专利名称：基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统、装置及方法
技术领域：
本发明涉及宽带无线通信技术领域，尤其涉及一种基于分形调制的多用户UWB(Ultra Wideband，超宽带)无线通信系统、装置及方法。
背景技术：
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日渐成为制约整个无线通信发展的瓶颈。UWB具有能在家庭、办公场所等短距离范围内提供高速数据传输而无需占用额外频谱资源的一系列优点，从而为组建WPAN(Wireless Personal Access Network，无线个域网)以及满足无线通信对更大带宽的强烈需求提供了理想途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统、装置及方法，以解决分形调制的多用户接入问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统，包括发射机及接收机， 所述发射机进一步包括 多址接入单元，将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流； 频带划分单元，将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输； 分形调制单元，将所述不同频带上的数据序列嵌入到具有分形结构的齐次波中，即以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，对所述不同频带上的单路数据流进行分形调制； 调制波发送单元，对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
所述接收机进一步包括 调制波接收单元，对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波； 同步校正处理单元，将匹配滤波后数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理； 分形解调单元，通过离散小波变换对所述同步校正处理单元输出的信号进行分形解调； 多址分离单元，使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
本发明的技术方案还提出一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信发射机，该发射机包括 多址接入单元，将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流； 频带划分单元，将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输； 分形调制单元，以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，对所述不同频带上的单路数据流进行分形调制； 调制波发送单元，对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
上述基于分形调制的多用户超宽带无线通信发射机，还包括 加扰单元，对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理； 编码单元，对加扰后的数据进行信道编码； 交织单元，对编码后的数据进行交织处理； 基带调制单元，对交织后的数据流进行基带调制； 扩频单元，针对每个用户使用相互正交的扩频码对所述基带调制后的数据流进行直接序列扩频，得到的扩频数据流输出至所述多址接入单元。
本发明的技术方案对应提出一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收机，该接收机包括 调制波接收单元，对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波； 同步校正处理单元，将匹配滤波后数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理； 分形解调单元，通过离散小波变换对所述同步校正处理单元输出的信号进行分形解调； 多址分离单元，使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
上述基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收机，还包括 解扩单元、解调单元、解交织单元、解码单元及解扰单元，依次对所述多址分离单元输出的每路数据流进行解扩、解调、解交织、解码及解扰处理，进行信息数据的恢复。
本发明的技术方案继续提出一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信发送方法，该发送方法包括以下步骤 将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流； 通过滤波器组将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输； 以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，对所述不同频带上的单路数据流进行分形调制； 对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
