专利名称：一种多进制二维扩展频谱的通信方法
技术领域：
本发明属于使用电磁波技术的领域，如无线通信、光通信、超声波通信、有线通信等，特别涉及采用扩展频频谱进行高速数据通信的通信技术。
背景技术：
众所周知，在现有的通信技术中，广泛地采用扩展频谱的方法来达到抗干扰，保密等的目的。扩展频谱采用扩频序列与原始信号相乘的方法，达到对原始信号的频谱的扩展。扩展频谱的通信方法具有的优点是原始信号低的被截获概率；较强的抗窄带干扰性能；较强的对抗信道畸变的能力。
现有的主要扩展频谱的方法(技术)有(1)直接序列扩展频频谱(DS)(又称时域扩频方法)它是通过使用一相对于原始数据较高速率的扩频序列与原始数据相乘，从而扩展原始数据的频谱。其工作原理请见《数字通信原理》第三版，J.G.Proakis著，电子工业出版社，1998年9月出版。直接序列扩频(直扩)的工作原理可简述为b(t)为原始输入信息，经直接序列扩频后，输出d(t)=Σj=1Nb(t)αjp(t-(j-1)Tc),]]>其中αi为对应直接序列扩频的扩频序列αα1，α2，...，αN，中的元素，N为直接序列扩频的处理增益，p(t)为宽度等于Tc的单位幅度脉冲， (2)多载波扩展频谱(MC)将原始数据的每一比特，分别用多载波系统中的不同子载波传输，再用一扩频序列加扰。详细内容见Shinsuke Hara and Ramjee Prasad，″Overview of Multicarrier CDMA，″IEEE Communications Magzine，pp.126-133，Dec.1997。
(3)跳时扩展频谱(THSS)的工作原理是通信中不同的时间段，使用不同的载波中心频率，载波中心频率受跳频序列的控制。详细内容见《扩频通信》，查光明、熊贤祚著，西安电子科技大学出版社，1990年出版。
(4)跳频扩展频谱(FHSS)通信中处于连接的时间段、连接的时刻，受跳时序列的控制。详细内容见《扩频通信》，查光明、熊贤祚著，西安电子科技大学出版社，1990年出版。
(5)现有技术中还有简单的将两种一维扩频方法串联起来组成一种二维扩频通信方法，如Hongnian Xing and Rinne，J.″The performance analysis of a two dimensionalCDMA system for frequency selective channels，″GLOBECOM 1998.IEEE，Vol.5，1998 pp.2537-2542；以及，Lei Xiao and Qinglin Liang，″A novel MC-2D-CDMAcommunication systems and its detection methods，″ICC 2000，pp.1223-1227，June18-22，2000，New Orleans，USA。这种二维扩频系统的矩阵为α1β1α2β1···αNβ1α1β2α2β2···αNβ2············α1βMα2βM···αNβM]]>(6)专利“一种二维扩展频谱的通信方法”(发明人唐友喜，申请号02113688.2)，其特征为一种新的低截获率通信方法，包括发射部分和接收部分，发射部分包括直接序列扩频模块2、逆离散付立叶变换模块4、射频发射部分6；接收部分包括离散付立叶变换模块14、直接序列解扩频模块16、射频接收部分8；其特征在于是发射部分还包括离散多载波扩频模块3，离散多载波扩频模块3与直接序列扩频模块2和逆离散付立叶变换模块4一起组成二维扩频模块1，二维扩频过程的矩阵表达式是f(t)=sβUαp2PTb(t);]]>接收部分还包括逆离散多载波模块15，逆离散多载波模块15与直接序列解扩频模块16、离散付立叶变换模块14一起组成二维解扩频模块13，二维解扩频过程的矩阵表达式是b^(t)=NMTcPT2b(t)+(βUαp)T∫0TcsTn(t)dt,]]>其通信方法原理的示意图见附图1；(7)还有一种扩频方式为M-ary(多进制)扩频方式，如Ito T.