CN101599773A - 基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法 - Google Patents

Abstract

基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法提出一种宽带无线通信系统结构，同传统无线通信的模式不同，本系统不需要传统模式的无线电载波以及调制，而是对高速基带信号直接经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射；其中，通过对数字基带信号进行编码形成传输码，实现长序列高电平的无线传输。在系统的接收端，传输的无线电信号通过宽带天线接收后，经过宽带低噪声放大器放大，再通过高速采样器或模数转化器送到基带进行信号处理。本发明避免了传统无线通信模式中调制解调结构所必须的器件如混频器，从而实现结构简单，传输速率高，低成本的宽带无线通信系统。

Description

基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法

技术领域

本发明涉及一种宽带无线通信系统结构，特别是在不需要借助于无线电载波以及不需要对载波进行信号调制的情况下，而是通过高速基带数字信号的直接放大、发射以及接收来实现宽带无线通信的方法。

背景技术

传统的无线通信系统其射频前端收发模块子系统主要包括两种实现模式，一种是采用将频率进行变换的调制载波模式，一种是脉冲无线电(impulse radio)模式。

其中，调制载波模式是发展了很多年的成熟系统，其特点是需要无线电载波来实现信号的无线传输。其收发系统的发射端是利用数字基带信号(包含了需要传输的信息)去调制载波无线电信号，通过混频器将低频基带信号和载波信号进行混频，从而将需要传送的信息加载到射频信号，然后通过天线发射出去。这种模式的几种典型结构比如直接上变频发射机结构，超外差式发射机结构等，都需要无线电载波以及对载波的变频调制。

调制载波模式的接收端则将接收到的射频信号和载波信号进行混频，将射频信号变为低频基带信号，再传送给后续模块进行处理。典型的实现方法包括如零中频接收机，双中频外差接收机，等。请参考“射频微电子”，Behzad Razavi著，余志平，周润德 译，06年4月第一版(参考文献1)。

传统的无线广播通信系统，以及移动通信的第二代(second generation-2G)，第三代(3G)，以及目前正在开发的第四代(4G)移动通信系统等都是基于以上的调制载波模式。作为调制载波模式的一种被广泛应用的技术是码分多址(CDMA)，这种技术可以提高频谱的有效利用率，提高信息传输的效率，降低干扰。相关的专利如：朱应剑，“数字调制方式的CDMA一次变频发射系统”，东方通信科技发展有限公司，授权号：CN1440149，2003年(参考专利1)；三浦彻也，“CDMA接收机及其接收方法”，日本电气株式会社，授权号CN1402911，2003年(参考专利2)。

在超宽带(Ultra Wide Band-UWB)通信中，目前比较成熟的技术比如“多带-正交频分互用”(Multi Band-OFDM)系统，也采用了调制/解调的模式。如：Behzad Razavi，Han-Chang Kang，Turgut Aytur，Ran Yan，“Ultrawideband CMOS transceiver”，US Patent，Pub.No.2006/0103473 A1，May 16，2006(参考专利3)；Ismail，A.Abidi，“A 3.1 to 8.2GHz DirectConversion Receiver for MB-OFDM UWB Communications”，2005 IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference，pp.208-210(参考文献2)；Hui Zheng，et al.，“A 3.1-8.0GHz MB-OFDM UWB Transceiver in 0.18μm CMOS，”IEEE 2007 Custom Integrated CircuitsConference(CICC)，pp.651-654(参考文献3)。

以上模式都涉及到把数字基带信号加载到载波无线电信号，并通过变频，实现信息的传输。其代表性特征是都需要无线电载波信号，并需要进行频率转化。从电路实现的角度分析，以上系统均需要混频器。

过去近20年间，在无线通信领域有两个被广泛研究的技术是软件无线电(software radio)和数字无线电(digital radio)技术。

软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电通常被认为是一个可以进行重新配置的系统，它只需要开发一套通用的硬件系统，系统通过不同的软件来适应不同的环境：包括多种业务、标准、和频带等。应用软件无线电技术，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。

