CN102510300A

CN102510300A - 一种基于直接序列cdma-uwb的认知无线电系统发射机

Info

Publication number: CN102510300A
Application number: CN2011103696478A
Authority: CN
Inventors: 洪晟; 杨洪旗; 陶文辉; 周正
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机，它由桥函数三值序列源、超宽带脉冲发生器和二进制相移键控调制器三部分组成，其间关系是：桥函数三值序列源得到桥函数三值序列，超宽带脉冲信号产生器产生超宽带脉冲信号，上述两种信号进入到二进制相移键控调制器分别作为调制信号和载波信号，在该调制器内进行二进制相移键控调制，并将调制后的信号发射出去；本发明所构建的认知无线电系统采用三值桥函数序列作为扩频序列，桥函数序列具有的零元素数目可重构的能力，让它能根据工作的无线环境来调整码的长度、码集的大小和码型，可以有效地增强系统抗多址干扰的能力，能极大地提高通信系统的可靠性。

Description

一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机

(一)技术领域：

本发明提供了一种基于直接序列码分多址-超宽带(Code Division Multiple Access-Ultra Wideband，CDMA-UWB)的认知无线电发射机，它是一种基于衬底式(Underlay)接入方式的超宽带认知无线电系统发射机设备。特别是该设备采用超宽带脉冲序列为发射脉冲，以具有零相关区的具有更好的误码率性能桥函数三值序列为输入序列。本发明属于认知无线电技术领域。

(二)背景技术：

最近二十年里，随着社会发展，人们对无线通信的需求迅速增加，无线网络快速增长。因许多主要无线频谱已经分配给特定的应用，频谱的稀缺变得越来越严重。因此，如何在有限的频谱资源下满足人们对无线通信日益增长的需求是无线通信领域一个十分重要和艰巨的任务。最近测试表明授权频谱没有被充分利用。在此背景下，一类重用频谱资源的无线电技术被一些研究机构和标准制定组织相继提出，这其中最典型的是超宽带无线通信技术(UltraWideband，UWB)和认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)。这两种技术因其诱人的应用前景而发展迅速。并且由于它们在频谱重用方式，技术实现层面等诸多不同，将两种技术相结合的进一步研究新奇关注。

超宽带技术自上世纪90年代起应用于民用领域之后，在国际上掀起了一股研究热潮，被认为是下一代无线通信的革命性技术。超宽带作为一种与传统技术有很大不同的无线通信技术，具有高速率，低成本，低功耗的特点，使得UWB成为下一代短距离高速率无线通信的最佳候选技术。超宽带技术目前可分为两类：基于窄脉冲式的冲击类UWB和基于调制载波扩频式的载波类UWB。相应地，目前在国际上占主要地位的UWB设计方案包括直接序列CDMA-UWB方案和多载波OFDM-UWB(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)方案。CDMA-UWB是基于脉冲的UWB方案，而OFDM-UWB是基于多载波的UWB方案，它采用OFDM技术传输子带信息，两种技术方案各有优缺点。

认知无线电作为一种革命性智能频谱共享技术，可以显著地提高频谱的使用率，近几年受到了人们的广泛关注。认知无线电的概念是软件无线电的进一步拓展作为一种全新的智能无线通信技术，认知无线电涵盖面更为广泛，认知无线电的功能也更加强大。

桥函数系是一种由三值“-1”、“0”、“1”元素构成的非正弦正交函数系——桥函数系，凭借它的移位参数来对序列内部零元素数目的可重构的能力和优良的抗同步误差、抗多径和多址干扰的能力，得到了越来越多的应用。桥函数序列具有的零元素数目可重构的能力，让它能根据工作的无线环境来调整码的长度、码集的大小和码型。

认知无线电的动态频谱接入技术可分为交互式接入(Overlay)和衬底式接入(Underlay)。Overlay动态频谱接入具体来讲就是一个认知节点利用未被使用的一段频谱接入网络；这种情况对授权用户造成的干扰最小。Underlay动态频谱接入这种方案利用了蜂窝网络的频谱扩展技术。一旦获得了频谱分配映射图(Channel Map，CM)，认知节点便开始传输，在这段频谱上，授权用户把认知节点的传输当成噪声来处理，因而，这种方案需要复杂的扩频技术。与Overlay频谱共享方案相比，这种方案可以利用更宽的带宽。

