基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法

2023-10-30 14:36:32

專利名稱：基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法
技術領域：
本發明專利涉及一種基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法，屬通信領域。
技術背景超寬帶(UWB)是近年來興起並快速發展的一項無線通信技術，是當前國際上研 究熱點之一。相對帶寬大於25%或者在3. lGHz~10.6GH頻段內系統帶寬大於500MHz 的無線通信系統被稱為超寬帶通信系統。有別於以正弦波為載波的傳統無線通信系 統，由於調製帶寬被擴展至幾個GHz量級上，從而系統能夠在佔有極低功率譜密度的 基礎上，以極高的速率進行數據傳輸。同時UWB還具有低成本、低能量損耗、低捕獲 率、穿透力強，抗多徑等優點，因此UTO技術的出現，在不佔用現在已經擁擠不堪的 頻譜資源情況下，提供了一種全新的語音和數據通信方式。UWB技術在短距無線寬帶 接入，室內成像精確定位及軍事通信領域具有廣闊的應用價值。目前UWB主要存在兩種物理層技術方案。 一種是基於無線脈衝(IR)的直接序列擴 頻(DSS)實體層技術規格建議；另一種則是基於多載波正交頻分復用實體層標準技術 規格建議。基於無線脈衝(IR)的直接序列擴頻(DSS)的UWB系統是通過發射和接收具 有亞納秒級的脈衝信號來傳輸信息。它以每秒數十兆的速率發射和接收脈寬小於lns 的窄脈衝信號，信息通過脈衝位置調製(PPM)、脈衝幅度調製(PAM)或其他調製方式調 制導精確定時的脈衝串中去。另一種是基於多載波正交頻分復用(OFDM)的UWB系統， 其中每個子帶帶寬為528MHz，分128個子載波，各子載波之間相互正交，將信息比 特分別調製到所有子載波上進行傳輸。除此，還有一種正處於研究起步階段的UWB物理層技術己經引起一些組織和企業 的關注，即基於掃頻脈衝(Chirp)的超寬帶通信。Chirp信號是一種擴頻信號，在一 個Chirp信號周期內表現出線性調頻的特性，信號頻率隨著時間的變化而線形的變 化，因為Chirp信號的頻率在一個信號周期內會"掃過" 一定的帶寬，所以Chirp 信號又被形象地稱為"掃頻信號"。Chirp信號的掃頻特性可以應用在通信領域，表 達數據符號，達到擴頻的效果。這種用Chirp信號進行擴頻的通信方式被稱為Chirp 擴頻(CSS)。目前基於Chirp的超寬帶調製方式主要有二進位正交鍵控(BOK)和直接調製(DM) 。 二進位正交鍵控調製是在發射端產生Up-Chirp和Down-Chirp信號來表示輸入 數據；而直接調製採用一路Chirp信號來表達數據符號，數據符號可以是二進位符 號，也可以是通過各種調製方式得到的多進位符號。由於Up-Chirp和Down-Chirp 信號存在一定的相關性導致在室內密集多經環境下，性能急劇下降。而直接調製方式 雖然可以利用交疊技術提高數據速率，但在同步不理想的情況下也存在較大碼間幹 擾。本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供了一種基於掃頻脈衝的超寬帶 無線通信調製方法，稱為基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製，以下 簡稱為Chirp-BOK-BPSK調製，在不引入脈衝交疊技術的同時提高了與BOK調製具有 相同時間寬度的掃頻脈衝條件下的數據傳輸速率，避免了由交疊技術帶來的碼間幹 擾，同時也為為新的基於Chirp的UWB高效的調製方式的提出開闢了廣闊的空間。 本發明第二個目的在於提供了一種實現Chirp-BOK-BPSK調製的發射機。 本發明第三個目的在於提供了一種Chirp-BOK-BPSK調製信號的接收機。 