一種信道資源復用的傳輸方式及其接收方法
2023-12-01 10:42:51 2
專利名稱：一種信道資源復用的傳輸方式及其接收方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信中資源復用的方式，具體涉及一種信息傳輸方式及其接收算法。
背景技術：
在無線通信領域，現有的通信技術主要通過信號的頻率不同或者所處的時間位置不同來區分不同用戶身份或者不同的信息符號。但是頻率資源是有限的，因此在第三代移動通信系統中，人們提出了碼分的概念，即通過不同的地址碼來區分不同的用戶，再結合時分和頻分實現信道資源的復用，但是隨著人們需求的不斷提高以及通信技術迅猛發展，用戶數量大大增加的同時，不同系統，不同用戶之間幹擾增大，系統容量和數據傳輸速率均受到限制。新的信道資源復用技術可以有效解決這一問題。
分數階傅立葉變換在保留傳統傅立葉變換的性質的基礎上又添加了新的優勢，可認為分數階傅立葉變換是一種廣義的傅立葉變換。在給出分數階傅立葉變換的積分形式的定義之前，先規定一些記號，記f(t)為信號的時域表達形式，它的p階分數傅立葉變換為(Fpf)(u)，其中u代表分數域坐標，則f(t)的p階分數傅立葉變換算子FpL2(R)→L2(R)可以表示成下面的式子，其中α＝pπ/2 分數傅立葉變換的逆變換可以表示為 上式表明信號f(t)的分數階傅立葉變換可以解釋為f(t)在以逆變換核K(-p；u，t)為基的函數空間上的展開，而該核是一組正交的切普基，具體寫出切普信號的一般表達式如下 c(t)＝Aexp(j(2πf0t+πμ0t2)) 其中A為信號幅度參數。眾所周知傳統傅立葉變換是以正餘弦函數作為基分解的，因此正餘弦函數在頻域表現為衝擊函數，同理，根據上述分數傅立葉變換具有的切普基分解特性，一個切普信號在適當的分數階傅立葉域中將表現為一個衝擊函數。即分數階傅立葉變換在某個分數階傅立葉域上對給定的切普信號具有最好的能量聚集特性。
上述切普信號是覆信號，在實際系統應用中，發射端應當發送實信號，取兩個共軛切普信號疊加，使其成為餘弦函數形式，表達式如下 c(t)＝exp{i(2πf0t+πkt2)}+exp{-i(2πf0t+πkt2)} ＝2cos(2πf0t+πkt2) 根據分數傅立葉變換的性質，上式中的兩個切普信號分別在p階分數域和2-p階分數域能量最集中。
發明內容
本發明是為了克服現在無線頻譜資源日益緊張、不同系統之間幹擾增大的問題，提出了一種信道資源復用的傳輸方式及其接收方法。其主要思想是在不增加現有系統所佔用的時頻域資源的前提下，在現有系統中再增加一路信號傳輸信息，並且該路信號可以和現有系統的信號在接收端有效分離開。
本發明的方法由以下步驟實現 步驟一、信息源1輸出二進位數字信息，經串/並轉換器2轉換後變為並行兩路信息； 步驟二、由信號產生器4產生信息調製波形f1(t)，用此波形對步驟一中轉換的第一路信息進行調製，由一號波形成形器5輸出經過調製信息的波形m1(t)； 步驟三、切普信號產生器6根據信號產生器4輸出的波形信息選取參數，產生實切普信號f2(t)； 步驟四、f2(t)通過二號波形成形器7對步驟一中轉換的第二路信息進行調製，輸出調製信息後的波形m2(t)； 步驟五、由步驟二和步驟四得到的兩路並行信號m1(t)和m2(t)通過相加器8疊加得到波形m(t)並輸出，然後由發送端天線9發射； 步驟六、接收端天線10將接收到的波形m(t)送入採樣器11進行離散採樣； 步驟七、p階分數傅立葉變換器12和2-p階分數傅立葉變換器13分別對步驟六得到的離散採樣值進行離散p階和2-p階分數傅立葉變換； 