CN101309092B - 分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法 - Google Patents

Abstract

分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法，涉及一种超宽带系统中的信息调制及解调技术。它解决了PAM、PPM等调制方法利用一路脉冲作为信息传输的载体进行通信时传输效率低的问题。它的调制过程为：将多进制数码的信息源分为并行的两路数字信息，并将两路数字信息分别与实切普信号和高斯信号在发送端时钟作用下通过调制和相加得到的发送端脉冲由发射端天线发射；解调过程为：将接收的脉冲信号进行滤波并在接收端时钟作用下进行采样，并变换到p阶分数傅立叶变换域上，再将分别与实切普信号和高斯信号进行相关解调获得的两路数字信息映射为一路多进制数字信息。所述高斯信号也可为实切普信号。本发明可应用于脉冲超宽带通信系统中。

Description

分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法 

技术领域

本发明涉及一种超宽带系统中的信息调制与解调技术。 

背景技术

超宽带无线通信在无线视频、声频、高速数据传输以及家庭数字网络等诸多领域均有广阔的应用前景。目前在超宽带无线通信领域，信息的调制方式主要有脉冲幅度调制(PAM)和脉冲位置调制(PPM)，但无论采用哪种调制方式，都是利用一路脉冲作为信息传输的载体进行通信，影响了系统的传输效率。 

分数阶傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换。设f(t)为信号的时域表达形式，它的p阶分数傅立叶变换为 则f(t)的p阶分数傅立叶变换为： 

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

其中，K(p；u，t)表示变换核，u表示分数域坐标，α＝pπ/2。 

f(t)的p阶分数傅立叶变换的逆变换可以表示为： 

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κ(-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为： 

c(t)＝Aexp(j(2πf₀t+πkt²)) 

其中A为信号幅度参数，参数f₀、k分别表示切普信号的中心频率和调频率。根据分数傅立叶变换具有的切普基分解特性，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，将表现为一个冲击函数。 

在实际系统应用中，采用余弦形式的信号，其为两个共轭的切普信号的合 成信号，表达式如下： 

c(t)＝Acos(2πf₀t+πkt²) 

根据分数傅立叶变换的性质，上式中合成信号的两个切普信号分别在p阶分数域和-p阶分数域表现出能量聚集特性。 

发明内容

为了解决PAM、PPM等调制方法利用一路脉冲作为信息传输的载体进行通信时传输效率低的问题，现提出分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法。 

本发明的第一种技术方案为： 

调制过程： 

步骤一、通过发送端映射器将信息源b_n输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息d_n ⁽¹⁾和d_n ⁽²⁾； 

步骤二、第一切普信号产生器根据发送端信号参数存储器中的参数产生相应的实切普信号c₁(t)； 

步骤三、第一高斯信号产生器根据发送端信号参数存储器中的参数产生相应的高斯信号c₂(t)； 

步骤四、数字信息d_n ⁽¹⁾与实切普信号c₁(t)在发送端时钟作用下通过一号调制器得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息d_n ⁽²⁾与高斯信号c₂(t)在发送端时钟作用下通过二号调制器得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)； 

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射； 

解调过程： 

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器进行滤波，然后在接收端时钟的作用下通过一号采样器进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶变换器得到离散序列(F^pr)(u)； 

步骤七、第二切普信号产生器根据接收端信号参数存储器中存储的信号参数产生实切普信号c′₁(t)，所述实切普信号c′₁(t)在接收端时钟的作用下通过二号采样器进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器得到切普离散序列(F^pr)₁(u)； 

步骤八、第二高斯信号产生器根据接收端信号参数存储器中存储的信号参数产生高斯信号c′₂(t)，所述高斯信号c′₂(t)在接收端时钟的作用下通过三号采样器进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器得到高斯离散序列(F^pr)₂(u)； 

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过第一相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和高斯离散序列(F^pr)₂(u)通过第二相关器得到积分值f₂； 

