CN102111185A - 一种多用户全数字宽带无线通信的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多用户全数字宽带无线通信的方法及系统，涉及宽带无线通信领域，本发明通过对数字基带信号进行编码及脉冲波形的整形处理后直接放大、发射以及接收来实现多用户全数字宽带无线通信，而不需要借助传统无线电模拟载波以及不需要对发射信号进行模拟载波调制。本发明系统发射端通过对数字基带信号进行扩展与同步的编码，并再经过整形后形成传输码，传输码经过放大后通过宽带天线发射；在本发明系统接收端被宽带天线接收到的信号，经过整形后，被低噪声放大器放大后输入到高速采样器，再输入到解码电路还原出原始数据信号。本系统具有结构简单、传输速率高、低成本、多用户共享信道实现信息同时传输的特点。

Description

一种多用户全数字宽带无线通信的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种多用户宽带无线通信技术，特别是在不需要借助无线电模拟载波以及不需要对发射信号进行模拟载波调制的情况下，通过对数字基带信号进行编码及整形处理后直接放大、发射、以及接收来实现多用户全数字宽带无线通信。

背景技术

在传统的通信系统中，携带信息的数字信号通常具有信号幅度小、频率低等特点，因而无线通信通常需要把数字信号调制到无线电射频(radio frequencyRF signal)模拟载波信号上，通过对模拟载波信号的发射和接收来实现信号传输。

为了实现多用户通信，传统的方法包括时分多址(time division multipleaccess-TDMA)技术以及光纤通信中的波分复用(wavelength divisionmultiplexing-WDM)等技术。在传统的无线通信中，一种被广泛应用的多用户通信技术是码分多址(code division multiple access-CDMA)技术，这种技术可以提高频谱的有效利用率，提高信息传输效率并降低干扰。

CDMA是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频技术来解决无线通信的多用户选址问题。扩频通信是指将系统中需要传输的数据信号，在发射端用一个带宽远大于数据信号带宽的伪随机编码信号去调制它，使原数据信号的带宽扩展之后，再经过射频载波的调制，然后发射出去。在系统的接收端，接收到的射频信号经过解调后，使用与发射端完全相同的伪随机码与接收到的宽带信号做相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信号。

CDMA技术利用自相关性大而互相关性小的伪随机码序列作为地址码，将信道中不同用户的宽带信号相互叠加在一起之后进行宽带传输。在以上过程中，信号还将叠加有干扰及噪声信号。系统利用本地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行解调，凡是与本地产生的地址码完全相关的宽带信号将被还原成窄带信号(相关解调)，而其他与本地地址码不相关的宽带干扰信号与宽带噪声仍为宽带信号。解扩信号经窄带滤波后，信噪比得到极大提高，可将所需要传输的数据信号分离出来。

传统的模拟载波调制技术一直是无线电信息传输的主要模式，其主要特征是系统中需要模拟载波，通过把数据信号调制到无线电模拟载波信号上进行发射和传输。从电路角度考虑，以上系统都需要混频器。但随着技术的进步和无线通信的普及，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、多用户同时通信等优点。

下面，我们将在分析传统的多用户无线通信系统的特点基础上，提出一种区别于传统模式的多用户全数字宽带无线通信方法和系统。

在传统的无线通信系统中，射频收发子系统(简称射频收发系统或者射频系统)主要是采用将频率进行变换的模拟载波调制模式，这种模式需要无线电模拟载波来实现信号的无线传输。其收发系统的发射端通过混频器将基带信号和模拟载波信号进行混频，从而将需要传送的信息加载到射频信号上，然后通过天线发射出去。在模拟载波调制模式的接收端，接收到的射频信号和模拟载波信号进行混频，然后通过滤波器分离出基带信号并送给后级进行处理。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)。

在CDMA系统中，发射端N路用户数据流b₁(t)，b₂(t)，....b_N(t)与各自的伪随机码PN₁，PN₂，....PN_N相乘进行扩频处理，其中伪随机码PN_i必须与b_i(t)同步。扩频后的各路基带信号与模拟射频载波进行混频并发射出去。

以第1路用户为例，在CDMA系统的接收端，收到的信号中包括了本用户的有用信号b₁(t)和其他用户的干扰信号。接收端先对射频模拟载波进行解调，解调后的信号再与本地产生的PN₁码(与发射端产生的PN₁码完全相同)相乘进行解调，即可得到原始的数据信息。相关专利包括如：美国专利申请号07/991841，名称为“Despreading technique for CDMA systems”(参考专利1)；美国专利申请号09/265204，名称为“CDMA signal transmission control”(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都需要依靠模拟载波调制模式，即通信系统需要依靠数字基带信号对无线电模拟载波的调制，通过模拟载波实现信息的发射和传输。对于脉冲无线电模式的超宽带(ultra wideband-UWB)通信系统，系统的发射端需要脉冲发生器以及数字基带信号对脉冲的调制，并通过发射和接收脉冲信号来实现信息传输。请参考Ultra wideband：signalsand systems in communication engineering，M.Ghavami，L.B.Michael，R.Kohno，John Wiley & Sons Inc，2007年(参考文献2)。

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，都需要依靠无线电模拟载波(或者无线电脉冲信号)的调制模式。迄今尚没有一种无线通信方法或系统是建立在对数字基带信号进行数字信号处理的基础上，实现信息的多用户全数字宽带无线传输。

