CN101272157B - 基于分数傅立叶变换域的超宽带时分信道复用方法 - Google Patents

Abstract

基于分数傅立叶变换域的超宽带时分信道复用方法，它涉及一种超宽带系统中多用户复用信道资源的方式。本发明解决了超宽带系统存在多径干扰等影响，使得系统必须采用较小的占空比传输信息，信道得不到较好的利用，系统的容量也受到了较大限制的问题。发射过程，将系统时间划分为若干时隙分配给不同的用户，并令不同用户采用不同的截断切普信号作为发射脉冲；接收过程，首先通过分数傅立叶变换在分数域上实现待检测用户信号与多径干扰信号的分离，然后在将分离后的分数域信号通过另一次分数傅立叶变换得到时域信号，再分别与相应的本地模板信号进行相关，解调出原信息。

Description

基于分数傅立叶变换域的超宽带时分信道复用方法

技术领域

本发明涉及一种多用户的信息传输方式及接收技术，具体涉及一种超宽带系统中多用户复用信道资源的方式。

背景技术

超宽带无线通信在无线视频、无线声频、高速数据传输以及家庭数字网络等领域均有广阔的应用前景。目前在超宽带无线通信领域，发射脉冲的时域宽度极小，为纳秒或亚纳秒级，但由于超宽带系统存在多径干扰等影响，使得系统必须采用较小的占空比传输信息，信道并没有得到较好的利用，系统的容量也受到了较大的限制。超宽带系统采用的多址(多用户)方式主要为跳时扩频方式或直接序列扩频方式，跳时扩频方式中的跳时序列是一种伪随机序列，此伪随机序列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，进而减小多用户干扰。当超宽带系统中用户数增加时，由于跳时码周期有限使得不同用户的信号碰撞概率也随之增大，导致系统的误码率升高。若采用增大跳时码周期的方法来扩大系统容量必将进一步降低系统传输的占空比，使得传输速率受到较大影响。

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

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

其中f(t)为信号的时域表达形式，K(p；u，t)为变换核，F^pf(u)为f(t)的p阶分数傅立叶变换，u为分数域坐标，α＝pπ/2。

分数傅立叶变换的逆变换可以表示为：

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

因此信号f(t)的分数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，该分数傅立叶变换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+πkt²))

参数f₀、k分别表示切普信号的中心频率和调频率，A表示切普信号的幅值，根据分数傅立叶变换具有的切普基分解特性，分数傅立叶变换在某个分数傅立叶域上对给定的切普信号具有最好的能量聚集特性，将表现为一个冲击函数。

在实际通信系统中，发射端发射的信号为实函数，取两个共轭的切普信号叠加，使其成为余弦函数形式：

c(t)＝c₁(t)+c₂(t)

＝Aexp(j(2πf₀t+πkt²))+Aexp(-j(2πf₀t+πkt²))

＝2Acos(2πf₀t+πkt²)

根据分数傅立叶变换的性质，上式中切普信号Aexp(j(2πf₀t+πkt²))在p阶分数域上能量最集中，切普信号Aexp(-j(2πf₀t+πkt²))在2-p阶分数域上能量最集中。

发明内容

本发明的目的是为了解决超宽带系统存在多径干扰等影响，使得系统必须采用较小的占空比传输信息，信道得不到较好的利用，系统的容量也受到了较大限制的问题，今提供基于分数傅立叶变换域的超宽带时分信道复用方法。

由于每个用户所采用的收发设备均是相同的，现对第k个用户的发射与接收为例进行说明，具体步骤如下：

发射过程：

步骤一、信息源输出二进制数字信息序列b_n ^(k)；

步骤二、映射器将信息源输出的载有二进制数码1和0的二进制数字信息序列b_n ^(k)映射为载有数码1和-1的信息序列d_n ^(k)；

步骤三、发送端切普信号产生器在发射端信号参数存储器的作用下生成两个共轭切普信号叠加的余弦形式切普信号c^(k)(t)；

步骤四、信息序列d_n ^(k)与余弦形式切普信号c^(k)(t)在第一系统时钟的控制下通过调制器得到载有信息的脉冲信号m^(k)(t)，此脉冲信号m^(k)(t)通过发射端天线发射。

接收过程：

步骤五、将接收到的信号通过滤波器进行滤波，然后在第二系统时钟的控制下通过采样器在系统所分配的时隙内进行离散采样，得到离散采样序列r^(k)(n)，对此离散采样序列r^(k)(n)分别进行p阶分数域处理和2-p阶分数域处理：

