CN1939019A - 用于生成并且处理具有减少的离散功率谱密度分量的宽带信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了用于生成并且处理具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量的宽带信号的方法和装置。通过响应用于发射的数据来生成数据符号，将一个或多个所述数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧，响应于伪随机数据序列来有选择地反转所述帧，并且利用被有选择地反转的帧来调制宽带信号的宽带信号脉冲，由此来获得具有减少的离散PSD分量的宽带信号。

Description

用于生成并且处理具有减少的离散功率谱密度分量的宽带信号的方 法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，并且具体来讲，涉及用于生成并且处理具有减少的离散功率谱密度分量的宽带信号的方法和装置。

背景技术

超宽带(UWB)技术使用具有极短持续时间的基带脉冲从接近0到几千兆赫非常稀疏地传播发射信号的能量。当正确配置时，UWB信号可以与其它通信信号共存在同一频谱中，其中具有可忽略的相互干扰。联邦通信委员会(FCC)为UWB通信系统指定了UWB信号发射限制，以防止与其它通信系统间的干扰。

UWB信号的发射概况可以通过检查其功率谱密度(PSD)来确定。参见1998年9月的IEEE Tran.on Comm.的第46卷、第9号的1135-1145页，在由Moe等人提出的题目为“On the Power SpectralDensity of Digital Pulse Streams Generated by M-ary CyclostationarySequences in the Presence of Stationary Timing Jitter.”的论文中公开了使用随机接近法的“时跳扩频”信号传输方案在存在随机定时抖动时的PSD特性。根据该论文，UWB信号的功率谱包含连续分量和离散分量。当总功率相同时，离散分量比连续分量呈现出更高的PSD。

目前，人们正在考虑把多带正交频分复用(OFDM)用于UWB通信系统。在使用OFDM的多带UWB通信系统中，所述UWB频带被划分为多个子带，并且将OFDM调制应用于每个子带。

人们一直希望增加通信系统(比如使用OFDM的多带UWB通信系统)的通信距离。增加通信距离的一种方式是增加用于发射的功率。为了增加发射功率，同时仍符合对UWB信号的FCC发射限制，需要减少离散分量，以便使总功率可以增加，同时仍可符合FCC发射限制。在传统的通信系统中，通常使用扰频器来用于定时恢复和均衡。因此，这些扰频器在减少使用OFDM的多带UWB通信系统的子带中的离散PSD分量时未必高效和/或有效，其原因例如是高脉冲重复频率(PRF)，即约100Mbps至500Mbps，以及这些系统的时分多址(TDMA)帧结构。因此，需要一种用于减少使用OFDM的多带UWB信号子带中的离散PSD分量的改进方法和装置。除了别的以外，本发明满足了这种要求。

发明内容

本发明具体体现在一种用于生成并且处理具有减小的离散功率谱密度(PSD)分量的宽带信号的方法和装置。通过响应于用于发射的数据来生成数据符号，把一个或多个数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧，响应于随机数据序列来有选择地反转所述帧，并且利用所述被有选择地反转的帧来调制宽带信号的宽带信号脉冲，由此来获得具有减少的离散PSD分量的宽带信号。

附图说明

图1是根据本发明的OFDM宽带通信系统的框图；

图2是根据本发明的用于发送OFDM宽带信号的示例性处理步骤的流程图；

图3是根据本发明的用于接收OFDM宽带信号的示例性处理步骤的流程图；

图4是用于描述根据本发明在模拟中使用的配置的时间线；

图5A、6A和7A是分别描述根据现有技术使用利用BPSK调制的多带OFDM处理的具有0％、25％和40％特殊数据值(例如，值一(1))的源数据的PSD相对于频率的关系的图表；

图5B、6B和7B是分别描述根据本发明使用利用BPSK调制和可选择的反转的多带OFDM处理的具有特殊数据值的0％、25％和40％的源数据的PSD相对于频率的关系的图表；

图8A、9A和10A是分别描述根据现有技术使用利用BPSK调制的多带OFDM处理的具有特殊数据值的0％、25％和40％的源数据的PSD相对于频率的关系的图表；

图8B、9B和10B是分别描述根据本发明使用利用QPSK调制和可选择的反转的多带OFDM处理的具有特殊数据值的0％、25％和40％的源数据的PSD相对于频率的关系的图表；

图11是描述根据本发明一方面的扰频器的配置的图示；

图12A、13A、14A和15A是描述利用具有4个基本上相关的种子的15位线性反馈移位寄存器来对其进行扰频的源数据的PSD相对于频率的关系的图表，其中所述源数据不包括非有效负荷数据；

图12B是描述根据本发明一方面利用具有基本上不相关的种子的LFSR-15来对其进行扰频的源数据的PSD相对于频率的关系的图表，其中所述源数据不包括非有效负荷数据；

图13B是描述根据本发明一方面利用具有基本上不相关的种子的28位线性反馈移位寄存器(LFSR-28)来对其进行扰频的源数据的PSD相对于频率的关系的图表，其中所述源数据不包括非有效负荷数据；

图14B是描述根据本发明一方面利用具有基本上不相关的种子的LFSR-15来有选择地对其进行反转并且扰频的源数据的PSD相对于频率的关系的图表，其中所述源数据不包括非有效负荷数据；和

