CN101076957A

CN101076957A - 通信信号的数字合成

Info

Publication number: CN101076957A
Application number: CNA2005800322803A
Authority: CN
Inventors: J·桑托夫; S·A·穆尔
Original assignee: Pulse Link Inc
Current assignee: Pulse Link Inc
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-11-21
Also published as: WO2006036330A2; WO2006036330A3; US20060067293A1

Abstract

本发明提供了用于直接数字地合成通信信号或波形的设备、系统和方法。也就是说，携带数据的波形由数字模拟转换器(DAC)在用于发送该波形的无线频率上生成。本发明的一个实施例包括用于将数据编码到一个或多个典型传输符号上的数字处理器。诸如高速DAC之类的波形生成器用于从已编码的典型传输符号生成波形。然后发送该波形。本摘要只是为了遵守使读者可以快速确定此处包含的公开内容的主题的摘要需求规则而提供的。所提交的本摘要应当明确地理解为不会用于解释或限制权利要求书的范围或含义。

Description

通信信号的数字合成

技术领域

本发明一般地涉及通信。更特别地，本发明涉及一种用于数字地合成通信信号的方法。

背景技术

自从发明无线电以来，对信息传输能力的需求得到增长。马可尼最初的火花发射机在十九世纪后期使点到点摩尔斯电码通信成为可能，但是很快就被外差和超外差连续波发射机所取代，外差和超外差连续波发射机引领了非常成功的二十世纪二十年代开始萌芽的AM无线电工业。随后几十年是短波和FM无线电，最后通向现代数字通信。随着工业增长和技术进步，电视广播比比皆是，使得需要有效的无线电频率(RF)利用率。因此，重点已经被放在在RF信道上递送最大信息量的方法上。

自从连续波发射机出现以来，用基带或信息、信号调制载波已经成为传统RF通信的基础。每个信息信道使用在频率上与相邻载波间隔足够远的不同载波以避免干扰。通过这种方法，单独的信息信道由此调制了单独的载波。

任意单独的信道可以携带的信息量存在限制。但是，现在的消费者和企业的信息需求正在冲击这些限制。一旦通信信道接近饱和，就实施各种策略以增加信息传送速率(也就是数据速率或带宽)。

增加数据速率的一般的解决方案是采用诸如频分复用(FDM)之类的“复用”技术。不是通过单独的RF信道推送数据流，而是可以把流分成块并且并行调制一些固定数量的块，把每个块放到较低传输速率的独立的“子载波”上。随后将已调制的子载波相加成复合波形或信号并进行发送。接收时，将该复合信号重新分成其分量子载波频率，从这些子载波频率中提取数据。但是FDM需要子载波频率间隔得足够远以防止干扰，导致频率利用率比较低。

一种更有效的FDM方法在于使用相互“正交”的子载波，称为正交频分复用(OFDM)。这里，“正交”意味着已调制的载波基本不会互相干扰，但是在频率上仍然紧靠在一起。因为OFDM信号占用的无线电频率最少，所以使多个子载波频率紧靠在一起产生了很大的效率增益。

实际上，OFDM需要一种方法以生成每个正交子载波频率。过去使用独立的振荡器产生每个子载波，但是必须小心地使振荡器同步以确保最终的复合波形中的子载波之间的正确相干，给OFDM系统增加了很大的复杂性和成本。后来的方法通过改为使用数字信号处理(DSP)模块而不再需要一组同步的独立振荡器，取得了很大的进步。这里，二进制数字的输入数据流或“比特流”被映射成编码符号序列，该编码符号序列在DSP模块中经受快速傅立叶逆变换(逆FFT或IFFT)。IFFT产生正交时域信号(也就是用于OFDM信号的正交子载波)序列。这种方法通过使用专用计算模块代替一组同步振荡器而数字地生成正交子载波。

但是，根据IFFT的“宽度”和DSP的采样速率，通过IFFT处理生成的子载波的无线电频带是固定的，IFFT的“宽度”和DSP的采样速率这两者都受到硬件和软件设计的限制。此外，IFFT算法的基本计算需求是在其上执行操作的数据序列的长度一般必须是等于2的N次幂(也就是2^N)的一些数字，诸如512、1024或2408，从而限制了灵活性。然后正交子载波必须相加，但是得到的复合信号还需要低通滤波和使用本地振荡器上变频到用于传输的无线电频率。

所有的这些步骤都需要专用硬件、软件并且是运算密集的。因此，需要一种用有效的方式增加通信信道的数据速率的设备、系统和方法。

发明内容

为了应对上述问题，本发明提供用于简化通信设备，同时达到高数据速率的设备、系统和方法。

本发明的一个实施例用数字处理器和单独的高速数字模拟转换器(DAC)替代IFFT、低通滤波器和需要本地振荡器的上变频步骤。这个实施例的一个特征是省略了若干硬件和软件组件，并且现在能够实现以前得不到的设计灵活性。

