CN1842981B - 发送设备和发送方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种能对作为前同步码的已知模式的时间序列信号和OFDM发送信号优选地执行发送处理的方法。在数据通信中，通常实践中定义前同步码并检测互相关的峰值以检测同步。这里的前同步码在绝大多数情况下为简化相关检测设备以二进制值定义。在这种情况下，所述频谱变得不规则，具有锐峰值和倾斜，这恶化了相关特性。本发明的方法强制调节在发送侧前同步码模式的频谱幅度，同时保持其相位信息，借此该方法在保证简化接收侧的相关检测设备的同时改善了频谱和相关特性。

Description

发送设备和发送方法

技术领域

本发明涉及一种处理无线电发送信号的发送设备、发送方法、以及存储媒体。本发明具体涉及一种对多个载波的每一载波执行幅度和相位调制，对多个载波执行逆FFT以将它们转换成时基信号，同时保持这些载波在频率轴上的正交性，以及对发送的OFDM(正交频分多路复用)信号执行发送处理的发送设备、发送方法、以及存储媒体。

更具体而言，本发明涉及一种对已知模式信号执行发送处理以在接收侧获得同步的发送设备、发送方法、以及存储媒体，并具体涉及对已知模式信号执行发送处理的发送设备、发送方法、以及存储媒体，该信号由时间序列和经OFDM调制的发送信号一起构成。

背景技术

无线LAN作为一种使用户从有线LAN令人烦恼的布线中得以解脱的***已经引起了相当大的关注。无线LAN能够除去在诸如一间办公室的工作空间中的大部分有线电缆，这使得相对容易地移动个人计算机和其他通信终端成为可能。近年来，随着无线LAN速度的提高和成本的降低，对于它的需求也在显著地增加。特别是近来，正在审查引入个人区域网(PAN)，以便人们能够通过在其周围使用多个电子设备的小规模无线网络来传送信息。举例来说，规定不同的无线通信***和无线通信设备，其使用不需要管理机构许可的频率带宽，诸如2.4GHz频带和5GHz频带。

近来，使用被称为“超宽带(UWB)通信”的覆盖3GHz到10GHz范围的超宽带无线通信***作为一种实现短距离超高速发送的无线通信***已经引起了相当大的关注；并期望实际发展这种***。目前，具有包括前同步码的分组结构的数据发送***被设计为IEEE802.15.3等中的UWB通信的接入控制***。

现在，在房间内构造无线网络将产生多径环境，在这种环境中接收设备接收到一个直射波和多个反射波以及延迟波的叠加。这种多径环境将引起延迟失真(或频率选择性衰落)，这会导致通信误差。而且，还将产生由于延迟失真带来的符号间干扰。

应对延迟失真的主要措施之一是多载波发送***。由于多载波发送***将发送的数据分配到不同频率的多个载波，因此每一载波的带宽变窄，这便很难受到频率选择性衰落的影响。

在多载波发送***之一的OFDM(正交频分多路复用)***中，以符号间隔中每一载波相互正交这样一种方式来设定每一载波的频率。在发送信息期间，该***对小于数据发送速率的每一符号周期中串行发送的信息执行串/并转换，把转换成串/并格式的多个数据分配给每一载波，对每一载波执行幅度和相位调制，对该多个载波执行逆FFT，并借此将频率轴上的载波转换成时基上的信号，同时在频率轴上保持正交性以发送信息。在接收期间，***执行以上操作的反操作；即，该***执行FFT把时基上的信号转换成频率轴上的信号，对每一载波执行与各调制***对应的解调，对解调的信号执行并/串转换，并以串行格式再生原始的发送信息。

OFDM调制***被采用作为无线LAN标准，例如，在IEEE802.11a/g中。而且在IEEE802.15.3a中，除了DS-UWB***和脉冲UWB***之外，采用OFDM调制***的UWB通信***(以下称‘OFDM_UWB’)的标准化也正在进行，所述DS-UWB***的DS信息信号的扩散速度增加到了极限，所述脉冲UWB***用于发送和接收使用具有非常短、大约数100ps周期的脉冲信号串的信息信号。如果是OFDM_UWB通信***，OFDM调制还在审查中，它在三个528MHz带宽的子频带上执行跳频(FH)，所述子频带位于覆盖3.14到4.8GHz范围的频带中，并在每一频带上使用128点的IFFT/FFT(参见非专利文献1)。

