專利名稱：一種基于cs理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，特別是涉及一種基于CS理論的脈沖超寬帶通 信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脈沖超寬帶(Ultra Wideband，簡稱為UWB)技術(shù)作為一種無線通信技術(shù)方案，以其 低復(fù)雜度、低成本、高定位精度、能與其它系統(tǒng)共享頻譜等優(yōu)點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和高精 度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。如圖1所示，為UWB通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括發(fā) 射端1、UWB信道2和接收端3。其中，發(fā)射端1包括脈沖產(chǎn)生模塊101，由其產(chǎn)生UWB脈沖， 數(shù)字信號X加載至UWB脈沖后得到發(fā)射信號《作」，通過UWB信道2發(fā)送到接收端3，接收 端3包括射頻前端301和數(shù)字信號處理器302，射頻前端301為模擬器件，對接收到的信號 r(t)進(jìn)行模擬信號處理(如濾波、相關(guān)、采樣處理，不同的接收機(jī)射頻前端的作用不同，但均 為上述三種信號處理中一種或幾種)，之后送入數(shù)字信號處理器302中對信號進(jìn)行數(shù)字信號 處理，得到數(shù)字信號X的估測信號X’，從而將數(shù)字信號從發(fā)射端傳遞至接收端，完成整個(gè)通 信過程。由于UWB通信帶寬很大，可達(dá)數(shù)GHz，上述系統(tǒng)中如果在接收端3直接對接收到的 信號r(t)進(jìn)行估計(jì)和檢測，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)會(huì)帶來非常大的挑戰(zhàn)(1)根據(jù)奈奎斯特采樣定 理，接收端3需要極高的采樣頻率檢測信號iYi入這很難由數(shù)字信號處理器302中單一的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC實(shí)現(xiàn)，即使實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣頻率較高也會(huì)導(dǎo)致很高的系統(tǒng)功耗； (2) UffB信道多徑數(shù)目眾多(可達(dá)數(shù)百徑)，多徑延遲大，這種信道特點(diǎn)將會(huì)對整個(gè)通信系統(tǒng) 帶來嚴(yán)重的符號間干擾(ISI)，則數(shù)字信號處理器302中需要復(fù)雜的信號處理算法來對抗 ISI0因此，現(xiàn)有技術(shù)中，將壓縮感知(Compress knsing，簡稱為CS)理論引入到UWB通信 系統(tǒng)中，從而克服上述兩個(gè)挑戰(zhàn)。CS理論指出，如果信號A是可壓縮的或者在某個(gè)變換基下是稀疏的，那么就可以 通過一個(gè)與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將信號A投影到一個(gè)低維(M維)空間上得到觀測信號 B，然后通過求解一個(gè)最優(yōu)化問題就可以以很高的概率從觀測信號B中恢復(fù)原始信號A?，F(xiàn) 有技術(shù)中，將CS理論引入到UWB通信系統(tǒng)中有兩種方案實(shí)現(xiàn)。第一種方案稱為并行方案，如圖2所示，在接收端3使用相關(guān)器單元303 (由M個(gè) 相關(guān)器組成)和低速采樣器單元304 (由M個(gè)低速采樣器組成)，則脈沖產(chǎn)生模塊101、UWB信 道2、相關(guān)器單元303和低速采樣器單元304等效為CS理論下的觀測矩陣，實(shí)現(xiàn)對信號X的 有效觀測，得到觀測信號Y (i) (i=l、2、3……M)，通過數(shù)字信號處理器307中存儲(chǔ)的CS理 論中常見的信號恢復(fù)重構(gòu)算法即可恢復(fù)出信號X。該方案可以對抗符號間干擾問題ISI，而 且無需高速采樣，但是，方案中需要增加一組相關(guān)器和一組低速采樣器，系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù) 雜度很高，通信系統(tǒng)的成本和功耗也較大。第二種方案稱為串行方案，如圖3所示，接收端3使用模擬信息轉(zhuǎn)換器305，其中， 模擬信息轉(zhuǎn)換器305包括偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器3051、低通濾波器3052和低速采樣器3053。數(shù)字信號處理器306中存儲(chǔ)有算法，可將接收到的信號iYi)視為稀疏化，從而將信號檢測問 題引入CS理論中，而脈沖產(chǎn)生模塊101、UffB信道2和模擬信息轉(zhuǎn)換器305等效為CS理論 下的觀測矩陣，實(shí)現(xiàn)對信號X的有效觀測，得到觀測信號Y (i)，然后通過數(shù)字信號處理器 306中存儲(chǔ)的CS理論中常見的信號恢復(fù)重構(gòu)算法恢復(fù)出接收端3接收到的信號r作)，進(jìn)而 恢復(fù)出信號X。