专利名称：一种多模式移动通信终端及其信号处理方法
技术领域：
本发明基于信号时频分析方法、模糊神经网络技术、软件无线电技术设计了一个多功能终端。运用同一套硬件，通过调用不同的软件模块，该终端可以分别作为蓝牙、Zigbee、IEEE802.11b等系统的终端使用，具有多网通信的特点，属于无线通信领域。
背景技术：
多种短距离无线互联标准共存的现状，给采用不同无线互联技术的设备的互联互通造成了障碍。采用传统的基于硬件的网关，要实现不同的系统和标准之间的通信或者升级都非常困难。基于上述原因，本发明提出了基于软件无线电的多功能终端，采用固定不变的硬件平台，通过软件的改变来实现其灵活性的无线电系统。
软件无线电指能够利用软件进行编程来重新配置物理硬件的可完全配置的无线电系统。换句话说，通过对硬件进行特定组合来适应即将出现的应用。无线电系统硬件也可以被调整，从而能够在不同的环境下完成不同的功能。随着蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b等短距离网络的并行发展，不同网络设备之间的互通成为亟待解决的问题。本发明基于对工作频率在2.4GHz的网络特点的分析，实现了一个终端可以接入多个不同的网络。表1给出了蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b的参数特点。从表中可以看出，这三种网络技术的工作频段都在2.4GHz，因此从射频到中频的转换以及从中频到射频的转换有可能用同一套硬件来实现。
表1
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种多模式移动通信终端及其信号处理方法，该装置及其方法用同一套硬件、通过调用不同的软件模块来实现一个能和蓝牙网络、Zigbee网络、IEEE 802.11b网络和其他工作频率在2.4GHz的网络(如无绳电话网络等)进行通信的多功能终端及其智能信号处理方法。
技术方案本发明的多模式移动通信终端由发射机和接收机两部分组成，发射机由可重配置终端、通信模块、D/A转换器、通信方式选择器、上变频器、宽带放大器、智能天线所组成，通信方式选择器的输出端接可重配置终端的输入端，可重配置终端的输出端接D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端接上变频器的输入端，上变频器的输出端接宽带放大器的输入端，宽带放大器的输出端接智能天线的输入端；接收机由智能天线、射频滤波器和放大器、下变频器、A/D转换器、通信方式模式识别与模式转换器、可重配置终端所组成，智能天线的输出端接射频滤波器和放大器的输入端，射频滤波器和放大器的输出端接下变频器的输入端，下变频器的输出端接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端接通信方式模式识别与模式转换器和可重配置终端的输入端，通信方式模式识别与模式转换器的输出端接可重配置终端的输入端；其中，可重配置终端和智能天线由发射机和接收机共用。通信方式模式识别与模式转换器由维格纳时频分析模块、模糊神经网络控制器和模式转换模块顺序串联组成，可重配置终端由一组通信模块组成。这组通信模块由蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b各自的调制、扩频和解扩、解调等模块组成。通信方式选择器有一组按键组成。当该终端作为发起者进行通信时，首先由通信方式选择器选择要通信的网络，然后调用相应的模块实现能与该网络进行通信的发射终端。当该终端作为接收终端时，首先运用下面的信号处理的方法判断出信号是来自哪个网络，然后发出控制信号调用相应的模块，实现能与该网络进行通信的接收终端。
信号处理的方法是将智能天线接收的信号经射频滤波器和放大器处理后，然后送下变频器变成中频信号，再经A/D转换器后，获得中频数字信号送通信方式模式识别与模式转换器，在此中频信号首先输入到维格纳时频分析模块提取出标志不同网络信号的三个特征量瞬时频率的标准方差、信号持续时间内相位组成特点、瞬时带宽的标准方差，然后这三个特征量送入模糊神经网络控制器后，输出一个模糊值，根据模糊判别规则，模糊值的大小反映了接收的信号是来自那个网络，从而模式转换模块发出控制信号送入可重配置终端调用相应的通信模块。此后，接收的数据信号经过此可重配置终端实现信号的解扩、解调等功能，最后还原出信息数据。
