CN100409586C - 检测超宽带脉冲序列的方法以及模拟检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在Np个时间窗Tf期间以至少一个Np个脉冲的序列形式传输数据的方法，每个脉冲都包含在一个时间片断Tc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能量，其仅需要搜索由发射机的识别标志定义的检测窗，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模拟检测装置

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研究的。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。在技术的现阶段当中，经常通过使用一个波形的滑动模型对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，例如由于一个或者两个设备的移动所造成的改变，因此单个的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，检测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，完全搜索接收到的信号。相反搜索限制在期望脉冲序列的选定区域。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的识别检测序列的定时，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，所述识别标志预先传送给接收机。

在脉冲搜索中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次方，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相比较。

以后将要解释，平方相关系数值的使用还将允许检测值计算的简单实现。

上述的预定阈值最好独立于接收信号的幅度，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。

根据其面向硬件的方面，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上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：

.多个相关性分析模块，每个相关性分析模块将会在Np个检测窗期间得以激活并且用于计算在所述检测窗期间由接收机接收到的信号和一个与所述相关性分析模块有关的特征信号之间的相关系数，

.多个累加模块，每个累加模块用于对由所述相关性分析模块之一得出的输出值进行累加，

.多个求平方模块，每个求平方模块用于产生所述累加模块之一的内容的平方值，和

.一个加法器，用于计算由求平方模块得出的输出值的总和，以产生检测值，该检测值将与预定的阈值进行比较。

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个的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该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，其中实现了本发明。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的方式将信号编码于其上，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...cNp)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同一目的。

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，改变可能由于，例如所述的脉冲序列之间的互调分量造成的。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，在该附图中脉冲用虚线表示。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，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的穷尽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的搜索的一种可行的方法。在该实施例中，计算所有检测窗的接收信号与一系列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中这一事件，此类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述给出的二次型：

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

如果Q(y)超过了一个预定的阈值(标记为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H0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的选定误判概率定义，该Pfa是针对在处于状态H0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是单独根据期望脉冲p(t)的形状就可以计算的一个子矩阵，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集的中心在矩阵Q的点a_1，r上，其在该矩阵中的坐标是(t1；tr)，1和r＝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。

发明人还发现，每个子矩阵M可以被写成具有由与每个特征值Vi(i＝1到k)相应的特征值形成的对角元素的对角矩阵的形式，上述的二次型Q(y)的表达式可以改写为：

$Q\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Np}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{Dj}}{\∫}\mathrm{Vi}(t-\mathrm{tj})y\left(t\right)\mathrm{dt}\right)}^2$

这可以通过将接收信号y(t)传送到k个相关性分析模块来实现，在Np个检测窗的过程中激活每个相关性分析模块，并且在所述的窗计算接收信号y(t)与表示与所述的相关性分析模块相关的特征值Vi的特征信号之间的相关系数，然后累加所述的相关性分析模块输出的值，并且在将它们相加之前平方，从而产生一个值Q(y)，形成将与一个预定的阈值p相比较的检测值。

附图6描述了检测装置DET的一个实施例，其中通过计算装置CP计算上述的二次型Q(y)，从而产生一个检测值Dv，比较装置CM将该值与一个预定的阈值相比较，比较装置可以由一个用于传送一个双态输出信号OS的简单的运算放大器构成，输出信号OS的值将确定一个输入的脉冲是否被检测到。计算装置CP将在连续的检测窗Dj的过程借助使能信号EN被激活，计算装置CP包括：

.多个相关性分析模块CRMi(i＝1到k)，每个相关性分析模块将会在Np个检测窗期间得以激活并且用于计算在所述检测窗期间由接收机接收到的信号Y和标识与所述相关性分析模块CRMi有关的特征向量Vi的特征信号之间的相关系数，

.多个累积模块ACMi(i＝1到k)，每个累加模块用于对由所述相关性分析模块CRMi之一得出的输出值进行累加，

.多个求平方模块SQMi(i＝1到k)，每个求平方模块用于产生所述累加模块ACMi之一的内容的平方值，以及

.一个加法器ADD，用于计算由求平方模块SQMi得出的输出值的总和，以产生检测值Dv，该值将与预定的阈值Tv相比较。

这种实现方案非常简单并且可以以较低的成本实现。而且所有的上述模块都可以由模拟电路构成。与吉尔伯特单元(Gi1bert cell)相关的整流滤波器可以例如有利地构成每个相关性分析模块，平方模块可以由馈入相同的输入信号的吉尔伯特单元构成，等。我们已知模拟电路具有高速的处理速度并且不需要任何采样，这将进一步降低根据本发明的该实施例执行信号检测步骤所需的处理能量和时间。