本发明的这个实施例直接合成或生成通信信号，该通信信号随后便能发送，而不需要“上变频”到传输频率，并且不需要传统通信设备中使用的很多处理步骤。

例如，本发明的一个实施例包括用于将数据编码到一个或多个典型传输符号上的数字处理器。诸如高速DAC之类的波形生成器用于从已编码的典型传输符号生成波形。然后将这个波形传递到天线并进行发送。

通过使用诸如具有至少每秒10千兆采样的采样速率的高速DAC，通信信号能够在它们的传输频率上直接生成，该传输频率包括5千兆赫及以上的传输频率。

本发明的另一个特征是在一个实施例中，只需要一个DAC，原因是其高速使它可以在不同的频率上生成多个通信信号，从而不再需要很多组件，诸如传统通信设备中存在的多个可编程门阵列(FPGA)。

通过研究下面对本发明的详细描述和附图，可以理解本发明的这些和其他特征及优势，附图中同样的参考数字用于描述附图的多个视图中相同、相似或相应的部分。

附图说明

图1示出了传统的正交频分复用方法；

图2示出了根据本发明的一个实施例构造的正交频分复用方法；

图3示出了根据本发明的另一个实施例实际地合成任意波形的方法；

图4示出了不同的通信方法；

图5示出了两个超宽带脉冲；

图6示出了16点正交幅度调制“星座图”；

图7示出了由本发明的另一个实施例执行的正交频分复用的数据转换；

图8示出了数字模拟转换器的一部分，其能够直接合成与本发明的一个实施例一致的波形；

图9示出了图8中示出的电流开关电路；

图10示出了可以由本发明的一个实施例生成的若干不同的通信信号；

图11示出了超宽带脉冲和802.11(a)通信信号的各部分；以及

图12示出了包括图11所示信号的组合信号的一部分。

应当认识到，一些或者全部附图是出于说明目的的示意性表示并且不一定描述了所示元件的实际相对尺寸或位置。附图是为了说明本发明的一个或多个实施例而提供的，应当明确地理解为不会用于限制权利要求书的范围或含义。

具体实施方式

在下面的段落中，将参考附图通过示例详细描述本发明。虽然本发明能够用很多不同的形式实施，但附图中示出了并将在此处详细描述特定的实施例，可以理解，应当认为本公开内容是本发明原理的示例并且并非旨在把本发明限制于所示出和描述的特定实施例。也就是说，在整个描述中，应当认为所示出的实施例和示例是范例，而不是对本发明的限制。如此处所使用的，“本发明”涉及此处描述的本发明的任意一个实施例，以及任意等同形式。而且，在整篇文档中所涉及的“本发明”的各种特征并不意味着要求保护的所有实施例或方法必须包括所涉及的特征。

本发明提供了用于直接数字地合成通信信号或波形的设备、系统和方法。也就是说，携带数据的波形由数字模拟转换器(DAC)在用于发送该波形的无线电频率上生成。这与在一个频率上生成波形而在另一个频率上发送它们的传统通信方法相反。通过采用高速DAC，本发明能够生成传输无线电频率范围从5兆赫(MHz)到至少5千兆赫(GHz)的波形，还可以获得更高的频率，诸如10GHz及更高。

通信信号或波形可以采取电磁波、离散电磁脉冲、小波(wavelet)或其他类型的通信信号的形式。

本发明的一个实施例提供了一种用于执行频分复用(FDM)的方法。这个实施例直接合成包括子载波的已调制的数字时域波形。期望传输的信息可以被调制或编码到每个子载波上，子载波在合成之前被表示为一组数字值。在合成期间，通过诸如数字模拟转换器(DAC)之类的波形生成器，可以将子载波波形构造为拥有任意期望的特性。例如，高速DAC取表示子载波波形的数字值并把这些数字转换成模拟波形以便通过通信信道传输，通信信道可以是空气、空间、水、电线、电缆、光纤或其他通信信道。

本发明的另一个实施例提供相互正交的合成子载波波形，从而创建了正交频分复用(OFDM)波形。这个实施例的一个版本在用于传输的无线电频率上创建OFDM波形。也就是说，合成波形不需要上变频到通信信道的频率。在这个版本中，可以采用采样速率为每秒20千兆采样的DAC，使得上至10GHz的频率内容可以在已发送的波形中准确地表示。根据期望的传输频率，可以采用更低或更高采样速率的DAC。一种用于将信息调制到子载波上的方法包括正交幅度调制(QAM)，但是在其他实施例中可以采用诸如各种形式的相移键控(PSK)或差分相移键控(DPSK)之类的其他调制(也就是编码)方法。

