CN1625072A - 一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法，针对基带UWB调制方式设计中的局限性，提出基于载波的超宽带频带调制的设计思路，即利用不同的载波频率传输二进制信息。使用这种频带调制方式，载波的概念被引入到UWB无线通信技术之中，传统的UWB信号分析随之由时域转化到频域，从而为性能更加优良的UWB调制及多址等技术的出现开辟了广阔空间。本发明同时提出了基于本频带调制的发射机设计方法和两种接收机设计方法，以及频带调制载频选择原则。

Description

一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法

技术领域

本发明涉及一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法，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，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、捕获率低、系统复杂度低、消耗电能小、保密性好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的情况下，提供了一种全新的话音和数据通信方式，UWB技术尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。

现有的UWB无线通信系统通常采用以下两类基本调制方式来实现数据的高速传输。一类调制方式是根据每个数据帧中发射脉冲位置的不同，实现数据调制，称之为脉冲位置调制(PPM)；另一类调制方式则是根据每个数据帧中脉冲幅度的不同，实现数据的调制，称之为脉冲幅度调制(PAM)，脉冲幅度调制主要包括正极性脉幅调制(PPAM)、开关调制(OOK)和双极性脉幅调制(BPSK)三种实现形式。以上两类UWB调制方式在设计思路上具有两个基本特点：一方面，由于被调制数据符号采用矩形波形，因而承载一位数据的多个脉冲实际上经历了相同的调制过程。而之所以采用多个相同脉冲来代表一位数据，仅仅是为了提高UWB系统的传输性能。另一方面，无论是改变脉冲的幅度还是位置，UWB调制方式都是在时域中完成的，而没有借助于载波实现频域调制。因此，上述UWB调制方式统称为基带UWB调制。

发明内容

本发明的目的一是提供一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法，即利用不同的载波频率传输二进制信息。

本发明的目的二是提供了基于频带调制的发射机设计方法和接收机设计方法。

本发明的目的三是提供了一种频带调制载频选择的原则。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于载波的超宽带无线通信频带调制的方法，利用两个不同的载波频率f₁和f₂来传输二进制数据信息，设输入到BFSK UWB调制器的数据比特流为d_i：{±1}，i＝-∞～+∞，其中每一位数据的持续时间为T_S，w(t)为输入调制器的数据比特流波形，第i位数据信息的BFSK UWB信号可表示为如下形式：

$u_1\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{1}t,-T_S/2\≤t\≤T_S/2,d_i=+1---\left(1\right)$

$u_2\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{2}t,-T_S/2\≤t\≤T_S/2,d_i=-1---\left(2\right)$

其中，p(t)为单周期高斯脉冲，T_f为脉冲重复时间。

所述w(t)为符合奈奎斯特第一准则的，能够削弱码间干扰的脉冲波形。

所述T_S为T_f的整数倍。

一种基于载频的超宽带无线通信频带调制方式所采用的发射机，其结构主要由载波选择电路、帧序列产生器、脉冲成形器以及乘法器四个主要部分组成；载波选择电路根据输入信息比特选择不同频率载波输出；帧序列产生器产生周期性的抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生的抽样脉冲进行脉冲成形后的信号为 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f);$ 乘法器的两个输入为信息比特调制载频w(t)cos2πft和脉冲成形后信号。

一种基于载频的超宽带无线通信频带调制方式所采用的接收机，其结构主要由相干解调模块、同步控制模块、帧序列产生器、脉冲成形器、梳状滤波器、脉冲序列相关器、抽样判决模块七个部分组成；相干解调模块通过在接收端将频带调制信号分别与不同载频相乘转化为基带信号；同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息；帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f);$ 梳状滤波器具有间隔为1/T_f的多组离散频响分量组成的周期性频谱结构，用来滤掉BFSK UWB的干扰信号；脉冲序列相关器对其承载的二进制信息进行相关解调；抽样判决模块对脉冲序列相关器输出的信号进行周期抽样判决，恢复被调制的二进制数据流 $d_i^{\left(k\right)}\∈\{\±1\}.$

当载波频率符合 1/2T_s≤f₁≤1/2T_f-1/2T_s时，所述梳状滤波器可以完全滤除二倍载频BFSK UWB干扰信号，当载波频率符合 时，梳状滤波器可以完全滤除BFSK UWB载波差频分量信号与载波和频分量信号。

