专利名称：超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统及应用方法
技术领域：
本发明涉及电讯领域，特别是一种脉冲超宽带通信中码正交发送参考调 制解调系统及应用方法。二、 背景技术20世纪60年代，现代意义的超宽带技术出现在美军的战术通信领域的 研究中。作为美国军方专属使用的技术，UWB技术具有强抗干扰能力、低功 耗、小型化以及高精度测距等突出优点，因此长期为美国军方所垄断。鉴于 UWB技术在民用领域同样具有广阔的应用前景，2002年，随着FCC确定UWB 辐射模板，标志着美国军方正式将其解禁，允许UWB民用通信系统投入使用。目前，国外超宽带无线通信技术的研究主要集中在民用与军用两个领域。 其中民用领域的研究主要集中在短距离(IO米以内)、高速率(几百Mbit/s 乃至上Gbit/s)无线传输等方面。与民事方面研究不同的是，军事应用领域 更为广泛，主要围绕着军用传感器网络通信、高抗干扰战术组网电台、非视 距UWB电台、非对称高速UWB电台、UWB探测雷达、舰船及飞机内部通信系 统以及高精度战场测距定位系统等方面展开研究的。由于高速模数(A/D)转换器件的限制，基于脉冲体制的传统UWB系统接 收机往往采用模拟相关的方法来实现对UWB信号的检测。但这种结构的接收 机存在着同步时间长、结构相对复杂以及信道估计困难等不足，因此在无线 传感器网络的应用领域受到了限制。针对无线传感器网络快速同步、结构简 单且具备多速率、多址能力的应用要求，国外的相关研究单位提出了基于发 送参考(TR， Transmitted-Reference)思想的脉冲超宽带体制。美国的Ralph Hoctor与Harold Tomlinson提出了标准发送参考脉冲超 宽带体制(TR-UWB， Transmitted-Reference Ultra-Wideband)。同时，该研 究小组给出了基于跳延时的发送参考型脉冲超宽带系统(DHTR, Delay-H叩ped Transmitted-Reference Ultra-Wideband)的实用化方案。该方案具备了发 送参考体制的优点，但由于采用了适当长度的同轴线作为模拟延时器件，因 此存在着集成化和进一步小型化的困难。随后，国外研究人员相继提出了一系列针对标准TR-UWB系统的改进型结构，其性能的提升往往建立在采用数量 更多的模拟延时器件的基础之上，从而使小型化和集成化设计更为困难。因 此，这种基于延时的发送参考型脉冲超宽带系统方案不能很好地满足传感器 节点的小型化要求。针对基于延时发送参考体制的不足，美国的Dennis Goeckel和Qu Zhang 提出了基于频偏的发送参考脉冲超宽带(FSR-UWB ， Slightly Frequency-Shifted Reference Ultra-Wideband)系统。同时，该研究小组给 出了物理实现方案，该方案不需要采用模拟延时器件，从而有利于集成化设 计，但由于其性能与多径扩展时延相关，因此随着传输距离或传输速率的提 高，其性能急剧恶化，因此其传输速率无法进一步提升。 三、发明内容针对上述情况，本发明之目的就是提供一种脉冲超宽带通信中码正交发 送参考调制解调系统及应用方法，可有效克服现有技术正交码的发送参考脉 冲超宽带系统随着多径时延或传输速率的增加而明显恶化，从而既有效地解 决在UWB信道中信道估计困难、同步要求较高，而且又实现结构简化、小型 化与集成化的问题，其解决的技术方案是，基于正交码参考的发送参考系统 ( COTR-UWB ， Code-Orthogonalized Transmitted-Reference Ultra-Wideband)方案本质是一种码域参考体制。在一个码元周期内，参考 信号的脉冲和数据信号的脉冲在时间上是重叠在一起的。