，Sampei S.and MorinagaN.“M-sequence based M-ary/SS scheme for high bit rate transmission in DS/CDMAsystems，”Electronics Letters，Volume36，Issue6，16 March 2000 Pages574-576。这种扩频方法是将每m个比特信息映射成L(L＝2m)个正交序列中的一个，从而用一个扩频序列表示m个比特，在到达一定增益效果的同时提高了信息的传输速率。该扩频方法实质是直接序列扩展频频谱的一种方法，它仍然存在直接序列扩展频频谱方法的缺点。
上面的几种扩频方式中，它们存在各自的缺点(1)其频谱利用率不高；(2)难以传输高速的用户信息；(3)扩频增益的设计不灵活；(4)高扩频增益时实现比较困难；(5)数字化接收时采样速率太高；(6)二维扩展频谱的通信方法虽然其扩频增益比较大，但是它的频谱利用率不高，不能在有限的带宽内传输高速的信息数据；(7)多码M-ary CDMA扩频方式虽然能到达一定增益效果的同时提高信息的传输率，但在要求高增益的情况下，就必须降低信息的传输率。
发明内容
本发明的任务是提供一种多进制二维扩展频谱的通信方法，即采用本发明的通信方法，在实现较大的扩频增益的同时，可以提高信息数据传输速率，增强抗窄带干扰能力和抗信道畸变的能力，而且本方法实现简单、成本低。
按照本发明提供一种多进制二维扩展频谱的通信方法组成的系统包括发射机和接收机两部分。
本发明的发射部分包括由正交矩阵映射模块18、二维扩频模块1组成M-ary二维扩频模块17，它与后面的添加保护时隙模块5、发射机射频部分6一起组成高扩频增益、高信息数据传输速率的通信方法的发射机部分，如图2所示。
本发明接收机部分包括射频部分8、接收天线9、A/D变换模块10、频率、时间同步模块11、去保护时隙模块12，它还包括由矩阵二维解扩模块19、解映射模块20组成的M-ary二维解扩部分21，如图2所示。
本发明提供的一种多进制二维扩展频谱的通信方法，它包括发射机发射方法和接收机接收方法发射机发射方法包括对信号通过二维扩频模块1进行二维扩频、经过添加保护时隙模块5进行添加保护时隙和通过射频发射模块6处理后发射出去，其特征是它还要通过正交矩阵映射模块18对原始信号进行正交矩阵映射，所述正交矩阵映射模块18采用下面的步骤工作步骤1 从输入的原始信息中取出一组连续m比特信息；
步骤2 将步骤1中取出的信息组成一个码字C1；步骤3 将步骤2中的码字C1映射成一个正交矩阵A1；步骤4 重复步骤1到步骤3，形成码字C2和矩阵A2，同理，就可以形成m比特信息所有的L(L＝2m)个码字Ci(i＝1，2，....L)和与之对应的L个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)；步骤5 将步骤4中得到的正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)依次输出到二维扩频1；步骤6 经过步骤5后的发射信息经过添加保护时隙5和射频发射部分6处理后发射出去；接收机接收方法包括对信号通过射频接收部分8进行射频接收处理、A/D模块10进行采样、频率时间同步11进行频率和时间同步、去保护时隙模块12进行删除保护时隙、矩阵二维解扩模块19进行二维解扩，其特征是它还要通过解映射模块20对从矩阵二维解扩模块19中输出的信息矩阵进行解映射，所述解映射通过解映射模块20实现的，解映射模块20采用下面的步骤工作步骤7 从矩阵二维解扩模块19中输出的信息矩阵中取出一个信息矩阵A1；步骤8 将步骤7中取出的信息矩阵A1映射成一个码字C1；步骤9 重复步骤7和步骤8，形成信和息矩阵A2对应的一个码字C2，同理，形成与L(L＝2m)个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)对应的码字Ci(i＝1，2，....L)；步骤10 将步骤9中得到的已经映射出的码字Ci并串变换成为解调信息输出。