这个实施例的一个特征是正交子载波占用的那部分无线电频谱(也就是无线电频带)可以遵照现有的已部署的OFDM系统的规范。同样，由于不再需要IFFT处理，因此数据处理不限于传统OFDM系统的2^N数据序列长度(在“背景技术”中讨论过)，从而提高了效率并增加了系统灵活性。因此，本发明可以直接替换旧的OFDM收发机，并可使用新的OFDM系统设计。另外，本发明减少了建立收发机需要的组件的数量，从而减少了生产成本，并且可以减小收发机尺寸和功耗。

参考图1，其示出了传统OFDM通信系统一般采用的处理步骤。在步骤100中，将待发送的信息形成为二进制数据比特流。在步骤110中，将数据比特流路由到数字处理器，其可以是数字信号处理器。在步骤120中，数字信号处理器将数据比特流分成预定长度的块或比特字。在步骤130中，用由设计限制确定的固定数量的比特字来形成比特字序列。然后在步骤140中，使用诸如相移键控(PSK)或差分相移键控(DPSK)之类的技术把比特字序列转换或“映射”成传输符号，创建传输符号序列。然后在步骤150中，通过数字傅立叶逆变换(逆DFT)或IFFT处理对传输符号序列进行转换。

IFFT处理的结果是复数值序列，每个值代表时域中的一个频率和相位。通过IFFT处理生成的频率组成了OFDM子载波，原因是它们由于IFFT处理的正交性而相互正交。每个特定的频率是系统采样速率和IFFT“宽度”(也就是针对某个N的2^N)的函数。根据在步骤140中用于将数据映射成传输符号的方法在单独的子载波波形中表示信息或数据。然后在步骤160中，通过整形滤波器对IFFT的输出进行路由，接着在步骤170中通过低通滤波器进行路由。然后在步骤185中，将已经滤波的波形“上变频”到用于传输的无线电频率(也就是载波频率ω_C)，其需要与由本地振荡器生成的正弦波e^jωCt(在步骤180中)进行混频。然后在步骤190中一般地通过天线(未示出)发送得到的已调制波形。

现在参考图2，其示出了正是在用于传输的无线电频率上生成OFDM通信波形的本发明的一个实施例。在步骤100中，获得诸如语音、视频、音频或因特网内容之类的所关注的数据比特流。在步骤210中把数据比特流传递到处理器。处理器可以包括一个或多个离散组件，并且可以包括有限状态机、数字信号处理器和/或存储在存储器中或内置到数字硬件中的计算机逻辑步骤。应当理解，其他组件可以包括该处理器。

在步骤220中，将比特流分成比特字或多组比特。每个比特字的长度主要依赖于选定的调制方法。然后在步骤230中，用期望数量的比特字来形成比特字序列。然后在步骤240中，把序列中的每个比特字转换或“映射”成传输符号或数据符号，产生现在包括OFDM调制的传输符号序列。

在步骤250中，用传输符号来调制或编码表示为数字值的子载波波形。也就是说，由生成表示现在已编码的通信波形的数字值的算法来执行将数据数字地编码到通信波形表示上。

在步骤260中，将已调制的“时域”子载波波形相加，产生最终传输波形的数字化或“采样的”版本。

在步骤270中，把该数字序列传递到数字模拟转换器(DAC)以便转换成模拟波形，然后在步骤190中对其进行发送。应当理解，传输步骤190可以采用一个或多个天线、放大器和/或滤波器以在所关注的通信信道上促进传输，并且/或者采用其他必需的组件以在选定的无线电频率上通过选定的通信媒介完成信号传输。

本发明的一个特征是在用于传输的无线电频率上合成或创建现在已调制的时域通信波形。通过采用这种直接数字合成的方法，省略了所有在传统OFDM系统中需要的整形滤波器(步骤160)、低通滤波器(步骤170)、振荡器(步骤180)和混频器或上变频器(步骤185)。这减少了生产成本和后来的零售成本，也减小了产品尺寸和功率要求。另外，省略了整个IFFT处理，得到更大的处理灵活性，原因是2^N的采样速率不再是必需的。

现在参考图3，示出了本发明的另一个实施例。在这个实施例中，可以生成任意类型的波形或已调制的波形。也就是说，除参考图2而讨论的用于生成OFDM调制信号的方法之外，本发明能够直接合成可以用任何已知的或尚待开发的调制方法调制的任意期望的通信信号。例如，除OFDM调制之外，本发明还能够采用幅度调制、相位调制、频率调制、正交幅度调制、脉冲编码调制、脉冲宽度调制、脉冲幅度调制、脉冲位置调制、频移键控、相移键控和任意其他类型的调制方法。

此外，本发明能够直接生成离散电磁脉冲，而不是传统通信系统中使用的基本连续的正弦波形。一些实施例中的采用离散电磁脉冲的一种通信技术称为“超宽带”。

参考图4和图5，超宽带(UWB)通信的一些实施例采用了以例如纳秒或皮秒间隔发出的电磁能量的离散脉冲。也就是说，可以在不需要调制到正弦波或正弦载波上的情况下发送UWB脉冲，这与如上所述的诸如传统OFDM通信技术之类的传统载波通信技术相反。UWB一般不需要分配的频率和功率放大器。

