專利名稱：一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，屬于擴(kuò)頻通信和高速數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速數(shù)據(jù)傳輸為解決擴(kuò)頻通信通信速率和信號帶寬的矛盾，目前普遍采取的技術(shù)手段是多進(jìn)制調(diào)制，為進(jìn)一步提高頻帶利用率，從BPSK發(fā)展到QPSK、8PSK等。當(dāng)然，從理論上講，MPSK(多相制相移鍵控，M = 2n,n = 1,2,3)頻帶利用率隨M的增加而增加，但維持相同誤碼率所要求的載波功率也將隨M的增加而增加?？紤]到設(shè)備的復(fù)雜性，實(shí)際實(shí)現(xiàn)MPSK 需付出比理論計(jì)算更高的功率代價(jià)，目前國際上用得最多的還是BPSK、QPSK，8PSK也用，從信號狀態(tài)空間圖上看，大于8相的PSK系統(tǒng)已不可取。實(shí)際上，在無線通信中16PSK或更高的MPSK還沒在實(shí)踐中采用。其次就是正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，它能夠同時滿足高速和抗干擾兩方面的要求。目前，用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在 C頻段的高速數(shù)據(jù)傳輸。雖然采用OFDM技術(shù)能夠使系統(tǒng)具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，但是仍然存在著明顯不足。主要有二點(diǎn)(1)對頻偏和相位噪聲很敏感。由于發(fā)端和收端的上、下行轉(zhuǎn)換器和調(diào)諧震蕩器會帶來的相位噪聲抖動，頻偏以及相位噪聲會使子載波間的正交特性遭到破壞，僅1 %的頻偏就能使信噪比(SNR)下降30dB。(2)功率峰值與均值比(PAPR)大。由于OFDM信號是多個子載波調(diào)制信號的合成信號，對于含有N個調(diào)制信號的OFDM系統(tǒng)，若這N個信號均以同相位求和時，那么得到的峰值功率將是均值功率的N倍，即峰均比很大。這就要求發(fā)射功率具有較大的動態(tài)調(diào)整范圍， 并降低了射頻放大器的功率效率。另一種是采用軟擴(kuò)頻技術(shù)，軟擴(kuò)頻又稱緩擴(kuò)頻，即進(jìn)行頻譜的某種緩慢變化，這項(xiàng)技術(shù)是近年來發(fā)展比較快、應(yīng)用比較多的一項(xiàng)技術(shù)。一般的擴(kuò)頻技術(shù)，其偽隨機(jī)碼速率很高，射頻帶寬很寬，在一些頻帶受限的情況下難以滿足系統(tǒng)的要求，故在一些TDMA、CDMA、無線局域網(wǎng)等系統(tǒng)中多采用軟擴(kuò)頻技術(shù)。與直接序列擴(kuò)頻方法不同，軟擴(kuò)頻實(shí)際是采用編碼的方法完成頻率的擴(kuò)展。軟擴(kuò)頻是一種(N，k)編碼，k位二進(jìn)制的信息碼由N位長的偽隨機(jī)序列來表示。用幾位信息元對應(yīng)一條偽隨機(jī)碼。軟擴(kuò)頻的性能與其擴(kuò)展頻率N/k、偽隨機(jī)碼長度N、偽隨機(jī)碼的相關(guān)特性和信息長度k有關(guān)。當(dāng)k值較高時，N位長的偽隨機(jī)序列要選擇相關(guān)特性好(正交和準(zhǔn)正交)的2k個偽隨機(jī)序列就比較困難。唯一的方法就是增加偽隨機(jī)序列N的長度，這樣一方面將增加頻寬，同時接收設(shè)備就更加復(fù)雜?，F(xiàn)代通信中為提高通信的可靠性和抗干擾性能，普遍采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)。尤其在通信中為提高通信的蔭蔽牲、可靠性和抗干擾性必須采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)。在高速數(shù)據(jù)傳輸中如采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，必將形成很寬的信號帶寬。在無線通信中將占用較寬的頻道，同時，接收信道將引入更多的噪聲，影響接收機(jī)的靈敏度，降低設(shè)備的有效通信距離。
