基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法及系统的制作方法

专利名称：基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种宽带无线通信技术领域，特别是在不需要借助无线电载波以及不需要对发送信号进行调制处理的情况下，通过对高速基带数字信号进行编码及波形转换处理后直接放大、发射以及接收来实现第五代(5G-5thgenerati0n)全数字宽带无线通信的方法与系统。
背景技术：
信息传输特别是信息的无线传输是现代社会的一个重要领域。一般情况下，现代信息技术是把声音、图像等模拟信号(analog signal)信息转化成数字信号(digital signal)进行信息处理或者保存。比如，计算机中的逻辑运算和信息存储全部都是采用数字信号的形式。在光纤通信系统中，信息也是以数字信号的形式加载到光传播媒介上而进行传播。从而，在计算机、光纤通讯、以及图像、声音等信号处理和存储的很多应用领域，信息都是以数字信号为基本形式。历史上，因为数字信号通常具有信号幅度小、频率低等特点，数字信号的无线传输通常需要把数字信号调制到无线电信号(radio frequency RF signal)上，通过无线电的发射、传输和接收，而实现信号的传输。这种方法一直是所有无线电信息传输的主要模式。 比如，传统的无线电广播系统，就是把声音信息加载到无线电载波上，实现发射、传输和接收；而其中的信息，是通过调制方式嵌入到无线电载波。但随着技术的进步，对无线通信的泛在性要求，迫切需要一种无线通信模式可以兼容数字信号、计算机信息以及光纤通信等几种主要模式，并同时具有结构简单、成本低廉、性能优越等特点。下面，我们将在分析传统无线电通信系统的特点基础上，提出一种区别于传统的无线电通信模式的新的无线通信方法和系统结构。传统的无线通信系统其射频前端收发模块子系统(简称收发系统)主要包括两种实现模式，一种是采用将频率进行变换的调制载波模式，一种是脉冲无线电(impulse radio)模式。其中，调制载波模式是发展了很多年的成熟系统，其特点是需要无线电载波来实现信号的无线传输。其收发系统的发射端是利用基带信号(包含了需要传输的信息)去调制载波无线电信号，通过混频器将低频基带信号和载波信号进行混频，从而将需要传送的信息加载到射频信号上，然后通过天线发射无线电载波而实现信息在空间的传输。这种模式的几种典型结构比如直接上变频发射机结构，超外差式发射机结构等，都需要无线电载波以及基带信号对载波的调制。调制载波模式的接收端则将接收的射频信号和载波信号进行混频，从射频信号中还原出低频基带信号，再传送给后续模块进行处理。这种接收端的典型实现方法包括如，零中频接收机，双中频外差接收机等。请参考“射频微电子”，Behzad Razavi著，余志平，周润德译，2006年4月第一版(参考文献1)。传统的无线广播通信系统，移动通信的第二代(second generationlG)，第三代(3G)，以及目前正在开发的第四代GG)系统等是基于以上的调制载波模式。其中，第三代 (3G)移动通信技术的国际标准已经比较完善，产品已经普及，可实现无线传输速率达到约每秒几兆比特。而第四代GG)移动通信技术的国际标准目前还不是很完善，产品还在开发阶段，其无线传输速率可达每秒1百兆比特或以上。虽然技术标准还没有完全确定，但国际上形成的共同认识是第四代移动通信系统需要具备可重构性，即兼容多种不同的无线通信模式和标准。第五代(5G)移动通信技术目前国际上还处于前期研发阶段，相关技术还没有明确的国际标准，预期的无线传输速率将在每秒1千兆比特或者以上。调制载波模式中一种被广泛应用的技术是码分多址(CDMA)技术，这种技术可以提高频谱的有效利用率，提高信息传输效率，降低干扰。相关专利包括如朱应剑，“数字调制方式的CDMA—次变频发射系统”，东方通信科技发展有限公司，授权号CN1440149， 2003年(参考专利1)；三浦彻也，“CDMA接收机及其接收方法”，日本电气株式会社，授权号 CN1402911，2003 年(参考专利 2)。