CN115037333A - 一种超宽带电力载波通信方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带电力载波通信方法及其系统，涉及载波通信领域，解决了现有的超宽带通信技术在复杂无线链路环境中，由时变多径传播效应产生的通信性能下降的问题，现提出如下方案，其包括以下步骤：S1：首先，接收端发射的信号是x(t),信道冲激响应是h(t),不考虑传播时延,那么发射端接收到的信号y(t)为；信道冲激响应可表示为；S2:然后，将时间反转处理后的信号在发射端再次发射，通过信道后，在接收端得到的信号为；S3:经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦。本装置系统以及方法具有提高了传输速率，增加了保密性能，而接收端系统结构却非常简单的特点。

Description

一种超宽带电力载波通信方法及其系统
技术领域
本发明涉及载波通信领域，尤其涉及一种超宽带电力载波通信方法及系统。
背景技术
随着室内无线网络运用的兴起，人们对无线传输速率的要求越来越高。而在需要短距离和高速率的通信中，超宽带 (UltraWideBand，UWB)通信技术具有显著的优势。然而室内通信存在复杂的多径传播、多用户间干扰等问题，从而影响通信性能。
但是现有的超宽带通信技术在复杂无线链路环境中，由时变多径传播效应产生的通信性能下降问题。
而时间反演(TimeReversal，TR)来源于光共轭技术，并在水下超声主被动目标定位得到很好的发展。近十年来，TR技术在电磁及通信领域也得到了重视和研究。由于TR技术具有很好的时空聚焦特性，可以克服在复杂无线链路环境中，由时变多径传播效应产生的通信性能下降问题，同时TR能自适应地补偿信道的时变性，是一种自适应均衡器。因此提出一种超宽带电力载波通信方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带电力载波通信方法及系统，解决了现有的超宽带通信技术在复杂无线链路环境中，由时变多径传播效应产生的通信性能下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超宽带电力载波通信方法，包括以下步骤：
S1：首先，接收端发射的信号是x(t)，信道冲激响应是h(t)，不考虑传播时延，那么发射端接收到的信号y(t)为：
y(t)＝x(t)*h(t)；
信道冲激响应可表示为：
Figure BDA0003559589410000022
S2：然后，将时间反转处理后的信号在发射端再次发射，通过信道后，在接收端得到的信号为：
H(t)＝R(t)+Q(t)；
S3：经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦。
优选的，S1中δ(t)是狄拉克函数，al是各多径的幅度，τl代表各多径时延，为总的多径分量的数目。
优选的，S2中H(t)为等效的信道冲激响应，分成自相关R(t) 和互相关Q(t)两部分，且R(t)为：
Figure BDA0003559589410000023
Q(t)为：
Figure BDA0003559589410000031
一种超宽带电力载波通信系统，包括重复编码器、跳时编码器、PPM调制器、脉冲形成器，重复编码器连接有跳时编码器，跳时编码器连接有PPM调制器，PPM调制器连接有脉冲形成器，脉冲形成器连接有TR滤波器，TR滤波器连接有天线。
优选的，重复编码器是将数据重复相同倍数，因此引人了冗余，减少因为信道的多径和噪声产生误码率。
优选的，跳时编码器用于区分不同的用户，降低了多用户干扰。
优选的，PPM调制器用于利用脉冲位置来表示信息的调制方式。
优选的，脉冲形成器用于保证生成的脉冲不能互相重叠，得到的输出信号为:
Figure BDA0003559589410000032
优选的的，在TR滤波器用于首先对接收端事先发射探测信号，并估计信道的冲激响应。
与相关技术相比较，本发明提供的一种超宽带电力载波通信方法及系统具有如下有益效果：
1、本发明提供一种超宽带电力载波通信方法及系统，一方面时间反演技术的时间空问聚焦特性能很简单地实现信道均衡，提高通信质量，增加通信容量，降低符号间干扰(SIS)和共道干扰，提高传输速率，增加了保密性能，而接收端系统结构却非常简单。