所以，本发明以Underlay方式为接入技术，以高斯脉冲为发送脉冲，以三值桥函数序列为扩频序列，搭建起基于直接序列CDMA-UWB的新型认知无线电系统设备。

(三)发明内容：

1、目的：

本发明的目的是提供一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机，该设备采用具有更好的抗多径干扰和抗多址干扰的能力的具有零相关区的三值桥函数扩频序列。

2、技术方案：

本发明一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机，它主要由桥函数三值序列源，超宽带脉冲发生器和二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制器三部分组成。系统结构框图如图2所示，他们之间的关系是：桥函数三值序列源得到桥函数三值序列，超宽带脉冲信号产生器产生超宽带脉冲信号，上述两种信号进入到二进制相移键控调制器分别作为调制信号和载波信号，在该调制器内进行二进制相移键控调制，并将调制后的信号发射出去。

【1】桥函数三值序列源

桥函数三值序列源是从存储器里取出一组桥函数三值序列输送到BPSK调制器的一种装置，该装置的使用，可以使桥函数三值序列这一具有零元素数目可重构的能力、具有优良的抗同步误差、抗多径和多址干扰的能力的序列，方便的应用到通信系统中，极大地提高通信系统的可靠性。该装置把拨码开关和存储器两个模块整合在一起，彼此相互连接，再从存储器里取出一组桥函数三值序列输送到BPSK调制器。该拨码开关是型号为PW3310GBE，是一个二进制拨码开关，通过手动拨码输入得到一组二进制数据；存储器的型号是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051处理器，有4KB的程序存储容量，有128B的数据存储容量，通过8位地址线输入地址，从数据线输出对应的数据.其执行过程是把事先得到的多组桥函数三值序列存放在型号为AT87F51存储器里，通过型号为PW3310GBE的拨码开关输入8位二进制数，将这8位二进制数输入到存储器的地址线中，从中选择一组桥函数三值序列输入到BPSK调制器中。所谓桥函数三值序列是一类可以取得“+1”、“0”、“-1”三种值、具有正交特性的一类特殊序列，这种序列可以通过将沃尔什函数的复制方法和方块脉冲函数的移位相结合来得到相应的序列。该部分的执行过程如图3所示。

【2】超宽带脉冲发生器

该超宽带脉冲发生器是经过调研而得到的一种超宽带脉冲发生器，使用三极管、电阻和电容等基本元器件通过模拟仿真，搭建简单实用电路而成，它可以产生占空比极低的超宽带脉冲信号作为系统的调制脉冲，能充分的利用有限的带宽。其原理主要是利用晶体二极管的雪崩效应来产生需要的UWB脉冲效应，其工作电路图如图4所示。将三个型号为3DB2B的连接方式为共集电极的晶体管串联起来，对多个晶体管的基极同时加入触发脉冲信号，在第三个三极管的发射极再连接一个三极管起隔离作用，从第4个3DB2B三极管的发射极输出超宽带脉冲信号。我们知道一般的晶体三级管的输出特性分为四个区域：饱和、线性、截止与雪崩区，当晶体管的集电极电压很高时，集电结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与品格碰撞时产生了新的电子-空穴对，新生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。于是流过集电结的电流便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应，

【3】二进制相移键控调制器

二进制相移键控调制器(即BPSK调制器)是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。BPSK调制器使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。BPSK调制器就是在UWB脉冲发生器输出端得到的UWB脉冲信号的作用下，对桥函数三值序列源产生的序列进行数字调制，在调制的过程中考虑到原始信号能量的限制和发射过程中能量的损耗严重，所以还会对信号进行幅值和功率的放大，所以在本发明中使用集双路平衡混合器、缓冲本振、可变增益和功率放大于一体的数字集成芯片MAX2402，其功能框图如图5所示，经过该芯片的调制将原始序列调制成适合在相应的信道中传输的数字信号，并将调制后的信号发射出去。

本发明的工作原理及流程简述如下：从桥函数三值序列源得到桥函数三值序列，超宽带脉冲信号产生器产生超宽带脉冲信号，上述两种信号送入到二进制相移键控调制器分别作为调制信号和载波信号，在调制器内进行二进制相移键控调制，并将调制后的信号发射出去。