該方案系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度低，但是卻存在另外的兩個(gè)缺點(diǎn)1)由于模擬 低通濾波器3052具有因果性，這一特點(diǎn)會(huì)使得模擬信息轉(zhuǎn)換器305構(gòu)造的CS理論下的觀 測矩陣變得稀疏，從而降低觀測點(diǎn)的有效性，致使通信系統(tǒng)性能變差；2)通信系統(tǒng)需要偽隨 機(jī)序列產(chǎn)生器3051的碼片速率很高，這樣也增加了系統(tǒng)功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新的基于CS 理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，既能克服并行方案中的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題，也能克服 串行方案中因因果性而導(dǎo)致的觀測矩陣稀疏問題，同時(shí)系統(tǒng)功耗也較低。本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決
一種基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端、UffB信道和接收端，將所述脈 沖超寬帶通信系統(tǒng)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包表示為數(shù)字信號，所述數(shù)字信號從所述發(fā)射端通過所 述UWB信號傳輸至所述接收端，所述接收端基于CS理論恢復(fù)重構(gòu)所述數(shù)字信號，所述發(fā)射 端包括隨機(jī)預(yù)編碼模塊和脈沖產(chǎn)生模塊，所述隨機(jī)預(yù)編碼模塊對所述數(shù)字信號進(jìn)行隨機(jī)變 換，得到變換向量；所述脈沖產(chǎn)生模塊接收變換向量，將變換向量加載于其產(chǎn)生的UWB脈沖 上得到發(fā)射信號；所述UWB信道接收所述脈沖產(chǎn)生模塊輸出的發(fā)射信號，輸出接收端信號 至接收端；所述接收端包括低速采樣器和數(shù)字信號處理器，所述低速采樣器對所述接收端 信號進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號的觀測信號至所述數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器中 存儲(chǔ)有用于將所述數(shù)字信號稀疏化表示的稀疏化算法、所述隨機(jī)預(yù)編碼模塊在CS理論下 的等效矩陣、所述脈沖產(chǎn)生模塊在CS理論下的等效矩陣、用于估計(jì)所述UWB信道的沖擊響 應(yīng)的信道估計(jì)算法、用于根據(jù)所述沖擊響應(yīng)推導(dǎo)得到所述UWB信道在CS理論下的等效矩陣 的推導(dǎo)算法和用于從所述觀測信號恢復(fù)重構(gòu)出所述數(shù)字信號的恢復(fù)重構(gòu)算法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是
本發(fā)明的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，通過數(shù)字信號處理器中的稀疏化算法 將信號檢測引入CS理論中，結(jié)合發(fā)射端增加的隨機(jī)預(yù)編碼模塊、配合脈沖產(chǎn)生模塊、UWB信 道以及低速采樣器實(shí)現(xiàn)對發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字信號X的有效觀測。利用數(shù)字信號處理器中CS 理論中常用的恢復(fù)重構(gòu)算法即可恢復(fù)重構(gòu)數(shù)字信號X，實(shí)現(xiàn)通信。由于本發(fā)明的通信系統(tǒng) 中，接收端不需要像方案一并行方案中需并行多個(gè)相關(guān)器和低速采樣器，因此克服了并行 方案中的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題；同時(shí)接收端直接使用低速采樣器進(jìn)行采樣，不需要使 用模擬信息轉(zhuǎn)換器，也就避免了模擬信息轉(zhuǎn)換器中的低通濾波器的因果性對觀測的影響， 克服串行方案中因因果性而導(dǎo)致的觀測矩陣稀疏問題；同時(shí)系統(tǒng)中不需要使用偽隨機(jī)序列 產(chǎn)生器，系統(tǒng)功耗也得到減小。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中UWB通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中將CS理論引入到UWB通信系統(tǒng)中的并行方案結(jié)構(gòu)圖； 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中將CS理論引入到UWB通信系統(tǒng)中的串行方案結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的UWB通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖4所示，為本具體實(shí)施方式
