CN101120513B - 超宽带接收机和数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带信号接收机，包括：至少一个第一组取样单元，用于对接收信号的波形进行取样；至少一个第二组取样单元，用于以预定的延迟δ对接收信号的波形进行取样；以及至少一个相关器，用于传输取决于取样的波形之间的相关性的信息。

Description

超宽带接收机和数据传输方法及系统

本发明涉及一种超宽带(UWB)接收机，还涉及一种通过实施这样的接收机来传输数据的方法和系统。

编码和检波是所有射频通信系统中的两个关键部分。

在窄带系统中，通过调制正弦波的高频载波来对信息进行编码，从而促进空的(empty)空间中的辐射和传播。

由于调制相对于载波的频率而言是非常慢的，所以调制的信号基本上保持正弦波形。

传输和接收之间可能存在的多条传播路径使得接收的信号成为幅度发生改变并且相位发生偏移的回波的重叠的结果。然而所传输的信号的波形的正弦特性确保这种重叠基本保持正弦。

在上下文中，由于基准信号的波形为正弦是已知的，可以通过相对于可以在接收机内本地产生的基准信号进行相关来在接收时对信号进行检波。

在超宽带通信系统中，以与载波使用的频率可比的速度进行通信，或者可以使用非正弦脉冲载波。两种方法的任一者中，调制信号的波形都不再表现为正弦。

使用持续时间非常短的脉冲作为载波使得以下称为可能：不仅实现非常高速的传输，而且具有潜在简化的电子实施例，因为这样的系统中的处理信号本质上依靠在时域操作信号，而这样的操作容易单片地集成在超大规模集成(VLSI)电路中。

尽管具有这些优点，超宽带系统在开发中仍具有困难，因为持续时间短的信号脉冲需要极快地产生并且对检波要求非常高的时间准确度。

能量检波方法并不令人满意，这是因为能量检波器不能区分希望得到的信号和噪音，并且呈现相对低的敏感度。

美国专利号No.6763057(在此引入其内容作为参考)描述了一种超宽带数据传输系统，其中需要知道接收的信号的波形并且需要产生基准信号。因此该系统相对复杂。

过去，下列出版物(在此引入其内容作为参考)：Multiuser interference andinter-France interference in UWB transmitted reference systems(UWB传输参考系统中的多用户干扰和法国内干扰)，2004，Joint UWBST&IWUWBST，2004，International Workshop on May 18-21，2004，pp.96-100；以及Generalizedtransmitted reference UWB systems(通用传输参考UWB系统)，Ultra-widebandSystems and Technologies(超宽带系统和技术)，2003，IEEE Conference onNovember 16-19，2003，pp.147-151，也提出了传输超宽带双重线脉冲的建议，按已准确知道的延迟对该脉冲进行相关和分开。

