多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置和方法与流程

本申请涉及无载波通信技术领域，尤其涉及一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置和方法。

背景技术：

UWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，具有抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小等优点。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信，低发射功率还可以大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，因此UWB技术的应用前景十分广阔。

UWB技术的相关标准主要分为飞思卡尔主导的直接序列UWB(Direct Sequence UWB，DS-UWB)和德州仪器主导的多频带正交频分复用UWB(Multi-band OFDM，MB-OFDM-UWB)，而MB-OFDM-UWB优点在528MHz频宽远低于DS-UWB(差三倍)，而在ADC(模转数)、DAC(数转模)中以更低的速率工作，能減少功耗1.5倍。

然而，由于各种原因基于UWB技术的商业化产品并不多见，而现有的NFC芯片传输速度约424Kbps，存取速度慢。随着多媒体和移动终端等技术的发展，对UWB商业化产品的传输速率提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置和方法，以解决现有UWB技术的基础上提高传输速率的问题。

本申请提供了如下方案：

一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，包括：

卷积模块，用于将输入数据进行卷积运算；

穿刺模块，用于通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率；

交错模块，用于将穿刺后的数据进行交错处理以防止突发性差错；

多工编码模块，用于将交错处理后的数据分割为多阵列数据包；

多个OFDM调制模块，用于将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输；

多个UWB射频模块，用于将OFDM调制后的多阵列数据包进行UWB射频处理。

所述多工编码模块包括：动态多阵列控制器，封包暂存器，频域同步编码器；其中，

动态多阵列控制器，用于根据控制旗标将交错处理后的数据动态切分为多组数据包，所述控制旗标由接收端的多重旗标监测器与所述动态多阵列控制器握手获得；

封包暂存器，用于存放动态切分后的多组数据包；

频域同步编码器，用于将所述多组数据包进行频域同步处理，产生多阶同步数据包并发送至OFDM调制模块。

所述OFDM调制模块包括：空间映射器，串并转换器，反傅里叶变换器，数模转换器和时频交错OFDM调制器；其中，所述时频交错OFDM调制器将每一阵列数据包依据时频交错码跳到不同的频段传输。

所述的多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，还包括：多个发射天线，与接收端的接收天线配对工作，每对天线工作于不同的固定频带同步传输所述UWB射频模块处理后的多阵列数据包信号。

优选的，还包括：加密模块，采用AES加密算法对数据进行加密后再输入卷积模块。

相应的，本发明还提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，包括：

多个UWB射频模块，用于将UWB射频信号迁移至基带；

多个OFDM解调模块，用于将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；

多工解码模块，用于将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；

解交错模块，用于将多工解码后的数据进行解交错处理；

解穿刺模块，用于将解交错处理后的数据进行解穿刺处理，以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；

维比特解码模块，用于将解穿刺处理后的数据进行卷积运算的解码处理。

所述多工解码模块包括：多重旗标监测器，封包合并暂存器，频域同步解码器；其中，

频域同步解码器，用于将OFDM解调后的多阵列数据包进行频域同步解码处理；

多重旗标监测器，用于与接收端的动态多阵列控制器握手，根据监测到的控制旗标向所述封包合并暂存器发出合并控制指令；

封包合并暂存器，用于根据所述合并控制指令多阵列数据包合并。

所述OFDM解调模块包括：逆空间映射器，并串转换器，傅里叶变换器，模数转换器和时频交错OFDM解调器；其中，所述时频交错OFDM解调器将多阵列数据包依据时频交错码进行解调还原处理。

所述的多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，还包括多个接收天线，与发射端的发射天线配对工作，每对天线工作于不同的固定频带同步传输多阵列数据包信号。

优选的，还包括AES解密模块，将维比特解码后的数据进行AES解密处理。

相应的，本发明还提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，包括：

卷积编解码模块，用于在发射端将数据进行卷积运算，在接收端采用维比特运算进行解卷积处理；

穿刺编解码模块，用于在发射端通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率，在接收端以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；

交错编解码模块，用于在发射端将穿刺后的数据进行交错处理，在发射端将多工解码后的数据进行解交错处理，以防止突发性差错；

多工编解码模块，用于在发射端将交错处理后的数据分割为多阵列数据包，在接收端将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；

多个OFDM调制解调模块，用于在发射端将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输，在接收端将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；

多个UWB射频模块，用于数据的UWB射频处理。

所述多工编解码模块具体包括：发射端的多工编码模块和接收端的多工解码模块，所述多工编码模块，用于将交错处理后的数据分割为多阵列数据包，所述多工解码模块，用于将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串.

