CN109073573A - 提供包含ofdm包的经反向散射信号的反向散射装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本文中所描述的实例包含可发射正交频分多路复用OFDM信号的反向散射装置。描述用于复杂模拟反向散射的技术。描述可用于根据同相及正交位提供阻抗的实分量及虚分量的阻抗电路的实例。

Description

提供包含OFDM包的经反向散射信号的反向散射装置及系统
相关申请案的交叉参考
此申请案依据35 U.S.C.§119主张2016年4月4日申请的序号为62/317,845的美国临时申请案的较早申请日的权益，出于任何目的，所述申请案的全部内容特此以其全文引用的方式并入。
关于研发的声明
本发明是根据国家科学基金会所授予的CNS-1407583及CNS-1452494在政府支持下做出的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本文中所描述的实例一般来说涉及反向散射系统及装置。描述可提供包含OFDM包的反向散射信号的反向散射装置的实例。
背景技术
OFDM信号在无线通信标准中越来越普及。然而，此通信所需的功率对完全实施各种物联网(“IoT”)或其它无处不在的感测场景可具抑制性。虽然常规上，CMOS技术缩放针对OFDM信号的通信所必需的数字逻辑系统、模拟RF组件的大小及功率消耗提供指数益处，但尚未看到类似功率缩放益处。因此，此对从传感器及移动装置发射OFDM信号可具抑制性。
发明内容
本文中描述反向散射装置的实例。实例性反向散射装置可包含：天线；基带电路，其经配置以提供对应于用于发射的数据的同相位及正交位；第一电路，其耦合到所述天线及所述基带电路，且经配置以提供天线阻抗的对应于所述同相位的实分量；及第二电路，其耦合到所述天线及所述基带电路，且经配置以提供所述天线阻抗的对应于所述正交位的虚分量。
在一些实例中，所述基带电路包含：第一组合器，其经配置以通过组合所述数据中的至少一些与第一副载波方波而进行上变频；及第二组合器，其经配置以对所述数据中的至少一些与第二副载波方波进行上变频，所述第二副载波方波与所述第一副载波方波具有90度相移。
在一些实例中，所述第一电路包括耦合到所述天线的晶体管，且其中所述晶体管包含经配置以基于所述同相位的模拟转换而接收电压的栅极。
在一些实例中，所述第一电路包括并联连接的多个二进制加权晶体管，且所述多个二进制加权晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述同相位中的相应一者。
在一些实例中，所述第一电路包括多个晶体管，其各自经配置以基于相应栅极电压将多个电阻器中的相应一者耦合到所述天线，且所述多个晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述同相位中的相应一者。
在一些实例中，所述第二电路包括：晶体管，其耦合到所述天线；及变容二极管，其耦合于所述天线与参考电压之间，且所述晶体管包含经配置以基于所述正交位的模拟转换而接收电压的栅极。
在一些实例中，所述第二电路包括：晶体管，其耦合到所述天线，及电容器，其耦合于所述天线与参考电压之间，且所述晶体管包含经配置以基于所述正交位的模拟转换而接收电压的栅极。
在一些实例中，所述第二电路包括多个晶体管，其各自经配置以基于相应栅极电压将多个电容器中的相应一者耦合到所述天线，且所述多个晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述正交位中的相应一者。
在一些实例中，所述多个电容器包括多个二进制加权电容器。
本文中描述系统的实例。实例性系统可包含经配置以发射载波信号的帮助器装置及反向散射装置。所述反向散射装置可包含：天线，其经定位使得所述载波信号入射于所述天线上；基带电路，其经配置以基于用于发射的数据提供同相位及正交位；及阻抗电路，其经配置以提供天线阻抗的对应于所述同相位的实分量及所述天线阻抗的对应于所述正交位的复分量，使得所述反向散射装置经配置以将所述载波信号反向散射以形成包含正交频分多路复用(OFDM)包的反向散射信号。
在一些实例中，所述基带电路包含经配置以将所述同相及正交位转换成经转换模拟同相及正交位的模/数转换器，且所述阻抗电路进一步经配置以接收所述经转换模拟同相及正交位作为输入。
在一些实例中，所述阻抗电路包括耦合到所述天线的晶体管，所述晶体管经配置以在所述晶体管的栅极处接收所述经转换模拟同相位。
在一些实例中，所述阻抗电路包括：电感器，其耦合到所述天线；及变容二极管，其耦合于所述天线与参考电压之间，且所述电感器经配置以接收所述经转换模拟正交位。
