CN101322312A - 生成用于uwb信号的动态变化时间跳频序列的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的方法和装置使用移位寄存器生成的第一伪噪声序列对冲激无线电信号的脉冲群的极性进行调制，使用该移位寄存器生成的第二伪噪声序列对该脉冲群的位置进行调制。

Description

生成用于UWB信号的动态变化时间跳频序列的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及扩展频谱无线电(radio)通信系统，更具体地涉及在既能够通过相干超宽带接收器又能够通过非相干超宽带接收器来接收信号的无线通信系统中所使用的调制格式。

背景技术

在美国，联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)对于将超宽带宽(UWB)信号用于无线通信系统的非授权使用做了严格限制，“First Report and Order”，2002年2月14日。UWB信号必须在频率为3.1～10.6GHz的范围内，且最小带宽为500MHz。FCC命令限制了UWB信号的功率谱密度和最大发射功率，例如，小于-41.3dBm/MHz。

一种调制UWB的方法使用极短时间脉冲来生成带宽大于500MHz(例如一秒的1/1000000000或更少，其对应于大约600mm的波长)的信号。使用短脉冲的系统通常被称为冲激无线电(impulse radio，IR)系统。

如图1所示，可以将四种不同的调制格式用于无线通信系统，即，脉冲位置调制(PPM)11、脉冲幅度调制(PAM)12、开关键控(OOK)13和二相相移键控(BPSK)14。

作为优势，UWB系统实现了高数据率，并得益于大的处理增益而对于多路径衰减(impairment)具有抵抗性。此外，基于IR的UWB技术能够实现低成本、低占空比、低功率的收发器，而不需要用于外差的本地振荡器。因为UWB收发器主要是数字电路，所以可以将收发器容易地集成到半导体电路中。在UWB系统中，多个用户可以彼此无冲突地同时共享同一频谱。UWB系统对于高速家用和商用网络设备以及传感器网络是非常理想的。

M.Win等人在“Ultra-Wide Band Width Time-HoppingSpread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-AccessCommunications”(IEEE Trans.On Communications，Vol.48，No.4，pp.679-691，2000年4月)中描述了时间跳频冲激无线电(TH-IR)系统。在TH-IR系统中，每一位或每个符号都由N_f个脉冲来表示，其中N_f是正整数。传输符号的时间为T_s。这被称为符号持续时间。符号时间T_s进一步被分割为多个帧T_f，而这些帧又被分割为通常与脉冲持续时间相对应的码片(chip)T_c。如果N_c表示一帧中码片的数量，N_f表示一个符号中帧的数量，那么T_s、T_f和T_c有以下关系

T_s＝N_fT_f＝N_fN_cT_c    (1)

图2示出了对于脉冲204，符号时间T_s201、帧时间T_f202以及码片时间t_c203之间的关系，脉冲204例如是表示“0”位的现有技术TH-IR波形210和表示“1”位的波形220。通常，按照“时间跳频”序列在一帧中利用所有可用码片将脉冲伪随机分隔开以最小化多用户干扰的影响。

如上所述，调制可以是二相相移键控。对于BPSK，每个位b都被表示为正脉冲或负脉冲，即，b∈{-1，1}。t时刻发射的信号s的格式为

其中c_j表示TH码的第j个值，取值范围为{0，1，...，N_c-1}，b是第i个调制符号。此外，可以对发射信号中的每个脉冲应用可选的极性加扰序列，表示为h_i，j，以对发射信号的频谱进行整形并减少谱线。极性加扰序列h_i，j的值是+1或-1。对于发射信号频谱的形状来说各种不同的振幅都是可能的。

除了上述的调制方法以外，还可以将相位调制和位置调制(例如，BPSK和二进制PPM)进行组合来生成一种同时适于相干和非相干接收器的调制格式。这是通过将符号持续时间T_s分割为两或更多个部分从而能够进行位置调制，进一步使各个脉冲的极性能够根据正发射的位而变化(例如，BPSK)来实现的。事实上，这是针对无线个人域网(WPAN)的IEEE P802.15工作组所描述的调制技术，并在“Addendum PART15.4：Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”(网络草稿，文档号15-05-0733-01-004a，此处通过引用将其并入)中进行了描述。

发明内容

本发明的方法和装置利用由移位寄存器的第一抽头生成的第一伪噪声序列来调制冲激无线电信号的脉冲群(burst of pulses)的极性，并利用由该移位寄存器的第二抽头生成的第二伪噪声序列来调制该脉冲群的位置。