上述基于分形调制的多用户超宽带无线通信发送方法中，所述将N路扩频数据流复接成单路数据流之前还包括 对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理； 对加扰后的数据进行信道编码； 对编码后的数据进行交织处理； 对交织后的数据流进行基带调制； 针对每个用户使用相互正交的扩频码对基带调制后的数据流进行直接序列扩频。
本发明的技术方案另外提出一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收方法，该接收方法包括以下步骤 对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波； 对匹配滤波后的数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理； 通过离散小波变换对所述帧同步理后的信号进行分形解调； 使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
上述基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收方法中，所述对每路数据流分别进行恢复处理进一步包括 依次对解复接得到的每路数据流进行解扩、解调、解交织、解码及解扰处理，恢复原始的信息数据。
本发明的技术方案将DS-CDMA(Direct Sequence-Code DivisionMultiple Access，直接序列码分多址)和基于分形调制的超宽带无线通信系统相结合，增加了系统的扩频增益，减少了用户间的多址干扰；采用分形调制技术，数据可以在不同频带上传输，当信道状况变化时，可以基于当前信道状况选择最优的时频分辨率进行高效接收；采用分形调制系统可提供多速率数据传输，用户可根据需要动态地选择合适的带宽。
图1为本发明多用户超宽带无线通信系统发射机的实施例框图； 图2为本发明多用户超宽带无线通信系统发送方法的实施例流程图； 图3为图2实施例中小波变换实现的信号频带划分示意图； 图4为图2实施例中用于计算IDWT(Inverse Discrete WaveletTransform，IDWT)的二信道综合滤波器组； 图5为图2实施例中分形调制发射信号的时频图； 图6为本发明多用户超宽带无线通信系统接收机的实施例框图； 图7本发明多用户超宽带无线通信系统接收方法的实施例流程图； 图8为图7实施例中用于计算DWT的二信道分析滤波器组。
具体实施例方式 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提出的基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统，主要由发射机和接收机两大部分组成。
图1为本发明基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统发射机实施例框图，如图所示，本实施例的发射机包括加扰单元11，对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理；编码单元12，对加扰后的数据进行信道编码；交织单元13，对编码后的数据进行交织处理；基带调制单元14，对交织后的数据流进行基带调制；扩频单元15，针对每个用户使用相互正交的扩频码对基带调制后的数据流进行直接序列扩频，得到的扩频数据流输出至多址接入单元16；多址接入单元16，将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流；频带划分单元17，通过滤波器组将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流可以在不同的频带上传输；分形调制单元18，对上述不同频带上的数据序列嵌入到具有分形结构的齐次波中，即以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，进行分形调制；调制波发送单元19，对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
图2为本发明基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统发送方法实施例流程图，结合上述的发射机实施例，该方法包括如下步骤 S201、对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理； 发射机首先对输入的二进制数字信息作“随机化”处理，变为伪随机序列，即对信息数据进行加扰处理。扰码是以线性反馈移位寄存器理论为基础，输出序列可以表示为 其中，S(t)∈(-1，1)表示输入数据序列；Ci表示线性反馈移位寄存器的特征多项式的系数；Di表示将序列延时i位。
S202、对加扰后的数据进行信道编码； 对加扰后信息数据序列G(t)进行信道编码。信道编码根据实际系统具体要求可选用1/4、1/2、3/4、4/5、5/8等不同码率的卷积码、RS码、Turbo、级联码或LDPC码等。这里，若采用4/5码率的LDPC码，则编码后信息数据G′(t)速率为 即125Mbps。
