一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法
【专利摘要】本发明涉及无线通信技术，具体的说是涉及一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法。本发明所述的方法主要步骤为：采用串并转换器将串行二进制数据转换为N路并行二进制流；对N路并行二进制流中的N-1路并行二进制流进行多通道并行频率源调制，将其调制在N-1个离散频率上；对调制得到的N-1个离散频率进行合成，生成合成窄脉冲；对合成窄脉冲进行时域调制，将剩下的1路并行二进制流调制到合成窄脉冲上。本发明的有益效果为，可极大地提高无线通信系统的传输速率和通信容量；可与认知无线电、时间反演通信等新的通信技术相结合，产生出更好的通信效果。本发明尤其适用于超宽带无线传感器通信。
【专利说明】一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信技术，具体的说是涉及一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法。
【背景技术】
[0002]超宽带属于一种低功耗、绿色的、辐照安全的、短距离无线通信技术。它采用短时脉冲或有载波的宽谱信号携带二进制信息，实现无线通信。相对于传统的窄带载波无线通信系统，超宽带系统具有低功率谱、低截获、低功耗、抗干扰能力强、数据传输速率高、多径分辨能力强以及能与现有无线通信系统共享频谱等优点。这些独特的技术优势使其在物联网、智能电网、智慧家庭、智能交通、医疗护理、环境监测、精细农业、航空航天、军事侦测等领域具有广阔的应用前景，并成为当前短距离无线局域网(Wireless Local AreaNetworks, WLAN)、低功耗无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Networks)、高安全性体域网(BAN, Body Area Networks)等无线通信技术的研究前沿。
[0003]调制与解调是超宽带无线通信系统中一项极为关键的核心技术，它对系统的通信性能具有决定性影响。因此，自超宽带技术提出以来，调制与解调方法一直都是超宽带系统研究中的重点，同时也是难点。目前，研究最为广泛的超宽带无线信息调制与解调方法主要有:1、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, PPM)例如:V.Yajnanarayana, etal."Design of impulse radio UWB transmitter for short range communicationsusing PPM signals, 〃IEEE International Conference on Electronics, Computingand Communication Technologies (C0NECCT)，pp.1-4，Jan.2013 ;2、开关调制(On-OffKeying，00K)，例如:X.Cheng，et al."Optimal BER-Balanced Combining for WeightedEnergy Detection of UWB 00K Signals，"IEEE Communications Letters, vol.17,n0.2，pp.353-356，Feb.2013 ;3、脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM),例 如:J.Xu，et al."Singular Value Decomposition-Based Algorithm for NoiseSuppression of TH-PAM UWB Signal in AWGN Channel, 〃7th International Conferenceon Wireless Communications, Networking and Mobile Computing(WiCOM)，pp.1-3，23-25，Sep.2011 ;4、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM),例 如:A.Khalil，et al."Spectrum sharing optimization model for multiuser
Iinear-precoded OFDM UWB systems, "Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), pp.1467-1472，April 2012。
[0004]在上述调制方法中，PPM、PAM和00K不需要复杂的数字调制/解调算法、电路结构简单、便于实现。因此，在超宽带技术发展初期，人们对其研究广泛。但是，这三种调制方法受限于在简易的超宽带系统中应用。这是因为它们占据非常宽的频谱资源且频谱连续分布，不易实现对频谱资源的灵活配置与管理，极易引起频谱干扰，对其他短距离窄带无线通信系统性能会造成严重影响。相比较而言，釆用正交信道调制的OFDM技术，则能够利用灵活的频谱资源配置和发射功率控制等管理功能来规避频谱冲突，同时也具有较高的通信速率，是当前研究的热点。但是，由于缺乏对时域信息的利用，在实际的OFDM系统中，很难充分发挥超宽带原本具有的一些独特技术优势，诸如测距、定位、时域加密等，这些技术在WLAN、WSN以及BAN中均具有十分重要的应用。
[0005]为克服常规调制方法的不足，研究者们又提出不少新型的超宽带无线信息调制技术。例如，(I)基于扫频脉冲的超宽带无线通信调制方法(“郑国萃，冯金振，基于扫频脉冲的超宽带无线通信调制方法，中国专利:CN101267424，2008”)；(2) —种超宽带混沌通信方法(“宁鑫斐，冯久超，一种超宽带混沌通信方法，中国专利:CN101605112，2009”);(3)基于子载波编码的正交频分复用超宽带通信系统及其通信方法(“刘琪，邹卫霞，周正，王树彬，扬程，宋琦军，基于子载波编码的正交频分复用超宽带通信系统及其通信方法，中国专利:CN101459640，2009”)等 。这几种方法主要是将编码后的二进制信号调制到不同频谱上形成基带信号。这类方法传输速度高，但解码复杂，不利于降低接收机设计成本。
