CN1567732A - 一种新的超宽带信号的接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新的超宽带(UWB：UltraWideband)信号的接收方法，它是通过利用多路并行的滤波器同时并行的接收超宽带信号，滤波器输出的信号带宽可以小于接收到的超宽带信号的带宽，这就大大降低了接收机对A/D采样速率、定时(时钟)精度的要求，从而可以用普通的A/D和时钟(定时)等低成本的器件实现对超宽带信号的接收，为UWB系统的实用提供了技术和成本上的有力支持。
Description
技术领域
本发明属于电磁波技术的领域，如无线通信、雷达、有线通信等，特别涉及采用超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号的通信方式。
背景技术
众所周知，超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号的定义方式有如下两种：
相对带宽(百分比带宽：
)大于25％
超宽带信号与窄带信号的对比如图1所示。
UWB信号发射机组成：UWB信号发射机包括由调制模块1和脉冲波形发生器模块2组成的UWB调制器模块7、由放大器a模块3、滤波器a模块4以及频谱搬移a模块5组成的射频前端模块8和发射天线6。如图2所示。
发射机工作过程：信息(数据)向量b(t)经过调制模块1和脉冲波形发生器模块2调制后产生UWB信号(UWB信号与窄带(NB：Narrow Band)信号的带宽比较示意图如图1所示)，然后经过由放大器a模块3、滤波器a模块4以及频谱搬移a模块5组成的射频前端模块8通过发射天线6输入到传输介质中。其中放大器a模块3的放大增益系数可以是大于1，也可以是等于1；频谱搬移a模块5的频谱搬移量可以根据需要设定，也可以是频谱搬移量为零。
在现有的超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号接收方法(技术)中，可以分为串行接收和串并行混合接收2种方式。
现有的超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号接收方法(技术)有：
(1)串行接收：这是最普通的、也是在现有的通信系统中广泛使用的接收方式。如图3所示，由天线9接收到的信号与模板信号在相关器的作用下输出信号，然后经过积分器a模块13和判决器模块14得到解调后的信号。详细内容见：Dr.Jeffrey Reed and Dr.Michael Buehrer，″Introduction to UWB：Impulse Radio forRadar and Wireless Communications，″MOBILE & PORTABLE RADIORESEARCH GROUP，2001。
(2)通过延时单元组并行接收信号，最后合成串行输出：从天线接收下来的信号经过必要处理之后，用一组延时器并行的接收，然后做解调处理，最后将解调后信号串行的输出。详细内容见：M.Srinivasan C.-C.Chen G.Grebowsky and A.Gray，″An All-Digital，High Data-Rate Parallel Receiver，″Communications andSystems Research Section Goddard Space Flight Center，Greenbelt，Maryland，1997。现有的超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号接收方法(技术)，它们存在的缺点是：
(1)信号的瞬时带宽很宽(GHz量级)，串行接收时对A/D采样器的采样速率要求太高；
(2)采用延时单元组并行接收信号时对定时(时钟)精度的要求太高；
(3)采用延时单元组并行接收信号时各并行支路的采样速率不能随实际情况自适应变化；
(4)已有的接收端全部是合成串行输出，数据的速率过高，给后级处理带来很大压力；
(5)系统的实现成本高；
(6)系统的容量受限，不符合未来通信系统的要求
(7)不利于UWB系统的实用化和商用化。
发明内容
本发明的任务是提供一种新的超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号的接收方法，采用本发明的接收方法，可以大大降低接收机对A/D采样速率、定时(时钟)精度的要求，从而可以用普通的A/D和时钟(定时)等低成本的器件实现对超宽带信号的接收，为UWB系统的实用提供了技术和成本上的有力支持。
如图4所示，本发明的一种新的超宽带信号的接收方法，包括
第一步：(预处理步骤)从接收天线9接收到信号r(t)，r(t)经过射频接收前端模块18进行接收机前端的预处理，得到信号w(t)，预处理后的信号能更好的满足后级电路的处理要求；
