CN1492596A - 利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统和方法是一种应用于高速近距离无线通信系统，其中发射机由时钟CLK、信号源S、直扩码发生器CG1、数据调制器DM、直接序列扩频单元DS、脉冲发生器G1、发射天线TAN组合而成； 接收机部分由接收天线RA、低噪声放大器LNA、相关器C、脉冲发生器G2、直扩码发生器CG2、低通滤波器L、解调器UM、定时捕获单元TA、接收机时钟CLK0及延时单元D组成；通信的方法为：发射端首先将调制的数据经直接序列扩频，经数据的极性调制，脉冲发生器根据调制后的数据产生相应极性的窄脉冲并经发射天线发射出去；接收机首先由接收机天线将电磁信号转化为电信号，经低噪声放大器后输入到相关器，相关器的另一个输入为本地相关信号，本地相关信号根据特定的用户码和同步定时的信息产生。

Description

利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统和方法

一、技术领域

本发明是一种应用于高速近距离无线通信系统，并为实现超宽带高速通信提供物理层的解决方案。属于通信技术领域。

二、背景技术

现代通信最常用的技术是将一条或多条信息叠加到一个高频载波上，然后通过一个传输中介发送信号并在接收端解调从而单独的恢复出各条信息的独立的内容。信息信号的原始形式可能是音频信号，数据脉冲，视频信号，或者其他信号。高频载波通过的传输媒介可能是空气(无线电传输)，双绞电缆，光缆，或是其他媒介。而超宽带(Ultra WideBand，故又称UWB)则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行调制，当脉冲窄到纳秒级时，超宽带信号将具有GHz量级的带宽。超宽带技术相对于连续波通信系统，有它独特和独到之处：发射信号功率谱密度较低(数十mW范围)；强抗截获能力；系统复杂度低；数厘米的定位精度等。

超宽带(UWB)技术起源于Ross博士在60年代开展的时域电磁学研究，首先是作为军用雷达技术开发出来的，通过发射只有10亿分之1秒的极短暂的脉冲信号，接收和分析反射回来的脉冲位置，就可以得到检测对象的信息。

超宽带的名称来源于可在非常宽的带宽上传输信号。比如，它使用500MHz以上或超过中心频率25％以上的带宽。运用超宽带技术传输信号时，输出功率可以非常小。具体来讲，比FCC规定的计算机放射电磁噪音值“Part15”(规定在-41.3dBm/MHz以下)还要低。也就是说，输出功率还不及设备本身的电磁辐射噪音。

超宽带技术在近距离下的最大数据传输速度可达几十Mbps～几Gbps，尽管信号的功率比噪音功率还要小，但其使用的带宽却可高达几GHz。超宽带技术不同于现有无线技术之处还在于其不使用载波，而是利用持续时间为纳秒左右的短脉冲传输数据。因此，从原理上讲不需要复杂的射频RF电路和混频滤波器等，因此与现有无线通信相比，收发电路的成本将会更低。

超宽带技术还可以应用于通信等领域，使用的是范围非常宽的频带，尽管电波的发射功率密度控制在很低的情况下，也可以实现超高速通信。近年来，超宽带技术正在诸如需要低捕获和检测概率、抗多径的无线保密安全通信、短距离高速无线数据传输、精确测距与定位、雷达、透视、监控乃至医疗等等应用领域里引起了越来越广泛的兴趣。2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)有条件地解除了该技术在民用领域的使用限制，成为超宽带技术真正走向商业化的一个重要里程碑。欧美有关标准化组织，如美国电子与电气工程师协会IEEE、欧洲电信标准化协会ETSI也正在进行相关的标准化工作。