在一些实例中，所述晶体管包括第一晶体管，且所述阻抗电路进一步包括：第二晶体管，其耦合到所述天线；及电容器，其耦合于所述第二晶体管与参考电压之间，且所述第二晶体管经配置以在所述第二晶体管的栅极处接收所述经转换正交位。
在一些实例中，所述基带电路经配置以将所述同相及正交位作为数字位提供到所述阻抗电路。
在一些实例中，所述阻抗电路包括：第一多个晶体管，其耦合到所述天线；及多个电容器，其各自耦合于所述第一多个晶体管中的相应一者与参考电压之间，所述第一多个晶体管经配置以在所述第一多个晶体管的相应栅极处接收所述正交位且基于所述正交位将所述多个电容器中的选定一者耦合到所述天线。
在一些实例中，所述阻抗电路包括：第二多个晶体管，其耦合到所述天线；及多个电阻器，其各自耦合于所述第二多个晶体管中的相应一者与所述参考电压之间，所述第二多个晶体管经配置以在所述第二多个晶体管的相应栅极处接收所述同相位且基于所述同相位将所述多个电阻器中的选定一者耦合到所述天线。
在一些实例中，所述阻抗电路包括耦合到所述天线的第二多个晶体管，其各自耦合于所述天线与所述参考电压之间，所述第二多个晶体管经配置以在所述第二多个晶体管的相应栅极处接收所述同相位且基于所述同相位使用所述第二多个晶体管提供一定量的电阻。
本文中描述方法的实例。实例性方法可包含：在反向散射装置处产生用于发射的数据；对所述数据执行基带操作以产生对应于所述数据的同相及正交位；及根据所述同相及正交位调制天线的阻抗以将入射载波信号反向散射，从而提供对应于所述数据的包含OFDM包的经反向散射信号。
在一些实例中，所述产生数据包括从接近所述反向散射装置的环境感测数据。
在一些实例中，所述调制所述阻抗包括基于所述同相位将一定量的电阻耦合到所述天线。
在一些实例中，所述调制所述阻抗包括基于所述正交位将一定量的电容耦合到所述天线。
一些实例可进一步包含将所述同相及正交位转换成经转换模拟同相及正交位，且其中所述调制包括根据所述经转换模拟同相及正交位调制所述阻抗。
附图说明
图1是根据本文中所描述的实例布置的系统的示意性图解。
图2是根据本文中所描述的实例布置的反向散射装置的示意性图解。
图3是根据本文中所描述的实例布置的基带电路的实例。
图4是根据本文中所描述的实例布置的可用于使天线阻抗的实分量变化的电路的示意性图解。
图5是可提供天线处的阻抗的虚分量的阻抗电路的实例的示意性图解。
图6是根据本文中所描述的实例布置的提供阻抗的实分量及虚分量两者的阻抗电路的两个实例性架构的示意性图解。
图7是根据本文中所描述的实例布置的提供阻抗的实分量及虚分量两者的的阻抗电路的两个实例性架构的示意性图解。
具体实施方式
下文陈述特定细节以提供对本发明的实施例的充分理解。然而，所属领域的技术人员将清楚可在不具有这些特定细节中的各种细节的情况下实践本发明的实施例。在一些实例中，未详细展示众所周知的电路、控制信号、时序协议及软件操作以便避免不必要地使本发明的所描述实施例模糊不清。
本文中所描述的实例包含可发射正交频分多路复用(OFDM)信号的反向散射装置。因此，描述低功率OFDM发射器。描述可允许以比现用无线电低数个数量级的功率将任意波形反向散射的技术。举例来说，在一些实例中，可发射可允许反向散射装置根据IEEE802.11 b/g/n/ac/ah Wi-Fi标准及/或4G LTE通信的OFDM包。
虽然常规上，CMOS技术缩放针对可用于无线电通信的数字逻辑系统、模拟射频(RF)组件的大小及功率消耗提供指数益处，但通常未看到类似功率缩放益处。因此，传感器及移动装置上的无线电发射器及接收器仍可消耗数百毫瓦特的功率。为了减少此功率需要，本文中所描述的实例将数字基带与功率消耗RF组件解耦。将功率消耗RF功能性及RF组件委派给网络中的一或多个帮助器装置，且本文中所描述的反向散射装置可仅执行基带功能。因此，在一些实例中可实现发射器及接收器两者的功率消耗的数个数量级的减少。本文中所描述的实例包含Wi-Fi OFDM发射器。然而，本文中所描述的技术可在包含使用OFDM的协议(例如LTE标准)的协议的范围中使用。
本文中所描述的实例可使用反向散射通信提供OFDM包的合成。一般来说，在一些实例中，OFDM包可被视为可在数字基带中以低功率产生的两个正交模拟信号。本文中所描述的技术可用于将对应于OFDM包的复数I/Q模拟值反向散射，且这些OFDM包可在标准802.11顺应Wi-Fi无线电上解码。
图1是根据本文中所描述的实例布置的系统的示意性图解。系统102包含帮助器装置104、接收器106、反向散射装置108及反向散射装置110。在操作期间，帮助器装置104发射载波信号。反向散射装置108及/或反向散射装置110可将载波信号反向散射成可遵循无线通信协议的发射，例如正交频分多路复用(OFDM)信号。来自反向散射装置108及/或反向散射装置110的发射可由接收器106接收。以此方式，接收器106可为能够接收以由反向散射装置108及/或反向散射装置110发射的协议布置的无线通信信号(例如，OFDM)的任何电子装置(例如，无线通信装置)。因此，反向散射装置可使用无线通信协议向常规电子装置(例如，无线通信装置)发射。