还包括AES加密解密模块，用于对输入和输出的分别数据进行加密和解密处理。

相应的，本发明还提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换方法，其特征在于，包括以下步骤：

卷积编码：将输入数据进行卷积运算；

穿刺编码：通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率；

交错编码：将穿刺后的数据进行交错处理以防止突发性差错；

多工编码：将交错处理后的数据分割为多阵列数据包；

OFDM调制：将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输；

UWB射频发射：将OFDM调制后的多阵列数据包分别进行UWB射频处理后通过多个发射天线发射；

UWB射频接收：将从接收天线收到的UWB射频信号迁移至基带。

OFDM解调：将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；

多工解码：将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；

解交错处理：将多工解码后的数据进行解交错处理；

解穿刺处理：将解交错处理后的数据进行解穿刺处理，以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；

维比特解码：将解穿刺处理后的数据进行卷积运算的解码处理。

所述多工编码包括：将交错处理后的数据分割为多组数据包并进行频域同步后产生多阶数据包，通过监测控制旗标接收端和发射端决定可用频段完成握手。

所述多工解码包括：将接收到的多阵列数据包进行频域同步解码并合并为数据串，通过监测控制旗标接收端和发射端决定可用频段完成握手。

所述的多阵列多工编码无线超宽频数据交换方法，卷积编码之前还包括对输入数据的AES加密步骤，维比特解码之后还包括对接收数据的AES解码步骤。

通过本发明提供的装置和方法，多工编码模块将数据处理为多阵列数据包分别通过后续多工OFDM调制模块和多个射频模块发送，实际传输的阵列数和频段由发射端和接收端握手共同决定，相对于现有MB-OFDM UWB技术来说，数据被分为多阵列同步数据包(多组且多阶化)再传送到OFDM后经UWB射频处理后发射，而多阵列同步数据包以智能化的方式进行平行同步传输，每对天线的发射和接收，由频带控制前端的多工编码模块控制，兼容原本的MB-OFDM UWB设备，但却提升信道空间传输性的多重性增益，从而获得多倍传输速率。

本发明以NFC(Near Field Communication)为基础应用场景，10公分范围内数据交换采用AES256硬件加密所有传输数据，采用UWB进行无线通讯方式结合Chip On System(COS)模块，实现高速传输、进阶加密的NFC数据通讯装置，可以提升各种移动设备在加密性、扩展性和兼容性考量下的快速数据传输方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一提供的超宽频数据交换装置的示意图；

图2是本申请实施例一提供的超宽频数据交换装置的示意图；

图3是本申请实施例一提供的超宽频数据交换装置的示意图；

图4是本申请实施例二提供的超宽频数据交换装置的示意图；

图5是本申请实施例三提供的超宽频数据交换装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在具体实现时，在提供商品对象列表信息时，还可以提供商品对象的建议销售价格信息，这样，第一用户可以据此确定合适的销售价格。具体的，关于建议销售价格，可以是通过对历史销售记录中商品对象在各种销售价格时对应的销售情况进行统计获得的。当然，还可以通过其他方式获得，例如可以是人为的方式进行设置，等等。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，当所述装置为发射端时，包括：卷积模块11、穿刺模块12、交错模块13、多工编码模块14、多个OFDM调制模块15和多个UWB射频模块16，其中：