S203、对编码后的数据进行交织处理； 存在衰落信道特别是当多径严重时需要通过交织进行抗衰落处理，主要是抗突发错误，即当信道由于多径分量的相消干涉而出现瞬时大衰落时，其错误概率会比相长干涉时大很多，这时如果不用专门用于纠正突发错误的RS码，则需通过采用交织“打散”错误的突发结构来实现。这里，将已编码序列G′(t)按列填充到一个M行N列(M×N)矩阵中，码元按行输出。本实施例中，取M＝40，N＝80。
S204、对交织后的数据流进行基带调制； 对交织后的数据G＂(t)进行基带调制，这里采用QPSK调制 S205、针对每个用户使用相互正交的扩频码对基带调制后的数据流进行直接序列扩频，得到扩频数据流； 对基带调制后的数据D(t)进行扩频，本实施例中采用直接序列扩频(DS)。为了区分不同的用户，每个用户使用不同的扩频码；为了减少用户间干扰，使用相互正交的扩频码。假设Ci(t)∈(-1，1)为双极性波形。对用户1用C1(t)对D1(t)进行扩频后得到直扩信号 B1(t)＝D1(t)C1(t) S206、将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流； 每个用户的数据流直接序列扩频后，进行多址处理。由于不同用户采用了相互正交的扩频码，实现基于码分多址(CDMA)的多址接入。即将多个用户扩频后的数据流进行复接，N个用户(N路)数据流复接成一路数据流，复接后的数据流可以表示为 S207、通过滤波器组将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流可以在不同的频带上传输； 图3为小波变换实现的信号频带划分示意图。小波变换被视为带通滤波器，对信号进行小波变换的实质是把信号由滤波器组分成不同频带的信号，再进行倍频程放大。本实施例中，将FCC(FederalCommunications Commission，美国联邦通信委员会)开放的整个7.5GHz的频带分成多个528MHz的子频带，再通过小波变换将528MHz的子频带分成M(此处M＝8)个带宽不等的子子带，从高频端到低频端依次分别为W/2、W/2、W/4、W/8、W/16、W/32、W/64、W/128带宽，其中，W＝528MHz。这样可将3G中无线资源管理的思想引入UWB-QFM(UWB-Quadrature Fractal Modulation，超宽带正交分形调制)系统，系统可根据用户数据速率要求，动态灵活地分配频带资源。根据用户数据速率不同选用适当带宽子带，并在这些子带上发送数据，其余子带可供随机动态接入的其它用户申请使用，可更有效地利用频谱资源。
S208、将多址复接后的数据进行串并转换； 转换为K(K≤M，此处K＝4)路数据，映射到K路带宽不等的子频带上。
S209、对上述不同频带上的数据序列嵌入到具有分形结构的齐次波中，即以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，进行分形调制； 分形调制是一种以小波变换为基础的调制技术。分形调制的实质是将发射的码元序列嵌入(调制)到具有分形结构的齐次波中，而将码元序列嵌入到齐次波中的有效方法是直接使用发射的码元作为齐次波的生成序列，即齐次信号构造的关键是生成序列的计算。
齐次信号是满足确定性尺度不变性质的自相似信号 s(t)＝a-Hs(at) a>0 齐次信号非常适合做调制波，因为 1)由于固有的自相似性，所以使用任意小的接收信号都足以恢复整个波形，即恢复嵌入在调制波内的信息； 2)齐次信号具有近似于1/f类随机过程的分形特征； 3)齐次信号适合用作低截听概率(LPI)通信中的调制波，适用于UWB系统； 4)齐次信号还具有有效的小波表达式。
如果用正交小波基对齐次信号作展开，则 式中，
是小波系数， 其中，ψm，n(t)是二进小波， ψm，n(t)＝2m/2ψ(2mt-n)dt(3) 则(1)式和(2)式可以分别表示为 则(4)式为逆离散小波变换(IDWT)，(5)式为齐次信号s(t)的离散小波变换(DWT)。
本实施例中采用Mallat提出的一种有效、实用的离散时间算法-快速小波变换(IFWT)来计算IDWT。图4是用于计算IDWT的二信道综合滤波器组。用公式(6)重构尺度系数
其中，h[n]和g[n]分别是二信道综合滤波器组中的低通滤波器和高通滤波器的脉冲响应。低通滤波器组的脉冲响应满足以下正交条件 而高通滤波器的脉冲响应可以通过(8)式得到 g(n)＝(-1)nh(N-n)(8) 这里，(N+1)是滤波器长度。将滤波器组的这些离散时间算法用于分形调制中。
这样，发射的分形调制信号可以表示为 其中，x[n]是调制到不同尺度小波上的发射数据。β＝22H+1，H在分形调制中控制频带间功率分布。当生成序列x[n]具有有限功率时，对应的齐次信号(调制信号)具有时间平均的功率谱 在存在加性噪声的情况下参数H的选择至关重要。取H＝1/2时，β＝1，对应为x[n]在每个倍频程都有相同的幅度因子。
S210、对分形调制后的离散信号经过脉冲成形和上变频后进行发送。
图5是分形调制发射信号的时频图。信号的时频局域性可以通过时频平面内具有一定时间宽度和频域宽度的信息单元表示，该信息单元面积满足Heisenberg不等式。通过时频图可以对信号进行时频分析。
公式(6)中s(t)的小波系数和发射的数据x[n]对应，用x[n]代替公式(6)中
可以得到尺度m+1时的s(t)。例如，在第一个尺度(m)被调制的数据可以表示为 在第二个尺度(m+1)调制两倍的数据量 而