OFDM信号通常指具有在多个频率上使用正交频分多路复用技术编码的数据的无线通信信号。OFDM信号用于电气与电子工程师学会的802.11 Wi-Fi标准，例如但不限于802.11b、802.11g、802.11ac及/或802.11ah。OFDM信号还可用于实施移动通信标准，例如4G长期演进(LTE)。
帮助器装置104可使用本文中所描述的能够提供载波信号的任何电子装置(例如，无线通信装置)来实施。帮助器装置的实例包含但不限于路由器、移动通信装置(例如移动电话或平板计算机)、计算机及/或膝上型计算机。帮助器装置104可通常具有有线电源，尽管在一些实例中，帮助器装置104可为电池供电式的。一般来说，帮助器装置104可具有用以产生载波信号的充足功率。单个帮助器装置可将载波信号提供到多于一个如本文中所描述的反向散射装置。尽管图1中展示单个帮助器装置104，但在一些实例中可使用任何数目个帮助器装置。
帮助器装置104通常包含RF组件(例如频率合成器及/或功率放大器)，那么在反向散射装置108及/或反向散射装置110处可不需要所述RF组件。以此方式，帮助器装置104可为任何数目个反向散射装置(例如反向散射装置108及反向散射装置110)提供RF功能。
由帮助器装置104提供的载波信号可为可由反向散射装置108及/或反向散射装置110反向散射以形成OFDM信号的各种无线信号中的任一者。载波信号可为连续波信号。在一些实例中，连续波信号的一或多个特性(例如，频率、振幅及/或相位)可根据接收器106经配置以接收的特定无线协议及/或频率及/或振幅及/或相位来选择。在一些实例中，载波信号可为单频调信号。在一些实例中，载波信号可为无数据信号。举例来说，可由接收器解码的数据可未编码于载波信号中。
反向散射装置108及反向散射装置110可使用具有反向散射通信能力的任何装置(例如但不限于，标签、移动通信装置(例如移动电话或平板计算机)、计算机及/或膝上型计算机)来实施及/或与所述装置一起实施。可实施具有反向散射通信能力的其它装置，包含但不限于传感器、可穿戴式装置(例如手表、眼镜、隐形眼镜)及/或医疗植入物。预期反向散射装置可具有充分小的形式因子及低功率需要以便能够并入任何物体中或附接到任何物体且为所述物体提供通信功能性及/或提供与所述物体相关联的通信功能性。以此方式，反向散射装置可放置于环境中的任何地方，且促进物联网(IoT)及/或其它无处不在的传感器功能性。尽管图1中展示两个反向散射装置，但应理解，可使用任何数目个反向散射装置，包含一个反向散射装置。在其它实例中，系统102中可存在10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个或更多个反向散射装置。
一般来说，反向散射装置(例如反向散射装置108及反向散射装置110)用于为载波信号呈现变化的阻抗，使得(举例来说)对载波信号执行各种操纵(例如，吸收、反射等)且可将载波信号反向散射成数据载运信号。因此，在一些实例中，数据载运信号可通过反向散射仅使用更改反向散射装置的天线处的阻抗所需的能量来提供。以此方式，反向散射装置可以比所述反向散射装置自身产生载波信号的情况低的功率发射数据载运信号。
本文中所描述的反向散射装置(例如反向散射装置108及反向散射装置110)可通常为超低功率装置。举例来说，本文中所描述的反向散射装置可消除或减少对功率紧缺通信组件(例如，可存在于帮助器装置104中的RF信号产生器、混频器、模/数转换器等)的需要。以此方式，本文中所描述的反向散射装置可消耗数微瓦特的功率来发射数据，这可利用反向散射装置的通信能力而改善组件(例如，传感器)的电池寿命。反向散射装置可执行数字基带操作，例如编码及/或调制。
由反向散射装置108及/或反向散射装置110反向散射的反向散射信号可为根据OFDM技术将数据编码的信号。在一些实例中，经反向散射信号可包含可基于由接收器106实施的特定协议或标准在接收器106处解码的一或多个OFDM包。在一些实例中，经反向散射信号可包含在反向散射装置108及/或反向散射装置110处(例如，由反向散射装置108及/或反向散射装置110的传感器)检测的数据。
本文中所描述的反向散射装置及/或帮助器装置(例如反向散射装置108、反向散射装置110及/或帮助器装置104)可各自包含多个天线。以此方式，可利用天线多样性且可使用多输入多输出(MIMO)技术。举例来说，帮助器装置104可基于无线信道跨越多个天线散布载波信号，这可改善从帮助器装置104到反向散射装置108及/或110到接收器106的无线信号传播。