3、优点及功效

【1】本发明采用Underlay接入技术的认知无线电技术，可以使用较宽的带宽，提高频谱的使用率。

【2】本发明根据前人研究基础，得到一种产生超宽带脉冲的超宽带脉冲发生器，产生占空比极低的超宽带脉冲，使通信系统能充分利用有限的带宽。

【3】本发明的调制器部分使用市场上现有的集成芯片MAX2402，方便好用，性能良好。

【4】本发明所构建的认知无线电系统采用三值桥函数序列作为扩频序列，桥函数序列具有的零元素数目可重构的能力，让它能根据工作的无线环境来调整码的长度、码集的大小和码型，可以有效地增强系统抗多址干扰的能力，能极大地提高通信系统的可靠性。

(四)附图说明

图1是认知无线电通信系统的整体系统结构示意图；

图2是本发明认知无线电系统发射机的结构示意图；

图3是从预先存放序列的存储器中取序列的原理示意图；

图4是本发明中的UWB脉冲发生器的电路示意图；

图5是BPSK调制器所使用的集成芯片MAX2402的功能结构示意图；

图6是BPSK调制器所使用的数字集成芯片MAX2402的工作电路示意图；

图中的符号说明如下：

图1中的A、B和C分别表示发射机，传输信道和接收机；

图3中的W(n)表示从存储器中取出来的桥函数三值序列；

图4中的Vi1表示输入的方波序列，Vo1表示产生的产宽带脉冲；

图5中的input表示调制器的输入信号，D表示BPSK中的调制缓冲器，E表示混合器，F表示可变增益控制，F’表示可变增益控制输入脚，G表示功率放大器，G’表示功率放大器的调整脚，output表示调制器的输出信号，H表示主偏置，H’表示主偏置是否关闭的控制脚，I表示本振输入缓冲器，LO+和LO-分别表示调制器的输入本振信号的差分输入正向端和反相端；

图6中的J表示集成芯片MAX2402；1，2，…，18，19，20表示MAX2402的管脚号；

(五)具体实施方案

本发明一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机，就单用户系统来说，其结构框图如图2所示，该发射机由桥函数三值序列源、超宽带脉冲发生器和二进制相移键控调制器三部分构成。他们之间的关系是：桥函数三值序列源得到桥函数三值序列，超宽带脉冲信号产生器产生超宽带脉冲信号，上述两种信号进入到二进制相移键控调制器分别作为调制信号和载波信号，在调制器内进行二进制相移键控调制，并将调制后的信号发射出去。

所述桥函数三值序列源就是得到一组所需要的桥函数三值序列的装置，该装置的使用，可以使桥函数三值序列这一具有零元素数目可重构的能力、具有优良的抗同步误差、抗多径和多址干扰的能力的序列，方便的应用到通信系统中，极大地提高通信系统的可靠性。该装置把拨码开关和存储器两个模块整合在一起，彼此相互连接，再从存储器里取出一组桥函数三值序列输送到BPSK调制器。该拨码开关是型号为PW3310GBE，是一个二进制拨码开关，通过手动拨码输入得到一组二进制数据；存储器的型号是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051处理器，有4KB的程序存储容量，有128B的数据存储容量，通过8位地址线输入地址，从数据线输出对应的数据.其执行过程是把事先得到的多组桥函数三值序列存放在型号为AT87F51存储器里，通过型号为PW3310GBE的拨码开关输入8位二进制数，将这8位二进制数输入到存储器的地址线中，从中选择一组桥函数三值序列输入到BPSK调制器中。其工作过程原理图如图3所示。

桥函数三值序列是具有“+1”，“0”，“-1”三种取值的一种特殊序列，通过将沃尔什函数的复制方法和方块脉冲函数的移位相结合来得到相应的序列，具体实现方法如下：给定二进制移位信息(m_t-1，m_t-2，…，m₁，m₀)，其中m_i∈{0，1}，i＝0，1，…，t-1。若初始序列是长度为d的序列X，则定义以(m_t-1，m_t-2，…，m₁，m₀)为移位信息，移位后生成的序列是一个长度为d*2^t的序列Y。将序列Y均分为2^t个子序列

则Y_m＝X，其中

而其余的子序列是全零序列。给定整数m，将m的q位二进制自然码(m_q-1，m_q-2，…，m₁，m₀)作为生成序列，其中m_i∈{0，1}，i＝0，1，…，q-1，则序列号为m的桥函数是将复制和移位方法相结合而生成的序列，生成方法如下。