通常包含发送机和接收机的远程通信***发送用于获得同步的信号作为与发送数据体组合的前同步码(或中同步码)。

如果是上述的OFDM_UWB通信***，时间序列被用来作为获得同步的前同步码信号(参见非专利文献1)。更进一步，前同步码信号由二进制±1的模式构成，以减小在接收侧的相关处理的计算复杂度(因为这种情况仅仅通过对符号求反节省了用于计算相关的乘法)。

图5示例了二进制±1的前同步码信号的一个实例。在本例中，除了由通过对频率轴上的信号执行逆FFT以获得时基信号的OFDM调制信号形成的数据体以外，对由原始时间序列构成的已知模式执行BPSK(二进制移相键控)调制可产生前同步码信号。图6典型地示例了由应用BPSK调制的前同步码(或同步获得)信号和应用OFDM调制的数据体所构造的数据帧。

图7示例了如图5所示的二进制时间序列信号(前同步码模式)的频谱。如图所示，二进制时间序列信号形成具有尖锐的不规则性的频谱特征，这不利于保证规定的发送功率密度。特别是，有关UWB的FCC(联邦通信委员会)规则规定在每一MHz测量的功率密度必须不超过-41.3dBm/MHz，而不是全部信号的功率。因此，如果是UWB***，必须以比采样间隔窄的间隔(例如，4.125MHz)来测量频谱峰值。在如图7所示的例子中，在不规则峰值处的功率谱超过了0dB(-41.3dBm)；因此，发送前同步码将面临功率密度不能符合FCC规则中的规定。在如图5所示的整个数据帧上自然必须符合FCC规则，而不仅只有OFDM调制的数据体。在图7中，由于峰值(接近水平轴上的±32)超出限制大约5dB，所以必须在发送时将前同步码的发送功率降低5dB。这将会导致信噪比的恶化。

图8示例了前同步码信号的自相关特性。通常优选的是输出仅存在于时基中心附近。但是在该图中，输出存在于时基的周边区域(例如，接近水平轴上的±16)，并且难以给出该自相关特性良好的评论。

在OFDM调制***中，一般实践中会废弃所使用的频率域内中心频带和两端频带上的子载波(参见图9)。在这种情况下，图7所示经过BPSK调制的前同步码的频谱和图9所示OFDM信号的频谱波形明显不同；因此，在接收侧不得不切换前同步码部分和OFDM信号部分的滤波器条件，这样做是不方便且不利的。

IEEE 802.15.3a TI文献<URL：

http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/May03

文件名：03142r2p802-15_TI-CFP-Document.doc>

发明内容

本发明的一个目的是提供非常好的能够对已知模式信号，诸如用于在接收侧获得同步的前同步码信号，优选地执行发送处理的发送设备、发送方法、和存储媒体。

本发明的另一个目的是提供非常好的，能够优选地对与OFDM调制信号组合的已知模式的时间序列信号执行发送处理的发送设备、发送方法、和存储媒体。

本发明的再一个目的是提供非常好的，能够以这样一种方式，即已知模式的时间序列信号和OFDM调制信号都满足对发送功率密度的规定而不降低信噪特性，以优选地执行发送处理的发送设备、发送方法、和存储媒体。

本发明的又一个目的是提供非常好的，能够对已知模式的时间序列信号优选地执行发送处理，以改进用于获得同步的自相关特性等的发送设备、发送方法、和存储媒体。

考虑到上述问题提出了本发明，本发明涉及到处理无线电发送信号的发送设备。它包括：频谱转换装置，其将已知多值模式的原始时间序列信号转换成频率信号以获得频谱特性，频谱特性处理装置，其强制改变频谱信号的幅度，同时保持频谱的相位信息，以及将应用频谱特性处理的频谱再转换成时间序列信号的装置。

