CN108965182A - 一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超宽带脉冲通信领域，提供了一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法及装置，在发射端利用三进制完备序列加循环前缀形成基本码元，采用二进制ASK调制方式对基本码元进行调制，各个广播基站使用该机制发送广播信号；在接收端，设置合理的接收信号取样窗口，终端接收机对取样窗口取出来的一个周期信号进行自相关，根据接收机设置的噪声检测阈值，对自相关后信号进行判决，完成译码的过程。本发明充分利用各径信号的能量，将多径传输的劣势变成优势，防止了信道的快衰落影响，并且各个基站同时同频广播信号，处在基站覆盖交叠区的终端也不会存在各基站信号冲突的问题，反而增大了信噪比。

Description

一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法及装置

技术领域

本发明涉及超宽带脉冲通信领域，尤其涉及一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法及装置。

背景技术

超宽带脉冲通信，即发射信号为窄脉冲，通过对脉冲的幅度、相位或者时间进行调制以传送信息；接收端接收到信号后，进行相关的解调操作，恢复出信息内容；由于其发射脉冲极窄，因此首径信号不容易被多径信号干扰，抗多径能力强。

现有的通信方式大部分都是通过基站无线广播，即存在至少一个基站，通过无线方式发送消息；各终端可以同时接收该消息，并且不需要向基站回应消息。当无线广播通信需要覆盖较大区域时，可以采取两种方式，即大区制和小区制。

大区制如图1所示，即由一个基站广播，就可以覆盖很大范围；但是，采用大区制覆盖需要通信的大范围时，基站需要有很大的发射功率，另一方面，由于通信往往会受到环境的影响，因而采用大区制覆盖时不可避免地会产生覆盖盲区，导致一些区域无法接收广播信号。

小区制如图2所示，在大范围内，由多个基站广播消息，每个基站覆盖一定的小范围，终端在各基站覆盖的交叠区域，会接收到多个基站的广播信号；当前提出的超宽带脉冲通信技术，并不具备终端同时接收多个基站信号的能力；为了防止多个基站的广播信号干扰，需要协调各个基站的广播信号，例如采用FDMA、TDMA等方式，这就增加了基站规划工作，同时终端还需要使用复杂的基站切换算法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法，用于实现在大范围内的通信；进一步的，提供一种基于该超宽带脉冲的多基站广播通信方法的通信装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端：

步骤S11：将超宽带脉冲采用+1，0，-1三个值进行幅度调制，并构建序列长度为N的三进制完备序列，完备序列的时间长度为：T_L＝N×T_c、T_c为单个调制脉冲周期；然后，将完备序列的第X位到第N位作为循环前缀、复制到三进制完备序列的开始处，构成基本码元，所述循环前缀的时间长度为t₀＝(N-X+1)T_c，且t₀大于无线传播环境中的最大多径延时；

步骤S12：采用二进制ASK调制方式对基本码元进行调制，并在两个基本码元之间设立时间长度t₁的保护间隔；

步骤S13：各个基站将调制好的信号通过无线方式广播；

接收端：

终端接收机接收各路接收信号，以接收机接收到第一路信号的时刻为起点、即零时刻，以时间窗口kt₀+(k-1)t₁+(k-1)T_L～kt₀+(k-1)t₁+kT_L对每一路接收信号进行取样、k表示第k次取样；

对取样窗口取出来的周期信号进行自相关，再根据接收机设置的噪声检测阈值，在接收端对自相关后信号进行判决，即完成译码，获得传送信息。

一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信装置，包括广播发射机和终端接收机；其特征在于：

所述广播发射机包括依次相连的三进制完备序列生成模块、循环前缀插入模块、保护间隔插入模块、ASK调制模块、本地信号产生器、脉冲生成器以及发射天线；其中，三进制完备序列生成模块、循环前缀插入模块、保护间隔插入模块、ASK调制模块、脉冲生成器以及发射天线依次连接，本地信号产生器用于为ASK调制模块提供调制信号，发射天线用于将经调制后产生的脉冲信号广播至自由空间；

所述终端接收机包括依次相连的接收天线、低噪声放大器、模数转换器、取样窗口、自相关器以及判决器。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法，用于实现在大范围内的通信；

其一、利用三进制完备序列加循环前缀形成基本码元，采用ASK方式对基本码元进行调制，接收机通过自相关计算，充分利用各径信号能量，将多径传输的劣势变成优势，防止信道快衰落的影响；

其二、基于上述优势，让各个基站同时同频广播相同的信息，终端在基站覆盖交叠区不仅没有各基站信号冲突的问题，反而增大了接收信噪比，对于基站覆盖边缘信号弱的情况，这是十分有利的；同时，不用分别规划各个基站的多址广播方案，终端也不用进行繁琐的基站选择及切换算法。

