CN104935357B - 超宽带通信装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超宽带(UWB)系统和方法。在一个实施例中，一种超宽带(UWB)系统的发射机包括差分扩频编码器，其用于基于参考比特序列对比特序列的相位进行编码。该发射机还包括脉冲发生器，其用于使用经编码的比特序列的相位生成与该比特序列相关联的若干脉冲，其中脉冲的数目等于该比特序列的长度。而且，该发射机包括DMPSK调制器，其用于通过使用差分数据符号的相位对若干脉冲进行调制，来生成调制信号。

Description

超宽带通信装置和方法
本申请是申请日为2011年01月11日、申请号为201180013448.1、发明名称为“超宽带通信装置和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及超宽带系统，具体来说涉及超宽带通信装置和方法。
背景技术
超宽带(UWB)是一种无线电技术，其用于通过使用无线电频谱的大部分以很低的能量级别进行短距离高带宽的通信。UWB无线电频谱一般来说范围从3.1GHz到10.6GHz。按照各种规章制定机构设立的规定，UWB信号在UWB发射机天线的输出端应当具有最小为500MHz的带宽以及最大为-41.3dBm/MHz的功率谱密度。此外，UWB系统应当在一个小时时间内支持小于5％的低占空比。
一般地，在低占空比的UWB系统中，UWB发射机使用DMPSK调制技术调制包括啁啾脉冲(chirp pulse)或“短脉冲串(series of short pulses)”的UWB信号并且使用UWB网络将UWB信号发送到UWB接收机。啁啾脉冲是频率调制的载波脉冲，其中调制信号是三角波形。啁啾脉冲跨越较大带宽(>＝500MHz)并且具有极好的自相关性。UWB接收机可以混合(mix)进入的(incoming)UWB信号并且对其进行滤波以从进入的UWB信号去除啁啾信号。此外，UWB接收机使用任何传统的DMPSK解调技术来解调进入的UWB信号。“短脉冲串”是指在等于符号(symbol)的“通时间(on time)”的特定时间段内重复的高斯单周期(monocycle)的流。
发明内容
技术问题
可替换地，UWB接收机使用差分解调相移键控(differentially demodulatedphase shift keying，DDPSK)解调技术来解调进入的UWB信号，而无需执行初始的信道估计。UWB接收机通过采样对相邻的脉冲(consecutive pulses)采样进行差分并且对差分的采样求平均值以获得相关脉冲之间的相位差。然而，在这个技术中，UWB接收机可能不得不估计信道的最显著抽头(most significant tap of channel)的定时，以取得更好的性能。
IEEE 802.15.6(针对人体区域网络(body area network)设计的标准)在UWB频带中提供基于脉冲(例如，啁啾脉冲或短脉冲串)的物理层，以便以更好的性能和低功耗来解调进入的UWB信号。然而，当进入的UWB信号中的啁啾脉冲的宽度随着不同的数据速率改变时，需要采用不同的滤波器。此外，UWB接收机需要在解码进入的UWB信号之前适应重新同步的需求。此外，啁啾脉冲宽度的变化随着不同的数据速率的改变要求在UWB接收机的ADC和UWB发射机的DAC处有不同的采样速率。结果，UWB发射机的复杂度随着变化的数据速率增加。
目前已知的解决方案之一使用卷积码来解决上述与可增减的(scalable)数据速率相关联的问题。然而，使用卷积码来应对可增减的数据速率的解码器增加了UWB接收机的总成本。
技术方案
本发明提供一种用于生成调制信号的超宽带(UWB)发射机的方法，包括：通过使用UWB发射机的差分扩频编码器基于扩频序列对参考比特序列进行差分编码，来生成比特序列；使用UWB发射机的脉冲发生器，基于所述比特序列生成与所述比特序列相关联的若干脉冲，其中所述若干脉冲的长度等于所述比特序列的长度；以及由UWB发射机的DMPSK调制器通过使用差分数据符号的相位对所述若干脉冲进行调制，来生成调制信号。
本发明提供一种超宽带(UWB)系统的发射机，包括：差分扩频编码器，被配置为通过基于扩频序列对参考比特序列进行差分编码来生成比特序列；脉冲发生器，被配置为使用所述比特序列生成与所述比特序列相关联的若干脉冲，其中所述若干脉冲的长度等于所述比特序列的长度；以及DMPSK调制器，被配置为通过使用差分数据符号的相位对所述若干脉冲进行调制，来生成调制信号。