三四十年来，超宽带技术在理论、应用以及硬件实现方法等等方面都取得了长足的发展。但是目前针对超宽带通信的物理层实现方案中关于多址和数据调制的研究主要集中在跳时脉位调制(TH-PPM)上，这种方案主要是利用跳时码(伪随机码)实现多用户，并将数据信息进一步调制到脉冲的位置上，它主要是利用很高的(90％以上)脉冲占空比和多脉冲(一般为几十个以上)表示1个数据符号来获取极高的增益。这里跳时码有两个主要的作用：1.用于分辨多用户；2.利用码的伪随机性平滑频谱。但是由于一般在实现时为了避免发射端经过跳时(TH)和脉位调制(PPM)的脉冲重叠，脉冲之间必须保留有一定时间的空余，这样就大大限制了脉冲的重复频率，所以用跳时脉位调制(TH-PPM)实现超宽带通信很难达到较高的速率，如100Mbps。虽然我们可以采用多进制脉位调制来提高速率，但是在超宽带主要的应用场合中由于丰富的多径分量将使原来没有脉冲的位置也有脉冲出现，这样就大大增加了不同用户或同一用户不同脉冲之间的碰撞概率，严重影响系统性能并明显增大接收机的复杂度。为了实现更高速率的数据传输并不增加实现的复杂度，这就需要有另外的方案来实现超宽带通信，对数据信息进行直接序列扩频不失为一种理想的选择。

三、技术内容

1.技术问题

本发明的目的是提供一种利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统和方法，该方法利用直扩和脉冲极性调制超宽带技术实现更高速率的数据传输，又并不增加系统实现的复杂度，使超宽带技术在近距离无线通信中真正成为易于实现并性能优异的通信方式。

2.技术方案

本发明给出了以直接序列扩频(DSSS)并以脉冲极性调制，即二进制相位调制(BPSK)实现超宽带通信的系统和方法，直扩超宽带通信系统包括发射端和接收端两部分，其中发射机由时钟、信号源、直扩码发生器、数据调制器、直接序列扩频单元、脉冲发生器、发射天线组合而成；其中，信号源和时钟的输出端接数据调制器的输入端，数据调制器和直扩码发生器的输出端接直接序列扩频单元的输入端，直接序列扩频单元和时钟的输出端接脉冲发生器的输入端，脉冲发生器的输出端接发射天线；接收机部分由接收天线、低噪声放大器、相关器、脉冲发生器、直扩码发生器、低通滤波器、解调器、定时捕获单元、接收机时钟及延时单元组成；其中，接收天线的输出端接低噪声放大器的输入端，接收机时钟、延时单元、定时捕获单元的输出端接直扩码发生器的输入端，直扩码发生器的输出端接脉冲发生器的输入端，脉冲发生器和低噪声放大器的输出端接相关器的输入端，相关器的输出端分别接解调器和、低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接定时捕获单元的输入端，定时捕获单元的输出端分别接延时单元和接收机时钟的输入端。

通信的方法为：发射端首先将数据调制器调制的数据经直接序列扩频，然后再进行数据的极性调制，脉冲发生器根据调制后的数据产生相应极性的窄脉冲并经发射天线发射出去；接收机首先由接收机天线将电磁信号转化为电信号，经低噪声放大器后输入到相关器，相关器的另一个输入为本地相关信号，本地相关信号根据特定的用户码和同步定时的信息产生。

接收信号的控制方法为：在启动后进行时钟滑动；然后进行相关积分；将相关积分后的数据进行是否大于门限的比较；当小于门限时，返回时钟滑动，当大于门限时，获取同步；然后时钟停止滑动；经数据解调后进行数据输出。接收信号和本地信号进行相关积分之后可以直接根据积分值的极性进行数据判决，大于0即传输数据为1，小于0则传输数据为0。在发射端，信息源S产生二进制数据经由直接序列扩频码发生器产生的扩频码扩频以后输入到脉冲发生器，脉冲发生器根据接收到的已扩信号产生相应的纳秒级脉冲，纳秒级脉冲经传输线输入到发射端天线并由天线辐射出去；在接收端，接收信号经接收天线将空间电磁信号转化为电信号得到，接着将接收信号输入相关器，相关器的另一路输入由本地脉冲发生器提供，本地脉冲发生器根据用户码和定时捕获环路得到的时延产生与发射端波形相似的纳秒级脉冲，然后接收信号和本地脉冲信号在相关器进行相关累计并输出一个基带信号，基带信号除进入解调模块进行信息恢复之外还要输入定时捕获环路以确保进行可靠的通信。