图15B是描述根据本发明一方面利用具有基本上不相关种子的28位线性反馈移位寄存器(LFSR-28)来有选择地对其进行反转和扰频的源数据的PSD相对于频率的关系的图表，其中所述源数据不包括非有效负荷数据。

具体实施方式

图1是根据本发明的示例性正交频分复用(OFDM)宽带通信系统100的概念表示。所图示的通信系统100内的一个或多个块的功能可以由同一片硬件或软件模块来执行。应该理解的是，本发明的实施例可以以硬件、软件、或者它们的组合的方式来实现。在这种实施例中，如下所述的各种组件和步骤可以以硬件和/或软件来实现。

一般说来，用于发送源数据的发射装置102在发送之前使用OFDM调制方案来有选择地反转源数据或者可选地对源数据进行扰频，以便减少发射数据的离散功率谱密度(PSD)分量。接收装置104接收发射数据，使用OFDM解调方案来解调接收数据，并且使所述反转和可选的扰频逆转以便恢复原始的源数据。

现在详细说明发射装置102和接收装置104的组件。在示例性的实施例中，将源数据施加到可选扰频器106，所述扰频器106被配置为对源数据进行扰频。扰频器106可以对重复数据(例如，同步字)以外的所有源数据进行扰频。在可替代的示例性实施例中，源数据未被扰频，并且可以省略可选扰频器106。

在示例性的实施例中，扰频器106使用扰频字对源数据的至少一部分进行扰频。表1中描述了八个示例性的扰频字(数字0-7)的表。

表1

0：0000    4：0100

1：0001    5：0101

2：0010    6：0110

3：0011    7：0111

示例性的扰频字例如可以使用XOR逻辑电路(未示出)逻辑地与部分源数据组合，以便对该源数据进行扰频。

在可替代的示例性实施例中，采用诸如在电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineer，IEEE)的标准，即IEEE802.15.3a的计划中所描述的那种扰频器来对源数据进行扰频。所提议的扰频器使用15位线性反馈移位寄存器(LFSR)来生成用于扰频器的伪随机二进制序列(PRBS)。在每个帧开始时，所述LFSR被加载预定的值(种子)，此处将其称为初始设定。定义了以两位标识符(b₁，b₀)索引的四个种子以供选择作为初始设定，表2中举例说明了这些种子。

表2

种子标识符(b1，b0)	种子值(x14…x0)
		0，0	0011 1111 1111 111
0，1	0111 1111 1111 111
		1，0	1011 1111 1111 111
1，1	1111 1111 1111 111

可以使用两位标识符从种子集合中选出用于扰频的种子值。然后，使用XOR逻辑电路(未示出)将所选的种子逻辑地与源数据组合，以便对源数据进行扰频。两位标识符可以在分组中与源数据一起被发射，以供接收器104用来初始化解扰器134。

如表2所描述的那样，所述种子值是高度相关的(即，每个种子值只有最初两位是唯一的)，并且由此，所生成的伪随机序列是高度相关的，由此因缺乏足够的随机性而导致线性频谱(即，离散PSD分量)。发明人已经意识到的是，可以通过使用不相关的种子来获得抑制离散PSD分量的更好结果。表3描述了供扰频器106使用的示例性种子集合。

表3

种子标识符(b1，b0)	种子值(x27…x0)
		0，0	0100 1100 0000 0101 0001 0000 1110
0，1	1011 1000 0101 1011 1001 1101 1010
		1，0	0101 1111 1101 0010 1000 0001 1001
1，1	0000 1111 0010 1111 0011 0111 1111

在表3中，存在四个种子值，并且每个种子值均包括28位。所述种子值基本上不相关，并且因此使用这些种子值生成的伪随机序列基本上是不相关的。表3中所示的种子集合仅仅是举例说明，还可以采用具有不同种子值的种子、具有更多或更少种子并且每一种子具有更多或更少位的种子集合。本领域技术人员将理解的是，如何根据此处的描述来生成适当的不相关种子值以供种子集合使用。

映射器108耦合至扰频器106以便接收已扰频的源数据。映射器108响应于所述源数据来生成数据符号。在示例性的实施例中，映射器108将源数据位映射为频域中的数据符号。所述映射器108可以使用星座映射方案，作为非限制性的举例，比如是二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)或者正交幅度调制(QAM)。映射器108可以执行附加的已知功能，比如卷积编码、打孔和位交织。

变换器110被耦合至映射器108以便接收数据符号。变换器110将数据符号从频域变换为时域中的帧，该帧包括一个或多个OFDM符号。在示例性的实施例中，变换器110采用傅里叶逆变换，诸如离散傅里叶逆变换(IDFT)或者快速傅里叶逆变换(IFFT)。变换器110把数据符号的帧映射到正交频率子载波集合上，其中每个符号被映射至不同的子载波。在示例性的实施例中，变换器110每次采用N个数据符号(其中N是可用频率子载波的数目)来形成由脉冲组成的OFDM符号的帧(例如，TDMA帧)，其表示所有N个数据符号(即，N个载波)的正弦值的和。