步骤十、积分值f₁通过一号判决器得到数字信息 

积分值f₂通过二号判决器得到数字信息 

数字信息 

和 

一起送入接收端映射器转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器输出； 

本技术方案中发送端信号参数存储器中的信号参数与接收端信号参数存储器中的信号参数相同。 

本发明提供的另一种技术方案为： 

调制过程： 

步骤一、通过发送端映射器将信息源b_n输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息 

和 

步骤二、第一切普信号产生器根据第一发送端信号参数存储器中的参数产生相应的实切普信号c₃(t)； 

步骤三、第三切普信号产生器根据第二发送端信号参数存储器中的参数产生相应的实切普信号c₄(t)； 

步骤四、数字信息 

与实切普信号c₃(t)在发送端时钟作用下通过一号调制器得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息 

与实切普信号c₄(t)在发送端时钟作用下通过二号调制器得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)； 

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射； 

解调过程为： 

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器进行滤波，然后在接收端时钟的作用下通过一号采样器进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶 变换器得到离散序列(F^pr)(u)； 

步骤七、第二切普信号产生器根据第一接收端信号参数存储器中存储的信号参数产生实切普信号c′₃(t)，所述实切普信号c′₃(t)在接收端时钟的作用下通过二号采样器进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器得到切普离散序列(F^pr)₁(u)； 

步骤八、第四切普信号信号产生器根据第二接收端信号参数存储器中存储的信号参数产生实切普信号c′₄(t)，所述实切普信号c′₄(t)在接收端时钟的作用下通过三号采样器进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器得到切普离散序列(F^pr)₂(u)； 

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过第一相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₂(u)通过第二相关器得到积分值f₂； 

步骤十、积分值f₁通过一号判决器得到数字信息 

积分值f₂通过二号判决器得到数字信息 

数字信息 

和 

一起送入接收端映射器转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器输出； 

本技术方案中第一发送端信号参数存储器中的参数与第一接收端信号参数存储器中的参数相同，第二发送端信号参数存储器中的参数与第二接收端信号参数存储器中的参数相同。 

本发明的方法实现较为简单，由于实切普信号和高斯信号在特定阶分数傅立叶变换域上具有不同的能量聚集特性，所以利用两路信号同时传输信息，与采用单一脉冲的系统相比，有效利用了信道资源，增大了系统的传输速率，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是具体实施方式一的调制装置的结构示意图；图2是具体实施方式一的解调装置的结构示意图；图3是具体实施方式二的调制装置的结构示意图；图4是具体实施方式二的解调装置的结构示意图；图5是具体实施方式一解调过程中切普离散序列(F^pr)₁(u)和高斯离散序列(F^pr)₂(u)的p阶分数域波形图， 其中“---”表示切普离散序列(F^pr)₁(u)的波形图，“——”表示高斯离散序列(F^pr)₂(u)的波形图；图6是具体实施方式一中装置的信号系统误符号率的仿真曲线，其中横坐标表示每比特信息具有的能量E_b与加性高斯白噪声信道的单边功率谱密度N₀的比值。 

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的的分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法中的调制过程为： 

步骤一、通过发送端映射器1将信息源b_n输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息d_n ⁽¹⁾和d_n ⁽²⁾； 

步骤二、第一切普信号产生器2根据发送端信号参数存储器3中的参数产生相应的实切普信号c₁(t)； 

步骤三、第一高斯信号产生器4根据发送端信号参数存储器3中的参数产生相应的高斯信号c₂(t)； 

步骤四、数字信息d_n ⁽¹⁾与实切普信号c₁(t)在发送端时钟7作用下通过一号调制器5得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息d_n ⁽²⁾与高斯信号c₂(t)在发送端时钟7作用下通过二号调制器6得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)； 

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射； 

解调过程为： 

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器8进行滤波，然后在接收端时钟12的作用下通过一号采样器13-1进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到离散序列(F^pr)(u)； 

步骤七、第二切普信号产生器10根据接收端信号参数存储器9中存储的信号参数产生实切普信号c′₁(t)，所述实切普信号c′₁(t)在接收端时钟12的作用下通过二号采样器13-2进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到切普离散序列(F^pr)₁(u)； 