通过以上的分析得知，传统的主流无线通信系统模式都需要依靠调制载波模式， 即通信系统需要依靠基带数字信号对无线电载波的调制，通过无线电载波实现信息的发射和传输。而其它的信息储存和传输系统比如计算机系统和光纤通信系统，其信息形式是数字信号。在传统的无线通信技术模式下，计算机信息以及光纤信息的无线传输，都需要依靠调制载波模式。把数字信号调制到无线电载波信号，一方面增加了系统的复杂度，从而提高了系统的成本，另外，也影响了信号完整性。最近几年兴起的超宽带(Ultra Wide Band-UffB)无线通信模式包括两种主要类型，一种是正交频分互用模式，一种是脉冲超宽带模式。在超宽带通信中，目前比较成熟的技术比如“多带-正交频分互用”(Multi Band-OFDM)系统，也采用了调制/解调的模式° 如Behzad Razavi, Han-Chang Kang, Turgut Aytur, RanYan, "Ultrawideband CMOS transceiver", US Patent, Pub. No. 2006/0103473 Al, May 16,2006(参考专利 3) ；Ismail, A. Abidi,"A 3. 1 to 8. 2GHz Direct ConversionReceiver for MB-OFDM UffB Communications",2005 IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference, pp. 208-210(参考文献 2) ；Hui Zheng, et al. ,"A3. 1-8. OGHz MB-OFDM UffB Transceiver in 0. 18 μ m CMOS, "IEEE 2007CustomIntegrated Circuits Conference (CICC)， pp. 651-654(参考文献 3)。以上模式都涉及到把基带信号经过调制加载到高频无线电载波信号上，再通过发射无线电载波而实现信息传输。其代表性特征是都需要无线电载波信号，并需要进行频率转化。从电路实现的角度分析，以上系统均需要混频器。过去近20年间，在无线通信领域两个被广泛研究的技术是软件无线电(software radio)和数字无线电(digital radio)技术。软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计，如 Buracchini, E. ；"The software radio concept,，，Communications Magazine, IEEE, Sep 2000，Vol. 38，Issue 9，page : 138-143 (参考文献 4)。软件无线电通常被认为是一个可以进行重新配置的系统，它只需要开发一套通用的硬件系统，系统通过不同的软件来适应不同的环境包括多种业务、标准、和频带等。从而，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。全波段理想软件无线电目前还只是设想，目前所能实现的是尽量采用软件无线电的设计思想，在中频以下达到全数字化，所以也称为数字无线电。“数字无线电”技术通常被用来描述那些将数字信号处理技术应用于基带信号处理、调制和解调、中频甚至射频信号处理的无线通信系统。请参考Layer，D. H. ；"Digital radio takes to the road,，，，Spectrum, IEEE, Volume :38, Issue :7, Page (s) :40-46(参考文献5)。从以上分析可以看出，软件无线电和数字无线电也都是建立在调制载波以及变频的基础上。同调制载波的无线通信模式不同，脉冲无线电(impulse radio)技术作为超宽带无线通信的一种实现模式是利用数字信号对脉冲信号进行幅度、位置等“调制”。这种模式通常被认为是一种“无载波”(carrier-less)模式，但仍然需要基带信号对超宽带脉冲所形成的载波信号进行调制，然后再进行信息传输和接收。