[0006]在国外，也有不少超宽带调制专利技术被相继提出。例如:Gerokhov等人提出了一种多调制技术方案，可在同一系统上集成多种不同的调制技术(Gerokhov，etal.Multiple modulation schemes in single rate layering wireless communicationsystems.US Patent: 8457152, 2005)。但是，多调制技术只能分时单独使用，并不能从根本上解决每种调制方法原本存在的问题。2011年，为实现超宽带近场通信，Tzoreff提出了一种频率调制共存对消技术(Y.Tzoreff, et al.Near field communication and frequencymodulation coexistence concealment system and method.US Patent:8472873, 2011)。该调制方法虽然能够解决在近场区域内的一些电磁干扰问题，使通信系统性能得到改善，但其灵活性欠缺、通信速率低、传输距离近，距实际应用要求还有相当大的距离。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种先进的时频联合调制方法，用以克服现有超宽带无线通信调制方法的不足，进而提高超宽带无线通信系统在通信速率、系统容量和无线共存等几个方面的性能。
[0008]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]a.采用串并转换器将串行二进制数据转换为N路并行二进制流；
[0010]b.对N路并行二进制流中的前N-1路并行二进制流进行多通道并行频率源调制，将其调制在N-1个离散频率上；
[0011]c.对调制得到的N-1个离散频率进行合成，生成合成窄脉冲；
[0012]d.对合成窄脉冲进行时域调制，将步骤b中剩下的最后I路并行二进制流调制到合成窄脉冲上。
[0013]具体的，步骤b的具体方法为:
[0014]bl.假设步骤a输出的N路并行二进制流Imi (t)，i = I, 2，-,N-1}均为单极性二元基带信号，并且二元信息Ibi, i = 1，2，…N-1}取0或1，则可将各路二进制调制信号表示成:1? (t) = bigT(t-Tb), (i = I, 2，…，N-1),其中gT(t)为幅度为I的单极性不归零方波，Tb为二进制码元时间间隔；
[0015]b2.将步骤bl中的二进制调制信号输入到多通道频率源调制器，所述多通道频率源调制器由N-1个离散频率源fji = 1，2，3…N-1)组成，对于一个中心频率为&、带宽为B的超宽带系统，假设采用等频率间隔Af = B/(N-1)进行子带划分，则各路频率
可设置为
【权利要求】
1.一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法，其特征在于，包括以下步骤: a.采用串并转换器将串行二进制数据转换为N路并行二进制流； b.对N路并行二进制流中的前N-1路并行二进制流进行多通道并行频率源调制，将其调制在N-1个离散频率上； c.对调制得到的N-1个离散频率进行合成，生成合成窄脉冲； d.对合成窄脉冲进行时域调制，将步骤b中剩下的最后I路并行二进制流调制到合成窄脉冲上。
2.根据权利要求1所述的一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法，其特征在于，步骤b的具体方法为: bl.假设步骤a输出的N路并行二进制流Imi (t)，i = I, 2，…，N-1}均为单极性二元基带信号，并且二元信息Ibi, i = 1，2，…N-1}取O或1，则可将各路二进制调制信号表示成:Hii (t) = bigT (t-Tb)，(i = 1，2，…，N-1)，其中gT (t)为幅度为I的单极性不归零方波，Tb为二进制码元时间间隔； b2.将步骤bl中的二进制调制信号输入到多通道频率源调制器，所述多通道频率源调制器由N-1个离散频率源fji = 1，2，3…N-1)组成，对于一个中心频率为&、带宽为B的超宽带系统，假设采用等频率间隔Af = B(N-1)进行子带划分，则各路频率可设置为-| + (/-|)A/+，=,与之对应的频率源信号为 Ci(t)=Acos (2 Ji f^), (i = 1,2,… ，N-1)，其中，A为载波信号幅值； b3.采用二元幅移键控技术对频率源进行调制，具体为将每路二进制调制信号Imi (t)，i = 1,2,…，N-1}调制到与之对应的离散频率源Ici (t)，i = 1,2,…，N-1}上，各路频率调制输出信号为=Si (t) = Ini ⑴? Acos (2 At)，(i = 1，2，…，N-1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法，其特征在于，步骤c中对调制得到的N-1个离散频率进行合成为采用幅度加权同步合成方法，具体为: 利用带宽为Af的高斯脉冲办(O = Y^exp -—，对频率源幅度进行幅度加权，得到合成窄脉冲 p(t)，Pit) = A^bi <rr(t-1Th)-,.1=l
4.根据权利要求3所述的一种基于时频联合调制的超宽带无线传感器通信方法，其特征在于，步骤d中对合成窄脉冲进行时域调制为采用PPM、PAM、BPM或00K。
【文档编号】H04B1/7176GK103580723SQ201310548868
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】周城, 赵德双, 徐璐瑶, 王秉中 申请人:电子科技大学