專利名稱：一種基于直接序列cdma-uwb的認知無線電系統發射機的制作方法
技術領域：
本發明提供了一種基于直接序列碼分多址-超寬帶(Code Division Multiple Access-Ultra Wideband, CDMA-UWB)的認知無線電發射機，它是一種基于襯底式 (Underlay)接入方式的超寬帶認知無線電系統發射機設備。特別是該設備采用超寬帶脈沖序列為發射脈沖，以具有零相關區的具有更好的誤碼率性能橋函數三值序列為輸入序列。 本發明屬于認知無線電技術領域。背景技術：
最近二十年里，隨著社會發展，人們對無線通信的需求迅速增加，無線網絡快速增長。因許多主要無線頻譜已經分配給特定的應用，頻譜的稀缺變得越來越嚴重。因此，如何在有限的頻譜資源下滿足人們對無線通信日益增長的需求是無線通信領域一個十分重要和艱巨的任務。最近測試表明授權頻譜沒有被充分利用。在此背景下，一類重用頻譜資源的無線電技術被一些研究機構和標準制定組織相繼提出，這其中最典型的是超寬帶無線通信技術(Ultra Wideband, UffB)和認知無線電技術(Cognitive Radio，CR)。這兩種技術因其誘人的應用前景而發展迅速。并且由于它們在頻譜重用方式，技術實現層面等諸多不同， 將兩種技術相結合的進一步研究新奇關注。
超寬帶技術自上世紀90年代起應用于民用領域之后，在國際上掀起了一股研究熱潮，被認為是下一代無線通信的革命性技術。超寬帶作為一種與傳統技術有很大不同的無線通信技術，具有高速率，低成本，低功耗的特點，使得UWB成為下一代短距離高速率無線通信的最佳候選技術。超寬帶技術目前可分為兩類基于窄脈沖式的沖擊類UWB和基于調制載波擴頻式的載波類UWB。相應地，目前在國際上占主要地位的UWB設計方案包括直接序列 CDMA-UWB 方案和多載波 OFDM-UWB (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交頻分復用)方案。CDMA-UWB是基于脈沖的UWB方案，而OFDM-UWB是基于多載波的UWB 方案，它采用OFDM技術傳輸子帶信息，兩種技術方案各有優缺點。
認知無線電作為一種革命性智能頻譜共享技術，可以顯著地提高頻譜的使用率， 近幾年受到了人們的廣泛關注。認知無線電的概念是軟件無線電的進一步拓展作為一種全新的智能無線通信技術，認知無線電涵蓋面更為廣泛，認知無線電的功能也更加強大。
橋函數系是一種由三值“-1 ”、“0”、“ 1，，元素構成的非正弦正交函數系——橋函數系，憑借它的移位參數來對序列內部零元素數目的可重構的能力和優良的抗同步誤差、抗多徑和多址干擾的能力，得到了越來越多的應用。橋函數序列具有的零元素數目可重構的能力，讓它能根據工作的無線環境來調整碼的長度、碼集的大小和碼型。
認知無線電的動態頻譜接入技術可分為交互式接入(Overlay)和襯底式接入 (Underlay)。Overlay動態頻譜接入具體來講就是一個認知節點利用未被使用的一段頻譜接入網絡；這種情況對授權用戶造成的干擾最小。Underlay動態頻譜接入這種方案利用了蜂窩網絡的頻譜擴展技術。一旦獲得了頻譜分配映射圖(Channel Map，CM)，認知節點便開始傳輸，在這段頻譜上，授權用戶把認知節點的傳輸當成噪聲來處理，因而，這種方案需要復雜的擴頻技術。與Overlay頻譜共享方案相比，這種方案可以利用更寬的帶寬。
所以，本發明以Underlay方式為接入技術，以高斯脈沖為發送脈沖，以三值橋函數序列為擴頻序列，搭建起基于直接序列CDMA-UWB的新型認知無線電系統設備。