3.技术效果

本发明给出了以直接序列扩频(DSSS)并以二进制相位调制(BPSK)实现超宽带通信的系统和方法，这种方法可以摆脱跳时(TH)和脉位调制(PPM)对脉冲重复频率的限制，对直扩系统来说，脉冲的重复间隔可以做到脉宽量级，如纳秒级，这为实现极高速率的数据传输成为可能，而采用二进制相位调制(BPSK)主要是为接收端的复杂度考虑，相比于二进制的脉位调制(2PPM)，二进制相位调制有更大的判决容限有利于系统性能的提高。另外，直接序列扩频的理论和工程研究已经比较成熟，这为超宽带通信系统的工程实现降低了难度。

四、附图说明

图1是本发明采用的纳秒级脉冲的(a)时域波形和(b)频域频谱的示意图，这里给出的波形脉宽为1纳秒左右，而脉冲的中心频率为3GHz左右；

图2是本发明的系统原理框图；其中有时钟CLK、信号源S、直扩码发生器CG1、数据调制器DM、直接序列扩频单元DS、脉冲发生器G1、发射天线TAN；接收天线RA、低噪声放大器LNA、相关器C、脉冲发生器G2、直扩码发生器CG2、低通滤波器L、解调器UM、定时捕获单元TA、接收机时钟CLK0、延时单元D。

图3是本发明中发射端所使用的时序图；其中(a)所示的是数据源S输出的二进制数据，(b)给出的是直接扩频序列，(c)表示的是数据经直扩后的波形图，(d)表示的是脉冲发生器输出端的输出，脉冲极性随着数据和直扩序列模二和的极性而变化。

图4是本发明中接收端所使用的时序图；其中(a)所示的是接收端相应于发射端的扩频序列时序图，与图3(b)完全一样，(b)是接收端相应于扩频序列(a)产生的脉冲序列，这里假设本地脉冲波形采用发送的波形，(c)是本地脉冲波形与接收波形相关积分并进行数据判决以后的输出数据。

