CN101222239A - 一种实现脉冲超宽带信号突发采样的方法及接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现脉冲超宽带信号突发采样的方法及接收装置。该方法是将IR－UWB信号分成两路，一路输入到信号延迟单元，另一路输入到能量检测单元；当能量检测单元检测信号中存在IR－UWB脉冲时，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号进行采样；当检测不存在IR－UWB脉冲时，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号的采样；系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为相邻IR－UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元；数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器采样得到的信号和脉冲时间间隔参数，恢复传输的信息。该方法节省功率并提高了系统性能。

Description

一种实现脉冲超宽带信号突发采样的方法及接收装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及IR-UWB技术，具体的说是通过应用能量检测和突发采样技术相结合实现IR-UWB信号的接收方法及其接收装置。

背景技术

UWB无线电技术是一种新型的无线通信技术，它有两种定义方式：1)信号的10dB带宽W≥500MHz；2)信号的相对带宽 $\frac{f_H-f_L}{f_c}\≥0.25,$ 其中，f_H和f_L分别表示低于信号最大发射10dB处的高端和低端频率，f_c＝(f_H+f_L)/2。由于没有限定信号的时域波形特征，因此，有多种类型UWB信号，其中IR-UWB是其中最主要的一类。

IR-UWB与传统的基于正弦载波为信息载体的连续波传输方式相比，在信号产生、信道特性、调制解调、信道同步和以及实际应用等方面都存在很大的差别。IR-UWB具有对信道衰落不敏感、抗多径、信号隐蔽性强、传输速率高、定位精度高、空间容量大、穿透能力强和系统复杂度低等众多优点，使得其在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像和武器控制等众多领域具有很强的竞争力和广阔的应用前景。

在IR-UWB通信中，发射机发射单周期亚纳秒级脉冲，脉中与脉冲的间隔是可由跳时码(伪随机码)来控制和改变的，通过引入跳时码可以平滑IR-UWB信号频域特性和提高系统抗干扰能力。跳时码设计得好坏在很大程度上决定了UWB系统的性能，其设计标准为，系统不同用户间的脉冲碰撞尽可能少和系统容纳的用户要尽可能的多。

IR-UWB系统是用很窄的且占空比极低的亚纳秒级窄脉冲来传输消息，为了保证UWB脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零，所以经常采用高斯波形脉冲及其n阶导数波形脉冲来作为超宽带窄脉冲的时域波形。IR-UWB系统可采用多种扩频调制方式，若IR-UWB系统采用扩频方式采用跳时扩频调制方式，此时IR-UWB被称为TH-UWB；若扩频方式采用BPSK直接序列扩频，此时系统被称为DS-UWB系统。当然IR-UWB系统可同时采用跳时和BPSK直接序列扩频，此时系统可被称为TH-DS-UWB系统。式(1)给出了TH-DS-UWB信号的时域表达式为：

其中E_b为比特能量；N_f为表示一个信息符号所使用的脉冲个数；d_j mod Nf为发送的信息符号，当系统为二进制时

其中x表示不大于x的最大整数；PN_j mod Nf为系统采用的扩频序列，下标j mod N_f表示求余运算；p(t)是UWB信号的脉冲；T_f为两个相邻脉冲的平均时间间隔(在IR-UWB系统中通常被称为‘帧’)；c_j∈{0，1，…，N_c-1}为跳时码，其中N_c为跳时码的长度；T_c表示脉冲p(t)的持续时间，为充分利用跳时码的增益，通常需要N_c，T_f和T_c满足N_c＝T_f/T_c＞＞1；ε_j表示发送端产生脉冲p(t)的定时抖动；τ表示传输时延。当不考虑跳时或不考虑BPSK直接序列扩频时，式(1)可简化为DS-UWB或TH-UWB。

由于在IR-UWB系统中所使用的脉冲p(t)的持续时间T_c是亚纳秒级，因此在接收端如何提取脉冲是IR-UWB接收系统实现的关键问题，目前主要存在两大类方法。第一种是将N个高速模拟-数字变换器(模拟数字信号转换器)并行，每个模拟数字信号转换器的采样时钟是速率相同但不同相位的同源时钟，然后接收端再使用高速信号处理器对信号样值进行处理实现系统的同步捕获跟踪与数据恢复。但是由于不能确定信号脉冲的到达时间，模拟数字信号转换器需要一直不断的对接收到的IR-UWB信号进行高速采样，这会消耗掉大量的系统功率；另一种方法是利用能量检测器取代模拟数字信号转换器，对IR-UWB脉冲的能量进行检测，将IR-UWB脉冲的能量作为信息恢复的依据。这种方法的缺点在于需要高性能的能量检测器对脉冲的能量进行精确估计，而且由于能量检测器的模拟特性其输出信号难于与数字信号处理技术相结合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，综合能量检测和数字化接收的优势，提出一种基于突发采样技术的IR-UWB信号接收方法及其接收装置。在本发明所提出的IR-UWB信号接收方法中，使用能量检测方法识别IR-UWB信号的到达时刻，使得模拟数字信号转换器只在存在IR-UWB信号才对信号进行采样，避免了模拟数字信号转换器的长期工作，降低系统功率消耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于实现脉冲超宽带信号突发采样的接收装置，所述接收装置的输出端连接有数字信号处理单元，所述接收装置包括：一个用于检测脉冲能量的能量检测单元，一个用于对信号进行延迟的信号延迟单元，一个用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字信号转换器，一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数字信号转换器进行控制的系统控制单元；