这种方案的关键是 用一个周期与码元周期相同的正交码信号和每个码元周期内的数据信号相 乘，保证了参考信号和数据信号在一个码元周期内的正交性，据此，本发明 的技术方案是，该系统由发射机和接收机组成，发射机是由微控制器Id的输 出端与超宽带窄脉冲发生器输入端相联，超宽带窄脉冲发生器的输出端经电 容d同超宽带发射放大器的输入端相连，超宽带发射放大器的输出端同超宽 带发射天线相连；接收机由微控制器IC2、积分器、第二四相乘法器、第一四相乘法器、功 分器、电容C2、超宽带接收放大器、低通滤波器、超宽带接收天线构成，积 分器的输出端接微控制器IC2的输入端，积分器的输入端同第二四相乘法器的输出端相接，第二四相乘法器的输入端同第一四相乘法器的输出端相接，第一四相乘法器的输入端同功分器的输出端相接，功分器的输入端经电容G同 超宽带接收放大器的输出端相连，超宽带接收放大器的输入端同低通滤波器的输出端相连，低通滤波器的输入端上接有超宽带接收天线，微控制器ic2内的正交码波形产生模块的输出端接第二四相乘法器，微控制器IC2内的积分 窗口模块的输出端同积分器相接。本发明的应用方法是，发射机的微控制器Id通过输入端收到数据后，将 数据送到码变换模块，对数据进行重复编码和极性变换，输出的数据送到乘法模块；正交码产生模块产生一个码长与重复编码的长度相同并且与全"1"码相 互正交的正交码送到乘法模块；乘法模块将码变换模块送过来的数据与正交码相乘，输出的数据送到加 "1"模块；加"1"模块对乘法模块送过来的数据进行加"1"运算后通过微控制器 Id输出端输出触发序列，用以触发超宽带窄脉冲发生器产生超宽带窄脉冲 串；超宽带窄脉冲发生器产生的窄脉冲串经隔直流电容d进入超宽带发射放大器5超宽带发射放大器将窄脉冲串放大后送到超宽带发射天线，由超宽带发射天线将射频信号发射出去；接收机的超宽带接收天线接收到射频信号后，送到低通滤波器滤波，经 过滤波后的信号送到超宽带接收放大器，超宽带接收放大器将信号放大后输 出；超宽带接收放大器输出的信号经隔直流电容C2被送到功分器，功分器输 出两路相同的信号并同时被送到第一四相乘法器进行乘法运算；微控制器IC2内部的正交码波形产生模块产生正交码波形信号，经IC2 输出到第二四相乘法器中，并与第二四相乘法器的输出信号相乘，正交码波 形产生模块产生的正交码波形信号所对应的正交码与发送端的正交码同步；积分器对第二四相乘法器送来的信号进行积分，同时，微控制器IC2内部的积分窗口控制模块通过微控制器IC2输出信号控制积分器的积分窗口；积分器的输出信号通过微控制器IC2输出信号被送到微控制器IC2内部的 采样模块，采样模块对信号采样后，将采样值送到判决模块；判决模块对采样值进行判决后通过微控制器IC2输出解调数据，从而实现 本发明目的。本发明系统结构简单，功耗低，与基于频偏的发送参考型系统相比较， 该系统不仅性能占优，结构进一步简化，而且性能不会随着多径时延或传输 速率的增加而明显恶化，因此适用的传输速率或传输距离得到了提高，本发 明(C0TR-UWB)系统不仅可以有效地解决在UWB信道中信道估计困难、同步 要求较高的要求，而且有利于系统的小型化与集成化。四
图1为本发明的发射机一接收机结构图。 图2为本发明系统的发射机原理图。 图3为本发明系统的接收机原理图。图4为本发明系统TR-UWB、 FSR-UWB和C0TR-UWB系统性能仿真图(1 )。 图5为本发明系统TR-UWB、 FSR-UWB和C0TR-UWB系统性能仿真图(2)。五具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。由图1给出，本发明系统是由发射机和接收机组成，发射机是由微控制 器Idl的输出端与超宽带窄脉冲发生器6输入端相联，超宽带窄脉冲发生器 6的输出端经电容d7同超宽带发射放大器8的输入端相连，超宽带发射放大 器8的输出端同超宽带发射天线9相连；接收机由微控制器IC222、积分器17、第二四相乘法器16、第一四相乘 法器15、功分器14、电容G13、超宽带接收放大器12、低通滤波器ll、超 宽带接收天线10构成，积分器17的输出端接微控制器IC222的输入端，积 分器17的输入端同第二四相乘法器16的输出端相接，第二四相乘法器16的 输入端同第一四相乘法器15的输出端相接，第一四相乘法器15的输入端同功分器14的输出端相接，功分器14的输入端经电容C213接超宽带接收放大 器12的输出端，超宽带接收放大器12的输入端同低通滤波器11的输出端相 连，低通滤波器11的输入端上接有超宽带接收天线10。