经过以上步骤，完成了本发明的M-ary二维扩频发射过程和M-ary二维解扩的接收过程，就可以实现高扩频增益、高信息数据传输速率的通信。
需要说明的是，所述的正交矩阵映射功能的模块正交矩阵映射模块18的步骤可以采用DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)编程技术实现；所述的解映射功能模块解映射模块20的步骤可以采用DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)编程技术实现。
本发明发射机部分工作过程本发明的发射部分首先由正交矩阵映射模块18、二维扩频模块1完成M-ary二维扩频功能；然后通过添加保护时隙单元5的输出，送至射频部分6，经发射天线7辐射至电磁波传输介质中，如图2所示。
正交矩阵映射的实质是把m个比特信息映射成多个正交矩阵中的一个，其工作过程为首先，根据m个比特信息的各种可能性组成L(L＝2m)个码字Ci(i＝1，2，....L)；然后用L个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)跟Ci一一对应，其中任意两个矩阵相交，即R(τ,ρ)=Σm=1MΣn=1Nαm,niαm+τ,n+ρj*=0,τ,ρ]]>为整数，αm，ni为矩阵Ai的第m行n列的元素，αm+τ，n+ρj为矩阵Aj的第m+τ行n+ρ列的元素，αm+τ，n+ρj*为取αm+τ，n+ρj的共轭；然后将输入的信号组成的码字Ci，根据上面的对应关系，将Ci映射成矩阵Ai。
正交矩阵映射模块18工作原理可以用图3来简单说明将原始数据b(t)每m比特串并变换后组合在一起，成为一个长m的码字Ci，然后利用已知的一一对应关系，将Ci映射成L(L＝2m)个正交矩阵中的一个，完成二维扩频的矩阵映射，图3中横轴为时间，纵轴为频率。
其特征为所有矩阵是相互正交的，即R(τ,ρ)=Σm=1MΣn=1Nαm,niαm+τ,n+ρj*=0,]]>其中τ、ρ为整数，αm，ni为矩阵Ai的第m行n列的元素，αm+τ，n+ρj为矩阵Aj的第m+τ行n+ρ列的元素，αm+τ，n+ρj*为取αm+τ，n+ρj的共轭。
M-ary二维扩频模块17的工作过程为经过正交矩阵映射出的扩频信息矩阵Ak送到二维扩频模块1中，二维扩频模块1将收到的扩频矩阵Ak中的各列作为频率上的扩频序列，各行作为时间上的扩频序列进行二维扩频。二维扩频模块1的原理和实现见发明专利‘一种二维扩展频谱的通信方法’(发明人唐友喜，申请号02113688.2)。
M-ary二维扩频模块17的扩频输出的数学表达式为f(t)=Σi=1NΣi=1M2PTαi,jkp(t-(j-1)Tc)cos(2πiΔft),]]>其中，PT为发射功率；αi，jk是扩频矩阵Ak的第i行第j列的元素，p(t)为持续时间为Tc的矩形脉冲或其它波形，Tc为发射扩频矩阵时，列与列间的时间间隔；Δf为子载波间的频率间隔。添加保护时隙模块5的功能是为了减轻信道多径引起的码间干扰。
本发明创新为与现有的扩展频频谱的通信方法如采用直接序列扩展频谱(DS)、多载波扩展频谱(MC)、简单的将两种一维扩频方法串联起来组成二维扩频的扩频、M-ary扩频、二维扩展频谱的通信方法等方法相比，本发明结合M-ary扩频和二维扩频的基本思想，将多个信息比特映射成多个正交矩阵中的一个，把每个正交矩阵看成一个二维扩频的扩频矩阵，组成了M-ary二维扩频方式，在实现高扩频增益的同时，可以实现较高的信息数据传输速率。
本发明发射机部分的实质相对于传统的跳时、跳频、多载波扩频、直接序列扩频、M-ar扩频、二维扩展频谱的通信方法等方法，本发明的核心思想是采用多个信息比特映射成多个正交矩阵中的一个，形成扩频矩阵，然后用扩频矩阵对信息进行二维扩展频谱(Two Dimension Spread Spectrum)。