步驟八、波形m(t)的p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過一號濾波器14，提取信號中的c1(t)部分(Fpc1)(u)，波形m(t)的2-p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過二號濾波器16，提取信號中的c2(t)部分(Fpc2)(u)； 步驟九、p階分數傅立葉反變換器15對步驟八得到的濾波結果(Fpc1)(u)做-p階分數傅立葉變換，得到對c1(t)的估計
2-p階分數傅立葉反變換器17對步驟八得到的濾波結果(Fpc2)(u)做p-2階分數傅立葉變換，得到c2(t)的估計
步驟十、相加器18將步驟九得到的
和
疊加得到對m2(t)的估計
相減器19將採樣器11接收到的全部信號中減去
得到對m1(t)的估計
步驟十一、接收端切普信號產生器21根據接收端信號參數存儲器20中存儲的信號參數產生與步驟三產生的切普信號具有相同參數的切普信號，接收端信號產生器26根據接收端信號參數存儲器20中存儲的信號參數產生一個與步驟二的調製參數相同的波形信號； 步驟十二、根據步驟十一產生的切普信號，二號模板信號產生器23通過接收端時鐘22產生本地積分模板信號，該積分模板信號與
經過二號相關器24後，積分值送入二號判決器25，判決器25根據發送端採用的調製方式選取判決準則得到第一路解調的數字信息； 步驟十三、根據步驟十一產生的波形信號，一號模板信號生成器27通過接收端時鐘22產生第二路信號的本地積分模板，它與
經過一號相關器28後，積分值送入一號判決器29，得到另一路解調的數字信息，該路解調的數字信息同步驟十二中產生的解調信息一同經過並/串轉換器30後的輸出信息由信息輸出器31輸出。
本發明的方法實現較為簡單，通過在接收端增加離散分數傅立葉變換和反變換運算將兩路在時頻域上都佔用相同資源的信號分離，有效的實現資源復用；同時，本發明設計合理、工作可靠，具有較大的推廣價值。
圖1是本發明的方法在現有系統中實施的結構示意圖；圖2是具體實施方式
二的結構示意圖；圖3是時頻域資源復用說明；圖4是信號在分數域的譜形狀及濾波窗；圖5是重構信號與原信號的比較。
具體實施例方式具體實施方式
一、參見圖1，本實施方式由以下步驟實現 步驟一、信息源1輸出二進位數字信息，經串/並轉換器2轉換後變為並行兩路信息； 步驟二、由信號產生器4產生信息調製波形f1(t)，f1(t)是現有系統中採用的調製波形，用此波形對步驟一中轉換的第一路信息進行調製，由一號波形成形器5輸出經過調製信息的波形m1(t)； 步驟三、切普信號產生器6根據信號產生器4輸出的波形信息選取參數，產生實切普信號f2(t)； 步驟四、f2(t)通過二號波形成形器7對步驟一中轉換的第二路信息進行調製，輸出調製信息後的波形m2(t)； 步驟五、由步驟二和步驟四得到的兩路並行信號m1(t)和m2(t)通過相加器8疊加得到波形m(t)並輸出，然後由發送端天線9發射； 步驟六、接收端天線10將接收到的波形m(t)送入採樣器11進行離散採樣； 步驟七、p階分數傅立葉變換器12和2-p階分數傅立葉變換器13分別對步驟六得到的離散採樣值進行離散p階和2-p階分數傅立葉變換； 步驟八、波形m(t)的p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過一號濾波器14，提取信號中的c1(t)部分(Fpc1)(u)，波形m(t)的2-p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過二號濾波器16，提取信號中的c2(t)部分(Fpc2)(u)； 步驟九、p階分數傅立葉反變換器15對步驟八得到的濾波結果(Fpc1)(u)做-p階分數傅立葉變換，得到對c1(t)的估計