反转器112被耦合至变换器110以便接收OFDM符号的帧。反转器112依照预定的反转函数来有选择地反转OFDM符号的帧。在示例性的实施例中，反转器112响应于随机或者伪随机数序列的位、通过有选择地反转OFDM符号的整个帧来有选择地反转所述帧。在可替代的示例性实施例中，所述反转器112响应于伪随机数序列的位、通过有选择地反转帧内的一个或多个单OFDM符号来有选择地反转所述帧。反转器112可以是复用器(未示出)，用于响应于随机或者伪随机数序列的位来传递OFDM符号或者该OFDM符号的反转(诸如通过反转器电路(未示出)反转的)。反转器112可以反转出自变换器110的OFDM符号的脉冲，或者可以反转根据所述脉冲生成的波形。正如此处使用的那样，随机数发生器、随机数序列和随机数通常指的是随机和伪随机信号发生器、序列和数字。

在示例性的实施例中，反转器112被耦合至随机数发生器114。随机数发生器114生成至少基本上均匀分布的随机数或者伪随机数，以便产生由反转器112使用的随机或者伪随机数序列，由此有选择地反转OFDM符号的帧。本领域技术人员根据此处的描述将能够理解适当的随机数发生器。

宽带发射器116被耦合至反转器112。宽带发射器116经由天线118来发射被有选择地反转的OFDM符号的帧。在示例性的实施例中，使用内插函数来平滑由变换器110生成的OFDM符号脉冲，然后将其上变频以便匹配至少部分宽带信号中的频率载波的数目。然后，宽带发射器116把上变频后的OFDM符号脉冲的帧调制为宽带信号的宽带脉冲，诸如UWB信号的UWB脉冲。所述帧的上变频后的OFDM符号脉冲可以被调制到整个宽带信号上的宽带脉冲上，或者被调制到部分宽带信号的宽带脉冲上，诸如多带宽带信号的子带。所述宽带发射器116可以是UWB发射器或者多带UWB发射器。

接收装置104内的宽带接收器120经由另一天线122来接收发射宽带信号，并且处理所述宽带信号以恢复被有选择地反转的OFDM符号脉冲的帧。宽带接收器120内的相关器124使接收数据与发射装置102使用的脉冲形状相关，以便识别宽带信号脉冲并且把它们转换为数字脉冲。在示例性的实施例中，相关器124是匹配滤波器相关器，被配置为识别OFDM宽带信号脉冲(比如OFDM UWB脉冲)的输入帧并且使其相关。宽带接收器120处理相关的OFDM脉冲以恢复被有选择地反转的OFDM符号的帧。所述宽带接收器120可以是UWB接收器或者是多带UWB接收器。

同步器126被耦合至宽带接收器120。同步器126使用于处理的OFDM符号脉冲的帧同步，以恢复原始的源数据。在示例性的实施例中，所述同步器126通过使预定义的报头与接收OFDM信号脉冲相关来识别帧的开始处。当OFDM符号的整个帧被有选择地反转时，同步器126可以进一步确定帧的相关函数是产生最大正值(表明所述帧仍未反转)还是最大负值(表明所述帧已经被反转)。然后，如果确定是最大正值，那么同步器可以生成正值信号，而如果确定是最大负值，则生成负值信号。

反转器^-1128被耦合至同步器126，以接收被有选择反转的OFDM符号的帧。所述反转器^-1128被配置为有选择地反转已被有选择地反转的OFDM符号的帧，以便由反转器112对发射器102中引入的有选择的反转进行逆转，由此恢复时域中的OFDM符号的原始帧。反转器^-1128依照预定义的反转函数来对所述反转进行逆转，该预定义的反转函数是基于反转器112的反转函数的。在示例性的实施例中，反转器^-1128被耦合至随机数发生器130，所述随机数发生器130基本上与上面详细描述的随机数发生器114相同(由此，此处不再详细描述此内容)。所述反转器^-1128可以是复用器(未示出)，用于响应于由随机数发生器130生成的伪随机序列内的单独位来有选择地传递已经被有选择地反转的帧(或者帧内的OFDM符号)，或者是被有选择地反转的帧的反转(或者帧内的单独OFDM符号)，例如由反转器逻辑电路(未示出)所反转的。

两个随机数发生器110和130生成相同的伪随机数序列。对于同步来说，当序列的第一位被发射或者接收时，发生器110和130可以被配置为起始于公共点，例如如同由同步器126所识别的那样。可以预先生成随机数集合并且将其存储在阵列中，而不是当数据就绪发射时(例如，“飞速写入(on the fly)”)才生成伪随机数。相同的阵列被保留在发射装置102和接收装置104中的随机数发生器110、130中。在示例性的实施例中，随机数是作为已存储阵列的索引被生成的，并且被发射以供在发射装置102和接收装置104之间建立同步时使用。

在整个帧被有选择地反转的实施例中，反转器^-1128可以响应于由同步器126识别出的正负最大值来有选择地反转OFDM符号的帧。在示例性的实施例中，当从同步器126接收到负值信号时，反转器-1128反转所述帧，而当从同步器126接收到正值信号时，不反转所述帧。由此，当整个帧被有选择地反转时，随机数发生器130可以省略。这样做允许发射器102中的随机数发生器114是随机数发生器或者伪随机数发生器。

