高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法技术

针对高速、低成本、低功耗短距离无线通信的需求，提出了一种高速采样低精度量化的脉冲超宽带无线通信方法。该方法在发射端采用数字技术产生基带窄脉冲序列，并进行调制，放大、滤波后发送；在接收端对接收信号滤波、放大后，直接进行高速采样和低精度量化，量化后的数据进行同步、信道估计、相关检测和信道译码等数字信号处理后，恢复出发送信息。该方法与目前的载波体制ＵＷＢ无线通信技术相比，无需正交调制／解调和频谱搬移等复杂的射频处理，模数变换的量化精度也大大降低，使得成本、功耗大幅度降低；与目前的脉冲体制ＵＷＢ无线通信技术相比，本发明专利技术提出的方法，大幅度提高了数据传输速率，并提高了稳定性、可靠性与可集成性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种实现脉冲体制高速超宽带无线通信的方法，属于短距离无线通 信和信息传播

技术介绍
作为未来泛在无线通信的核心技术之一，超宽带(UWB)无线通信技术在近 年来得到了广泛的关注，其研发取得了显著进展。UWB技术一般可以分为脉冲体制和载波体制两种基本的实现方式。脉冲体制 UWB通过基带脉冲序列传输信息，具有系统结构简单、成本低、功耗低等优点， 目前多应用于低速无线通信、测距、探测等领域；载波体制UWB采用成熟的调 制连续载波以及正交频分复用(OFDM)等技术，频谱利用效率高、频谱资源使 用灵活。目前，在高速UWB无线通信领域，载波体制UWB发展较快，国际上已 经制定了以多带OFDM方案为基础的技术标准，并推出了多款实验芯片和实验系 统。但载波体制UWB方案的射频系统较复杂，射频芯片实现难度大、成本高， 模数转换单元功耗大，使得目前载波体制UWB芯片组的成本与功耗无法进一步 降低，达不到市场的需求。目前的脉冲体制UWB技术， 一般在接收端采用峰值 检测、能量检测、模拟相关检测等方法，其性能受到模拟处理的限制， 一般只能 实现较低速率的无线通信和探测、定位等功能。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提出一种高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通 信方法，实现脉冲体制高速UWB无线通信，解决了现有脉冲体制UWB技术只能 实现低速无线通信的问题，同时克服了载波体制UWB系统存在的复杂度高、成 本高等问题。技术方案本专利技术提出的，以 帧为物理层数据传输的基本单元，在发送端用数字方法产生基带脉冲序列，用发送数据对此基带脉冲序列进行调制，并进行放大和带通滤波，滤波后信号控制在 4.2-4.8 GHz频带内，经由天线发送到空中，在接收端，对接收信号进行滤波、 放大后，直接进行高速采样和低精度量化，将信号转化到数字域，并设计适用于 高速釆样、低精度量化信号的同步、信道估计和相关检测方法，对转化到数字域 的信号进行处理，恢复出发送的信息。所述发射端由信道编码器、组帧器、数字脉冲产生和调制器、发送端放大器、 发送端带通滤波器和发送天线依次连接构成；接收端由接收天线、接收端带通滤 波器、低噪声放大器、模数变换器、数字检测器和信道译码器依次连接构成。图1中信道编码器在输入数据中加入冗余信息进行编码，以提高传输的可靠 性；组帧器将信道编码器的输出数据流分组，并在每组数据中加入前导符、帧头 信息等形成帧，使得接收端能够正确、有效接收，帧是物理层数据传输的基本单 元；数字脉冲产生和调制器产生均匀的基带窄脉冲序列，作为信息传输的载体， 并根据组帧器输出的比特流，对窄脉冲序列进行调制，即改变序列中脉冲的极性、 幅度或位置，使得窄脉冲序列携带上信息；数字脉冲产生和调制器输出的数字脉 冲序列经过发送端放大器放大和发送端带通滤波器滤波后，经由发送天线发送到 空中；在接收端，接收天线从空中接收的信号，经由接收端带通滤波器滤波和低 噪声放大器放大后，由模数变换器转化为数字信号；模数变换器对信号进行采样、 量化和编码，本专利技术中，采用数GHz频率的高速采样，但只对每个采样得到的样 值进行一比特或两比特精度的低精度量化；数字检测器利用模数变换器输出的数 字信号，进行帧检测器、同步与信道估计、相关检测等算法，恢复出帧中的信息 比特流；数字检测器的输出经信道译码器译码后，得到输出数据。