如Byimghoo Jung et al. ,"Pulse generator design for UWB IR communicationsystems，，，Circuits and Systems，2005， 4381-4384 Vol. 5 (参考文献6)；马龙，“一种新的基于混沌脉冲位置调制的UWB4R通信系统，”解放军理工大学学报(自然科学版)，2007年04期(参考文献7)。综上所述，传统的无线电传输系统或者是建立在调制载波以及变频的基础上，或者需要对超宽带脉冲的载波信号进行调制。变频或者调制是所有传统无线电信号传输系统中所采用的模式。目前国际上还处于开发阶段的第四代GG)移动通信技术，因为要求系统具有在不同无线通信模式之间的可重构性，比如，在长距离手机模式与短程无线连接模式之间的可重构，从而相关系统也需要建立在调制载波的模式基础上。因为计算机系统以及光纤通信系统的信息都是以数字信号的形式存储或者在光纤中传输，4G无线通信也仍然无法实现无线通信与全数字的计算机与光纤通信之间的直接互联和信息传输。基于以上分析得知，迄今尚没有一种无线通信系统是建立在对高速基带数字信号进行数字信号处理基础上，对数字信号进行编码形成传输码后，直接通过对数字信号放大、 发射、传输以及接收而实现信息的全数字宽带无线传输。本发明提出的无线通信方法和系统是建立在高速基带数字信号的编码基础上，可实现与计算机系统以及光纤通信系统之间的直接无线连接，并具有每秒1千兆比特以上无线传输速率的能力。本发明技术可实现结构简单、成本低、高传输速率、兼容性强的无线通信系统，从而为第五代(5G)全数字宽带移动通信技术提供一种可能的解决方案。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于数字信号编码的全数字宽带无线通信的方法及系统，是在详细分析传统各种无线通信的方法及系统模式的基础上，提出一种基于高速基带数字信号编码后直接放大与传输的宽带无线通信方法及系统，与目前成熟的无线通信模式相比，本发明的无线通信系统无载波、无脉冲、无需变频，也不需要调制处理， 而是通过对高速基带数字信号进行编码形成传输码后直接放大、发射、传输和接收，从而实现结构简单、低成本、高传输速率的宽带无线通信系统。本发明提供的技术方案是把高速基带数字信号首先进行编码形成扩展码并进一步对波形进行变换形成传输码后，利用宽带无线射频系统直接对传输码进行信号放大与传输，而不需要传统系统中的无线电载波(包括超宽带脉冲)、数字信号对载波信号的调制/ 解调等步骤。在本发明的无线通信系统的发射端通过将高速基带数字信号编码形成传输码，经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射到空间；接收端从宽带天线接收信号， 输入到宽带低噪声放大器，信号经过宽带低噪声放大器放大后输入到高速采样器或者模数转化器，再输入到基带进行信号处理。本发明系统不需要把高速基带数字信号加载到另外的无线电载波或脉冲信号上之后进行发射和接收，从而本系统的发射端的射频部分无需上变频混频器和本振信号，本系统的接收端的射频部分无需下变频混频器和本振信号。本发明系统方案中对高速基带数字信号的编码过程分为如下两个步骤第一个步骤是将高速基带数字信号进行扩展后得到扩展码。数字信号通常是高、 低电平的一个随机序列，其中高电平通常用1代表，低电平通常用0代表。扩展码是通过将原来的数字信号代码1和0分别扩展为二位或以上的代码后形成，其中扩展码中同时包括高低电平分量，比如，高电平1扩展成10的扩展码，低电平0扩展成01的扩展码。扩展码解决了长序列的高电平(或者低电平)所形成的低频分量(或者近似直流分量)无法被射频系统直接发射、传输、和接收的问题。除了解决长序列单一电平频率过低无法被无线传输的问题，扩展码同时可以将某些情况下的低频数字信号扩展为高频信号。扩展码的作用是在不影响信号完整性的情况下，把数字信号的低频分量向高频端搬移，使需要传输的数字信号的频带落在一定的带宽范围内。第二个步骤是波形变换。高速基带数字信号形成的扩展码接着经过波形变换处理后得到传输码。传输码是将数字信号的扩展码(可被看作是方波脉冲序列)，通过滤波器对脉冲波形进行变换后得到。这种波形变换是在不影响信号完整性的基础上，对数字信号波形的高频分量进行取舍。波形变换后的传输码同扩展码相比降低了传输信号(在高频端) 的带宽，从而降低了系统对射频发射和接收端的带宽要求。