发明内容

本发明是在详细分析各种传统无线通信的方法及系统模式的基础上，提出一种通过对数字基带信号进行数字信号处理形成传输码后直接放大、发射和接收的多用户全数字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模拟载波、无脉冲，也不需要对模拟载波的调制解调处理，从而实现结构简单、低成本、高传输速率、兼容性强的的多用户全数字宽带无线通信系统。

本发明可实现与计算机系统以及光纤通信系统之间的无缝隙无线连接，并具有每秒1千兆比特以上无线传输速率的能力。

本发明的多用户全数字宽带无线通信方法中，对数字基带信号进行数字信号处理包括对数字基带信号进行编码以及对数字信号的脉冲波形进行整形，通过编码与整形后形成的传输码，被具有一定带宽的射频收发系统经过信号放大后，直接发射和接收。本发明的一个核心技术是通过编码来消除数字信号中的低频分量，本发明的另外一个核心技术是通过整形来滤除数字信号中的高次谐波分量，形成传输码被具有一定带宽的射频收发系统经过信号放大后，直接发射和接收，从而实现数字信号的多用户全数字宽带无线传输。

本发明的全数字宽带无线通信系统不需要依靠传统无线通信系统中的混频器(或者脉冲发生器)，以及相关的调制解调，从而可以降低系统的复杂度，同时降低系统的成本并改善信号的完整性。本发明将为第四代(the fourthgeneration-4G)移动通信技术的升级(包括第五代及以后技术)，提供一种多用户全数字宽带移动通信的可能解决方案。

在本发明宽带无线通信方法的发射端，对数字基带信号进行编码分为扩展和同步两个步骤，依次得到扩展码和同步码，对同步后的扩展码再经过整形形成传输码。

我们针对低速数字基带信号和高速数字基带信号两种情况，分别介绍本发明中对数字基带信号进行扩展的具体方法。

对于低速数字基带信号，发射端中对所述低速数字基带信号进行的所述扩展包括扩频和分隔两个步骤，所述扩频是将所述低速数字基带信号中的码元或者码元的组合用高速数字信号的码元或者码元的组合来替换形成扩频码，所述高速数字信号码元的时间步长(时间间隔)比低速数字基带信号短，如果在所述低速数字基带信号经过所述扩频形成的高速数字信号扩频码中存在一定数量的长序列连续单一电平，则每隔一定数量的长序列连续单一电平进行分隔，通过所述扩频与分隔形成扩展码。

对低速数字基带信号进行所述的扩频，可以是低速数字基带信号中的码元或者码元组合被一个高速数字信号码元替换，也可以是低速数字基带信号码元或者码元组合被多个高速数字信号码元的组合替换，还可以是低速数字基带信号码元或者码元组合被高速数字信号码元的伪随机序列替换。

对于高速数字基带信号，如果检测到超过一定数量的长序列连续单一电平后，则进行分隔形成扩展码。

在发射端，对高速数字基带信号或者扩频后的高速数字信号扩频码中每隔一定数量的长序列的连续单一电平进行所述分隔是通过引入分隔符来实现的，它可以通过在一定数量的长序列连续单一电平后额外插入所述分隔符来实现，也可以通过用所述分隔符替换一定数量的长序列连续单一电平中的一个或者多个连续单一电平来实现。

所述分隔符具有的属性不同于所述高速数字基带信号的码元，也不同于所述扩频后形成的高速数字信号扩频码的码元，根据所述属性的不同将所述分隔符同被分隔的数字信号码元分开。所述分隔符所具有的所述不同属性，包括不同的信号幅度，或者不同的时间步长，或者不同的极性，或者以上的组合。对二进制码元1和0，所述分隔符的高电平同被分隔的数字信号的高电平极性相反；当0代表零电平，1代表高电平，所述分隔符用-1表示时，所述分隔符具有的高电平同代表1的高电平极性相反。

通过以上过程得到扩展码后，通过在扩展码最前端加入同步信号形成同步码，保证扩展后的信号可以在接收端被正确还原。

对经过同步后的扩展码信号的脉冲波形进一步进行整形，即用窄频带的脉冲波形来替换扩展码的宽频带脉冲波形，形成最终的传输码。

所述整形过程中，用来代替所述扩展码宽频带脉冲波形的窄频带脉冲波形符合耐奎斯特准则(Nyquist signaling)时，所述整形将不引入额外的码间串扰。用来代替宽频带脉冲波形(如方波)的窄频带脉冲波形，根据耐奎斯特准则，可以与前后其他脉冲重叠，但需保证某一脉冲达到峰值时，其他脉冲在该点的值为0。通过以上方法形成的耐奎斯特信号，一方面扩展了脉冲的时域宽度降低其频带宽度，另一方面避免了码间串扰。以上所述整形通过对发射端的所述扩展码以及接收端天线接收到的信号滤除宽频带频率分量的滤波，如利用升余弦滤波器(raised cosine filter)进行滤波后，即可实现。