附图说明

图1是现有技术调制技术的时序图；

图2是现有技术TH-IR调制的时序图；

图3是现有技术群跳频IR调制的时序图；

图4是根据本发明实施方式的发射器结构的框图；而

图5是图4的发射器所用的PN序列生成器的图。

具体实施方式

本发明的一个实施方式提供了一种用于在超宽带宽(UWB)冲激无线电(IR)发射器中同时生成极性加扰序列和时间跳频序列的系统和方法。发射器利用脉冲位置调制(PPM)和相移键控(PSK)调制二者来调制输入数据。这样的优点是，所有的序列都是由单个伪噪声(PN)序列生成器生成的。

此外，可以根据调制格式参数动态地修改时间跳频序列的长度，调制格式参数例如为平均脉冲重复频率(PRF)以及一个调制波形内可用的跳频位置的可能数量，例如4或16个。

图3示出了调制符号的结构和定时。每个符号300都包括整数N_c个码片。每个码片的持续时间都为T_c，304。总的符号持续时间记为T_sym301，它等于T_c×N_c。此外，每个符号持续时间都被分割为多个部分，例如，两半303。在这种情况下，每一部分的持续时间都为

T_PPM＝T_sym/2

这样便可以进行二进制位置调制。

将多个连续的码片组合在一起形成脉冲群310。脉冲群310的持续时间302记为T_burst。该脉冲群的位置(在符号持续时间的前半部分或后半部分)表示一位信息，例如，逻辑0或1。

此外，脉冲群的相位可以表示信息的第二位，或如图2所示，信息的同一位在PPM位置和脉冲群的相位两方面被编码。图3中上方的波形表示正在发射“0”位，而下方的波形表示正在发射“1”位。在每个符号持续时间内，都发射单个脉冲群。

事实上，脉冲群的持续时间通常比PPM持续时间短得多，即，T_burst＜＜T_PPM，从而最小化了在这种形式的时间跳频中多用户干扰的影响。

在每个符号持续时间内脉冲群的可能位置或时隙的个数记为N_slot，其等于T_PPM/T_burst。群位置305可以根据时间跳频序列逐个符号地改变。此外，可能的群位置是从1到N_slot的索引。

将根据本发明的实施方式而描述的时间跳频概念与公式(2)中的现有技术时间跳频进行对比是很重要的。在公式2中，由时间跳频序列来控制一帧内各个脉冲位置。而在根据本发明实施方式的调制中，却是由时间跳频序列来控制整个脉冲群在PPM持续时间中的位置。为方便起见，我们称我们的时间跳频为“脉冲群跳频”以区别我们的时间跳频和常规的基于各个脉冲的时间跳频概念。

第k个调制符号可以用以下公式来表达

$x^{\left(k\right)}\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{burst}}}{\mathrm{\Σ}}}{g_i}^{\left(k\right)}{s}_{j}p(t-{g_0}^{\left(k\right)}{T}_{\mathrm{PPM}}-j{T}_c-h^{\left(k\right)}{T}_{\mathrm{burst}})---\left(3\right)$

在公式(3)中，x^(k)(t)是第k个符号的波形，g₀和g₁是从编码位的映射获得的调制符号，s_j{j＝0，1，...，N_burst-1}是极性加扰序列并取可能值{-1或1}，p(t)是发射的脉冲形状，T_PPM是二进制脉冲位置调制时隙的持续时间。时间跳频序列h^(k)最小化了多用户干扰，而极性加扰序列s_j为相干接收器提供了额外的干扰抑制，并且使发射的UWB波形的频谱变得平滑。

在设计UWB-IR系统时，调制波形的几个关键参数取决于平均脉冲重复频率(PRF)。PRF被定义为发射器每秒发射的脉冲数。这一参数很重要，因为PRF为固定发射功率定义了脉冲的幅值。

根据公式(2)所定义的调制方案，PRF、符号持续时间、码片持续时间，每群脉冲数以及PPM顺序限定了可能跳频位置的数量。例如，给定码片持续时间T_c和每群脉冲数N_burst，群持续时间就如下给出

T_burst＝N_burst*T_c    (4)

对于给定的符号速率(symbol rate)T_sym以及每群脉冲数N_burst，我们可以确定平均PRF为

PRF＝N_burst/_syym。    (5)

同样通过PPM顺序，即，PPM位置的数量N_PPM，我们可以确定可用于放置脉冲群的时间跳频时隙的数量。该确定方法如下

$N_{\mathrm{slot}}=(T_{\mathrm{SYM}}/N_{\mathrm{PPM}})/T_{\mathrm{burst}}=\frac{N_{\mathrm{burst}}}{\mathrm{PRF}*N_{\mathrm{ppm}}*T_{\mathrm{burst}}}---\left(6\right)$

公式(6)表明修改任何波形参数都会影响可用于我们的群跳频的时隙的数量。可以根据对发射器的时钟的限制或者生成大幅值脉冲的能力，针对给定符号持续时间或位速率来修改PRF。

