CN101073065A - 多频带超宽带通信中的增强解码方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种数据发送和接收方法，包括：发送多个位置数据比特，并随同各脉冲发送幅度比特。该方法还包括：对位置比特和幅度比特进行解码。本发明还描述一种超宽带(UWB)系统。

Description

多频带超宽带通信中的增强解码方法和装置

技术背景

超宽带(UWB)通信涉及占用大量带宽的信号传输。在UWB系统中，调制信号要么作为基带脉冲进行传输(无载波的传输)，要么上变频(混频)到特定的载波频率。很多UWB应用局限于雷达和军事通信。但是，由于UWB技术具有用于高数据速率、短距离通信的潜力，联邦通信委员会(FCC)为无许可证的设备提供了从3.1 GHz到10.6 GHz的频带。

UWB通信系统在上述传输距离内传输持续时间很短的数据脉冲。应当理解的是，由于脉冲在时域中的持续时间较短，所以频率分量的个数是相当大的。这样，信号的频带就会比较宽。相应地，设计良好的UWB系统能在较短时间内传输相当大量的数据，从而使UWB系统对高数据速率应用颇具吸引力。

虽然潜力甚佳，但现有的UWB系统却有一些问题。例如，在一种UWB系统中，短持续时间(量级通常是psec)的脉冲是以预期速率传输的。该脉冲是用编码数据进行调制的。如果脉冲重复率小，则脉冲间距很大。这在多径信道中是不利的，因为接收机能分解出不同的多径分量。但是，为了实现高数据速率，必须增加重复率。由于实现方面的约束，速率无法高于某一限度。

此外，在现有的单频带UWB系统中，由于信号占用了大量的带宽，所以任何带内干扰都必须用带阻滤波器来减轻。这会增加设备的成本。为了克服单频带系统的一些缺点，近年来提出了多频带系统。

在多频带脉冲UWB系统中，数据调制到脉冲上，然后在时间交织的不同频带中传输。这些频带大约都是500MHz宽，因而在分配的频谱范围内最多可以使用14个频带。与单频带系统相比，多频带系统可以灵活地根据干扰情形和数据速率需求加/减频带。

多频带脉冲UWB系统用于传输短持续时间脉冲是很有益的，提供了较宽的频带来发送数据。但是，随着传输速率的增加，传输出错的可能性也在增加。为了降低数据传输中的传输差错，已经提出了很多数据编码和解码方案。这些编码和解码方案常被称为前向纠错(FEC)方案，改善了信道容量和数据传输的可靠性。FEC方案为传输信号提供冗余信息。这被称为信道编码。

一种常用的信道编码技术是卷积编码。卷积编码的操作对象是串行数据，对数据进行编码以进行传输。在接收机一端，采用多种方法对收到的编码数据进行解码，以恢复出信息序列。一种这样的解码方案是Viterbi解码。

虽然现有的编码方案是有益的，但是解码数据的可靠性还有待增强。

发明内容

一种数据发送和接收方法，包括：发送多个位置数据比特，并随同所述各位置数据比特发送多个幅度数据比特；对所述位置数据比特和所述幅度数据比特进行解码。

一种超宽带(UWB)系统(400)，包括：匹配滤波器/相关器(403)，其向解映射器/卷积解码器(406)提供有关多个位置数据比特的信息和有关多个幅度数据比特的信息，所述解映射器/卷积解码器(406)对所述位置数据比特和所述幅度数据比特进行解码。

附图说明

结合附图阅读以下的详细描述，可以更好地理解范例性的实施例。需要强调的是，不同的特征不一定是按比例画出的，实际上，为了清楚说明起见，可以任意增加或者缩减尺寸。

图1是根据一个范例性实施例的时间-频率交织的5频带UWB系统的示意图。

图2是根据一个范例性实施例的脉冲传输、重复和持续时间的时序图。

图3是根据一个范例性实施例的编码/解码方法中使用的映射表。

图4是根据一个范例性实施例的多频带UWB接收机的示意性框图。

图5是在根据一个范例性实施例的接收机中进行解调和相关之后的接收数据的图示。

图6是根据一个范例性实施例的UWB系统的示意图。

具体实施方式

在以下的详细描述中，出于说明目的而不是限制目的，给出了公开具体细节的示例性实施例，以便使大家透彻理解这些示例性实施例。但是，对于本领域普通技术人员来说，通过阅读当前公开的内容，不脱离这里公开的具体细节的其它实施例也是显而易见的。此外，为了使实施例的描述重点突出、主次分明，众所周知的设备、部件、方法和系统在这里不再赘述。但是，依据这些示例性的实施例，本领域普通技术人员可使用这些设备、方法、系统和协议。最后，无论在哪里使用，相同的标记都表示相同的特征。