变换器132被耦合至反转器^-1128以接收OFDM符号的原始帧。变换器132把OFDM符号的原始帧从时域变换为频域中的数据符号，该数据符号被发送到发射器102中的变换器110。

解映射器134被耦合至变换器132以便接收数据符号。所述解映射器134被配置为响应于所述数据符号来生成原始的源数据。所述解映射器134可以使用星座解映射方案，作为其非限制性的举例，比如是二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)和正交幅度调制(QAM)。解映射器134可以执行额外的已知功能，比如频域均衡(FEQ)、解交织和维特比译码。

可选解扰器136被耦合至解映射器134，以便接收源数据。在示例性的实施例中，所述解扰器136在同步之后对由扰频器106引入到源数据的扰频进行反转，以得到原始的源数据。解扰器136依照预定义的解扰函数来对扰频进行反转，所述预定义的解扰函数是基于由扰频器106使用的扰频函数的。当省略扰频器106时，可以省略解扰器136。

图2描述了用于发射宽带信号的示例性处理步骤的流程图200，所述宽带信号诸如是减少了离散PSD分量的UWB宽带信号。将参考图1的组件来描述流程图200的步骤。在块202，发射器102接收用于发射的源数据。

在块204，可选扰频器106对所述源数据进行扰频。所述源数据可以包括数据帧，所述数据帧包括有效负荷数据和非有效负荷数据，例如，同步数据。在示例性的实施例中，依照预定的扰频函数例如使用扰频字来对源数据进行扰频。同步数据可以全部是符号1，比如所有都是正(+)1。在可替代的示例性实施例中，如果不对源数据进行扰频，那么可以省略可选扰频器106和块204。

在块206，映射器108响应于所述源数据来生成数据符号。在示例性的实施例中，所述数据符号处于频域，并且是使用BPSK、QPSK、QAM或者其它这种调制方案来根据源数据生成的。

在块208，变换器110把一个或多个数据符号变换为包括一个或多个OFDM符号的帧。变换器110是傅里叶逆变换器，比如IDFT或者IFFT，其用于把处于频域内的数据符号变换为时域中的OFDM符号。在示例性的实施例中，变换器110每次把N个数据符号变换为OFDM符号的帧，其中N是系统中的子载波数目。

在块210，反转器112响应于由随机数发生器114生成的随机或者伪随机数序列而有选择地反转包括一个或多个OFDM符号的帧。在示例性的实施例中，反转器112响应于随机或者伪随机数序列的单独位来有选择地反转OFDM符号的整个帧。在可替代的示例性实施例中，所述反转器112响应于伪随机数序列的信号位而有选择地反转帧内的一个或多个OFDM符号。

在块212，宽带发射器116把被有选择地反转的OFDM符号的帧调制到宽带信号的宽带脉冲上，比如UWB信号的UWB脉冲上。在示例性的实施例中，OFDM符号的帧被调制到至少部分宽带信号内的宽带脉冲上。例如，所述数据符号可以被调制到整个宽带信号上或者多带宽带信号的子带的宽带脉冲上。

在块214，发射器102从天线118发射利用被有选择地反转的OFDM符号的帧调制的宽带信号。

图3描述了依照本发明的用于处理接收宽带信号的示例性步骤的流程图300。将参考图1的组件来描述流程图300的步骤。在块302，接收装置104内的宽带接收器120经由天线122来接收携带被有选择地反转的OFDM符号的帧的发射宽带信号，并且在块304，所述宽带接收器120解调所述宽带信号，以便恢复时域中的被有选择地反转的OFDM符号的帧。

在块306，反转器^-1128通过有选择地反转OFDM符号的帧来对由反转器108引入的反转进行逆转。在示例性的实施例中，所述帧响应于由随机数发生器130生成的伪随机数序列而被有选择地反转，以便恢复OFDM符号的原始帧。所述随机数发生器130可以由同步器126来同步。在可替代的示例性实施例中，其中OFDM符号的整个帧被有选择地反转，那么可以响应于由同步器126在相关性功能期间识别的最小和最大值而有选择地反转所述帧，并且由此可以省略随机数发生器130。

在块308，变换器132把时域中的OFDM符号的帧变换为频域中的一个或多个数据符号。在块310，解映射器134响应于一个或多个数据符号来生成源数据。在示例性的实施例中，所述源数据是通过反转由映射器108使用的BPSK、QPSK、QAM或者其它这种调制方案来根据数据符号生成的。在块312，可选解扰器136反转由可选扰频器106引入的扰频，以便导出原始的源数据。在没有对源数据进行扰频的实施例中，可以省略解扰器136和块312中的步骤。

现在参考图1、2和3为如上所述的示例性通信系统100提供额外的实现细节。下面的分析和模拟表明线谱(即，离散PSD分量)是多带OFDM UWB系统的问题。另外，下面的分析和模拟细节示出了使用本发明可获得的线频谱方面的改进。

现在提供对用于无线系统的当前多带OFDM UWB序列的PSD的分析，所述无线系统诸如是由电气与电子工程师协会(IEEE)提出的IEEE标准802.15.3a中所提议的那些。