传输码的形成需要在压缩扩展码带宽的同时，而不引入额外的码间串扰，这个功能是通过特定的滤波器来实现。本发明系统的发射端结构基带的高速数字信号(携带了需要传输的信息)，其信号幅度通常在几十个毫伏(mV)或者以下的量级。通过对数字信号编码进行扩展处理并形成传输码后，直接通过宽带的功率放大器将传输码数字信号的幅度放大到数百毫伏或者以上的量级，然后通过宽带天线发射出去。本发明系统的接收端结构宽带天线接收到无线电信号后，通过宽带低噪声放大器放大，然后输入到高速采样器进行采样和模拟/数字信号转化，最后输入到基带进行信号处理。通过以上系统可以实现高速基带数字信号直接无线发送、传输和接收的全数字、 无载波、无变频、无调制宽带无线通信系统。在多数应用情况下，基带数字信号是采用二进制的0和1表示。其中，0代表低电平(比如通常采用的零电压)，1代表高电平。高位进制如三进制的1，0，和-1也在某些情况下被使用。其中，-1代表幅度的绝对值和1的电平相同，但极性相反的电平。通过上述的高速基带数字信号编码技术以及相应的系统结构，可以实现基本的数字信号的无线发射、传输和接收。为了进一步增加系统容量、增加频带利用效率，可以利用高速数字信号系列的不同时段、不同形状，包括不同的信号幅度、上升/下降沿的时间常数、波形的相位及位置等，构成不同的信息传输通道，从而实现多用户、多通道的无线通信
6系统。通过以上分析可知，本发明系统对高速基带数字信号进行编码后直接经过宽带功率放大器放大，通过宽带天线发射；在系统的接收端，传输的无线电信号被宽带天线接收后，经过宽带低噪声放大器放大，再通过高速采样器或模数转化器送到基带进行信号处理。 本发明避免了传统无线通信模式中调制解调结构所必须的器件如混频器以及脉冲无线电模式中的脉冲发生器，从而实现结构简单，低成本，高传输速率的宽带无线通信系统。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明系统中主要部分的框图；图2是传统的直接上变频发射机结构(参考文献1)；图3是传统的零中频接收机结构(参考文献1)；图4是数字信号未经波形变换在系统中的传输情况，方波信号速率mbps，系统最高频率IGHz ；图5随机数字信号未经波形变换在系统中的传输情况，方波信号速率mbps，系统最高工作频率IGHz ；图6随机数字信号未经波形变换在系统中的传输情况，方波信号速率mbps，系统工作带宽l-5GHz ；图7随机数字信号经过波形变换形成传输码后在系统中的传输情况，方波信号速率l(ibps，系统最高工作频率IGHz。以上图1中有
10-基带数字信号发生系统
11-传输码
12-发射端的宽带功率放大器
13-发射端的宽带天线
14-接收端的宽带天线
15-接收端的宽带低噪声放大器
16-接收端的高速采样器模块
17-接收端的数字处理模块
图2中有
20-数字信号
21-无线电载波
22-调制变频后的信号
23-本振信号
24-移相器
25-混频器
图3中有
30-本振信号
31-移相器
32-混频器。
具体实施例方式图1显示本发明的宽带无线通信的系统发射端部分(左边)和接收端部分(右边)。在本发明系统的发射端部分，携带了需要传输信息的高速基带数字信号，以方波信号或其他的脉冲信号形式，输入到发射端。该高速基带数字信号的频率可以包括几百兆赫兹以上的射频、微波、毫米波频率等。数字信号中，同一种电平的长序列信息对应了低频或者接近直流信息，为了实现信息的无线收发，首先对原始的基带数字信号进行编码，即对数字信号进行扩展与形状调整处理，从而将数字信号转换为一定频率宽度的传输码。在接收机部分，宽带天线接收到的信号被宽带低噪声放大器放大后，利用高速采样器对信号进行采样和模拟/数字信号转化，再传送给后续基带电路进行信号处理。整个系统中，功率放大器，低噪声放大器，以及天线的频率响应带宽需要满足相应的系统带宽要求。在以上的系统中，采用以下几种模式可实现多用户、多通道通信。利用数字信号序列的不同时间段，可实现时分复用(TDM)系统。利用数字信号(如方波以及其他脉冲)的不同形状，包括幅度，上升/下降沿的时间，位置(或相位)的不同，可携带更多的信息。以上所述的全数字无载波宽带无线通信系统，具有实现计算机之间的无线连接的功能。