一种采用声表面波相关器的扩频通信系统的制作方法

专利名称：一种采用声表面波相关器的扩频通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扩频通信系统，尤其涉及一种采用声表面波相关器的扩频通信系统，属于无线通信技术领域。
背景技术：
现今，无线通信已渗透到我们日常生活的各个方面，手机、蓝牙耳机、无线键盘鼠标和WiFi站点等都是现代无线通信的成就。追求更快更多更优的信息传输，是无线通信技术发展的永恒动力。扩频通信，是扩展频谱通信的简称。它是指传输信息使用的射频带宽是信息带宽的10至100倍以上的通信体制，传输带宽主要由发信机和对应收信机预先制定的扩频码序列确定。在扩频通信系统中，发信端用一种特定的调制方法将原始信号的带宽加以扩展，得到扩频信号。收信端再对接收到的扩频信号加以处理，把它恢复为原来带宽的所要信号。扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。超宽带(UWB，Ultra Wide Band)通信是扩频通信的发展，专指无线电技术中信号传输相对带宽大于20%，或有效通信速率大于500Mbps的应用技术。超宽带概念最初源于 20世纪60年代对微波网络冲激响应的研究，首先用在军用雷达和定位设备中。2002年美国联邦通讯委员会(FCC)发布了商用化规范，批准将UWB技术民用。超宽带通信是无线电通信领域的一次革命性进展，是未来短距离无线移动通信高速传送多媒体信息，高速接入计算机网络的关键技术。目前，UWB的主要民用领域有地质勘探及可穿透障碍物的传感器， 汽车防碰撞传感器和短距离无线通信等。声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件是在压电晶片上制作的无源微型电子元件，它利用晶片上的叉指换能器等金属电极结构，实现电-声表面波的能量转换和控制声表面波传输特性，来完成稳频、滤波、延迟和传感等功能，已在雷达、通讯、音视频、遥控、传感等领域得到广泛应用。SAff器件特有的电-机-电无源能量转换机制，使其具有实时实现相关、卷积等复杂电信号处理功能，在需要高速实时处理的应用中，具有不可代替的应用潜力。其中SAW相关器具有电路简单、实时处理和不需调试等特点，是微弱信号相关接收的关键元件，在雷达和通信技术中已得到广泛应用。SAW相关器主要有两类采用色散换能器的匹配滤波器和采用编码换能器的相关器，本文所涉及的SAW相关器仅指编码相关器。目前，SAW编码相关器采用的编码方式有两种脉冲极性编码和正交频率编码。国外就采用SAW相关器的扩频通信系统提出了一些技术方案，例如
T. &ito等人提出了采用脉冲位置调制的扩频码系统，参见图4。在系统中，对标志数据 1和0的脉冲分别提前或延迟参考脉冲半个码片，其参考扩频码和数据扩频码不同，并使系统有较好的自相关和互相关性能。系统共采用了四个SAW相关器，分别作为发射和接收解调用。试验样机激励脉冲宽仅为2. 5ps，极限数据率大112Mbps。由于采用了 SAW技术，射频发射与接收单元的功耗极低。
D.R. Gallagher等人提出了一种采用正交频率编码SAW相关器的超宽带通信系统，如图5示。利用正交频率编码的SAW相关器，完成基带信号和射频链路脉冲信号的产生和解调。目前，扩频通信技术存在的问题是，(1)地址码码型、速率与信号的频谱、信号之间的干扰等特性有直接关系，所以如何选取地址码通常成为专门的研究课题；(2)由于使用宽带射频信号，应注意调制方式和对调制器、解调器的要求；(3)接收机必须确定信号地址码相位和载波频率才能解调信号，因此需要有良好的同步；(4)研制和采用新型器件和部件(如匹配滤波器、频率合成器和微计算机控制等)对改进设备性能有重要作用。
实现扩频通信技术的方式包括直接序列扩频、载波频率跳变扩频、混合扩频等，但采用这些扩频方式存在一些问题。首先，整个通信系统的结构较复杂，其次，基带编码基元数受限制，不适用于多进制编码；再次，备选码组较少，保密性能不高。

发明内容
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是采用声表面波相关器的扩频通信系统，其基带信号是N进制编码。系统采用的扩频码为同一相容码组的N个相容码成员，每个相容码对应一个N进制码元，扩频码的产生和接收采用了声表面波相关器。系统的发射单元包括脉冲发射、码元识别、N个发射端SAW相关器，系统的接收单元包括N个接收端 SAff相关器和输出识别模块，其特征在于所述N个发射端SAW相关器一一对应地直接把基带窄带N进制编码数字信号扩频为可直接发射的高频宽带相容码脉冲链路电波，所述N个接收端SAW相关器把接收到的高频宽带相容码脉冲电波一一对应地直接解调为基带窄带N 进制编码数字信号。所述相容码组，为非周期码的集合，其特征在于