当双重线脉冲到达接收机时，两个脉冲都已经受到相同的波形变形并且它们保持相关。

接收包括延迟线，该延迟线用于产生接收信号的延迟副本，由该延迟线引起的这种延迟与与双重线脉冲之间的延迟相同。相关器接收这两个信号和产生检波信号。

这种方法消除了产生基准信号的困难，然而实现延迟线是复杂的。此外，该延迟不容易编程并且该延迟线表示长度，这使得它实际上不可能集成在一个微小电路中。

本发明寻求提出一种超宽带接收机，其呈现良好的性能而具有简单的结构。

这样，本发明的一个方面提供一种超宽带信号接收机，包括：

至少一个第一组取样单元，用于对接收信号的波形进行取样；

至少一个第二组取样单元，用于以预定的延迟δ取样接收信号的波形；以及

至少一个相关器，用于传输取决于如此取样的波形之间的相关性的信息。

倘若接收信号包括至少两个以持续时间δ偏置的互相关脉冲，这样的接收机使得可以省略产生接收信号的波形。

术语“相关器”应该广义地理解并且总体上覆盖能够传输以下信号的所有器件，该信号的值取决于至少两个波形之间的相似性。

可以例如选择延迟δ作为传播路径的函数，这样以能够阻碍两个脉冲接收的方式使得这两个脉冲在接收时不重叠。

作为示例，延迟δ在10ns(纳秒)到50ns的范围内。

在本发明的一个实施方式中，第一和第二组取样单元的信号获取通过分别与所述单元组关联的延迟元件的两个不同(distinct)链控制。

延迟元件的不同链的存在使通过第二组取样单元得到的信号能够以简单和准确的方式控制，例如借助于石英器件来控制。

在本发明的另一个实施方式中，第一和第二组取样单元的信号获取通过延迟元件的单个链控制。

作为示例，延迟在通信进行期间是恒定的。

在本发明的另一个实施方式中，作为选择所述延迟可以是可编程的，例如在任何一个通信进行期间，延迟可以是恒定的或者以预定关系变化。

当各传输系统具有分配给它自己的延迟δ时，可以以与在传统窄带传输中的频分类似的方式进行多个同时传输。

在相关联的发射机和接收机具有相同已知关系的应用中，延迟δ可以是可编程的。

本发明的一个优点是在发射机和接收机之间容易同步，因为它们足以使得脉冲位于用于建立同步的取样时间窗中。

例如，该取样窗优选地具有数十纳秒的持续时间，而脉冲的持续时间是几百皮秒的数量级。这样的数量级有助于构造并且有助于有效地降低复杂度和减少耗电。

在某些实施方式中，本发明的接收机不需要具有天线放大器，从而进一步有助于构造并且进一步减少耗电。

在本发明的另一方面，还提供了一种数据传输方法，该方法包括：

·接收包括至少两个承载有用信息的互相关脉冲的超宽带信号，所述两个脉冲在时间上以延迟δ偏置；

·对接收信号进行第一取样；

·以延迟δ对接收信号进行第二取样；

·发送取决于两个取样信号之间的相关性的信号。

取样速度优选地大于或等于包含在接收信号的脉冲中的最大频率的两倍。作为示例，取样频率可以大于10千兆赫(GHz)，例如大约20GHz。

当传输的信号包括双重线脉冲时，例如可以采用开/关编码(O_nO_ffK_ey)或采用差分编码传输信息。接收机具有相应的解码器。

在本发明不同的实现中，双重线中传输的脉冲根据要发送的二进制状态可以同相或反相，从而使发射机的电路复杂，但是提供了改善的信噪比。

例如，各组取样单元具有100到300个取样单元。

第一和第二组取样单元和相关器有利地以单片集成电路的形式构造，特别是采用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术构造。

在本发明的另一方面，还提供了一种数据传输系统包括：

至少一个如上定义的超宽带接收机；以及

至少一个发射机，设置为发送至少两个互相关脉冲的多重线，尤其是互相关脉冲的双重线，这两个脉冲以预定延迟偏置。

在阅读以下非限制性实施方式的详细说明和查看附图之后可以更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的实施方式制造的数据传输系统的示意图；

图2是示出了双重线脉冲的示意图；

图3是示出了可以用于产生双重线脉冲的信号的示意图；

图4示出了表示根据本发明的接收机的一个实施方式的细节的一部分方框图；

图5示出了一组取样单元的示意图；

图6示出了接收到的信号的示例；

图7示出了取样后的信号的示例；

图8是示出了并行单元相关器的结构的示意图；

图9示出了记录在两组取样单元中的波形的并置；以及

图10示出了取样单元的不同排列。

图1所示的超宽带数据传输系统1包括发射机2和设置为接收来自发射机2的信号的接收机3。

根据本发明的一个方面，发射机2发送多重线脉冲，每个多重线脉冲包括至少两个脉冲，具体为如图2所示的双重线脉冲，其中双重线内的两个脉冲6和7被已准确知道的延迟δ所分开。

在所示的示例中，两个脉冲6和7具有相反相位，例如分别在图3所示的二进制信号的上升沿4和下降沿5处产生。

可以利用快速阶跃恢复二极管(SRD)电路产生该脉冲。

发射机和接收机的天线是任意方向宽带天线，例如双锥、锥盘、或行波类型天线。

对以下文献可以进行有用的参考：“UWB，Theory and Applications(UWB原理和应用)”，编者Ian Oppermann，Matti 

Jari，Linatti，JohnWiley and Sons，Ltd.，2004ISBN 0-470-86917-8，在此结合其内容作为参考。

由发射机发送的信息可以用各种方式编码，例如采用开/关编码或差分编码。

接收机3包括图4中更加详细示出的接收机电路9。

接收机电路9包括如图5所示排列的取样单元16的第一组10，和取样单元16的第二组10’，例如与第一组相同排列，这两组并行接收来自天线的信号11。

接收机电路9还包括并行单元相关器13，该并行单元相关器13递送取决于由第一和第二组取样单元取样的波形之间的相关性的检波的信号14，如下面更加详细描述的那样。

在出版物“Gigahertz waveform sampling and digitization circuit design andimplementation(千兆赫波形取样和数字化电路设计和实现)”中描述了能够对快速波形进行取样的取样器，在此结合其内容作为参考。