所说的微控制器Id、 IG为PIC18F1320,其中微控制器Id中置有正交 码产生模块4、码变换模块2、乘法模块3、加"1"模块5，正交码产生模块 4同乘法模块3相连，码变换模块2同乘法模块3相连，乘法模块3输出端 同加"1"模块5输入端相连，加"1"模块5输出端同超宽带窄脉冲发生器 6的输入端相连；微控制器IC2中置有正交码波形产生模块18、积分窗口控制模块19、采 样模块20和判决模块21，正交码波形产生模块18同第二四相乘法器16相 接，积分窗口模块19同积分器17相接，采样模块20同积分器17输出端相 接，采样模块20的输出接判决模块21;上述各器件均为市售产品，其中所称的模块是编制程序信号数字(软件 编码程序)。本发明系统的使用方法是，微控制器Id通过输入端收到数据后，将数据 送到码变换模块2，对数据进行重复编码和极性变换，输出的数据送到乘法 模块3;正交码产生模块4产生一个码长与重复编码的长度相同并且与全"1"码 相互正交的正交码送到乘法模块3;乘法模块3将码变换模块2送过来的数据与正交码相乘，输出的数据送 到加"1"模块5;加"1"模块5对乘法模块3送过来的数据进行加"1"运算后通过微控 制器Id输出端输出触发序列，用以触发超宽带窄脉冲发生器6产生超宽带窄 脉冲串；超宽带窄脉冲发生器6产生的窄脉冲串经隔直流电容d7进入超宽带发 射放大器8;超宽带发射放大器8将窄脉冲串放大后送到超宽带发射天线9，由超宽 带发射天线9将射频信号发射出去；接收机的超宽带接收天线10接收到射频信号后，送到低通滤波器11滤 波，经过滤波后的信号送到超宽带接收放大器12，超宽带接收放大器12将 信号放大后输出；超宽带接收放大器12输出的信号经隔直流电容C213被送到功分器14， 功分器14输出两路相同的信号并同时被送到第一四相乘法器15进行乘法运 算；微控制器IC2内部的正交码波形产生模块18产生正交码波形信号，经微 控制器IC222输出到第二四相乘法器16中，并与第二四相乘法器16的输出 信号相乘，正交码波形产生模块18产生的正交码波形信号所对应的正交码与 发送端的正交码同步；积分器17对第二四相乘法器16送来的信号进行积分，同时，IC2内部的 积分窗口控制模块19通过微控制器IC222控制积分器17的积分窗口；积分器17的输出信号通过微控制器IC222输出被送到IC2内部的采样模 块20，采样模块20对信号采样后，将采样值送到判决模块21;判决模块21对采样值进行判决后，通过IC222输出解调数据；所说的全"l"码是指一段连续的数字，这段数字中每个数均为"1"，这 段数字中的数字个数为码长度， 一般长度取2n， n为正整数， 一个长为2"数 与全"1"码正交的码之间关系必须满足和为0，如一个长为2的2次方的与 全"1"码正交的码为(1-1、 1-1)与全"1"码正交，即1X1+1X (-1) +1 X1+1X (-l) 二0;加"1"模块5是指对所有进入该模块的数字均加上1的模块；本发明经数学模型验证，完全成功，有关情况如下设COTR-UWB系统的码元周期为7;，帧周期为r,，每帧周期内包含一个UWB 脉冲，且有7> 7>，且 》1， w,是每个符号内的帧数。A是码元周期内传 输能量。6,e^，+4是第/个码元周期内传输的信息比特。/K.)是标准的UWB脉冲， 其能量为i/ ，带宽近似为w，持续时间为[o，r,]，且z;《r,。丄为一次传输的 信号中的码元数。rf(,)是数据支路所采用的正交码波形，周期均为i;。