卷积模块11(Convolutional Encoder)，用于将输入数据进行卷积运算；将输入数据与脉冲响应信号进行卷积运算，输入k字元数据输出n位元新数据，卷积模块以卷积码(Convolutional Code，CC)与连续输入的不同数据进行运算而产生新数据，在卷积码的编码过程中，对输入信息比特进行分组编码，每个码组的编码输出比特不仅与该分组的信息比特有关，还与前面时刻的其他分组的信息比特有关。

所述卷积模块11包括加法器、移位暂存器和转向器。

穿刺模块12(Puncture Encoder)，用于通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率；在接收端以比特插入(Bit Insertion)补足字符以恢复原来长度。

交错模块13(Interleaver)，用于将穿刺后的数据进行交错处理以防止突发性差错，用来预防大量连续错误一次发生；交错编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错，交错深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。

多工编码模块14，用于将交错处理后的数据分割为多阵列数据包(M Array，例如M＝4)。如图2所示，所述多工编码模块14具体包括：

动态多阵列控制器141(Dynamic Multi-Array Controller)，用于根据控制旗标将交错处理后的数据动态切分为多组数据包(M Group，例如M＝4)，所述控制旗标由接收端的多重旗标监测器与所述动态多阵列控制器握手获得；封包暂存器142(Packet Chopper)，用于存放动态切分后的多组数据包；频域同步编码器143(Packet Encoder)，用于将所述多组数据包进行频域同步处理，产生多阶同步数据包(M Degree，例如M＝4)并发送至OFDM调制模块。

本实施例中，发射端预先数据分为M阵列数据包(M Array，例如M＝4)经过后续调制后发给接收端，同时，接收端的多重旗标监测器实时监测动态多阵列控制器141的控制旗标，通过握手动作决定采用多少阵列(确定最终数据传输中的M值)来进行多工编解码来传输数据，例如发射端预先发出M阵列数据包(M＝4)，而接收端监测到控制旗标并经过握手确认后，决定以N个(N＝3)阵列数据包进行多工编解码传输数据。

所述控制旗标是指一控制频段编码信号，用于发射端和接收端判断并确定有哪些可使用的频段(Frequency Channel)。

所述握手具体包括：多重旗标监测器监测到控制旗标，发射端和接收端对其中的控制频段编码信号进行比对，如果比对无误则完成握手，并按照所述控制旗标决定的频段进行发送及接收，如果握手失败则重复确认频段编码信号，直到完成握手。

本实施例中，所述多阵列数据包实际上为多组数据包附加多阶同步编码处理，输入多工编码模块14的数据根据控制旗标监测握手信息来判定可分成M组数据包，在经过频域同步编码器143同步演算编码产生M阶同步数据包，存入频域同步编码器143的同步数据暂存器(图中未示出)中。

其中，“多组”是指将传输数据以固定等分方式分割，“多阶”是指经过频域同步后的正交数据变为多阶，“多阵列”是指将多组数据存入可动态变化的阵列之中并多阶化。

多个OFDM调制模块15，用于将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输。

如图3所示，所述OFDM调制模块15包括：空间映射器151(Constellation Mapping)，串并转换器152((serial/parallel，S/P)，傅里叶变换器153(N-Inverse Fast Fourier Transform，N-IFFT)，数模转换器154(Digital to Analog Converter，DAC)和时频交错OFDM调制器155(Time Frequency Interleaved Code OFDM，TFI-OFDM)；其中，所述时频交错OFDM调制器155将每一阵列数据包依据时频交错码跳到不同的频段传输。

空间映射器151以四相位(Quaternary Phase Shift Keying，QPSK)空间映射后，将串行数据进行串并转换编码，进入N-IFFT位的OFDM调制运算，传统的OFDM串行的每一数据包均在同一频段，而TFI-OFDM(Time Frequency Interleaved Code OFDM)的每一数据包依据时频交错码跳到不同的频段传输，并加入循环前缀(Cyclic Prefix)以提高抗扰率，同时每一数据包加入保护间隔(Guard Interval)以保障每个阵列的数据包调至不同的频段；接收端解码时，通用使用时频交错码来进行同步数据包解码，再以N-FFT逆运算，根据正交原理解析出各个信道的数据包，并由并串转换模块还原为原来的数据串(Data Stream)。