同时，在光纤通信中因为信息的传递也是采用数字化模式，本系统也具有同光纤通信直接兼容的特性，从而实现光纤通信之间的无线连接。此外，数字集成电路芯片的片上互连 (interconnect)，也可以通过本系统模式实现无线片上互联。以上所述的实施例仅是为说明本发明专利的技术思想及特点，而不能以之限定本发明的专利范围，凡是依本发明专利所揭示的思想所做的均等变化或修饰，仍应涵盖在本专利权利要求书的保护范围内。图1为本发明所提出的全数字宽带无线通信系统结构的核心部分。本发明的宽带无线通信的系统发射端及接收端如图1所示，其中发射端包括基带数字信号发生系统10、 编码后形成的传输码11、发射端的宽带功率放大器12和发射端的宽带天线13 ；接收端包括接收端的宽带天线14、接收端的宽带低噪声放大器15、接收端的高速采样器模块16和接收端的数字处理模块17 ；系统的发射端是将高速基带数字信号10 (如方波信号)经过编码形成扩展码和波形变换后形成传输码11后，直接输入到发射端的宽带功率放大器12。图2为传统的直接上变频发射机结构。其中数字信号20加载无线电载波21形成调制变频后的信号22发射，本振信号23通过移相器M调整，再通过混频器25加载到射频信号，经过混频和调制的射频信号经过功率放大器放大后，通过天线发射出去。图3为传统的零中频接收机结构。其中天线接收到的射频信号通过低噪声放大器后，本振信号30通过移相器31调整，通过混频器32，转化为低频信号，再传送给后续电路进行处理。将图1和图2、图3进行对比后发现，采用变频的传统调制载波模式，其特征都是需要无线电载波信号，并需要进行频率转化；而本发明所提出的结构不需要变频，并且不需要另外的无线电载波。下面，我们以二进制为例，详细分析本发明的技术实现方案以及技术新颖性。对于高位进制的情况，可根据二进制做类似拓展。本发明的编码技术所具有的技术新颖性，主要体现在对无线系统的射频带宽的控制。其中，扩展码可以避免数字信号中的低频(或者接近直流)分量，而波形转换则避免了方波数字信号中的高频分量。关于数字信号的高频分量，下文以严格周期性方波信号为例进行说明。在0和1的二进制体系下，严格周期性的方波信号用("'01010101"*)的无穷序列来表示。为了能够在接收端还原严格周期性的方波信号而保持波形大致不变，接收端至少需包含方波基频分量的5次谐波分量。例如，若基带方波信号基频是1GHz，则系统发射端的放大器、天线，以及接收端的放大器需覆盖1-5GHZ的频带范围。否则，当系统带宽达不到相应要求时，方波信号高频分量将丢失，信号发生失真，进而引起前后码元之间的互相干扰，即产生所谓的码间串扰(Inter-symbol interference, ISI)。而如果采用时分复用系统，多路信号合并传输导致基带数字信号频率进一步上升，所要求带宽将以5倍的速度增长，将引起更严重的ISI。以上说明周期性方波信号对系统带宽在高频端的要求。而系统的带宽在低频端对应了另外一个极端。当遇到一个很长的同一电平序列时，比如1000个高电平(…11111111…)，其对应的方波的宽度将很宽(是单个信号的1000 倍)，这种情况下会导致频率过低而超出系统带宽范围。这样的信号因为频率过低甚至有可能无法通过天线进行发射。从而，如何实现对任意组合的数字基带信号特别是长序列的同一电平的信号或者接近周期性的方波信号进行无线传输，并且将系统的射频带宽控制在一定的带宽范围，成为本发明的一个核心技术难题。本发明中通过对高速基带数字信号进行编码来完成相应信号带宽的控制。其中对数字信号的编码分为扩展和波形变换两个步骤。以上过程，可以看成是将传统无线传输系统中射频部分的变频及调制过程，转化成基带数字信号的编码处理。对数字信号进行编码并形成具有一定带宽的可无线传输的传输码，是本发明的核心技术，也是该无线传输系统同其它传统无线传输系统的根本区别。对数字信号的扩展而形成扩展码，是将高速基带数字信号的原始代码序列，进行扩展后形成相应扩展码。比如，原始代码的电平扩展成含有高、低电平(零电压)组合的一个组合序列，形成扩展码。最简单的一种组合序列是将原始代码1扩展为高低电平组成的二位传输码10，原始代码0扩展为二位传输码01。扩展码的位数不限于二位，相对于原始码，同时含有高低电平的代码组合都可作为扩展码。