通过将基带脉冲(也就是携带信息的脉冲)与控制得到的信号的中心频率的载波进行混频，可以实现UWB的另一个实施例。然后使用电磁能量的离散脉冲发送得到的信号，这与发送基本连续的正弦信号相反。

图4示出了传统载波通信技术的一个示例。IEEE 802.11a是一种无线局域网(LAN)协议，其在5GHz的中心频率上以大约5MHz的无线频率扩展发送正弦无线频率信号。如此处所定义的，载波是由无线电发射机发送以便携带信息的具有指定频率和幅度的电磁波。802.11协议是载波通信技术的示例。载波包括具有持续时间从数秒到数分钟的特定窄无线频率(5MHz)的基本连续的正弦波形。

相反，超宽带(UWB)脉冲可以具有2.0GHz的中心频率和接近4GHz的频率扩展，如图5所示，图中示出了两个典型的UWB脉冲。图5示出，UWB脉冲时间越短，它的频谱扩展越宽。这是因为带宽与脉冲的时间长度成反比。600皮秒的UWB脉冲可以具有大约1.8GHz的中心频率和接近1.6GHz的频率扩展，300皮秒的UWB脉冲可以具有大约3GHz的中心频率和接近3.2GHz的频率扩展。因此，如图4所示，UWB脉冲一般不在特定的频率内起作用。图5所示的每个脉冲可以例如通过使用外差的方式进行频移以具有基本相同的带宽而中心频率可以是任意期望的频率。并且因为UWB脉冲跨越极宽的频率范围而扩展，UWB通信系统可以实现很高数据速率的通信，诸如100兆比特每秒或更高数据速率的通信。

同样，因为UWB脉冲跨越极宽的频率范围而扩展，在例如1兆赫带宽内采样的功率很低。例如，1纳秒持续时间和1毫瓦平均功率(0dBm)的UWB脉冲将功率扩展到该脉冲占用的整个1千兆赫频带上。因此得到的功率密度是1毫瓦除以1000MHz脉冲带宽，或者每兆赫0.001毫瓦(-30dBm/MHz)。

一般而言，在无线通信的情况下，可以以相对较低的功率密度(每兆赫数毫瓦)发送多个UWB脉冲。但是，替代性的UWB通信系统可以以较高的功率密度发送。例如，可以在30dBm和-50dBm之间的范围内发送UWB脉冲。

UWB脉冲还可以通过电线、电缆、光纤电缆发送，并且通过很多有线媒介发送的UWB脉冲都不会干扰无线电频率传输。因此，通过有线媒介发送的UWB脉冲的功率(在单独的频率上采样)可以在从大约+30dBm到大约-140dBm的范围内变化。

已经提出了若干不同的超宽带(UWB)通信方法。对于美国的无线UWB通信，所有这些方法必须满足由联邦通信委员会(FCC)在其2002年4月22日发布的“Report and Order”(报告与命令)(ET Docket98-153)中最近建立的约束。当前，FCC正在允许有限的UWB通信，但是随着UWB系统的部署和关于这项新技术的更多经验的获得，FCC可以扩展UWB通信技术的使用。

4月22日的“Report and Order”要求UWB脉冲或信号占用大于20％的带宽比或500兆赫，总之是二者中更小的那个。带宽比定义为高10dB的截止频率和低10dB的截止频率之差的2倍除以高10dB的截止频率和低10dB的截止频率之和。特别地，带宽比等式是：

其中f_h是高10dB的截止频率，f_l是低10dB的截止频率。

换言之，带宽比是信号占用的信号中心频率的百分比。例如，中心频率为10MHz带宽为2MHz(也就是从9MHz到11MHz)的信号具有20％的带宽比。也就是说，中心频率f_c＝(f_h+f_l)/2。但是由本发明所定义的UWB不一定限于当前的FCC定义。如以上所讨论的，一些类型的UWB采取冲激通信的形式，并且一些实施例可以不符合当前的FCC定义。

和联合国际电气和电子工程师协会(IEEE)相关联的通信标准委员会正在考虑多种满足FCC建立的约束的超宽带(UWB)无线通信方法。一种UWB通信方法可以在FCC分配的7.5GHz内(从3.1GHz到10.6GHz)发送占用500MHz带宽的UWB脉冲。在这种通信方法的一个实施例中，UWB脉冲大约具有2纳秒的持续时间，对应于大约500MHz的带宽。可以改变UWB脉冲的中心频率以将它们放置在所分配的7.5GHz内的任意期望位置。在这种通信方法的另一个实施例中，对并行数据执行快速傅立叶逆变换(IFFT)以产生122个载波，每个载波的宽度接近4.125MHz。在也称为正交频分复用(OFDM)的这个实施例中，得到的UWB脉冲或信号的宽度接近506MHz，并且具有242纳秒的持续时间。它满足针对UWB通信的当前FCC规则，这是因为它是很多频带相对较窄的载波的集合而不是因为每个脉冲的持续时间。