简而言之，这些示例性实施例涉及通信系统中的前向纠错方法和装置。这些前向纠错方法包括：在回溯(trace-back)操作中使用幅度数据比特或符号比特，以便改善传输数据的可靠性(改善体现在比特差错率(BER))。例如，卷积编码器将一个比特编成两个比特。编码后的比特和一个幅度比特用于调制脉冲。

接收机对脉冲进行解调，并将有关位置比特和符号比特的信息输入解码器。这样，与仅仅使用位置比特信息的编码/解码方法相比，数据的可靠性就提高了，增益的提高量级为大约1.5 dB到大约2.0dB。

应当注意的是，这些示例性实施例是围绕着UWB无线通信及其相关部件展开描述的。应当强调的是，这些示例性实施例的方法和装置的应用仅仅出于说明目的。显然，这些示例性实施例的方法和装置还可以用其它通信应用来实现。此外，所描述的调制和编码技术也是用来说明这些示例性实施例的。例如，编码是Viterbi型编码/调制。但是，也可以使用其它网格编码调制(TCM)。当然，其它编码调制技术对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。可以依据这些示例性实施例使用这些技术。

图1是根据一个范例性实施例的时间-频率交织的多频带UWB系统100的示意图。在该范例性实施例中，在第一时隙期间，在频带F₁101中发送数据调制脉冲。同样，在第二时隙期间，在频带F₃ 102中发送调制脉冲；在第三时隙期间，在频带F₅ 103中发送调制脉冲；在第四时隙期间，在频带F₄ 104中发送调制脉冲；在第五时隙期间，在频带F₂中发送调制脉冲。可以看出，这种处理会重复下去，即，在频带F₁106中发送另一调制脉冲。

如上所述，为了提高系统的数据速率，提高脉冲重复率是有用的。此外，通过增加每一脉冲发送的比特数来提高数据速率是有用的。这可以通过使用在本领域中众所周知的幅度调制和/或位置调制技术来实现。在多频带UWB系统中将脉冲幅度调制(PAM)和脉冲位置调制(PPM)相组合的系统对于提高信道的吞吐量是非常合乎需要的。在PPM-PAM系统中，一些比特用于调制脉冲的位置，而剩余的比特用于调制脉冲的幅度。这可通过参阅图2而获知，图2是4 PPM/二进制相移键控(BPSK)调制UWB系统的时序图。

在BPSK调制脉冲中，每个脉冲仅携带一个幅度比特。因此，幅度的符号给出了有关比特的信息。因此，可以将BPSK调制脉冲的幅度比特称为符号比特。相比而言，在4-PAM调制脉冲中，每个脉冲携带两个幅度比特。这将导致脉冲采用四个等级。因此，在接收机处，必须确定幅度，从而确定出两个发射的比特。

在第一时隙202期间发送用第一频带F₁调制的脉冲201。脉冲201的脉冲持续时间T_p如图所示。同样，在第二时隙204期间发送用第三频带F₃调制的脉冲203；在第三时隙206期间发送用第五频带F₅调制的脉冲205；在第四时隙204期间发送用第四频带F₄调制的脉冲207；在第五时隙209期间发送用第二频带F₂调制的脉冲208；并且，重复这种处理下去，即，在该序列的第一时隙中发送用第一频带F₁调制的脉冲211。

根据设计需要，PPM偏移T_c可以小于脉冲持续时间T_p或大于脉冲持续时间。PPM偏移会影响接收机的性能。例如，如果基于相关性的接收机用于解调脉冲201、203、205、207、209和211的数据，则幅度比特和PPM比特的性能取决于该偏移。如果偏移持续时间大于脉冲持续时间，则PPM比特的性能优于幅度比特的性能。如果偏移持续时间小于脉冲持续时间，则幅度比特的性能优于PPM比特的性能。