图5是本发明接收机的流程图。

五、具体实施方案

参照系统原理框图2，本发明所采用的超宽带通信实现原理为：首先利用扩频单元CG1产生的直接序列扩频码对信息源S来的信息数据进行扩频，然后将扩频后的二进制序列输入一个脉冲发生器G1，脉冲发生器G1根据二进制序列的极性产生相应的双极性脉冲，如当输入为1时，输出的脉冲如图1(a)所示，而当输入为0时，输出的脉冲刚好与图1(a)所示的脉冲极性相反，最后这些极性变化的脉冲经发射端天线TA辐射出去。经过超宽带无线信道以后，在接收端，首先接收天线RA将空间电磁波信号接收下来并转换成电信号，然后将得到的电信号输入到接收端的相关器C，相关器C的另一个输入由本地脉冲发生器G2的输出端得到。本地脉冲发生器G2的输出跟发射端脉冲发生器G1的输出类似，只是这里输入到脉冲发生器G2的二进制序列里面不包括数据，只是直接序列扩频码发生器CG2的输出。接收信号与本地信号相关并累计一定数目(一般为每个数据符号所拥有的脉冲数)的相关值以后，其输出分别输入到同步捕获环路和数据解调环路。定时捕获环路由低通滤波器、门限判决电路、控制电路组成。在滑动相关实现信号捕获的方案中，相关累加的输出经低通滤波器滤波后输入到门限判决电路，与事先设定的门限进行比较，如果相关累加值超过预定门限，则预示接收信号已经被捕获，控制电路输出一个控制信号使本地信号的相位不再进行滑动；如果相关累加值没有超过预定门限，则调整本地信号的相位继续与接收信号相关，相关累加值再次和预定门限值比较，直到相关累加值超过门限值为止。一般滑动相关实现信号捕获需要搜索完一个扩频码周期，如果搜索完一个周期甚至几个周期还没有搜索到超过门限的相关累加值，则表明有可能预先设定的门限过大，应当适当地调整门限的值。具体的门限设置与超宽带发射机与接收机之间的距离、信道的状况有关，准确的门限值设定是建立在精确的信道估计之上的，超宽带的信道估计是很有意义但又极富挑战性的一项课题，目前关于超宽带通信的信道估计还处于摸索阶段，并没有一种很有效的估计算法。一旦信号被接收机捕获到，同步电路即转入跟踪模式，在跟踪模式中，接收信号继续与本地信号在相关器相关，不过这时本地信号的相位调整比在进行信号捕获过程中要精确的多，在室内基本静止的环境中，信道的变化极其缓慢，一般信号被捕获到以后可以在较长的一段时间保持不变，而跟踪是使接收信号和本地信号更精确的同步以获得更好的性能。这里我们可以用两路或多路相关器来实现信号的跟踪与捕获，开始时各路相关器从不同的初始相位同时将接收信号和本地信号进行相关累计，直到有一路相关器得到超过门限的相关累加值，则表明这一路已经捕获到输入信号，将这一路相关器的相关累加信号送入到数据解调环路；同时另外几路相关器继续将本地信号滑动相位与关累加值进行比较，哪路相关累加值大就将这一路转为跟踪，将相关累加值小的路进行信号的再次捕获，这样周而复始。在获取接收信号的同步之后，相关累加后的输出在进入定时环路的同时也输入到数据解调环路。

对直扩和脉冲极性调制超宽带通信系统来说，其发射端的信号输出可以表示为：

其中w_tr(t)为发射脉冲的基本波形，c_j ⁽ⁱ⁾为对应于第i个用户的第j个脉冲的扩频码值，d⁽ⁱ⁾为第i个用户数据，N_f为每个数据符号所拥有的脉冲数目。

接收端的本地相关信号可以表示为：

$s_{\mathrm{cor}}^{\left(i\right)}\left(t\right)=\underset{j=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_j^{\left(i\right)}{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{jT}}_f)---\left(2\right)$

这里w_rec(t)表示发射脉冲w_tr(t)经过发射天线、信道和接收天线后的脉冲波形，在超宽带研究领域一般把天线效应等效为对信号的一次微分，这样，如果不考虑在信道中由于散射等引起的信号失真，w_rec(t)可以看成是W_tr(t)经两次微分后的信号波形。在实际实现中，考虑到与接收波形完全匹配非常困难，这时我们可以采用次最佳的办法，如接收端用矩形波与接收信号相乘并积分的方式，这种方法可能由于波形的不完全匹配而损失一定的信号能量，但是它可以不考虑接收信号的具体波形，所以实现上将变得比较简单。

本发明利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统由发射机和接收机两部分组成，其中发射机由时钟CLK、信号源S、直扩码发生器CG1、数据调制器DM、直接序列扩频单元DS、脉冲发生器G1、发射天线TAN组合而成；其中，信号源S和时钟CLK的输出端接数据调制器DM的输入端，数据调制器DM和直扩码发生器CG1的输出端接直接序列扩频单元DS的输入端，直接序列扩频单元DS和时钟CLK的输出端接脉冲发生器G1的输入端，脉冲发生器G1的输出端接发射天线TAN；接收机部分由接收天线RA、低噪声放大器LNA、相关器C、脉冲发生器G2、直扩码发生器CG2、低通滤波器L、解调器UM、定时捕获单元TA、接收机时钟CLK0及延时单元D组成；其中，接收天线RA的输出端接低噪声放大器LNA的输入端，接收机时钟CLK0、延时单元D、定时捕获单元TA的输出端接直扩码发生器CG2的输入端，直扩码发生器CG2的输出端接脉冲发生器G2的输入端，脉冲发生器G2和低噪声放大器LNA的输出端接相关器C的输入端，相关器C的输出端分别接解调器UM和、低通滤波器L的输入端，低通滤波器L的输出端接定时捕获单元TA的输入端，定时捕获单元TA的输出端分别接延时单元D和接收机时钟CLK0的输入端。