多个UWB射频模块16，用于将OFDM调制后的多阵列数据包进行UWB射频处理而后通过天线传输。

通过本实施提供的装置，多工编码模块将数据处理为多阵列数据包分别通过后续多工OFDM调制模块和多个射频模块发送，实际传输的阵列数和频段由发射端和接收端握手共同决定，相对于现有MB-OFDM UWB技术来说，数据被分为多阵列同步数据包(多组且多阶化)再传送到OFDM后经UWB射频处理后发射，而多阵列同步数据包以智能化的方式进行平行同步传输，每对天线的发射和接收，由频带控制前端的多工编码模块控制，兼容原本的MB-OFDM UWB设备，但却提升信道空同传输性的多重性增益，从而获得多倍传输速率。

如图1所示，本发明提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，当所述装置为接收端时，具体包括：

多个UWB射频模块16，用于将UWB射频信号迁移至基带；多个OFDM解调模块17，用于将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；多工解码模块18，用于将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；解交错模块19，用于将多工解码后的数据进行解交错处理；解穿刺模块20，用于将解交错处理后的数据进行解穿刺处理，以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；维比特解码模块21，用于将解穿刺处理后的数据进行卷积运算的解码处理。

所述维比解码模块21为发射端卷积模块11的逆向运算，所述解穿刺模块20为发射端穿刺模块12的逆运算，所述解交错模块19为发射端交错模块的逆运算。

如图2所示，所述多工解码模块18具体包括：多重旗标监测器181，封包合并暂存器183，频域同步解码器182；其中：

所述频域同步解码器182，用于将OFDM解调后的多阵列数据包进行频域同步解码处理；多重旗标监测器181，用于与接收端的动态多阵列控制器握手，根据监测到的控制旗标向所述封包合并暂存器183发出合并控制指令；封包合并暂存器183，用于根据所述合并控制指令多阵列数据包合并。

如图3所示，所述OFDM解调模块17包括：逆空间映射器171，并串转换器172，傅里叶变换器173，模数转换器174和时频交错OFDM解调器175；其中，所述时频交错OFDM解调器175将多阵列数据包依据时频交错码进行解调还原处理。

本实施例所述装置具有低功耗、抗干扰和传输速率高等优点。

一般来说，发射功率以FCC规定的MB-OFDM UWB标准，可在10米的距离内达到100Mbps的传输速率，1米内则可达到480Mbps，而应用本实施例的装置，传输速率可以提高至M倍(处理为M阵列数据包则速率提高M倍)，有利于多媒体数据的传输。以4倍计算则为1920Mbps。本装置在不超过200微瓦的功率下工作，不及WiFi的千分之五功耗，极为省电。

此外，由于本装置的射频脉冲非常短，频段很宽，则可以避免多路径传输的信号干扰问题，同时短而弱的脉冲与其他无线通讯技术，如WiFi、移动通讯、微波等产生干扰的可能性大幅度降低。

实施例二

本实施例提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置更为优选的方案，参见图4所示，相对于实施例一的区别在于，还包括：多个发射天线30和多个接收天线31。

发射端的发射天线30与接收端的接收天线31配对工作，每对天线工作于不同的固定频带同步传输多阵列数据包信号。

优选的，所述发射天线30和接收天线31使用柔性电路版制作，每对天线工作在不同的频段，通过接收端与发射端多工编解码模块的握手配对，确定传输的频段和阵列数目，分别用于传输相应的多阵列同步数据包，不同的天线对传输特定阵列的数据包。其优势在于，首先，利用多对天线同调的结合效应实现阵列增益，其次，如果发射天线数为Mt，接收天线数为Mr，则将传输的数据分割成Mt段以不同的天线同时传输，实现空间多工增益(Spatial Multi-Gain)，使数据传输速率提高Min(Mt，Mr)倍。

实施例三

本实施例提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置更为优选的方案，如图5所示，相对于前述的实施例，还包括AES加密模块22和AES解密模块23。