在接收机处，相关器计算接收脉冲与所有可能位置的相关性。如果在不同的脉冲位置之间不存在交迭(即，偏移持续时间大于脉冲持续时间)，则相关值是不同的(假设空信道)。对应于发送脉冲的位置的相关值将基本上处于最大值，而剩余的相关值将相对较小。

但是，当在不同的脉冲位置之间存在交迭时，邻近位置对任何脉冲位置的相关性都有一定的影响。因此，在这种情况下的位置信息不如在另一情况下的位置信息可靠。

对于幅度比特，在偏移持续时间大于脉冲宽度的情况下，积分时间大于其它情形。这将导致产生更多的噪声，因此，性能比其它情形稍差。

通常，PPM偏移持续时间小于脉冲持续时间，以避免多径干扰。如上所述，在这一示例中，幅度比特比位置比特更加强健。为了提高位置比特的性能并使其性能与幅度比特的性能一样，可以对PPM比特使用信道编码。

如上所述，一种编码信道的方法是使用卷积编码器或基于网格的类似编码方案。在这里描述的范例性实施例中，结合网格编码/解码使用的调制方案是4-PPM/BPSK系统，它作为PPM-PAM调制系统的示例。再次需要强调的是，这仅仅是示例性的，并且，也可以使用幅度调制与m元PPM调制方案的其它类型以及组合。

4-PPM/BPSK系统将信息比特分成PPM比特和幅度/符号比特。然后，使用卷积编码器对PPM比特进行编码。众所周知，通常用两个参数描述卷积编码器：编码速率和约束长度。可以将编码长度k/n表示为进入卷积编码器的比特数与编码器在给定循环中输出的信道信号数之比。例如，将接收1比特和输出2个信道信号的卷积编码器称为速率为二分之一(1/2)的卷积编码器。

约束长度参数K表示卷积编码器的长度。也就是说，约束长度参数表示有多少级可供反馈给生成输出符号的组合逻辑。最后，与K密切相关的参数(m)是在输入比特首先出现在编码器的输入端之后保留该输入比特并将其用于进行编码的编码器循环次数。这通常被称为编码器的存储器。

在本发明的示例性实施例中，卷积编码器是速率为1/2的卷积编码器。可以根据性能要求选择编码器的约束长度。一种指明编码器性能的方法是使用给定信号噪声比(SNR)的比特差错率(BER)。例如，如果一个编码器在SNR＝5 dB时给出BER＝0.0001，而在相同的SNR时给出的BER为0.001，那么，从性能角度看，第一编码器是有利的。但是，这种性能通常是以附加的复杂性/硬件为代价的，这里仅仅列举了影响成本的一些因素。因此，当选择编码器时，需要考虑许多因素。

然后，卷积编码器的输出通过格雷编码器，格雷编码器将两个比特映射到四个位置中之一，如图3的表1所示。可以通过参阅图2和图3而获知这种映射。例如，考虑第一时隙202。将位置比特编码成两个编码比特‘11’，当进行格雷编码时，它会产生表1中的‘2’。因此，将在位置2中发送脉冲。同样，在这种情况下，符号/幅度比特为1；因此，发送带有正幅度的脉冲。

位置决定了脉冲位置的相对偏移。然后，将映射器的输出发送到PPM调制器，其中，它用于偏移脉冲的位置。然后，脉冲乘以BPSK调制符号比特。这种系统的有效速率为2/3，因为两个信息比特被编码成三个数据比特：两个位置比特(b₀，b₁)和一个符号或幅度比特(b₂)。

将PPM调制器的输出混频到特定频率，并使用众所周知的传输技术和设备进行发送。将频带的次序预先确定好(例如，图1的次序)，并且，在传输的持续时间内不改变次序。发射信号可以表示为：

$s\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n}p(t-n{T}_b-c_n{T}_c)\cos \left(w_{0}t\right)---\left(1\right)$

其中：p(t)是基本脉冲；T_b是脉冲重复周期；T_c是最小偏移持续时间；a_n是根据符号比特导出的(如果符号比特＝1，则a_n＝1；如果符号比特＝0，则a_n＝-1)；c_n是偏移量，且是根据编码比特导出的。(图3的表1)