能量检测单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接系统控制单元；

信号延迟单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接模拟数字信号转换器；

系统控制单元输入端连接能量检测单元的输出，输出端连接模拟数字信号转换器、信号延迟单元和数字信号处理单元；

模拟数字信号转换器输入端连接信号延迟单元和系统控制单元，输出端连接数字信号处理单元。

一种利用所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发采样的方法，所述采样方法包括以下步骤：

1)将IR-UWB信号分成两路相同的信号，一路信号输入到信号延迟单元，信号延迟单元根据时间延迟量将信号延迟，另一路信号输入到能量检测单元进行能量检测；

2)当能量检测单元检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号送入系统控制单元，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号进行采样；当能量检测单元检测不存在IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号送入系统控制单元，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号的采样；

3)系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为相邻UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元，系统控制单元将时间延迟量返回给信号延迟单元；

4)数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器采样得到的信号和脉冲时间间隔参数，恢复传输的信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

由于模拟数字信号转换器只在信号中存在IR-UWB脉冲时才进行高速采样工作，即实际上作为系统中的主要功率器件的模拟数字信号转换器大部分时间处于空闲状态。因而与普通的模拟数字信号转换器一直处于高速采样的IR-UWB接收机相比可大大地节省系统功率；与普通的基于能量检测的IR-UWB接收机相比，更容易与数字信号处理技术相结合，获得更高的系统性能。

附图说明

图1本发明IR-UWB接收系统原理框图。

图2基于本发明方法的2PPM-UWB数字接收系统框图。

图3基于本发明方法的DS-UWB接收系统框图。

附图标记说明：

1-IR-UWB信号；     2-第一控制信号；    3-第二控制信号；

4-延迟信号；       5-启动/暂停信号；   6-脉冲时间间隔参

                                       数；

7-信号；           8-时间延迟量；      10-接收装置；

11-信号延迟单元；  12-模拟数字信号转   13-数字信号处理单

                   换器；              元；

14-能量检测单元；  15-系统控制单元；   16-比特判决单元；

17-乘法器；        18-积分器；         19-第二比特判决单

                                       元；

20-同步捕获与跟踪    21-本地模板信号产    30-同步信号；

单元；               生单元；

31-伪随机序列模板    32-积分变量。

信号；

具体实施方式

实施例1

如图1所示为IR-UWB接收系统，包括接收装置10和数字信号处理单元13，接收装置10包括一个用于检测脉冲能量的能量检测单元14，一个用于对信号进行延迟的信号延迟单元11，一个用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字信号转换器12，一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数字信号转换器进行控制的系统控制单元15。

能量检测单元14输入端接收IR-UWB信号1，输出端连接系统控制单元15，当能量检测单元14检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号2送入系统控制单元15，系统控制单元15启动模拟数字信号转换器12对信号延迟单元11的IR-UWB信号进行采样；当能量检测单元14检测不存在IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号3送入系统控制单元15，系统控制单元15暂停模拟数字信号转换器12对信号延迟单元11输出信号的采样；

信号延迟单元11输入端接收IR-UWB信号1，输出端输出延迟信号4给模拟数字信号转换器12；

系统控制单元15输入端连接能量检测单元14的输出，系统控制单元15输出端发出启动/暂停信号5给模拟数字信号转换器12；系统控制单元15将能量检测单元14产生的第二控制信号3的持续时间即脉冲时间间隔参数6，作为相邻IR-UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元13；系统控制单元15输出端将时间延迟量8传到信号延迟单元11的输入端；

模拟数字信号转换器12输入端连接信号延迟单元11和系统控制单元15的输出端，输出端连接数字信号处理单元13；

数字信号处理单元13根据模拟数字信号转换器12采样得到的信号7和系统控制单元15输出的脉冲时间间隔参数6，恢复传输的信息。

本实施例所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发采样的方法，包括以下步骤：

1)将IR-UWB信号分成两路相同的信号，一路信号输入到信号延迟单元11将信号延迟时间τ，另一路信号输入到能量检测单元14进行能量检测；

2)当能量检测单元14检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号2送入系统控制单元15，系统控制单元15启动模拟数字信号转换器12对信号延迟单元11的UWB信号进行采样；当能量检测单元14检测不存在IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号3送入系统控制单元15，系统控制单元15暂停模拟数字信号转换器12对信号延迟单元11输出信号的采样；