Claims (9)

1. 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，其特征在于每个发射机由一组Np个片断号联合构成的识别标志来识别，所述的发射机用于在Np个时间窗期间传输由一个Np个脉冲的序列所构成的信号，每个时间窗细分为时间片断，所述Np个脉冲的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所述发射机的识别标志中的片断号之一来定义，该方法包括一个信号检测步骤，所述信号检测步骤由以下步骤组成：

确定步骤，用以根据一个期望识别标志的一组片断号来确定Np个检测窗，每个检测窗包括由所述发射机之一传输的接收信号的一个时间片断，

检查步骤，用以检查所述Np个检测窗来寻找用以构成所述期望识别标志的Np个脉冲的序列，该检查是通过接收信号和一连串Np个期望脉冲形式之间的相关系数在全部检测窗口期间计算一个检测值来进行的，以及

用以比较这样的检测值和预定阈值的步骤。

2. 根据权利要求1所述的方法，根据该方法，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。

3. 根据权利要求1所述的方法，根据该方法，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。

4. 根据权利要求2或者3中的任何一个所述的方法，根据该方法，预定的阈值与接收信号的幅度无关。

5. 一种包括至少一个发射机和一个接收机的电信系统，其特征在于每个发射机由一组Np个片断号联合构成的识别标志来识别，所述的发射机用于在Np个时间窗期间传输由一个Np个脉冲的序列所构成的信号，每个时间窗细分为时间片断，所述Np个脉冲的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所述发射机的识别标志中的片断号之一来定义，该接收机包括信号检测装置，用于根据一个期望识别标志的一组片断号来确定Np个检测窗，每个检测窗包括由所述发射机之一传输的接收信号的一个时间片断，而且，信号检测装置用于检查所述Np个检测窗来寻找用以构成所述期望识别标志的Np个脉冲的序列，该检查是通过接收信号和一连串Np个期望脉冲形式之间的相关系数在全部检测窗口期间计算一个检测值来进行的，此外，所述信号检测装置包括比较装置，用以比较所述检测值和预定阈值。

6. 根据权利要求5所述的一种电信系统，其中所述信号检测装置包括计算装置，所述计算装置用于把该检测值计算为接收信号与一连串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。

7. 根据权利要求5所述的一种电信系统，其中所述信号检测装置包括计算装置，所述计算装置用于把该检测值计算为接收信号与一连串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。

8. 根据权利要求7所述的一种电信系统，其中计算装置包括：

多个相关性分析模块，每个相关性分析模块将会在Np个检测窗期间得以激活并且用于计算在所述检测窗期间由接收机接收到的信号和一个与所述相关性分析模块有关的特征信号之间的相关系数，

多个累加模块，每个累加模块用于对由所述相关性分析模块之一得出的输出值进行累加，

多个求平方模块，每个求平方模块用于产生所述累加模块之一的内容的平方值，和

一个加法器，用于计算由求平方模块得出的输出值的总和，以产生检测值，该检测值将与预定的阈值进行比较。

9. 一种用于在Np个时间窗期间接收由一个Np个脉冲的序列所构成的信号的设备，其中每个时间窗细分为时间片断，所述Np个脉冲的每个脉冲都包含在一个时间片断中，该时间片断在其相关时间窗中的位置由一个发射机的识别标志中的片断号之一来定义，所述设备包括信号检测装置，用于根据一个期望识别标志的一组片断号来确定Np个检测窗，每个检测窗包括由所述发射机之一传输的接收信号的一个时间片断，信号检测装置还用于检查所述Np个检测窗来寻找用以构成所述期望识别标志的Np个脉冲的序列，该检查是通过接收信号和一连串Np个期望脉冲形式之间的相关系数在全部检测窗口期间计算一个检测值来进行的，而且，所述信号检测装置还包括用于比较所述检测值和预定阈值的比较装置。

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