以这种方式形成的扩展码，接收端将以电平变化情况来决定接受的实际电平电平由高电平跃至低电平则代表接收到的信号是 1，反之则代表接收到的信号是0。在原始代码进行上述的短序列扩展形成扩展码后，因为扩展码中含有高低电平， 可保证长序列的原始数字信号在转化成扩展码后含有高低电平，而不会发生过长的高电平或者低电平序列。虽然扩展码序列其速率变为原基带数字信号的两倍，但是扩展码的最低频率是扩展前原始基带信号的传输速率。这样便解决了过长单一序列导致频率过低的问题，有利于射频系统的设计与实现。形成扩展码的另外一种方法是引入分隔符。当遇到一个很长的高电平信号1时， 每隔一个或者几个信号宽度，插入一个低电平的分隔符信号S。这种分隔符s的电平和代表原始代码的电平0，具有不同的特性，比如，电平的时间宽度不同。从而，系统将根据这种不同宽度的低电平判断出分隔符。比如，一个基带信号序列(01101111111001)，通过分隔符的引入表达成(OllOllsllsllslOOl)。这里，是每隔两个高电平引入一个分隔符。通过分隔符的引入，一个很长的高电平将可以被分隔成短序列信号，并被无线发射和接收。在形成扩展码后，下一个步骤是对数字信号进行波形变换。这个过程用频带窄的波形来代替对频带要求高的方波，形成最终的传输码。用来代替方波的脉冲波形根据Nyquist Signaling规则，可以与前后其他脉冲重叠，但是需保证某一脉冲达到峰值时，其他脉冲在该点的值为0。通过以上方法，一方面扩展了脉冲的时域宽度降低其频带宽度，另一方面成功的避免了码间串扰。满足上述条件的波形均被称为耐奎斯特信号 (Nyquist Signal)，而升余弦(RaisedCosine)信号因为其在各方面达到较好的均衡，成为了应用最为广泛的信号形式。而且该方法实现较为简单，在系统中发射端和接收端加入 “Root-fciised-Cosine”滤波器即可实现上述波形变换。波形变换在不影响传输性能的情况下，可大大降低系统所需的带宽。与扩展处理共同作用，完成了对原始基带数字信号的处理。以上的扩展处理和波形变换的组合完成了对原始基带数字信号的编码过程。编码过程将对原始代码进行扩展和波形调整，从而形成可以被具有一定带宽的射频系统发射、 传输和接收的传输码。具体实施例一为了证明本发明的可行性，我们对本发明所提出的系统结构和功能进行技术验证。本发明的核心技术思想包括两个主要方面第一个方面，是高速基带数字信号直接由宽带功率放大器放大后送至天线发射传输，在接收端由宽带放大器接收后直接采样恢复原信号，整个过程中没有传统的载波调制过程，一定程度上简化了系统结构。第二个方面，是通过对高速基带数字信号的编码与变换形成传输码，从而降低射频系统的带宽，实现低误码率的无线传输系统。其中，对数字信号的编码包含两个步骤，第一个步骤是对数字信号进行扩展形成扩展码，第二个步骤是对扩展码进行波形变换形成传输码。其中扩展码的作用是把低频的数字信号，或者长序列单一电平，比如高电平序列(接近直流信号)扩展后，把数字信号的低频分量搬移到高频端而形成一定带宽的无线电射频信号。波形变换的作用是压缩数字信号的带宽(压缩信号的高频分量)，从而，使射频系统的速率在不需要几倍于基带数字信号速率的情况下，比如，在接近数字信号速率的带宽情况下，就可以实现信息的无误码率(或者低误码率)传输。下面，我们结合一个具体的系统，对以上步骤进行验证。在系统的发射端，首先将高速基带数字信号进行编码形成扩展码，并进一步对波形进行转换处理形成传输码后，利用一个宽带功率放大器将传输码的数字信号进行放大， 放大后的信号由宽带天线发射到空间。在系统的接收端，从发射端发送的信号，经过空间传输衰减后被接收端的天线接收，然后被宽带低噪声放大器放大。放大后的信号经过高速采样器采样以及模拟/数字信号转化后输入到基带进行信号处理。对于系统的传输端，我们首先考虑如何利用扩展码来实现长序列码或者低频信号的传输。对于基带数字信号，一种可能情况是长序列或者接近无穷长序列的高电平(…… 111111……)。这种序列可以看作是频率很低的无线电信号(或者接近直流信号)，而在传统的无线传输系统中，这种序列必须调制到高频射频信号上才能发射。这种长序列的高电平所对应的低频信号是无法直接作为无线电信号被发射和传输的。