2-p階分數傅立葉反變換器17對步驟八得到的濾波結果(Fpc2)(u)做p-2階分數傅立葉變換，得到c2(t)的估計
步驟十、相加器18將步驟九得到的
和
疊加得到對m2(t)的估計
相減器19將採樣器11接收到的全部信號中減去
得到對m1(t)的估計
步驟十一、接收端切普信號產生器21根據接收端信號參數存儲器20中存儲的信號參數產生與步驟三產生的切普信號具有相同參數的切普信號，接收端信號產生器26根據接收端信號參數存儲器20中存儲的信號參數產生一個與步驟二的調製參數相同的波形信號； 步驟十二、根據步驟十一產生的切普信號，二號模板信號產生器23通過接收端時鐘22產生本地積分模板信號，該積分模板信號與
經過二號相關器24後，積分值送入二號判決器25，判決器25根據發送端採用的調製方式選取判決準則得到第一路解調的數字信息； 步驟十三、根據步驟十一產生的波形信號，一號模板信號生成器27通過接收端時鐘22產生第二路信號的本地積分模板，它與
經過一號相關器28後，積分值送入一號判決器29，得到另一路解調的數字信息，該路解調的數字信息同步驟十二中產生的解調信息一同經過並/串轉換器30後的輸出信息由信息輸出器31輸出。
利用切普信號的分數域能量聚集特性，可以將傳統的時頻域通信擴展到分數域上，將切普信號與傳統系統中的信號一起傳輸，並佔用相同的時頻域資源，並且它們可以分別在兩個分數域上分離，這樣就通過收端增加一次分數傅立葉變換，濾波和反變換，實現變換域傳輸信息，達到時頻域信道資源復用的目的，增大數據傳輸效率和系統容量。在硬體實現上切普信號可以由聲表面波器件產生，而離散分數傅立葉變換已經有快速算法可以實現，並且其運算量為Nlog(N)，即運算複雜度和快速傅立葉變換相同。
具體實施方式
二參見圖2～圖5，本實施方式表示具體應用的背景為脈衝體制超寬帶系統，在該系統中採用的調製方式為BPSK，多址方式為跳時(TH)碼分多址，基本波形為高斯1階導函數。
映射器把信息源1輸出的二進位數碼映射為1和-1，輸出數據流{dn}與輸入數據流{bn}的關係為 (n＝0，1，2，...) 然後由串並轉換器2將{dn}轉換為並行的兩路，分別傳輸給一號波形成形器5和二號波形成形器7。一號波形成形器5採用的基本脈衝波形為高斯1階導函數脈衝g(t)，設系統工作的中心頻率為f0，則一號波形成形器5輸出的信號可以表示為
二號波形成形器7採用的基本脈衝波形為切普信號c(t)。它的輸出信號可以表示為
其中，Tf為一幀持續時間，或稱為脈衝重複時間，因此
和
為時間間隔為Tf的脈衝串。為了避免因多址接入而產生的脈衝碰撞，跳時碼生成器為每個用戶產生一個特定的跳時序列{cj}，且有0≤cj≤Nh-1。Tc為每個時隙持續的時間，且Tf≥Nh·Tc。由於這兩路脈衝串是採用相同的跳時序列{cj}和跳時時隙時間Tc得到的，它們中每個脈衝在時間軸上出現位置是相同的，由此實現時域資源的復用。額外增加的一路信號也不會與其他用戶信號碰撞。z表示取z的整數部分；Ns為每一比特數據要發送的脈衝數。
dj/Ns(k)(k＝1，2)是第k路在第j幀傳送的調製信息，它對應該路數據的第(j/Ns)位。
為了在頻域上通過時域和頻域相同資源的復用來增大系統容量，因此在表達式
中，切普信號的選取應當滿足如下準則 1.二者在分數域上可分離； 2.二者佔用相同頻段； 3.二者持續時間相同； 其中第1點主要從系統性能角度出發，因為只有二者在分數域分離後仍保持原信號的大部分能量，才能保證接收端的正確解調，這種新型信息傳輸體制的提出才有意義。第2點、第3點保證二者在相同時間，佔用同一頻段，即保證這種信息傳輸方式相較於原來的系統不會佔用額外的資源。
