利用瞬态峰值能量的猝发通信系统的制作方法

专利名称：利用瞬态峰值能量的猝发通信系统的制作方法
技术领域：
本发明属于数字通信和无线传感器网络技术领域，具体的涉及一种利用接收信号在建立过程中的瞬态峰值能量传输短数据或小数据包的极高速猝发通信方法。
背景技术：
I、传感网与猝发通信无线传感器网络(WSN :Wireless Sensor Network)是物联网的重要支撑,通常是由大量在空间上分布的自动装置以自组织形式构成的多跳数据通信网络，借以将监测数据传送到接收中心进行处理。WSN的节点除配备一个或多个传感器外，还装备了无线电收发信机和微控制器，尺寸和成本取决于WSN的规模及单个传感器节点的复杂度。通常这种WSN 节点要靠微型电池来供电，其存活时间主要受限于电池的寿命，故节能对于延长WSN节点的使用寿命至关重要，也更符合当今追求节能减排、绿色环保的发展要求。由于无线电发射机是WSN节点中耗能的主要模块，故千方百计地缩短发射机的工作时间，可以有效地延长WSN节点的工作时限，并减少对于其它WSN节点和整个传感网络的干扰，从而提高整个无线传感器网络的容量。因此，WSN希望各节点能够在尽可能短的“猝发”时段内完成数据的传输。另外，有专家在分析了国外高频(HF)频段的侦察、干扰技术对抗干扰通信的影响后指出窄带信号长度小于50ms就不易被截获,小于IlOms就不易被定向/定位。而对甚高频/超高频(VHF/UHF)频段，信号长度还应更短。因此，抗干扰、抗截获的猝发通信最好在IOms量级内完成信息传输，这自然希望或要求在通信信号的持续瞬间有尽可能高效的调制/传输效率。2、简化的扩展二元相移键控调制I)频谱利用率与能量利用率高速增长的宽带无线业务需求对无线通信提出了越来越高的要求，直接导致了空中的无线电频率越来越拥挤，最大限度地压缩无线传输频谱具有重要的实际意义和直接的经济效益。数字通信系统的频谱利用率，可用单位频带内能够传输的数码率(以bps/Hz表示，但严格地说，应该是扣除信道编码后的信息速率或“净”码率)来考核，主要取决于把二进制数据码流调制成发送频段模拟载波时所占的频带宽度。无线通信系统的能量利用率，可直接用为达到所需技术指标或为完成给定任务功能所需的发射功率(W)来度量。但由于天线会引入额外的增益(无论是发射天线还是接收天线)且随天线的种类和形式而不同，故以接收信噪比(SNR)来考核更为合理与直接。2)综合效率指标频谱利用率和能量利用率是任何通信体制部必须面对的基本指标，但受经典的信道容量制约，二者难以两全，因此可用bps/Hz/SNR作为综合指标来更客观、更全面地评估。条件当然应该是在相同的信道条件、同样的误码率和相等的净码率下来比较。其内涵恰似追求“在单车道(带宽受限)开快车(传高码率)且尽量省油(节约发射功率)”。对于由大量传感器节点自组织而成的无线传感器网络，更是如此。因为不难想象，无论多么卓越的“交通规则”(组网协议)，也很难把一群低速费油的“老爷车”(码速低且能耗高的)组织成高效长寿的交通运输系统(传感器网络)。现有WSN节点的通信物理层，采用传统的伪随机序列直接扩频(DSSS)和经典的BPSK/QPSK( 二进制/四进制相移键控)调制，尽管技术上早已成熟，理论上功率效率最高，但由于频谱效率低下，因而在同样的频谱带宽内数据速率低，用于WSN这种需要短数据较频繁突发性传输的场合，就会导致通信“握手”慢(至少需30ms)、数据传输慢(只有250kbps)、且系统容量低(每个接入点所能接纳的WSN节点数远低于协议标称值)，这就需要节点的发射机和接收机更长时间地开机，由此反而导致了能耗增加，因为在WSN节点各功能模块中，发射机是耗能的“大户”。3)扩展的二元相移键控调制在发明专利“统一的二元正交偏移键控调制和解调方法”(专利号ZL200710025203. 6)中，定义了一类扩展的二元相移键控(EBPSK :Extended Binary PhaseShift Keying)调制 s0(t) = Asinωct,0 ^ t < T
\Bsinio/+θ), 0 < /<τ,0 <θ < π(I)#(/)= V "；
[^sinco/,O <τ < /< T7其中，S0 (t)和S1 (t)分别表示码元“O”和“I”的调制波形，ω。为载波角频率；码元周期Τ = 2πΝ/ω。持续了 N彡I个载波周期，“I”码元的调制时间长度τ = 2πΚ/ωε持续了 K < N个载波周期，K和N均为整数以保证整周期调制，而τ T = K N可称为“调制占空比”。(I)式中载波键控的相位角度Θ越小，EBPSK检测性能越差。故为了保证解调性能及实现简单，取θ = π，由此带来的另一个好处是有利于接收机通过限幅来抗信道衰落和脉冲干扰。此时(I)式简化为S0(t) = Asinωct,O ^ t < T
,,\ - B ηω/, O < /< τ(2)^1(Z)=.