步骤八、第二高斯信号产生器11根据接收端信号参数存储器9中存储的 信号参数产生高斯信号c′₂(t)，所述高斯信号c′₂(t)在接收端时钟12的作用下通过三号采样器13-3进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到高斯离散序列(F^pr)₂(u)； 

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和高斯离散序列(F^pr)₂(u)通过相关器得到积分值f₂； 

步骤十、积分值f₁通过一号判决器15得到数字信息g_n ⁽¹⁾，积分值f₂通过二号判决器16得到数字信息g_n ⁽²⁾，数字信息g_n ⁽¹⁾和g_n ⁽²⁾一起送入接收端映射器17转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器18输出； 

本实施方式中发送端信号参数存储器3中的信号参数与接收端信号参数存储器9中的信号参数相同。 

以输出为四进制数码的信息源为例对本实施方式进行具体说明： 

调制过程： 

步骤一、输出的两路数字信息的数据流{d_n}与输入的信息源的数据流{b_n}的关系为： 

$d_n=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{ccc}1& 1& b_n=0\\ 1& -1& b_n=1\\ -1& 1& b_n=2\\ -1& -1& b_n=3\end{array}\right.,(n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·)\end{array}\text{;}$

通过步骤二得到实切普信号c₁(t)； 

通过步骤三得到高斯信号c₂(t)； 

通过步骤四和步骤五得到的信号可以表示为 

其中，T_f为一帧持续时间，也可称为脉冲重复时间； 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， 为第k路信号在第j帧传送的调制信息，它对应该路数据的第 

位； 

通过步骤六、步骤七、步骤八、步骤九和步骤十完成本发明的解调过程。 

具体实施方式二：本实施方式所述的分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法中的调制过程为： 

调制过程为： 

步骤一、通过发送端映射器1将信息源b_n输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息d_n ⁽¹⁾和d_n ⁽²⁾； 

步骤二、第一切普信号产生器2根据第一发送端信号参数存储器3-1中的参数产生相应的实切普信号c₃(t)； 

步骤三、第三切普信号产生器4-1根据第二发送端信号参数存储器3-2中的参数产生相应的实切普信号c₄(t)； 

步骤四、数字信息d_n ⁽¹⁾与实切普信号c₃(t)在发送端时钟7作用下通过一号调制器5得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息d_n ⁽²⁾与实切普信号c₄(t)在发送端时钟7作用下通过二号调制器6得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)； 

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射； 

解调过程为： 

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器8进行滤波，然后在接收端时钟12的作用下通过一号采样器13-1进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到离散序列(F^pr)(u)； 

步骤七、第二切普信号产生器10根据第一接收端信号参数存储器9-1中存储的信号参数产生实切普信号c′₃(t)，所述实切普信号c′₃(t)在接收端时钟12的作用下通过二号采样器13-2进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到切普离散序列(F^pr)₁(u)； 

步骤八、第四切普信号信号产生器11-1根据第二接收端信号参数存储器9-2中存储的信号参数产生实切普信号c′₄(t)，所述实切普信号c′₄(t)在接收端时钟12的作用下通过三号采样器13-3进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器14得到切普离散序列(F^pr)₂(u)； 

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₂(u)通过相关器得到积分值f₂； 

步骤十、积分值f₁通过一号判决器15得到数字信息g_n ⁽¹⁾，积分值f₂通过二号判决器16得到数字信息g_n ⁽²⁾，数字信息g_n ⁽¹⁾和g_n ⁽²⁾一起送入接收端映射器17转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器18输出； 

本实施方式中第一发送端信号参数存储器3-1中的参数与第一接收端信号参数存储器9-1中的参数相同，第二发送端信号参数存储器3-2中的参数与第二接收端信号参数存储器9-2中的参数相同。 

Claims (2)

1.分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法，其特征在于它的调制过程为：

步骤一、通过发送端映射器(1)将信息源b_n输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息

和

步骤二、第一切普信号产生器(2)根据发送端信号参数存储器(3)中的参数产生相应的实切普信号c₁(t)；

步骤三、第一高斯信号产生器(4)根据发送端信号参数存储器(3)中的参数产生相应的高斯信号c₂(t)；

步骤四、数字信息

与实切普信号c₁(t)在发送端时钟(7)作用下通过一号调制器(5)得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息