其特征是它还包括下面的步骤：
第二步：(设置各滤波器的工作频段步骤)为了并行的接收信号w(t)，我们需要设置滤波器组中每一个滤波器i(0≤i≤N-1，N为滤波器组中滤波器的数量，N为自然数)的工作频段；设整个UWB信号发射频段带宽为C Hz，可以采用平均分配工作频段的方法，那么每一个滤波器i(0≤i≤N-1)的工作频段带宽应该为C/N Hz；也可以采用不平均分配发射频段带宽的方法：由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中各个滤波器的工作频段的带宽也可不相同；由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中各个滤波器的工作频段允许有部分的重叠(如图7所示)，也可以不重叠(如图6所示)；图6中采用的是理想滤波器组，图7中采用的是非理想滤波器，各个滤波器的工作频段有部分的重叠25；
第三步：(滤波器并行接收步骤)经过第一步得到的信号w(t)被由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组并行接收；即滤波器i只能接收它的工作频段上的信号，所以由N个滤波器组合在一起就可以并行接收整个UWB发射频带上的所有信号；
第四步：经过第三步后，由每一个滤波器i得到的信号ui(t)在乘法模块20的作用下与cos(ωit)相乘解出信号在频域上对应滤波器i工作频段所存承的信息，得到信号vi(t)，0≤i≤N-1；
第五步：(模数转换步骤)由第四步得到的信号vi(t)经过它所在支路上A/D采样器模块采样后得到第i路数字化的信号，0≤i≤N-1；
第六步：(积分步骤)由第五步得到的第i路数字化信号通过其对应的积分器模块i进行积分，随后在其对应的信道估计模块的配合下进行信道校正，得到校正后的第i路信号，0≤i≤N-1；
第七步：(IDFT步骤)由第六步得到的校正后的各路信号并行进入IDFT模块24进行IDFT变换；
第八步：由第七步得到并行输出的原始信息(数据)的估计值{0，…，i，…，N-1}，这就是我们最终需要的信息(数据)。
需要说明的是：
上述的第四步是将第三步得到的信号ui(t)首先通过乘法器模块与cos(ωit)相乘，然后进行第五步的模数转换。在接收机的设计中我们也可以采取灵活的方式，即将第三步得到的信号ui(t)先进行模数转换，然后再通过乘法器模块与cos(ωit)相乘，如图5所示。
本发明接收机部分的组成：如图4所示，包括：射频接收前端模块18、同步模块19、滤波器i模块(0≤i≤N-1)、乘法器模块20、A/D(模数转换)模块21、积分器i模块(0≤i≤N-1)、信道估计模块22、信道校正模块23、反离散傅立叶变换(IDFT：InverseDiscrete Fourier Transform)模块24组成；射频接收前端模块18由放大器b模块15、滤波器b模块16、频谱搬移b模块17组成。
本发明接收机部分工作过程：如图4所示，接收机中接收天线9接收到发射的信号，送至由放大器b模块15、滤波器b模块16、频谱搬移b模块17组成的射频接收前端模块18得到信号w(t)，然后w(t)被由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组接收并进行并行滤波，滤波后的信号vi(t)在乘法器模块20的作用下与cos(ωit)相乘(0≤i≤N-1)，相乘后的信号通过A/D模块进行模数转化。经过数字化的第i路信号通过积分器模块i(0≤i≤N-1)，随后在其对应的信道估计模块的配合下进行信道校正，最后各路信号并行通过IDFT模块24进行IDFT变换。经过IDFT变换后，并行的输出原始信息(数据)的估计值{0，…，i，…，N-1}。
需要说明的是：
其中放大器b模块15的放大增益系数可以是大于1，也可以是等于1；频谱搬移b模块17的频谱搬移量可以根据需要设定，也可以是频谱搬移量为零；
接收机中由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中各个滤波器的工作频段允许有部分的重叠。在图6中用的是理想滤波器组，在图7中用的是非理想滤波器，滤波器之间的工作频段有部分的重叠25；
由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中，每个滤波器的输出信号的带宽，可以大于、等于或小于输入信号的带宽。但是为了降低对后级电路中A/D采样速率的要求，我们应该尽可能减小滤波器输出的信号的带宽；
正交频率组{cos(ω0t)，…，cos(ωit)，…，cos(ωN-1t)}中正弦波角频率ωi与滤波器i-1模块后乘法器20输入的正弦波角频率ωi-1的差为ω0；即ωi-ωi-1＝ω0，其中0＜i≤N-1；