接收器106可使用能够接收OFDM信号的任何电子装置来实施。一般来说，任何电子装置(例如，无线通信装置)可用于实施接收器106，包含但不限于接入点、路由器、集线器、移动通信装置(例如移动电话或平板计算机)、计算机及/或膝上型计算机。在一些实例中，帮助器装置104、接收器106及反向散射装置108及/或反向散射装置110可为物理上分离的装置。
虽然展示为与帮助器装置104分离的装置，但在一些实例中，帮助器装置104及接收器106可集成在一起及/或可为相同装置。举例来说，在某一实例中，电子装置可包含多个天线。在一些实例中，一或多个天线可提供载波信号(例如，提供帮助器装置104)，而在一些实例中，不同于提供载波信号的那些天线的一或多个天线可接收由一或多个反向散射装置发射的信号(例如，提供接收器106)。在一些实例中，帮助器装置及接收器可集成为单个装置。消除电路可提供于集成装置中以抑制(例如，消除)由接收器处的帮助器装置发射的载波信号。
接收器106可在存在来自由帮助器装置104发射的载波信号的干扰的情况下接收来自反向散射装置108及/或反向散射装置110的发射。在一些实例中，接收器106可使用专用硬件(例如，全双工无线电)来消除此干扰信号，然而，所述专用硬件可能不与现有Wi-Fi装置兼容。在一些实例中，帮助器装置104可提供由在用于反向散射装置108及/或反向散射装置110的发射的所要频道之外的频率构成的载波信号(例如，单频调或多频率信号)。这可确保及/或帮助接收器106抑制来自帮助器装置104的带外干扰。
在一些实例中，本文中所描述的帮助器装置104及接收器106可随时间改变功能性。举例来说，虽然帮助器装置104可如参考帮助器装置所描述地起作用，但在一些实例中，帮助器装置104可有时用作接收器而接收器106可有时用作帮助器装置。举例来说，可使用具有多个操作模式的路由器(例如，Wi-Fi路由器)。在一个操作模式中，路由器可用于实施帮助器装置104，而在另一模式中，路由器可用于实施接收器106。在一些实例中，同一装置可时分多路复用其功能性，使得帮助器装置104可与接收器106集成及/或合并在一起。
在一些实例中，多个帮助器装置及/或接收器可存在于系统中。在一些实例中，单个装置(例如，路由器)可在特定时间充当帮助器装置且在其它时间充当接收器。在一些实例中，多个(例如，两个)装置可存在于系统中，其各自能够充当帮助器装置或接收器。举例来说，所述装置可在一个模式中用作帮助器装置(例如，经配置以发射载波信号)，且在第二模式中用作接收器(例如，经配置以接收经反向散射信号)。因此，两个装置可在任一时间实例中交替充当帮助器装置。举例来说，在一个时间，路由器1可用作帮助器装置而路由器2可用作接收器，且在另一时间实例中，角色可颠倒。在一些实例中，可使用不同时间分配，且在一些实例中可存在较大数目个路由器。
在具有多个帮助器装置及/或接收器的实例中，帮助器装置及/或接收器可跨越区域定位以最大化及/或改善载波信号的空间覆盖及/或用于经反向散射信号的接收的空间覆盖。在一些实例中，系统中的所述多个帮助器装置中的帮助器装置可基于候选帮助器装置与反向散射装置的接近度经选择以充当帮助器装置(在一些实例中，所述选择可为特定反向散射装置或反向散射装置群组特有的)。在一些实例中，所述选择可基于所述多个帮助器装置中比所述多个帮助器装置中的另一者具有对经反向散射信号的更佳接收的候选帮助器装置而做出。
图2是根据本文中所描述的实例布置的反向散射装置的示意性图解。反向散射装置202包含且天线、基带电路204及阻抗电路208。在操作期间，反向散射装置202可提供数据206，数据206可由基带电路204及阻抗电路208操作以调制天线的阻抗以便将载波信号反向散射且提供包含含有数据206的OFDM包的经反向散射信号。在一些实例中，反向散射装置202可用于实施图1的反向散射装置108及/或反向散射装置110及/或可由图1的反向散射装置108及/或反向散射装置110实施。
数据206可由反向散射装置202提供及/或被传递到反向散射装置202。举例来说，反向散射装置202可与传感器通信及/或与传感器集成在一起，且数据206可包含关于接近反向散射装置202及/或传感器的环境的传感器数据(例如，温度、图像、视频、湿度)。
基带电路204可以基带频率操作以根据OFDM技术依据数据206产生同相(例如，I)及正交(例如，Q)位。举例来说，基带电路204可实施串行/并行转换、IFFT、到不同副载波频率的映射、循环前缀加法器、并行/串行转换器、组合器及/或模/数转换。