本发明发射机部分的原理这里以二进制相移键控(BPSK)调制为例，说明本发明的思想，这样设定并不影响本发明的思想应用于其它调制方式的系统中。本发明的M-ary二维扩展频谱的通信原理，如图2所示。在图2中，M-ary二维扩频模块17完成M-ary二维扩频的功能。每m个原始输入信息b(t)，经正交矩阵映射模块18映射成一个M×N的扩频矩阵Ak，然后经过二维扩频模块1对扩频矩阵Ak进行二维扩频，其输出f(t)为f(t)=Σj=1NΣi=1M2PTαi,jkp(t-(j-1)Tc)cos(2πiΔft)---(1)]]>其中PT为任一子载波的发射功率，p(t)为宽度等于Tc的单位幅度脉冲 当然，p(t)也可以为其它形式的脉冲形状，式(2)的假定不影响本发明的一般性。
结论上面从理论上讨论了由正交矩阵映射模块18、二维扩频模块1组成完成M-ary二维扩频功能的模块17的工作原理。
本发明接收机部分工作过程接收机中接收天线9接收到发射的信号，送至A/D模块10；A/D变换模块10的输出在去掉保护时隙模块12中去掉保护时隙，送至M-ary二维解扩部分21中的矩阵二维解扩模块19。A/D变换模块10输出的另一路信号送至频率时间同步模块11，得到时间频率同步信息，用于M-ary二维解扩及控制本振的频率精度。矩阵二维解扩模块21根据时间同步信息，对从去掉保护时隙模块12送来的数据进行矩阵二维解扩，矩阵二维解扩模块19解扩出来的信息矩阵送到解映射模块21中解出信息，如图2所示。
矩阵二维解扩的工作原理见图4，二维解扩模块13将收到的信号r(t)在时域和频域上进行解扩，根据同步信息组成一个完整的信息矩阵，然后将已知的扩频矩阵输入到二维解扩模块13中跟接收的信息矩阵进行相关运算，选择相关值绝对值最大的对应的矩阵作为收到的信息矩阵 输出。图4中的二维解扩模块13的工作原理及其实现见发明专利‘一种二维扩展频谱的通信方法’(发明人唐友喜，申请号02113688.2)。图中R(r(t),Ak)=Σj=1NΣi=1Mr(t)αi,jk*---(3)]]>其中αijk*表示αijk的共轭。取接收到的信息矩阵为A~k=argmaxAk|[R(r(t),Ak)]|---(4)]]>其中|●|表示取绝对值。
解映射模块20的工作过程为将收到的信息矩阵 根据图3中对应关系，将 解映射为m比特的码字，然后将码字并串变换还原出发射的信息(t)。
解映射的实质是将多个正交矩阵中的一个映射成一个码字Ci，然后将Ci并串变换为原始信息。其工作过程为首先，根据发射机的映射关系，形成L个正交矩阵Ai；然后将Ai跟码字Ci一一对应；最后将Ci并串变换成为原始信息。
M-ary二维解扩的工作原理在接收机中，频率时间同步模块11的时间、频率同步的传统方法有多种方式，这里就不再说明了。解调方式可以是非相干解调、差分相干解调、导引符号辅助的相干解调、相干解调等多种方式。不论何种解调方法，本发明中的M-ary二维扩频方法均可以使用。这里只描述BPSK相干解调时的M-ary二维解扩方法。为了突出M-ary二维扩频、解扩的原理，这里假设时间、频率已同步，射频信号经过的是加性白高斯噪声信道，系统中没有采用添加保护时隙模块、去掉保护时隙模块，射频发射部分、射频接收部分对f(t)影响可以忽略。这种假设不影响本发明的一般性。则有r(t)=f(t)+n(t)=Σj=1NΣi=1M2PTαi,jkp(t-(j-1)Tc)cos(2πiΔft)+n(t)---(5)]]>其中r(t)是去掉保护时隙模块12的输出，f(t)为M-ary二维扩频模块17的输出，n(t)为功率谱密度为N0的加性白高斯噪声。根据图2所示模型，收到的信号r(t)被送到矩阵二维解扩模块19，矩阵二维解扩模块19将收到的信号根据同步信息组成完整的一个扩频矩阵，然后跟已知的扩频矩阵相关，解出收到的信息矩阵送到解映射模块20，解映射模块12将收到的信号根据图3中映射关系解映射出发送的码字，从而解调出发射的原始数据。