以上利用编码(包括扩展和同步)以及整形形成传输码，消除了数字基带信号或者经过扩频后的数字信号中的低频分量和高频分量，使传输码所对应的频谱带宽处于射频收发系统的带宽之内，利用具有一定带宽的射频收发系统直接进行放大、发射与接收，即可实现数字信号的全数字宽带无线通信，而不需要传统系统中的模拟载波(包括超宽带脉冲)以及数字信号对模拟载波信号的调制/解调等步骤。

在本发明宽带无线通信方法的接收端，对于在发射端经过编码和整形形成的传输码，在接收端通过解码来还原原始数据信号。

在接收端检测到发射端传输码中的分隔符之后，解码是将数据信号从所述分隔符中进行还原，如果发射端是利用插入分隔符进行分隔则通过消除分隔符，如果发射端是利用一个分隔符替换一定数量的长序列连续单一电平中的一个或者多个码元则用所述一个或者多个码元来替换所述分隔符，而还原原始数据信息。

对于在所述发射端的低速数字基带信号经过扩频形成所述扩频码后，所述解码是在接收端通过解扩来还原原始数据信号。

对于低速数字基带信号，当在发射端针对不同用户的低速数字基带信号是通过不同的伪随机序列进行扩频时，利用所述伪随机序列之间具有自相关性大而互相关性小的特点，对扩频后的数字信号进一步进行所述分隔、同步以及整形，形成被所述具有一定带宽的射频收发系统放大、发射与接收的所述传输码；在接收端接收到的信号经过滤波、放大和高速采样器采样，继续把数字信号从所述分隔符中还原后，针对不同用户使用与发射端相同的所述伪随机序列与接收到的宽带信号做相关处理，对宽带信号进行解扩，从而还原不同用户的原始数据信号，实现多用户通信。

在本发明的多用户全数字宽带无线通信的系统中，该宽带无线通信系统的发射端，通过对数字基带信号进行所述扩展与同步的编码处理，再经过所述对数字信号的脉冲波形进行整形后形成所述传输码，所述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，经过整形后，经过宽带低噪声放大器放大，输入到高速采样器，然后再通过解码电路还原各路用户的原始数据信号。

对于低速数字基带信号，该宽带无线通信系统的发射端部分包括：数字基带信号发生系统、扩频序列发生器、扩频电路、加法电路、长序列连续单一电平检测电路、分隔符产生和引入电路、同步信号产生电路、整形电路、宽带功率放大器、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、整形电路、宽带低噪声放大器、高速采样器、分隔符检测和还原电路、扩频序列解扩电路。

对于高速数字基带信号，该宽带无线通信系统的发射端部分包括：数字基带信号发生系统、长序列连续单一电平检测电路、分隔符产生和引入电路、同步信号产生电路、整形电路、宽带功率放大器、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、整形电路、宽带低噪声放大器、高速采样器、分隔符检测和还原电路。

在本发明系统中，利用扩展来解决低速数字信号所对应的低频分量或者接近直流分量无法在有限带宽的射频收发系统中传输的问题，构成了本发明的一个核心技术。对低速数字基带信号的编码首先是将所述低速数字基带信号中的码元或者码元的组合用高速数字信号的码元或者码元的组合替换来进行扩频形成扩频码，所述高速数字信号码元的时间步长比低速数字基带信号短，如果在所述低速数字基带信号经过所述扩频形成的高速数字信号扩频码中存在一定数量的长序列连续单一电平，则每隔一定数量的长序列连续单一电平进行分隔，通过所述扩频与分隔形成扩展码，再加入同步信号，完成编码的过程；对于已经包含多用户信息的高速数字基带信号，如果信号中含有长序列的连续单一电平，对长序列连续单一电平信号的编码包括引入分隔符进行分隔以及加入同步信号。

经过编码(包括扩展和同步)之后的高速数字信号是宽频带的脉冲波形(如方波)，其中包含了高次谐波分量。当不对宽频带的脉冲波形进行整形时，需要带宽包含脉冲波形高次谐波分量的射频收发系统才能在接收端正确解码并还原原始数据信号，而如果射频收发系统的带宽只包含脉冲波形的基频分量或较低次的谐波分量，将产生码间串扰而引起失真。

为避免信号串扰以及对射频收发系统带宽的过高要求，本发明的另外一个核心技术是对扩展和同步之后的宽频带的脉冲波形进行整形而形成传输码。实现整形的一种方法是通过特定的滤波器滤除脉冲波形中宽频带的频率分量，而不会导致码间串扰。

以上的编码和整形过程，不需要把数字基带信号加载到另外的无线电模拟载波或脉冲信号上，也无需对模拟载波进行调制/解调之后再进行发射/接收。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也无需下变频混频器和本振信号。通过以上系统实现了数字基带信号经过编码和整形后，直接进行发射和接收的多用户全数字宽带无线通信。

本发明系统的发射端结构：携带了需要传输信息的数字基带信号，其信号幅度通常在几十个毫伏(mV)或者以下的量级。通过对数字信号进行扩展和同步以及整形形成传输码后，直接通过宽带的功率放大器将传输码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，通过整形，然后通过宽带低噪声放大器放大，输入到高速采样器采样，最后通过解码得到各自用户的信息。

该宽带无线通信系统的接收端，对于经过分隔符分隔的数字信号，解码是将数据信号从所述分隔符中进行还原，对于在所述发射端的低速数字基带信号经过扩频形成所述的扩频码后，所述解码是在接收端通过解扩来还原原始数据信号，