有关本发明的所述发送设备把再转换的时间序列信号和数据体一起发送，该时间序列信号作为用于在接收侧获得同步的前同步码信号。

有关本发明的所述发送设备还可以包括调制处理装置，其调制发送的数据体以获得用于发送的调制信号。该调制处理装置通过在作为实例的OFDM调制***中对每一载波执行幅度和相位调制，对多个载波执行逆FFT，借此将频率轴上的原始发送信号转换成时基上的信号，同时保持每一载波的正交性。

所述频谱特性处理装置以这种方式，即原始时间序列信号的频谱幅度变得和用于发送的调制信号的幅度相同，同时保持原始时间序列信号的频谱的相位信息，来强制改变原始时间序列信号的频谱幅度。作为一个例子，所述频谱特性处理装置强制废弃所使用频域的中心频带和两端频带上的频谱幅度，并以这种方式，即原始时间序列信号的频谱幅度变得和普通OFDM信号的幅度相同，同时保持原始时间序列信号的相位信息，来平滑其他区域上的频谱幅度。

这样，根据本发明，有可能将时间序列的前同步码信号转换得和普通OFDM信号的频谱波形相同。因此，在接收侧有可能对每一个信号频带使用相同的滤波器(低通滤波器或带通滤波器)，这简化了在接收侧的结构。

所述平滑应用在除DC分量和位于前同步码信号的两端频带上的分量以外的频谱上。借此在应用波形成形的新频谱中抑制不规则的峰值。这样容易满足FCC等对发送功率密度的规定，并有可能在获得相同信噪特性时获得较高的发送功率。

通过卷积操作执行时基上的相关处理，对应着在频率轴上共轭复数的乘积。所以，在中心频率上的相关计算中，只有实部保留作为共轭复数相乘的结果，并且有可能通过保持相位信息获得较大的值。所以，处理频谱幅度的同时保持原始时间序列信号的相位信息的上述操作将消除前同步码信号频谱上的不规则性，保证对于功率密度的规定，并允许最大发送功率。

根据本发明，可提供非常好的能够以这种方式，即作为前同步码的已知模式的时间序列信号和OFDM调制的信号都满足发送功率密度的规定，而不会降低信噪特性，优选地执行发送处理的发送设备、发送方法、和存储媒体。

根据本发明，可提供非常好的能够对作为前同步码的已知模式的时间序列信号优选地执行发送处理，以改善用于获得同步的自相关特性等的发送设备、发送方法、和存储媒体。

根据本发明，可提供非常好的能够通过使频谱波形任意地成形以对已知模式的时间序列信号优选地执行发送处理，从而不增加在接收侧用于检测相关的设备规模的发送设备、发送方法、和存储媒体。