阻抗电路208可根据同相及正交位改变天线处的阻抗以便将入射载波信号反向散射以提供包含对应于数据206的OFDM包的反向散射信号。在一些实例中，阻抗电路208包含可提供天线阻抗的实分量的第一电路及可提供天线阻抗的虚分量的第二电路。以此方式，天线阻抗的实分量及虚分量可分别基于同相及正交位来独立地控制。图3是根据本文中所描述的实例布置的基带电路的实例。基带电路318可包含串行/并行转换器304、信号映射器与IFFT 306、循环前缀加法器与并行/串行转换器308、校准310、组合器312、组合器314及数/模转换器316。在一些实例中，基带电路318可用于实施图2的基带电路204及/或可由图2的基带电路204实施。
在操作期间，基带电路318可用于根据OFDM技术将由反向散射装置提供的数据(例如，图3的数据302及/或图2的数据206)转换成同相及正交位。因此，基带电路318通常采取输入数据、将所述数据转换成并行流、执行傅里叶逆变换(IFFT)且然后映射到副载波上。
基带电路318可使用各种组件来实施，包含编码有可执行指令以执行本文中参考串行/并行转换器304、信号映射器与IFFT 306、循环前缀加法器与并行/串行转换器308、校准310、组合器312、组合器314及/或数/模转换器316所描述的功能的一或多个处理器及存储器。所述组件中的一些或所有可利用专用硬件(例如，ASIC或其它电路)来实施。
OFDM通常指由IEEE 802.11g/n/ac/ah Wi-Fi标准用于可靠及高数据速率无线通信的调制方案。OFDM通常使用若干个并行窄带副载波代替单个宽带载波来发射信息。因此，OFDM可在处理频率选择性多路径环境时是有利的且对于对抗窄带干扰是稳健的。
OFDM包产生通常涉及加扰、卷积编码、剔除及交错操作。在一些实例中，这些操作可以基带数字在低功率下实施。在一些实例中，数据302可表示在加扰、卷积编码、剔除及交错之后的数据。为了使用OFDM将数据302编码，可将数据302分裂成对应于N个副载波的N个并行流。串行/并行转换器304可将数据302分裂成那N个并行流。通常可使用任何数目N个流。
然后，串行/并行转换器304的输出可供应到信号映射器与IFFT 306。信号映射器与IFFT 306可将来自串行/并行转换器304的并行数据映射到不同副载波且执行IFFT以提供逆变换数据。在此过程期间，信号映射器与IFFT 306可将导频符号添加到特定频格。
逆变换数据可提供到循环前缀加法器与并行/串行转换器308。循环前缀加法器与并行/串行转换器308可将包含循环前缀的保护间隔添加到逆变换数据。举例来说，循环前缀加法器与并行/串行转换器308可在开始处重复最后几个时间样本(例如，大于信道脉冲响应的大小)。循环前缀加法器与并行/串行转换器308可然后将数据转换回到串行数字数据。
串行数字数据可包含同相(例如，I0:In-1)及正交(例如，Q0:Qn-1)位流。可使用任何数目个位。在Wi-Fi标准的一些实例中，通常8位到10位的分辨率可用于标准顺应Wi-Fi包的发射。
组合器312及组合器314可分别用于将正交及同相位上变频为较高副载波频率。组合器312及组合器314可使用如图3中所展示的XOR门来实施。在其它实例中可使用其它组件，包含其它逻辑门及/或混频器。组合器312及组合器314是使用图3中所展示的XOR门实施。组合器312可对正交位与方波进行XOR运算，所述方波与由组合器314用于对同相位进行XOR运算的方波具有90度相移。方波以偏移频率Δf操作。在一些实例中，偏移频率Δf可通常为13.75MHz或更高。
在其它实例中，为了实施副载波调制，可将从循环前缀加法器与并行/串行转换器308及/或校准310输出的数字位转换成模拟域且可使用混频器在模拟域中执行上变频。然而，在一些实例中，模拟混频器可是不合意的。
在提供同相及正交位的情况下，本文中所描述的各种技术可用于使用反向散射通信发射同相及正交位。在一些实例中，数/模转换器316可将数字数据转换成模拟域。可在数字基带中实施OFDM操作，且数/模转换器316的最终输出可包含两个模拟电压-对应于同相位的Vi及对应于正交位的VQ。本文中所描述的实例包含用于使用反向散射发射此复数信号(例如，对应于同相及正交位的模拟信号)的技术。
然而，在一些实例中，由本文中所描述的阻抗电路(例如，参考图4到图7)提供的输出阻抗与输入电压(例如，从数/模转换器316输出的VQ及VI)之间的关系可并非线性的。因此，在一些实例中，可提供校准310，其可为数字域中将输入控制电压映射到反向散射网络中的相应全动态范围阻抗的校准块。校准310可根据本文中所提供的方程式、过程变化、不匹配、失真、寄生性、温度变化及其它而校正非线性。举例来说，可使用查找表或定制电路实施校准310，定制电路基于输入调整输出，使得来自数/模转换器316的模拟输出电压可与由本文中所描述的阻抗电路的实例(例如，参考图4到图7)提供的阻抗具有线性关系或接近于线性关系。在一些实例中，校准310可是例如在制造时或在现场校准的。