有益效果本终端结合蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b这三种网络的特点，首先它们都工作在2.4GHz同一频段上，可以用同一下变频电路和上变频电路来实现信号频率的改变，这就节省了硬件资源；其次它们都采用扩频的通信方式，可以根据各自的伪随机序列信号的不同特征，通过对接收的信号进行时频特征提取，然后输入到模糊神经网络控制器里，易于判断出接收到的信号是来自哪个网络，从而调用相应的通信模块进行处理；另外，本终端可以接入三种网络，既节省了资源，又具有通用性、方便性的特点。此外，这种方法还可用于其他工作频率在2.4GHz的网络。
图1是本发明的功能结构框图。实现了一个终端可以接入蓝牙、Zigbee、IEEE802.11b、无绳电话和其他工作频率在2.4GHz的网络。
图2是本发明的结构组成图。该部分由发射和接收两部分组成，发射部分由可重配置终端1、通信模块2、D/A转换器3、通信方式选择器4、上变频电路5、宽带放大器6、智能发射天线组成15；接收部分由智能接收天线15、射频滤波器和放大器8、下变频器9、A/D转换器10、通信方式模式识别与模式转换器14、可重配置终端1组成。其中，可重配置终端1和智能天线15由发射部分和接收部分共用。通信方式模式识别与模式转换器14由维格纳时频分析模块11、模糊神经网络控制器12和模式转换模块13组成。
图3是模糊神经网络控制器结构图。实现了通信方式模糊识别过程。
图4是可重配置终端的软件结构图。说明了终端的软件层次结构。
具体实施例方式
以下结合实施例和附图，对本发明作进一步说明。
接收过程如下智能天线接收的信号经过射频滤波放大后，再经过下变频电路变成中频信号。中频信号经过A/D转换后，利用维格纳分布时频分析方法求出采样信号的时域特征量和频域特征量。根据三种网络扩频用的伪随机序列码的不同的时频特征量来训练模糊神经网络，经过训练学习后，已经训练好的模糊神经网络控制器就可以根据接收信号的时频特征来判断接收的信号是从哪个网络(蓝牙网络，Zigbee网络，还是IEEE 802.11b网络)发出的，并输出控制信号，控制可重配置终端调用相应的软件模块来实现底层协议、解扩、解调等功能，最后输出信息数据。
发射过程如下首先通过通信方式选择器选择要通信的网络，然后可重配置终端调用相应的通信模块来对信息数据进行扩频、调制等一系列的处理，经过D/A变换后成为中频模拟信号，再经过上变频器、宽带放大器后变成易发射的射频信号，通过智能天线发射出去。
多模式移动通信终端由发射机和接收机两部分组成，发射机由可重配置终端1、通信模块2、D/A转换器3、通信方式选择器4、上变频器5、宽带放大器6、智能天线15所组成，通信方式选择器4的输出端接可重配置终端1的输入端，可重配置终端1的输出端接D/A转换器3的输入端，D/A转换器3的输出端接上变频器5的输入端，上变频器5的输出端接宽带放大器6的输入端，宽带放大器6的输出端接智能天线15的输入端；接收机由智能天线15、射频滤波器和放大器8、下变频器9、A/D转换器10、通信方式模式识别与模式转换器14、可重配置终端1所组成，智能天线15的输出端接射频滤波器和放大器8的输入端，射频滤波器和放大器8的输出端接下变频器9的输入端，下变频器9的输出端接A/D转换器10的输入端，A/D转换器10的输出端接通信方式模式识别与模式转换器14和可重配置终端1的输入端，通信方式模式识别与模式转换器14的输出端接可重配置终端1的输入端；其中，可重配置终端1和智能天线15由发射机和接收机共用。通信方式模式识别与模式转换器14由维格纳时频分析模块11、模糊神经网络控制器12和模式转换模块13顺序串联组成，可重配置终端1由一组通信模块2组成。这组通信模块由蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b各自的调制和扩频、解扩和解调等模块组成。通信方式选择器有一组按键组成。当该终端作为发起者进行通信时，首先由通信方式选择器选择要通信的网络，然后调用相应的模块实现能与该网络进行通信的发射终端。例如该终端欲与蓝牙网络中的某个设备进行通信，它首先通过通信方式选择器中的某个按键发出控制信号，命令可重配置终端调用与蓝牙有关的模块进行一系列的处理操作，如对信号进行扩频、调制、加密等。当该终端作为接收终端时，首先运行下面的信号处理的方法判断出信号是来自哪个网络，然后发出控制信号调用相应的模块，实现能与该网络进行通信的接收终端。