在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中為提高通信設(shè)備的抗干擾性能必須提高擴(kuò)頻處理增益G = Bef/ 4。Bkf為擴(kuò)頻后的帶寬為信息帶寬。在信道帶寬Bkf—定的情況下，要提高擴(kuò)頻處理增益G，只有想法降低信息帶寬&。本發(fā)明就是用多進(jìn)制軟擴(kuò)頻和多路復(fù)用的方法降低信息帶寬&，提高擴(kuò)頻處理增益G。降低信息帶寬&，一般方法就是采用多進(jìn)制調(diào)制，一次傳輸多比特信息。也就是在原有帶寬的情況下，傳送更高的比特速率。如要提高η倍的傳送比特速率，就要采用2η進(jìn)制調(diào)制，當(dāng)η > 3時不管采用MPSK或QAM調(diào)制方式，在無線通信中要保證低的誤碼率、小的發(fā)射功率，長的通信短離均難以實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，是一種解決擴(kuò)頻通信通信速率和信號帶寬的矛盾而采取的一種行之有效的技術(shù)手段，提高高速數(shù)據(jù)通信設(shè)備的的蔭蔽牲、可靠性和抗干擾性能。技術(shù)方案一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，其特征在于包括發(fā)射步驟和接收步驟，發(fā)射步驟具體如下步驟1串并轉(zhuǎn)換將需要傳輸?shù)?η位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩路并行數(shù)據(jù)，其中，前η位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第一路并行數(shù)據(jù)定義為D11 Dln、后η位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第二路并行數(shù)據(jù)定義為D21 D2n ；步驟2:針對兩路數(shù)據(jù)分別選用碼長為m的2"-1個不同的準(zhǔn)正交偽隨機(jī)碼 PNu ~ PNir,、/W21 ~ PA^w作為擴(kuò)頻碼；步驟3多進(jìn)制數(shù)據(jù)擴(kuò)頻一路的(n-1)位數(shù)據(jù)D11 Dlilri)任意對應(yīng)選擇其中1路 2"-1個偽隨機(jī)碼PW11 ~ ^V12W中的一個，另一路的Dln為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為Si⑴=Dln(/W ~ PNn^ )；另一路的(n-1)位數(shù)據(jù)D21 D2(n_D任意對應(yīng)選擇另一路211—1個偽隨機(jī)碼 /W21 iw2…中的一個，D2n為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為&(t) = D2n(iW21~iW22 _丨)；步驟4 選擇碼長為kXm位偽隨機(jī)碼TOd作為系統(tǒng)同步信號S3(t) = PNd，所述PNd 碼速率與兩路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻碼碼速率相同，k = 2 127 ；步驟5 以下式獲得基帶信號Si(t) = ^lP1 SKOCosim) — ^2^ S3(t)Sin(m)Sq ⑴二 ^/^S^Cosim)+ ^lP1 呂必購⑴、⑴ Sin(m)其中=Pp Pq為數(shù)據(jù)信號的功率，m的選擇范圍為0 <m< Π/4；步驟6 對和SQ(t)數(shù)字基帶信號進(jìn)行D/A變換，得到模擬基帶信號；步驟7 將變換后的模擬基帶信號通過正交調(diào)制，調(diào)制后的信號為S (t) = S1 (t) Cos ω t"SQ (t) Sin ω t，然后將上述調(diào)制后的信號進(jìn)行發(fā)射；所述發(fā)射載波頻率f = 2Π/ω在無線電波全頻段內(nèi)任意選擇；接收步驟具體如下步驟1頻率變換將天線接收到的高頻信號變換成中頻信號；步驟2模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬中頻信號通過A/D變換轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號；步驟3數(shù)字解調(diào)將中頻數(shù)字信號通過數(shù)字下變頻解調(diào)出I、Q兩路基帶信號；步驟4同步信號解擴(kuò)對兩路基帶信號與本地同步碼PK相乘進(jìn)行解擴(kuò)并提取載波和碼同步的誤差信息；步驟5載波和碼的同步調(diào)整接收機(jī)本地載波和碼的時鐘頻率和相位使其與接收信號載波和碼的時鐘頻率和相位保持一致；步驟6數(shù)據(jù)解擴(kuò)1路信號分別和2"-1個偽隨機(jī)碼^V11 ~ ^V12W相乘進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)獲得2"-1個相關(guān)值，對2"-1個相關(guān)值取模進(jìn)行比較，獲得一個最大值，該最大值對應(yīng)的2"-1個相關(guān)運(yùn)算的序號即為(n-l)bit數(shù)據(jù)信息D11 