全波段理想软件无线电目前还只是设想，目前所能实现的是尽量采用软件无线电的设计思想，在中频以下达到全数字化，所以也可以称为数字无线电，随着器件和技术水平的发展，逐步向真正的软件无线电逼近。

“数字无线电”技术通常被用来描述那些将数字信号处理技术应用于基带信号处理、调制和解调、中频甚至射频信号处理的无线通信系统。

从以上分析可以看出，软件无线电和数字无线电也都是建立在调制载波以及变频的基础上。

同调制载波的无线通信模式不同，脉冲无线电(impulse radio)作为超宽带通信的一种实现模式是利用数字信号对脉冲信号进行幅度、位置、相位等“调制”。这种模式是一种“无载波”(carrier-less)模式，但仍然需要数字基带信号对超宽带脉冲信号进行调制，然后进行信息传输和接收。如：Byunghoo Jung et al.，“Pulse generator design for UWB IRcommunication systems，”Circuits and Systems，2005，4381-4384 Vol.5(参考文献4)；马龙，“一种新的基于混沌脉冲位置调制的UWB-IR通信系统，”解放军理工大学学报(自然科学版)，2007年04期(参考文献5)。

发明内容

技术问题：本发明是在详细分析目前各种无线通信系统模式的基础上，提出一种基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，与目前成熟的无线通信模式相比，本无线通信系统无载波、无需变频，从而实现结构简单、低成本、传输速率高的宽带无线通信系统。

技术方案：本发明的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法中，发射端通过将高速基带数字信号编码形成传输码，经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射到空间；接收端从宽带天线接收信号，输入到宽带低噪声放大器，经过放大后输入到高速采样器或者模数转化器，再输入到基带进行信号处理，从而不需要把数字基带信号加载到另外的无线电载波上之后进行发射和接收。系统的发射端的射频部分无需上变频混频器和本振信号。系统的接收端的射频部分无需下变频混频器和本振信号。

传输码是通过将高电平的数字基带信号代码1扩展为二位或以上的代码后形成，其中扩展码中至少包括一个低电平0。传输码是通过在数字基带信号中引入低电平的分隔符s，将包含2个或以上的高电平序列，利用分隔符分割成短序列的高电平。其中分割符s的电平同数字基带的低电平0具有不同的宽度或高度。传输码是通过在数字基带信号中引入压缩符y，将两个或以上的高电平1，压缩成一个压缩码y。压缩符y的电平同数字基带的低电平0或者高电平具有不同的宽度或电平幅度。

高速数字信号系列的不同时段，不同频率，不同形状：包括不同的信号幅度、上升/下降沿的时间常数、波形的相位及位置，构成不同的信息传输通道，从而实现多用户、多通道系统。

本系统的发射端结构：基带的高速数字信号(携带了需要传输的信息)，其信号幅度通常在几十个毫伏(mV)的量级，直接通过宽带的功率放大器，将数字信号(如方波信号)的幅度放大到数百毫伏或者以上的量级，然后通过宽带天线发射出去。

本系统的接收端结构：宽带天线接收到无线电信号后，通过宽带低噪声放大器放大，然后输入到高速采样器进行采样和模拟/数字信号转化，最后输入到基带进行信号处理。

通过该系统可以实现数字基带信号直接传输的全数字无载波宽带无线通信系统。

在大多数的应用情况下，数字基带信号是采用二进制的0和1表示。其中，0代表低电平(比如通常采用的零电压)，1代表高电平。高位进制如三进制的1，0，和-1也在某些情况下被使用。其中，-1代表幅度的绝对值和1的电平相同，但极性相反的电平。

有益效果：通过以上分析可知，该系统对高速基带信号直接经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射；在系统的接收端，传输的无线电信号通过宽带天线接收后，经过宽带低噪声放大器放大，再通过高速采样器或模数转化器送到基带进行信号处理。本发明避免了传统无线通信模式中调制解调结构所必须的器件如混频器，从而实现结构简单，传输速率高，低成本的宽带无线通信系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统中主要部分的框图。