(1)相容码组成员的平衡值均优于规定值；
(2)相容码组成员的自相关旁瓣特征均优于规定值；
(3)相容码组各成员彼此间的互相关特性均优于规定值；、
(4)相容码组的成员数至少为N。与所述发射和接收配对的SAW相关器采用同一相容码，多对SAW相关器的编码属于同一相容码组，每个相容码对应一个N进制码元。所述发射端SAW相关器采用和所述接收端SAW相关器用相容码的逆序码。所述相容码的调制方式是脉冲极性编码调制，或是正交频率编码调制，同时配用该类型SAW相关器。扩频后的所述相容码的脉冲由系统内窄脉冲源激励发射端SAW相关器实时产生。所述链路电波相关接收由配对的接收端SAW相关器实时完成，直接复原为原始基带编码信号。本发明的有益效果在于基带编码基元数N不受限制；保密性能优，备选相容码组极多，并可随时改变所用码组；采用SAW相关器，系统结构简单。


图1为脉冲极性编码SAW相关器。图2为正交频率编码SAW相关器。图3为SAW相关器相关特性模拟。
图4为脉冲位置调制的扩频码系统。图5为采用正交频率编码SAW相关器的超宽带通信系统。图6为本发明实施例的原理示意(基带三进制编码应用)。图7为本发明的发射单元示意。图8为本发明的接收单元示意。图9为本发明实施例的发射单元示意。图10为本发明实施例的相关器SAWC-IT结构示意，编码为13位相容码1的逆。图11为本发明实施例的相关器SAWC-IT被窄脉冲激励后生成的相容码脉冲1。图12为本发明实施例的相关器SAWC-2T结构示意，编码为13位相容码2的逆。图13为本发明实施例的相关器SAWC-2T被窄脉冲激励后生成的相容码脉冲2。图14为本发明实施例的相关器SAWC-3T结构示意，编码为13位相容码3的逆。图15为本发明实施例的相关器SAWC-3T被窄脉冲激励后生成的相容码脉冲3。图16为本发明实施例的接收单元示意。图17为本发明实施例的相关器SAWC-IR结构示意，编码为13位相容码1。图18为本发明实施例的相关器SAWC-IR的模拟特性。图19为本发明实施例的相关器SAWC-2R结构示意，编码为13位相容码2。图20为本发明实施例的相关器SAWC-2R的模拟特性。图21为本发明实施例的相关器SAWC-3R结构示意，编码为13位相容码3。图22为本发明实施例的相关器SAWC-3R的模拟特性。
具体实施例方式结合附图与具体实施例进一步作以下说明。图1为SAW脉冲极性编码相关器结构，由短均勻换能器和相关换能器组成。其相关换能器是多个极性不同的子换能器组合，通过子换能器电极汇流不同实现极性调制，其排列序即为编码。图2为SAW正交频率相关器结构，也由短均勻换能器和相关换能器组成。其相关换能器是多个不同中心频率的子换能器组合，所选取的频率值是彼此正交的，即子换能器叉指周期比为整数，其排列序即为编码。相关换能器也可通过子换能器汇流不同实施极性调制，实现极性和频率双重编码。SAW相关器的短均勻换能器作为电信号输入端，相关换能器作为电信号输出端。配对的发射端SAW相关器和接收端SAW相关器，其相关换能器的时域特性是倒易的，即两者编码互为镜像。发射端SAW相关器，其输入为一单窄脉冲，输出为被其编码调制的展宽电脉冲，称为编码脉冲。编码脉冲的子脉冲长度近似等于相关换能器子换能器的时域长度，编码脉冲总长度近似为相关换能器的时域长度。接收端SAW相关器，其输入为前述编码脉冲，输出为输入编码脉冲与相关换能器的卷积电信号。当输入编码脉冲的编码与此SAW相关器的编码配对时，其输出卷积信号称为自相关信号，它具有极大幅度中心峰，而旁瓣较小，其时域长度约为输入脉冲的两倍。如输入编码脉冲的编码与此SAW相关器的编码不配对时，其输出卷积信号称为互相关信号，为具有幅度起伏、时域长度同样约为输入脉冲两倍的杂散波。由此，SAW相关器实现了对输入编码脉冲的高度选择性。图3为SAW脉冲极性编码相关器相关特性模拟，图3A表示七位码0001101的自相关输出特性，该码为已知的巴克码，其自相关峰高约为其码长7，而自相关旁瓣值最大仅为1，自相关特性优异。图3 B表示该码和七位码0100111码的互相关输出特性，其互相关极值约为3，这是七位码间最小的互相关值。