IEEE标准委员会正在评估的另一种UWB通信方法包括发送占用大于500MHz频谱的离散UWB脉冲。例如，在这种通信方法的一个实施例中，UWB脉冲的持续时间可以从占用大于500MHz的2纳秒变化到占用大约7.5GHz带宽的大约133皮秒。也就是说，单独的UWB脉冲可以基本占用所有的用于通信的全部带宽分配(从3.1GHz到10.6GHz)。

IEEE标准委员会正在评估的又一种UWB通信方法包括以接近每秒1.4千兆脉冲的码片速率发送持续时间可以接近0.7纳秒或更小的脉冲序列。使用直接序列调制技术调制脉冲，称为DS-UWB。考虑了两个频带内的操作，一个频带的中心频率在4GHz附近并具有宽度为1.4GHz的信号，而第二个频带的中心频率在8GHz附近并具有宽度为2.8GHz的UWB信号。操作可以发生在每个UWB频带上或这两个UWB频带上。考虑了在大约28兆比特/秒到差不多1320兆比特/秒之间的数据速率。

因此，上面所描述的是三种不同的超宽带(UWB)通信方法。应当理解，任意上述UWB方法或其他尚待开发的方法都可以采用本发明。

再次参考图3，其示出了可以在几乎任意通信信号的直接数字合成中使用的本发明的另一种方法。与图2类似，在步骤100中获得所关注的数据，诸如语音、视频、音频、文本、因特网内容或任意其他所关注的数据。在步骤210中把诸如比特流之类的二进制数字形式的数据传递到处理器。处理器可以包括一个或多个离散组件，并且可以包括有限状态机、数字信号处理器和/或存储在存储器中或内置到数字硬件中的计算机逻辑步骤。应当理解，其他组件可以包括该处理器。

在步骤222中，将比特流分成多组比特。每个比特组的大小主要依赖于所采用的调制方法。然后在步骤242中把每组比特转换或“映射”成数据符号，产生传输序列或数据符号序列。也就是说，所采用的调制方法从数字值上改变了比特组。

在步骤252中，将现在已调制的比特组与选定的波形组合。例如，可以使用表示正弦载波的波形。也就是说，用数据符号来调制或编码表示为数字值的波形。换言之，由生成表示现在已编码的通信波形的数字值的算法来执行将数据数字地编码到通信波形表示上。

本发明的一个特征是在用于传输的无线电频率上合成或创建现在已调制的时域通信波形。通过采用这种直接数字合成的方法，省略了所有在传统OFDM系统中需要的整形滤波器(步骤160)、低通滤波器(步骤170)、振荡器(步骤180)和混频器或上变频器(步骤185)。这减少了生产成本和后来的零售成本，也减小了产品尺寸和功率要求。另外，省略了整个IFFT处理，得到更大的处理灵活性，原因是2^N的采样速率不再是必需的。这些特征减少了生产成本和后来的零售成本，也减小了产品尺寸和功率要求。

在步骤190中发送的最终的模拟波形可以是持续时间为从数毫秒到数分钟和数小时的基本连续的正弦波形，或者可以采取电磁能量的离散脉冲形式的模拟波形，该离散脉冲用于冲激通信，诸如超宽带和其他形式的冲激通信。

现在参考图6和图7，示出了一种类型的调制方法和它在本发明的一个实施例中的使用。图6示出了16点正交幅度调制(QAM)排列或“星座图”。在本领域中公知，在这种调制方法中，一个比特字包括四个比特，因此有16种可能的比特字组合(2⁴＝16)。使用这种调制方法，在步骤220中生成的比特字将包含四个比特。然后映射步骤240(图2所示)包括将每个4比特的字映射成表示幅度和相位角的特定的唯一组合的16个传输符号中的一个。图6描述了16点QAM映射“星座图”，其中16个点300中的每个点表示包括特定幅度r和相位角θ的传输符号。一旦“映射”了所有的比特字，就在合成步骤250中生成具有特定持续时间的数字脉冲。该数字脉冲表示已经用QAM传输符号的幅度和相位进行了调制的子载波波形。

对所有在比特字序列形成步骤230中生成的比特字执行映射步骤240和合成步骤250。在图2所示的OFDM实施例中，在比特序列步骤230中生成的比特字的顺序与最初在步骤220中划分每个比特字的组成比特的顺序相对应，并且在映射步骤240和合成步骤250中继续保持比特字的这个顺序。