所述的p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过p阶离散分数傅立叶变换器得到p阶分数域序列f^(k) ₁(n)，然后通过一号滤波器和-p阶离散分数傅立叶变换器得到离散序列m₁ ^(k)(n)的估计序列

所述的2-p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过2-p阶离散分数傅立叶变换器得到2-p阶分数域序列f^(k) ₂(n)，然后通过二号滤波器和p-2阶离散分数傅立叶变换器得到离散序列m₂ ^(k)(n)的估计序列

步骤六、离散序列m₁ ^(k)(n)的估计序列

和离散序列m₂ ^(k)(n)的估计序列

相加得到估计序列

步骤七、接收端切普信号产生器在接收端信号参数存储器的控制下产生余弦形式切普信号c^(k)(t)，其中接收端信号参数存储器中的参数与发送端信号参数存储器中的参数相同，此余弦形式切普信号c^(k)(t)在第二系统时钟的控制下通过模板信号产生器产生本地积分模板序列v^(k)(n)；

步骤八、本地积分模板序列v^(k)(n)与估计序列

通过相关器后得到的数值送入判决器进行判决，最后通过信息输出器得到第k个用户的数字信息。

本发明采用时域复用和分数域分离相结合的思想，使不同用户在不同时隙发射信息脉冲，将脉冲一帧的时间划分为若干个时隙，然后分配给不同的系统用户使用。系统中每个用户所采用的发射脉冲各不相同，这些脉冲将在不同阶数的分数域上表现出能量聚集特性，这样在接收端可以利用这种聚集特性将待检测用户所发射的脉冲信号有效的分离出来，提高系统的用户数量。

附图说明

图1是本发明的发射装置结构示意图；图2是本发明的接收装置结构示意图；图3是接收端接收到的三个用户的信号波形示意图，其中“—— ——”表示第一个用户，“----”表示第二个用户，“——”表示第三个用户；图4是接收端期望检测信号和多径干扰信号的波形示意图，其中“---”表示干扰信号，“——”表示第三个用户的期望信号；图5是接收端信号p阶分数域滤波的示意图，其中“——”表示第三个用户信号，“----”表示多径信号，“—— ——”表示矩形窗；图6是接收端信号2-p阶分数域滤波的示意图，其中“——”表示第三个用户信号，“----”表示多径信号，“—— ——”表示矩形窗；图7是接收端经过p阶和2-p阶分数域处理后的重构信号和多径干扰信号的示意波形图，其中“—— ——”表示重构信号，“----”表示干扰信号，“——”表示期望信号。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。

本实施方式的发射装置由信息源1、映射器2、第一系统时钟3、调制器4、发送端切普信号产生器5和发送端信号参数存储器6组成。

发射过程：

步骤一、信息源1输出二进制数字信息序列b_n ^(k)；

步骤二、映射器2将信息源1输出的载有二进制数码1和0的二进制数字信息序列b_n ^(k)映射为载有数码1和-1的信息序列d_n ^(k)；

步骤三、发送端切普信号产生器5在发射端信号参数存储器6的作用下生成两个共轭切普信号叠加的余弦形式切普信号c^(k)(t)；

步骤四、信息序列d_n ^(k)与余弦形式切普信号c^(k)(t)在第一系统时钟3的控制下通过调制器4得到载有信息的脉冲信号m^(k)(t)，此脉冲信号m^(k)(t)通过发射端天线发射。

本实施方式的接收装置由滤波器7、采样器8、第二系统时钟23、p阶离散分数傅立叶变换器9、一号滤波器10、-p阶离散分数傅立叶变换器11、2-p阶离散分数傅立叶变换器12、二号滤波器13、p-2阶离散分数傅立叶变换器14、相关器15、判决器16、信息输出器17、模板信号产生器18、接收端切普信号产生器19、接收端信号参数存储器20组成。

接收过程：

步骤五、将接收到的信号通过滤波器7进行滤波，然后在第二系统时钟23的控制下通过采样器8在系统所分配的时隙内进行离散采样，得到离散采样序列r^(k)(n)，对此离散采样序列r^(k)(n)分别进行p阶分数域处理和2-p阶分数域处理：

所述的p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过p阶离散分数傅立叶变换器9得到p阶分数域序列f^(k) ₁(n)，然后通过一号滤波器10和-p阶离散分数傅立叶变换器11得到离散序列m₁ ^(k)(n)的估计序列

所述的2-p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过2-p阶离散分数傅立叶变换器12得到2-p阶分数域序列f^(k) ₂(n)，然后通过二号滤波器13和p-2阶离散分数傅立叶变换器14得到离散序列m₂ ^(k)(n)的估计序列