各A/D采样器模块的采样速率，可以大于、等于或小于接收天线9接收到的UWB发射机发射信号的带宽。但是由于我们采用了由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组同时并行的接收超宽带信号，在实际工程应用中，各A/D采样器模块的采样速率小于接收天线9接收到的UWB发射机发射信号的带宽；
接收机中可以采用信道估计及信道校正功能，也可以不采用信道估计及信道校正功能。
接收机中的反离散傅立叶变换(IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform)模块24可以采用离散傅立叶变换技术；也可以采用快速傅立叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)技术。
本发明的工程实现与其它的UWB信号接收方法(技术)相比，具有如下特点：
(1)大大降低了接收机对A/D采样速率、定时(时钟)精度的要求。这是因为由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中，每个滤波器输出的信号的带宽，都可以小于输入滤波器信号的带宽，这就使得后级的A/D可以采取欠采样技术；
(2)采用本发明的接收方法，可以利用多路并行的滤波器同时并行的接收超宽带信号，滤波器输出的信号带宽可以小于接收到的超宽带信号的带宽，这就大大降低了接收机对A/D采样速率、定时(时钟)精度的要求，从而可以用普通的A/D和时钟定时等低成本的器件实现对超宽带信号的接收，为UWB系统的实用提供了技术和成本上的有力支持；
(3)由于本发明采用了正交的频率组{cos(ω0t)，…，cos(ωit)，…，cos(ωN-1t)}，这就增强了系统抑制衰落信道影响的能力；
(4)由于本发明的中A/D模块的位置相对于传统的接收机中A/D模块的位置比较靠前，所以有利于系统的数字集成实现；
(5)整个接收机全部是并行处理数据，使高速的UWB信号并行处理，降低了对器件性能的要求，使系统的稳定性得到了保证；
(6)由于正交的频率组{cos(ω0t)，…，cos(ωit)，…，cos(ωN-1t)}和IDFT全部在接收机中实现，与一般的基于OFDM的UWB系统(等效的IDFT在发射机中，正交的频率组{cos(ω0t)，…，cos(ωit)，…，cos(ωN-1t)}在接收机中)相比，这样做可以克服定时误差、对载波同步比较敏感和较大的峰均功率比(PAPR)等缺点。
综上所述，采用本发明所提出的超宽带(UWB：Ultra Wideband)信号的接收方法，在保留原有UWB系统诸多优点的同时，利用多路并行的滤波器同时并行的接收超宽带信号，滤波器输出的信号带宽可以小于接收到的超宽带信号的带宽，这就可以大大降低接收机对A/D采样速率、定时(时钟)精度的要求，从而可以用普通的A/D和时钟(定时)等低成本的器件实现对超宽带信号的接收，为UWB系统的实用提供了技术和成本上的有力支持。
附图及附图说明
图1是超宽带信号和普通的窄带信号在频域的示意图
其中，NB是窄带信号：Narrow Band，UWB是超宽带信号：Ultra Wideband，fL代表信号的最低频率，fH代表信号的最高频率，fC代表信号的中心频率。
图2是通用的普通UWB信号发射机的框图
其中，1是调制模块，2是脉冲波形发生器模块，3是放大器a模块，4是滤波器a模块，5是频谱搬移a模块，6是发射天线，7是UWB调制器模块，8是射频前端模块，b(t)是原始输入信息。
图3是传统的UWB接收机框图
其中，9是接收天线，10是相关器，11是模板信号，12是同步模块a，13是积分器a，14是判决器。
图4是本发明的接收机框图
其中，9是接收天线，15是放大器b模块，16是滤波器b模块，17是频谱搬移b模块，18是射频接收前端模块，19是同步模块，20是乘法器模块，21是A/D模块，22是信道估计模块，23是信道校正模块，24是反离散傅立叶变换(IDFT：Inverse Discrete FourierTransform)模块，{0，…，i，…，N-1}是恢复后的原始输入信息(数据)估计值，信号w(t)是射频接收前端模块18的输出信号，信号ui(t)是滤波器i的输出信号，信号vi(t)是ui(t)与cos(ωit)相乘的结果。
图5是本发明接收机的另一种形式的框图
其中，9是接收天线，15是放大器b模块，16是滤波器b模块，17是频谱搬移b模块，18是射频接收前端模块，19是同步模块，20是乘法器模块，21是A/D模块，22是信道估计模块，23是信道校正模块，24是反离散傅立叶变换(IDFT：Inverse Discrete FourierTransform)模块，{0，…，i，…，N-1}是恢复后的原始输入信息(数据)估计值，信号w(t)是射频接收前端模块18的输出信号，信号ui(t)是滤波器i的输出信号。