图2是传统的直接上变频发射机结构(参考文献1)。

图3是传统的零中频接收机结构(参考文献1)。

图4(a)是本发明的发射端输入信号(数字基带信号)，和(b)接收端经过宽带低噪声放大器放大后的输出信号波形。(c)和(d)是输入和输出信号在小时间尺度下的波形。

图5显示当功率放大器的中心频率发生偏离时，接收到的信号产生失真。

图6显示当功率放大器和低噪声放大器的中心频率同数字基带信号一致，但带宽不够时，接收到的信号发生失真，信号需要长时间才能达到饱和值。

图7(a)和(b)是在10ns的周期下，一个0.05ns(50ps)的脉冲的频谱。(a)是数字基带信号的频谱，(b)是接收端的功率谱。(c)和(d)是在10ns的周期下，高、低电平的1和0的宽度为50ps的一个无规序列所对应的数字基带和接收信号的功率谱。

以上图1中有：

10-基带数字信号发生系统，其中基带信号经过(扩展)编码后形成传输码

11-基带的高频数字信号(如方波信号)编码后的传输码序列

12-发射端的宽带功率放大器

13-发射端的宽带天线

14-接收端的宽带天线

15-接收端的宽带低噪声放大器

16-接收端的高速采样器模块

17-接收端的数字处理模块

图2中有：

20-数字信号

21-无线电载波

22-调制变频后的信号

23-本振信号

24-移相器

25-混频器

图3中有：

30-本振信号

31-移相器

32-混频器。

具体实施方式

在图1中，左边为发射机部分，右边为接收机部分。

发射机中，携带了需要传输信息的数字信号，以方波信号或其他的脉冲信号形式，输入到发射端。该数字基带信号的频率可以包括几百兆赫兹以上的射频、微波、毫米波频率等。为了实现无线收发，首先对原始的数字基带信号进行编码，从而将高电平的长序列代码形成短序列的传输码。

在接收机部分，宽带天线接收到的信号被宽带低噪声放大器放大后，利用高速采样器对信号进行采样和模拟/数字信号转化，再传送给后续基带电路进行信号处理。

整个系统中，功率放大器，低噪声放大器，以及天线其带宽需要满足相应的系统带宽要求。

在以上的系统中，采用以下几种模式可实现多用户、多通道通信。利用数字信号序列的不同时间段，可实现时分复用(TDM)系统，利用数字信号的不同速率(或者频率及周期)，可实现频分复用的多频、多通道的信息传输。利用数字信号(如方波以及其他脉冲)的不同形状，包括幅度，上升/下降沿的时间，位置(或相位)的不同，可携带更多的信息。

以上所述的全数字无载波宽带无线通信系统，具有实现计算机之间的无线连接的功能。同时，在光纤通信中因为信息的传递也是采用数字化模式，本系统也具有同光纤通信直接兼容的特性，从而实现光纤通信之间的无线连接。此外，数字化集成电路芯片的片上互连(interconnect)，也可以通过本系统模式实现无线片上互联。

以上所述的实施例仅是为说明本发明专利的技术思想及特点，而不能以之限定本发明的专利范围，凡是依本发明专利所揭示的思想所做的均等变化或修饰，仍应涵盖在本专利权利要求书的保护范围内。

图1为本发明所提出的全数字宽带无线通信系统结构的核心部分。

图2为传统的直接上变频发射机结构。由图可知，低频信号通过混频器加载到射频信号，再经过功率放大器放大，然后通过天线发射出去。

图3为传统的零中频接收机结构。由图可知，天线接收到的射频信号通过低噪声放大器后，通过混频，转化为低频信号，再传送给后续电路进行处理。

将图1和图2、图3进行对比后发现，采用变频的传统调制载波模式，其特征都是需要无线电载波信号，并需要进行频率转化；而本发明所提出的结构不需要变频，并且不需要另外的无线电载波。