發明內容
1、目的
本發明的目的是提供一種基于直接序列CDMA-UWB的認知無線電系統發射機，該設備采用具有更好的抗多徑干擾和抗多址干擾的能力的具有零相關區的三值橋函數擴頻序列。
2、技術方案
本發明一種基于直接序列CDMA-UWB的認知無線電系統發射機，它主要由橋函數三值序列源，超寬帶脈沖發生器和二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調制器三部分組成。系統結構框圖如圖2所示，他們之間的關系是橋函數三值序列源得到橋函數三值序列，超寬帶脈沖信號產生器產生超寬帶脈沖信號，上述兩種信號進入到二進制相移鍵控調制器分別作為調制信號和載波信號，在該調制器內進行二進制相移鍵控調制， 并將調制后的信號發射出去。
1橋函數三值序列源
橋函數三值序列源是從存儲器里取出一組橋函數三值序列輸送到BPSK調制器的一種裝置，該裝置的使用，可以使橋函數三值序列這一具有零元素數目可重構的能力、具有優良的抗同步誤差、抗多徑和多址干擾的能力的序列，方便的應用到通信系統中，極大地提高通信系統的可靠性。該裝置把撥碼開關和存儲器兩個模塊整合在一起，彼此相互連接，再從存儲器里取出一組橋函數三值序列輸送到BPSK調制器。該撥碼開關是型號為 PW3310GBE,是一個二進制撥碼開關，通過手動撥碼輸入得到一組二進制數據；存儲器的型號是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051處理器，有4KB的程序存儲容量，有128B的數據存儲容量，通過8位地址線輸入地址，從數據線輸出對應的數據.其執行過程是把事先得到的多組橋函數三值序列存放在型號為AT87F51存儲器里，通過型號為PW3310GBE的撥碼開關輸入8位二進制數，將這8位二進制數輸入到存儲器的地址線中，從中選擇一組橋函數三值序列輸入到BPSK調制器中。所謂橋函數三值序列是一類可以取得“+1 ”、“0”、“-1，，三種值、具有正交特性的一類特殊序列，這種序列可以通過將沃爾什函數的復制方法和方塊脈沖函數的移位相結合來得到相應的序列。該部分的執行過程如圖3所示。
2超寬帶脈沖發生器
該超寬帶脈沖發生器是經過調研而得到的一種超寬帶脈沖發生器，使用三極管、 電阻和電容等基本元器件通過模擬仿真，搭建簡單實用電路而成，它可以產生占空比極低的超寬帶脈沖信號作為系統的調制脈沖，能充分的利用有限的帶寬。其原理主要是利用晶體二極管的雪崩效應來產生需要的UWB脈沖效應，其工作電路圖如圖4所示。將三個型號為3DB2B的連接方式為共集電極的晶體管串聯起來，對多個晶體管的基極同時加入觸發脈沖信號，在第三個三極管的發射極再連接一個三極管起隔離作用，從第4個3DB2B三極管的發射極輸出超寬帶脈沖信號。我們知道一般的晶體三級管的輸出特性分為四個區域飽和、線性、截止與雪崩區，當晶體管的集電極電壓很高時，集電結的載流子被強電場加速，從而獲得很大能量，它們與品格碰撞時產生了新的電子-空穴對，新生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程。于是流過集電結的電流便“雪崩”式迅速增長，這就是晶體管的雪崩倍增效應，
3二進制相移鍵控調制器