对于4-PPM调制来说，c_n＝0、1、2或3，并且，

是每隔T_b而改变的载波频率。从子集{F₁、F₃、F₅、F₂和F₄}中选择载波频率。将一组载波频率表示为f_n＝3.5×10⁹+500×10^b*(n-1)。

根据在图4中示出的范例性实施例，在接收机400处接收所发射的脉冲。接收机400包括与本地振荡器402相连的混频器401，本地振荡器402根据脉冲频率有序地输入F₁-F₅中之一。将混频器401的输出输入到匹配滤波器/相关器403。相关器403输出相关值m_k404，并且，将幅度/符号信息a_k405输入到解映射器/卷积解码器406。匹配滤波器/相关器402将接收信号与脉冲模板(template)的偏移版本相关，从而提供相关值：

$m_k\left(n\right)=\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{a}_{n}p(t-n{T}_b-c_n{T}_c)p(t-n{T}_b-k{T}_c)---\left(2\right)$

其中，对于上述范例性实施例的4-PPM/BPSK系统来说，k＝0、1、2和3。因为范例性实施例的其余描述与n无关，所以取代m_k(n)而使用m_k。

图5示出了相关器403对于采用所示编码的示例性输入脉冲的输出500。例如，用第一频带调制的脉冲501包括编码比特10和幅度/符号比特1；第三频带脉冲502具有编码比特01和幅度/符号比特1；用第五频带调制的脉冲503具有编码比特00和幅度/符号比特0。根据公式(2)，相关器403用图5所示的相应结果计算m₀至m₃。

分别如公式3和4所示根据m_k导出脉冲的位置和发射脉冲的符号比特。

$\mathrm{pos}=\arg \underset{\left[k\right]}{\max }\left(\mathrm{abs}\left(m_k\right)\right)---\left(3\right)$

bpsk_bit＝sign(m_pos)    (4)

框406的解映射器将位置信号转换成两个数据比特。框406的卷积解码器使用Viterbi算法或类似的网格解码方法，对两个比特输入数据的PPM(位置)比特进行解码。如上所述，这种解码方案的性能不是最理想的。通过范例性实施例的方法和装置来提高性能，其包括用于Viterbi解码器的软(soft)度量。现在描述这些范例性实施例。

根据范例性实施例，用于提高PPM比特和幅度比特的性能的方法和装置使用软度量，并在网格回溯序列中使用符号比特。在上述编码方案中，发射机在位置比特中提供所有编码增益，而在符号比特中基本上不提供编码增益。为了提高符号比特的性能，接收机400还在网格回溯中包括符号比特。与软判决解码接收机相比，这将系统的性能提高了约1.5-2.0 dB，所述接收机在其路径存储器中仅包括PPM比特(回溯)。

在图4的范例性实施例的接收机400中，在匹配滤波器/相关器403中未做出判决。但是，相关器403为解映射器/解码器406生成所有相关信息，包括相关值和符号值。最后，匹配滤波器计算相关值m_k，如公式2所示，其中k＝0、1、2和3。此外，匹配滤波器使用下式计算由m_k导出的相应符号信息a_k：

a_k＝sign(m_k)    (5)

众所周知，软度量是为解码器提供有关比特的附加信息的任何度量。采用表1所定义的映射，可以根据公式2的m_k而使用公式6计算比特b₀和b₁的软度量。在范例性实施例中，公式6和7(a)-7(b)给出了软度量：

mb₀₀＝max(abs(m₀)，abs(m₃))

mb₀₁＝max(abs(m₁)，abs(m₂))    (6)

mb₁₀＝max(abs(m₀)，abs(m₁))

mb₁₁＝max(abs(m₂)，abs(m₃))

其中，mb_xy表示对于比特x＝y时的度量。据此，比特b₀和b₁的软度量是sm₀和sm₁可以分别如下计算：

sm₀＝mb₀₀-mb₀₁     (7a)

sm₁＝mb₁₀-mb₁₁     (7b)

公式6或公式7a-7b的软度量可以用于在Viterbi计算中计算支路度量。

在本发明的范例性实施例中，将在第(i-1)个节点中的路径度量表示为pm_i-1(s′)，并且，将在第i个节点中的路径度量表示为pm_i(s)，其中，s′，和s分别是第(i-1)个和第i个节点中的通用状态。使用下式计算路径度量：