下面，我们以二进制为例，详细分析本发明的技术实现。高位进制的情况下，可根据二进制做类似拓展。在0和1的二进制体系下，严格周期性的方波信号用(…01010101…)的无穷序列来表示。而加载有信息的基带信号，将是0和1的任何形式的组合。当遇到一个很长的高电平序列时(…11111111…)，比如100个高电平，其对应的方波的宽度将很宽(是单个信号的100倍)，这种情况下将要求系统的放大器等器件具有很宽的宽带。作为一种极端情况，对于一个接近无穷序列的高电平，其对应的是接近直流的低频信号，而这样的信号将无法通过无线电发射实现传输。

从而，如何实现对任意组合的数字基带信号特别是长序列的信号进行无线传输，并且对实现这种无线传输的射频系统的带宽控制在一定的带宽范围，成为本发明的一个核心技术。

克服长序列高电平传输困难的一种方法，是将基带数字信号的原始代码序列，进行扩展后形成新的传输码序列。原始代码的高电平1扩展成含有高、低电平(零电压)组合的一个组合序列，形成高电平1的传输码。比如，最简单的一种组合序列是由高低电平组成的二位传输码10，或者01。扩展码的位数不限于二位，对于高电平的原始码1，含有低电平的短位代码组合都可作为扩展的传输码。以这种方式形成的传输码，当接收端接收到高电平1以后，对于10序列的扩展码，其后面的低电平0将被识别为扩展符，而不作为原始信息的0电平。

在高电平代码1中引入上述的短序列扩展传输码(比如10或者01)后，因为此扩展传输码中含有低电平代码，从而保证长序列的高电平原始基带信号，在转化成扩展的传输码后，每隔一个原始高电平代码，至少有一个低电平的代码。这些扩展后的传输代码序列通过具有类似于原始代码周期信号带宽的无线电收发系统，实现发射、传输和接收。

以上处理同样适用于高于二进制的其他进制，其中，非零电平的原始代码，通过转化成包含零电平的传输码，而将长序列代码扩展成可以无线收发的传输码。

实现长序列的高电平代码传输的另外一种方法，是引入分隔符。当遇到一个很长的高电平信号1时，每隔一个或者几个信号宽度，插入一个低电平的分隔符信号s。这种分隔符s的电平和代表原始代码的电平0，具有不同的特性，比如，电平的时间宽度不同。从而，系统将根据这种不同宽度的低电平判断出分隔符。比如，一个基带信号序列(01101111111001)，通过分隔符的引入表达成(011011s11s11s1001)。这里，是每隔两个高电平引入一个分隔符。通过分隔符的引入，一个很长的高电平将可以被分隔成短序列信号，并被无线发射和接收。

类似于以上的分隔符，引入压缩符对原始代码进行压缩后也可形成传输码。比如，对于基带信号序列(01101111111001)，通过引入压缩码y，对每2个(或者更多个)高电平信号11转化成1个y信号，形成(0y0yyy1001)。这种压缩码y同原始代码1具有不同的特性，比如，不同的宽度等。

以上的分隔符和压缩符的组合，将对原始代码进行压缩和重新编码，从而形成可以被具有一定带宽的射频系统发射、传输和接收的代码。

案例分析：为了证明本发明的可行性，我们对本发明所提出的系统结构进行了验证。

系统的发射端利用一个宽带的功率放大器将数字基带信号(如方波信号)进行放大，放大后的信号由宽带天线发射到空间。

从发射端发送的信号，经过空间传输衰减被接收端的天线接收，然后被宽带低噪声放大器放大。放大后的信号经过高速采样器采样以及模拟/数字信号转化后输入到基带进行信号处理。

作为一种特例，我们首先考虑严格周期性的方波信号。这种情况对应一个无穷长序列的高电平(…..111111……)，在经过二位10(或者01)编码扩展后，形成(……10101010101010……)序列的传输码。从而显示长序列代码经过编码扩展形成传输码后，其发射和接收的原理