本发明提供一种超宽带(UWB)接收机的用于处理经由UWB网络接收到的基带信号的方法，包括：使用差分器通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列；并且使用解扩频器通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
本发明提供一种超宽带(UWB)系统的接收机，包括：差分器，被配置为通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列；以及解扩频器，被配置为通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
本发明提供一种超宽带(UWB)系统和方法。在一个方面中，一种低占空比的UWB发射机的用于生成调制信号的方法包括：使用低占空比的UWB发射机的差分扩频编码器，基于参考比特序列对比特序列的相位进行编码。该方法包括：使用低占空比的UWB发射机的脉冲发生器，基于经编码的比特序列的相位生成与该比特序列相关联的若干脉冲，其中脉冲的数目等于该比特序列的长度。而且，该方法包括：由低占空比的UWB发射机的DMPSK调制器通过使用差分数据符号的相位对所述若干脉冲进行调制，来生成调制信号。
该方法可以包括：由低占空比的UWB发射机的相位检测器使用经编码的比特序列的相位，从DMPSK表格中选择随机相位值。此外，该方法可以包括：使用低占空比的UWB发射机的比特加扰器通过将该随机相位值乘以调制信号的相位值，来对该调制信号进行加扰。
在另一个方面中，一种低占空比的UWB系统的发射机包括差分扩频编码器，其用于基于参考比特序列对比特序列的相位进行编码。该发射机还包括脉冲发生器，其用于使用经编码的比特序列的相位生成与该比特序列相关联的若干脉冲，其中脉冲的数目等于该比特序列的长度。此外，该发射机包括DMPSK调制器，其用于通过使用差分数据符号的相位对所述若干脉冲进行调制，来生成调制信号。
该发射机可以包括相位检测器，用于使用经编码的比特序列的相位，从DMPSK表格中选择随机相位值。而且，该发射机可以包括比特加扰器，用于通过将该随机相位值乘以调制信号的相位值，来对该调制信号进行加扰。
在另一方面中，一种低占空比的UWB接收机的用于处理经由UWB网络接收到的基带信号的方法包括：使用差分器通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列。该方法还包括：使用解扩频器通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
该方法可以包括：使用比特解扰器对接收到的基带信号进行解扰以消除接收到的基带信号中的随机相位值。此外，该方法可以包括：从利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列中滤除一个或多个频率，以消除残余的脉冲形状的频率特性。
在另一方面中，一种低占空比的UWB系统的接收机包括差分器，用于通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列。该接收机还包括解扩频器，用于通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
而且，该接收机可以包括比特解扰器，用于对接收到的基带信号进行解扰以消除接收到的基带信号中的随机相位值。此外，该接收机可以包括低通滤波器，用于从利差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列中滤除一个或多个频率，以消除残余的脉冲形状的频率特性。
从附图和后面的详细描述中，实施例的其它特征将很明显。
有益效果
本发明提供一种可适应的(adaptable)超宽带(UWB)系统和方法。
附图说明
图1根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比超宽带(UWB)系统中的示例性发射机的框图。
图2根据一个实施例示出图1的发射机中使用的差分扩频编码器的分解图。
图3根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比UWB系统中的示例性接收机的框图。
图4根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比UWB系统中的示例性发射机的操作过程。
图5根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比UWB系统中的示例性接收机的操作过程。
具体实施方式