Dlilri),相關(guān)值的符號為Dln ；Q路信號分別和2"-1個偽隨機(jī)碼^V21 ^V22W相乘進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)獲得2"-1個相關(guān)值，對2"-1個相關(guān)值取模進(jìn)行比較，獲得一個最大值，該最大值對應(yīng)的2"-1個相關(guān)運(yùn)算的序號即為(n-l)bit數(shù)據(jù)信息D21 D2(n_D，相關(guān)值的符號為D2n ；步驟7并串轉(zhuǎn)換將上述二項(xiàng)并行數(shù)據(jù)D11 Dln、D21 D2n轉(zhuǎn)換成2η位串行數(shù)據(jù)輸出；所述D11 Dln對應(yīng)前η位串行數(shù)據(jù)，D21 D2n對應(yīng)后η位串行數(shù)據(jù)。有益效果本發(fā)明提出的一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，解決了軟擴(kuò)頻多路信號復(fù)用的同步同題，同時也解決了軟擴(kuò)頻多路信號復(fù)用的相互干擾問題。較好的解決了高速數(shù)傳與帶寬的矛盾?？纱蠓忍岣哳l帶利用率。通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際測試采用多進(jìn)制碼分調(diào)制方式和多路信號復(fù)用技術(shù)，在不影響信號傳輸誤碼率的情況下能壓縮信號帶寬幾倍至數(shù)十倍，提高接收設(shè)備靈敏度3 30dB。該技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖
對本發(fā)明作進(jìn)一步描述某傳感器多路數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)要求傳輸數(shù)據(jù)速率高(大于IMbps)，抗干擾性能強(qiáng)(抗干擾容限大于6db)，傳輸距離遠(yuǎn)(不小于40Km)。采用本發(fā)明的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用技術(shù)取得良好的效果。該系統(tǒng)采用三路二進(jìn)制DSSS信號復(fù)用，其中兩路選用碼長L = 31的偽隨機(jī)碼，采用MCK/QPSK調(diào)制，每路傳輸^Dit信息，兩路一次傳輸IObit信息。同時混入一路碼長L = 31X33 = 1023的偽隨機(jī)碼，作為同步信號。幅度為其它兩路信號幅度的0. 2倍。三路信號選用相同的碼速率。發(fā)射步驟具體如下步驟1串并轉(zhuǎn)換將需要傳輸?shù)?n = 10位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩路并行數(shù)據(jù)，其中， 前5位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第一路并行數(shù)據(jù)定義為D11 D15、后5位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第二路并行數(shù)據(jù)定義為D21 D25 ；步驟2 針對兩路數(shù)據(jù)分別選用碼長為31的2"-1個不同的準(zhǔn)正交偽隨機(jī)碼 PNu ~ PNni、PN21 ~ ^W224作為擴(kuò)頻碼；
步驟3多進(jìn)制數(shù)據(jù)擴(kuò)頻一路的4位數(shù)據(jù)D11 D14任意對應(yīng)選擇其中1路24個偽隨機(jī)碼AV11 ~ AV124中的一個，另一路的D15為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為 S^DdPA^D另一路的(n-1)位數(shù)據(jù)D21 D2(n_D任意對應(yīng)選擇另一路211—1個偽隨機(jī)碼