二進制相移鍵控調制器(即BPSK調制器)是利用偏離相位的復數波浪組合來表現信息鍵控移相方式的一種。BPSK調制器使用了基準的正弦波和相位反轉的波浪，使一方為0，另一方為1，從而可以同時傳送接受2值(1比特)的信息。BPSK調制器就是在UWB脈沖發生器輸出端得到的UWB脈沖信號的作用下，對橋函數三值序列源產生的序列進行數字調制，在調制的過程中考慮到原始信號能量的限制和發射過程中能量的損耗嚴重，所以還會對信號進行幅值和功率的放大，所以在本發明中使用集雙路平衡混合器、緩沖本振、可變增益和功率放大于一體的數字集成芯片MAX2402，其功能框圖如圖5所示，經過該芯片的調制將原始序列調制成適合在相應的信道中傳輸的數字信號，并將調制后的信號發射出去。
本發明的工作原理及流程簡述如下從橋函數三值序列源得到橋函數三值序列， 超寬帶脈沖信號產生器產生超寬帶脈沖信號，上述兩種信號送入到二進制相移鍵控調制器分別作為調制信號和載波信號，在調制器內進行二進制相移鍵控調制，并將調制后的信號發射出去。
3、優點及功效
1本發明采用Underlay接入技術的認知無線電技術，可以使用較寬的帶寬，提高頻譜的使用率。
2本發明根據前人研究基礎，得到一種產生超寬帶脈沖的超寬帶脈沖發生器，產生占空比極低的超寬帶脈沖，使通信系統能充分利用有限的帶寬。
3本發明的調制器部分使用市場上現有的集成芯片MAX2402，方便好用，性能良好。
4本發明所構建的認知無線電系統采用三值橋函數序列作為擴頻序列，橋函數序列具有的零元素數目可重構的能力，讓它能根據工作的無線環境來調整碼的長度、碼集的大小和碼型，可以有效地增強系統抗多址干擾的能力，能極大地提高通信系統的可靠性。
圖1是認知無線電通信系統的整體系統結構示意圖2是本發明認知無線電系統發射機的結構示意圖3是從預先存放序列的存儲器中取序列的原理示意圖4是本發明中的UWB脈沖發生器的電路示意圖5是BPSK調制器所使用的集成芯片MAXM02的功能結構示意圖6是BPSK調制器所使用的數字集成芯片MAXM02的工作電路示意圖中的符號說明如下
圖1中的A、B和C分別表示發射機，傳輸信道和接收機；
圖3中的W(n)表示從存儲器中取出來的橋函數三值序列；
圖4中的Vil表示輸入的方波序列，Vol表示產生的產寬帶脈沖；
圖5中的input表示調制器的輸入信號，D表示BPSK中的調制緩沖器，E表示混合器，F表示可變增益控制，F’表示可變增益控制輸入腳，G表示功率放大器，G’表示功率放大器的調整腳，output表示調制器的輸出信號，H表示主偏置，H’表示主偏置是否關閉的控制腳，I表示本振輸入緩沖器，LO+和LO-分別表示調制器的輸入本振信號的差分輸入正向端和反相端；
圖6中的J表示集成芯片MAXM02 ;1，2，…，18，19，20表示MAXM02的管腳號； (五)具體實施方案
本發明一種基于直接序列CDMA-UWB的認知無線電系統發射機，就單用戶系統來說，其結構框圖如圖2所示，該發射機由橋函數三值序列源、超寬帶脈沖發生器和二進制相移鍵控調制器三部分構成。他們之間的關系是橋函數三值序列源得到橋函數三值序列，超寬帶脈沖信號產生器產生超寬帶脈沖信號，上述兩種信號進入到二進制相移鍵控調制器分別作為調制信號和載波信號，在調制器內進行二進制相移鍵控調制，并將調制后的信號發射出去。