要滿足後兩點要求，需要根據高斯1階導的時域寬度和頻譜寬度來選擇切普信號參數。將切普信號表達式重寫如下 c(t)＝2cos(2πf0tπkt2) 對上述信號截取時間寬度T為一段脈衝，根據切普信號性質，它的各個參數與信號特性之間的關係為信號中心頻率f0，帶寬B＝kT。則選取切普信號的參數方法為首先，選取T與高斯函數持續時間相當，選取f0為系統工作的中心頻率，選取k使得切普信號帶寬為原系統帶寬。這樣可以得到兩種佔用相同的時域和頻域資源的基本脈衝形式，實現了時頻域資源的復用。恰當的選取切普信號的參數後，二者時頻域形狀如圖3所示。
由公式
可見，需要使用Ns個UWB脈衝調製輸入的1bit數據，第k路的輸入數據經BPSK調製後產生數據dj/Ns」(k)，dj/Ns(k)分別與兩種基本發送脈衝相乘，兩路信號疊加後經發送端天線9輻射出去。在此不考慮多徑和信號衰減，假設噪聲為加性高斯白噪聲，記為n(t)，則接收天線10接收到的信號為 r(t)＝m1(t)+m2(t)+n(t) 其中m2(t)由兩部分共軛的切普信號組成，記為m2(t)＝c1(t)+c2(t)。在接收端，首先對收到的信號進行離散採樣，然後分別進行p階和2-p階離散分數傅立葉變換，得到它的p階和2-p階分數域表示。信號在分數域的譜形狀及濾波窗如圖4所示。已知在p階分數域上c1(t)的能量非常集中(由於做了截斷，所以它只是近似衝擊函數)。通過p階分數域上的矩形窗濾波器，將(Fpc1)(u)分離出來。再反變換得到對c1(t)的估計
同樣通過2-p階分數域的濾波和反變換可以得到對c2(t)的估計
二者通過相加器18相加可以得到對m2(t)的估計
切普信號重構的結果如圖5所示，可以看到只是信號幅度上有所失真，但是其振蕩極性基本不變。並且在只考慮白噪聲，採用相關接收機的情形下，噪聲一定時，信號能量決定信噪比，而信噪比決定系統性能。所以在下面的分析中將以信號能量的損失程度為標準衡量系統性能。經計算，在兩路信號能量相同的情況下，濾波窗內切普信號的能量為切普信號總能量的90.17％，濾波窗內高斯函數的能量僅為高斯函數總能量的8.74％，即本方法能夠有效的從疊加信號中將切普信號分離出來，並從接收信號中減去分離出的切普信號即得到對高斯信號m1(t)的估計
然後將它們分別與本地模板信號進行相關，接收端切普信號產生器21的參數由高斯函數參數決定，其選取方法和原則也和發送端相同，這樣就得到了與發送端相同的兩種基本發射脈衝波形。跳時碼產生器產生和發送端一樣的跳時碼。一號相關器28和二號相關器24輸出接收信號與模板信號的相關值用於信息的判決，由於採用的是BPSK調製，因此一號判決器29和二號判決器25均採用過零比較器。
上述是將一個用戶的信號分為並行兩路的情形，完全類似的，可以將兩個用戶的信號按相同的原則疊加在一起傳輸，通過在分數域上濾波分離出不同用戶的信號。
權利要求
1.一種信道資源復用的傳輸方式及其接收方法，其特徵在於它由以下步驟實現
步驟一、信息源(1)輸出二進位數字信息，經串/並轉換器(2)轉換後變為並行兩路信息；
步驟二、由信號產生器(4)產生信息調製波形f1(t)，用此波形對步驟一中轉換的第一路信息進行調製，由一號波形成形器(5)輸出經過調製信息的波形m1(t)；
步驟三、切普信號產生器(6)根據信號產生器(4)輸出的波形信息選取參數，產生實切普信號f2(t)；
步驟四、f2(t)通過二號波形成形器(7)對步驟一中轉換的第二路信息進行調製，輸出調製信息後的波形m2(t)；