${\mathrm{pm}}_i\left(s\right)=\underset{s^{\′}}{\min }[{\mathrm{pm}}_{i-1}\left(s^{\′}\right)+{\mathrm{bm}}_i(s^{\′},s)]$

其中，bm_i(s′，s)是从节点i-1的状态s′到节点i的状态s的支路的支路度量。

在一个范例性实施例中，网格开始于状态0，因此：

${\mathrm{pm}}_0\left(s\right)=\begin{array}{c}0,s=0\\ \∞,s\≠0\end{array}---\left(9\right)$

使用对最小路径度量有影响的状态更新状态s的(解码器406的)路径存储器。在该范例性实施例的解码器中，还使用生存符号/幅度比特更新路径存储器。生存符号比特有助于在回溯长度结束时确定幅度/符号比特。

在一个范例性实施例中，如下导出生存符号比特：

设

是状态s′的生存状态，并设bw_i( ，s)是从

到s的状态转变的支路输出字。使用表1定义的映射，根据bw_i(

，s)导出

，并且，根据公式5的组a_k确定生存符号比特，其中 $k=\hat{k}$ 。然后，将生存符号比特

和生存状态

一起存储在状态占的路径存储器。

在更新节点i的所有状态的路径存储器之后，从具有最小度量的状态开始启动回溯序列(假设解码器处在稳定状态)。依标准方式进行回溯，并且，在回溯长度结束时，输出解码后的PPM比特407。此外，输出符号/幅度比特408，其对应于在回溯长度结束时的状态。

因此，使用公式6、7(a)和7(b)的软度量，可以执行包括符号/幅度比特408的回溯。

应当指出的是，当与现有的接收机相比时，这些范例性实施例并不会显著增加接收机的复杂性。在路径存储器中存储的符号比特将存储器尺寸增加了(K*L)个比特，其中，K是状态数，且L是回溯长度。用于计算 的逻辑也非常小。

图6是根据一个范例性实施例的UWB网络600。该网络包括接入点(AP)或主机601。例如，UWB网络600是无线网络600，其包括处于AP 601中的集中式MAC层。特别地，AP 601根据上述多个示例性协议中的一个协议而工作。AP 601根据所选择的协议为许多无线站STA 602提供服务。

例如，网络600是WLAN或无线个人局域网(WPAN)，并且，STA(设备)601、602是计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)或通常在这类网络中工作的类似设备。如双向箭头所示，设备601、602可以进行双向通信；并且，主机601和设备602可以进行双向通信。

应当指出的是，根据某些MAC层协议，从STA 602的一个设备到STA 602的另一设备的通信并不一定是直接的；这些通信信息通过主机601，主机601然后将该通信信息(使用现有的调度方法)发送到正确的接收方STA 602。

还应当指出的是，虽然仅示出了几个STA 602，但这仅仅是为了便于讨论。最后，应当指出的是，设备602并不必须相同。实际上，可以在网络600中使用很多不同的设备，这些设备在所选择的协议下工作。根据上述范例性实施例，用于发送根据范例性实施例编码的UWB脉冲的发射机可以布置在AP 601和STA 602中。此外，网络600的AP 601和STA 602包括上述范例性实施例的接收机400。

通过参阅上述范例性实施例可以认识到，实现了解码数据可靠性的益处。在现有的PPM/PAM系统中，在相关器中解码PAM比特，而在卷积解码器框中解码PPM比特。这对PAM比特和PPM比特产生了不等的差错性能。相比而言，根据这些范例性实施例，通过在网络解码器的路径存储器中包括PAM比特并在回溯之后根据这些比特和PPM比特而提高PAM比特的性能。例如，对于PPM比特，与软判决解码接收机相比，这些范例性实施例的接收机提供了大约1.5 dB到大约2.0 dB的增益。

对于本申请公开的内容，需要指出的是，围绕着这些示例性实施例的UWB系统所描述的不同方法和设备都能以硬件和软件的方式实现。而且，所包括的不同方法和参数只是举例，而没有任何限制性意味。通过阅读本申请公开的内容，本领域普通技术人员能够实现不同的示例性设备和方法，他们可以确定自己采用的技术和实现这些技术所需的设备，但这仍落入所附权利要求书的保护范围之内。