与高斯信号c₂(t)在发送端时钟(7)作用下通过二号调制器(6)得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)；

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射；

解调过程为：

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器(8)进行滤波，然后在接收端时钟(12)的作用下通过一号采样器(13-1)进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到离散序列(F^pr)(u)；

步骤七、第二切普信号产生器(10)根据接收端信号参数存储器(9)中存储的信号参数产生实切普信号c′₁(t)，所述实切普信号c′₁(t)在接收端时钟(12)的作用下通过二号采样器(13-2)进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到切普离散序列(F^pr)₁(u)；

步骤八、第二高斯信号产生器(11)根据接收端信号参数存储器(9)中存储的信号参数产生高斯信号c′₂(t)，所述高斯信号c′₂(t)在接收端时钟(12)的作用下通过三号采样器(13-3)进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到高斯离散序列(F^pr)₂(u)；

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过第一相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和高斯离散序列(F^pr)₂(u)通过第二相关器得到积分值f₂；

步骤十、积分值f₁通过一号判决器(15)得到数字信息积分值f2通过二号判决器(16)得到数字信息

数字信息

和

一起送入接收端映射器(17)转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器(18)输出；

本权利要求中发送端信号参数存储器(3)中的信号参数与接收端信号参数存储器(9)中的信号参数相同。

2.分数傅立叶变换域超宽带脉冲信号调制与解调方法，其特征在于它的调制过程为：

步骤一、通过发送端映射器(1)将信息源bn输出的多进制数码映射为并行的两路数字信息和

步骤二、第一切普信号产生器(2)根据第一发送端信号参数存储器(3-1)中的参数产生相应的实切普信号c₃(t)；

步骤三、第三切普信号产生器(4-1)根据第二发送端信号参数存储器(3-2)中的参数产生相应的实切普信号c₄(t)；

步骤四、数字信息与实切普信号c₃(t)在发送端时钟(7)作用下通过一号调制器(5)得到载有数字信息的脉冲信号m₁(t)，数字信息

与实切普信号c₄(t)在发送端时钟(7)作用下通过二号调制器(6)得到载有数字信息的脉冲信号m₂(t)；

步骤五、载有数字信息的脉冲信号m₁(t)和m₂(t)相加得到的脉冲信号m(t)由发射端天线发射；

解调过程为：

步骤六、接收天线接收的脉冲信号通过滤波器(8)进行滤波，然后在接收端时钟(12)的作用下通过一号采样器(13-1)进行采样，采样后的信号通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到离散序列(F^pr)(u)；

步骤七、第二切普信号产生器(10)根据第一接收端信号参数存储器(9-1)中存储的信号参数产生实切普信号c′₃(t)，所述实切普信号c′₃(t)在接收端时钟(12)的作用下通过二号采样器(13-2)进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到切普离散序列(F^pr)₁(u)；

步骤八、第四切普信号信号产生器(11-1)根据第二接收端信号参数存储器(9-2)中存储的信号参数产生实切普信号c′₄(t)，所述实切普信号c′₄(t)在接收端时钟(12)的作用下通过三号采样器(13-3)进行采样，然后通过p阶离散分数傅立叶变换器(14)得到切普离散序列(F^pr)₂(u)；

步骤九、离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₁(u)通过第一相关器得到积分值f₁，离散序列(F^pr)(u)和切普离散序列(F^pr)₂(u)通过第二相关器得到积分值f₂；

步骤十、积分值f₁通过一号判决器(15)得到数字信息

积分值f₂通过二号判决器(16)得到数字信息

数字信息

和一起送入接收端映射器(17)转换为一路多进制数字信息g_n，所述多进制数字信息g_n通过信息输出器(18)输出；

本权利要求中第一发送端信号参数存储器(3-1)中的参数与第一接收端信号参数存储器(9-1)中的参数相同，第二发送端信号参数存储器(3-2)中的参数与第二接收端信号参数存储器(9-2)中的参数相同。

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