CN1625071A - 一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方法，在小波分析理论基础之上，根据正交小波函数波形同UWB信号波形的天然相似性，提出了一种新的UWB多址接入方式—波分多址(WDMA)。在这种多址接入方式中，具有正交性的尺度函数φ(t)与小波函数Ψ(t)波形被设计作为UWB脉冲波形，借助M序列理论，将两种函数波形均匀地分配给多个用户以实现多址接入。当两个用户的不同脉冲波形发生碰撞时，多址干扰将被大大减小，与TDMA和CDMA多址方式相比较，WDMA实现方式具有更大的用户容量。

Description

一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方法，属于通信领域。

背景技术

近年来，超宽带(UWB)无线通信技术成为国内外学者研究的热点。具有超过中心频率的25％或1.5GHz系统带宽的无线通信系统被称之为UWB通信系统。有别于以正弦波作为载波的传统无线通信系统，UWB采用持续时间极短的脉冲波形对被传输的数据进行直接调制，与正弦波作为载波的传统无线通信系统相比较，在脉冲波形的选择方面，UWB具有其特有的灵活性。由于调制带宽被扩展到几个GHz量级之上，从而系统能够在占有极低功率谱密度的基础之上，以极高的速率进行数据传输，同时，UWB还具有抗多径干扰和窄带干扰能力强，用户容量巨大，低捕获率，系统复杂度低等一系列独特的优点。因而UWB技术的出现，在不占有已经拥挤不堪的频率资源情况下，提供了一种全新的话音和数据通信方式。

多址干扰是限制超宽带(UWB)通信系统用户容量的主要原因。目前，实现UWB多址接入方式主要有以下两种：一是基于传统的时分多址(TDMA)方式，该方式与脉位调制(PPM)相结合被称之为TH-PPM UWB(跳时-脉位调制)。另一种是基于码分多址(CDMA)方式，该方式与二进制移相键控调制(BPSK)相结合，被称之为DS-BPSKUWB(直接序列-双极性幅度调制)。由于不同用户采用相同的发射脉冲，这两种传统的多址接入方式的多址干扰不可能从根本上消除或减少，诸多学者提出了基于两种传统的多址方式的改进方案，但都没有在本质上获得提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方法，该方法能够进一步提高超宽带(UWB)通信系统用户容量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方法，具有正交性的尺度函数φ(t)与小波函数ψ(t)波形作为UWB脉冲波形，借助于伪随机序列理论，对于M序列而言，“+1”和“-1”的出现概率几乎是相等的，因此，对于一个确定的长度为Ns的M序列，将“+1”和“-1”的位置分别与尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)相对应，这样两个不同的脉冲波形就被均匀地分配给一个用户，同时，利用两个脉冲多种不同的组合模式，就可以实现多址访问。

所述小波函数ψ(t)为具有紧支集(波形持续时间有限)和正则性(频带宽度有限)的各个小波函数。

所述尺度函数φ(t)与所述小波函数ψ(t)波形均匀分配的所借助的码字为任何具有良好自相关和互相关特性的伪随机码。

所述UWB波形的数据调制方式，根据调制数据‘+1’和‘-1’的不同，可以采用开关调制(OOK)、脉幅调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、双极性脉幅调制(BPSK)之一。

一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式所采用的发射机，其结构主要由PN码产生器、帧序列产生器、脉冲产生器以及乘法器四个部分组成；PN码产生器输出长度为Ns的PN码c^(k)，其码片长度为T_f，周期Ts＝NsT_f，该PN码为尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)均匀分配给各个用户的基本依据；序列产生器根据PN码产生器输出的第k个用户的PN码c^(k)，产生周期性的抽样脉冲s^(k)(t)，脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，各个脉冲极性取决于PN码码片数据，即： $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f);$ 脉冲产生器主要负责产生尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)，并根据帧序列s(t)中各个抽样脉冲δ(t)的极性进行分配，进而得到第k用户的WDMA UWB基本调制脉冲序列： ${\mathrm{\η}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$

一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式所采用的接收机，其结构主要由同步控制模块、帧时序产生器、波形选择控制模块、脉冲产生器、乘法器以及脉冲积分器六个部分组成，采用相关解调法；同步控制模块控制帧时序产生器，使本地时钟与第k个用户的WDMA UWB发射机时钟保持良好的同步，同时为波形选择控制模块提供定时信息；帧时序产生器输出周期性的抽样脉冲 $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f-{\mathrm{\τ}}_k),$ 脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，τ_k为与接收机时钟相比较，第k个用户信号的延迟；波形选择控制模块根据第k个用户的波形分配规则，为脉冲产生器提供尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)的产生选择信息；脉冲产生器主要负责产生WDMA UWB基本调制脉冲序列： ${\mathrm{\η}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f);$ 接收信号r(t)与模板信号η^(k)(t)相乘，送入脉冲积分器，并在t＝jT_f-τ_k时刻进行抽样，得到抽样值y_j，根据y_j的极性不同来恢复被调制的二进制数据流 $d_i^{\left(k\right)}\∈\{\±1\}.$