另一个修改PRF的原因取决于用于接收所发射信号的接收器的类型。例如，非相干接收器通常在PRF减弱时具有更好的性能，并且向接收器发射了较少但振幅较大的脉冲。

因此，人们很想在发射器处动态地改变PRF以适应不同类别的接收器。此外，由于硬件成本限制，人们很想在UWB IR中用单个PN序列生成器来生成极性加扰序列和时间跳频序列二者。

由于PRF的自适应特性，进而群跳频的时隙的数量，PN序列生成器应该能支持具有不同长度(例如，4或16，或任何其它整数值)的一套时间跳频序列。

图4示出了根据本发明实施方式的发射器400的一部分。该发射器采用如图3所示的PPM/BPSK组合调制方式。

对输入数据401进行用向前纠错(FEC)编码402。需要指出的是FEC编码器402是可选的，并不是本发明必需的。FEC编码器402包括在图4的框图中是因为FEC经常在无线通信系统中使用以在接收器处提供纠错。

在整个群的极性403和位置404两方面对FEC编码器402的输出410进行调制，得到脉冲群输出数据440。然后取决于当前的调制格式，依据由单个生成器500生成的PN序列对群中各个脉冲的极性进行加扰。

单个PN序列生成器500接收PRF 409，并输出用于扰乱极性403第一PN序列505，这些等同于公式(3)中的s_j。通过将编码的脉冲410和PN序列生成器500所生成的第一PN序列505相加(2元模数)420对构成群440的各个脉冲的极性403进行加扰。使用控制逻辑450，通过第二群跳频序列507，时间跳频序列，对群440在PPM持续时间中的位置404进行控制。该控制逻辑触发群生成器408使其根据群跳频序列407的值在适当的时刻生成脉冲群。

群生成器408利用PN序列和PPM时隙，在符号持续时间内的适当时刻生成脉冲群输出数据440。

图5示出了根据本发明实施方式的PN序列生成器500的细节，其实现了多PRF和来自单个生成器的群跳频时隙的数量动态变化的调制波形。

PN序列生成器500使用线性反馈移位寄存器501，该寄存器501包括延迟元件(D)502的序列(例如15个)、第一抽头503和第二抽头510。该移位寄存器生成用于脉冲群440的极性加扰序列505和时间跳频序列507二者。

在第一抽头503处，对各个延迟元件502的输出进行相加504(例如，2元模数)，并反馈509给移位寄存器501的输入。仅使用第一抽头503的移位寄存器的操作基于本领域的公知技术，参见Proakis，John G.，Digital Communications，Third edition，New York，McGraw Hill，1995。Proakis还描述了这样一些多项式，这些多项式描述了可以给出最大长度PN极性加扰序列的抽头。第一序列505被用来对图4中所示的脉冲群的极性403进行加扰。

通过使用第二套附加的抽头510以及从二进制到整数的转换512，还可以从移位寄存器501获得用于PPM的时间跳频序列507。在这种情况下，我们不特别关注使用哪些延迟部件502来生成最大长度群时间跳频序列。我们更感兴趣的是能够得到可变数量的可能群跳频位置。为此，我们认识到长度为N的移位寄存器的状态可以表示从1到2^N的任意整数。即，移位寄存器501的状态的整数表示由以下公式给出

h＝S_j+S_j-12¹+s_j-22²+s_j-32³+...+s_j-N 2^N    (7)

其中s表示每个抽头N的状态。

公式(7)表明我们可以用移位寄存器的状态s_j来生成我们的用于脉冲群的时间跳频序列507。我们通过使用足够数量M个抽头510来实现这一目标，因此，我们可以生成范围从1到2^M的数。我们选择M使得

2^M≥N_slot    (8)

这里，我们注意到群跳频时隙的数量N_slot不需要是2的幂。在这种情况下，移位寄存器的某些状态可能并不对应于有效群跳频时隙索引，因此可能需要额外的处理，例如截断(truncation)。当公式(6)的参数被选择得成使得N_slot是2的幂时，这对于二进制移位寄存器和随后的处理是更自然的。在这种情况下，N_slot被表示为2^M，公式(8)变为

2^M＝N_slot    (9)

群跳频时隙索引可以根据移位寄存器501的N个可能状态中的M个来确定。这在图5中示出，其中来自延迟元件502的第二抽头510被设置为抽头选择块511的输入。抽头选择块511选择，例如，抽头510的前M个，并将选择的抽头传递到二进制到整数的转换块512，以确定时间跳频索引。一般来讲，可以选择被转换为整数值的抽头数量是时隙数量的函数。例如，在4个可能跳频时隙上生成群跳频序列时，我们设置M＝2，而在16个可能跳频时隙上生成群跳频序列时，我们设置M＝4。