在多带OFDM UWB通信系统中，使用数字可控信号，其在多个时钟周期产生随机传输。这种信号传输技术可以如公式1所示那样被建模：

$s\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left\{\underset{k=-\frac{N_s}{2}}{\overset{\frac{N_s}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{n,k+\frac{N_S}{2}}\exp \left(j2\mathrm{\π}(f_n-\frac{k+0.5}{T})(t-n{T}_S)\right)\right\}---\left(1\right)$

f_n∈{f_m∶m＝1，...，M}，nT_s≤t≤nT_s+T

其中T_s等于符号时钟周期或者脉冲速率，n是符号索引，N_s等于符号中的音调或者子载波的数目，t是定时，{d_n，k+Ns/2}是失衡的二进制独立同分布(i.i.d.)随机序列，并且{f_m}是每个子带的中心频率。

如果使用了M个带，并且OFDM符号在子带上依次被发射，那么频带m中的载波k的波形可以如公式(2)中所示那样来表示。

$s_{m,k}\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left\{d_{n,k+\frac{N_s}{2}}\exp \right(j2\mathrm{\π}(f_m-\frac{k+0.5}{T})(t-(\mathrm{nM}+m)T_S)\left)\right\}---\left(2\right)$

1≤m≤M，(nM+m)T_s≤t≤(nM+m)T_s+T

如果对每个载波使用了BPSK调制，那么子带m上的载波k的波形可以如公式3中所示那样来表示。

$S_{m,k}\left(t\right)=A_1\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,m,k}{w}_{m,k}(t-(\mathrm{nM}+m)T_S)---\left(3\right)$

其中A₁是比例系数，

$w_{m,k}\left(t\right)=\cos \left(2\mathrm{\π}(f_m-\frac{k+0.5}{T})t\right)$ ，和

$\mathrm{Pr}\left\{a_{n,m,k}\right\}=\{\begin{array}{cc}p,& a_{n,m,k}=1\\ 1-p,& a_{n,m,k}=-1\end{array}$

对于QPSK调制而言，频带m上的载波k的波形可以如公式4中所示那样来表示。

$S_{m,k}\left(t\right)=A_2\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,m,k}{w}_{m,k}(t-(\mathrm{nM}+m)T_S)---\left(4\right)$

其中A₂是比例系数，并且

$w_{m,k}\left(t\right)\∈\{\cos \left(2\mathrm{\π}(f_m-\frac{k+0.5}{T})t\right)+{\mathrm{\Φ}}_l:l=\mathrm{1,2}|{\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_2|=\mathrm{\π}/4\}$ ，和

$\mathrm{Pr}\left\{a_{n,m,k}\right\}=\{\begin{array}{cc}p,& a_{n,m,k}=1\\ 1-p,& a_{n,m,k}=-1\end{array}$

公式3和4中的信号的PSD均包含连续分量和离散分量，这些在公式5中被分别表示出。

${S^c}_{m,k}\left(f\right)=\frac{1-{(2p-1)}^2}{\mathrm{MTs}}{\left|W_{m,k}\left(f\right)\right|}^2$

${S^d}_{m,k}\left(f\right)=\frac{{(2p-1)}^2}{{\left(\mathrm{MTs}\right)}^2}\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}|W_{m,k}\left(\frac{l}{\mathrm{MTs}}\right){|}^2{\mathrm{\δ}}_D(f-\frac{l}{\mathrm{MTs}})---\left(5\right)$

总PSD是公式5所表示的波形的两个频谱的叠加。

根据公式5，能够看出所述PSD是根据四个因数确定的，即：

·W_m，k(f)-子带m中的载波k的脉冲波形和发射功率；

·T_s-时钟周期或者脉冲速率；

·p-a_n的分布；以及

·M-子带的总数。

当p＝0.5时，因离散分量而引起的每个子带中的线被最小化或者被去除，由此使每个子带的PSD最小化。新的PSD可以如公式6中所示那样被表示。

${S^c}_{m,k}\left(f\right)=\frac{1}{\mathrm{MTs}}|W_{m,k}\left(f\right){|}^2$

${S^d}_{m,k}\left(f\right)=0-\frac{N_S}{2}\≤k\≤\frac{N_s}{2}-1$ 和1≤m≤M    (6)

现在就减少多带UWB信号的离散PSD分量的本发明的各方面提供详细说明。根据先前对多带UWB信号的PSD的分析，提出了有选择性的相位逆转(反转)以便减少/消除因离散PSD分量引起的线频率。

首先，生成随机序列{b_n，m，k}。所述随机序列包括由公式7表示的均匀分布函数。

$\mathrm{Pr}\left\{b_{n,m,k}\right\}=\left\{\begin{array}{cc}0.5,& b_{n,m,k}=1\\ 0.5,& b_{n,m,k}=-1\end{array}\right.---\left(7\right)$

其次，例如如公式8中所示对序列{a_n，m，k}和{b_n，m，k}使用异或(XOR)运算来将数据序列与随机序列组合，以便产生新的序列{c_n，m，k}。然后把新的序列{c_n，m，k}用于发射。

c_n，m，k＝a_n，m，k^b_n，m，k              (8)