上面从理论上讨论了由矩阵二维解扩模块19、解映射模块20组成的M-ary二维解扩模块21的工作原理。因此，本发明提出的接收机通过M-ary二维解扩的方法，对经过M-ary二维扩频后的原始信息进行二维解扩是可行的。
本发明的工程实现与其它的扩频无线通信系统相比，具有如下特点(1)传输信息数据速率更高，这是因为传输一个信息矩阵实际传输了m比特的信息；(2)可以实现较高的扩频增益。由于采用了二维扩频的方式，在时域和频域同时扩频，整个扩频增益就可以做到很高；(3)抑制衰落信道影响的能力更强。
纵上所述，采用本发明的通信方法，可以实现高扩频增益、高信息数据传输速率的通信；由于本发明具有成本低、实现简单、便于小型化的特点，因此它特别适合短距离无线通信、超声波探测等有关信息(数据)传输的技术中，为高速信息(数据)传输的提供了技术保证。
图1是现有的二维扩展频谱的通信方法原理示意图其中，发射机部分1是二维扩频模块，2是直接序列(DS)扩频单元，3是离散多载波(DMC)扩频单元，4是逆离散付立叶变换(IDFT)模块，5是添加保护时隙单元，6是射频发射部分，7是天线；接收机部分8是射频接收部分，9是接收天线，10是A/D转换，11是频率时间同步单元，12是去掉保护时隙单元，13是二维解扩频单元，14是DFT模块，15是DMC扩频单元，16是DS解扩单元。
b(t)是原始输入信息；d(t)是直接序列扩频2扩频后的输出信息；f(t)是逆离散付立叶变换单元4的输出，即二维扩频模块1的输出；r(t)是二维解扩频模块13的输入；g(t)是离散付立叶变换14后的输出信号；h(t)是逆离散多载波15的输出；(t)是二维解扩频模块13的输出。
图2是本发明通信方法原理示意图其中，发射机部分17是M-ary二维扩频模块，18是正交矩阵映射模块，1是二维扩频模块，5是添加保护时隙模块，6是射频发射部分，7是发射天线；接收机部分8是射频接收部分，9是接收天线，10是A/D转换模块，11是频率时间同步模块，12是去掉保护时隙模块，21是M-ary二维解扩频模块，19是矩阵二维解扩模块，20是解映射模块。
b(t)是原始输入信息；Ak是正交矩阵映射扩频后的输出信息矩阵；‘1’表示输入信息为1；f(t)是M-ary二维扩频模块18的输出；r(t)是M-ary二维解扩模块21的输入； 是矩阵二维扩频19的输出信息矩阵；(t)是M-ary二维解扩模块21的输出。
图3为正交矩阵映射模块18的映射原理示意图其中，b(t)是原始输入信息，每m比特原始输入信息经过串并变换后形成一个码字Ci，然后将Ci映射成L(L＝2m)个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)中的一个Ak输出；每个矩阵的行可以看作是二维扩频矩阵的横轴为时间轴，每个矩阵的列可以看为是二维扩频矩阵中的纵轴为频率；αi，jl为二维扩频矩阵Al的第i行第j列的元素，其中l＝1，2，...，L，i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N。
图4是矩阵二维解扩模块19的工作原理示意图其中，收到的信息r(t)送到二维解扩模块13，经过二维解扩后形成一个完整的信息矩阵己知的扩频矩阵A1，A2，...，AL己相关，然后取相关值的绝对值最大的矩阵作为收到信息矩阵的估计矩阵 输出。
r(f)为去保护时隙模块12输出的信号，A1，A2，...，AL为已知的扩频矩阵，|[R(r(t)，A1)]|为接收信号r(t)与A1的相关的绝对值，|[R(r(t)，A2)]|为接收信号r(t)与A2的相关的绝对值，|[R(r(t)，AL)]|为接收信号r(t)与AL的相关的绝对值， 为输出信息矩阵。
具体实施例方式
本发明的发射部分采用了M-ary二维扩频的通信方法。M-ary二维扩频方法先将每m比特原始信息映射成L个正交矩阵中的一个，然后就可以将矩阵信息的二维扩频表示为f(t)=Σj=1NΣi=1M2PTαi,jkp(t-(j-1)Tc)cos(2πiΔft)---(6)]]>以上的过程可以通过编程的方法实现，例如可以采用数字信号处理(Digital SignalProcessing)编程技术实现。