通过以上分析可知，本发明系统是对各路用户数字基带信号进行编码与整形后直接经过宽带功率放大器放大后，由宽带天线发射；在系统的接收端，无线电信号被宽带天线接收后，经过整形，然后经过宽带低噪声放大器和高速采样器，再通过解码对各路用户信号进行还原。本发明避免了传统的模拟载波通信模式中调制解调结构所必需的器件如混频器，以及脉冲无线电超宽带模式中的脉冲发生器，从而实现结构简单、低成本、高传输速率的多用户全数字宽带无线通信系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统中对应低速数字基带信号的系统框图；

图2是本发明系统中对应高速数字基带信号的系统框图；

图3是传统的直接上变频发射机结构(参考文献1)；

图4是传统的零中频接收机结构(参考文献1)；

图5是传统的典型CDMA收发系统的框图；

图6是低速数字基带信号经过伪随机m序列扩频，并加入同步信号后依次得到的扩展码、同步码的波形；

图7是高速数字基带信号通过引入分隔符(用负电平替换原始高电平)进行扩展得到的扩展码波形；

图8是低速数字信号经过伪随机序列扩频并经过同步后未经整形在系统中的传输情况，扩频后方波信号的比特率是1Gbps，射频系统最高工作频率是1GHz，对接收码的仿真结果显示系统存在码间串扰引起的失真；

图9是低速数字信号经过伪随机序列扩频并经过同步后未经波形变换在系统中的传输情况，扩频后方波信号的比特率是1Gbps，射频系统最高工作频率是5GHz，对接收码的仿真结果显示在射频系统带宽包含了方波信号的高次谐波分量的情况下可避免失真；

图10是低速数字信号经过伪随机序列扩频并经过同步后，再经过整形形成传输码后在系统中的传输情况，扩频后方波信号的比特率是1Gbps，射频系统最高工作频率是1GHz，对接收码的仿真结果显示，在经过一定符号速率的滤波器进行整形后，同不经过整形相比，在同样的射频系统带宽下可低失真还原原始数据信号；

图11是高速数字信号引入分隔符后的扩展码经过波形变换形成传输码后在系统中的传输情况，高速数字方波信号的比特率是1Gbps，射频系统最高工作频率是1GHz，对接收码的仿真结果显示在引入分隔符并经过一定符号速率的滤波器整形后，可低失真还原原始数据信号；

以上图1中有：

10-数字基带信号发生系统(10₂为第二路用户信息，10_k为第k路用户信息，……)

11-扩频序列发生器(11₂产生第一路用户使用的扩频序列PN₂，11_k产生第二路用户使用的扩频序列PN_k，……)

12-扩频电路

13-加法电路(多路信号针对基站应用，每个移动终端对应一路信号)

131-长序列连续单一电平检测电路

1311-分隔符产生和引入电路

14-同步信号产生电路

15-整形电路

16-发射端宽带功率放大器

17-发射端宽带天线

18-接收端宽带天线

185-整形电路

19-接收端宽带低噪声放大器

100-高速采样器

101-分隔符还原电路

110-扩频序列解扩电路

图2中有：

20-数字基带信号发生系统

21-长序列高电平检测电路

210-分隔符产生和引入电路

22-同步信号产生电路

23-整形电路

24-发射端宽带功率放大器

25-发射端宽带天线

26-接收端宽带天线

265-整形电路

27-接收端宽带低噪声放大器

28-高速采样器

29-分隔符还原电路

图3中有：

30-数字基带信号

31-无线电模拟载波

32-调制变频后的信号

33-本振信号

34-移相器

35-混频器

图4中有：

40-本振信号

41-移相器

42-混频器

图5中有：

50-乘法器

51-伪随机序列发生器

52-加法器

53-混频器

54-接收端低噪声放大器

55-混频器

56-乘法器

57-伪随机序列发生器

58-积分器

具体实施方式

图1是本发明系统中对应低速数字基带信号的系统框图。

发射端部分包括：数字基带信号发生系统10，扩频序列发生器11，扩频电路12，加法器13，长序列连续单一电平检测电路131，分隔符产生和引入电路1311，同步信号产生电路14，整形电路15，发射端宽带功率放大器16，发射端宽带天线7；接收端部分包括：接收端宽带天线18，整形电路185，接收端宽带低噪声放大器19，高速采样器100，分隔符还原电路101，扩频序列解扩电路110。

发射端中：携带需要传输信息的低速数字基带信号以方波信号或其他的脉冲信号形式，输入到发射端，低速数字基带信号的比特率在几百兆比特每秒(Mbps)以下，数字基带信号发生系统10，将需要传输的数据信号以方波信号或其他的脉冲信号形式输入到系统，扩频序列发生器11产生特定的高速数字信号的扩频序列(如伪随机序列)，通过扩频电路12完成对数字基带信号10的扩频，加法器13针对基站应用时把各路用户的信号相加(对于移动终端用户只有一路信号)，长序列连续单一电平检测电路131检测低速数字基带信号经过扩频后，如果存在超过一定数量的连续长序列连续单一电平码元，分隔符产生和引入电路1311对扩频码进行分隔形成扩展码，同步信号产生电路14产生的同步信号加在扩展码的最前端形成同步码，同步码进入整形电路15对信号进行滤波消除宽频带信号中的高次谐波分量，经过扩展和整形后形成的传输码经过发射端宽带功率放大器16放大后送到宽带天线17发射到空间；接收端中：从宽带天线18接收到的信号，经过整形电路185整形后，被宽带低噪声放大器19放大，输入到高速采样器100进行采样，接收到的信号进入分隔符还原电路101进行还原，还原后的信号通过解扩电路110进行解码，还原出原始的数据信号。