2、另一方面时间反演技术能使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦，宽带无线系统能够在异常复杂环境中的任意两点间准确无误地建立高效连接，表现出固有的环境自适应性，从而简化了接收机结构。
附图说明
图1为本发明的一种超宽带电力载波通信系统的结构示意图。
图2为本发明的一种超宽带电力载波通信系统的单相关器的 PPM调制器的接收机结构图。
图3为本发明的一种超宽带电力载波通信系统未使用TR技术脉冲通过信道后的波形图。
图4为本发明的一种超宽带电力载波通信系统的使用TR技术脉冲通过信道后的波形图。
图5为本发明的一种超宽带电力载波通信系统的4种误码率仿真结果比较的折线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种超宽带电力载波通信方法，包括以下步骤：
S1：首先，接收端发射的信号是x(t)，信道冲激响应是h(t)，不考虑传播时延，那么发射端接收到的信号y(t)为：
y(t)＝x(t)*h(t)；
信道冲激响应可表示为：
Figure BDA0003559589410000051
S2：然后，将时间反转处理后的信号在发射端再次发射，通过信道后，在接收端得到的信号为：
H(t)＝R(t)+Q(t)；
S3：经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦。
S1中δ(t)是狄拉克函数，al是各多径的幅度，τl代表各多径时延，为总的多径分量的数目。
S2中H(t)为等效的信道冲激响应，分成自相关R(t)和互相关 Q(t)两部分，且R(t)为：
Figure BDA0003559589410000052
Q(t)为：
Figure BDA0003559589410000061
本实施方案中，R(t)是各个不同传播路径的自相关函数，在t- O时刻R(t)的取值达到最大，与各多径分量的延迟无关。由于每个传播路径的自相关函数都在t＝O时刻达到最大值，各传播路径冲激响应的相干叠加将增强H(t)的能量。R(t)的大小和多径数目相关，多径数越多，自相关函数越大。Q(t)是各个不同传播路径的互相关函数，非相干多径信号卷积叠加后的结果是相互抵消的，所以 Q(t)与R(t)相比要小得多。经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦，这就达到了简化接收机结构的目的。
实施例二：
请参阅图1-5所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：一种超宽带电力载波通信系统，包括重复编码器、跳时编码器、PPM调制器、脉冲形成器，重复编码器连接有跳时编码器，跳时编码器连接有PPM调制器，PPM调制器连接有脉冲形成器，脉冲形成器连接有TR滤波器，TR滤波器连接有天线。
重复编码器是将数据重复相同倍数，因此引人了冗余，减少因为信道的多径和噪声产生误码率。
跳时编码器用于区分不同的用户，降低了多用户干扰。
PPM调制器用于利用脉冲位置来表示信息的调制方式。
脉冲形成器用于保证生成的脉冲不能互相重叠，得到的输出信号为：
Figure BDA0003559589410000071
在TR滤波器用于首先对接收端事先发射探测信号，并估计信道的冲激响应。
本实施例中，在二进制PPM中可能发射的波形可表示为：
Figure BDA0003559589410000072
式中：ETX是平均每个脉冲所携带的能量；p0(t)为发射脉冲的波形；ε为PPM所引入的时移。
单相关器的PPM—TH接收机系统框如说明书附图2所示，相关掩模表示为：
m(t)＝p0(t-τ-cJTc)-p0(t-τ-cjTc-ε)
式中：τ为多径时延，cj是TH码的第j系数，Tc为码片持续时间。相关器输出为Z＝αsm+n0-n1。其中
Figure BDA0003559589410000073
式中：α为信道增益；n0与n1是均值为0，方差为n0/2独立同分布高斯随机噪声；n0为噪声功率谱。积分长度TS表示脉冲重复时间。
说明书附图图3、图4所示为TR技术对多径抑制性能的比较。图3为没有使用TR技术时的接收端波形。如图3可见，在信号通过信道后，各个多径增益与主信号幅度相差较小，多径现象十分严重，会导致信号的衰落和相移，容易造成符号问干扰(ISI)，严重影响到信号传输的质量。因此对接收机的信号检测提出了更高的要求。在使用TR技术之后，如图5，主信号幅度是多径增益的6.5 倍。与未使用TR技术相比，主信号幅度增大2.5倍，多径增益明显被抑制。可见TR技术在时间上和空间上都有聚焦作用，对降低多径的影响有很大的作用。