，也就是尺度(m+1)时的s(t)的近似值，可以通过公式(6)得到。最后再将以上处理后的数据信息发射出去。
图6为本发明多用户超宽带无线通信系统接收机的实施例框图，如图所示，本实施例的接收机包括调制波接收单元61，对接收的由发射机发送的分形调制信号先进行下变频和匹配滤波；之后由同步及频偏校正单元62，进行同步捕获、频偏估计及校正、动态相位补偿处理；分形解调单元63，通过离散小波变换对接收的同步校正处理后的信号进行分形解调；多址分离单元64，使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；解扩单元65、解调单元66、解交织单元67、解码单元68及解扰单元69，依次对多址分离单元64输出的每路数据流进行解扩、基带解调、解交织、解码及解扰处理，进行信息数据的恢复。
图7为本发明基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统接收方法实施例流程图，结合上述的接收机实施例，该方法包括如下步骤 S701、在接收机启动后，进行同步捕获、频偏估计及校正、动态相位补偿处理； 接收端首先检测信号帧的起始位置，然后进行同步捕获、频偏估计和校正、动态相位补偿等处理；同步等完成后，才进行分形调制波的接收。
S702、对发射机发送的分形调制信号进行接收； 为了有效地接收分形调制信号，使用在小波系数域进行处理的最大似然接收器。接收器的第一级利用离散DWT抽取接收波s(t)的小波系数
(公式11)，进而恢复发射信号s(t)。
其中，zm，n是加性噪声过程z(t)的小波系数。
S703、通过离散小波变换对接收的分形调制信号进行分形解调； 在接收端通过离散小波变换(DWT)进行分形解调，判决后恢复原始发送数据。同样采用Mallat快速算法-快速小波变换(FWT)来计算DWT。图8是用于计算DWT的二信道分析滤波器组。当尺度参数为m时的尺度系数和小波系数可以用尺度m+1时的尺度系数计算 公式(12)(13)表示用FWT计算DWT的快速算法。
分形解调后数据信息为s′(t)，之后还需要将DWT的并行数据转换成串行数据。
S704、使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流； 将发射机复接成一路的N个用户的数据分别解析成独立的N路信息，具体使用每个用户不同的正交码进行解复接，即将每个用户的用户数据信息解出来。例如对用户1，使用正交码C1(t)解复接后的数据为D1′(t)。
S705、依次对解复接得到的每路数据流进行解扩、基带解调、解交织、解码及解扰处理，恢复原始的信息数据。
数据解复接后，对于每个用户的数据流，再分别进行以下处理 1)对均衡后的数据流j(t)进行解调，即调制的逆过程，解QPSK得到g＂(t)；解调后再依次进行解交织、解码 2)解交织是将码元按行输出，任何小于N(列)的连续信道码元错误在解交织器输出端转化为独立的错误，相互之间由至少M个码元隔开，这里M＝40，即交织深度是40，即使有独立错误，相互间至少有40个码元隔开，解交织后信息数据为g′(t)； 3)解码为信道编码的逆过程，解码后信息数据为g(t)； 4)解扰及数据恢复 解扰采用前馈移位寄存器结构 其中，R(t)表示输出数据序列；Ci表示线性反馈移位寄存器的特征多项式的系数；Di表示将序列延时i位。既可自动将扰码后序列恢复为原始数据序列。
上述本发明的实施例将DS-CDMA和基于分形调制的超宽带无线通信系统相结合，实现基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统。因为采用直接序列扩频，增加了系统的扩频增益；采用基于正交码的CDMA多址接入方式，减少了用户间的多址干扰。采用分形调制技术，数据可以在不同频带上传输，当信道状况变化时，可以基于当前信道状况选择最优的时频分辨率进行高效接收；采用分形调制系统可提供多速率数据传输，即同一数据流可以不同速率在多个不同频带上传输，分形调制信号适于在频率选择性衰落信道上传送。
另外，在接收端，由于齐次信号本身固有的自相似性，在给定适当带宽时，使用任意一段短时区的接收信号都可以恢复整个波形，从而恢复嵌入在调制波内的信息。用户可根据需要动态选择带宽，增强了接收机的自适应性。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统，包括发射机及接收机，其特征在于，
所述发射机进一步包括
多址接入单元，将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流；
频带划分单元，将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输；
分形调制单元，将所述不同频带上的数据序列嵌入到具有分形结构的齐次波中，以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，进行分形调制；
调制波发送单元，对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送；
所述接收机进一步包括
调制波接收单元，对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波；