根据本发明，强制调节发送侧的前同步码模式的频谱幅度，同时保持其相位信息，这使得改进频谱和相关特性成为可能，同时保证了在接收侧相关检测设备的简化。

基于以下描述的实施例和附图进行更详细的描述，本发明其他目的和特征将会变得显而易见。

附图说明

下面参照附图详细地描述本发明的实施例，其中：

图1典型示例了涉及本发明一个实施例的无线通信***的结构。

图2示例了强制废弃原始频谱H_k的DC分量以及位于其两端的分量，平滑位于其他区域的频谱幅度。

图3示例了由二进制模式的原始时间序列信号获得的前同步码信号的实例。

图4示例了在发送的前同步码和接收的前同步码之间进行互相关处理的实例。

图5示例了±1值的前同步码信号的实例。

图6典型示例了由应用BPSK调制的前同步码(或同步获得)信号和应用OFDM调制的数据体所构成的数据帧。

图7示例了如图5所示的时间序列信号的频谱。

图8示例了前同步码信号的自相关特性。

图9示例了OFDM信号的结构，其中废弃了位于所使用频域的中心和两端的子载波。

图10示例了前同步码生成单元11的内部结构。

图11示例了发送机10的另一种结构。

图12示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。

图13示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。

图14示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。

图15示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。

图16示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。

具体实施方式

图1典型示例了涉及本发明一个实施例的无线通信***的结构。如该图所示，所述无线通信***包括发送无线电信号的发送机和接收无线电信号的接收机。

涉及本实施例的无线通信***采用使用覆盖3GHz到10GHz范围的超带宽执行无线通信的UWB***，以实现短距离和超高速发送。考虑到多径环境下的延迟失真和符号间干扰，还可以采用OFDM调制***，其将排列在频率轴上的多个子载波转换成时基上的信号以便发送。考虑到发送功率密度的规定，本发明的要点在于发送时间序列的前同步码信号、自相关特性、以及频谱波形；不特别限制数据体的发送***。

发送机10包括前同步码生成单元11，其产生由已知模式构成的用于获得同步的前同步码信号，对发送的数据执行OFDM调制的OFDM单元12，将由前同步码和数据体构成的数据帧上变换成无线电信号的RF单元13，以及发送无线电信号到传播路径的天线14。图10示例了前同步码生成单元11的内部结构。如该图所示，前同步码生成单元11包括时间-频率转换单元11A，频谱特性处理单元11B，和频率-时间转换单元11C。

在本实施例中，获得同步的前同步码信号由多值模式的时间序列构成，以减小在接收机20一侧相关处理的计算复杂度。以下将描述构造前同步码信号的方法。

另一方面，接收机20包括接收传播路径上的无线电信号的天线21，下变换接收信号的RF单元22，通过对接收的前同步码信号和预先保留的已知模式的相关处理获得同步的同步处理单元23，以及对接收的数据体执行OFDM解调以恢复原始频率信号的OFDM解调单元24。

涉及本实施例的无线通信***采用OFDM_UWB***，并应用二进制时间序列信号作为获得同步的前同步码信号，以便简化在接收侧的相关检测设备(参见非专利文献1)。但是，该前同步码信号的频谱不规则，具有锐峰值和倾斜，这恶化了相关特性。

因此，本实施例的无线通信***强制性调节前同步码模式的频谱幅度，同时在接收侧保持其相位，借此改善频谱和相关特性，同时简化在接收侧的相关检测设备。

作为前同步码信号的由已知多值模式构成的原始时间序列信号被提供给前同步码生成单元11。该原始前同步码信号由二进制值±1构成，例如其通过BPSK调制提供，或者作为ROM(未示例)中存储的数据提供。这里，所述前同步码信号是二进制的(在BPSK调制的情况下)，但是除二进制值之外它还可以采用多值，例如，+1、0、-1。

时间-频率转换单元11A通过对该时间序列信号的原始前同步码信号h_k作傅里叶变换执行频率转换，以产生频谱特性H_k。并且，频谱特性处理单元11B将该H_k转换成一个新的频谱特性G_k。

作为将频谱特性H_k转换成G_k的第一个步骤，频谱特性处理单元11B以前同步码信号部分的频谱波形与其他OFDM信号部分的频谱波形相匹配这种方式执行波形成形。具体来说，频谱特性处理单元11B强制废弃所使用频域内中心频带上的频谱幅度，DC分量和两端频带上的分量，并且以这种方式，即前同步码信号的频谱与普通OFDM信号的频谱相同，来平滑其他频带上的频谱幅度。

图2示例了频谱处理单元11B强制废弃DC分量原始频谱H_k两端的分量，并且平滑位于其他区域的频谱幅度。作为频谱波形成形的结果，前同步码信号的频谱幅度变得和方便处理的OFDM_UWB部分的频谱幅度相同。具体来说，通过取消DC分量(中心频率部分)和所使用频域两端的分量，前同步码信号的频谱变得和普通OFDM信号的频谱幅度相同，这使在接收侧对各信号分量应用相同的滤波器(低通滤波器或带通滤波器)成为可能，从而简化了接收机的结构。

