CN100359817C - 检测超宽带脉冲序列的方法以及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在Np个时间窗Tf期间以一个Np个脉冲的序列的形式传输数据的方法，每个脉冲都包含在一个时间片断Tc当中，该时间片断在其相关时间窗中的位置由片断号来定义。根据本发明的方法，包括至少一个信号检测步骤，在该信号检测步骤期间，对包括由片断号定义的时间片断的Np个检测窗Dj(j＝1到Np)进行检查，以寻找期望脉冲序列。根据本发明的方法能够限制执行检测步骤所需的处理时间以及处理功率，其仅需要搜索由发射机的识别标志所定义的检测窗，而不用映射整个脉冲序列。

Description

检测超宽带脉冲序列的方法以及检测装置

技术领域

本发明涉及一种在包括至少一个发射机和一个接收机的电信系统中传输数据的方法，所述的收发机用于在Np个时间窗期间传送由至少一个Np个脉冲的序列所构成的信号，所述的每个脉冲包含在一个时间片断当中，该时间片断位于其相关时间窗中的位置由片断号来定义。

背景技术

当前正在研究的这一数据传输方法是为了估算所谓的超宽带电信系统(以后被称为UWB系统)的相关性而对其进行的。在这样的系统中，能够通过由上述的片断号构成的识别标志来识别每个发射机，该识别标志本身非常强健，并因此可以可靠且准确地发送给所有潜在的接收机。

在UWB系统中使用的脉冲非常短，例如具有小于0.1纳秒的持续时间，这就提供了至少10千兆赫的系统带宽，从而提供了高度的灵活性并因此为这种系统带来了多种可能的应用。

上述的信号可以形成一个载波信号，可以通过调制所述的载波信号对其上的信息进行编码，例如，通过执行一个或者多个脉冲序列的相位或者幅度调制。

阻碍该系统的发展的一个主要的问题在于接收机对输入载波信号的检测。在技术的现阶段，经常通过一个波形的滑动模型与接收天线的输出端得出的接收信号进行相关性分析来执行信号的检测，接收信号可以仅由噪声构成，或者可以包括一个输入载波信号，前面所述的波形的滑动模型中的“波形”就是这一载波信号应当具有的波形。

这种滑动相关技术实际上是不能原样照搬地应用到各个都小于0.1ns并且都包含在具有大约100ns的时间窗中的Np个脉冲的序列的检测中的。在这样的一个例子当中，例如Np＝128，采样间隔为10ps，完成脉冲序列的整个持续时间的搜索需要1.28×10⁶个连续的脉冲序列，并且将持续16秒，这是不能接受的。

应当注意，在根据上述的技术执行脉冲序列检测所需的相当长时间之内，发射机和接收机之间的通信条件可能改变，即这些设备之间的通信信道可能改变，例如由于两个设备或者其中之一的移动所造成的改变，因此在单个信号检测步骤期间检测条件就可能改变，这样所述的信号检测步骤可能会对产生结果的精确性方面存在不利影响。在完成检测之前，携带脉冲序列的信号甚至可能消失。

发明内容

本发明通过提供一种如上所述的传输数据的方法来解决上述的问题，该方法包括至少一个信号检测步骤，其可以比目前使用的信号检测技术更为快速地被执行。

实际上，根据开始段落中的用于传输数据的方法，其特征在于根据本发明，其包括至少一个信号检测步骤，在该过程中，检查包括片断号所定义的时间片断的Np个检测窗，以寻找期望脉冲序列。

在根据本发明的检测步骤中，不象现有技术中的滑动相关技术那样，在期望脉冲序列的整个持续时间内穷尽搜索接收到的信号。相反搜索被限制在期望脉冲序列的选定部分。这种限制是根据本发明的检测步骤与现有技术中已知的检测步骤之间的目的差别所造成的。

实际上，由在期望脉冲序列的整个持续时间上进行滑动相关的装置所执行的已知的检测步骤目的在于精确地识别被检测序列的定时，而根据本发明的检测步骤的目的仅仅在于确定一个给定的脉冲序列是否在一个给定的时间间隔内开始。单个序列的整个持续时间可以被逐步搜索，每一步都具有在与上述的相同条件下的10ns的顺序持续时间，这意味着完成Np＝128个脉冲的期望序列的持续时间的搜索将仅需要1.28×10³个连续脉冲序列，并且将持续16毫秒，比根据上述的滑动相关技术小一千倍。

因此本发明能够通过仅搜索发射机的识别标志所定义的搜索检测窗来限制执行检测步骤所需的处理时间和处理能力，所述识别标志被预先传送给接收机。

在脉冲搜索中可以使用各种技术来检查检测窗。

根据本发明的第一实施例，对每个检测窗的检查包括一个检测值的计算，该检测值是由接收信号与一连串Np个期望脉冲形式之间的相关系数在全部检测窗期间的平均值确定的，该检测值将与一个预定的阈值相比较。为方便起见，可以将相关系数值自乘到任何大于1的给定N次幂，以增大检测到具有期望组态的脉冲这一事件的统计相关性。