时间反演的系统仿真是比较运用TR技术前后对整个超宽带系统误码率的改善。发射信号功率一30dBm，采样频率为50次/ns，脉冲重复时问为60ns，码片持续时问1ns，可以使视距环境下没有码问干扰。没有进行重复信道编码，用1000个脉冲发射1000bit，速率为1.66×10bifs。使用跳时编码和正交PPM调制。
信道采用IEEE802.15.3a信道模型，传输距离设为2m的LOS 环境，参考路径损耗设为47dB，衰减指数为1.7。通过信道后，对接收到的信号进行衰减，然后加人接收机产生的高斯白噪声。在接收端本文仿真4种接收方案：1)没有采用TR技术的二进制正交 PPM接收机；2)没有采用TR技术的选择性RAKE接收机；3)采用TR 技术的二进制正交PPM接收机；4)采用TR技术的选择性RAKE接收机TR接收。4种仿真误码率结果如说明书附图5所示，从图5中可以看出，采用RAKE接收机的脉冲UWB系统的性能要比一般未采用 RAKE接收的脉冲UWB系统的性能要好。而采用TR技术的接收机性能要优于RAKE接收机，TR技术与RAKE相结合的技术性能最好。这也说明，TR技术在降低误码率上具有很重要的作用。
再详细比较TR技术与RAKE接收(见图5)。RAKE接收机的RAKE 分支数分别为5，15和60。从图7中可知TR技术和RAKE技术同样 都有抗多径干扰的效果。而RAKE接收机的分支数到达一定数目后， 对误码率的改善很小。一般的室内环境，要捕获脉冲能量的60％， 大约需要50个分支。而RAKE接收机复杂度随分支数目的增加而增加， TR技术在减小接收机复杂度方面很有用。

Claims (9)

1.一种超宽带电力载波通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先，接收端发射的信号是x(t),信道冲激响应是h(t),不考虑传播时延,那么发射端接收到的信号y(t)为：
y(t)＝x(t)*h(t)；
信道冲激响应可表示为:
Figure FDA0003559589400000011
S2:然后，将时间反转处理后的信号在发射端再次发射，通过信道后，在接收端得到的信号为：
H(t)＝R(t)+Q(t)；
S3:经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦。
2.根据权利要求1的一种超宽带电力载波通信方法，其特征在于，S1中δ(t)是狄拉克函数，al是各多径的幅度，τi代表各多径时延，为总的多径分量的数目。
3.根据权利要求1的一种超宽带电力载波通信方法，其特征在于，S2中H(t)为等效的信道冲激响应，分成自相关R(t)和互相关Q(t)两部分，且R(t)为：
Figure FDA0003559589400000021
Q(t)为：
Figure FDA0003559589400000022
4.一种超宽带电力载波通信系统，包括重复编码器、跳时编码器、PPM调制器、脉冲形成器，其特征在于，重复编码器连接有跳时编码器，跳时编码器连接有PPM调制器，PPM调制器连接有脉冲形成器，脉冲形成器连接有TR滤波器，TR滤波器连接有天线。
5.根据权利要求4的一种超宽带电力载波通信系统，其特征在于，重复编码器是将数据重复相同倍数，因此引人了冗余，减少因为信道的多径和噪声产生误码率。
6.根据权利要求4的一种超宽带电力载波通信系统，其特征在于，跳时编码器用于区分不同的用户，降低了多用户干扰。
7.根据权利要求4的一种超宽带电力载波通信系统，其特征在于，PPM调制器用于利用脉冲位置来表示信息的调制方式。
8.根据权利要求4的一种超宽带电力载波通信系统，其特征在于，脉冲形成器用于保证生成的脉冲不能互相重叠，得到的输出信号为:
Figure FDA0003559589400000023
9.根据权利要求4的一种超宽带电力载波通信系统，其特征在于，在TR滤波器用于首先对接收端事先发射探测信号，并估计信道的冲激响应。
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CN101267423A (zh) * 2008-05-09 2008-09-17 哈尔滨工业大学 在超宽带系统中利用分数傅立叶域估计时钟频偏的方法
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