所述橋函數三值序列源就是得到一組所需要的橋函數三值序列的裝置，該裝置的使用，可以使橋函數三值序列這一具有零元素數目可重構的能力、具有優良的抗同步誤差、 抗多徑和多址干擾的能力的序列，方便的應用到通信系統中，極大地提高通信系統的可靠性。該裝置把撥碼開關和存儲器兩個模塊整合在一起，彼此相互連接，再從存儲器里取出一組橋函數三值序列輸送到BPSK調制器。該撥碼開關是型號為PW3310GBE，是一個二進制撥碼開關，通過手動撥碼輸入得到一組二進制數據；存儲器的型號是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051處理器，有4KB的程序存儲容量，有128B的數據存儲容量，通過8位地址線輸入地址，從數據線輸出對應的數據.其執行過程是把事先得到的多組橋函數三值序列存放在型號為AT87F51存儲器里，通過型號為PW3310GBE的撥碼開關輸入8位二進制數，將這 8位二進制數輸入到存儲器的地址線中，從中選擇一組橋函數三值序列輸入到BPSK調制器中。其工作過程原理圖如圖3所示。
橋函數三值序列是具有“+1 ”，“0”，“-1 ”三種取值的一種特殊序列，通過將沃爾什函數的復制方法和方塊脈沖函數的移位相結合來得到相應的序列，具體實現方法如下給定二進制移位信息Ovpiv2，…，Hi1, mQ)，其中Hii e {0,1}, i = 0,1,…，t_l。若初始序列是長度為d的序列X，則定義以Ov1, mt_2，…，mi; m0)為移位信息，移位后生成的序列是一個長度為的序列Y。將序列Y均分為21個子序列Y={Y。，Y1,…，I、}，則Ym = X，其中 m = Σ丨二，而其余的子序列是全零序列。給定整數m，將m的q位二進制自然碼Ovi, mq_2,…，Hi1, mQ)作為生成序列，其中Hii e {0,1},i = 0,1,…，q_l，則序列號為m的橋函數是將復制和移位方法相結合而生成的序列，生成方法如下。
①取定整數k，0 < k < q，將二進制碼m = (m^, mq_2,…，Hi1，m0)分成兩部分，m” =Ov1, Hitr2, ...，mk)禾口 m，= (mk_1, ...,mpmo)。
②若以+1為初始序列，m’ = Ov1, ...，ml，m0)為移位信息，移位生成2k長度序列 M’，再以M’為被復制序列，m”= Ovpnv2,…，mk)為復制信息復制生成2^長度序列k， 稱序列M^是序列號為m的第1類先移位后復制的橋函數序列，記為BritbkOn, t)或Br、 k(m)，即得到所需要的橋函數序列。
同時，若是以+1為初始序列，m’ == Ov1,…，mi; m0)為復制信息復制生成2k長序列M’，再以M’為初始序列，m”= Ovi, mq_2,…，mk)為移位信息，移位生成2^長序列 M”’ q,k，稱M”’ 是序號為m的第一類先復制后移位的橋函數序列，記為B’ riq,k(m, t)或 B’ ri(m)。以上兩種先移位后復制和先復制后移位都能得到具有正交特性具有令相關區的橋函數三值序列。
所述超寬帶脈沖發生器是根據調研而得到的一種超寬帶脈沖發生器，使用三極管、電阻和電容等基本元器件通過模擬仿真，搭建簡單實用電路，和一般的脈沖發生器相比，它可以產生占空比極低的超寬帶脈沖信號，把產生的超寬帶脈沖信號作為系統的調制脈沖，可以充分的利用有限的帶寬。它主要是利用晶體二極管的特性和三極管各組態的特點來產生合適的超寬帶脈沖的，實現電路圖如圖4所示，該電路圖首先采用了微波雙極性晶體管取代了雪崩晶體管，使得電路在較低的電源電壓下能夠正常工作，滿足實際的使用需要；其次采用了并行同步觸發方式，即對多個晶體管的基極同時加入觸發脈沖信號，當晶體管串行級聯運用時，由于各個晶體管偏置臨界雪崩狀態，如果采用單管進行觸發時，先產生雪山崩擊穿的是基極受到觸發信號的晶體管，接著才是后面級聯的晶體管產生雪崩由穿效應。