為達到以上目的，本發明採用以下技術方案本發明採用基於掃頻脈衝的二進位 正交鍵控與移相鍵控聯合調製Chirp-BOK-BPSK，將二進位數據信息調製到掃頻脈衝的 正反相位和正反調頻斜率上，因此一個掃頻脈衝的信息量為2比特，屬四進位調製。 假設要發送的二進位數據為6 €{-1,1}(下標"表示第於二進位數據，"e(O， +唚))，其中每一位數據持續時間為7;/2，若令二進位數據6"的第偶數位數據比特62 +2調製 發送脈衝正負掃頻斜率，二進位數據6 的第奇數位比特62 +1調製發送符號的正反相 位，則發射機的輸出信號s")可表示如下力)=fX+j《)cos[2;r(/0 +62肝2》](m-如T; "<(" +如 ； ( 1)/。為掃頻脈衝的中心頻率，//為掃頻脈衝的掃頻斜率，其值等於s/7;， t為時間。根據二進位數據對{6， ^， & +1}的取值，信號的時域波形共有四種可能的狀態分別表發明內容其中《o為掃頻脈衝信號的包絡，在這裡取示如下.-s々)=a(f)cos[ 2;r(/0 + J2(,) = 0)cos[2a(/0 ^(/)…(/)cos[2;r(/。 +f ,)/〗{一1,—1}=-,cos[ 2"/0 —奮0f]所以Chirp-BOK-BPSK調製為四進位調製，整個調製過程包括串並變換、二進位相位調 制以及二進位正交鍵控調製三個步驟，詳寫如下步驟l:發射機首先對二進位數據^進行串並變換，成為兩路信號分別表示為 & +1、 62 +2並且每路數據比特的時間寬度變為原來的兩倍即7;。步驟2:在完成串並變換之後，利用其中一路二進位數據62 +1調製掃頻脈衝的正反相 位，實現Chirp-B0K-BPSK調製中的二進位相位BPSK調製。即(1)式中等號右邊的帶 有下劃線的62 +1項，重寫如下，"=0 厶 丄 丄式中62 +1與62 +2分別表示二進位數據6 的第奇數位比特和第偶數位比特，其他參數 與式(1)中相同。步驟3:利用另外一路二進位數據62 +2調製掃頻脈衝的正負掃頻斜率，實現 Chirp-BOK-BPSK調製中的二進位正交鍵控BOK調製，即(1)式中等號右邊帶有下劃線 的的 +2項，重寫如下順-IX+潛os[2;r(/。+^^)。
("-^ <"(" + 4)7; (4)經過以上三個步驟之後，兩個比特的信息已分別被調製到了掃頻脈衝的相位和掃頻斜 率上，既完成了Chirp-B0K-BPSK調製。已調製的掃頻脈衝的時間寬度為7;，而每一個經過調製的掃頻脈衝攜載兩個比特數據，所以數據傳輸速率為2/7;。本發明的發射機為一種實現Chirp-B0K-BPSK調製的發射機，如圖3。其主要結構 是包括一個串並轉換電路(31)，將數據轉換成兩路並行數據，實現本調製方法中的步驟l;正負掃頻斜率選擇電路(32)，根據輸入的二進位數據62 +2來選擇具有正掃頻 斜率的掃頻脈衝(Up-Chirp) cos[ 2;r(/。 + //〃2)。和負掃頻斜率掃頻脈衝 (Down-Chirp) cos[ 27r(/。 — ^/2^],實現本調製方法中步驟3。本發明的接收機為一種接收Chi卬-BOK-BPSK調製信號的接收機，如圖4。其主要 結構包括兩個相乘器4 (1)與4 (2)，兩個積分器4 (3)與4 (4)，兩個個採樣電路4 (5)與4 (6)和一個判決器4 (7)，如圖3所示。其中相乘器和積分器組成一個匹配濾波器，採樣電路用以在掃頻脈衝整周期時刻0 = "7;)進行採樣，判決器對採樣到的數據進行判決解調出發射數據。整個接收機結構如圖4所示。本發明的有益效果是本發明提供的超寬帶調製方法引入了基於掃頻脈衝的二 進位正交鍵控調製與直接調製相結合的技術，在不引入掃頻脈衝交疊技術的情況下提 高了單純的B0K調製或者單純的BPSK調製的數據速率，同時也為性能更加優良的基 於掃頻脈衝的超寬帶調製及多址方法的出現開闢了廣闊的空間。