在一些实例中，可使用反向散射技术直接发射同相及正交位。举例来说，数/模转换操作可与反向散射调制集成在一起，且可不存在及/或使用数/模转换器316。可使用如本文中所描述的反向散射发射复数信号。
一般来说，本文中所描述的实例可产生复数反向散射信号(例如，具有实分量及虚分量的反向散射信号)。本文中所描述的帮助器装置可提供载波信号。载波信号可入射于反向散射装置(例如，反向散射装置的天线)上，且反向散射信号可通过将载波信号反向散射、通过改变反向散射装置处的天线阻抗而产生。一般来说，由天线反向散射的信号Escattered可由以下给出
Escatt ered＝kEinc(1+Γ*)
方程式1
其中Einc是入射信号(例如，载波信号)且k是将天线参数建模的系数。Г*是复反射系数且可由以下给出：
其中Za是天线的阻抗且Zin表示连接到天线的阻抗。阻抗是复数且包含实分量及虚分量。可通过使用不同方法而使连接到天线的阻抗变化。如果仅使阻抗的实部分变化，那么可提供OFDM信号的同相分量。类似地，使阻抗的虚分量变化可创建OFDM信号的正交分量。
载波信号的频率、基带频率的操作及副载波频率(例如，与基带混频的信号，举例来说，输入到组合器312及/或组合器314的方波)可根据所使用的协议而变化。
举例来说，IEEE 802.11ah协议通常在美国在915MHz ISM频带中(及/或在欧洲在868MHz频带中)操作。可提供具有介于902MHz到928MHz之间的频率的载波信号。在一些实例中，基带电路可取决于信道的带宽(例如，1/2/4/8/16MHz)以数MHz操作。在一些实例中，典型值可为1MHz或2MHz或4MHz或8MHz或者16MHz。副载波信号(例如，输入到组合器312及/或组合器314的方波)可处于类似频率范围中。作为经验法则，副载波可处于为0.75*信道带宽的频率。在其它实例中，可使用其它关系。因此，针对此协议实例，副载波频率可为0.75MHz或1.5MHz或3MHz或6MHz或者12MHz。在一些实例中，可取决于部署在不有害地影响系统的情况下使副载波频率变化。
在一些实例中，可使用IEEE 802.11g/n Wi-Fi协议，其在2.4GHz ISM频带中操作。在一些实例中，载波信号可具有介于2.4GHz到2.5GHz之间的频率。在一些实例中，基带电路可取决于信道的带宽(例如，20MHz或40MHz)而以10MHz或20MHz操作。在一些实例中，副载波信号(例如，提供到组合器312及/或组合器314的方波)可处于16.5MHz或33MHz的类似频率范围中。在一些实例中，可取决于部署在不有害地影响系统的情况下使副载波频率变化。
在一些实例中，可使用IEEE 802.11n/ac，其在5.8GHz ISM频带中操作。在一些实例中，载波信号可具有介于5.725GHz到5.875GHz之间的频率。基带电路可取决于信道的带宽(例如，20MHz或40MHz或者80MHz)而以10MHz或20MHz或者40MHz操作。在一些实例中，副载波信号(例如，提供到组合器312及/或组合器314的方波)可处于16.5MHz或33MHz或者66MHz的类似频率范围中。在一些实例中，可取决于部署在不有害地影响系统的情况下使副载波频率变化。
图4是根据本文中所描述的实例布置的可用于使天线阻抗的实分量变化的电路的示意性图解。图4包含可用于使天线阻抗的实分量变化的电路的三个实例—阻抗电路410、阻抗电路404及阻抗电路402。在一些实例中，阻抗电路410、阻抗电路404及/或阻抗电路402可用于实施图2的阻抗电路208的部分及/或可由图2的阻抗电路208的部分实施。阻抗电路410、阻抗电路404及/或阻抗电路402可调制反向散射装置的天线处的阻抗的实分量且可创建包含一或多个OFDM包的反向散射信号的同相分量。
阻抗电路410包含耦合到天线的晶体管408。晶体管408可为场效应晶体管(FET)且在一些实例中可为射频(RF)FET。施加于晶体管408的栅极处的电压可基于同相位以调制天线处的阻抗的实分量。举例来说，施加于晶体管408的栅极处的电压可基于同相位的模拟转换。举例来说，在一些实例中，施加于晶体管408的栅极处的电压可为从图3的数/模转换器316输出的VI。在一些实例中，施加于晶体管408的栅极处的电压可基于从数/模转换器316输出的VI。晶体管408可根据其栅极上的电压相应地调制连接到天线的阻抗。针对阻抗电路410中所展示的配置及栅极到源极电压VI SC，晶体管408的电阻可写为