中的基于CS理論的UWB通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括發(fā) 射端41、UWB信道42和接收端43。發(fā)射端41包括隨機(jī)預(yù)編碼模塊4101和脈沖產(chǎn)生模塊4102。將脈沖超寬帶通信系 統(tǒng)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包表示為數(shù)字信號X，數(shù)字信號X經(jīng)隨機(jī)預(yù)編碼模塊4101隨機(jī)變換為變換 向量Z，隨后疊加至脈沖產(chǎn)生模塊4102產(chǎn)生的UWB脈沖上得到發(fā)射信號u (t)，從而發(fā)射出去。UffB信道42接收脈沖產(chǎn)生模塊4102輸出的發(fā)射信號"㈦，輸出接收端信號r㈦ 至接收端43。接收端43包括低速采樣器4301和數(shù)字信號處理器4302，低速采樣器4301對接收 端信號iYi)進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號X的觀測信號Y至數(shù)字信號處理器4302，數(shù)字信號處 理器4302中存儲(chǔ)有用于將數(shù)字信號X稀疏化表示的稀疏化算法、隨機(jī)預(yù)編碼模塊4101在 CS理論下的等效矩陣、脈沖產(chǎn)生模塊4102在CS理論下的等效矩陣、用于估計(jì)UWB信道42 的沖擊響應(yīng)的信道估計(jì)算法、用于根據(jù)沖擊響應(yīng)推導(dǎo)得到UWB信道42在CS理論下的等效 矩陣的推導(dǎo)算法和用于從觀測信號Y恢復(fù)重構(gòu)出數(shù)字信號X的恢復(fù)重構(gòu)算法。該通信系統(tǒng)基于CS理論對數(shù)據(jù)信號X進(jìn)行觀測，重構(gòu)，同時(shí)CS理論下要求待處理 的信號的稀疏的，因此如下分稀疏化，觀測，重構(gòu)三部分，對通信系統(tǒng)以及相應(yīng)的數(shù)字信號 處理器4303中存儲(chǔ)的算法進(jìn)行描述。第一部分稀疏化
數(shù)據(jù)信號X首先需經(jīng)過稀疏化處理，對應(yīng)系統(tǒng)中，即是通過接收端43中的數(shù)字信號處 理器4302中存儲(chǔ)的用于稀疏化表示數(shù)字信號X的稀疏化算法實(shí)現(xiàn)。稀疏化算法具體為設(shè)定虛擬采樣頻率Λ ；本具體實(shí)施方式
中，通信系統(tǒng)發(fā)送的 數(shù)據(jù)包的比特?cái)?shù)目為K，則數(shù)字信號X為KXl維的信息向量，元素取自集合{1，-1}；數(shù)據(jù) 包的比特率為/Aii，比特持續(xù)時(shí)間為Y/fbit ；脈沖產(chǎn)生模塊4102產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間 為爾，則數(shù)據(jù)包的一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)可以容納的無交疊的脈沖的個(gè)數(shù)為0=1/(7；/^)，一 個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)采的虛擬采樣點(diǎn)數(shù)q= T/s ；則數(shù)字信號X稀疏化表示為
權(quán)利要求
1.一種基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端、UWB信道和接收端，將所述脈 沖超寬帶通信系統(tǒng)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包表示為數(shù)字信號(X)，所述數(shù)字信號(X)從所述發(fā)射端 通過所述UWB信號傳輸至所述接收端，所述接收端基于CS理論恢復(fù)重構(gòu)所述數(shù)字信號(X)， 其特征在于所述發(fā)射端包括隨機(jī)預(yù)編碼模塊和脈沖產(chǎn)生模塊，所述隨機(jī)預(yù)編碼模塊對所述數(shù)字信 號(X)進(jìn)行隨機(jī)變換，得到變換向量(Z);所述脈沖產(chǎn)生模塊接收變換向量(Z)，將變換向量 (Z)加載于其產(chǎn)生的UWB脈沖上得到發(fā)射信號(α (t))；所述UWB信道接收所述脈沖產(chǎn)生模塊輸出的發(fā)射信號(m (t))，輸出接收端信號(r (t)) 至接收端；所述接收端包括低速采樣器和數(shù)字信號處理器，所述低速采樣器對所述接收端信號 