①取定整数k，0＜k＜q，将二进制码m＝(m_q-1，m_q-2，…，m₁，m₀)分成两部分，m”＝(m_q-1，m_q-2，…，m_k)和m’＝(m_k-1，…，m₁，m₀)。

②若以+1为初始序列，m’＝(m_k-1，…，m1，m0)为移位信息，移位生成2^k长度序列M’，再以M’为被复制序列，m”＝(m_q-1，m_q-2，…，m_k)为复制信息复制生成2^q长度序列M_q，k，称序列M_q，k是序列号为m的第1类先移位后复制的桥函数序列，记为Bri_q，k(m，t)或Bri_q，k(m)，即得到所需要的桥函数序列。

同时，若是以+1为初始序列，m’＝＝(m_k-1，…，m₁，m₀)为复制信息复制生成2^k长序列M’，再以M’为初始序列，m”＝(m_q-1，m_q-2，…，m_k)为移位信息，移位生成2^q长序列M”’_q，k，称M”’_q，k是序号为m的第一类先复制后移位的桥函数序列，记为B’riq，k(m，t)或B’ri(m)。以上两种先移位后复制和先复制后移位都能得到具有正交特性具有令相关区的桥函数三值序列。

所述超宽带脉冲发生器是根据调研而得到的一种超宽带脉冲发生器，使用三极管、电阻和电容等基本元器件通过模拟仿真，搭建简单实用电路，和一般的脉冲发生器相比，它可以产生占空比极低的超宽带脉冲信号，把产生的超宽带脉冲信号作为系统的调制脉冲，可以充分的利用有限的带宽。它主要是利用晶体二极管的特性和三极管各组态的特点来产生合适的超宽带脉冲的，实现电路图如图4所示，该电路图首先采用了微波双极性晶体管取代了雪崩晶体管，使得电路在较低的电源电压下能够正常工作，满足实际的使用需要；其次采用了并行同步触发方式，即对多个晶体管的基极同时加入触发脉冲信号，当晶体管串行级联运用时，由于各个晶体管偏置临界雪崩状态，如果采用单管进行触发时，先产生雪山崩击穿的是基极受到触发信号的晶体管，接着才是后面级联的晶体管产生雪崩由穿效应。对于产生皮秒量级的脉冲而言，电路中任何一个部分存在的时间延迟都会影响产生的输出脉冲，使得输出脉冲的上升时间变长和脉冲变宽。为了消除电路中存在的雪崩依次延时，对电路中多个晶体管的基极加入了同步触发脉冲信号，使晶体管同时产生雪崩击穿，加快了负载上获得的脉冲的上升过程，获得了非常陡直的UWB脉冲。该脉冲发生器可以在较低的电源电压下可靠工作，稳定地输出一定幅度和宽度的UWB脉冲，脉冲的重复工作频率可以达到50MHz以上。在没有加入触发脉冲信号时，电源电压Vcc通过电阻R1与R5、R2与R9、R3与R10、R4与R11分别对电容C1、C2、C3、C4进行充电，使得4个微波双极性晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的集电结偏置在临界雪崩状态，于是储能电容C1、C2、C3、C4的两端所充的电压约等于集电结雪崩击穿电压BVCBO。当触发的脉冲信号Vi输入时，微波双极性晶体管同时雪崩击穿，储能电容C1、C2、C3、C4所所储存的电荷迅速地通过Q1、Q2、Q3、Q4和等效负载电阻R12放电，于是在负载电阻上得到需要的UWB脉冲信号。其中，C1＝C2＝C3＝C4＝5pF、C5＝C6＝C7＝20pF；R1＝R2＝R3＝R4＝130Ω，R5＝R9＝R10＝R11＝R12＝51Ω，R6＝R7＝R8＝1.2KΩ。