中的一個，Dai為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為S2⑴=D2n(iW21 ~ PN2r.,)；步驟4 選擇碼長為kX31位偽隨機(jī)碼^^作為系統(tǒng)同步信號=PNd，所述^^ 碼速率與兩路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻碼碼速率相同，k = 31 ；步驟5 以下式獲得基帶信號Si(t)=倆 SKOCosim)— ^2Pq S3⑴Sin(m)^⑴=^S2WCos(In)+ 倆 S1(I)S2(I)S3(I)Sin(In)其中&、Pq為數(shù)據(jù)信號的功率，m的選擇范圍為0 < m < Π/4 ；步驟6 對和SQ(t)數(shù)字基帶信號進(jìn)行D/A變換，得到模擬基帶信號；步驟7 將變換后的模擬基帶信號通過正交調(diào)制，調(diào)制后的信號為S (t) = S1 (t) Cos ω t"SQ (t) Sin ω t，然后將上述調(diào)制后的信號進(jìn)行發(fā)射；所述發(fā)射載波頻率f = 2Π/ω在無線電波全頻段內(nèi)任意選擇；接收步驟具體如下步驟1頻率變換將天線接收到的高頻信號變換成中頻信號；步驟2模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬中頻信號通過A/D變換轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號；步驟3數(shù)字解調(diào)將中頻數(shù)字信號通過數(shù)字下變頻解調(diào)出I、Q兩路基帶信號；步驟4同步信號解擴(kuò)對兩路基帶信號與本地同步碼PK相乘進(jìn)行解擴(kuò)并提取載波和碼同步的誤差信息；步驟5載波和碼的同步調(diào)整接收機(jī)本地載波和碼的時鐘頻率和相位使其與接收信號載波和碼的時鐘頻率和相位保持一致；步驟6數(shù)據(jù)解擴(kuò)1路信號分別和24個偽隨機(jī)碼AV11 目乘進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)獲得24個相關(guān)值，對24個相關(guān)值取模進(jìn)行比較，獲得一個最大值，該最大值對應(yīng)的24個相關(guān)運(yùn)算的序號即為4bit數(shù)據(jù)信息D11 D14，相關(guān)值的符號為D15 ；Q路信號分別和24個偽隨機(jī)碼AV21 ~ 目乘進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)獲得24個相關(guān)值， 對24個相關(guān)值取模進(jìn)行比較，獲得一個最大值，該最大值對應(yīng)的24個相關(guān)運(yùn)算的序號即為 4bit數(shù)據(jù)信息D21 D24，相關(guān)值的符號為D25 ；步驟7并串轉(zhuǎn)換將上述二項(xiàng)并行數(shù)據(jù)D11 Dln、D21 D2n轉(zhuǎn)換成2η位串行數(shù)據(jù)輸出；所述D11 Dln對應(yīng)前η位串行數(shù)據(jù)，D21 D2n對應(yīng)后η位串行數(shù)據(jù)。本實(shí)施例的結(jié)果傳輸碼速率為3. 2Mcps。傳輸數(shù)據(jù)速率3. 2X 10/31 = 1. 032Mbps。滿足指標(biāo)要求。傳輸信道帶寬為2X3. 2 = 6. 4MHz。數(shù)據(jù)擴(kuò)頻處理增益G = IOLgL = 10Lg31 = 14. 9db，
7
同步信號擴(kuò)頻處理增益G = IOLgL = 10Lgl023 = 30db,擴(kuò)展頻率N/k = 32/10 = 3. 2通過實(shí)際測試采用軟擴(kuò)頻多路復(fù)用技術(shù)的傳感器多路數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。在本方法中首先采用多進(jìn)制碼分調(diào)制方式提高通信速率。在常規(guī)直擴(kuò)通信中，一般將碼分用在多地址上，也就是碼分多址系統(tǒng)(MCDS)。本技術(shù)將碼分用在多進(jìn)制調(diào)制上，用不同的碼傳輸多比特信息。此方法也就是軟擴(kuò)頻(MCSK)。一般情況軟擴(kuò)頻(MCSK)如采用 BPSK調(diào)制方式，效率有限，同步問題不好解決。因此，可采用QPSK(OQPSK)調(diào)制方式。在采用QPSK(OQPSK)調(diào)制時，I、Q兩路中的一路往往作為傳輸同步信息。如I、Q兩路都用不同的碼傳輸多比特信息，將使接收設(shè)備的同步系統(tǒng)十分復(fù)雜，可靠性大大降低。因此，為進(jìn)一步壓縮信息帶寬，提高通信速率。本方法方在軟擴(kuò)頻(MCSK)的基楚上采用復(fù)用技術(shù)。也就是在QPSK兩路復(fù)用時再混入一個同步信號，成為三路復(fù)用。三個二進(jìn)制DSSS信號混合仍要保持恒定包絡(luò)輸出，可采用下列方法S (t) = S1 (t) Cos ω t"SQ (t) Sin ω tSKO^T^SKOCosCm)—^/ ^ S3(t) Sin(m)SQ(t)= ,JiPq &出(08(111)+7^" S《t^Xt)&(t)Sin(m)S1 (t)、S2 (t)、S3 (t)為三路偽碼直擴(kuò)二進(jìn)制信號，三路信號的幅度取決于P=、Pq和 m值。