图4为周期性方波信号系统的仿真波形图。输入端的方波信号其频率为10GHz，对应的周期是0.1ns，电压幅度为5meV，基带信号经过编码扩展后形成周期性信号如图(a)所示。数字信号经过宽带的功率放大器(中心频率为10GHz，带宽为5GHz，增益是25dB)的放大后，通过宽带天线发射到空间。在接收端，信号经过天线接收后，被低噪声放大器(中心频率为10GHz，带宽为5GHz，增益是25dB)放大，输出的信号如图(b)所示。图(c)和(d)显示的是输入的数字信号以及接收到的信号在小时间尺度下的精细结果。

在以上的试验系统中，输入端的数字信号作为一个案例，我们选择方波信号，其他形状的脉冲信号也可做输入信号。

下面我们分析当系统的中心频率发生偏离，或者放大器的带宽发生变化时，系统的响应情况。

当发射端的宽带功率放大器和接收端的低噪声放大器的中心频率发生偏离时，如果带宽足够宽，从而放大器的线性区覆盖系统的中心频率时，系统的响应不受影响。

当系统的中心频率接近放大器的线性区域的边界，或者处于非线性区域时，系统接收到的信号波形将发生失真。

图5显示，对于10GHz周期的数字基带方波信号(a)，当接收端的低噪声放大器带宽不变(中心频率为10GHz，带宽为5GHz，增益是25dB)，而发射端的功率放大器的中心频率是8GHz，带宽为3GHz时，接收到的信号。这种情况下，因为数字信号的中心频率已经处于功率放大器的线性放大范围之外，从图5和图4的对比可以看出，所接收到的信号，因为发射端的带宽不够，信号发生了失真，出现包络状的调制波形，并且随时间的推移幅度降低(b)。图(c)和(d)显示的是输入的数字信号以及接收到的信号在小时间尺度下的精细结果。

此外，当放大器的中心频率一致，但放大器的带宽不同时，对信号的发射和接收也会产生影响。

图6是将功率放大器和低噪声放大器的中心频率设置为10GHz，带宽设为0.5GHz时(带宽是数字信号中心频率的5％)，接收端的输出波形。从图中可以看出，由于带宽不够，需要几十个信号周期的时间，输出波形才能达到稳定状态。

以上，作为一种特例，我们对周期性的方波信号的发射和接收做了系统分析。此种情况对应长序列高电平的极端情况下，信号的发射和接收问题。

当然，携带传输信号的数字基带信息其对应的方波信号将具有非周期性。下面，我们采用一种无规序列作为试验系统，显示其技术的可行性。图7中，(a)和(b)显示的是一个0.05ns(50ps)宽带的脉冲频谱，(a)是数字基带信号的频谱，(b)是接收端的功率谱。(c)和(d)是高、低电平的1和0的宽度为50ps的一个无规序列所对应的数字基带和接收信号的功率谱。其中，以上仿真时的周期采用10ns。

Claims (7)

1.一种基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于发射端通过将高速基带数字信号编码形成传输码，经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射到空间；接收端从宽带天线接收信号，输入到宽带低噪声放大器，经过放大后输入到高速采样器或者模数转换器，再输入到基带进行信号处理，从而不需要把数字基带信号加载到另外的无线电载波上之后进行发射和接收。

2.根据权利要求1所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，传输码是通过将高电平的数字基带信号代码1扩展为二位或以上的代码后形成，其中扩展码中至少包括一个低电平0。

3.根据权利要求1所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，传输码是通过在数字基带信号中引入低电平的分隔符s，将包含2个或以上的高电平序列，利用分隔符分割成短序列的高电平。

4.根据权利要求3所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，其中分割符s的电平同数字基带的低电平0具有不同的宽度或高度。

5.根据权利要求1所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，传输码是通过在数字基带信号中引入压缩符y，将两个或以上的高电平1，压缩成一个压缩码y。

6.根据权利要求5所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，压缩符y的电平同数字基带的低电平0或者高电平具有不同的宽度或电平幅度。

7.根据权利要求1所述的基于数字信号直接放大与传输的宽带无线通信方法，其特征在于，高速数字信号系列的不同时段，不同频率，不同形状包括不同的信号幅度、上升/下降沿的时间常数、波形的相位及位置构成不同的信息传输通道，从而实现多用户、多通道系统。

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