其中Vth是晶体管408的阈值电压且kI是基于晶体管408的属性的参数(例如，载子迁移率μ、氧化物电容Cox以及宽度W及长度L)。以此方式，DAC输出VI的同相分量可用作到阻抗电路410的输入。阻抗电路410可基于数/模转换器的输出相应地调制天线处的阻抗的实分量。
阻抗电路404及阻抗电路402利用来自基带电路的数字输出(例如，图2及/或图3中所展示的Q及I位)且利用其来直接调制天线处的阻抗。以此方式，DAC功能性可集成到反向散射阻抗网络中，且在一些实例中可不需要数/模转换器316。阻抗电路404包含多个晶体管406。多个晶体管406中的每一者具有耦合到天线的漏极/源极端子。多个晶体管406可使用FET来实施，且在一些实例中可为二进制加权晶体管(例如，二进制加权FET)。举例来说，可使用数目n个FET，其可对应于来自基带电路的n位输出。多个晶体管406可经定大小(例如，其宽/长比可经选择)使得多个晶体管406中的每一者的电阻是前一晶体管(例如，从位0到位n-1)的电阻的一半。由于并联连接的一系列FET(如以多个晶体管406展示)的输入电导是其个别电导的和，因此阻抗电路404中的天线处的总体阻抗可写为：
其中参数kI可针对第0个位给出为μCoxW/L。以此方式，n个同相位(例如，图2的基带电路204的输出及/或图3的组合器314的输出)可经提供作为到多个晶体管406的输入以设定天线处的阻抗的实分量。
阻抗电路402是可用于基于同相位提供天线处的阻抗的实分量的阻抗电路的另一实例。阻抗电路402包含多个晶体管412及多个电阻器414。多个晶体管412各自具有耦合到天线的源极/漏极端子及耦合到多个电阻器414中的一者的另一源极/漏极端子。可存在数目n个晶体管及电阻器，其对应于n个同相位。多个电阻器414可为一组逆二进制加权电阻器。二进制加权电阻器可具有电阻使得每一电阻器(从位0到n-1)的电阻是前一电阻器的电阻的一半，如图4中所展示。多个晶体管412可实施为FET，其可作为开关在阻抗电路402中操作且可具有可忽略阻抗(例如，与由多个电阻器414接通的阻抗相比)。阻抗电路402中的天线处的总体阻抗可写为
同相位(例如，图2的基带电路204的输出及/或图3的组合器314的输出)可经提供作为多个晶体管412的栅极处的输入以接通多个电阻器414中的对应者。因此，阻抗电路402可基于同相位设定天线处的电阻的实分量。
图5是可提供天线处的阻抗的虚分量的阻抗电路的实例的示意性图解。图5包含可用于使天线阻抗的虚分量变化的电路的三个实例-阻抗电路502、阻抗电路504及阻抗电路506。在一些实例中，阻抗电路502、阻抗电路504及/或阻抗电路506可用于实施图2的阻抗电路208的部分及/或可由图2的阻抗电路208的部分实施。阻抗电路502、阻抗电路504及/或阻抗电路506可调制反向散射装置的天线处的阻抗的虚分量且可创建包含一或多个OFDM包的反向散射信号的正交分量。
阻抗电路502使用数/模转换器(例如，图3的数/模转换器316)的正交相模拟输出来调制连接到天线的阻抗的虚分量。因此，阻抗电路502可使用正交位的模拟转换来调制天线的阻抗的虚分量。阻抗电路502包含耦合于天线与输入模拟正交电压VQ之间的电感器508。阻抗电路502进一步包含耦合于天线与参考电压(例如，接地)之间的变容二极管510。变容二极管510可调制连接到天线的电容。电感器508可充当高通滤波器，其可隔离数/模转换器(例如，图3的数/模转换器316)的输出与传入RF信号。连接到阻抗电路502中的天线的输入阻抗可写为
其中Cvar是变容二极管的电容且VQ SC是来自数/模转换器(例如，数/模转换器316)的经模拟转换正交位。是内建电位，C0是零偏置电容，且m指LogC对LogV曲线的斜率，其通常用于计算变容二极管电容。
阻抗电路504还使用经模拟转换正交位(例如，DAC的正交输出)。阻抗电路504包含晶体管512及电容器514。晶体管512可为FET且可具有耦合到反向散射装置的天线的源极/漏极。另一源极/漏极可耦合到电容器514。因此，电容器514可与晶体管512串联。电容器514可耦合于晶体管512与参考电压(例如，接地)之间。经模拟转换正交位(例如，图3的数/模转换器316的正交输出)可提供到晶体管512的栅极。由天线经历的输入阻抗可根据经模拟转换正交位相应地变化且可写为
因此，阻抗电路504可用于根据正交位使天线处的阻抗的复分量变化。
在一些实例中，阻抗电路506可用于根据正交位提供反向散射装置天线处的阻抗的复分量。当使用阻抗电路506时，数字正交位自身可用作到阻抗电路506的输入，且相应地可不需要数/模转换器(例如，数/模转换器316)。