接收信号过程如附图2所示，首先天线接收的射频信号经过射频滤波器、放大器后，经过下变频器变成中频信号，由于蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b网络都工作在同一频段(2.4GHz ISM波段)，所以这三种网络都用同一个下变频电路，这样节省了硬件资源。中频模拟信号再经过A/D转换后变成数字信号。接下来根据采样信号的时频特征量来判断信号是从哪个网络发出的，也就是如何对信号进行处理。这是本发明的核心部分。下面详细说明一下这个过程。
首先运用时频分析方法对对采样信号进行特征提取。时频分析方法是从时域和频域两个方面对信号进行简洁的可视化的分析方法。基于这个原因，时频分析方法具有较高的信号识别能力。在本发明中，采用维格纳分布分析方法，它具有较好的实时特点。维格纳分布可以用表达式(1)表示。
W(t,ω)=12π∫-∞+∞y*(t-12τ)y(t+12τ)e-jτωdτ---(1)]]>其中，y(t)是采样信号，它是带限信号并且包含了信号的模式特征(蓝牙、Zigbee或者IEEE 802.11b)。
通过维格纳变换，在时域窗T内对信号进行时频分析，可以得到信号的三个特征量瞬时频率的标准方差，信号持续时间内相位组成特征量，瞬时带宽的标准方差。
为了从给定的时频分布中得到第一个特征量，首先计算一下信号的瞬时频率，如表达式(2)所示。
<ω>t=1y(t)∫ωW(t,ω)dω---(2)]]>其中，y(t)是接收信号的时域分布，W(t，ω)是接收信号的维格纳时频分布。<ω>t是在特定时间段[t，t+Δt]内的平均频率，当Δt→0时，<ω>t可被认为在t时刻的瞬时频率。假设信号是一般的带通信号，可用(3)式表示。
s(t)＝A(t)ej(t)(3)其中，A(t)是信号的幅度，(t)是信号的相位。瞬时频率ωi如(4)式表示。
ωi＝<ω>t(4)则第一个特征量——瞬时频率的标准方差可用表达式(5)得出。
std(ωi)=(1TΣt=1T(ωi-ω‾i)2)12(5)]]>其中， 是在时域窗T内的频率平均值，可用表达式(6)表示。
ω‾i=1TΣt=1Tωi---(6)]]>实验证明，采用DSSS扩频方式的IEEE 802.11b网络和Zigbee网络，它们的瞬时频率std(ωi)的值比较平缓，但它们各自std(ωi)的值却不同，总体来说，IEEE 802.11b的std(ωi)值较大，Zigbee的std(ωi)的值较小。而采用FHSS方式的蓝牙网络，它的瞬时频率std(ωi)的值起伏却很大。
第二个特征量——信号持续时间内相位组成特征量是基于以下考虑得到的。在时域观察窗T内，采用直接序列扩频方式的相位组成在持续时间内是连续的，而采用跳频扩频方式的相位组成却是不连续的，这是由于跳频方式采用不同的跳频频率。因此，在信号的持续时间内，可根据经验值来区分不同的信号。
第三个特征量——信号的瞬时带宽的标准方差可从维格纳变换得到。从表达式(7)可以得到信号带宽的均方值。
B2=1y(t)∫-∞+∞(ω-<ω>t)2W(t,ω)dω---(7)]]>从上式可以得到，对B2开平方即得信号的瞬时带宽，进一步即可求得瞬时带宽的标准方差。对于蓝牙网络、Zigbee网络和IEEE 802.11b网络，它们各自信号瞬时带宽的标准方差是各不相同的。
用于蓝牙、Zigbee和IEEE 802.11b这三种网络的伪随机序列码的时频特征量各不相同，各种序列信号提取出上述三个特征量也各不相同，所以可以根据这个特点来区分这三种网络的信号。已知这三种网络所用的伪随机序列样本的特征量，用这些样本特征量对模糊控制器网络进行训练，当网络用这些样本训练达到目标时，就可以用该网络对信号进行判决了。通过维格纳时频分析方法提取出接收信号的特征量，把它们输入到模糊神经网络控制器里，各自就对应着不同的输出范围。在本发明中，模糊控制器采用的是模糊自适应回波理论(Fuzzy ART)神经网络算法，具有快速的判断能力、较强的网络鲁棒性和较高的准确性等特点，其结构如附图4所示。蓝牙网络采用的是FH-CDMA扩频方式，如果把它的标准伪随机序列码的特征量输入到模糊控制器里，则对应的输出值的范围为
。Zigbee网络采用的是DS-CDMA的扩频方式，把它的标准伪随机序列样本的特征量输入到模糊控制器里，对应的输出值的范围为(0.3，0.6)。IEEE 802.11b网络采用的是DS-CDMA的扩频方式，同样地，如果把它的标准伪随机序列样本的特征量输入到模糊控制器里，其对应的输出范围为
