信号发生碰撞，干扰信号的能量也将大大降低，从而提高系统性能。具体原理为：将线性调频参数为k的切普信号的线性组合作为超宽带系统的基本发射脉冲波形，采用线性组合方式是为了满足FCC的频谱规范。该波形在相应的p阶分数域上有最佳的能量聚集特性(p由k计算得到)，N个不同用户采用不同的k值，记为k_n(n＝1，2，...N)。相应地，它们对应的切普信号分别在p_n(n＝1，2，...，N)阶分数傅立叶变换域上能量最为集中；假设用户1的信号为期望信号，用户1的信号s₁(t)和第i个用户的信号s_i(t)在时域产生碰撞，如图6所示，在某个时刻，不同用户的信号可能处在相同的时间段，此时直接解调将引起误判；对接收到的信号做p₁阶分数傅立叶变换，得到结果如图7和图8所示，此时在分数傅立叶变换域采用图7和图8所示的滤波窗进行预滤波，可以滤除s_i(t)的大部分能量，再反变换回时域，进行解跳时和解调，可以有效消除信号碰撞产生的影响。

分数傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换，信号在分数阶傅立叶域上的表示，同时包含了信号在时域和频域的信息，分数傅立叶变换的积分形式定义为：

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

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

其中f(t)为信号的时域表达形式，f(t)的p阶分数傅立叶变换为F^pf(u)，u为分数域坐标，α＝pπ/2。当α＝π/2时f(u)为普通的傅立叶变换。

分数傅立叶变换具有如下基本性质：

(1)当阶数为0时，变换结果就是原信号本身。即0阶分数傅立叶变换是单位算子F⁰＝I；

(2)阶数可加性： $F^{p_1}{F}^{p_2}=F^{p_1+p_2};$

(3)由阶数可加性及F⁰＝I可以看出，分数傅立叶变换的逆变换就是将阶数取负：(F^p)^-1＝F^-p。

由于分数傅立叶变换是信号在一组正交的切普基上的展开，因此分数傅立叶变换在某个分数阶傅立叶域中对给定的切普信号具有最好的能量聚集特性：即一个切普信号在适当的分数阶傅立叶变换域中将表现为一个冲击函数。其中，切普信号的表达式为：

参数、f₀、k分别表示切普信号的相位，中心频率，和频率变化率。在实际通信系统中，发射端发射的信号为实函数，使初始相位为0，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)]}/2

    ＝cos(2πf₀t+πkt²)

上式中的信号称之为实切普信号，它可以分解为共轭的两部分。这两部分的线性调频参数分别为k和-k，因此它们分别在p和-p阶分数傅立叶变换域能量聚集，成为一个冲击函数，由于2-p阶域相当于-p阶域的反转，为了方便计算，也可以定义为它们分别在p和2-p阶域能量最为聚集。但上述的实切普信号形式并不能直接应用于超宽带系统，为了满足FCC给出的规范，需要采用一种半正定规划方法(SDP算法)，对选定的一段切普信号设计叠加加权系数，切普信号作为基函数进行平移加权叠加以满足FCC规范。经过设计的波形才可以在实际中应用于超宽带系统中，此波形称为切普叠加波形，其时域形状如图2所示，根据图3可以看出该波形可以很好的满足FCC规范。

Claims (1)

1、基于多域协同多址技术的脉冲超宽带通信方法，其特征在于它由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一、发送端切普信号产生器(2)产生参数为k_n的切普信号c_n(t)，不同用户对应的k_n值不同；

步骤二、步骤一中得到的切普信号经过平移加权叠加后得到发送端基本脉冲g_n(t)， $g_n\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M{W}_n\left(m\right)c_n(t-\mathrm{mT}),$ 其中M为叠加阶数，T为单位平移时间，W_n为1×M维数组，预先存储于发射端叠加系数存储器(1)中；

步骤三、发射端切普信号产生器(2)根据发射端脉冲波形产生器(3)生成的基本脉冲波形g_n(t)对信息源(4)输出的信息b(t)进行调制；

步骤四、根据发射端跳时序列产生器(6)产生的跳时序列，发射波形成形器(7)中的基本脉冲g_n(t)产生相应的时移，得到发射信号s_n(t)，由发射端天线发射，不同用户的跳时序列不同；

接收过程：

步骤五、接收端天线将接收到的信号s_n(t)滤波后分为两路处理，其中一路信号s_n(t)做p_n阶分数傅立叶换，对变换结果在峰值位置附近滤波，滤波后的信号做-p_n阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤六、对另一路信号s_n(t)做2-p_n阶分数傅立叶变换，对变换结果在峰值位置附近进行滤波，滤波后的信号做p_n-2阶分数傅立叶变换回到时域；

步骤七、将两路变换回时域的信号相加，得到分数域滤波后对原信号的时域重构；

步骤八、接收端跳时序列产生器(15)产生与发送端同步的跳时序列，接收端脉冲波形产生器(18)得到与发端相同形状的切普叠加脉冲波形g_n(t)后，模板信号产生器(19)根据本地跳时序列跳时，产生积分模板信号；

步骤九、模板信号与步骤七中得到的重构信号进行积分相关，根据相关结果及调制方式由判决器(20)进行判决，由信息输出器(21)输出解调的数据。

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