图2是本发明系统中对应高速数字基带信号的系统框图。

发射端部分包括：数字基带信号发生系统20，长序列连续单一电平检测电路21，分隔符产生和引入电路210，同步信号产生电路22，整形电路23，发射端宽带功率放大器24，发射端宽带天线25；接收端部分包括：接收端宽带天线26，整形电路265，接收端宽带低噪声放大器27，高速采样器28，分隔符还原电路29。

发射端中：携带需要传输信息的数字基带信号以方波信号或其他的脉冲信号形式，输入到发射端，高速数字基带信号比特率本身就可以达到千兆比特(Gbps)或者以上。数字基带信号发生系统20将高速数字基带信号传输到长序列连续单一电平检测电路21，如果长序列连续单一电平检测电路21检测到超过一定数量的连续长序列单一电平码元，分隔符产生和引入电路210对信号进行分隔形成扩展码，同步信号产生电路22产生的同步信号加入扩展码的最前端形成同步码，整形电路23对信号的脉冲波形进行滤波消除宽频带(如方波)脉冲信号中的高次谐波分量，经过扩展和整形后形成传输码，传输码经过发射端宽带功率放大器24放大后送到发射端宽带天线25发射到空间。接收端中：从宽带天线26接收到的信号，首先经过整形电路265整形后，被宽带低噪声放大器27放大，再输入到高速采样器28进行采样，接受到的信号进一步进入分隔符还原电路101进行还原，还原出原始的数据信号。

以上整个系统中，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。

以上所述的多用户全数字宽带无线通信系统，具有实现多用户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，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。

按照图1的系统框图，以下介绍本发明对于低速数字基带信号实现多用户通信的一种方法。

对于低速数字基带信号，对低速数字信号进行扩频的一种方法，是将低速数字基带信号中每个高电平的码元全部用高速数字信号伪随机序列替换从而得到扩展码，这个过程消除了低速数字基带信号中的低频信息。其中的伪随机序列具有自相关性大而互相关性小的特点，用不同的伪随机序列对不同用户的数字基带信号进行扩频，并在接收端利用相同的伪随机码进行解扩，即可实现多用户通信。对于扩频后的伪随机序列，如果检测到超过一定数量的长序列连续单一电平码元后，则进一步通过引入分隔符进行分隔。

通过以上过程形成的扩展码，一方面实现了多用户通信，同时消除了数字信号中的低频分量。

然后，对经过同步后的扩展码信号的脉冲波形进一步进行整形，从而滤除宽频带脉冲波形中的高次谐波分量。

经过以上扩展和整形形成的传输码，可被具有一定带宽的射频收发系统直接进行放大、发射与接收，在接收端接收到的信号经过整形、放大和高速采样器采样，继续把数据信号从分隔符中还原后，使用与发射端相同的所述伪随机序列与接收到的宽带信号做相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信号，即可实现多用户全数字宽带无线通信。

对于高速数字基带信号，本身已经包含了多用户信息，通过时分多址(TimeDivision Multiple Access-TDMA)来实现不同用户的选址。

下面，我们结合二进制序列具体解释本发明图1和图2系统中，对数字基带信号进行处理形成传输码的实现方法。

在多数情况下，数字基带信号通常是采用二进制码元的0和1表示，例如，0代表低电平(如通常采用的零电压)，1代表高电平。

针对低速数字基带信号，为实现多用户的扩频技术，本发明的实施举例是通过伪随机序列来完成的，其中伪随机序列的一种特例是m序列，是由特定寄存器产生的伪随机序列。给定m个寄存器组成的硬件电路，可以产生一组码元数为2^m-1的m序列，其中不同的m序列(m1、m2、m3......)之间互相关性小、自相关性大。所有m序列中每个码元的时间长度t_m是固定的。

本发明中对数字基带信号进行处理形成传输码的过程分为如下三个步骤：

第一个步骤是对数字基带信号进行扩展。

对于低速数字基带信号，首先将低速数字基带信号中的码元用高速数字信号的高电平码元与低电平码元组成的扩频序列来进行替换。

利用高速数字信号进行扩频的一种方法，是将低速数字基带信号中每个高电平的码元全部用伪随机m序列替换从而得到扩展码，具体的实现方法是用不断循环的m序列和数字基带信号相乘。这里一个m序列持续的时间(2^m-1)*t_m等于数字基带信号1个码元的持续时间。

不同用户的数字基带信号使用不同的m序列进行编码，就可以共用同一个信道进行传输，并且在接收端利用与发射端相同的伪随机序列对接收信号进行相关处理，即可将不同用户的信息区分开来。以上的扩展过程同时扩宽了频谱，提高了信道容量。以上过程是通过伪随机序列的扩频序列发生器11和扩频电路(乘法电路)12中完成的。对于经过伪随机序列扩频后形成的高速数字信号扩频码，如果检测电路131检测到扩频码中含有码元过多的长序列连续单一电平，则进一步通过引入分隔符来消除其低频分量，这个步骤是在分隔符产生和引入电路1311中进行的。