定义一个由 个未调制的UWB脉冲组成的信号"(o如下:<formula>formula see original document page 10</formula>则在时间间隔[/7;，(/ + 1)1;1 (即 一个码元周期)内，信号^)可以表示为<formula>formula see original document page 10</formula>其中<formula>formula see original document page 10</formula>那么，在COTR-UWB系统中，传输信号的表示形式为<formula>formula see original document page 10</formula>COTR-UWB系统在加性高斯白噪声(AWGN)和多径衰落(MP)条件下的 误码率分别为<formula>formula see original document page 10</formula>C0TR-UWB系统(即本发明系统，以下同)的发射机原理如图2所示， 其中图3中1为脉冲发生器，2、 3为乘法器，4为加法器。C0TR-UWB系统的接收机原理如图4所示，其中图3中的(1)低通滤波 器，(2)为平方器(即第一四相乘法器)，(3)为乘法器，(4)为积分器， (5)为判决器。本发明(C0TR-UWB)系统性能利用通信仿真软件(matlab 7.0)，在IEEE 802. 15. 4a office NL0S信 道模型下，针对COTR-UWB系统进行了误比特率性能仿真，并结合标准TR-UWB 系统与FSR-UWB系统进行了比较。具体的仿真条件是，符号速率为^=1/7;=1似秘"，符号周期为 ;-i(KM)附，帧周期为r,，脉冲发生器产生的脉冲^)是宽度为l"s的二阶高斯波形，持续时 间为r,l附，接收端的噪声带宽为2.5(7松(单边)。具体的仿真结果如下选择TR-UWB系统信号的帧周期为7> =32.25附，帧内数据脉冲相对于参考脉 冲的延时为rfl = 13.5"S, FSR-UWB和COTR-UWB系统信号的帧周期是TR-UWB系统 信号帧周期的1/2，仿真结果如图4所示。选择TR-UWB系统信号的帧周期r, =62.5附，帧内的数据脉冲相对于参考脉 冲的延时为rp = 30"s , FSR-UWB和COTR-UWB两系统信号的帧周期是TR-UWB系 统信号帧周期的1/2，则仿真结果如图5所示。本发明(COTR-UWB)系统为短距离、低速率数据传输应用提供一种结构 简单、功耗较低的解决方案。具有如下的突出优点(1) 有极低的频谱密度；(2) 有低的截获检测概率；(3) 有强的抗干扰能力和穿透能力，提高了通信可靠性；(4) 功耗极低，延长了系统的工作时限；(5) 结构简单，有利于小型化设计；(6) 与采用非发送参考体制的脉冲UWB系统相比较，同步时间短，不需 要信道估计；(7) 与基于延时的发送参考脉冲UWB系统相比较，不需要模拟延时器件，有利于集成化设计，可以进一步降低系统的体积和成本；(8) 与基于频偏的发送参考脉冲UWB系统相比较，性能不会随着多径时延或传输速率的增加而明显恶化，适用的传输速率和传输距离进一步提高。
权利要求
1、一种超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统，是由发射机和接收机组成，其特征在于，所说的发射机是由微控制器IC1的输出端与超宽带窄脉冲发生器(6)输入端相联，超宽带窄脉冲发生器(6)的输出端经电容C1同超宽带发射放大器(8)的输入端相连，超宽带发射放大器(8)的输出端同超宽带发射天线(9)相连；接收机是积分器(17)的输出端接微控制器IC2的输入端，积分器(17)的输入端同第二四相乘法器(16)的输出端相接，第二四相乘法器(16)的输入端同第一四相乘法器(15)的输出端相接，第一四相乘法器(15)的输入端同功分器(14)的输出端相接，功分器(14)的输入端经电容C2接超宽带接收放大器(12)的输出端，超宽带接收放大器(12)的输入端同低通滤波器(11)的输出端相连，低通滤波器(11)的输入端上接有超宽带接收天线(10)。