在发射端的数据输入时先进行AES加密处理，卷积模块11之前设置加密模块22，采用AES加密算法对数据进行加密后再输入卷积模块。在接收端，维比特解码模块21之后还包括AES解密模块23，将维比特解码后的数据进行AES解密处理。

传统的MB-OFDM UWB技术中通常使用Scrambler来进行扰码，其加密性很差，本实施例中以AES算法进行数据加密，可以有效避免数据明码被窃取，提高安全性。

实施例四

本实施例提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，其包括：

卷积编解码模块，用于在发射端将数据进行卷积运算，在接收端采用维比特运算进行解卷积处理；

穿刺编解码模块，用于在发射端通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率，在接收端以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；

交错编解码模块，用于在发射端将穿刺后的数据进行交错处理，在发射端将多工解码后的数据进行解交错处理，以防止突发性差错；

多工编解码模块，用于在发射端将交错处理后的数据分割为多阵列数据包，在接收端将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；

多个OFDM调制解调模块，用于在发射端将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输，在接收端将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；

多个UWB射频模块，用于数据的UWB射频处理。

优选的，所述多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置还包括多对发射和接收天线。各对天线分别同步传输多阵列数据包，并通过握手动作配对。

具体的，所述多工编解码模块包括：发射端的多工编码模块和接收端的多工解码模块，所述多工编码模块，用于将交错处理后的数据分割为多阵列数据包，所述多工解码模块，用于将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串。多阵列数据包的编解码通过接收端和发射端的握手动作执行，由控制旗标共同决定可用的频段范围及频段数后再进行传输。

调制技术的特征是将基带信号改变载波性质，包括振幅调制AM、频率调制FM和相位调制PM。其中AM和FM在高速传输过程中设计复杂、功耗大。而PM使用PSK，依据载波相位分割成多阶的系统(M Array)，M＝2^N，M为1、2、4、8、16……以此类推可变为更高阶的相位调制。本发明的实施例以多阵列相位调制技术进行多工编码，并不限于任何形式的相移键数，达到同步配对方式进行MB-OFDM UWB传输，从而提高传输速率。

在不增加频宽及发射功率的前提下，进行多工编解码可以提升M倍传输速率，如果原来速率为480Mbps，当M＝4时，速率可以提高到1920Mbps。

优选的，所述多阵列多工编码无线超宽频数据交换装置，还包括AES加密解密模块，用于对输入和输出的分别数据进行加密和解密处理。本实施例中采用AES芯片，使用逻辑性AES加密解密电路，可以提升运行速度。

相应的，本实施例提供一种多阵列多工编码无线超宽频数据交换方法，其包括以下步骤：

卷积编码：将输入数据进行卷积运算；

穿刺编码：通过比特窃用缩短字符长度以改变经过所述卷积运算后数据的传输速率；

交错编码：将穿刺后的数据进行交错处理以防止突发性差错；

多工编码：将交错处理后的数据分割为多阵列数据包；具体的，所述多工编码包括：将交错处理后的数据分割为多组数据包并进行频域同步后产生多阶数据包，通过监测控制旗标接收端和发射端决定可用频段完成握手。

OFDM调制：将所述多工编码后的多阵列数据包分别依据时频交错码调制在不同频段传输；

UWB射频发射：将OFDM调制后的多阵列数据包分别进行UWB射频处理后通过多个发射天线发射；

UWB射频接收：将从接收天线收到的UWB射频信号迁移至基带。

OFDM解调：将基带信号的多阵列数据包依据时频交错码进行解码；

多工解码：将OFDM解调后的多阵列数据包还原合并为数据串；所述多工解码包括：将接收到的多阵列数据包进行频域同步解码并合并为数据串，通过监测控制旗标接收端和发射端决定可用频段完成握手。

解交错处理：将多工解码后的数据进行解交错处理；

解穿刺处理：将解交错处理后的数据进行解穿刺处理，以比特插入补足字符以恢复原来的数据长度；

维比特解码：将解穿刺处理后的数据进行卷积运算的解码处理。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。