图6是本发明的原理示意(基带三进制编码应用)。相容码组和相容码为实现本发明应用，需要适用的通信编码序列，在这儿定义 m级相容码组，是指由多个码长为m的非周期码组成的组，其成员称为相容码，满足如下要求1)成员近似为平衡码，其平衡值均优于规定值；2)成员自相关旁瓣特征优于规定值；3) 各成员彼此间的互相关特性优于规定值。一相容码组的最大成员数称为其度，限制了基带编码码元数(即N进制编码的N 值)。寻找相容码组的最大成员，属于图论的最大团问题，随着码长的增加，计算复杂度急剧上升。但对本发明应用，由于N值不大，寻找相容码组容易。本方案的通信系统，发射和接收配对的SAW相关器采用同一相容码，多对SAW相关器的编码应属于同一相容码组。本发明的基本特征1)引入相容码组，实现多码相关的实际应用；2)采用SAW相关器直接完成基频窄带信号与高频宽带链路电波转换的通信系统；3)基带信号编码是N进制编码，此时采用的相容码组的度至少为N，N值下限为2，即常用的二进制编码；4)基带N进制编码的码元A、码元B等的扩频码，即对应接收端SAW相关器编码，为同一相容码组内相异相容码，并一一对应；5)配对的发射端SAW相关器采用和接收端SAW相关器用相容码的逆序码；6)相容码调制方式可以是脉冲极性编码调制，也可是正交频率编码调制，同时配用该类型SAW相关器；7)扩频后的相容码脉冲由系统内窄脉冲源激励发射端SAW相关器实时产生；8)链路电波是具有已知特征的相容码脉冲序列，每个相容码脉冲对应一个基带信号编码；9)链路电波相关接收由配对的接收端SAW相关器实时完成，直接复原为原始基带编码信号；10)适当设计，可使链路传播的相容码脉冲其频谱相对带宽超过20%，满足超宽带通信系统要求。系统工作原理在发射单元和接收单元中的脉冲放大模块是可选的，以用来提高系统的通信距离。发射单元主要由脉冲发生、码元识别，N个发射端SAW相关器等组成(图7 为本发明发射单元示意)。脉冲发生器，产生单窄脉冲用来激励发射用SAW相关器产生扩频后的相容码脉冲。对脉冲极性编码调制，窄脉冲可以是载波为SAW相关器中心频率的包络。在正交频率编码调制时，窄脉冲的频域应覆盖SAW相关器的所有正交频率。N个发射端SAW相关器的输入端为相同的均勻换能器，输入为激励用单窄脉冲。但其输出端为对应同一相容码组内不同相容码编码的相关换能器，被输入窄脉冲激励后会产生相应的相容码脉冲。我们规定相容码与码元有一一对应关系，例如码元A对应于相容码 1…，这样基带编码码元就被扩频为不同相容码脉冲了。码元识别模块作用是识别输入的基带编码码元，分配激励窄脉冲激励预先规定的 SAff相关器，而产生对应的相容码脉冲。接收单元主要由N个接收端SAW相关器和输出识别模块等组成(图8是本发明接
6收单元示意)。接收端SAW相关器配对发射端SAW相关器，其输入端为均勻换能器，而输出端为相关换能器。当输入为对应的相容码脉冲时，将在预计时刻输出幅度很大的自相关信号，而对其他相容码脉冲，其输出为幅度较小时域起伏的互相关信号。输出识别模块，判别哪一个SAW相关器有自相关信号输出，就输出对应的基带编码码元。这样，就复原了基带编码信号，完成基带通信过程。作为本发明的实施例，详细说明采用脉冲极性编码SAW相关器的三进制基带编码扩频通信系统。实施例的其发射单元示意如图9。其中使用了三个脉冲极性编码SAW相关器 SAffC-IT, SAWC-2T和SAWC-3T，分别对应于三进制码元A、码元B和码元C。在本实施例中，我们只规定了码自相关旁瓣和码间互相关的幅度限制，对码长m 不大于100的m级相容码组，可用七位数字来分类首两位为码长m，第三位为码成员平衡值的最大值，接着两位是成员自相关旁瓣值的最大容许值，最后两位表示任意两成员间的互相关特性最大值的最大容许值。例如上节所提的七位码，被认为属于(0710203)相容码组。本实施例的扩频用极性编码相容码组为(1330304)，即13位非周期相容码组，它应满足如下要求
1.码近似为平衡码，其平衡值均不大3;
2.每个码自相关旁瓣值均不大于规定值3；
3.组内各码彼此间的互相关极值均不大于规定值4。经计算，满足上述要求的极性相容码组，最大度为3，仅有两组。本实施例采用其中一组