2、 权利要求1所述的超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统，其 特征在于，所说的微控制器Id中置有正交码产生模块(4)、码变换模块(2)、 乘法模块(3)、加"1"模块(5)，正交码产生模块(4)同乘法模块(3) 相连，码变换模块(2)同乘法模块(3)相连，乘法模块(3)输出端同加"1"模块(5)输入端相连，加"1"模块(5)输出端同超宽带窄脉冲发 生器(6)的输入端相连；微控制器IC2中置有正交码波形产生模块(18)、 积分窗口控制模块(19)、采样模块(20)和判决模块(21)，正交码波形 产生模块(18)同第二四相乘法器(16)相接，积分窗口模块(19)同积 分器(17)相接，釆样模块(20)同积分器(17)输出端相接，采样模块(20)的输出接判决模块(21)。
3、 权利要求1或2所述的超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统 应用方法，其特征在于，微控制器Id通过输入端收到数据后，将数据送到 码变换模块(2)，对数据进行重复编码和极性变换，输出的数据送到乘法 模块(3);正交码产生模块(4)产生一个码长与重复编码的长度相同并且与全"1" 码相互正交的正交码送到乘法模块(3);乘法模块(3)将码变换模块(2)送过来的数据与正交码相乘，输出的数据送到加"1"模块(5);加"1"模块(5)对乘法模块(3)送过来的数据进行加"1"运算后 通过微控制器Id输出端输出触发序列，用以触发超宽带窄脉冲发生器(6) 产生超宽带窄脉冲串；超宽带窄脉冲发生器(6)产生的窄脉冲串经隔直流电容d进入超宽带 发射放大器(8);超宽带发射放大器(8)将窄脉冲串放大后送到超宽带发射天线(9)， 由超宽带发射天线(9)将射频信号发射出去；接收机的超宽带接收天线(10)接收到射频信号后，送到低通滤波器 (11)滤波，经过滤波后的信号送到超宽带接收放大器(12)，超宽带接收 放大器(12)将信号放大后输出；超宽带接收放大器(12)输出的信号经隔直流电容C2被送到功分器 (14)，功分器(14)输出两路相同的信号并同时被送到第一四相乘法器(15) 进行乘法运算；微控制器IC2内部的正交码波形产生模块(18)产生正交码波形信号， 经微控制器IC2输出到第二四相乘法器(16)中，并与第二四相乘法器(16) 的输出信号相乘，正交码波形产生模块(18)产生的正交码波形信号所对 应的正交码与发送端的正交码同步；积分器(17)对第二四相乘法器(16)送来的信号进行积分，同时， IC2内部的积分窗口控制模块(19)通过微控制器IC2控制积分器(17)的 积分窗口；积分器(17)的输出信号通过微控制器IC2输出被送到IC2内部的采样 模块(20)，采样模块(20)对信号采样后，将采样值送到判决模块(21); 判决模块(21)对采样值进行判决后，通过IC2输出解调数据。 4、根据权利要求3所述的超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统 应用方法，其特征在于，所说的全"1"码是指一段连续的数字，这段数字 中每个数均为"l"，这段数字中的数字个数为码长度， 一般长度取2"， n为 正整数， 一个长为2"数与全"1"码正交的码之间关系必须满足和为O。
全文摘要
本发明涉及超宽带通信中码正交发送参考调制解调系统及应用方法，可有效克服现有技术正交码的发送参考脉冲超宽带系统随着多径时延或传输速率的增加而明显恶化的问题，该系统由发射机和接收机组成，其应用方法是，发射机的微控制器收到数据后经码变换、正交加“1”后，输出触发序列信号，经放大器由天线发出，接收机接到信号后经低通滤波器、超宽带放大器、电容、功分器将信号送至四相乘法器，接收机的微控制器的积分窗口控制积分器，其输出信号经微控制器被送到微控制器的采样模块，对信号采样后，送到判决模块，输出解调数据，本发明不仅可以有效地解决在UWB信道中信道估计困难、同步要求较高的要求，而且有利于小型化与集成化。
文档编号H04L25/49GK101252564SQ20081004944
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者仵国锋, 刘洛琨, 鹏 孙, 力 常, 康荣宗, 剑 张, 张志远, 霞 李, 李铁峰, 涛 汪, 燕 翟, 虹 郭 申请人:剑 张