此过程减少/消除了每个子带中UWB信号的PSD中的线(即，离散分量)，这相当于最小化了每个子带中的PSD。

现在提供模拟以便表明在没有有选择性的反转的情况下，线频谱仍是多带OFDM系统的问题。所述模拟还表明应用有选择性的反转抑制了线谱，并且减少了多带OFDM UWB信号的PSD。

图4中示出了用于模拟的配置。所述模拟使用已知的周期图PSD估计器来利用所述模拟中使用的仅仅一个子带计算不同UWB信号的PSD。每个OFDM符号均包含由160个采样表示的16个载波，其包括循环前缀，其跟随有零填充的96个采样作为保护时间。一个帧包含256个符号。对帧执行FFT，即，对64K采样执行64K点FFT，以评估PSD。因为单个估计通常在估计量中产生较大偏差，并且联邦通信委员会(FCC)UWB规则对平均PSD设置了限制，所以使用100次运行来平滑最终的PSD估计。

图5至10的图表中示出了所述模拟过程的结果，这些图描述了PSD相对于频率的关系，其中这些图以大写字母A表明使用原始数据生成的PSD，例如{a_n，m，k}，并且这些图以大写字母B表明根据本发明使用有选择性的逆转/反转的数据来生成的PSD，例如{c_n，m，k}。图5A和5B、6A和6B以及7A和7B分别对利用BPSK调制使用多带OFDM处理的具有特殊数据值(例如，值一(1))的0％、25％和40％的源数据提供了PSD比较。图8A和8B、9A和9B以及10A和10B分别对利用QPSK调制使用多带OFDM处理的具有特殊数据值(例如，值一(1))的0％、25％和40％的源数据提供了PSD比较。

这些图表举例说明了在现有的多带OFDM UWB通信系统中：

·如果原始数据{a_n，m，k}没有均匀分布，那么无论使用BPSK还是QPSK，都将出现线频谱500；

·对原始数据执行的选择性相位反转/逆转可以消除/减少频谱线。例如，对于图5至7中所示的BPSK调制而言，PSD的峰值分别从约-4.8dB、-14dB和-23dB减少到约-31dB，并且对于在图8至10中所示的QPSK调制而言，PSD峰值分别从约-7.8dB、-17dB和-26dB减少到约-34dB；并且

·无论原始数据的PSD如何，处理后的数据的PSD相似，即，对于BPSK调制而言是-31dB，而对于QPSK调制而言是-34dB。

现在描述对IEEE 802.15.3a应用的有选择性的反转，其中把有选择性的反转应用于帧，并且将其称为随机帧逆转(RFR)。IEEE802.15.3a标准使用IEEE 802.15.3 MAC，并且最大帧长是2K字节。假定使用了16Mbps的带宽流，那么帧的最小脉冲重复频率(PRF)由公式9表示。

16M/(2K^*8)＝1K    (9)

T_f＝10^-3

因为T_f＜＜1，所以非有效负荷数据将生成离散PSD分量，由此产生强频谱线。表4列出了在T_f＝10^-3的假设下非有效负荷数据对PSD贡献的值，其中Pst是数据流中非有效负荷数据的百分比。表4表明虽然非有效负荷数据只构成帧的较小百分比，但是其对PSD的贡献由于该帧较高的PRF而不能被忽视。如果在恶劣环境下使用较小的帧长来减少帧误码率，那么相同百分比的非有效负荷数据将生成比表4所列更强的谱线以及更多的PSD。

表4

Pst	ΔPSD(dB)
		0.1％	3.01
0.5％	7.78
		1％	10.41
5％	17.07
		10％	20.04

RFR可以减少由未扰频的非有效负荷数据和有效负荷数据生成的离散PSD分量。为简单起见，成帧的数据流可以如公式10所示那样被表示。

$s\left(t\right)=\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=l}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{l.k}w(t-{\mathrm{lT}}_f-{\mathrm{kT}}_P)---\left(10\right)$

其中l和k是帧的索引值和帧内的脉冲的索引值。

为了减少IEEE 802.15.3a系统中的离散PSD分量，首先，利用如公式11中所示的均匀分布函数来生成随机序列{b_n}。

$\mathrm{Pr}\left\{b_n\right\}=\left\{\begin{array}{cc}0.5,& b_n=1\\ 0.5,& b_n=-1\end{array}---\left(11\right)\right.$

其次，把公式12中所示的运算应用于数据和随机序列以便产生新的序列{c_l，k}以供发射。

$c_{l,k}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{l,k},& b_l=1\\ -a_{l,k},& b_l=-1\end{array}\right.---\left(12\right)$

现在提供扰频器模拟。图11描述了用于模拟的配置。在所述配置中，帧速率是128帧/秒，并且一个帧包含256个符号。每个符号具有16个载波，它们来自用于原始多带OFDM UWB系统的128个载波的最初16个载波。有效负荷数据对于扰频器而言全部是“1”，并且不存在非有效负荷数据。图12A和12B中示出了模拟结果，其中图12A描述了使用原始扰频器(例如，具有四个基本上相关的种子的十五位线性反馈移位寄存器(参见表2))的结果，而图12B描述了使用具有通过MATLAB rand()函数生成的四个基本上不相关的种子的十五位线性反馈移位寄存器的结果。所述结果表明具有四个新的不相关种子的扰频器比具有四个原始相关种子的扰频器使PSD减少了约16dB。