根据本发明的第二实施例，对每个检测窗的检查包括一个检测值的计算，该检测值是由接收信号与一连串Np个期望脉冲形式之间的相关系数的平方值在全部检测窗期间的平均值确定的，该检测值将与一个预定的阈值进行比较。

如以后将要解释的，平方相关系数值的使用还将使得检测值计算的易于实现。

上述的预定阈值最好与接收信号的幅度无关，从而保证诸如信道衰减的通信条件对于信号检测步骤的结果没有影响。

根据一个涉及硬件的方面，本发明也涉及一种电信系统，包括至少一个收发机和一个接收机，所述的发射机用于在Np个时间窗期间发射由至少一个Np个脉冲的序列构成的信号，每个脉冲都包含在一个时间片断内，时间片断在相关时间窗内的位置由一个片断号所表示，在该系统中，接收机包括一个信号检测装置，该装置用于执行对包括由片断号所表示的时间片断的Np个检测窗的检查，以寻找一个期望的脉冲序列。

根据该系统的第一实施例，检测装置包括计算装置，用于计算由接收信号与一系列Np个期望脉冲形式之间的相关系数在全部检测窗期间的平均值所定义的检测值，以及比较装置，用于比较所述的检测值和一个预定的阈值。

根据该系统的第二实施例，检测装置包括计算装置，用于计算由接收信号和一系列Np期望脉冲之间的相关系数的平方值在全部检测窗期间的平均值所定义的检测值，以及比较装置，用于比较所述的检测置与一个预定的阈值。

根据该系统的一个优选实施例，计算装置包括：

·至少一个带通滤波器，用于向其馈入由接收机接收到的信号，

·一个采样模块，该采样模块在检测窗期间得以激活，并且将由带通滤波器得出的信号转换成一串数字采样，

·存储装置，该存储装置用于存储由采样模块得出的连续的多个采样串，

·一个加法器，用于得出一连串经累加的采样，每个经累加的采样是由存储在存储装置中的多个采样串中具有同一次序的所有采样的总和得出的，和

·一个积分器，用于计算由加法器得出的经累加的采样在全部检测窗期间的均方值，该均方值将构成检测值。

根据涉及硬件的另一方面，本发明也涉及一种用于在Np个时间窗期间接收由至少一个Np个脉冲的序列所构成的信号的设备，每个脉冲都包含在一个时间片断内，时间片断在其相关时间窗中的位置由一个片断号所定义，该接收机包括信号检测装置，用于执行对包括片断号所定义的时间片断的Np个检测窗的检查，以寻找期望脉冲序列。

包含在这种接收机中的检测装置能够根据本发明的上述实施例执行信号检测步骤。

附图说明

上述涉及的本发明的特征，以及其它的特征将通过阅读下面参照附加的附图进行的描述中变得更为清楚明了。

附图1是描述使用了本发明的电信系统的功能方框图；

附图2是描述构成在这种电信系统中传输的载波信号的脉冲序列的时序图；

附图3是描述可以用于产生这种序列的脉冲模型的时序图；

附图4是描述包括多个脉冲序列的数据帧的时序图；

附图5是描述根据本发明的信号检测步骤的时序图；以及

附图6是描述根据本发明的一个优选实施例的检测装置的方框图。

具体实施方式

附图1描述了一种电信系统SYST，其中包含本发明。该系统SYST包括至少一个发射设备TRD以及一个接收设备RCD，其可以例如由移动电话所构成。发射设备TRD用于在Np个时间窗期间传送由至少一个Np个脉冲pj(j＝1到Np)的序列构成的信号Csg，每个脉冲都包含在一个时间片断内，时间片断在其相关时间窗中的位置由片断号cj(j＝1到Np)所定义。

接收机REC具有一个检测装置DET，用于检测这种输入信号Csg。

信号Csg可以构成一个载波信号，发射设备TRD可以通过调制所述的载波信号Csg将信号编码于其上，例如通过执行一个或者多个脉冲序列的相位或者幅度调制。

附图2以时序图的形式描述了这种载波信号Csg，根据该时序图，每个脉冲序列的总的持续时间Tp被分成分别具有持续时间为Tf的时间窗，每个时间窗被再分为时间片断Tc，每个窗中的单独的时间片断包括一个脉冲pj(j＝1到Np)，时间片断通过片断号cj识别。这种载波信号Csg的发射机通过上述所有的片断号cj(i＝1到Np)联合构成的识别标志Sg＝(c1，c2...cp)进行识别，识别标志Sg本身非常强健，因此可以可靠且准确地发送给所有的潜在接收机。