对于高速数字基带信号，由于其信号码率已经很高，本身可以携带多用户信息。高速数字基带信号或者低速数字基带信号经过扩频形成的高速数字信号扩频码中，如果含有很长序列的连续单一电平，如连续一千个1，所对应的低频分量可能仍然超出了射频系统带宽的下限而无法传输。对于这种情况，本发明通过引入分隔符来对长序列的连续单一电平进行扩展。一种具体的实现方法是在检测到一定数量P的连续单一电平序列后，则引入分隔符把长序列的连续单一电平分隔成几个短序列的单一电平，从而得到扩展码。以上过程保证了高速数字信号中不含有长序列的连续单一电平，从而消除高速数字信号中的低频分量。高速数字基带信号的分隔符引入是在分隔符产生和引入电路210进行的。

分隔符的引入可以通过以下几种方法实现，一种方法是在一定数量P的长序列连续单一电平之后插入一个分隔符，另外一种方法是用分隔符替换一定数量P的长序列连续单一电平的一个(或几个)码元。分隔符具有与原始的数字基带信号码元以及扩频码码元不同的属性。例如，对二进制码元(1和0)，当0代表零电平，1代表高电平，分隔符用-1表示时，分隔符所具有的高电平同代表1的高电平极性相反。

第二个步骤是对扩展后的数字基带信号进行同步，即在扩展码的基础上加入同步信号。为了保证接收端能够识别出一段信号的起始码元，需要在扩展码的最前端加入同步信号，从而得到同步码。实际运用时必须保证同步信号不会出现在信号中(唯一可区分)。

第三个步骤是整形。数字基带信号经过扩展后形成的同步码继续经过整形处理后得到传输码。整形过程是用频带窄的脉冲波形来替换频带宽的脉冲波形(如方波)，形成最终的传输码。用来代替宽频带脉冲波形的窄频带脉冲波形根据耐奎斯特准则(Nyquist Signaling)，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，另一方面成功地避免了码间串扰。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(raised cosine)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。而且该种信号的实现方法较为简单，在系统中加入升余弦(raised cosine)滤波器即可实现上述整形。对脉冲波形的整形是在不过多影响信号完整性和传输性能的情况下，降低系统所需的带宽。整形与扩展、同步共同作用，完成了对原始数字基带信号的处理。整形后的传输码与同步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端和接收端的带宽要求。

对于低速数字基带信号的系统，对数字信号的脉冲波形做整形形成传输码是在整形电路15中进行；对于高速数字基带信号的系统，对脉冲波形做整形形成传输码是在整形电路23中进行。

图3为传统的直接上变频发射机结构。其中：数字信号30加载到模拟载波31，形成调制变频后的无线电信号32发射；本振信号33通过移相器34调整，再通过混频器35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4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40通过移相器41调整，通过混频器42，转化为低频信号，再传送给后续电路进行处理。

图5为传统的典型CDMA收发结构。其中：各路用户信号通过乘法器50和相对应的伪随机序列51相乘，将各路信号通过加法器52后，送入混频器53加载到模拟信号上发射出去。接收端接收到信号后送到低噪声放大器54中放大，接着进入混频器55进行下混频，再和相对应的伪随机序列57进行相乘56，得到信号送到积分器58进行处理。

将图1、图2与图3、图4、图5进行对比后发现，传统的模拟载波调制模式，其特征都是需要无线电模拟载波信号。而本发明所提出的模型不需要另外的模拟载波。特别地，将图1和图4进行比较后发现，可以实现多用户通信功能的传统CDMA技术，仍然需要通过混频器利用信号来调制模拟载波实现无线传输，接收端也需要混频器来解调出各路信号。

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。验证过程所采用的扩频序列是伪随机序列。

本发明的核心技术思想主要包括：

第一个方面，利用高速数字信号如高速伪随机序列对低速数字基带信号进行扩频，保证了数字信号中没有时间步长过长的高电平所形成的低频信息，同时利用伪随机序列自相关性大而互相关性小的特点，不同的用户使用不同的伪随机序列进行编码便可以在同一信道中传输，并在接收端通过解码还原各自用户的原始数据信息。

第二个方面，通过引入分隔符对高速数字信号进行编码，保证了数字信号中没有过长序列(或时间步长过长)的连续单一电平。

第三个方面，通过整形来滤除通过扩频和分隔形成的扩展码数字信号中脉冲波形(如方波)的高次谐波分量。

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，首先将低速数字基带信号通过伪随机序列进行扩频形成扩频码，然后经过分隔后形成扩展码，在扩展码前端加入同步信号后，进一步对脉冲波形进行整形形成传输码，利用一个宽带功率放大器将传输码的信号进行放大，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，通过整形后，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后，再通过解码得到各自用户的信息。

对于系统的发射端，我们首先考虑如何实现多用户共用信道通信。对于高速数字基带信号，由于其码率足够高，可以直接通过时分多址将不同用户信号使用不同的时间段发射。对于低速数字基带信号则可利用m序列的自相关性大而互相关性小的特点，将不同用户的信号用不同的m序列进行编码，在接收端针对不同用户用相应的m序列解码即可实现多用户通信。