作为物理层数据传输基本单元的帧，由前导符、同步图案、帧头部分和数据 部分组成，如图2所示。其中前导符部分发送的脉冲序列的脉冲间隔为T1，其它 部分发送的脉冲序列的脉冲间隔为T2;T1的取值大于无线信道冲激响应的能量主 体部分的长度，T2的取值小于T1，以确保有足够高的脉冲重复频率，获得高的数 据传输速率。因此，前导符部分为大脉冲间隔区段，其它部分为小脉冲间隔区段。 可以采用脉冲极性调制、脉冲幅度调制和脉冲位置调制等方式将信息调制到脉冲 序列上。脉冲极性调制用不同的脉冲极性表示符号1或0;脉冲幅度调制用 不同的脉冲幅度表示符号1或0;脉冲位置调制用相对于均匀脉冲序列的不同位置表示符号1或0。本专利技术下面的表述中，釆用脉冲极性调制，并约定 正脉冲表示符号1，负脉冲表示符号0。但本专利技术提出的方法，同样适用于 其它各种脉冲调制方式。前导符由两部分脉冲序列组成，第一部分811 = {+、 一、 + 、 _、、 +}，其中+和一分别表示正脉冲和负脉冲，其脉冲个数为Nll，且 Nll为奇数；第二部分812={ — 、 +、 一、…、+}，其脉冲个数为N12;同步图 案为一个长度为N2的选定的伪随机正负脉冲序列；帧头部分传输帧长、信道编码 速率等信息；数据部分为发送的数据信息。本专利技术的表述中，同步图案、帧头部分和数据部分每一个脉冲传输一比特信息，但采用扩频方式，由多个脉冲传输一 比特信息的方法也同样适用于本专利技术提出的方法。所述的数字脉冲采用交错时钟信号相与或调节时钟信号占空比方法产生，图3给出了采用交错时钟信号相与方法产生脉冲的数字脉冲产生和调制器的实现原理图。图4给出了采用调节时钟信号占空比方法产生脉冲的数字脉冲产生和调制器 的实现原理图。在交错时钟信号相与方法中，时钟产生器产生高频时钟信号，时 钟分配器将此信号复制为两路，延时器和延时器分别对此两路时钟信号进行不同 时间的延时，延时后的两路信号在与门进行相与。在理想情况下，如果两路延时 的时间差为半个脉冲周期长度的奇数倍，与门的输出为零；在其它情况下，与门 输出与时钟周期相同的脉冲序列，其占空比随两路延时的时间差而变化，通过调 节时间差，能够得到脉冲宽度在亚纳秒级的脉冲序列。与门输出的脉冲序列输入 隔直流器，滤除其直流分量。隔直流器的输出脉冲序列为差分信号，其正负端同 时输入选择器，选择器根据输入数据，选择将正负端之一输出，比如数据符号为 1时，选择正端输出，即输出正脉冲；数据符号为0时，选择负端输出， 即输出负脉冲，这样就实现了对脉冲序列的脉冲极性调制。在调节时钟信号占空 比方法中，时钟占空比调节器直接调节时钟产生器产生的时钟序列的占空比，当 占空比很小时，即得到数字脉冲序列，此脉冲序列为差分信号，与图3中一样， 经过隔直流器和选择器后，输出调制后的脉冲序列。本专利技术中，数字脉冲产生和 调制器可以用图3和图4的方法之一实现，其输出经过发送端放大器放大和发送 端带通滤波器滤波后，能够得到满足频谱规范要求的UWB脉冲序列。在接收端，模数变换器采用高速采样、低精度量化的方式。适合于本专利技术的 量化精度为一比特或两比特。本专利技术下面的接收方法的表述中，采用一比特量化 精度，但本专利技术提出的接收方法，同样适用于两比特量化精度。如图5所示，采用一比特量化时，比较器将输入信号电平与预设的门限电平进行比较，高于门限 电平时输出高电平信号，低于门限电平时输出低电平信号；比较器的输出经过串 并变换器分为n个支路，进行采样，以降低对每个支路采样速率的要求。采样时 钟输入移相器，移相器输出与输入时钟相同频率但不同相位的n路采样时钟和一 路数据读取时钟， 一般情况下，输出的相邻支路的采样时钟之间的相位差为2;i/n。 