一种基于载频的超宽带无线通信频带调制方式所采用的接收机，其结构主要由同步控制模块、帧序列产生器、脉冲成形器、接收机载频脉冲产生模块、相关解调模块、抽样判决模块六个部分组成；同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息；帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f);$ 接收机载频脉冲产生模块对于每个载频产生频带调制信号，用作接收端解调；相关解调模块利用不同载频信号之间的良好正交性，采用接收机各个频带调制信号与接收信号进行联合相关解调；抽样判决模块在抽样时刻进行抽样，比较，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：

使用本发明的频带调制方法，载波的概念被引入到UWB无线通信技术之中，传统的UWB信号分析随之由时域转化到频域，从而为性能更加优良的UWB调制及多址等技术的出现开辟了广阔空间。

附图说明

图1为本发明中二进制频移键控UWB(BFSK UWB)调制信号的时域示意波形图

图2为本发明中BFSK UWB系统发射部分的框图

图3为本发明中BFSK UWB系统接收方法一的部分框图

图4为本发明中BFSK UWB系统接收方法二的部分框图

具体实施方式

BFSK UWB调制是利用两个不同的载波频率f₁和f₂来传输二进制数据信息的一种调制方式，设输入到BFSK UWB调制器的数据比特流为d_i：{±1}，i＝-∞～+∞，其中每一位数据的持续时间为T_S。w(t)通常采用矩形脉冲或符合奈奎斯特第一准则，能够削弱码间干扰的脉冲波形(如三角形脉冲、半余弦脉冲、修正余弦脉冲、升余弦脉冲、高斯脉冲等)，为表达简单，设w(t)为矩形波形：

第i位数据信息的BFSK UWB信号可表示为如下形式：

$u_1\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{1}t,-T_S/2\≤t\≤T_S/2,d_i=+1---\left(1\right)$

$u_2\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{2}t,-T_S/2\≤t\≤T_S/2,d_i=-1---\left(2\right)$

其中，p(t)为单周期高斯脉冲，T_f为脉冲重复时间，也称之为帧长，选择合适的T_f使T_S时间内正好包含N_S个完整脉冲，且有p(t)＝0，|t|＞T_m/2，T_m为脉冲持续时间，通常小于1纳秒，满足T_m＜＜T_f＝T_S/N_S。两个数据位的时域示意波形如图1所示。当传送的第i位数据信息是1时，在Ts时间内发送脉冲包络为载波频率为f₁的正弦波；当传送的第i位数据信息是-1时，在Ts时间内发送脉冲包络为载波频率为f₂的正弦波。

如图2所示，BFSK UWB系统所采用的发射机主要由载波选择电路，帧序列产生器，脉冲成形器以及乘法器四个部分组成。

载波选择电路负责根据输入的信息比特选择不同频率的载波输出。在BFSK UWB发射机中仅需选择两个载频，多进制FSK UWB在多个载频中选择一个输出，接收端可以根据输出载频的不同恢复原来输入信息比特，譬如四进制FSK UWB输入载频f₁、f₂、f₃、f₄，分别代表两位信息比特00、01、10、11，更多进制FSK UWB依此类推。帧序列产生器负责产生周期性的抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f).$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生的抽样脉冲进行脉冲成形，成形后的信号为 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f),$ 脉冲成形后信号和信息比特调制载频信号w(t)cos2πft作为乘法器的两个输入。

本发明提出了两种BFSK UWB系统接收方式，BFSK UWB系统的接收方式一的结构框图如图3所示。接收机主要由相干解调模块，梳状滤波器，同步控制模块，帧序列产生器，脉冲成形器，脉冲序列相关器，抽样判决模块七个部分组成。相干解调模块通过在接收端将频带调制信号分别与不同载频相乘后转化为基带信号。同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息。帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f).$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f).$

梳状滤波器是BFSK UWB系统接收模块中关键部分，是具有间隔为1/T_f的多组离散频响分量组成的周期性频谱结构，用来滤掉BFSK UWB中的干扰信号。当f₁符合1/2T_s≤f₁≤1/2T_f-1/2T_s时，梳状滤波器可以完全滤除二倍载频BFSK UWB的干扰信号。当符合

时，梳状滤波器可以完全滤除BFSK UWB的载波差频分量信号与载波和频分量信号。脉冲序列相关器对其承载的二进制信息进行相关解调。抽样判决模块对相关器输出信号进行周期抽样判决，恢复被调制的二进制数据流 $d_i^{\left(k\right)}\∈\{\±1\}.$