在数字基带信号中，长序列的连续单一电平或者长时间步长的单个高电平，对应的低频信息是无法直接作为无线电信号被发射和传输的。

对于低速数字基带信号，利用高速数字信号码元组成的序列进行扩频，从而消除低速信号的低频分量。经过扩频后形成的高速数字信号，如果存在长序列的连续单一电平，则通过引入分隔符进一步对信号进行分隔形成短序列的连续单一电平，消除高速信号中的长序列单一电平所对应的低频分量。

对于高速数字基带信号，通过引入分隔符来消除长序列的连续单一电平所对应的低频分量。

我们接下来考虑扩展码的形成以及收发情况。在图6-图11中，纵坐标轴为信号时域波形，电压的单位是mV，横坐标轴为时间，单位是纳秒(ns)。

图6是低速数字基带信号经过高速数字信号伪随机m序列扩展后，形成的扩展码以及同步码波形。

图7是高速数字基带信号中存在长序列的单一电平(高电平)，经过分隔符分隔后形成的扩展码以及同步码波形。

图8-图11显示扩展码未经脉冲波形的整形以及经过整形后，在一定带宽的射频系统中传输时接收码的仿真曲线。

针对低速数字基带信号扩频后形成的扩展码(比特率为1Gbps)，在最高工作频率为1GHz的射频收发系统(简称射频系统)中，系统在接收端的接收码的仿真结果如图8所示。对于没有进行整形的扩展码，由于传输过程中方波信号中的高次谐波分量被一定带宽的射频系统滤除，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，因而导致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。

而为了避免出现以上这种码间串扰导致的误码，一种方法是提高射频系统的带宽，包括发射端的放大器、天线以及接收端的放大器。例如，当我们把射频系统的最高工作频率提高到5GHz时，接收码的仿真结果如图9所示。由于射频系统的带宽增加，这时接收信号基本上包含了所需的高次谐波分量，消除了码间串扰导致的失真。

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)的带宽提高到足够高时，实现数据信号的无误码传输。

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，是对数字信号的脉冲波形进行整形，用带宽较窄的脉冲波形代替扩展码的数字信号中宽频带的脉冲波形(如方波)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整形形成传输码的功能是通过在系统中加入升余弦滤波器(raised cosine filter)来实现的。通过引入具有一定符号速率的升余弦滤波器，对扩展码进行滤波形成传输码后再进行传输。

例如，对于比特率为1Gbps的数字信号，通过满足耐奎斯特准则的升余弦滤波器进行滤波后所形成的传输码，在最高工作频率为1GHz的射频系统中传输的信号仿真结果如图10所示。同没有经过升余弦滤波器处理(图8)的结果进行比较后发现，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，通过本发明对脉冲波形的整形，把本来需要很高带宽的射频系统才可以实现的低误码率传输，在射频系统的带宽包含脉冲波形的基频分量(或者较低次谐波分量)的情况下就可以实现。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。

图11中，对于比特率为1Gbps的高速数字信号，通过引入分隔符消除原始信号中长序列的连续高电平形成的扩展码，经过整形后，在最高工作频率为1GHz的射频系统中，在接收端通过解码可正确还原原始数据信号。

此外，考虑到不同频率的信号在空间衰减程度的不同，通过整形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。

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。

Claims (23)

1.一种多用户全数字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数字基带信号进行数字信号处理形成传输码后，直接放大、发射和接收，来实现信息的多用户全数字宽带无线传输。

2.根据权利要求1所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

(1)该宽带无线通信方法中，对所述数字基带信号进行所述数字信号处理包括对数字信号进行编码以及对数字信号的脉冲波形进行整形；

(2)对数字基带信号进行所述编码以及整形后，形成的所述传输码被具有一定带宽的射频收发系统经过信号放大后，直接发射和接收。

3.根据权利要求2所述的一种多用户全数字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，对数字基带信号进行所述编码分为扩展和同步两个步骤，依次得到扩展码和同步码，对所述同步后的扩展码再经过所述整形形成所述传输码。

4.根据权利要求3所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

对于低速数字基带信号，发射端中对所述低速数字基带信号进行的所述扩展包括扩频和分隔两个步骤，所述扩频是将所述低速数字基带信号中的码元或者码元的组合用高速数字信号的码元或者码元的组合来替换而形成扩频码，所述高速数字信号码元的时间步长比低速数字基带信号短，如果在所述低速数字基带信号经过所述扩频形成的高速数字信号扩频码中存在一定数量的长序列连续单一电平，则每隔一定数量的长序列连续单一电平进行所述分隔，通过所述扩频与分隔形成扩展码。

5.根据权利要求4所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

对低速数字基带信号进行所述扩频，可以是低速数字基带信号中的码元或者码元组合被一个高速数字信号码元替换，也可以是低速数字基带信号码元或者码元组合被多个高速数字信号码元的组合替换，还可以是低速数字基带信号码元或者码元组合被高速数字信号码元的伪随机序列替换。