码元A对应的扩频相容码1为0010100010011，记为十进制数1299。码元B对应的扩频相容码2为0011000101101，记为十进制数1581。码元C对应的扩频相容码3为0100001111101，记为十进制数2173。本发明利用声表面波器件δ函数模型和MATLAB编程平台，模拟了 SAW相关器的一些特性。在本实施例模拟中，SAW相关器的叉指换能器中心频率1000 MHz (石英压电基片)，输入换能器长度为10个波长，输出相关换能器的每个子换能器长度为15个波长，间距 20个波长。图10、图12和图14，是相应的发射端SAW相关器叉指换能器结构示意，他们的编码顺序与所选用的相容码相反。在本实施例的模拟中，采用长度为15个波长的1000 MHz载波矩形脉冲，作为SAW 相关器的输入激励脉冲，模拟SAW相关器的脉冲响应。图11、图13和图15分别是这些SAW 相关器被此窄脉冲激励后产生的相容码脉冲模拟，可以清晰看到编码调制特征。实施例的接收单元示意如图16。也使用了三个SAW相关器SAWC-1R，SAWC-2R和 SAWC-3R,分别对应于三进制码元A、码元B和码元C，是配对前述发射端SAW相关器的。图 17、图19和图21，是相应的接收端SAW相关器叉指换能器结构示意，他们的编码顺序与选用的相容码相同。图18、图20和图22分别是三个接收端SAW相关器的模拟特性。其中各图中A小图为各接收端SAW相关器的频率特性，相对带宽大于8%。各图中B小图为当配对发射端SAW 相关器产生的相容码脉冲输入时，得到的自相关特性，可见明显的中心峰。而各图中C小图为当不配对发射端SAW相关器产生的相容码脉冲输入时，得到的互相关特性，可见，其互相关峰最大值要比上述自相关中心峰至少低7dB。通过模拟可知，如设计更短长度换能器的SAW相关器，采用更窄的激励脉冲，整个系统将成为超宽带通信系统。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种采用声表面波相关器的扩频通信系统，所述系统的发射单元包括脉冲发射、码元识别、N个发射端SAW相关器，所述系统的接收单元包括配对的N个接收端SAW相关器和输出识别模块，其特征在于所述N个发射端SAW相关器一一对应地直接把基带窄带N进制编码数字信号扩频为可直接发射的高频宽带相容码脉冲链路电波，所述配对的N个接收端 SAW相关器把接收到的高频宽带相容码脉冲电波一一对应地直接解调为基带窄带N进制编码数字信号。
2.根据权利要求1所述的采用声表面波相关器的扩频通信系统，其特征在于基带信号编码是N进制编码，N值下限为2，即常用的二进制编码。
3.根据权利要求1所述的采用声表面波相关器的扩频通信系统，其特征在于采用的N 个扩频码为同一非周期相容码组的相容码成员，每一个相容码对应一个N进制码元。
4.根据权利要求3所述非周期相容码组，其特征在于(1)所述相容码组成员的平衡值均优于规定值；(2)所述相容码组成员的自相关旁瓣特征均优于规定值；(3)所述相容码组各成员彼此间的互相关特性均优于规定值；、(4)所述相容码组的成员数至少为N。
5.根据权利要求3所述非周期相容码组，其特征在于所述相容码的调制方式是脉冲极性编码调制，或是正交频率编码调制。
6.根据权利要求1所述的采用声表面波相关器的扩频通信系统，其特征在于扩频后的所述相容码脉冲由系统内窄脉冲源激励所述发射端SAW相关器实时产生。
7.根据权利要求1所述的采用声表面波相关器的扩频通信系统，其特征在于所述链路电波相关接收由配对的所述接收端SAW相关器实时完成，直接复原为原始基带编码信号。
全文摘要
本发明涉及一种采用声表面波相关器的扩频通信系统，其基带信号是N进制编码。系统采用的扩频码为同一相容码组的N个相容码成员，每个相容码对应一个N进制码元，扩频码的产生和接收采用了声表面波相关器。系统的发射单元包括脉冲发射、码元识别、N个发射端SAW相关器，接收单元包括配对的N个接收端SAW相关器和输出识别模块，该N个发射端SAW相关器一一对应地直接把基带窄带N进制编码数字信号扩频为可直接发射的高频宽带相容码脉冲链路电波，配对的N个接收端SAW相关器把接收到的高频宽带相容码脉冲电波一一对应地直接解调为基带窄带N进制编码数字信号；本发明的优点在于基带编码基元数N不受限制；保密性能优，备选相容码组极多，并可随时改变所用码组；采用SAW相关器，系统结构简单。
文档编号H04B1/709GK102255629SQ201110188708
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者周宗闽, 方强, 杨建玲, 陈培杕, 雷爱红 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所