为了解决长序列的高电平码的直接传输，我们首先对这种码进行扩展，从而形成扩展码。扩展码的形成是在原来的高电平1中，引入二位10(或者01)编码扩展，形成(……10101010101010……)序列的扩展码。通过扩展码，使原来的高电平序列(……111111……)的低频信号，扩展成一个高频无线电信号，从而可以被发射端发射。我们接下来考虑长序列的高电平(……111111……)在扩展后的发射情况。一种简单的考虑，是将扩展后的高频(无线电)信号直接发射，而不经过波形变换步骤。对扩展码信号输入速率为IGbps的仿真结果如图4所示。在图4-图7中，纵坐标轴Vin是扩展码信号时域波形，Vs是经过发射端的功率放大器信号放大后发射至空间的信号，Vout是接收端低噪声放大器的输出信号，其中，电压 Vin, Vs、Vout的单位是mV。图中的横坐标轴为时间，单位是纳秒(ns)。因为长序列的扩展码对应了一个严格周期性方波序列(…… 10101010101010……)，理论上它包含了无穷多的奇次谐波分量，如果希望失真度较低地恢复方波信号，至少需要包含其5次谐波分量。若基带方波信号基频是1GHz，则系统带宽要达到5GHz。从而，对于一个特定带宽的发射端和接收端，比如，射频系统的带宽接近数字信号的情况下，由于高频分量丢失将产生码间串扰以及波形失真。比如，对于一个最高工作频率为IGHz的发射端和接收端系统，信号的高频部分被滤除，编码形成扩展码后经过功率放大器放大的发射信号Vs，以及在接收端经过低噪声放大器放大的接收信号Vout，其波形都是近似规则的正弦波形，而不是编码后形成的方波。在以上情况下，系统存在失真但在接收端仍然可以恢复所需要传输的原始信息。以上案例，说明在需要传输的数字信号中，当含有长序列高电平情况下，如何通过扩展码而形成一个高频的无线电信号，从而被本发明的系统所发射、传输和接收。对于一个无穷长序列的高电平，扩展后将形成一个严格的无穷长高低电平(10或者01)周期序列。以上这种情况只对应了一种极限情况，基带数字信号更通常的形式是近似的无规则序列。我们接下来验证对应近似无规则序列的扩展码的传输问题。当扩展码为一近似无规则序列(……010010110101……)，而不再是规则的方波时，对于Vin输入速率为IGbps 的扩展码的信号时域波形，在最高工作频率为IGHz的无线发射端接收端系统中，仿真结果如图5所示。这时由于传输过程中高频分量被滤除，在此带宽的射频系统下将产生严重的码间串扰造成波形失真。不同于上面讨论的严格周期性方波，在接收端对接收信号进行采样恢复后在某些点将会出现误码。而为了避免出现这种误码，一种方法是提高系统的射频带宽，包括发射端的放大器、天线以及接收端的放大器。比如，当我们把射频系统的带宽提高到5GHz时，系统的仿真结果如图6所示。由于带宽增加，这时传输以及接收信号基本上包含了所需的频率分量，时域波形上升下降沿变陡，接近方波。以上结果说明，对于编码后形成一个近似无规则序列的扩展码，可以通过将射频系统(包括发射端、天线、接收端)的工作频率提高到数字信号数据传输速率的5倍或者以上，在带宽足够宽时实现系统信号的无误码传输。10/10 页但随着射频系统带宽的增加，系统的复杂度和成本也相应大幅度增加。本发明的另外一个重要技术思想，是通过波形变换的技术，用带宽较小的脉冲代替扩展码的方波脉冲形成传输码，从而降低射频系统所需要的带宽。本发明中对扩展码进行波形变换形成传输码的功能是通过在系统中加入“升余弦滤波器(Root-Raised-Cosine Filter) ”来实现的。通过引入符号速率为数字信号传输速率两倍的升余弦滤波器，通过对扩展码进行滤波形成传输码后再进行传输。比如，对于码速率为mbps的数字信号，通过符号速率为2GHz的升余弦滤波器后所形成的传输码，在射频系统的最高工作频率为IGHz的发射端以及接收端的信号仿真结果如图7所示。我们比较经过升余弦滤波器处理(图7)与没有经过升余弦滤波器处理的情况(图幻的结果，可见升余弦滤波器在不产生码间串扰的情况下对扩展码频带进行了压缩，减少了系统所需的带宽。从而，通过本发明的升余弦滤波器的引入，可以把本来需要5倍带宽的射频系统才可以实现的低误码率传输，在接近1倍带宽的射频系统中就可以实现。通过降低射频系统的带宽，可以大大降低系统的复杂度和成本。此外，考虑到不同频率的信号在空间衰减程度的不同，通过升余弦滤波器对波形进行变换形成传输码而降低射频系统的带宽，比单纯增加系统带宽，在降低误码率方面更具优势。