对除DC分量和位于两端的分量之外的频谱进行平滑将抑制新频谱G_k中的不规则的峰值。这样容易满足FCC等对发送功率密度的规定，并有可能在获得相同信噪特性时获得更高的发送功率。

通过以下公式实现频谱的平滑。即，通过使用以下公式，二进制模式的原始时间序列信号产生归一化的前同步码信号来平滑该频谱。

$G_k=\frac{H_k}{\left|H_k\right|}---\left(1\right)$

作为将频谱特性H_k转换成G_k的第二个步骤，频谱特性处理单元11B强制废弃频谱幅度，同时保持频谱的相位信息。

这里，在时基上的相关处理通过卷积操作来执行，其对应着在频率轴上共轭复数的乘积。在时基和频率轴上进行相关处理的操作通过以下公式给出。

$s\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}g\left(t\right)h^{*}(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}---\left(2\right)$

S(f)＝G(f)H^*(f)

相关处理的目标是上述公式中的

。在中心频率上的相关计算对应于上述公式中在时基上τ＝0的情形。在频率轴上，只有实部保留作为共轭复数的相乘结果，并有可能获得较大的值。

所以，处理频谱幅度同时保持相位信息的上述操作消除了前同步码信号频谱上的不规则性，保证了功率密度的规定，并允许最大发送功率。

频率-时间转换单元11C对这样获得的频谱G_k执行逆FFT，以恢复时间序列信号g_k。获得的时间序列信号可用作发送侧的前同步码信号。

图3示例了通过上述处理由二进制模式的原始时间序列信号获得的前同步码信号g_k的实例。图4示例了在发送前同步码信号和接收前同步码信号之间作的互相关处理的实例。前同步码信号g_k不是二进制模式。但是，如图所示，在时基中心的相关显著地增强了，并且周边时域上的相关被抑制到了一个低电平，这保证了增强所述相关特性。

图12到图16示例了使用二进制模式的原始时间序列信号通过涉及本发明的频谱平滑处理获得前同步码信号序列的具体实例。图12到图16中的各前同步码信号序列具有不同的原始时间序列信号作为单元。这里，“序列单元”表示时间采样的编号，“值”表示每一个采样的幅度。关于公式1，图12到图16的表给出了对在频域上成形的频谱波形的信号G_k执行逆傅里叶变换的结果。

发送机10存储二进制值±1的原始时间序列信号，作为例如前同步码信号的原始数据，存在例如ROM中。接下来可能作的处理是：每次数据发送时读取原始时间序列信号；根据上面的步骤，执行傅里叶变换以便在保持相位信息的同时对频谱幅度作上述处理，之后，执行逆傅里叶变换以顺序产生前同步码信号。

如果作为前同步码信号原始数据的原始时间序列信号相同，它将总是给出一个相同的前同步码信号；因此，在发送机10中曾计算出的顺序的模式可以存储在ROM中作为要发送的前同步码信号。

图11示例了在这种情况下发送机10的结构。图11的发送机10在前同步信号存储单元11’中存储计算出的顺序模式作为用于发送的前同步码信号，这与图1所示的发送机10不同，那里前同步码生成单元11顺序地产生归一化的前同步码信号以平滑所述频谱。

在这种情况下前同步码信号g_k与二进制模式存在偏差。但是，该发送机侧能够在ROM等中存储前同步码模式作为发送数据本身，并且能够使用它。所以，与二进制模式的偏差不会带来任何问题。考虑到易于制造设备，所述接收机侧可以如发送机侧一样使用二进制。

代替基于预先提供的已知原始时间序列信号计算在发送机10中用于发送的前同步码信号，对于设备的制造商来说，通过使用上述处理根据已知的原始时间序列信号计算前同步码信号，并且在发送机10上安装其中存储的不是原始时间序列信号而是实际的前同步码模式的ROM，也是可以接受的。