對于產生皮秒量級的脈沖而言，電路中任何一個部分存在的時間延遲都會影響產生的輸出脈沖，使得輸出脈沖的上升時間變長和脈沖變寬。為了消除電路中存在的雪崩依次延時，對電路中多個晶體管的基極加入了同步觸發脈沖信號，使晶體管同時產生雪崩擊穿， 加快了負載上獲得的脈沖的上升過程，獲得了非常陡直的UWB脈沖。該脈沖發生器可以在較低的電源電壓下可靠工作，穩定地輸出一定幅度和寬度的UWB脈沖，脈沖的重復工作頻率可以達到50MHz以上。在沒有加入觸發脈沖信號時，電源電壓Vcc通過電阻Rl與R5、R2 與R9、R3與RIO、R4與Rll分別對電容Cl、C2、C3、C4進行充電，使得4個微波雙極性晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的集電結偏置在臨界雪崩狀態，于是儲能電容C1、C2、C3、C4的兩端所充的電壓約等于集電結雪崩擊穿電壓BVCB0。當觸發的脈沖信號Vi輸入時，微波雙極性晶體管同時雪崩擊穿，儲能電容C1、C2、C3、C4所所儲存的電荷迅速地通過Q1、Q2、Q3、Q4和等效負載電阻R12放電，于是在負載電阻上得到需要的UWB脈沖信號。其中，Cl = C2 = C3 = C4 =5pF、C5 = C6 = C7 = 20pF ；Rl = R2 = R3 = R4 = 130 Ω，R5 = R9 = RlO = Rll = R12 =51 Ω，R6 = R7 = R8 = 1. 2Κ Ω。
所述二進制相移鍵控調制器是把超寬帶脈沖作為發射脈沖，橋函數三值序列作為調制序列的一種簡單實用的數字調制器，通過查閱相關資料和模擬仿真，選用現在市場上現有的二進制相移鍵控調制器，型號是ΜΑΧ2402，其功能結構如圖5所示，input是調制器的信號輸入端，輸入待調制信號，D是BPSK中的調制緩沖器，LO+和LO-分別表示調制器的輸入本振信號的差分輸入正向端和反相端，I表示本振輸入緩沖器，E是混合器，在這里把待調制信號和載波信號進行混頻處理，F表示可變增益控制，F’表示可變增益控制輸入腳， 控制調制器的增益大小，G是功率放大器，G’表示功率放大器的調整腳，output是調制器的輸出信號，H表示主偏置，H’表示主偏置是否關閉的控制腳。其工作電路圖如圖6所示，通過圖6所示的電路圖來實現對輸入的序列的調制。管腳1，VGC是可變增益控制輸入端，要想獲得最大的增益可將管腳1接到VCC上；管腳2，MOD是基帶調制信號輸入端，在該裝置中是與橋函數三值序列相連接的，即橋函數三值序列就是待調制序列，管腳3，5，8，13，15， 17，18，20都直接接地；管腳4，12，19接直流電源VCC，為了使其正常工作，電源電壓限制在 4. 75 5. 5V之間；管腳6和7L0作為本振信號輸入管腳，可以以差分信號的形式輸入，也可以只在6管腳輸入正向信號，7管腳接地，在這個新型設備中6管腳輸入超寬帶脈沖信號，7 管腳直接接地；9管腳SHDN是輸入端控制管腳，當接高電平時表示輸入端打開，允許輸入， 當接低電平表示輸入端關閉，禁止輸入；管腳10，BADJ作為功率放大器的控制端，通過電阻接地或接電源來調整輸出端的偏置，當產生的偏置電壓較大時，雖然能增加有效性，但同時也使得諧波失真加大，所以要適當調整所接的電阻，在該裝置中這個管腳通過一個300K的電阻接地，可得到近似偏置調整電壓2. 05V ；管腳11，LGND可影響輸出功率。