步骤六、离散序列m₁ ^(k)(n)的估计序列

和离散序列m₂ ^(k)(n)的估计序列

相加得到估计序列

步骤七、接收端切普信号产生器19在接收端信号参数存储器20的控制下产生余弦形式切普信号c^(k)(t)，其中接收端信号参数存储器20中的参数与发送端信号参数存储器6中的参数相同，此余弦形式切普信号c^(k)(t)在第二系统时钟23的控制下通过模板信号产生器18产生本地积分模板序列v^(k)(n)；

步骤八、本地积分模板序列v^(k)(n)与估计序列

通过相关器15后得到的数值送入判决器16进行判决，最后通过信息输出器17得到第k个用户的数字信息。

图3～图7给出了接收端仿真验证的结果：

图3是接收端接收到的三个用户的信号波形示意图；图4是接收端期望检测信号和多径干扰信号的波形示意图；接收到的脉冲序列通过滤波器7进行滤波，在第二系统时钟23的控制下通过采样器8在系统所分配的时隙内对滤波后的信号进行离散采样，得到离散采样序列r^(k)(n)，此离散采样序列r^(k)(n)经过p阶离散分数傅立叶变换器9后的信号波形如图5；接收到的脉冲序列通过滤波器7进行滤波，在第二系统时钟23的控制下通过采样器8在系统所分配的时隙内对滤波后的信号进行离散采样，得到离散采样序列r^(k)(n)，此离散采样序列r^(k)(n)经过2-p阶离散分数傅立叶变换的信号波形如图6；图7是接收端信号经过p阶和2-p阶分数域处理后的重构信号和多径干扰信号波形的示意图。

这样就实现了使不同用户在不同时隙发射信息脉冲，将脉冲一帧的时间划分为若干个时隙，然后分配给不同的系统用户使用的目的。系统中每个用户所采用的发射脉冲各不相同，这些脉冲将在不同阶数的分数域上表现出能量聚集特性，这样在接收端可以利用这种聚集特性将待检测用户所发射的脉冲信号有效的分离出来，提高系统的用户数量。

Claims (1)

1.基于分数傅立叶变换域的超宽带时分信道复用方法，其特征在于具体步骤如下：

发射过程：

步骤一、信息源(1)输出二进制数字信息序列b_n ^(k)；

步骤二、映射器(2)将信息源(1)输出的载有二进制数码1和0的二进制数字信息序列b_n ^(k)映射为载有数码1和-1的信息序列d_n ^(k)；

步骤三、发送端切普信号产生器(5)在发射端信号参数存储器(6)的作用下生成两个共轭切普信号叠加的余弦形式切普信号c^(k)(t)；

步骤四、信息序列d_n ^(k)与余弦形式切普信号c^(k)(t)在第一系统时钟(3)的控制下通过调制器(4)得到载有信息的脉冲信号m^(k)(t)，此脉冲信号m^(k)(t)通过发射端天线发射；并且使得不同用户在不同时隙发射的脉冲信号m^(k)(t)，将脉冲一帧的时间划分为若干个时隙，然后分配给不同的系统用户，即不同用户的第一系统时钟为各不相同的时隙；

接收过程：

步骤五、将接收到的信号通过滤波器(7)进行滤波，然后在第二系统时钟(23)的控制下通过采样器(8)在系统所分配的时隙内进行离散采样，得到离散采样序列r^(k)(n)，对此离散采样序列r^(k)(n)分别进行p阶分数域处理和2-p阶分数域处理：

所述的p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过p阶离散分数傅立叶变换器(9)得到p阶分数域序列f^(k) ₁(n)，然后通过一号滤波器(10)和-p阶离散分数傅立叶变换器(11)得到离散序列

的估计序列

所述的2-p阶分数域处理过程为：离散采样序列r^(k)(n)通过2-p阶离散分数傅立叶变换器(12)得到2-p阶分数域序列f^(k) ₂(n)，然后通过二号滤波器(13)和p-2阶离散分数傅立叶变换器(14)得到离散序列

的估计序列

步骤六、离散序列

的估计序列

和离散序列的估计序列相加得到估计序列

步骤七、接收端切普信号产生器(19)在接收端信号参数存储器(20)的控制下产生余弦形式切普信号c^(k)(t)，其中接收端信号参数存储器(20)中的参数与发送端信号参数存储器(6)中的参数相同，此余弦形式切普信号c^(k)(t)在第二系统时钟(23)的控制下通过模板信号产生器(18)产生本地积分模板序列v^(k)(n)；

步骤八、本地积分模板序列v^(k)(n)与估计序列

通过相关器(15)后得到的数值送入判决器(16)进行判决，最后通过信息输出器(17)得到第k个用户的数字信息。

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