附图3是描述可以选择用于构成上述脉冲的可能形状p(t)的另一个时序图。在所描述的实施例当中，脉冲p(t)被定义为高斯函数的二阶导数，可被数学表示为p(t)＝A.[1-4π(t/Tw)²].exp(-2π(t/Tw)²)。本领域技术人员已知的其它形状的脉冲当然也可以用于该目的。

附图4是描述由例如上述的连续脉冲序列构成的数据帧DF的另一个时序图，每帧都具有一个总的持续时间Tp，在两个这样的序列之间周期性地插入一个保护间隔GI，从而防止被下一个给定序列改变，改变可能是由于例如所述的脉冲序列之间的互调分量造成。该数据帧DF由具有一个持续时间为Tr的连续帧构成，其中Tr＝Tp+GI，并且包括每一个如上所述的脉冲序列。

用于接收数据帧DF的设备必须能够检测给定的时间间隔ΔT过程中的如上所述的脉冲序列的开头。

附图5描述了用于接收该序列的设备如何有利地检测此类脉冲序列。根据本发明，这种设备将执行信号检测步骤DET，在其过程中，将检查包括片断号所定义的时间片断的Np个检测窗Dj(j＝1到Np)，以寻找属于一个期望的脉冲序列的脉冲，在附图中该脉冲用虚线表示。每个检测窗Dj(j＝1到Np)宽于一个单独时间片断的持续时间Tc，并且具有持续时间ΔT，这意谓着，执行这里所表示的DET的检测步骤有助于为接收装置解决在下述过程中所存在的问题：确定是否在已知的识别标志引导下进行传送并且规定为由所述设备接收的脉冲序列已经在时间间隔ΔT(m)期间开始与否。

根据本发明的方法，在寻找期望的脉冲过程中，仅需要搜索选定的中心位于时刻tj(j＝1到Np)时间窗Dj(m)，这些时刻tj是由它们各自相应的片断号定义的。

这使得能够在一个简单的步骤当中判断给定的脉冲序列是否在一个给定的时间间隔ΔT内开始，而在已知的检测技术当中，仅仅在执行了众多的初等相关性分析从而实现了所述给定序列的整个持续时间Tp的彻底搜索之后才能建立这样的效果。

在该图中也还表示出了执行中心位于给定时刻tj并且是由分别等于tj-ΔT/2和tj+ΔT/2的上下边界限定出来的检测窗Dj(m)的搜索的一种可行的方法。在该实施例中，计算在所有检测窗上接收信号与一系列Np个期望脉冲Epj之间的相关系数的平均值所定义的检测值。然后该检测值将与一个预定的阈值相比较。

这个检测值的计算是这样进行的：将代表各个期望脉冲的一连串Np个图形Epj从所有被搜索的检测窗Dj的下边界tj-ΔT/2向上边界tj+ΔT/2连续移动一个量ε，并对每个ε值计算代表所述一连串Np个图形Epj的向量与代表接收信号的向量之间的标量积，并且累加连续计算出来的这种标量积的值，这样就构成了接收信号与一连串Np个期望脉冲形式Epj之间的相关系数。

最好对这个相关系数求平方，以相对于噪声波峰Fp可能产生上述标量积的有效值这种异常事件，强调所接收的脉冲Rp确实存在于检测窗Dj中，这一噪声波峰的幅度低于实际接收到的脉冲Rp的幅度。

发明人进一步发现平方相关系数值的使用还能够简化检测步骤的执行，下面将进行解释。

如果所述的平方相关系数表示为(y|s(.-ε))²，其中s和y是分别表示期望信号s(t)和接收信号y(t)的矢量。相应的检测值可以表示为下面给出的二次型：

$Q\left(y\right)=\underset{\mathrm{\ϵ}}{E}\left\{y\right|s{(.-\mathrm{\ϵ}))}^2\}$

如果Q(y)超过了一个预定的阈值Tv，接收的信号y(t)将被认为相应于状态H1，其中y(t)＝A.s(t-ε)+n(t)，t属于[-ΔT/2；Tp+ΔT/2]，如果Q(y)＜Tv，接收信号y(t)将被认为与状态HO相应，其中y(t)＝n(t)，这里n(t)由噪声构成。

预定的阈值Tv根据表示为Pfa的选定误判概率而定义，该Pfa是针对在处于状态HO时出现Q(y)＞Tv的可能性的最高可能值，y(t)于是表示为y(t)＝n(t)，其使得阈值Tv与期望或者接收信号的幅度无关。

发明人已经发现上述的二次型可以简化，从而简化它的执行。实际上，通过观察y|s(.-ε)＝^Ty.s(.-ε)＝^Ts(.-ε).y，其中y和s是列矩阵，^Ty是列矩阵y的转置行矩阵，Q(y)可以以Q(y)＝^Ty.Q.y的形式被重写，其中Q是其元素与y的元素无关的矩阵。