ir(t))進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號(X)的觀測信號(Y)至所述數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號 處理器中存儲(chǔ)有用于將所述數(shù)字信號(X)稀疏化表示的稀疏化算法、所述隨機(jī)預(yù)編碼模塊 在CS理論下的等效矩陣、所述脈沖產(chǎn)生模塊在CS理論下的等效矩陣、用于估計(jì)所述UWB信 道的沖擊響應(yīng)(h)的信道估計(jì)算法、用于根據(jù)所述沖擊響應(yīng)(h)推導(dǎo)得到所述UWB信道在 CS理論下的等效矩陣的推導(dǎo)算法和用于從所述觀測信號(Y)恢復(fù)重構(gòu)出所述數(shù)字信號(X) 的恢復(fù)重構(gòu)算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述稀疏 化算法通過設(shè)定虛擬采樣頻率實(shí)現(xiàn)，設(shè)定虛擬采樣頻率為Λ ；所述待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比特 數(shù)目為K，比特率為/Aii，所述脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間為爾，則所述數(shù)字 信號(X)稀疏化表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字信號處理器中存儲(chǔ)的所述隨機(jī)預(yù)編碼模塊在CS理論下的等效矩陣為Φ1,
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字 信號處理器中存儲(chǔ)的所述脈沖產(chǎn)生模塊在CS理論下的等效矩陣為Φ2 , 為ΓχΧ Γχ的 矩陣，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字 信號處理器中存儲(chǔ)的推導(dǎo)算法具體為抽取所述沖擊響應(yīng)h的托普利茲矩陣的行元素得到所述UWB信道在CS理論下的等效矩陣Φ3，兩者的關(guān)系表達(dá)式如下所示
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字 信號處理器中存儲(chǔ)的恢復(fù)重構(gòu)算法歸結(jié)為求解標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問題。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所 述標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問題為定義X+ =Hiax (X，0)，X =max (-X，0)，X=X+ X ；觀測向量
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述通 信系統(tǒng)應(yīng)用于突發(fā)通信場合，當(dāng)需發(fā)送信息時(shí)，所述系統(tǒng)發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)包；當(dāng)沒有信息發(fā)送 時(shí)，則系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述突發(fā) 通信場合為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CS理論的脈沖超寬帶通信系統(tǒng)，通過數(shù)字信號處理器中的稀疏化算法將信號檢測引入CS理論中，結(jié)合發(fā)射端增加的隨機(jī)預(yù)編碼模塊、配合脈沖產(chǎn)生模塊、UWB信道以及低速采樣器實(shí)現(xiàn)對發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字信號X的有效觀測。再利用CS理論中常用的恢復(fù)重構(gòu)算法即可恢復(fù)重構(gòu)數(shù)字信號X，實(shí)現(xiàn)通信。由于本發(fā)明的通信系統(tǒng)中，接收端不需要像方案一并行方案中需并行多個(gè)相關(guān)器和低速采樣器，因此克服了并行方案中的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題；同時(shí)接收端直接使用低速采樣器進(jìn)行采樣，不需要使用模擬信息轉(zhuǎn)換器，也就避免了模擬信息轉(zhuǎn)換器中的低通濾波器的因果性對觀測的影響，克服串行方案中因因果性而導(dǎo)致的觀測矩陣稀疏問題。
文檔編號H04B1/7163GK102104396SQ20111006198
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者張盛, 晉本周, 林孝康, 潘劍 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院