圖l是Chi卬-B0K-BPSK調製中，掃頻脈衝的頻率變化與二進位數據的關係。其中， l為二進位數據+l時對應的掃頻脈衝頻率與時間的關係曲線，2為二進位數據-l時對應的掃頻脈衝掃頻率與時間的關係曲線。圖2是Chirp-B0K-BPSK調製中，掃頻脈衝的相位與二進位數據的關係。其中，21 為二進位數據+l時，對應得掃頻脈衝的相位與時間的關係曲線，22為二進位數據-1 時，對應得掃頻脈衝的相位與時間的關係曲線。圖3是基於Chirp-B0K-BPSK調製的發射機原理圖。其中，31為一個串並轉換器， 輸入為一路串行信號輸出兩路並行信號，32為快速選擇電路，根據輸入的二進位數據 62 +2，選擇Up-Chirp與Down-Chirp中的一個作為輸出，33為掃頻脈衝發生器件，用以產生Up-Chirp脈衝，34為掃頻脈衝發生器件，用以產生Down-Chirp脈衝，35為乘法器， 跟據輸入的二進位數據62 +1對掃頻脈衝進行調相。圖4是基於Chirp-B0K-BPSK調製的接收機原理圖。其中，41為乘法器，其輸入端 為接收信號r(0與本地模板信號^(/)， 42為乘法器，其輸入為接收信號r(/)與本地模板信號AG)， 43為積分電路，對/^)與^0)的乘積進行積分，44為積分電路，對^)與^( )的乘積進行積分，45為採樣電路，在r-^; (n為整數)時刻對積分電路43的 輸入進行採樣，46為採樣電路，在？ = "7; (n為整數)時刻對積分電路4的輸入進行採 樣，47為一個判決器，其輸入為採樣電路46和採樣電路47的輸出，用以恢復原始數據 6" °圖5是時間上被壓縮的具有極高時間帶寬積的波形圖。 圖6是時間上被擴散的波形圖。圖7是Chirp-B0K-BPSK調製信號的時域波形圖。其中，(a)是Up-Chirp波形，(b) 是-Up-Chirp波形，(c)是Down-Chirp波形，(d)是-Down-Chirp波形。
具體實施方式
本發明的一個優選實施例結合

如下參見圖1和圖2，本基於掃頻脈衝的超寬帶通信調製方法，採用掃頻脈衝的二進 制正交鍵控與移相鍵控聯合調製Chirp-B0K-BPSK，將二進位正交鍵控B0K與直接調 制DM相結合，在不引入交疊技術的同時提高了與BOK調製具有相同時間寬度的掃頻脈 衝條件下的數據傳輸速率，避免了由交疊技術帶來的碼間幹擾；具體操作步驟如下Chirp-B0K-BPSK調製是靠掃頻脈衝不同的掃頻斜率及其相位來傳送二進位數據 信息的一種調製方式，是四進位調製。設輸入到Chirp-BOK-BPSK調製器的二進位數 據信息為6 e{-l,l}， ne[0,+w)，設每比特數據的時間寬度為7;/2; "(0為矩形脈 衝，或者能夠減小碼間幹擾的波形(如三角脈衝、升餘弦脈衝、高斯脈衝等)，為表 達簡單，a(O取矩形波形-因Chirp-BOK-BPSK調製為四進位調製，因此在數據輸入調製器之前，首先對二 進位數據6 進行串並變換，成為奇數位比特和偶數位比特兩路信號分別表示為~"+1、 62 +2並且每路數據比特的時間寬度變為原來的兩倍即7;，然後利用62 +1調製掃頻脈衝的正反相位，而62 +2調製掃頻脈衝的正負掃頻斜率，掃頻脈衝的時間寬度為 7;，這樣每一個經過調製的掃頻脈衝將會攜載兩個比特數據，所以數據傳輸速率為2/7;。因此調製器根據輸入比特的不同共有四種不同的掃頻波形輸出，分別表示數據信息為+ 1 + 1、 +1-1、 -1 + 1和-1-1時的信號表達式:"(0 =a(Ocos[2丌(/。+f,)小("-i/2)rs <"("+i/2)7;a(Ocos[2;r("_.1/2)7; "<("+i/2)rv53(f)=—a(,)cos[2;r(/0 +f ,)f,("-1/2)7; 7+1/2)7;S4(f)=-a0)cos[27r(/。-,("--1/2)7; +1/2)7,本實施例的發射機為基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製Chi卬-B0K-BPSK的發射機，如圖3所示。Chirp-BOK-BPSK發射機主要有串並變換電路 (31)、正負掃頻選擇電路(32)、掃頻脈衝發生器(33、 34)和一個乘法器(35)組成。