6.根据权利要求3所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

对于高速数字基带信号，在发射端的所述高速数字基带信号中，每隔一定数量的长序列连续单一电平则进行分隔，形成所述扩展码。

7.根据权利要求4或者6所述的一种多用户全数字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，在所述发射端中对每隔一定数量的长序列连续单一电平进行所述分隔是通过引入分隔符来实现的，它可以通过在一定数量的长序列连续单一电平后额外插入所述分隔符来实现，也可以通过用所述分隔符替换一定数量的长序列连续单一电平中的一个或者多个连续单一电平来实现。

8.根据权利要求7所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

所述分隔符具有的属性不同于所述高速数字基带信号的码元，也不同于所述扩频后形成的高速数字信号扩频码的码元，根据所述属性的不同将所述分隔符同被分隔的数字信号码元分开。

9.根据权利要求8所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

所述分隔符所具有的与高速数字基带信号的码元以及扩频后形成的高速数字信号扩频码的码元不同属性包括不同的信号幅度，或者不同的时间步长，或者不同的极性。

10.根据权利要求9所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

对二进制码元1和0，所述分隔符的高电平同被分隔的数字信号的高电平极性相反；当0代表零电平，1代表高电平，所述分隔符用-1表示时，所述分隔符具有的高电平同1代表的高电平极性相反。

11.根据权利要求3所述的一种多用户全数字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，所述同步码是在所述扩展码最前端加入同步信号形成的，保证扩展后的信号在接收端被正确还原。

12.根据权利要求3所述的一种多用户全数字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，所述传输码是对同步后的所述扩展码进一步进行所述脉冲波形的整形形成的，所述整形是用窄频带的脉冲波形来代替所述扩展码的宽频带的脉冲波形。

13.根据权利要求12所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

所述整形过程中，用来代替所述扩展码宽频带脉冲波形的窄频带脉冲波形符合耐奎斯特准则(Nyquist signaling)，使所述整形不引入额外的码间串扰。

14.根据权利要求13所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

所述整形是在所述宽带无线通信方法中，对所述扩展码以及接收端天线接收到的信号滤除宽频带频率分量的滤波而实现。

15.根据权利要求14所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

所述滤波是通过升余弦滤波器(raised cosine filter)实现，滤波后形成升余弦信号。

16.根据权利要求2所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

在所述宽带无线通信方法的发射端经过所述扩展以及整形形成的所述传输码，所对应的频谱带宽处于射频收发系统的带宽之内，被具有所述带宽的射频收发系统放大、发射和接收。

17.根据权利要求2所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

该宽带无线通信方法的接收端，对于在发射端经过所述编码和整形形成的所述传输码，在接收端通过解码来还原原始数据信号。

18.根据权利要求17所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

该宽带无线通信方法的接收端，在接收端检测到所述发射端经过所述编码形成传输码中的所述分隔符之后，所述解码是将数据信号从所述分隔符中进行还原，如果所述发射端是利用插入所述分隔符进行分隔则通过消除所述分隔符，如果是利用所述分隔符替换一定数量的长序列连续单一电平中的一个或者多个码元则用所述的一个或者多个码元来替换所述分隔符。

19.根据权利要求17所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

该宽带无线通信方法的接收端，对于在所述发射端的低速数字基带信号经过所述编码的扩频后，所述解码是在接收端通过解扩还原原始数据信号。

20.根据权利要求5所述的一种多用户全数字宽带无线通信的方法，其特征在于：

对于低速数字基带信号，在发射端针对不同用户的低速数字基带信号通过不同的所述伪随机序列进行所述扩频，所述伪随机序列之间具有自相关性大而互相关性小的特点，然后对扩频后的数字信号进一步进行所述分隔、同步以及整形，形成被所述具有一定带宽的射频收发系统放大、发射与接收的所述传输码，在接收端接收到的信号经过滤波、放大和高速采样器采样，继续把数字信号从所述分隔符中还原后，针对不同用户，使用与发射端相同的所述伪随机序列与接收到的宽带信号做相关处理，对宽带信号进行解扩，从而还原不同用户的原始数据信号，实现多用户通信。

21.一种多用户全数字宽带无线通信的系统，其特征在于：

该宽带无线通信系统的发射端，通过对数字基带信号进行所述扩展与同步的编码处理，并经过所述对数字信号的脉冲波形进行整形后形成所述传输码，所述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，经过整形后，经过宽带低噪声放大器放大，输入到高速采样器，然后再通过解码电路还原各路用户的原始数据信号。

22.根据权利要求21所述的一种多用户全数字宽带无线通信的系统，其特征在于：

对于低速数字基带信号，该宽带无线通信系统的发射端部分包括：数字基带信号发生系统、扩频序列发生器、扩频电路、加法电路、长序列连续单一电平检测电路、分隔符产生和引入电路、同步信号产生电路、整形电路、宽带功率放大器、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、整形电路、宽带低噪声放大器、高速采样器、分隔符检测和还原电路、扩频序列解扩电路。

23.根据权利要求21所述的一种多用户全数字宽带无线通信的系统，其特征在于：

对于高速数字基带信号，该宽带无线通信系统的发射端部分包括：数字基带信号发生系统、长序列连续单一电平检测电路、分隔符产生和引入电路、同步信号产生电路、整形电路、宽带功率放大器、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、整形电路、宽带低噪声放大器、高速采样器、分隔符检测和还原电路。

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