用于使用正交频分复用调制通信超宽带宽信号的方法和发射机

摘要

本发明公开了一种使用正交频分复用调制通信超宽带宽信号的方法和系统。QPSK输入符号被频率交织。在多个音调上扩展频率交织后的符号，并且调制音调，用以在超宽带宽信道上传送。当接收音调时，接收到的音调可以被去扩展，以恢复输入的符号。

说明书

技术领域

本发明一般涉及无线电通信系统，尤其涉及使用正交频分复用的超宽带宽通信系统。

背景技术

随着通信委员会(FCC)在2002年2月14日发布“First Reportand Order，”，对超宽带宽(UWB)通信系统的兴趣增加了。负责个人区域网络(PAN)的IEEE 802.15标准组织已经组成了任务组，TG3a，以标准化基于UWB的高数据速率的物理层。

UWB通信系统在至少500MHz的宽频带上传播信息。由于这个传播操作，功率谱密度很小，因此对存在的窄频带接收机的干扰很小。因此，Report and Order允许受限制地使用未许可的UWB发射机。

UWB通信的可能应用是在PAN中短距离上非常高数据速率的传输。认识到这些可能性，IEEE已经组成标准化主体，IEEE 802.15.3a.，来定义数据速率为110Mbit/s、200Mbit/s、以及480Mbit/s的UWB通信的物理层标准。

过去，UWB系统大多考虑脉冲无线电设备。最近，已经考虑正交频分复用(OFDM)与时-频交织的组合。这里，可用谱被分为多个子带，每个子带的带宽大约为500MHz，这是FCC允许构成UWB信号的最小带宽。

在一个时间瞬时期间，在单个这样的子带上传输信息，并且子带随时间变化。在每个子带中，使用OFDM调制格式。基本上，OFDM将可用谱分为多个“音调(tone)”，其中根据频率-扁平变换函数(frequency-flat transfer function)产生每个音调。这大大简化了接收到的信号的均衡，这是因为接收到的信号可以在音调基础上被均衡。

在典型的现有技术收发机中，例如工作在480Mbit/s模式的收发机中，使用速率为3/4的兼容击穿的卷积码编码加扰后的、来自源的输入数据。然后交织所得到的位，使得在不同的500MHz子带中传送属于不同位的信息。然后，使用并列模式映射将位分配到复杂符号，例如两个位导致一个正交部分响应键控(QPSK)传输符号。然后对所得到的比特流进行串行到并行的转换。

形成100个音调的块，并且添加保护音调和导频音调，得到128个音调的块。这个块被输入到快速傅立叶反变换(IFFT)。在并行到串行转换以后，添加循环前缀、零前同步码、或零后同步码。

然后，通过与时变本地振荡器信号混频，将所得到的调制后的信号上变频。为每个传送的OFDM块使用不同的振荡器。将不同振荡器的频率偏移大约500MHz的倍数。不同本地振荡器都可以从主振荡器导出。

在导致线性失真以及添加的噪声的、可能的频率选择无线信道上发送这个信号。

在接收机中，将发射机的操作顺序颠倒。在包括低噪声放大、I/Q信道分离、下变频到基带和低通滤波的传统前端操作以后，I/Q信号分量被数字化。在A/D转换以后，接收机的数字部分对采样进行操作。

首先，从每个OFDM符号中移出前缀/后缀，并且将剩余的采样传递到大小为128的快速傅立叶变换(FFT)块。FFT块的输出包含导频和保护音调。导频音调中的符号用于信道估计以及同步跟踪。保护音调被丢弃。

在处理导频和保护音调以后，剩余的100个音调被去交织，并被传递到维特比译码器和解扰码器，以获得原始数据。

作为主要缺点，现有技术的OFDM不使用信道的固有频率分集。如果在受到衰落的音调上传送符号，那么那个符号在接收机处具有低的SNR。如果信号强编码，那么符号导致检测误差的可能性很低。这也可以被不同地解释。任何纠错码导致原始数据在多个音调上的扩展。换言之，不同音调上的多个传送符号包含关于同一数据位的信息。因此，编码后的OFDM传输对于衰落是强健的。但是，对于具有低冗余度的高编码率，性能降低了。

希望减轻这些问题。

发明内容

本发明使用频率交织、音调分组、以及在不同频率上扩展音调，以增加使用结合时-频交织的正交频分复用调制的超宽带宽(UWB)通信系统中的频率分集。

通过在所有可用音调上扩展信息位，大大增加了频率分集。本发明允许将频率扩展中固有的噪声增强与频率分集中希望增益的数量折中。

具体地，本发明的方法和系统通信使用正交频分复用调制的超宽带宽信号。

QPSK输入信号被频率交织。在多个音调上扩展频率交织的符号，并且为了超宽带宽新到上的传输，音调被调制。

当接收音调时，所接收到的音调可以被去扩展，以恢复输入的符号。

附图说明

图1是根据本发明的UWB发射机的框图；

图2是根据本发明的UWB接收机的框图；

图3是根据本发明的接收机中音调扩展组的框图；

图4是根据本发明的发射机中音调去扩展组的框图；以及

图5是本发明所使用的沃尔什-哈德玛排序的框图。

具体实施方式

根据本发明的、使用正交频分复用调制的超宽带宽(UWB)收发机在多组音调上扩展信息。这个码分复用接入技术从没被用于具有时-频交织的UWB收发机中。

为了在N个音调上以正交部分响应键控(QPSK)符号的形式扩展信息，使用两组N个双正交矢量a_i，b_j。这意味着，在N个音调上传送每个符号。在现有技术中，只由一个音调传送每个符号。矢量被排列为矩阵形式。