其中串並轉換電路將輸入的二進位數據6 轉換成兩路62 +1、 62 +2並將其時間寬度變為 原來的兩倍；正負掃頻選擇電路根據數據62 +2選擇正掃頻斜率脈衝或者負掃頻斜率脈衝；掃頻脈衝發生器分別用來產生正掃頻斜率脈衝、負掃頻斜率脈衝；乘法器的主要 作用是實現掃頻脈衝的相位調製，其兩個輸入分別為數據^ +1和(33)或者(34)產生的一個掃頻脈衝波形，其輸出即為已調製的Chirp-B0K-BPSK信號。本實施例的接收機為基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製 Chirp-B0K-BPSK的接收機，如圖4所示。相干解調模塊主要實現對接收到的己調掃頻 脈衝的壓縮，當接收到的脈衝於本地模板信號相匹配時產生具有極高時間帶寬積的掃 頻脈衝如圖(5)，否則接收到的脈衝將會在時間上被擴散，如圖(6)所示。採樣電路在(=^ ;處對已壓縮的脈衝進行採樣。判決器根據採樣電路的兩路輸出進行判決進而恢復出原始數據、。
權利要求
1.一種基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法，其特徵在於採用基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製Chirp-BOK-BPSK，將二進位正交鍵控BOK與直接調製DM相結合，在不引入交疊技術的同時提高了與BOK調製具有相同時間寬度的掃頻脈衝條件下的數據傳輸速率，避免了由交疊技術帶來的碼間幹擾；具體操作步驟如下步驟1發射機首先對二進位數據bn進行串並變換，成為兩路信號分別表示為b2n+1、b2n+2並且每路數據比特的時間寬度變為原來的兩倍即Ts。步驟2在完成串並變換之後，利用其中一路二進位數據b2n+1調製掃頻脈衝的正反相位，實現基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製Chirp-BOK-BPSK的二進位相位BPSK調製。發射機的輸出信號s(t)如下式
2. 根據權利要求l所述的基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法，其特徵在於所述的發射機為基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控聯合調製 Chirp-BOK-BPSK的發射機，其結構是 一個串並變換器(31)的一個輸出直接輸 入到一個乘法器(35)，而另一個輸出經一個快速選擇電路(32)和兩個並聯的 掃頻脈衝發生器(33, 34)分別產生Up-Chirp和Down-Chirp，之後輸入所述的乘 法器(35)。根據權利要求2所述的基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法，其特徵在於與 所述的發射機配套使用的接收機為基於掃頻脈衝的二進位正交鍵控與移相鍵控 聯合調製Chirp-BOK-BPSK的接收機，其結構是兩個乘法器(41， 42)分別經 兩個積分器(43， 44)和兩個採樣器(45， 46)後連接一個判決器(47)。
全文摘要
本發明涉及一種基於掃頻脈衝的超寬帶無線通信調製方法。它採用掃頻脈衝的二進位正交鍵控於移相鍵控聯合調製，將正交鍵控與直接調製相結合，在不引入交疊技術的同時，提高了在與二進位正交鍵控調製具有相同時間寬度的掃頻脈衝條件下的數據傳輸速率，避免了由脈衝交疊帶來的碼間幹擾，為性能更加優良的基於掃頻脈衝的超寬帶調製及多址方法的出現開闢了廣闊的空間。
文檔編號H04L27/34GK101267424SQ20081003386
公開日2008年9月17日 申請日期2008年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者馮金振, 鄭國莘 申請人:上海大學