如P1 = Pq則第一路和第三路信號幅度相等。m值決定第三路號幅度與第一路和第二路信號幅度之比Sin (m)/Cos (m)。如m =Π /4則第三路信號幅度與第一路、第二路信號幅度相等。此時，第三路信號與第一路、第二路信號會相互干擾。為了減少相互間干擾，第三路偽碼信號應(yīng)與第一路、第二路偽碼信號正交。用三路相互正交偽碼信號傳輸多比特信息可以提高傳輸速率壓縮帶寬，但是要選擇相互正交三路多進(jìn)制偽碼信號比較困難，同時將使接收設(shè)備的同步系統(tǒng)十分復(fù)雜，可靠性大大降低。本發(fā)明將第三路信號用作同步，傳輸一個固定的偽碼信號用來系統(tǒng)同步。系統(tǒng)選用較小的m值減少第三路信號對第一路、第二路信號的干擾。此時，第三路同步信號的幅度較小，將受到第一路、第二路信號的干擾。本方法對第三路同步信號選用較長的擴(kuò)頻碼來提高處理增益，從而解決第一路、第二路信號對第三路信號的干擾。此方法較好的解決了軟擴(kuò)頻多路信號復(fù)用的同步同題，同時也解決了軟擴(kuò)頻多路信號復(fù)用的相互干擾問題。
權(quán)利要求
1. 一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，其特征在于包括發(fā)射步驟和接收步驟， 發(fā)射步驟具體如下步驟1串并轉(zhuǎn)換將需要傳輸?shù)腶i位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩路并行數(shù)據(jù)，其中，前η位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第一路并行數(shù)據(jù)定義為D11 Dln、后η位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第二路并行數(shù)據(jù)定義為 D21 Dai ；步驟2:針對兩路數(shù)據(jù)分別選用碼長為m的2"-1個不同的準(zhǔn)正交偽隨機(jī)碼 /W11 ~ PNn“、PN1, ~ /W22W作為擴(kuò)頻碼；步驟3多進(jìn)制數(shù)據(jù)擴(kuò)頻一路的(n-1)位數(shù)據(jù)D11 Dlirf任意對應(yīng)選擇其中1路2"-1 個偽隨機(jī)碼W、~ PW^1*的一個，另一路的Dln為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為S1 ( ) 二Dln (PNn ~ PNn“ )；另一路的(n-1)位數(shù)據(jù)D21 D2ilri)任意對應(yīng)選擇另一路2"-1個偽隨機(jī)碼AV21 ~ PN2r., 中的一個，Dai為該偽隨機(jī)碼的符號，該路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻后的信號為 S2(t) =D2n (PiV21-PiV22n,);步驟4 選擇碼長為kXm位偽隨機(jī)碼PK作為系統(tǒng)同步信號& (t) = PNd,所述PK碼速率與兩路數(shù)據(jù)擴(kuò)頻碼碼速率相同，k = 2 127 ； 步驟5:以下式獲得基帶信號
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，其特征在于發(fā)射步驟為將需要傳輸?shù)?n位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩路并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行多進(jìn)制數(shù)據(jù)擴(kuò)頻、獲得基帶信號、進(jìn)行D/A變換得到模擬基帶信號、通過正交調(diào)制進(jìn)行發(fā)射；將天線接收到的高頻信號變換成中頻信號后轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號，通過數(shù)字解調(diào)、同步信號解擴(kuò)和并串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能洈U(kuò)頻多路復(fù)用方法，是一種解決擴(kuò)頻通信通信速率和信號帶寬的矛盾而采取的一種行之有效的技術(shù)手段，提高高速數(shù)據(jù)通信設(shè)備的的蔭蔽牲、可靠性和抗干擾性能。
文檔編號H04L27/18GK102215047SQ201110133078
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者劉亞擎, 吳鵬, 唐成凱, 廉保旺, 昝積成, 趙乃煌 申請人:西北工業(yè)大學(xué)