双正交意味着，内积a_i*b_j等于δ_ij，其中δ是克罗内克符号(Kronecker delta)值。应该注意，不是所有矢量都需要相互正交。但是，对于双正交序列，尤其是公知的沃尔什-哈德玛矢量，每个矢量a_i等于矢量b_i。因此，扩展操作可以作为矩阵矢量乘积来实现。即，N个符号的矢量乘以N×N沃尔什-哈德玛矩阵。

哈德玛排序的沃尔什-哈德玛变换被定义为

$>\left(\begin{array}{}>>>X>‾>>>=>H>>x>‾>>>>>>>x>‾>>=>H>>X>‾>>>\end{array}\right)$>

这是前向和逆WHT_h变换对，其中x＝[x(0)，x(1)，...，x(N-1)^T和X＝[X(0)，X(1)，...，X(N-1)^T分别是信号和谱矢量。图5表示了4×4沃尔什-哈德玛矩阵的示例性排序。

双正交性对于本发明的实现不是必需的。传送矢量的任何线性独立组可以用于映射。但是，当双正交矢量对应于传送矢量时，接收机中的解码更简单。

发射机结构和操作

图1表示根据本发明的多载波OFDM发射机。在发射机中，通过将每个符号乘以排列在矩阵中的沃尔什-哈德玛序列，在多个音调上扩展OFDM符号。

发射机100将QPPK符号101作为输入。符号被串行到并行地转换110。符号被频率交织120。构建矩阵131。矩阵中每行对应于单独沃尔什-哈德玛序列。

频率交织的QPSK符号被分组到大小为N的块中，即块是长度为N的矢量。通过使用矢量-矩阵乘法操作，根据N×N沃尔什-哈德玛矩阵131，在N个音调上扩展每个块中交织的符号。

添加导频和保护音调，并且对所有音调进行快速傅立叶反变换(IFFT)150。得到的所有音调被并行到串行变换160，并且在在UWB信道102上传送调制后的音调之前，应用跳频。

接收机结构和操作

在图2所示的接收机中，基本上以相反的顺序进行操作。传送的信号通过信道102被接收，并且被去跳频210以及被串行到并行变换220。串行采样被传递到快速傅立叶变化(FFT)230。FFT块230的输出被均衡240。这个输出包含导频和保护音调。在导频音调上调制的符号用于信道估计以及同步跟踪。导频和保护音调被移出250。

然后，在OFDM块均衡以及音调移出以后，通过乘以沃尔什-哈德玛矩阵131的矢量b_j，将接收的矢量，即音调，去扩展260。最后，去扩展的符号被去频率交织270，并且被并行到串行转换270，以恢复原始QSPK符号201。

因为使用多个音调传送每个QPSK符号，所以已经实现了，当所有音调独立地衰落时，高达N的频率分集。

需要注意的是，根据本发明的方法可能增加噪声量。即，均衡240，例如MMSE或零强制(zero-forcing)，增加了弱音调中的噪声量，并且去扩展260操作将这个噪声分布到所有可用音调。

音调的分组

对于N，现有技术的扩展码通常使用2，即，一个符号在两个音调上扩展。为了提高灵活性，本发明优选根据2^k分组音调，其中k是大于1的整数。所有组中全部音调的和产生希望数量的音调，例如100。

如分别用于发射机100和接收机200的图3和4所示，100个音调可以被分组到3个具有32(2⁵)个音调的组以及1个具有4(2²)个音调的组中。四个音调在具有32个音调的组的任意一侧，例如音调0、33、66、和99。于是，每个组被单独扩展130。

对于这里所述的接收机而言，音调分组所提供的灵活性尤其重要。一些音调是用于跟踪载波相位的导频音调。这些音调不应该被扩展。另外，具有较低SNIR的保护音调也不应该被扩展。因此，根据本发明的分组导致了，在使用特定类型的扩展序列，例如沃尔什-哈德玛序列时，增加了被处理音调的数量的灵活性。

本发明能够使用多种不同的可能的音调分组。例如，M个相邻音调可以被分配为一个组。或者，交叉音调可以被分组：音调1、4、7、10、...可以被分配为一组，而音调2、5、8、11、...可以被分配为另一组，依次类推。也可以使用分组的任何中间分组或混合。

特定分组的选择取决于信道的配置。扩展增加了系统中的频率分集，由于噪声增强，所以平均SNR减小。根据信道并列模式以及希望的比特差错率，特定分组可能导致分集增益和SNR之间的最优折中。

应该理解，音调的分组可以是基于瞬时或平均信道条件有适应性的。

尽管已经以优选实施例的方式描述了本发明，但是应该理解，在本发明的精神和范围内可以进行多种其他改变和修改。因此，权利要求书覆盖了所有在本发明真实精神和范围内出现的所有这样的变化和修改。