BFSK UWB系统接收方式二的部分框图如图4所示。接收机主要由同步控制模块，帧序列产生器，脉冲成形器，接收机载频脉冲产生模块，相关解调模块，抽样判决模块六个部分组成。同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息。帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f).$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f).$ 接收机载频脉冲产生模块对于每个载频产生频带调制信号，用作接收端解调。相关解调模块利用不同载频信号之间的良好正交性，采用接收机各个频带调制信号与接收信号进行联合相关解调。抽样判决模块在抽样时刻进行抽样，比较，恢复被调制的二进制数据流 $d_i^{\left(k\right)}\∈\{\±1\}.$

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、一种基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法，其特征在于：利用两个不同的载波频率f₁和f₂来传输二进制数据信息，设输入到BFSK UWB调制器的数据比特流为d_i：{±1}，i＝-∞～+∞，其中每一位数据的持续时间为T_s，w(t)为输入调制器的数据比特流波形，第i位数据信息的BFSK UWB信号可表示为如下形式：

$u_1\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-{\mathrm{jT}}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{1}t,-T_S/2\≤t\≤T_S/2,d_t=+1---\left(1\right)$

$u_2\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-{\mathrm{jT}}_f)w\left(t\right)\cos 2\mathrm{\π}{f}_{2}t,{-T}_S/2\≤t\≤T_S/2,d_t=-1---\left(2\right)$

其中，p(t)为单周期高斯脉冲，T_f为脉冲重复时间。

2、如权利要求1所述的基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法，其特征在于：所述w(t)为符合奈奎斯特第一准则的，能够削弱码间干扰的脉冲波形。

3、如权利要求1所述的基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法，其特征在于：所述T_s为T_f的整数倍。

4、一种基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法所采用的发射机，其特征在于：其结构主要由载波选择电路、帧序列产生器、脉冲成形器以及乘法器四个主要部分组成；载波选择电路根据输入信息比特选择不同频率载波输出；帧序列产生器产生周期性的抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生的抽样脉冲进行脉冲成形后的信号为 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-{\mathrm{jT}}_f);$ 乘法器的两个输入为信息比特调制载频w(t)cos2πft和脉冲成形后信号。

5、一种基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法所采用的接收机，其特征在于：其结构主要由相干解调模块、同步控制模块、帧序列产生器、脉冲成形器、梳状滤波器、脉冲序列相关器、抽样判决模块七个部分组成；相干解调模块通过在接收端将频带调制信号分别与不同载频相乘转化为基带信号；同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息；帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-j{T}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-j{T}_f);$ 梳状滤波器具有间隔为1/T_f的多组离散频响分量组成的周期性频谱结构，用来滤掉BFSK UWB的干扰信号；脉冲序列相关器对其承载的二进制信息进行相关解调；抽样判决模块对脉冲序列相关器输出的信号进行周期抽样判决，恢复被调制的二进制数据流d_i ^(k)∈{±1}。

6、根据权利要求5所述的基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法所采用的接收机，其特征在于：当载波频率符合T_s≤f₁≤T_f-T_s时，所述梳状滤波器可以完全滤除二倍载频BFSK UWB干扰信号，当载波频率符合 时，梳状滤波器可以完全滤除BFSK UWB载波差频分量信号与载波和频分量信号。

7、一种基于载频的超宽带无线通信频带调制的方法所采用的接收机，其特征在于：其结构主要由同步控制模块、帧序列产生器、脉冲成形器、接收机载频脉冲产生模块、相关解调模块、抽样判决模块六个部分组成；同步控制模块控制帧序列产生器，使本地时钟与发射机时钟保持良好的同步，为其他模块提供定时信息；帧序列产生器产生周期抽样脉冲 $s\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{jT}}_f);$ 脉冲成形器根据帧序列产生器产生脉冲成形信号 $\underset{j=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}p(t-{\mathrm{jT}}_f);$ 接收机载频脉冲产生模块对于每个载频产生频带调制信号，用作接收端解调；相关解调模块利用不同载频信号之间的良好正交性，采用接收机各个频带调制信号与接收信号进行联合相关解调；抽样判决模块在抽样时刻进行抽样，比较，恢复被调制的二进制数据流d_i ^(k)∈{±1}。

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