τ <t<Τ 可见此时的EBPSK调制信号波形除在数据“ I ”的起始处有短时的反相及幅度Α+Β的跳变外，其余部是连续的正弦波。3、数字冲击滤波器(Digital Impacting Filters)对于“0”、“ I ”波形差异很小的不对称调制，经典的用于对称调制波形的匹配滤波器和相关检测方法已不再最佳。为了提高对于EBPSK调制信号的解调性能，一类无限冲激响应(IIR)数字滤波器，由一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，信号载频高于零点频率但低于所有极点频率，而零点频率与极点频率的靠近程度，至少要达到信号载频的10_3量级。由此，该滤波器通过其通带中心陡峭的陷波-选频特性，可将EBPSK调制信号在码元“I”处的信息调制(相位跳变、周期缺失或脉冲出现)转变为明显而强烈的寄生调幅冲击，输出信噪比得到显著提升，甚至可在信号被噪声完全淹没的情形下(SNR < O)以过冲的形式突显出信号的调制信息，故称之为数字冲击滤波器或EBPSK信号数字增强器，但在码元“O”处则无相应的波形冲击，如图I所示(见“用于增强不对称二元调制信号的冲击滤波方法”，发明专利公开号CN101599754)。采用单零点-3极点的冲击滤波器，其传递函数形为
权利要求
1.利用瞬态峰值能量的猝发通信系统，包括发射机和接收机，所述发射机采用简化的扩展二元相移键控调制，调制数据表达式为以下3种形式之一 1)反相调制
2.根据权利要求I所述的利用瞬态峰值能量的猝发通信系统，其特征在于 1)所述数字冲击滤波器(I)为无限冲激响应结构，由一对共轭零点和至少两对共轭极点构成，信号载频高于零点频率但低于所有极点频率，而零点频率与极点频率的靠近程度，至少要达到信号载频的10_3量级； 2)所述预处理器(2)是对所述数字冲击滤波器(I)所产生的寄生调幅波形取包络绝对值； 3)所述归零码判决器(3)通过门限判决对所述预处理器(2)输出的冲击包络进行整形，得到归零码后，同时送入所述位时钟发生器(7)和所述时延计算模块(4)； 4)当出现归零码“I”时，所述时延计算模块⑷测量其高电平持续时间，根据冲击包络最高处与归零码“I”下降沿的相对位置关系，得到冲击包络的延时量； 5)所述位时钟发生器(7)的起始时刻与归零码“I”的下降沿对齐，产生与传输码率相对应的位同步时钟； 6)所述可变延时器(5)根据所述时延计算模块(4)所测出的延时量动态调整冲击包络的延时，使位同步时钟的上升沿与冲击包络的最高处对齐，从而达到位同步的目的； 7)所述积分判决器￠)以所述位时钟发生器(7)输出的位同步脉冲作为时间基准，对码元内的包络采样值积分后进行判决，即解调出所接收到的数据序列； 8)所述帧处理器⑶对所述积分判决器(6)输出的已经位同步的猝发码流，利用11位巴克码与之进行相关检测，只有检测到“11100010010”的11位巴克码帧头后才进行有效数据信息的提取，这一帧头检测过程同时完成了无效数据的丢弃及有效数据起始的判断，实 现了巾贞同步。
全文摘要
利用瞬态峰值能量的猝发通信系统，发射机采用简化的扩展二元相移键控调制，接收机包括一接收天线，接收天线连接一模拟接收机，模拟接收机连接一模数转换器，模数转换器连接一EBPSK数字解调器，EBPSK数字解调器连接一帧处理器；模拟接收机包括一前置放大器，前置放大器连接一混频器，混频器连接一中频放大器；EBPSK数字解调器包括一数字冲击滤波器，数字冲击滤波器连接一预处理器，预处理器连接一归零码判决器，归零码判决器连接一时延计算模块，时延计算模块和预处理器均连接到一可变延时器，可变延时器连接一积分判决器，所述归零码判决器还连接一时钟发生器，时钟发生器连接到积分判决器，一频率合成器分别连接到混频器和时钟发生器。
文档编号H04L27/22GK102904849SQ201110209280
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者吴乐南, 吴金玲 申请人:苏州东奇信息科技有限公司