本发明提供一种超宽带通信系统和方法。在下面对本发明的实施例的详细描述中，对构成其一部分的附图进行参考，在附图中，通过图解可以实践本发明的特定实施例来示出本发明的实施例。足够详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实践本发明，并且要理解：可以使用其他的实施例并且可以进行对其改变而不脱离本发明的范围。因此，以下详细描述不是为了限制，并且本发明的范围仅仅由所附权利要求来限定。
图1根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比超宽带(UWB)系统中的发射机100的框图。图4根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比UWB系统中的示例性发射机的操作过程。在图1中，发射机100包括差分扩频编码器102、脉冲发生器104、差分调制相移键控(differentially modulated phase shift keying，DMPSK)调制器106、比特加扰器(bitscrambler)108、相位检测器110、数模转换器112和功率放大器114。
在示例性操作中，差分扩频编码器102基于存储在与差分扩频编码器102相关联的存储器中的参考比特序列对比特序列的相位进行编码(图4中的步骤401)。在一个示例性实施方案中，参考比特序列可以是存储在存储器中的预先定义的比特序列并且被用于对第一比特序列的相位进行编码。在另一个示例性实施方案中，参考比特序列可以是存储在存储器中的先前的比特序列并且被用于对当前的比特序列的相位进行编码。差分扩频编码器102以接收机可以得到具有期望的循环自相关性的扩频序列的方式对比特序列的相位进行编码。在图2中更加详细地描述对比特序列的相位进行编码的过程。差分扩频编码器102将经编码的比特序列的相位转发给脉冲发生器104。
脉冲发生器104基于经编码的比特序列的相位生成与比特序列相关联的若干脉冲。要理解：所生成的脉冲的数目等于比特序列的长度(图4中的步骤403)。在一个实施例中，脉冲发生器104生成与比特序列相关联的啁啾脉冲或短脉冲串。啁啾脉冲载波脉冲对进行频率调制，该载波脉冲其跨越较大的带宽(>500MHz)并且具有极好的自相关性。脉冲发生器104将所生成的若干脉冲转发给DMPSK调制器106。DMPSK调制器106通过差分数据符号的相位来调制该若干脉冲并且生成调制信号(图4中的步骤405)。
此外，比特加扰器108和相位选择器110可以实现在发射机100中，以校正直流偏移并且减少调制信号中的退避(backoff)。在一些实施例中，比特被输入到比特加扰器108以产生随机化的比特。在这些实施例中，到比特加扰器108的输入可以是差分扩频编码器102以单极性(1,0)格式生成的经编码的比特序列。相位选择器110可以使用随机化的比特中的最后'k'个比特(一个比特用于DBPSK、两个比特用于DQPSK、三个比特用于D8PSK，等等)，并且使用经编码的比特序列的相位从DMPSK表格中选择随机相位值(图4中的步骤407)。
相应地，比特加扰器108通过将随机相位值乘以调制信号的相位值来对调制信号进行加扰(图4中的步骤409)。在一个示例性实施方案中，比特加扰器108可以包括线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register，LFSR)。随机化的比特可以以这种方式被输入到LFSR，即，根据LFSR中的比特得到的比特被反馈到LFSR。然后，将重新调制的信号转发到DAC 112，然后DAC112将该重新调制的信号转换成模拟形式。功率放大器114放大该模拟信号。放大的信号然后经由UWB网络被传输到接收机。
图2根据一个实施例示出图1的发射机100中使用的差分扩频编码器102的分解图。差分扩频编码器102包括存储器202、相位提取器204、扩频码模块206、DMPSK表格208和存储器210。相位提取器204从存储器202中提取参考比特序列中的比特的相位值。在一个实施例中、存储器202包括参考比特序列中的比特的相位值。扩频码模块206提供扩频码的相应比特的相位值。扩频码可以包括Kasami码、Barker码、最大长度码、等等。
相应地，差分扩频编码器102通过将参考比特序列中的比特的相位值加上扩频码的相应比特的相位值来生成中间相位值。然后，差分扩频编码器102从DMPSK表格208获得差分数据符号的相位值并且通过将中间相位值和从DMPSK表格208获得的相位值相加来生成最终的相位值。差分扩频编码器102对于参考比特序列中的所有比特重复以上步骤。最终的相位值被存储在存储器210中并且被输出到脉冲发生器104。以这种方式，差分扩频编码器102按照下面的数学算式1中给出的那样，基于存储在存储器202中的先前的比特序列对后续的比特序列的相位进行编码，数学算式1如下：
数学算式1