如图12B所示，使用具有四个基本上不相关种子的十五位线性反馈移位寄存器仍会存在较强的频谱线。这些线与线性反馈移位寄存器的相对短长度有关。为了进一步减少这些线，可以使用更长的多项式发生器，例如，二十八位线性反馈移位寄存器。图13A中示出了使用原始扰频器、例如具有四个原始相关种子的LFSR-15实现的结果，而图13B中示出了使用具有四个新的基本上不相关的种子的新28位线性反馈移位寄存器实现的结果。图12B和图13B中的结果表明：使用LFSR-28使PSD额外减少了3dB。

现在提供附加的模拟，其中对于扰频器而言，有效负荷数据全部是“1”，并且非有效负荷数据包括约3.1％的帧。图14A示出了由原始扰频器(即，具有四个基本上相关种子的LFSR-15)处理的数据的PSD，而图14B示出了由具有四个基本上不相关种子的LFSR-15和RFR处理的数据的PSD。图15A示出了由原始扰频器(即，具有四个基本上不相关种子的LFSR-15)处理的数据的PSD，而图15B示出了由使用四个基本上不相关种子的LFSR-28并且利用RFR处理的数据的PSD。所述四个基本上不相关的种子是由MATLAB rand()函数生成的。图14B和图15B中的结果表明：新的方案比现有系统明显减少了UWB信号的离散PSD分量，即，分别减少了约34dB和37dB。

所述模拟结果表明：由于离散PSD分量引起的谱线是多带OFDMUWB信号的一个问题。已经描述了这样一种方法和装置，其用于基带处理以便减少/消除谱线，由此减少多带OFDM UWB信号的PSD的峰值。所述模拟结果证实了这些方法和装置在消除多带OFDMUWB信号PSD的离散分量方面的有效性。

虽然已经就具体组件描述了本发明的各组件，但是应该想到的是，一个或多个组件可以在计算机运行的软件中实现。在此实施例中，各种组件的一个或多个功能可以在用于控制计算机的软件中实现。这种软件可以被嵌入在计算机可读载体中，所述计算机可读载体例如是磁盘或光盘、存储卡或音频、无线电频率或光学载波。计算机可以是通用或专用计算机、专用集成电路(ASIC)、状态机或者基本上能够如此处所述那样处理信号的任何装置。

此外，虽然参考特定的实施例图示并且描述了本发明，但是这不意味着把本发明限制为所示出的细节。相反，在不脱离本发明的情况下，可以在细节方面做出各种修改，这些修改都在权利要求书的等效范围内。

Claims (29)

1、一种用于处理在宽带信号上传输的源数据以便使所述宽带信号具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量的方法，所述宽带信号包括宽带信号脉冲，所述方法包括如下步骤：

响应于所述源数据而生成数据符号；

将一个或多个所述数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧；

响应于随机数据序列来有选择地反转所述OFDM符号的帧；以及

利用所述被有选择地反转的OFDM符号的帧来调制所述宽带信号的宽带信号脉冲。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述源数据包括多个位并且所述生成步骤包括如下步骤：

使用(i)二进制相移键控和(ii)正交相移键控中之一来将所述源数据的多个位映射至所述数据符号。

3、如权利要求1所述的方法，其中，所述数据符号处于频域，并且其中所述变换步骤包括如下步骤：

将所述一个或多个数据符号从频域变换到时域，以产生包括所述OFDM符号的所述帧。

4、如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在所述生成步骤之前对所述源数据进行扰频。

5、如权利要求4所述的方法，其中，所述扰频步骤包括如下步骤：

使用利用基本上不相关的种子初始化的线性反馈方案来对所述源数据进行扰频。

6、如权利要求1所述的方法，其中，所述有选择地反转步骤包括如下步骤：

响应于所述随机数据序列，有选择地反转所述帧内一个或多个单独OFDM符号。

7、如权利要求1所述的方法，其中，所述宽带信号是超宽带信号，其包括超宽带信号脉冲，并且其中所述调制步骤包括如下步骤：

利用所述被有选择地反转的OFDM符号的帧来调制所述超宽带信号的超宽带信号脉冲。

8、如权利要求1所述的方法，其中，所述宽带信号是多带宽带信号，其包括宽带信号脉冲，并且其中所述调制步骤包括如下步骤：

利用所述被有选择地反转的OFDM符号的帧来调制与所述多带宽带信号的至少一个子带对应的所述宽带信号脉冲。

9、一种用于处理在宽带信号上传输的源数据以便使所述宽带信号具有减少离散功率谱密度(PSD)分量的装置，所述宽带信号包括宽带信号脉冲，所述装置包括：

映射器，用于响应于所述源数据而生成数据符号；

变换器，其耦合至所述映射器，所述变换器用于将一个或多个数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧；