3)系统控制单元15将能量检测单元14产生的第二控制信号3的持续时间，作为相邻IR-UWB脉冲的脉冲时间间隔参数6，送入数字信号处理单元13，系统控制单元15将时间延迟量8返回给信号延迟单元；所述时间延迟量8保证信号延迟单元11产生的信号与能量检测单元14产生的第一控制信号2同步，即第一控制信号2产生的时刻对应于IR-UWB脉冲的出现时刻；

4)数字信号处理单元13根据模拟数字信号转换器12采样得到的信号7和脉冲时间间隔参数6，恢复传输的信息。

下面结合附图2，说明基于本发明的2PPM-UWB接收系统方案。

PPM-Pulse Position Modulation调制技术可以方便的与UWB技术结合，形成PPM-UWB通信系统。在2PPM-UWB调制中，在一帧时间，即[0，T_f]内，两个可能的IR-UWB发射脉冲为p₀(t)和p₁(t)。其中p₁(t)＝p₀(t-ε)，通常p₀(t)从t＝0时刻有值，p₀(t)和p₁(t)具有相同的持续时间T_c，ε为脉冲p₁(t)相对于p₀(t)的时移。在基于本发明方法的2PPM信号接收系统中，如图2所示在本发明所述接收装置10的后面跟随一个比特判决单元16，比特判决单元16根据所示判决规则，就可恢复出信息比特。由于得到的脉冲时间间隔参数Δ_n只有三种可能，即 ${\mathrm{\Δ}}_n\∈\{{\mathrm{\Δ}}_n^{\left(1\right)}=T_f-\frac{1}{2}{T}_c,$ ${\mathrm{\Δ}}_n^{\left(2\right)}=T_f-\mathrm{\ϵ}-\frac{1}{2}{T}_c,$ ${\mathrm{\Δ}}_n^{\left(3\right)}=T_f-T_c+\mathrm{\ϵ}\},$ 其中Δ_n ⁽¹⁾代表相邻脉冲都为p₀(t)(或p₁(t))，Δ_n ⁽²⁾代表第n-一个脉冲为相邻脉冲为p₁(t)，第n个脉冲(当前脉冲)为p₀(t)，Δ_n ⁽³⁾代表n-一个脉冲为相邻脉冲为p₀(t)，第n个脉冲(当前脉冲)为p₁(t)。由于T_f、T_c和ε参数已知，则上述关于Δ_n的规律，可以判别出当前接收到的脉冲是p₀(t)还是p₁(t)，进而恢复出信息比特。

实施例2

下面结合附图3说明基于本发明的DS-TH-UWB接收系统原理方案。

DS-TH-UWB技术本质上是同时应用跳时和直接序列的混合扩频UWB技术。根据DS-TH-UWB信号的时域表达式，在对DS-TH-UWB信号进行接收时，应当先解跳，再解扩。

由于采用本发明方案，模拟数字信号转换器在控制单元的作用下只对脉冲进行采样，因此已经实现了解跳。因此基于本发明方法的DS-TH-UWB接收系统的后端只需要进行解扩。如图3中所示，同步捕获与跟踪单元20完成直接序列扩频的同步捕获与跟踪，并输出同步信号30。本地模板信号产生单元21根据同步信号产生与接收信号7(p_r(t))同步的周期为T_s的伪随机序列模板信号31(PN_l(t))，其中；PN_l(t)与p_r(t)经过乘法器17相乘并在积分器18对[0，T_s]内积分，输出积分变量32(Y)；第二比特判决单元19根据积分变量32(Y)的正负恢复信息比特，即当Y＞0时，判为“1”，当Y＜0时，判为“0”。

上面结合附图2和附图3对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限于上述实例，如基于本发明方法，还可设计相应的PAM-UWB接收系统。因此在不脱离本发明权利要求范围的情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (2)

1.一种用于实现脉冲超宽带信号突发采样的接收装置，所述接收装置的输出端连接有数字信号处理单元，其特征在于所述接收装置包括：一个用于检测脉冲能量的能量检测单元，一个用于对信号进行延迟的信号延迟单元，一个用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字信号转换器，一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数字信号转换器进行控制的系统控制单元；

能量检测单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接系统控制单元；

信号延迟单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接模拟数字信号转换器；

系统控制单元输入端连接能量检测单元的输出，输出端连接模拟数字信号转换器、信号延迟单元和数字信号处理单元；

模拟数字信号转换器输入端连接信号延迟单元和系统控制单元，输出端连接数字信号处理单元。

2.一种利用如权利要求1所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发采样的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)将IR-UWB信号分成两路相同的信号，一路信号输入到信号延迟单元，信号延迟单元根据时间延迟量将信号延迟，另一路信号输入到能量检测单元进行能量检测；

2)当能量检测单元检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号送入系统控制单元，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号进行采样；当能量检测单元检测不存在IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号送入系统控制单元，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号的采样；

3)系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为相邻IR-UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元，系统控制单元将时间延迟量返回给信号延迟单元；

4)数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器采样得到的信号和脉冲时间间隔参数，恢复传输的信息。

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