在获取信号15的基础上执行取样，该信号15在到达第二组10’之前由延迟元件22延迟持续时间δ。

作为示例，获取信号15由石英器件产生，并且各取样周期可以在相关器13已经递送与取样的波形之间可能的相关性相关联的信息之后发生。

作为示例，延迟元件22是可编程的，从而使可以创建通信信道。

在通信会话期间，延迟δ可以是恒定的，或者如果在接收机已知预定关系的应用中在发射机处改变延迟δ，延迟δ可以是可变的。

在图4的示例中在各组10或组10’中利用引入连续延迟τ的延迟元件18链控制取样单元16，从而使得插入该延迟元件18链的获取信号15传播并且接连地触发单元16进行的取样。

这样各组10和10’用于记录电压V₁、V₂、..V_n和V’₁、V’₂、...V’_n，这些电压对应于在获取信号沿延迟元件18的链进行传播的持续期间中取样信号的波形。

图6示出了图2的双重线已经被传输之后接收到的信号的示例。

图6示出了信号由于传播如何变形。

图7示出了在取样单元的第一和第二组10或10’中取样的信号。

作为示例，图8图形地示出的相关器13是并行单元相关器，相关器13具有可以产生电压的乘积V₁ ^*V’₁、V₂ ^*V’₂、...V_n ^*V’_n的多个单元20，并且相关器13计算这些乘积的和。

例如，这些电压是利用Gilbert(吉尔伯特)单元相乘的。

图9示出了并列方式的在第一和第二组取样单元中取样的两个波形。检波信号14取决于它们的相似性。

自然的，本发明不局限于以上所述实施方式。

例如，如图10所示，取样单元16的组10和10’可以由延迟元件的单一链控制。

第一和第二组10和10’之间确定数目的延迟元件18用于产生延迟δ并且控制第二组10’以所述延迟δ取样。

本发明的数据传输系统可以有很多应用，例如用于在短距离传输数字数据，例如作为蓝牙

技术的代替，用于引起传感器在网络中通信，或者用于适配电话和其它便携式电子器件。

合适的情况下，当接收的信号包括三重线脉冲或其它多重线脉冲时，接收机可以具有三组或更多组的取样单元。

可以除了采用Gilbert单元之外的方法执行对应相关器中取样的波形的电压的处理，例如通过估计幅度：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{|V_i-V_1^{\′}|}^2$ 或 $\underset{i}{\mathrm{\Σ}}|V_i-V_1^{\′}|$

合适的情况下，取样单元可以是更复杂的单元，例如能够存储除了模拟形式以外的数字形式的信息。

接收机和发射机之间的连接可以通过电线来连接。

全部说明书，包括权利要求，除非指定为相反的，术语“包括一个”应该理解为“包括至少一个”的同义词。

Claims (15)

1.一种超宽带信号接收机，包括：

第一组取样单元，包括多个第一取样元件，被配置用于对接收的超宽带信号的波形进行取样；

第二组取样单元，包括多个第二取样元件，被配置用于对所述接收的超宽带信号的经延迟的波形进行取样；以及

相关器，耦合到所述第一组取样单元和所述第二组取样单元，其中所述相关器被配置用于基于所述波形与所述经延迟的波形之间的相关性产生输出信号。

2.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，第一组取样单元的信号获取由与所述第一组取样单元相关联的延迟元件的第一个链控制，第二组取样单元的信号获取由与所述第二组取样单元相关联的延迟元件的第二个链控制，其中所述第一个链与所述第二个链是不同的。

3.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，第一和第二组取样单元的信号获取通过延迟元件的单一链控制。

4.根据权利要求1到3其中之一所述的接收机，其特征在于，所述经延迟的波形被延迟了预定延迟δ，所述预定延迟δ是可编程的。

5.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述预定延迟δ在通信会话期间是恒定的。

6.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述预定延迟δ在通信会话期间以预定关系变化。

7.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，相关器是并行单元相关器。

8.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述第一和第二组取样单元和相关器是以单片集成电路的形式构建。

9.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，没有天线放大器。

10.一种数据传输方法，包括：

利用接收设备的包括多个第一取样元件的第一组取样单元对接收的超宽带信号的波形进行取样；

利用所述接收设备的包括多个第二取样元件的第二组取样单元对所述接收的超宽带信号的经延迟的波形进行取样，其中所述经延迟的波形被延迟了预定延迟δ；以及

基于所述波形与所述经延迟的波形之间的相关性产生输出信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述超宽带信号包括双重线脉冲。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述超宽带信号采用开/关编码。

13.根据权利要求10所述的方法，其中超宽带信号采用差分编码。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，至少一个双重线脉冲是相位相反的。

15.一种数据传输系统，包括：

至少一个如权利要求1定义的超宽带信号接收机；以及

至少一个发射机，设置为传输包括两个互相关脉冲的多重线脉冲，其中所述互相关脉冲以预定延迟δ被偏置。

Images