权利要求
1.一种基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于该宽带无线通信方法是通过对高速基带数字信号进行编码处理形成传输码后，直接通过高速基带数字信号的放大、发射、传输和接收而实现高速基带数字信号无线传输。
2.根据权利要求1所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于该宽带无线通信方法的发射端数字信号编码分为扩展和波形变换两个步骤，先后得到扩展码与传输码。
3.根据权利要求2所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于扩展码是将数字信号的原始代码进行扩展，原始代码的电平扩展成含有高、低电平组合的一个组合序列。
4.根据权利要求2所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于扩展码是在原始代码中引入分隔符，每连续规定数目的相同电平后插入与基本码元均不相同的分隔符。
5.根据权利要求2所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于传输码是对扩展码进行波形变换后，用窄频带的脉冲波形来代替宽频带的方波。
6.根据权利要求5所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于用来替代方波的脉冲波形为耐奎斯特信号，使波形变换不引入额外的码间串扰。
7.根据权利要求5所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于波形变换通过在基于数字信号编码的第五代宽带无线通信系统中加入升余弦滤波器而实现。
8.根据权利要求2所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法，其特征在于扩展和波形变换的处理完成了对原始基带数字信号的编码过程，编码过程将对原始代码进行扩展和波形转换，形成可被具有一定带宽的射频系统发射、传输和接收的传输码。
9.一种基于数字信号编码的第五代宽带无线通信系统，其特征在于该基于数字信号编码的第五代宽带无线通信系统的发射端，通过将高速基带数字信号编码形成传输码，经过宽带功率放大器放大后，通过宽带天线发射到空间；该宽带无线通信系统的接收端，从宽带天线接收的信号输入到宽带低噪声放大器，经过宽带低噪声放大器放大后输入到高速采样器或者模数转化器，再输入到基带进行信号处理。
10.根据权利要求9所述的基于数字信号编码的第五代宽带无线通信系统，其特征在于该宽带无线通信系统的发射端部分包括基带数字信号发生系统、宽带功率放大器和宽带天线；该宽带无线通信系统的接收端部分包括宽带天线、宽带低噪声放大器、高速采样器模块和数字处理模块。
全文摘要
本发明是一种基于数字信号编码的第五代宽带无线通信的方法及系统，涉及宽带无线通信领域，本发明通过对高速基带数字信号进行编码形成传输码后直接发送、传输和接收，而不需要传统无线通信系统的射频载波或者射频脉冲、无需变频，也不需要对信号进行调制/解调处理，本发明系统发射端通过对高速基带数字信号进行扩展与波形变换的编码而形成传输码，传输码经过放大后通过天线发射；在系统接收端被宽带天线接收到的信号，被低噪声放大器放大后输入到高速采样器或者模数转化器，再输入到基带进行信号处理。本发明具有结构简单，传输速率高，低成本的特点，可应用于第五代(5G)全数字宽带无线通信。
文档编号H04L25/03GK102387102SQ20101026825
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者姜楠, 尤肖虎, 张在琛, 李滔, 黄风义 申请人:东南大学, 爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司