Claims (20)

1、一种数据发送和接收方法，包括：

发送多个位置数据比特，并随同所述各位置数据比特发送多个幅度数据比特；以及

对所述位置数据比特和所述幅度数据比特进行解码。

2、如权利要求1所述的数据发送方法，其中，所述数据比特是用脉冲位置调制(PPM)/二进制相移键控(BPSK)调制技术进行调制的，并且，所述幅度数据比特是符号比特。

3、权利要求1的方法，其中，所述方法还包括：

在网格解码器的路径存储器中提供所述幅度数据比特；以及

回溯所述幅度数据比特。

4、权利要求1的方法，其中，所述数据传输是超宽带(UWB)脉冲传输。

5、权利要求3的方法，其中，所述方法还包括：

计算软度量；以及

使用软度量去确定所述位置数据比特。

6、权利要求5的方法，其中，对于x＝y时比特的度量mb_xy来说，比特b₀和b₁的软度量是sm₀和sm₁，表示如下：

sm₀＝mb₀₀-mb₀₁

sm₁＝mb₁₀-mb₁₁。

7、权利要求6的方法，其中，对于多个脉冲位置的相关器的输出m_k来说，mb_xy表示为：

mb₀₀＝max(abs(m₀)，abs(m₃))

mb₀₁＝max(abs(m₁)，abs(m₂))

mb₁₀＝max(abs(m₀)，abs(m₁))

mb₁₁＝max(abs(m₂)，abs(m₃))。

8、如权利要求5所述的方法，还包括：

计算多个节点和多个状态各自的生存幅度比特；以及

用所述生存幅度比特更新路径存储器。

9、如权利要求8所述的方法，其中，所述解码还包括：

在所述更新之后，执行回溯序列；以及

输出所述幅度比特和所述位置比特。

10、如权利要求9所述的方法，其中，所述幅度比特和所述位置比特对应于在所述回溯序列结束时具有最小度量的状态。

11、如权利要求10所述的方法，其中，所述幅度数据比特是根据相关器输出的符号a_k导出的，a_k表示为：

a_k＝sign(m_k)。

12、一种超宽带(UWB)系统(400)，包括：

匹配滤波器/相关器(403)，其向解映射器/卷积解码器(406)提供有关多个位置数据比特的信息和有关多个幅度数据比特的信息，所述解映射器/卷积解码器(406)对所述位置数据比特和所述幅度数据比特进行解码。

13、如权利要求12所述的UWB系统，其中，所述幅度数据比特是根据相关器输出的符号导出的，表示为：

a_k＝sign(m_k)。

14、如权利要求12所述的UWB系统，其中，所述解映射器/卷积解码器406是带有路径存储器的网格解码器。

15、如权利要求14所述的UWB系统，其中，所述网格解码器406计算软度量。

16、如权利要求14所述的UWB系统，其中，所述网格解码器计算多个节点和多个状态各自的生存幅度比特，并用所述生存幅度比特更新所述路径存储器。

17、如权利要求14所述的UWB系统，其中，所述网格解码器更新所述幅度数据比特，并执行回溯序列，以输出所述幅度数据比特和所述位置数据比特。

18、如权利要求16所述的UWB系统，其中，对于x＝y时的度量mb_xy来说，比特b₀和b₁的软度量是sm₀和sm₁，表示为：

sm₀＝mb₀₀-mb₀₁

sm₁＝mb₁₀-mb₁₁。

19、如权利要求18所述的UWB系统，其中，对于多个不同脉冲位置的相关器的输出m_k来说，mb_xy表示为：

mb₀₀＝max(abs(m₀)，abs(m₃))

mb₀₁＝max(abs(m₁)，abs(m₂))

mb₁₀＝max(abs(m₀)，abs(m₁))

mb₁₁＝max(abs(m₂)，abs(m₃))。

20、如权利要求19所述的UWB系统，其中，所述UWB系统是无线网络，它包括多个无线电台(STA)，并且，所述STA是计算机、移动电话和个人数字助理(PDA)中的一种或多种。

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