通信的方法为：发射端首先将数据调制器DM调制的数据经直接序列扩频，然后再进行数据的极性调制，脉冲发生器G1根据调制后的数据产生相应极性的窄脉冲并经发射天线TA发射出去；接收机首先由接收机天线RA将电磁信号转化为电信号，经低噪声放大器LNA后输入到相关器C，相关器的另一个输入为本地相关信号，本地相关信号根据特定的用户码和同步定时的信息产生。

接收信号的控制方法为：在启动后进行时钟滑动；然后进行相关积分；将相关积分后的数据进行是否大于门限的比较；当小于门限时，返回时钟滑动，当大于门限时，获取同步；然后时钟停止滑动；经数据解调后进行数据输出。接收信号和本地信号进行相关积分之后可以直接根据积分值的极性进行数据判决，大于0即传输数据为1，小于0则传输数据为0。

Claims (4)

1、利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信系统，其特征在于该通信系统由发射机和接收机两部分组成，其中发射机由时钟(CLK)、信号源(S)、直扩码发生器(CG1)、数据调制器(DM)、直接序列扩频单元(DS)、脉冲发生器(G1)、发射天线(TAN)组合而成；其中，信号源(S)和时钟(CLK)的输出端接数据调制器(DM)的输入端，数据调制器(DM)和直扩码发生器(CG1)的输出端接直接序列扩频单元(DS)的输入端，直接序列扩频单元(DS)和时钟(CLK)的输出端接脉冲发生器(G1)的输入端，脉冲发生器(G1)的输出端接发射天线(TAN)；接收机部分由接收天线(RA)、低噪声放大器(LNA)、相关器(C)、脉冲发生器(G2)、直扩码发生器(CG2)、低通滤波器(L)、解调器(UM)、定时捕获单元(TA)、接收机时钟(CLK0)及延时单元(D)组成；其中，接收天线(RA)的输出端接低噪声放大器(LNA)的输入端，接收机时钟(CLK0)、延时单元(D)、定时捕获单元(TA)的输出端接直扩码发生器(CG2)的输入端，直扩码发生器(CG2)的输出端接脉冲发生器(G2)的输入端，脉冲发生器(G2)和低噪声放大器(LNA)的输出端接相关器(C)的输入端，相关器(C)的输出端分别接解调器(UM)和、低通滤波器(L)的输入端，低通滤波器(L)的输出端接定时捕获单元(TA)的输入端，定时捕获单元(TA)的输出端分别接延时单元(D)和接收机时钟(CLK0)的输入端。

2、一种用于权利要求1利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信的方法，其特征在于通信的方法为：发射端首先将数据调制器(DM)调制的数据经直接序列扩频，然后再进行数据的极性调制，脉冲发生器(G1)根据调制后的数据产生相应极性的窄脉冲并经发射天线(TA)发射出去；接收机首先由接收机天线(RA)将电磁信号转化为电信号，经低噪声放大器(LNA)后输入到相关器(C)，相关器的另一个输入为本地相关信号，本地相关信号根据特定的用户码和同步定时的信息产生。

3、根据权利要求2所述的利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信的方法，其特征在于接收信号的控制方法为：在启动后进行时钟滑动；然后进行相关积分；将相关积分后的数据进行是否大于门限的比较；当小于门限时，返回时钟滑动，当大于门限时，获取同步；然后时钟停止滑动；经数据解调后进行数据输出。

4、根据权利要求3所述的利用直扩和脉冲极性调制的超宽带通信的方法，其特征在于接收信号和本地信号进行相关积分之后可以直接根据积分值的极性进行数据判决，大于0即传输数据为1，小于0则传输数据为0。

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