图7通过提供对图2所示方法的另一种描述示出了这个比特字排序序列。将数据比特流100(示出为1比特和-1比特)分成4比特的字，在图2中作为步骤220和步骤230讨论。有包括字序列的N个字，并且每个字被映射成图6所示的QAM星座图，得到新的传输符号序列(r_i，θ_i)，i＝1到N，其中每个(r_i，θ_i)是从星座图中的一组16点中提取的(图2，步骤240)。合成步骤生成时域波形序列r_icos(ω_i+θ_i)，i＝1到N，其中将每个ω_i选择为与所有的ω_j相互正交，j＝1到N，j≠i，这样就创建了表示一组正交子载波的离散采样，这是OFDM所需要的(图2，步骤250)。将这些采样相加(图2，步骤260)并将所得到的采样和传递到高速数字模拟转换器(DAC)270，该DAC在期望的传输频率上从采样和生成波形，然后该波形被发送(步骤190)。

现在参考图10-图12，示出了本发明的更多的实施例。除了结合调制方法来合成波形之外，本发明的一个实施例能够同时合成多个波形，每个波形结合它们自己的调制。例如，参考图11和图12，示出了802.11(a)信号310和超宽带脉冲305。802.11(a)信号310包括结合OFDM、直接序列调制或另一种合适的调制方法的正弦波形。超宽带脉冲305包括可以结合很多不同调制方法的电磁能量的离散脉冲。

现在参考图12，本发明的一个特征是802.11(a)信号310和超宽带脉冲305都可以用此处公开的方法合成以形成组合信号320。图11和图12都示出了信号段300，其中图12示出了组合信号320，以及802.11(a)信号310和超宽带脉冲305。

例如，参考图3，为了生成或合成组合信号320，在步骤222中可以把每个信号的数据分成组，然后在步骤242中将每组比特转换或“映射”成数据符号，得到传输序列或数据符号序列。也就是说，所采用的调制方法从数字值上改变了比特组。

在步骤252中，将现在已调制的比特组与选定的波形组合。例如，当生成组合信号320时，可以生成表示正弦载波的波形，并且还可以生成超宽带脉冲。一旦生成了波形，就用数据符号来调制或编码表示为数字值的波形。也就是说，由生成表示现在已编码的通信波形的数字值的算法来执行将数据数字地编码到两个或更多的通信波形表示上。

现在将两个编码的波形在数字上相加，得到表示组合通信信号的数字值。在步骤270中，将这个数字序列传递到数字模拟转换器(DAC)，以便转换为模拟波形，得到组合信号320，然后在步骤190中对其进行发送。应当理解，传输步骤190可以采用一个或多个天线、放大器和/或滤波器以在所关注的通信信道上促进传输，并且/或者采用其他必需的组件以在选定的无线电频率上通过选定的通信媒介完成信号传输。

现在参考图10，还应当理解，本发明可以同时或顺序地生成几乎任意类型和数量的通信信号，每个信号结合几乎任意类型的调制方法。另外，这些信号可以通过任意通信媒介发送，诸如空气、电线、电缆、空间或任意其他的媒介。例如，如图10所示，本发明可以生成多个通信信号，诸如可以通过电力线发送的超宽带(UWB)脉冲(示出为“通过电力线发送的UWB”)、可以通过电缆发送的UWB脉冲(示出为“通过电缆发送的UWB”)和可以通过空气发送的UWB脉冲(示出为“无线UWB”)。另外，本发明还可以生成载波，诸如像802.11(b/g)和/或802.11(a)那样的正弦通信信号或其他传统的通信信号。

组合信号320的一个例子可以是可以在范围从大约5MHz到大约250MHz的频率上通过电力线发送的超宽带脉冲，以及同时的在大约2.4GHz上发送的802.11(b/g)信号。在这个实施例中，可以通过两个或更多的带通滤波器来传递组合信号320，每个滤波器可以使期望信号的频率(比方说，对于电力线的10MHz和对于802.11(b/g)的2.4GHz)通过并滤除不想要的信号。

本发明的DAC 270可以生成上至10GHz和超过10GHz的通信信号。因此，如图10所示，可以在当前FCC所要求的3.1GHz到10.6GHz的频带内生成UWB无线脉冲，并且可以在5.4GHz上生成802.11(a)信号。

现在参考图8和图9，DAC 270从采样和创建模拟波形。DAC是将数字信息(例如，已相加采样的数字序列)转换成诸如适合传输的波形之类的模拟信息的电子电路。通常用DAC的“采样”速率来描述DAC的特征，“采样”速率是对源进行测量的间隔。在上述示例中，源是已相加采样的数字序列。根据公知的Nyquist采样定理，模拟波形可以从以相等时间间隔所取的采样中重建，但是采样速率必须等于或大于模拟波形的最高频率分量的两倍。也就是说，如果模拟波形的最高频率分量是5千兆赫(GHz)，那么采样速率必须至少是10GHz。