反转器，其耦合至所述变换器，所述反转器用于有选择地反转所述OFDM符号的帧；以及

宽带发射器，其耦合至所述反转器，所述宽带发射器用于利用被有选择地反转的所述OFDM符号的帧来调制所述宽带信号的宽带信号脉冲。

10、如权利要求9所述的装置，还包括：

扰频器，其耦合至所述映射器，所述扰频器用于在将所述源数据映射到所述数据符号之前，对所述源数据进行扰频。

11、如权利要求10所述的装置，其中，所述扰频器包括：

线性反馈移位寄存器，用于使用种子值来进行初始化；以及

存储器，其耦合至所述线性反馈移位寄存器，所述存储器包括用于初始化所述线性反馈移位寄存器的种子值的集合，其中所述种子值彼此之间基本上不相关。

12、如权利要求9所述的装置，其中，所述宽带发射器是多带宽带发射器。

13、如权利要求9所述的装置，其中，所述宽带发射器是超宽带发射器。

14、如权利要求9所述的装置，其中，所述数据符号处于频域中，并且所述变换器用于将所述数据符号从频域变换为时域中的所述OFDM符号的帧。

15、如权利要求9所述的装置，其中，所述反转器用于有选择地反转所述帧内一个或多个单独OFDM符号。

16、一种用于处理具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量的接收宽带信号以恢复源数据的方法，所述宽带信号包括使用随机数据序列反转的有选择反转的帧，所述帧包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号，所述方法包括如下步骤：

解调所述宽带信号以恢复所述被有选择地反转的OFDM符号的帧；

响应于所述随机数据序列来有选择地反转所述帧，以恢复OFDM符号的原始帧；

将所述OFDM符号的原始帧变换为一个或多个数据符号；并且

响应于所述一个或多个数据符号来生成所述源数据。

17、如权利要求16所述的方法，其中，所述原始帧处于时域中，并且其中所述变换步骤包括如下步骤：

将所述OFDM符号的原始帧从时域变换到频域，以产生所述一个或多个数据符号。

18、如权利要求16所述的方法，其中，所述源数据被扰频，并且其中所述方法包括如下步骤：

对所述源数据进行解扰。

19、如权利要求16所述的方法，其中，所述宽带信号是超宽带信号，并且其中所述解调步骤包括如下步骤：

解调所述超宽带信号以恢复所述被有选择地反转的OFDM符号的帧。

20、如权利要求16所述的方法，其中，所述宽带信号是多带宽带信号，并且其中所述调制步骤包括如下步骤：

解调所述多带宽带信号以恢复所述被有选择地反转的OFDM符号的帧。

21、一种用于处理具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量的接收宽带信号以恢复源数据的装置，所述宽带信号包括使用随机数据序列反转的有选择地反转的帧，所述帧包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号，所述装置包括：

宽带接收器，用于解调所述宽带信号以恢复所述被有选择地反转的OFDM符号的帧；

反转器，其耦合至所述宽带接收器，所述反转器用于使用所述随机数据序列来有选择地反转所述恢复的被有选择地反转的OFDM符号的帧，以恢复所述OFDM符号的原始帧；

变换器，其耦合至所述反转器，所述变换器用于将所述OFDM符号的原始帧变换为一个或多个数据符号；以及

映射器，其耦合至所述变换器，所述映射器用于响应于所述一个或多个数据符号来生成所述源数据。

22、如权利要求21所述的装置，其中，所述源数据被扰频，并且其中所述装置还包括：

解扰器，其耦合至所述映射器，所述解扰器用于对所述源数据进行解扰。

23、如权利要求21所述的装置，其中，所述宽带接收器是多带宽带接收器。

24、如权利要求21所述的装置，其中，所述宽带接收器是超宽带接收器。

25、如权利要求21所述的装置，其中，所述原始帧处于时域中，并且所述变换器用于将所述OFDM符号的原始帧从时域变换为频域中的所述一个或多个数据符号。

26、一种用于处理在宽带信号上传输的源数据以便使所述宽带信号具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量的系统，所述宽带信号包括宽带信号脉冲，所述系统包括：

用于响应于所述源数据而生成数据符号的装置；

用于将一个或多个所述数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧的装置；

用于响应于随机数据序列来有选择地反转所述OFDM符号的帧的装置；以及

用于利用所述被有选择地反转的OFDM符号的帧来调制所述宽带信号的宽带信号脉冲的装置。

27、如权利要求26所述的系统，还包括：

用于在生成步骤之前对所述源数据进行扰频的装置。

28、一种包括软件的计算机可读载体，用于控制计算机执行嵌入在计算机可读介质中的宽带信号处理方法，以处理在所述宽带信号上传输的源数据以便使所述宽带信号具有减少的离散功率谱密度(PSD)分量，所述宽带信号包括宽带信号脉冲，所述处理方法包括如下步骤：

响应于所述源数据而生成数据符号；

将一个或多个所述数据符号变换为包括一个或多个正交频分复用(OFDM)符号的帧；

响应于随机数据序列来有选择地反转所述OFDM符号的帧；并且

利用所述被有选择地反转的OFDM符号的帧来调制所述宽带信号的宽带信号脉冲。

29、如权利要求28所述的计算机可读载体，其中，通过计算机执行的方法还包括如下步骤：

在生成步骤之前对所述源数据进行扰频。

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