。如附图3所示，可以通过调节模糊神经网络控制器的阈值参数ρ的大小来调节三个模糊输出范围值和控制器精度。首先从三个不同的网络的中得到100个已知的伪随机序列特征量及其对应的输出值作为样本来训练神经网络，经过模糊控制规则，不断地改变网络的权值，直到控制器进入到稳定状态并且网络误差达到规定的值，停止训练网络，并且保留此时控制器里各个神经元的参数(包括权值和阈值)，这就完成了网络控制器的训练过程(或学习过程)。利用训练好的网络，就可以对输入信号序列进行判别输出了。例如，如果输入信号序列的特征量是
，经过模糊控制器后，如果输出值是0.2，根据上述模糊判别规则，就可以判断此序列信号是由蓝牙设备发出的。
经过上述步骤就完成了通信方式的识别过程。同时模糊控制器向可重配置终端发出控制信号，调用相应的通信模块来实现信号的解扩、解调及运行底层协议等功能，从而得到了信息数据，完成了接收过程。可重配置终端的软件结构如附图4所示，硬件由DSP+FPGA共同完成，其中DSP主要完成控制功能，FPGA主要完成信号的处理、底层协议等功能。
发射信号过程如附图2所示，首先由用户选择所要通信的网络，然后通过通信方式选择器电路发出控制信号给可重配置终端来调用相应的软件模块，以实现信息数据的扩频、调制以及底层协议等功能，然后通过D/A转换变成模拟信号。再经过上变频电路变成高频信号，然后经宽带放大器后变成易发射的高频信号，最后经过智能天线发射出去，完成了信号的发射过程。
权利要求
1.一种多模式移动通信终端，其特征在于该终端由发射机和接收机两部分组成，发射机由可重配置终端(1)、通信模块(2)、D/A转换器(3)、通信方式选择器(4)、上变频器(5)、宽带放大器(6)、智能天线(15)所组成，通信方式选择器(4)的输出端接可重配置终端(1)的输入端，可重配置终端(1)的输出端接D/A转换器(3)的输入端，D/A转换器(3)的输出端接上变频器(5)的输入端，上变频器(5)的输出端接宽带放大器(6)的输入端，宽带放大器(6)的输出端接智能天线(15)的输入端；接收机由智能天线(15)、射频滤波器和放大器(8)、下变频器(9)、A/D转换器(10)、通信方式模式识别与模式转换器(14)、可重配置终端(1)所组成，智能天线(15)的输出端接射频滤波器和放大器(8)的输入端，射频滤波器和放大器(8)的输出端接下变频器(9)的输入端，下变频器(9)的输出端接A/D转换器(10)的输入端，A/D转换器(10)的输出端接通信方式模式识别与模式转换器(14)和可重配置终端(1)的输入端，通信方式模式识别与模式转换器(14)的输出端接可重配置终端(1)的输入端；其中，可重配置终端(1)和智能天线(15)由发射机和接收机共用。
2.根据权利1所述的多模式移动通信终端，其特征在于通信方式模式识别与模式转换器(14)由维格纳时频分析模块(11)、模糊神经网络控制器(12)和模式转换模块(13)顺序串联组成，可重配置终端(1)由一组通信模块(2)组成。
3.一种用于权利要求1所述的多模式移动通信终端的信号处理方法，其特征在于信号处理的方法是将智能天线(15)接收的信号经射频滤波器和放大器(8)放大后，再送下变频器(9)变频，然后送A/D转换器(10)处理，获得中频数字信号送通信方式模式识别与模式转换器(14)，在此中频信号首先输入到维格纳时频分析模块(11)提取出标志不同网络信号的三个特征量瞬时频率的标准方差、信号持续时间内相位组成特征量、瞬时带宽的标准方差，然后这三个特征量送入模糊神经网络控制器(12)后，输出一个模糊值，根据模糊判别准则，模糊值的大小反映了接收的信号是来自那个网络，从而模式转换模块(13)发出控制信号送入可重配置终端(1)调用相应的通信模块，此后，接收的数据信号经过此可重配置终端(1)实现解扩、解调等功能，还原出信息数据。
全文摘要
一种多模式移动通信终端及其信号处理方法是基于信号时频分析方法、模糊神经网络技术、软件无线电技术设计了一个多功能终端。该终端由发射机和接收机两部分组成，发射机由可重配置终端(1)、通信模块(2)、D/A转换器(3)、通信方式选择器(4)、上变频器(5)、宽带放大器(6)、智能天线(15)所组成，接收机由智能天线(15)、射频滤波器和放大器(8)、下变频器(9)、A/D转换器(10)、通信方式模式识别与模式转换器(14)、可重配置终端(1)所组成。运用同一套硬件，通过调用不同的软件模块，该终端可以分别作为蓝牙、Zigbee、IEEE802.11b等系统的终端使用，具有多网通信的特点。
文档编号H04B1/40GK1731693SQ200510094199
公开日2006年2月8日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者叶芝慧, 朱晓荣, 宋铁成, 沈连丰, 夏玮玮 申请人:东南大学