附图说明

图1为现有技术中大区制基站广播通信示意图。

图2为现有技术中小区制多基站广播通信示意图。

图3为本发明超宽带脉冲(使用+1，0，-1三个值)幅度调制示意图。

图4为本发明中基本码元组成方式示意图。

图5为本发明中发送信号示意图。

图6为本发明中终端接收机对各径信号取样的示意图。

图7为本发明终端接收机接收到两个基站同时同频广播相同的信号接收路径示意图。

图8为本发明所述的通信装置中广播发射机的结构示意图。

图9为本发明所述的通信装置中终端接收机的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述；需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明相关说明：

完备序列是指如果一个离散时间序列的周期自相关函数(PACF)的旁瓣值处处都等于零，即一个序列满足理想的的周期自相关函数和周期互相关函数的必要条件：

R_r,s(τ)＝0,对于所有的τ,r≠s

其中，τ是指信号的延时，R_r(τ)是指接收信号的周期自相关函数，R_r,s(τ)是指接收的任意两个信号周期互相关函数，E是序列的能量。

本发明的工作过程是：利用三进制完备序列加循环前缀形成基本码元，采用ASK方式对基本码元进行调制，接收机通过自相关计算，充分利用各径信号能量，将多径传输的劣势变成优势，防止信道快衰落的影响。

具体实现方式为：本发明提供的一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法，包括：

发送端：对各个广播基站做频率同步和时间同步，使其在相同时刻广播相同的信息；其中所述信息为：利用三进制完备序列加循环前缀形成的基本码元，再采用ASK调制方式对基本码元调制形成的已调脉冲信号；

步骤S11：如图3所示，超宽带脉冲使用+1，0，-1三个值进行幅度调制，调制所使用的+1，0和-1码构成序列长度为N的三进制完备序列，则该完备序列的时间长度为：T_L＝N×T_c、T_c为单个调制脉冲周期；构建得完备序列的自相关函数具有以下数学特征：当延时τ＝0时、R(τ)＝q^m-1，当延时τ≠0时、R(τ)＝0；即相同时刻信号的自相关函数值为q^m-1，不同时刻的信号的自相关函数值为0；

需要说明的是：完备序列的构造方法为现有技术，参考文献《零相关区互补序列及小整数集上完备序列设计与分析》中有记载：N＝(q^m-1)/(q-1)，m为奇数，q＝p^s、p为素数、s为正整数；

考虑多径延时的影响，本发明采用循环前缀将每个三进制完备序列的最后一部分复制到序列开始处，构成基本码元；如图4所示，将完备序列的第X位到第N位这一段码元复制到三进制完备序列的开始处，构成基本码元；则循环前缀的时间长度为t₀＝(N-X+1)T_c，且t₀大于无线传播环境中的最大多径延时，以此满足在后续的取样过程中保证不会出现在取样窗口中取到的信号数据为0幅度却判断出该数据为三进制完备序列中的0元素的现象，导致对接收信号译码错误；

步骤S12：使用ASK调制方式，每个基本码元使用1和0代表传送的信息，两个基本码元之间设立时间长度t₁的保护间隔，如图5所示，防止第一个码元的信号由于多径时延干扰影响第二个码元；

步骤S13：各个基站将调制好的信号通过无线方式广播，其中，各个基站可以同时且同频发送信号。

接收端：终端接收机接收各个基站广播的信号，对取样窗口取出来的一个周期信号进行自相关；具体为：

接收机的接收信号即包括各个基站发送的直达信号，也包括基站广播的信号经过多径反射回来的信号；以接收机接收到第一路信号的时刻为起点、即零时刻，以时间窗口kt₀+(k-1)t₁+(k-1)T_L～kt₀+(k-1)t₁+kT_L对每一路接收信号进行取样、k表示第k次取样；

如图6所示，在该取样窗口内，各径信号都具有一个周期的三进制完备序列，但是各径信号的三进制完备序列起点时间不同；因为信号在空间传播受多径的影响，信号幅度存在衰减，因此设有M径信号的序列幅度分别为a₁、a₂、…、a_M，由于各径之间的完备序列起点时间不同，因此任意两径信号的互相关函数等效于三进制完备序列的自相关函数R(τ)且τ≠0，则该值为0；因此自相关的结果为其中，...、表示各径信号自相关后的信号幅度。

基于上述原理可知，当码元值为0时，a₁、a₂、…、a_M都为0，相关器输出结果则为接收机的噪声；当码元值为1时，相关器输出结果为各径信号自相关的幅度叠加；相比传统技术中存在的当多个基站同时同频发送相同的信号，处在各基站覆盖的交叠区域的终端接收机接收到的各径信号之间产生干扰，导致译码错误从而无法正常接收广播信号的技术问题，本发明所采用的通信机制不仅没有各基站信号冲突的问题，反而增加了接收信噪比，并且对于基站覆盖边缘信号弱的地方，也是有利的，能够使得接收信号能量增强。