传统的OFDM通信系统在2.4GHz和5GHz的无线电频带内进行传输。因此，DAC 270必须具有至少10GHz的采样速率以直接生成5GHz的无线电频率波形。

参考图8和图9，本发明所采用的DAC 270具有至少20GHz的采样速率，从而能够直接生成10GHz的波形。为了以20GHz进行采样，DAC 270包括了一种新颖的帮助克服电路元件的寄生电容的电流开关电路。

诸如晶体管之类的几乎所有的电子元件都具有某个电容。DAC一般包括数千个晶体管。在低速工作时电子元件的电容通常不成为限制。因为由于电容而产生的阻抗是频率的函数，因此随着电路速度(也就是频率)的增加，电容的影响变得更重要。例如，由于电容器充电而导致定时延迟的寄生效应会影响电路的性能。在多比特的DAC中，电流的定时必须是精确的。对于固定的电容，增加的电流量能够帮助克服这些和其他的寄生效应。

本发明的DAC采用多组电流源。电流源在DAC工作期间不是来回接通和切断而是保持接通。随着数字输入从一组比特改变到另一组，电流源被切换为经过某电阻性负载以形成输出电压。

一种类型的“开关电流”DAC体系结构使用多个电流源。这些源的电流值典型地从一个电流源到另一个源以2的幂次增加，其中电流源以一个基值开始。例如，如果电流基值是I，那么电流可以具有值为I、2I、4I、8I、16I和32I的源。在这种情况下，任意单独的电流源可以表示为I_n＝2ⁿI，其中I是电流基值。

参考图8，示出了本发明所采用的新颖的DAC组件。差分并行数据总线10被输入到复用器20中。差分并行数据总线10接收数据以便由DAC处理。在这个设计中，由于4比1的复用器20，差分并行数据总线10能够工作在DAC频率的1/4上。因此，复用器20的运行速度是差分数据总线10的4倍。例如，如果复用器20工作在12GHz，差分并行数据总线10就工作在3GHz(12的1/4)，或者如果复用器20工作在20GHz，那么差分并行数据总线10就工作在5GHz(20的1/4)。

将复用器20的输出传递到高速差分数据总线30。高速数据总线30工作在与复用器20相同的速度上。高速数据总线30把差分数据发送到电流开关网络40。电流开关网络40使用高速数据总线30以形成差分模拟输出50。

图9示出了电流开关网络40。高速数据总线30将差分数据输入到一组差分晶体管对70A-70F。在差分晶体管对70A中示出了来自于高速数据总线30的一对输入。其他差分晶体管对70B-70F用类似的方式从高速数据总线30获取数据，但是为清楚起见没有示出高速数据总线30的输入。

差分晶体管对70A-70F开关或控制来自电流源80A-80F的通过负载电阻R₁-R₃的电流。高速数据总线30按照从最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)，然后到控制对电流源80A-80F的开关的差分晶体管对70A-70F的顺序连接。例如，高速数据总线30的MSB控制对连接到32倍电流(32I)的最大电流源80A的差分晶体管对70A的开关。电流源80A-80F的值从MSB到LSB按因子2逐步减小(除了在LSB本身处之外，这里电流源80F与电流源80E的值相同，下面将对此进行解释)。

为了最小化差分晶体管对70A-70F从“接通”到“切断”的转换时间，每个差分晶体管对70A-70F的状态改变必须精确同步。由于每个电流源80A-80F提供的值范围很大，其在这个实施例中的范围是从2倍电流(2I)到32倍电流(32I)，并且由于寄生电容效应，这种精确定时很难实现。

为了达到这种精确的定时，LSB电流对于下一个比特不会减半。也就是说，电流源80F和电流源80E是相同的。但是，为了达到与LSB电流是相邻电流的1/2的情况相同的效果(也就是，差分晶体管对70F的电流是差分晶体管对70E的电流的1/2)，将负载电阻R₁分割以在负载电阻R₂和负载电阻R₃之间提供电流插入点。对负载电阻R1的这种分割使得在差分输出50处可以得到相同的输出电压，如同在LSB电流是I而不是2I时可以得到相同的输出电压那样。通过使差分晶体管对70A-70F互相之间不是2倍的关系，使得电流扩展最小化，从而使所有差分晶体管对70A-70F的状态改变可以精确同步。

包含上述特征的DAC 270可以具有至少20GHz的采样速率，从而使它可以直接生成10GHz的无线电频率波形。应当理解，涉及在通信波形的传输频率上直接合成这些通信波形的本发明实施例不限于具有20GHz采样速率的DAC。随着技术的进步，DAC采样速率将会增加，从而实现通信波形在大于10GHz的传输频率上的直接合成。