∠e(k,l)＝∠b(l)+∠I(k)+∠e(k-1,l)
其中,∠x表示x的相位角，e(k,l)表示具有第l个比特的第k个比特序列，b(l)表示L-元组扩频码(L-tuple spreading code)的第l个比特，并且I(k)是从DMPSK表格提取的第k个差分数据符号。
图3根据一个实施例示出基于啁啾的低占空比超宽带(UWB)系统中的接收机300的框图。图5根据一个实施例示出基于脉冲的低占空比UWB系统中的示例性接收机的操作过程。在图3中，接收机300包括模数转换器(ADC)302、差分器(differentiator)304、低通滤波器(LPF)306、解扩频器308、同步器310、检测器312和延迟单元314。接收机300可以选择性地包括比特解扰器316。
在一个示例性操作中，ADC 302将从发射机100接收的模拟基带信号转换成数字基带信号(此后称为'基带信号')。比特解扰器316对基带信号进行解扰以消除在发射机100处在基带信号中添加的随机相位值(图5中的步骤501)。然后，差分器304将基带信号中的调制基带数据符号除以调制基带数据符号以获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列(图5中的步骤503)。延迟单元314可以存储先前的调制基带数据符号，以提供给差分器。
LPF 306从用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列中滤除一个或更多个频率，以消除残余的脉冲形状的频率特性(图5中的步骤505)。然后，解扩频器308通过将参考扩频序列乘以经滤波的利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号(图5中的步骤507)。参考扩频序列可以包括Barker序列、Kasami序列和最大长度序列。能够注意到的是：同步器312(可选)和检测器314是本领域技术人员公知的，并且因此省略对它们的解释。
在各种实施例中，上述的图1至图3中的发射机和接收机对于低数据速率实现了较高的干扰抑制。本发明使用扩频和调制的阶数(order of modulation)来调整数据速率并且对于不同的数据速率保持脉冲的通-断时段(on-off period)不变。这便于使用具有一个采样速率和单个滤波器的简单ADC/DAC。而且，本发明减低了低占空比的UWB系统的总体复杂度。
虽然已经参考特定示例实施例描述了本发明的实施例，但是很显然，可以对这些实施例做出各种修改和改变，而不脱离各种实施例的更宽泛的精神和范围。此外，在这里描述的各种设备、模块、分析器、发生器等等可以使用下列各项来实现和操作，所述各项包括：硬件电路(例如，基于互补金属氧化物半导体的逻辑电路)、固件、软件和/或硬件、固件和/或具体化在机器可读介质中的软件的组合。例如，各种电气结构(electrical structure)和方法可以使用晶体管、逻辑门和电气电路(比如，专用集成电路)来实现。

Claims (22)

1.一种用于生成调制信号的低占空比的超宽带(UWB)发射机的方法，包括：
通过使用UWB发射机的差分扩频编码器基于参考比特序列和扩频序列，来生成编码的比特序列；
使用UWB发射机的脉冲发生器，基于所述编码的比特序列生成与所述比特序列相关联的多个脉冲，其中所述多个脉冲的数目等于所述比特序列的长度；以及
由UWB发射机的DMPSK调制器通过使用差分数据符号的相位对所述多个脉冲进行调制，来生成调制信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
由UWB发射机的相位检测器使用所述编码的比特序列从DMPSK表格中选择随机相位值；以及
使用UWB发射机的比特加扰器，通过将所述随机相位值乘以所述调制信号的相位值，来对所述调制信号进行加扰。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用UWB发射机的差分扩频编码器基于参考比特序列和扩频序列来生成编码的比特序列包括：
从UWB发射机的存储器中提取参考比特序列中的比特的相位值；
通过将参考比特序列中的比特的相位值加上扩频序列的相应比特的相位值来生成中间相位值；
通过将中间相位值加上从DMPSK表格获得的相位值来生成最终的相位值；
确定参考比特序列中是否还有任何比特剩余；
如果有任何比特剩余，则重复提取、生成、和确定的步骤，直到参考比特序列中的所有比特都已提取和处理为止；以及