图6是由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中工作频段无重叠的示意图
其中，图中采用的是理想滤波器。横轴代表频率，单位Hz；纵轴代表滤波器的频响特性的幅度。
图7是由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中工作频段有部分重叠的示意图
其中，图中采用的是非理想滤波器。横轴代表频率，单位Hz；纵轴代表滤波器的频响特性的幅度，25是滤波器之间的工作频段有部分的重叠。
具体实施方式
如图4所示，若是4路并行采样，则N＝4，我们假设发射机发射的是带宽为2GHz的高斯脉冲信号，即从DC(直流)～2GHz。这个接收到的超宽带信号经过放大器b进行低噪声放大，再通过带宽为2GHz(或略大于2GHz)的低通滤波器b进行带外噪声抑制，这里我们假设频谱搬移量为零，这样并不失一般性。至此，完成了射频接收前端模块18的信号预处理功能。模块18的输出信号w(t)一路送往同步模块19进行同步控制，一路信号送往4个滤波器进行并行滤波。这时滤波器0～滤波器3的工作频段分配原则可以是：滤波器0从DC～500MHz为低通滤波器，滤波器1从500MHz～1GHz为带通滤波器，滤波器2从1GHz～1.5GHz为带通滤波器，滤波器3从1.5GHz～2GHz为带通滤波器，各滤波器的频响特性理论上可以是理想的，如图6所示，但实际工程中是有部分重叠的，如图7所示。接下来，滤波器i的输出信号ui(t)与cosωit相乘，i＝0，1，2，3。相乘后是A/D采样过程，根据低通和带通的采样定理可知，4路的采样率均为1GHz。当然，在分配滤波器0～滤波器3的工作频段时也可以不平均分配，根据需要来定，这样就会使得各路A/D的采样速率不等，更能适应实际的工程情况。数字化后的第i路信号通过积分器i模块进行积分，随后在信道估计模块的配合下进行信道校正，然后做IDFT变换，当然也可以是快速算法IFFT；最后并行输出原始信息(数据)的估计值{0，1，2，3}。上述过程可以用工具软件通过编程实现。
Claims (2)
1、本发明的一种新的超宽带信号的接收方法，包括
第一步(预处理步骤)：从接收天线(9)接收到信号r(t)，r(t)经过射频接收前端模块(18)进行接收机前端的预处理，得到信号w(t)，预处理后的信号能更好的满足后级电路的处理要求；
其特征是它还包括下面的步骤：
第二步(设置各滤波器的工作频段步骤)：为了并行的接收信号w(t)，我们需要设置滤波器组中每一个滤波器i(0≤i≤N-1，N为滤波器组中滤波器的数量，N为自然数)的工作频段；设整个UWB信号发射频段带宽为CHz，可以采用平均分配工作频段的方法，那么每一个滤波器i(0≤i≤N-1)的工作频段带宽应该为C/N Hz；也可以采用不平均分配发射频段带宽的方法：由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中各个滤波器的工作频段的带宽也可不相同；由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组中各个滤波器的工作频段允许有部分的重叠，也可以不重叠；
第三步(滤波器并行接收步骤)：经过第一步得到的信号w(t)被由滤波器i(0≤i≤N-1)组成的滤波器组并行接收，输出信号ui(t)；即滤波器i只能接收它的工作频段上的信号，所以由N个滤波器组合在一起就可以并行接收整个UWB发射频带上的所有信号；
第四步：经过第三步后，由每一个滤波器i得到的信号u(t)在乘法模块(20)的作用下与cos(ωit)相乘解出信号在频域上对应滤波器i工作频段所存承的信息，得到信号vi(t)，0≤i≤N-1；
第五步(模数转换步骤)：由第四步得到的信号vi(t)经过它所在支路上A/D采样器模块采样后得到第i路数字化的信号，0≤i≤N-1；
第六步(积分步骤)：由第五步得到的第i路数字化信号通过其对应的积分器模块i进行积分，随后在其对应的信道估计模块的配合下进行信道校正，得到校正后的第i路信号，0≤i≤N-1；
第七步(IDFT步骤)：由第六步得到的校正后的各路信号并行进入IDFT模块(24)进行IDFT变换；
第八步：由第七步得到并行输出的原始信息(数据)的估计值{0，…，i，…，N-1}，这就是我们最终需要的信息(数据)。
2、根据权利要求1所述的一种新的超宽带信号的接收方法，其特征是所述的第四步与第五步的次序可以互换，即将第三步得到的信号ui(t)先进行模数转换(第五步)，然后再通过乘法器模块与cos(ωit)相乘(第四步)。
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