由于本发明采用了以上技术方案，故具有以下优点：

本发明提出了一种波分多址(WDMA)的UWB多址接入方式，在这种多址接入方式中，具有正交性的尺度函数φ(t)与小波函数ψ(t)波形被设计作为UWB脉冲波形，对于一个确定的长度为Ns的M序列，将“+1”和“-1”的位置分别与尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)相对应，这样两个不同的脉冲波形就被均匀地分配给一个用户，同时，利用两个脉冲多种不同的组合模式，就可以实现多址访问。当两个用户的不同脉冲波形发生碰撞时，多址干扰将被大大减小，与TDMA和CDMA多址方式相比较，WDMA实现方式具有更大的用户容量。

附图说明

图1为本发明中单用户(第k个用户)的WDMA UWB调制波形

图2为本发明中单用户(第k个用户)的WDMA UWB的发射机框图

图3为本发明的单用户(第k个用户)的WDMA UWB的接收机框图

具体实施方式

本发明在小波分析理论基础之上，根据正交小波函数波形同UWB信号波形的天然相似性，提出了一种新的UWB多址接入方式——波分多址(WDMA)。在这种多址接入方式中，具有正交性的尺度函数φ(t)与小波函数ψ(t)波形被设计作为UWB脉冲波形，借助M序列理论，因为“+1”和“-1”的出现概率几乎是相等的，因此对于一个确定的长度为Ns的M序列，将“+1”和“-1”的位置分别与尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)相对应，这样两个不同的脉冲波形就被均匀地分配给一个用户。同时，利用两个脉冲多种不同的组合模式，就可以实现多址访问。

当两个用户的不同脉冲波形发生碰撞时，多址干扰将被大大减小，与TDMA和CDMA多址方式相比较，WDMA实现方式具有更大的用户容量。

设ψ(t)为一平方可积函数，也即ψ(t)∈L²(R)，若其傅立叶变换ψ(w)满足条件：

${\&Integral;}_R\frac{{\left|\mathrm{\&Psi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|}^2}{\mathrm{\&omega;}}\mathrm{dt}<\&infin;---\left(1\right)$

则称ψ(t)为一个小波母函数，并称式(1)为小波函数的容许性条件。

当小波函数满足时域持续时间有限(即满足紧支集特性)和频域带宽有限(即：满足正则性条件)的条件时，就可以作为UWB脉冲波形。

假设UWB系统中存在用户数量为N_u，数据调制方式可以采用开关调制(OOK)、脉幅调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)或双极性脉幅调制(BPSK)，此处以BPSK调制为例，则基于正交小波的波分多址(WDMA)UWB信号定义为： $S^{\left(k\right)}=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_{[j/\mathrm{Ns}]}^{\left(k\right)}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$

如图3所示，第k个用户所对应的WDMA UWB信号，其中，w_j ^(k)(t)表示第k个用户的第j个脉冲波形(φ(t)或ψ(t))，且满足 $w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=0\left(\right|t|>T_m/2,T_m<<T_f).$ T_m为脉冲持续时间，T_f为脉冲重复时间，亦称之为帧长， $d_{[j/\mathrm{Ns}]}^{\left(k\right)}\&Element;\{\&PlusMinus;1\}$ 是第k个用户的调制数据。由于每Ns个脉冲用于传输一位调制数据，因而某一用户的第j个脉冲波形承载第[j/Ns]位数据([x]表示对x取整)。

为了保证UWB系统中各个用户具有相同的信道容量，尺度函数φ(t)与小波函数ψ(t)必须均匀地分布于每个用户的不同帧中。借助于伪随机序列理论，对于M序列而言，“+1”和“-1”的出现概率几乎是相等的。因此，对于一个确定的长度为Ns的M序列，将“+1”和“-1”的位置分别与尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)相对应，这样两个不同的脉冲波形就被均匀地分配给一个用户。同时，利用两个脉冲多种不同的组合模式，就可以实现多址访问。

第k个用户的WDMA超宽带多址系统发射机模型如图2所示，WDMA UWB发射机主要由PN码产生器、帧序列产生器、脉冲产生器以及乘法器四个主要部分组成。PN码产生器输出的长度为N_s的PN码(例如：M序列或GOLD码等)c^(k)，其码片长度为T_f，周期T_s＝N_sT_f，该PN码为尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)均匀分配给各个用户的基本依据。帧序列产生器根据PN码产生器输出的第k个用户的PN码c^(k)，产生周期性的抽样脉冲s^(k)(t)，脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，各个脉冲极性取决于PN码码片数据，即： $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$ 脉冲产生器是WDMA UWB系统的关键部件，该部分主要负责产生尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)，并根据帧序列s(t)中各个抽样脉冲δ(t)的极性进行分配，进而得到第k用户的WDMA UWB基本调制脉冲序列：