实施例1

取N＝13，三进制完备序列可以是(1,0,1,0,0,1,-1,1,0,-1,-1,1,1)，对该序列进行幅度调制，三进制完备序列经幅度调制后的时间长度T_L＝13T_c；已知无线广播通信环境中信号的最大多径延时为t_max秒，则设计循环前缀时间长度为t₀秒、且t₀>t_max，则在信号发送端将三进制完备序列中的最后(表示向上取整)位数字脉冲复制到三进制完备序列的开始处，构成一个基本码元信号，并且在每个基本码元信号之间插入保护间隔，防止码间干扰；然后对基本码元信号进行二进制ASK调制，已完成频率同步和时间同步的各个基站可同时通过脉冲发生器将已调的脉冲信号发送至空间环境中。

对于处在各个基站覆盖的交叠区域的终端接收机，接收来自不同路径的脉冲信号，且到达时间也不尽相同，假设到达的信号有M路，信号幅度分别为a₁、a₂、…、a_M；终端接收机首先对接收信号做低噪声放大，再进行AD采样，将采样后的信号通过取样窗口取出一个周期信号，取样窗口时间为序列长度为N＝13的时间，即T_L＝13T_c秒，最后对取出的信号进行自相关，得到结果为9a₁ ²+9a₂ ²+…+9a_M ²,该结果表示的是各径信号自相关后的的幅度的叠加，因此，本发明的通信方法在多径传播中反而增强了信噪比，最后再根据接收机噪声设置合理的检测阈值，在接收端便可准确获得传送的信息。

实施例2

取N＝21的三进制完备序列，此时，q＝4,m＝3,此时代表序列为：

(1,1,1,1,1,-1,1,0,1,0,-1,1,1,-1,0,0,1,-1,0,-1,-1)

采用同实施例1所述的方法，可以验证的是，取样后的信号任意两路的互相关函数均为0，设终端接收机接收到Y路信号，Y路信号的幅度分别为a₁，a₂，a₃……a_Y，则终端接收机对取样窗口取出来的一个周期信号进行自相关后的结果为16a₁ ²+16a₂ ²+16a₃ ²+…+16a_Y ²。

如图7所示为终端接收机接收到两个基站同时同频广播相同的信号路径示意图。

本发明提供的一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信装置包括广播发射机和终端接收机；所述广播发射机如图8所示，包括三进制完备序列生成模块，循环前缀插入模块，保护间隔插入模块，ASK调制模块，本地信号产生器，脉冲生成器以及发射天线；其中三进制完备序列生成模块，循环前缀插入模块，保护间隔插入模块，ASK调制模块，本地信号产生器，脉冲生成器以及发射天线依次连接，本地信号产生器为ASK调制模块提供调制信号，其中发射天线用于将经调制后产生的脉冲信号广播至自由空间；

所述终端接收机如图9所示，包括接收天线，低噪声放大器，模数转换器，取样窗口，自相关器以及判决器；其中接收天线，低噪声放大器，模数转换器，取样窗口，自相关器以及判决器依次连接；所述接收天线将接收到的各个广播基站发射的脉冲信号传送至后续模块进行处理，最后得到各径信号自相关后幅度叠加后的信号，增大了接收信噪比，解决了终端在基站覆盖交叠区个基站信号冲突的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端：

步骤S11：将超宽带脉冲采用+1，0，-1三个值进行幅度调制，并构建序列长度为N的三进制完备序列，完备序列的时间长度为：T_L＝N×T_c、T_c为单个调制脉冲周期；然后，将完备序列的第X位到第N位作为循环前缀、复制到三进制完备序列的开始处，构成基本码元，所述循环前缀的时间长度为t₀＝(N-X+1)T_c，且t₀大于无线传播环境中的最大多径延时；

步骤S12：采用二进制ASK调制方式对基本码元进行调制，并在两个基本码元之间设立时间长度t₁的保护间隔；

步骤S13：各个基站将调制好的信号通过无线方式广播；

接收端：

终端接收机接收各路接收信号，以接收机接收到第一路信号的时刻为起点、即零时刻，以时间窗口kt₀+(k-1)t₁+(k-1)T_L～kt₀+(k-1)t₁+kT_L对每一路接收信号进行取样、k表示第k次取样；

对取样窗口取出来的周期信号进行自相关，再根据接收机设置的噪声检测阈值，在接收端对自相关后信号进行判决，即完成译码，获得传送信息。

2.一种基于超宽带脉冲的多基站广播通信装置，包括广播发射机和终端接收机；其特征在于：

所述广播发射机包括依次相连的三进制完备序列生成模块、循环前缀插入模块、保护间隔插入模块、ASK调制模块、本地信号产生器、脉冲生成器以及发射天线；其中，三进制完备序列生成模块、循环前缀插入模块、保护间隔插入模块、ASK调制模块、脉冲生成器以及发射天线依次连接，本地信号产生器用于为ASK调制模块提供调制信号，发射天线用于将经调制后产生的脉冲信号广播至自由空间；

所述终端接收机包括依次相连的接收天线、低噪声放大器、模数转换器、取样窗口、自相关器以及判决器。