所述二进制相移键控调制器是把超宽带脉冲作为发射脉冲，桥函数三值序列作为调制序列的一种简单实用的数字调制器，通过查阅相关资料和模拟仿真，选用现在市场上现有的二进制相移键控调制器，型号是MAX2402，其功能结构如图5所示，input是调制器的信号输入端，输入待调制信号，D是BPSK中的调制缓冲器，LO+和LO-分别表示调制器的输入本振信号的差分输入正向端和反相端，I表示本振输入缓冲器，E是混合器，在这里把待调制信号和载波信号进行混频处理，F表示可变增益控制，F’表示可变增益控制输入脚，控制调制器的增益大小，G是功率放大器，G’表示功率放大器的调整脚，output是调制器的输出信号，H表示主偏置，H’表示主偏置是否关闭的控制脚。其工作电路图如图6所示，通过图6所示的电路图来实现对输入的序列的调制。管脚1，VGC是可变增益控制输入端，要想获得最大的增益可将管脚1接到VCC上；管脚2，MOD是基带调制信号输入端，在该装置中是与桥函数三值序列相连接的，即桥函数三值序列就是待调制序列，管脚3，5，8，13，15，17，18，20都直接接地；管脚4，12，19接直流电源VCC，为了使其正常工作，电源电压限制在4.75～5.5V之间；管脚6和7L0作为本振信号输入管脚，可以以差分信号的形式输入，也可以只在6管脚输入正向信号，7管脚接地，在这个新型设备中6管脚输入超宽带脉冲信号，7管脚直接接地；9管脚SHDN是输入端控制管脚，当接高电平时表示输入端打开，允许输入，当接低电平表示输入端关闭，禁止输入；管脚10，BADJ作为功率放大器的控制端，通过电阻接地或接电源来调整输出端的偏置，当产生的偏置电压较大时，虽然能增加有效性，但同时也使得谐波失真加大，所以要适当调整所接的电阻，在该装置中这个管脚通过一个300K的电阻接地，可得到近似偏置调整电压2.05V；管脚11，LGND可影响输出功率。

以上所述就是本发明中整个发射机的具体实现过程，本发明在整个通信系统中所处的位置如图1所示。本发明把具有“+1”、“0”、“-1”三种取值的桥函数三值序列应用于通信系统中，因为桥函数三值序列具有零元素数目可重构的能力、具有优良的抗同步误差、抗多径和多址干扰的能力，所以能极大的增加系统的抗干扰能力，提高通信系统的可靠性；占空比极低的超宽带脉冲作为发射脉冲，能使系统充分利用有限的带宽，耗费较低的能量，对于通信系统的改善有很大的促进作用。

Claims

1.一种基于直接序列CDMA-UWB的认知无线电系统发射机，其特征在于：它由桥函数三值序列源、超宽带脉冲发生器和二进制相移键控调制器三部分组成，其间关系是：桥函数三值序列源得到桥函数三值序列，超宽带脉冲信号产生器产生超宽带脉冲信号，上述两种信号进入到二进制相移键控调制器分别作为调制信号和载波信号，在该调制器内进行二进制相移键控调制，并将调制后的信号发射出去；

所述桥函数三值序列源是把拨码开关和存储器两个模块整合在一起，彼此相互连接，再从存储器里取出一组桥函数三值序列输送到BPSK调制器；该拨码开关的型号为PW3310GBE，是一个二进制拨码开关，通过手动拨码输入得到一组二进制数据；存储器的型号是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051处理器，有4KB的程序存储容量，有128B的数据存储容量，通过8位地址线输入地址，从数据线输出对应的数据.其执行过程是把事先得到的多组桥函数三值序列存放在型号为AT87F51存储器里，通过型号为PW3310GBE的拨码开关输入8位二进制数，将这8位二进制数输入到存储器的地址线中，从中选择一组桥函数三值序列输入到BPSK调制器中；

所述超宽带脉冲发生器是使用三极管、电阻和电容元器件通过模拟仿真，搭建电路而成，具体是将三个型号为3DB2B的连接方式为共集电极的晶体管串联起来，对三个晶体管的基极同时加入触发脉冲信号，在第三个三极管的发射极再连接一个三极管起隔离作用，从第4个3DB2B三极管的发射极输出超宽带脉冲信号；

所述二进制相移键控调制器即BPSK调制器是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种，该BPSK调制器使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而同时传送接受2值即1比特的信息；该BPSK调制器是在UWB脉冲发生器输出端得到的UWB脉冲信号的作用下，对桥函数三值序列源产生的序列进行数字调制，在调制的过程中考虑到原始信号能量的限制和发射过程中能量的损耗严重，还会对信号进行幅值和功率的放大，所以这里使用集双路平衡混合器、缓冲本振、可变增益和功率放大于一体的数字集成芯片MAX2402，经过该芯片的调制将原始序列调制成适合在相应的信道中传输的数字信号，并将调制后的信号发射出去。