${\mathrm{\&eta;}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$

第k个用户的二进制信息流 $d_i^{\left(k\right)}\&Element;\{\&PlusMinus;1\},$ 通过与WDMA UWB基本调制脉冲序列η^(k)(t)相乘，即可得到WDMA UWB系统的发射信号： $S^{\left(k\right)}=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_{[j/\mathrm{Ns}]}^{\left(k\right)}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$

第k个用户的WDMA超宽带多址系统接收机模型如图3所示，WDMA UWB接收机主要由同步控制模块、帧时序产生器、波形选择控制模块、脉冲产生器、乘法器以及脉冲积分器六个主要部分组成。接收机采用相关解调法，同步控制模块控制帧时序产生器，使本地时钟与第k个用户的WDMA UWB发射机时钟保持良好的同步，同时为波形选择控制模块提供定时信息。帧时序产生器输出周期性的抽样脉冲 $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&delta;}(t-j{T}_f-{\mathrm{\&tau;}}_k),$ 脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，τ_k为与接收机时钟相比较，第k个用户信号的延迟。波形选择控制模块根据第k个用户的波形分配规则，为脉冲产生器提供尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)的产生选择信息。脉冲产生器的作用与发射极框图中相同，产生WDMA UWB基本调制脉冲序列： ${\mathrm{\&eta;}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f),$ 不过在接收机端该信号作为相关解调的模板信号。接收信号r(t)与模板信号η(k)(t)相乘，送入脉冲积分器，并在t＝jT_f-τ_k时刻进行抽样，得到抽样值y_j，根据y_j的极性不同来恢复被调制的二进制数据流 $d_i^{\left(k\right)}\&Element;\{\&PlusMinus;1\}.$

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此。任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方法，其特征在于：具有正交性的尺度函数φ(t)与小波函数ψ(t)波形作为UWB脉冲波形，借助于伪随机序列理论，对于M序列而言，“+1”和“-1”的出现概率几乎是相等的，因此，对于一个确定的长度为Ns的M序列，将“+1”和“-1”的位置分别与尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)相对应，这样两个不同的脉冲波形就被均匀地分配给一个用户，同时，利用两个脉冲多种不同的组合模式，就可以实现多址访问。

2、如权利要求1所述的基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式，其特征在于：所述小波函数ψ(t)为具有紧支集(波形持续时间有限)和正则性(频带宽度有限)的各个小波函数。

3、如权利要求1所述的基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式，其特征在于：所述尺度函数φ(t)与所述小波函数ψ(t)波形均匀分配的所借助的码字为任何具有良好自相关和互相关特性的伪随机码。

4、如权利要求1所述的基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式，其特征在于：所述UWB波形的数据调制方式，根据调制数据‘+1’和‘-1’的不同，可以采用开关调制(OOK)、脉幅调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、双极性脉幅调制(BPSK)之一。

5、一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式所采用的发射机，其特征在于：其结构主要由PN码产生器、帧序列产生器、脉冲产生器以及乘法器四个部分组成；PN码产生器输出长度为Ns的PN码c^(k)，其码片长度为T_f，周期Ts＝NsT_f，该PN码为尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)均匀分配给各个用户的基本依据；序列产生器根据PN码产生器输出的第k个用户的PN码c^(k)，产生周期性的抽样脉冲s^(k)(t)，脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，各个脉冲极性取决于PN码码片数据，即： $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f);$ 脉冲产生器主要负责产生尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)，并根据帧序列s(t)中各个抽样脉冲δ(t)的极性进行分配，进而得到第k用户的WDMA UWB基本调制脉冲序列： ${\mathrm{\&eta;}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f).$

6、一种基于正交小波波形的超宽带无线通信多址实现方式所采用的接收机，其特征在于：其结构主要由同步控制模块、帧时序产生器、波形选择控制模块、脉冲产生器、乘法器以及脉冲积分器六个部分组成，采用相关解调法；同步控制模块控制帧时序产生器，使本地时钟与第k个用户的WDMA UWB发射机时钟保持良好的同步，同时为波形选择控制模块提供定时信息；帧时序产生器输出周期性的抽样脉冲 $s^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&delta;}(t-j{T}_f-{\mathrm{\&tau;}}_k),$ 脉冲间隔等于PN码码片宽度T_f，τ_k为与接收机时钟相比较，第k个用户信号的延迟；波形选择控制模块根据第k个用户的波形分配规则，为脉冲产生器提供尺度函数波形φ(t)和小波函数波形ψ(t)的产生选择信息；脉冲产生器主要负责产生WDMA UWB基本调制脉冲序列： ${\mathrm{\&eta;}}^{\left(k\right)}\left(t\right)=s^{\left(k\right)}\left(t\right)*w_j^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_j^{\left(k\right)}(t-j{T}_f);$ 接收信号r(t)与模板信号η^(k)(t)相乘，送入脉冲积分器，并在t＝jT_f-τ_k时刻进行抽样，得到抽样值y_j，根据y_j的极性不同来恢复被调制的二进制数据流d_i ^(k)∈{±1}。