参考具体实施例，已经详细地描述了本发明。但是，显而易见，本领域普通技术人员能够对上述实施例作出各种修改和变化而不背离本发明的要点。即，为了公开本发明已经将这些实施例作为示例给出，在本说明书中，这里所描述的内容不应该以限制的方式来理解。应该认为将权利要求的内容用于理解本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种处理无线电发送信号的发送设备，包括：

频率转换装置，其把已知多值模式的原始时间序列信号转换成频率信号以获得频谱特性；

频谱特性处理装置，其通过废弃所述原始时间序列信号所使用频带的中心频带和两端频带上的频谱幅度改变频谱信号的幅度，同时保持该频谱的相位信息；以及

将经过所述频谱特性处理的频谱再转换成时间序列信号的装置。

2.根据权利要求1所述的发送设备，还包括发送被再转换成时间序列信号的信号和数据体的装置，该信号作为用于在接收侧获得同步的前同步码信号。

3.根据权利要求2所述的发送设备，还包括调制处理装置，其调制所发送的数据体以获得用于发送的已调制信号，其中该已调制信号与所述前同步码信号一起发送。

4.根据权利要求3所述的发送设备，其中所述调制处理装置执行对每一载波应用幅度和相位调制、对多个载波应用逆FFT并借此把各载波转换成时基上的信号同时保持在频率轴上各载波的正交性的OFDM调制。

5.根据权利要求3所述的发送设备，其中所述频谱特性处理装置以这样的方式来强制改变原始时间序列信号的频谱幅度，即原始时间序列信号的频谱幅度变成与用于发送的已调制信号的频谱幅度相同，同时保持原始时间序列信号的频谱的相位信息。

6.根据权利要求1所述的发送设备，还包括前同步码模式存储装置，其存储被再转换成时间序列信号的信号作为用于在接收侧获得同步的前同步码信号，

其中在发送一个被发送数据体时，从前同步码模式存储装置读出的所述前同步码信号与该被发送数据体一起发送。

7.一种处理无线电发送信号的发送方法，包括：

频率转换步骤，其将已知多值模式的原始时间序列信号转换成频率信号以获得频谱特性；

频谱特性处理步骤，其通过废弃所述原始时间序列信号所使用频带的中心频带和两端频带上的频谱幅度改变频谱信号的幅度，同时保持该频谱的相位信息；以及

将经过所述频谱特性处理的频谱再转换成时间序列信号的步骤。

8.根据权利要求7所述的发送方法，还包括发送被再转换成时间序列信号的信号和数据体的步骤，该信号作为用于在接收侧获得同步的前同步码信号。

9.根据权利要求8所述的发送方法，还包括调制处理步骤，其调制所发送的数据体以获得用于发送的已调制信号，其中该已调制信号与所述前同步码信号一起发送。

10.根据权利要求9所述的发送方法，其中所述调制处理步骤执行对每一载波应用幅度和相位调制、对多个载波应用逆FFT并借此把各载波转换成时基上的信号同时保持在频率轴上各载波的正交性的OFDM调制。

11.根据权利要求9所述的发送方法，其中所述频谱特性处理步骤以这样的方式来强制改变原始时间序列信号的频谱幅度，即原始时间序列信号的频谱幅度变成与用于发送的已调制信号的频谱幅度相同，同时保持原始时间序列信号的频谱的相位信息。

12.根据权利要求7所述的发送方法，还包括前同步码模式存储步骤，其存储被再转换成时间序列信号的信号作为用于在接收侧获得同步的前同步码信号，

其中在发送一个被发送数据体时，读出预先存储的所述前同步码模式并将其与该被发送数据体一起发送。

13.一种发送设备，包括：

存储媒体，其存储通过将已知多值模式的原始时间序列信号转换成频率信号、通过废弃所述原始时间序列信号所使用频带的中心频带和两端频带上的频谱幅度改变频谱信号的幅度，同时保持该频谱的相位信息，之后将所述频谱信号再转换成时基上的信号而产生的多值模式；

调制装置，其对所发送的数据体执行调制处理；以及

发送装置，其把从所述存储媒体读取的所述多值模式作为前同步码信号连同由所述调制装置调制的发送信号一起发送。

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