发明人也发现矩阵Q非常的空，可以表示为下列的形式

$Q=\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 0& 0& 0\\ 0& M& & M& 0\\ 0& & & & 0\\ 0& M& & M& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

其中M是可以根据期望脉冲p(t)的形状单独计算的一个子矩阵，矩阵Q中的每个子矩阵M的位置由上述的检测窗口Dj的位置定义，即每个子矩阵M的中心位于矩阵Q的点a_1，m上，其在该矩阵中的坐标是(t1；tm)，1和m＝1到Np。

如果每个脉冲p(t)如图3所述，每个子矩阵M可以用例如 $M=\underset{\mathrm{\ϵ}}{E}\left\{{(\mathrm{Tw}/2)}^{2}p{(.-\mathrm{\ϵ}).}^{T}p(.-\mathrm{\ϵ})\right\}$ 定义。

本发明人发现，通过实施高斯变形，上述的二次型Q(y)的表达式可以整理为：

$Q\left(y\right)=\underset{\mathrm{DNp}}{\∫}{(H*y)}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中符号*表示卷积运算，并且 $H=\left(\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Np}-\mathrm{tj}}\right)*h$

其中h是用于馈入接收信号y(t)的带通滤波器的传递函数，这个带通滤波器的传递函数h将连续地延迟tNp-tj，这个带通滤波器的脉冲响应是根据上述矩阵M确定的并且覆盖了期望脉冲p(t)的整个宽度Tw。

这样，二次型Q(y)可整理为：

$Q\left(y\right)=\underset{-\mathrm{\ΔT}/2}{\overset{\mathrm{\ΔT}/2}{\∫}}{[\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_{-\mathrm{tj}}*\mathrm{\υ}{|}_{\mathrm{Dj}}]}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中υ(t)＝h*y(t)，υ|_Dj表示信号υ(t)对检测窗Dj的限制条件。

表达式

可以解释为代表带通滤波器的输出信号的Np个小段的同相和，这些小段位于检测窗Dj的中央。

为了计算这一同相和，可以采样出Np个小段，然后将其存储在存储装置当中，然后通过将同一次序的所有采样相加计算同相和，在需要对所述采样进行预处理的情况下，将同一次序的经过重新计算的采样相加来计算同相和。

附图6描述了检测装置DET的一个实施例，其中计算装置CP执行上述的原则。根据该实施例，计算装置CP包括：

·至少一个带通滤波器BPF，用于向其馈入由接收机接收到的信号Y，

·一个通过时钟信号Ck进行同步的采样模块SMP，这个采样模块SMP在检测窗Dj(j＝1到Np)期间得以激活，并且将由带通滤波器BPF得出的信号转换成S个数字采样的各种串SDSj，

·存储装置MEM，该存储装置用于存储由采样模块SMP得出的S个采样的连续串SDSj(j＝1到Np)，

·一个加法器ADD，用于得出一连串S个经累加的采样，每个经累加的采样是由存储在存储装置MEM中的S个采样的多个串SDSj(j＝1到Np)中具有同一次序Rk1(1＝1到S)的所有采样的总和得出的，以及

·一个积分器INT，用于计算由加法器ADD得出的S个经累加的采样在全部检测窗期间的均方值，该均方值将构成检测值Dv，该检测值用于由比较装置CM与一个预定的阈值Tv进行比较。

这种实现方案相当简单并且可以以较低的成本实现。如果接收信号Y的带宽过大以致无法作为整体由一个单独的带通滤波器PBF进行处理，则所述滤波器可以由多个并联排列并且覆盖接收信号Y的带宽的每个子分割的较窄的带通滤波器构成。

Claims (1)

1.一种包括至少一个发射机和一个接收机的电信系统，所述的发射机用于在Np个时间窗期间传输由至少一个Np个脉冲的序列所构成的信号，每个脉冲都包含在一个时间片断当中，该时间片断在其相关时间窗中的位置由片断号来定义，在该系统中，接收机包括信号检测装置，用于对包括由片断号定义的时间片断的Np个检测窗进行检查，以寻找期望脉冲序列，所述信号检测装置包括计算装置，所述计算装置包括：

·至少一个带通滤波器，用于向其馈入由接收机接收到的信号，

·一个采样模块，该采样模块在检测窗期间得以激活，并且将由带通滤波器得出的信号转换成一串数字采样，

·存储装置，该存储装置用于存储由采样模块得出的连续的多个采样串，

·一个加法器，用于得出一连串经累加的采样，每个经累加的采样是由存储在存储装置中的多个采样串中具有同一次序的所有采样的总和得出的，和

·一个积分器，用于计算由加法器得出的经累加的采样在全部检测窗期间的均方值，该均方值将构成检测值。

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