步驟五、由步驟二和步驟四得到的兩路並行信號m1(t)和m2(t)通過相加器(8)疊加得到波形m(t)並輸出，然後由發送端天線(9)發射；
步驟六、接收端天線(10)將接收到的波形m(t)送入採樣器(11)進行離散採樣；
步驟七、p階分數傅立葉變換器(12)和2-p階分數傅立葉變換器(13)分別對步驟六得到的離散採樣值進行離散p階和2-p階分數傅立葉變換；
步驟八、波形m(t)的p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過一號濾波器(14)，提取信號中的c1(t)部分(Fpc1)(u)，波形m(t)的2-p階分數傅立葉變換(Fpm)(u)經過二號濾波器(16)，提取信號中的c2(t)部分(Fpc2)(u)；
步驟九、p階分數傅立葉反變換器(15)對步驟八得到的濾波結果(Fpc1)(u)做-p階分數傅立葉變換，得到對c1(t)的估計
，2-p階分數傅立葉反變換器(17)對步驟八得到的濾波結果(Fpc2)(u)做p-2階分數傅立葉變換，得到c2(t)的估計
步驟十、相加器(18)將步驟九得到的
和
疊加得到對m2(t)的估計
相減器(19)將採樣器(11)接收到的全部信號中減去
得到對m1(t)的估計
步驟十一、接收端切普信號產生器(21)根據接收端信號參數存儲器(20)中存儲的信號參數產生與步驟三產生的切普信號具有相同參數的切普信號，接收端信號產生器(26)根據接收端信號參數存儲器(20)中存儲的信號參數產生一個與步驟二的調製參數相同的波形信號；
步驟十二、根據步驟十一產生的切普信號，二號模板信號產生器(23)通過接收端時鐘(22)產生本地積分模板信號，該積分模板信號與
經過二號相關器(24)後，積分值送入二號判決器(25)，判決器(25)根據發送端採用的調製方式選取判決準則得到第一路解調的數字信息；
步驟十三、根據步驟十一產生的波形信號，一號模板信號生成器(27)通過接收端時鐘(22)產生第二路信號的本地積分模板，它與
經過一號相關器(28)後，積分值送入一號判決器(29)，得到另一路解調的數字信息，該路解調的數字信息同步驟十二中產生的解調信息一同經過並/串轉換器(30)後的輸出信息由信息輸出器(31)輸出。
2.根據權利要求1所述的一種新型信道資源復用的傳輸方式及其接收方法，其特徵在於調製方式為BPSK，基本調製波形為高斯1階導函數。
3.根據權利要求1所述的一種新型信道資源復用的傳輸方式及其接收方法，其特徵在於選取的切普信號與另一路信號之間的關係滿足以下條件
a、二者在分數域上可分離；
b、二者佔用相同頻段；
c、二者持續時間相同。
全文摘要
一種信道資源復用的傳輸方式及其接收方法，本發明是一種無線通信中資源復用技術，具體公開一種信息傳輸方式及其接收算法。本發明解決了目前頻譜資源日益緊張，不同系統之間幹擾增大的問題。本發明的步驟是將信息數碼轉換為並行兩路傳輸，這兩路信息採用不同的波形進行調製，其中一路為現有系統採用的波形，一路為切普信號；併合適選取切普信號的參數使其和現有系統採用的波形佔用相同的時域和頻域資源；在接收端，首先通過分數傅立葉變換在分數域上實現二者的分離，然後在將分離後的兩路分數域信號分別通過反變換得到兩路時域信號，再分別與相應的本地模板信號進行相關，解調出兩路信息，再經過並/串轉換得到原信息。
文檔編號H04J9/00GK101217333SQ20071014499
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月30日 優先權日2007年12月30日
發明者沙學軍, 寧曉燕, 吳宣利, 張乃通 申請人:哈爾濱工業大學