如果参考比特序列中的所有比特都已提取和处理，则将与参考比特序列相关联的最终的相位值转发给脉冲发生器。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述参考比特序列包括存储在UWB发射机的存储器中的预先定义的比特序列。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述参考比特序列包括差分扩频编码器处理过的先前的比特序列。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述扩频序列是从由barker码、kasami码、以及最大长度码组成的组中选择的。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述多个脉冲包含啁啾脉冲或由短脉冲串构成的组。
8.一种低占空比的超宽带(UWB)系统的发射机，包括：
差分扩频编码器，被配置为基于参考比特序列和扩频序列来生成编码的比特序列；
脉冲发生器，被配置为使用所述比特序列生成与所述比特序列相关联的多个脉冲，其中所述多个脉冲的数目等于所述比特序列的长度；以及
DMPSK调制器，被配置为通过使用差分数据符号的相位对所述多个脉冲进行调制，来生成调制信号。
9.如权利要求8所述的发射机，还包括：
相位检测器，被配置为使用所述编码的比特序列从DMPSK表格中选择随机相位值；以及
比特加扰器，被配置为通过将所述随机相位值乘以调制信号的相位值，来对所述调制信号进行加扰。
10.如权利要求8所述的发射机，其中在使用UWB发射机的差分扩频编码器基于参考比特序列和扩频序列来生成编码的比特序列时，差分扩频编码器还被配置为从UWB发射机的存储器中提取参考比特序列中的比特的相位值，通过将参考比特序列中的比特的相位值加上扩频序列的相应比特的相位值来生成中间相位值，通过将中间相位值加上从DMPSK表格获得的相位值来生成最终的相位值，确定所述参考比特序列中是否有任何比特剩余，如果有任何比特剩余，则重复提取、生成和确定的步骤，直到参考比特序列中的所有比特都已提取和处理为止，并且如果参考比特序列的所有比特都已提取和处理，则将与参考比特序列相关联的最终的相位值转发给脉冲发生器。
11.如权利要求10所述的发射机，其中所述参考比特序列包括存储在UWB发射机的存储器中的预先定义的比特序列。
12.如权利要求10所述的发射机，其中所述参考比特序列包括由差分扩频编码器处理过的先前的比特序列。
13.如权利要求8所述的发射机，其中所述扩频序列是从由barker码、kasami码、以及最大长度码组成的组中选择的。
14.如权利要求8所述的发射机，其中所述多个脉冲包含啁啾脉冲或由短脉冲串构成的组。
15.一种低占空比的超宽带(UWB)接收机的用于处理经由UWB网络接收到的基带信号的方法，包括：
使用差分器通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列；并且
使用解扩频器通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述参考扩频序列是从由barker序列、kasami序列、以及最大长度序列组成的组中选择的。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
使用比特解扰器对接收到的基带信号进行解扰以消除接收到的基带信号中的随机脉冲值。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
从利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列中滤除一个或多个频率，以消除残余脉冲形状频率特性。
19.一种低占空比的超宽带(UWB)系统的接收机，包括：
差分器，被配置为通过将与基带信号相关联的当前的调制基带数据符号除以先前的调制基带数据符号，来获得利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列；以及
解扩频器，被配置为通过将参考扩频序列乘以利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列，来获得差分数据符号。
20.如权利要求19所述的接收机，其中所述参考扩频序列是从由barker序列、kasami序列、以及最大长度序列组成的组中选择的。
21.如权利要求19所述的接收机，进一步包括：
比特解扰器，被配置为对接收到的基带信号进行解扰以消除接收到的基带信号中的随机脉冲值。
22.如权利要求19所述的接收机，进一步包括：
低通滤波器，被配置为从利用差分数据符号调制的具有期望的循环自相关性的扩频序列中滤除一个或多个频率，以消除残余脉冲形状频率特性。
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