采样器在其输入采样时钟的边沿对其输入信号进行采样，并在数据读取时钟的边沿，将读取的数值同时传输给后续电路。采样和数据读取的时钟边沿，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法，其特征在于该方法以帧为物理层数据传输的基本单元，在发送端用数字方法产生基带脉冲序列，用发送数据对此基带脉冲序列进行调制，并进行放大和带通滤波，滤波后信号控制在４．２－４．８ＧＨｚ频带内，经由天线发送到空中，在接收端，对接收信号进行滤波、放大后，直接进行高速采样和低精度量化，将信号转化到数字域，并设计适用于高速采样、低精度量化信号的同步、信道估计和相关检测方法，对转化到数字域的信号进行处理，恢复出发送的信息；　　　　所述发射端由信道编码器（１）、组帧器（２）、数字脉冲产生和调制器（３）、发送端放大器（４）、发送端带通滤波器（５）和发送天线（６）依次连接构成；接收端由接收天线（７）、接收端带通滤波器（８）、低噪声放大器（９）、模数变换器（１０）、数字检测器（１１）和信道译码器（１２）依次连接构成。

【技术特征摘要】
1.一种高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法，其特征在于该方法以帧为物理层数据传输的基本单元，在发送端用数字方法产生基带脉冲序列，用发送数据对此基带脉冲序列进行调制，并进行放大和带通滤波，滤波后信号控制在4.2-4.8GHz频带内，经由天线发送到空中，在接收端，对接收信号进行滤波、放大后，直接进行高速采样和低精度量化，将信号转化到数字域，并设计适用于高速采样、低精度量化信号的同步、信道估计和相关检测方法，对转化到数字域的信号进行处理，恢复出发送的信息；所述发射端由信道编码器(1)、组帧器(2)、数字脉冲产生和调制器(3)、发送端放大器(4)、发送端带通滤波器(5)和发送天线(6)依次连接构成；接收端由接收天线(7)、接收端带通滤波器(8)、低噪声放大器(9)、模数变换器(10)、数字检测器(11)和信道译码器(12)依次连接构成。2. 如权利要求1所述的高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法，其特 征在于作为物理层数据传输基本单元的帧，由前导符、同步图案、帧头部分和数 据部分组成，其中前导符部分发送的脉冲序列的脉冲间隔为T1，其它部分发送的 脉冲序列的脉冲间隔为T2;T1的取值大于无线信道冲激响应的能量主体部分的长 度，T2的取值小于T1，以确保有足够高的脉冲重复频率，获得高的数据传输速率； 前导符由两部分脉冲序列组成，第一部分Sll = { + 、 一、 +、 一、…、+}，其 中+和一分别表示正脉冲和负脉冲，其脉冲个数为奇数；第二部分812 = { — 、 +、 一、…、+};同步图案为一选定的伪随机正负脉冲序列。3. 如权利要求1所述的高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法，其特 征在于所述的数字脉冲采用交错时钟信号相与或调节时钟信号占空比方法产生， 在交错时钟信号相与方法中，时钟产生器(31)产生高频时钟信号，时钟分配器(32)将此信号复制为两路，延时器(33)和延时器(34)分别对此两路时钟信 号进行不同时间的延时，延时后的两路信号在与门(35)进行相与；在调节时钟 信号占空比方法中，时钟占空比调节器(38)直接调节时钟产生器(31)产生的 时钟序列的占空比，当占空比很小时，即得到数字脉冲序列。4. 如权利要求1所述的高速采样低精度量化脉冲超宽带无线通信方法，其特 征在于模数变换器(10)采用高速采样、低精度量化的方式；采用一比特量化时，比较器(1001)将输入信号电平与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张在琛，毕光国，尤肖虎，吴亮，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]