发明的效果

本发明的实施方式提供了带有选自单个移位寄存器的多个时间跳频序列和极性加扰序列的UWB发射器。本发明可以根据IEEE 802.15.4a标准规范而被用于调制格式，尤其是使用针对脉冲群的时间跳频的调制格式，其中，符号由间隔紧密的脉冲序列来表示。在符号与符号间，脉冲群在时间上跳频，这与常规冲激无线电中各个脉冲是时间跳频的情况不同。

由于不同的可能调制参数设置，很多可能的群跳频时隙随不同的调制设置而变。例如，一些设置允许4个位置来放置群，而其他设置允许16个可能位置。

优势在于，单个移位寄存器可以根据调制参数生成来自同一生成器的大小为4或16的时间跳频序列。此外，移位寄存器还可用于生成对脉冲群的极性进行调制的序列。

尽管本发明以优选实施方式为例进行了描述，但可以理解，在不背离本发明的主旨和范围的情况下还可以有多种其他的适应和改进。因此，所附权利要求的目的是涵盖落入本发明真实主旨和范围内的所有这些变化和修改。

Claims (25)

1、一种对冲激无线电信号进行调制的方法，该方法包括以下步骤：

使用移位寄存器生成的第一伪噪声序列对冲激无线电信号的脉冲群的极性进行调制；以及

使用该移位寄存器生成的第二伪噪声序列对该脉冲群的位置进行调制。

2、根据权利要求1所述的方法，其中该冲激无线电信号是超宽带宽信号。

3、根据权利要求1所述的方法，其中该调制同时使用了脉冲位置调制和相移键控调制。

4、根据权利要求1所述的方法，其中对极性和脉冲的调制是动态变化的。

5、根据权利要求1所述的方法，其中该第二伪噪声序列的长度根据调制格式参数而动态变化。

6、根据权利要求5所述的方法，其中该格式参数是平均脉冲重复频率。

7、根据权利要求6所述的方法，其中该格式参数是调制波形中可用的可能跳频位置的数量。

8、根据权利要求7所述的方法，其中符号持续时间、码片持续时间、每群脉冲数以及脉冲位置调制顺序限定了该可能跳频位置的数量。

9、根据权利要求8所述的方法，其中该码片持续时间为T_c，每群脉冲数为N_burst，脉冲群的持续时间为

T_burst＝N_burst*T_c。

10、根据权利要求9所述的方法，其中对于符号速率T_sym和每群脉冲数N_burst的平均脉冲重复频率为

PRF＝N_burst/T_sym。

11、根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

将符号编码为该脉冲群。

12、根据权利要求11所述的方法，其中该编码使用了前向纠错。

13、根据权利要求1所述的方法，其中对极性和位置的调制取决于动态地改变调制格式。

14、根据权利要求1所述的方法，其中该移位寄存器是线性反馈移位寄存器，该线性反馈移位寄存器包括延迟元件的序列以及第一套抽头和第二套抽头，该方法还包括以下步骤：

从第一套抽头生成该第一伪噪声序列；

从第二套抽头生成该第二伪噪声序列。

15、根据权利要求14所述的方法，其中将该第一套抽头的输出相加并反馈给该移位寄存器的输入。

16、根据权利要求15所述的方法，其中将该第二套抽头的输出转换为整数以确定该第二伪噪声序列。

17、根据权利要求16所述的方法，其中该移位寄存器的状态的整数表示为

h＝s_j+s_j-12¹+s_j-22²+s_j-32³+...+s_j-N2^N，其中s_j表示每个抽头N的状态。

18、一种用于对冲激无线电信号进行调制的装置，该装置包括：

移位寄存器，被构造用于使用该移位寄存器生成的第一伪噪声序列对冲激无线电信号的脉冲群的极性进行调制，并使用该移位寄存器生成的第二伪噪声序列对该脉冲群的位置进行调制。

19、根据权利要求18所述的装置，其中对极性和位置的调制是动态变化的。

20、根据权利要求18所述的装置，其中该第二伪噪声序列的长度根据调制格式参数而动态变化。

21、根据权利要求18所述的装置，其中对极性和位置的调制取决于动态地改变调制格式。

22、根据权利要求18所述的装置，其中该移位寄存器是线性反馈移位寄存器，该线性反馈移位寄存器包括延迟元件的序列以及第一套抽头和第二套抽头，并且该第一伪噪声序列是从第一套抽头生成的，而该第二伪噪声序列是从第二套抽头生成的。

23、根据权利要求22所述的装置，其中该第一套抽头的输出被相加并反馈给该移位寄存器的输入。

24、根据权利要求23所述的装置，其中该第二套抽头的输出被转换为整数以确定该第二伪噪声序列。

25、根据权利要求22所述的装置，其中该移位寄存器的状态的整数表示为

h＝s_j+s_j-12¹+s_j-22²+s_j-32³+...+s_j-N2^N，其中s_j表示每个抽头N的状态。

Images