本发明的接收部分采用了M-ary二维解扩通信系统。式(3)、(4)表示出了解出接收信息矩阵的原理A~k=arg|maxAk[R(r(t),Ak)]|---(7)]]>根据发射方的m比特映射成矩阵的对应关系，可以将解出的接收信息矩阵 解映射出收到的发射的原始信息(t)。以上M-ary二维解扩过程，可以通过编程来实现，例如可以采用数字信号处理P(Digital Signal Processing)编程技术实现。
权利要求
1.一种多进制二维扩展频谱的通信方法，它包括发射机发射方法和接收机接收方法发射机发射方法包括对信号通过二维扩频模块(1)进行二维扩频、经过添加保护时隙模块(5)进行添加保护时隙和通过射频发射模块(6)处理后发射出去，其特征是它还要通过正交矩阵映射模块(18)对原始信号进行正交矩阵映射，所述正交矩阵映射模块(18)采用下面的步骤工作步骤1从输入的原始信息中取出一组连续m比特信息；步骤2将步骤1中取出的信息组成一个码字C1；步骤3将步骤2中的码字C1映射成一个正交矩阵A1；步骤4重复步骤1到步骤3，形成码字C2和矩阵A2，同理，就可以形成m比特信息所有的L(L＝2m)个码字Ci(i＝1，2，....L)和与之对应的L个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)；步骤5将步骤4中得到的正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)依次输出到二维扩频1；步骤6经过步骤5后的发射信息经过添加保护时隙(5)和射频发射部分(6)处理后发射出去；接收机接收方法包括对信号通过射频接收部分(8)进行射频接收处理、A/D模块(10)进行采样、频率时间同步(11)进行频率和时间同步、去保护时隙模块(12)进行删除保护时隙、矩阵二维解扩模块(19)进行二维解扩，其特征是它还要通过解映射模块(20)对从矩阵二维解扩模块(19)中输出的信息矩阵进行解映射，所述解映射通过解映射模块(20)实现的，解映射模块(20)采用下面的步骤工作步骤7从矩阵二维解扩模块(19)中输出的信息矩阵中取出一个信息矩阵A1；步骤8将步骤7中取出的信息矩阵A1映射成一个码字C1；步骤9重复步骤7和步骤8，形成信和息矩阵A2对应的一个码字C2，同理，形成与L(L＝2m)个正交矩阵Ai(i＝1，2，....L)对应的码字Ci(i＝1，2，...L)；步骤10将步骤9中得到的已经映射出的码字Ci并串变换成为解调信息输出。
2.根据权利要求1所述的一种多进制二维扩展频谱的通信方法，其特征是所述的正交矩阵映射模块(18)的步骤可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing)编程技术实现；所述的解映射模块(20)的步骤可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing)编程技术实现。
全文摘要
本发明公开了一种多进制二维扩展频谱的通信方法，发射机包括对信号进行二维扩频、添加保护时隙和通过射频发射模块6处理后发射出去，其特征是它还要通过正交矩阵映射模块18对原始信号进行正交矩阵映射；接收机包括对信号进行射频接收处理、A/D模块10进行采样、进行二维解扩，其特征是它还要通过解映射模块20对从矩阵二维解扩模块19中输出的信息矩阵进行解映射。本发明具有成本低、实现简单、便于小型化的特点，它特别适合高信息数据传输速率的无线通信、超声波探测等有关信息传输的技术中，为高速信息传输提供了技术保证。
文档编号H04B1/707GK1700609SQ200410022549
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月17日 优先权日2004年5月17日
发明者唐友喜, 潘文生 申请人:电子科技大学