同步校正处理单元，将匹配滤波后数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理；
分形解调单元，通过离散小波变换对所述同步校正处理单元输出的信号进行分形解调；
多址分离单元，使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
2、一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信发射机，其特征在于，该发射机包括
多址接入单元，将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流；
频带划分单元，将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输；
分形调制单元，以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，对所述不同频带上的单路数据流进行分形调制；
调制波发送单元，对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
3、如权利要求2所述基于分形调制的多用户超宽带无线通信发射机，其特征在于，该发射机还包括
加扰单元，对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理；
编码单元，对加扰后的数据进行信道编码；
交织单元，对编码后的数据进行交织处理；
基带调制单元，对交织后的数据流进行基带调制；
扩频单元，针对每个用户使用相互正交的扩频码对所述基带调制后的数据流进行直接序列扩频，得到的扩频数据流输出至所述多址接入单元。
4、一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收机，其特征在于，该接收机包括
调制波接收单元，对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波；
同步校正处理单元，将匹配滤波后数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理；
分形解调单元，通过离散小波变换对所述同步校正处理单元输出的信号进行分形解调；
多址分离单元，使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
5、如权利要求4所述基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收机，其特征在于，该接收机还包括
解扩单元、解调单元、解交织单元、解码单元及解扰单元，依次对所述多址分离单元输出的每路数据流进行解扩、解调、解交织、解码及解扰处理，进行信息数据的恢复。
6、一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信发送方法，其特征在于，该发送方法包括以下步骤
将属于多个用户的N路扩频数据流复接成单路数据流；
通过滤波器组将频带划分成多个相邻的倍频带，从而使复接后的单路数据流在不同的频带上传输；
以齐次信号为调制波，通过逆离散小波变换，对所述不同频带上的单路数据流进行分形调制；
对分形调制后的离散信号进行脉冲成形后再经过上变频进行发送。
7、如权利要求6所述基于分形调制的多用户超宽带无线通信发送方法，其特征在于，所述将N路扩频数据流复接成单路数据流之前还包括
对输入的信息数据进行数据随机化的加扰处理；
对加扰后的数据进行信道编码；
对编码后的数据进行交织处理；
对交织后的数据流进行基带调制；
针对每个用户使用相互正交的扩频码对基带调制后的数据流进行直接序列扩频。
8、一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收方法，其特征在于，该接收方法包括以下步骤
对接收的由发射机发送的分形调制信号进行下变频和匹配滤波；
对匹配滤波后的数据流进行捕获、跟踪、频偏估计与校正、动态相位补偿和帧同步处理；
通过离散小波变换对所述帧同步理后的信号进行分形解调；
使用每个用户不同的正交码进行解复接，将分形解调得到的数据分别解析成独立的N路数据流；之后由所述接收机对每路数据流分别进行恢复处理。
9、如权利要求8所述基于分形调制的多用户超宽带无线通信接收方法，其特征在于，所述对每路数据流分别进行恢复处理进一步包括
依次对解复接得到的每路数据流进行解扩、解调、解交织、解码及解扰处理，恢复原始的信息数据。
全文摘要
本发明涉及一种基于分形调制的多用户超宽带无线通信系统，包括发射机及接收机，发射机进一步包括多址接入单元、频带划分单元、分形调制单元及调制波发送单元；接收机进一步包括调制波接收单元、分形解调单元及多址分离单元。本发明还提供一种对应的发射机、接收机及其发送、接收方法。本发明的技术方案将DS-CDMA和基于分形调制的超宽带无线通信系统相结合，增加了系统的扩频增益，减少了用户间的多址干扰；采用分形调制技术，数据可以在不同频带上传输，当信道状况变化时，可以基于当前信道状况选择最优的时频分辨率进行高效接收；采用分形调制系统可提供多速率数据传输，用户可根据需要动态地选择合适的带宽。
文档编号H04B1/69GK101436874SQ20081024095
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者李育红, 宁 葛, 陆建华 申请人:清华大学