以上所述就是本發明中整個發射機的具體實現過程，本發明在整個通信系統中所處的位置如圖1所示。本發明把具有“+1”、“0”、“_1”三種取值的橋函數三值序列應用于通信系統中，因為橋函數三值序列具有零元素數目可重構的能力、具有優良的抗同步誤差、抗多徑和多址干擾的能力，所以能極大的增加系統的抗干擾能力，提高通信系統的可靠性；占空比極低的超寬帶脈沖作為發射脈沖，能使系統充分利用有限的帶寬，耗費較低的能量，對于通信系統的改善有很大的促進作用。
權利要求
1. 一種基于直接序列CDMA-UWB的認知無線電系統發射機，其特征在于它由橋函數三值序列源、超寬帶脈沖發生器和二進制相移鍵控調制器三部分組成，其間關系是橋函數三值序列源得到橋函數三值序列，超寬帶脈沖信號產生器產生超寬帶脈沖信號，上述兩種信號進入到二進制相移鍵控調制器分別作為調制信號和載波信號，在該調制器內進行二進制相移鍵控調制，并將調制后的信號發射出去；所述橋函數三值序列源是把撥碼開關和存儲器兩個模塊整合在一起，彼此相互連接，再從存儲器里取出一組橋函數三值序列輸送到BPSK調制器；該撥碼開關的型號為 PW3310GBE,是一個二進制撥碼開關，通過手動撥碼輸入得到一組二進制數據；存儲器的型號是AT87F51，它是集成芯片，集成有8051處理器，有4KB的程序存儲容量，有128B的數據存儲容量，通過8位地址線輸入地址，從數據線輸出對應的數據.其執行過程是把事先得到的多組橋函數三值序列存放在型號為AT87F51存儲器里，通過型號為PW3310GBE的撥碼開關輸入8位二進制數，將這8位二進制數輸入到存儲器的地址線中，從中選擇一組橋函數三值序列輸入到BPSK調制器中；所述超寬帶脈沖發生器是使用三極管、電阻和電容元器件通過模擬仿真，搭建電路而成，具體是將三個型號為3DB2B的連接方式為共集電極的晶體管串聯起來，對三個晶體管的基極同時加入觸發脈沖信號，在第三個三極管的發射極再連接一個三極管起隔離作用， 從第4個3DB2B三極管的發射極輸出超寬帶脈沖信號；所述二進制相移鍵控調制器即BPSK調制器是利用偏離相位的復數波浪組合來表現信息鍵控移相方式的一種，該BPSK調制器使用了基準的正弦波和相位反轉的波浪，使一方為 0，另一方為1，從而同時傳送接受2值即1比特的信息；該BPSK調制器是在UWB脈沖發生器輸出端得到的UWB脈沖信號的作用下，對橋函數三值序列源產生的序列進行數字調制， 在調制的過程中考慮到原始信號能量的限制和發射過程中能量的損耗嚴重，還會對信號進行幅值和功率的放大，所以這里使用集雙路平衡混合器、緩沖本振、可變增益和功率放大于一體的數字集成芯片MAX2402，經過該芯片的調制將原始序列調制成適合在相應的信道中傳輸的數字信號，并將調制后的信號發射出去。
全文摘要
一種基于直接序列CDMA-UWB的認知無線電系統發射機，它由橋函數三值序列源、超寬帶脈沖發生器和二進制相移鍵控調制器三部分組成，其間關系是橋函數三值序列源得到橋函數三值序列，超寬帶脈沖信號產生器產生超寬帶脈沖信號，上述兩種信號進入到二進制相移鍵控調制器分別作為調制信號和載波信號，在該調制器內進行二進制相移鍵控調制，并將調制后的信號發射出去；本發明所構建的認知無線電系統采用三值橋函數序列作為擴頻序列，橋函數序列具有的零元素數目可重構的能力，讓它能根據工作的無線環境來調整碼的長度、碼集的大小和碼型，可以有效地增強系統抗多址干擾的能力，能極大地提高通信系統的可靠性。
文檔編號H04B1/04GK102510300SQ20111036964
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者周正, 楊洪旗, 洪晟, 陶文輝 申請人:北京航空航天大學