因此，可以看出本发明提供了一种在通信波形的传输频率上直接合成这些通信波形的设备、系统和方法。本领域的普通技术人员应当理解，可以不用上述实施例实现本发明，在该描述中提出上述实施例是为了说明的目的而不是为了限制的目的。说明书和附图并非旨在限制本专利文件的专有范围。应当注意，该描述中讨论的特定实施例的各种等同形式也可以实现本发明。也就是说，尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但显然，根据前面的描述，很多替代方案、修改、置换和变型对本领域的普通技术人员将会变得很明显。因此，本发明旨在包括在所附权利要求书范围内的所有这些替代方案、修改和变型。产品、处理或方法表现得与一个或多个上述示例性实施例不同这一事实并不意味着该产品或处理在下面的权利要求书的范围(文字上的范围和/或法律意义上的范围)之外。

Claims

1.一种通信设备，包括：

用于将数据编码到典型传输符号上的单独的数字处理器；

用于从所述典型传输符号生成波形的单独的波形生成器；以及

用于发送所述波形的天线。

2.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述典型传输符号包括至少一个数字值。

3.根据权利要求1所述的通信设备，其中当所述数据被编码到所述典型传输符号上时，至少一个包括所述典型传输符号的数字值发生改变。

4.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述单独的波形生成器包括具有至少每秒5千兆采样的采样速率的数字模拟转换器。

5.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述单独的波形生成器在用于发送所述波形的无线频率上生成所述波形。

6.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述波形选自基本连续的正弦信号、不连续的正弦信号、正交频分复用信号、超宽带脉冲、冲激无线电脉冲和多个离散的电磁脉冲。

7.一种通信设备，包括：

用于将数据编码到多个典型传输符号上的数字处理器；

用于从所述多个典型传输符号生成至少两个通信信号的单独的通信信号生成器；以及

至少一个用于发送所述通信信号的天线。

8.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述多个典型传输符号中的每个典型传输符号都包括至少一个数字值。

9.根据权利要求7所述的通信设备，其中当所述数据被编码到所述多个典型传输符号上时，至少一个包括所述多个典型传输符号中的每个典型传输符号的数字值发生改变。

10.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述单独的通信信号生成器包括具有至少每秒5千兆采样的采样速率的数字模拟转换器。

11.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述单独的通信信号生成器在分别用于发送所述至少两个通信信号的不同无线频率上生成所述至少两个通信信号。

12.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述至少两个通信信号中的每个通信信号选自基本连续的正弦信号、不连续的正弦信号、正交频分复用信号、超宽带脉冲、冲激无线电脉冲和多个离散的电磁脉冲。

13.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述数据通过使用选自幅度调制、相位调制、频率调制、单边带调制、残余边带调制、正交幅度调制、正交频分调制、脉冲编码调制、脉冲宽度调制、脉冲幅度调制、脉冲位置调制、脉冲密度调制、频移键控和相移键控的调制方法被编码到所述典型传输符号上。

14.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述至少两个通信信号中的每个通信信号通过选自有线媒介、无线媒介、光纤带、光纤电缆、单模光纤电缆、多模光纤电缆、双绞线、无屏蔽双绞线、高压线、PVC线和同轴电缆的通信媒介进行传输。

15.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述至少两个通信信号都是无线传输的。

16.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述至少两个通信信号都通过有线媒介进行传输。

17.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述至少两个通信信号通过有线媒介进行传输和无线地进行传输。

18.一种通信方法，所述方法包括步骤：

将数据编码到多个典型传输符号上；

从所述多个典型传输符号生成至少两个通信信号；以及

发送所述通信信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个典型传输符号中的每个典型传输符号都包括至少一个数字值。

20.根据权利要求18所述的方法，其中当所述数据被编码到所述多个典型传输符号上时，至少一个包括所述多个典型传输符号中的每个典型传输符号的数字值发生改变。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述单独的通信信号生成器在分别用于发送所述至少两个通信信号的不同无线频率上生成所述至少两个通信信号。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少两个通信信号中的每个通信信号选自基本连续的正弦信号、不连续的正弦信号、正交频分复用信号、超宽带脉冲、冲激无线电脉冲和多个离散的电磁脉冲。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述数据通过使用选自幅度调制、相位调制、频率调制、单边带调制、残余边带调制、正交幅度调制、正交频分调制、脉冲编码调制、脉冲宽度调制、脉冲幅度调制、脉冲位置调制、脉冲密度调制、频移键控和相移键控的调制方法被编码到所述典型传输符号上。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少两个通信信号中的每个通信信号通过选自有线媒介、无线媒介、光纤带、光纤电缆、单模光纤电缆、多模光纤电缆、双绞线、无屏蔽双绞线、高压线、PVC线和同轴电缆的通信媒介进行传输。

25.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少两个通信信号都是无线传输的。

26.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少两个通信信号都通过有线媒介进行传输。

27.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少两个通信信号通过有线媒介进行传输和无线地进行传输。