阻抗电路506包含多个晶体管516及多个电容器518。多个晶体管516各自具有耦合到天线的源极/漏极端子，且另一源极/漏极端子耦合到多个电容器518中的一者。可存在n数目个晶体管及电阻器，其对应于n个正交位。多个电容器518可为一组二进制加权电容器。二进制加权电容器可具有电容，使得每一电容器(从位0到n-1)的电容是前一电容器的电容的两倍，如图5中所展示。多个晶体管516可实施为FET，其可作为开关在多个晶体管516中操作且可具有可忽略阻抗(例如，与由多个电容器518接通的阻抗相比)。阻抗电路506中的天线处的总体阻抗可写为
正交位(例如，图2的基带电路204的输出及/或图3的组合器312的输出)可经提供作为多个晶体管516的栅极处的输入以接通多个电容器518中的对应者。因此，阻抗电路506可基于正交位设定天线处的电阻的虚分量。
如本文中所描述，阻抗电路可用于基于同相及正交位产生天线处的阻抗的实分量及虚分量。阻抗的实分量及虚分量可经组合以合成OFDM包。因此，本文中所描述的反向散射装置的天线可耦合到两组电路-一组用以根据同相位提供阻抗的实分量且另一组用以根据正交位提供阻抗的虚分量。在一些实例中，I/Q数/模转换器(DAC)(例如，图3的数/模转换器316)可用于将模拟输出值提供到阻抗电路以产生OFDM包。因此，在本文中所描述的实例中，I/Q DAC可与RF反向散射开关集成在一起以提供集成反向散射开关网络以便合成OFDM包。
因此，一些实例利用模拟输出值作为到阻抗电路的输入来产生阻抗的实分量及虚分量两者。基带电路(例如，图3的基带电路318)可用于合成数字域中的OFDM包。数字数据可上变频为副载波频率(例如，利用组合器312及组合器314)。经上变频数据可例如由数/模转换器316转换为模拟域以基于同相及正交位(例如，I、Q)提供同相模拟电压(例如，VI SC)及正交相模拟电压(VQ SC)。同相及正交相模拟电压可经组合以产生OFDM包。
因此，两个阻抗电路组件可耦合到反向散射装置天线-一个用以根据来自基带电路的同相位提供阻抗的实分量，且另一个用以根据来自基带电路的正交位提供阻抗的虚分量。
图6是根据本文中所描述的实例布置的提供阻抗的实分量及虚分量两者的阻抗电路的两个实例性架构的示意性图解。阻抗电路602提供两者均耦合到天线的阻抗电路502及阻抗电路410，其中阻抗电路502可根据经模拟转换正交位提供阻抗的虚分量，且阻抗电路410可根据经模拟转换同相位提供阻抗的实分量。如本文中所描述的阻抗电路410可利用单个FET来产生同相分量。如本文中所描述的阻抗电路502可使用变容二极管来产生正交相分量。阻抗电路410及阻抗电路502并联连接且由阻抗电路602中的天线经历的阻抗可写为
阻抗电路604提供可根据正交同相位使天线阻抗的复分量及虚分量两者变化的阻抗电路的另一实例。阻抗电路604提供两者均耦合到天线的阻抗电路504及阻抗电路410，其中阻抗电路504可根据经模拟转换正交位提供阻抗的虚分量，且阻抗电路410可根据经模拟转换同相位提供阻抗的实分量。如本文中所描述的阻抗电路410可利用单个FET来产生同相分量。如本文中所描述的阻抗电路504可使用另一晶体管来产生正交相分量。阻抗电路410及阻抗电路504是并联连接且由阻抗电路604中的天线经历的阻抗可写为
在阻抗电路602及阻抗电路604两者中，经转换模拟同相及正交位(例如，VI SC及VQ SC)可用作到阻抗电路的输入以控制天线阻抗的实分量及虚分量。此阻抗转化为由天线反向散射的信号(如可由方程式2给出)及复波形，例如OFDM包可由本文中所描述的反向散射装置发射。
如本文中所描述，在一些实例中，可不使用基带数/模转换器(例如，图3的数/模转换器316)。替代地，循环前缀加法器与并行/串行转换器308及/或组合器312及组合器314的输出(及/或校准310的输出)可为对应于同相及正交位的n位数字输出。那些位自身可充当到本文中所描述的阻抗电路的实例的输入。
举例来说，同相位可经提供作为到用于接通电阻器(或电阻元件)的多个晶体管的输入以提供阻抗(举例来说，图4的阻抗电路402)的实分量。正交位可经提供作为到用于接通电容器的多个晶体管的输入以提供阻抗(举例来说，图5的阻抗电路506)的虚分量。
图7是根据本文中所描述的实例布置的提供阻抗的实分量及虚分量两者的阻抗电路的两个实例性架构的示意性图解。阻抗电路702包含并联耦合以提供阻抗的实分量及虚分量的阻抗电路402及阻抗电路506。阻抗电路402可利用如本文中所描述的二进制加权电阻器，且阻抗电路506可利用如本文中所描述的二进制加权电容器。
阻抗电路702的反向散射开关网络的总输入阻抗可写为：
因此，阻抗电路702可用于实施反向散射开关网络中(例如，阻抗电路自身中)的数/模(DAC)转换器。
阻抗电路704分别利用阻抗电路404及阻抗电路506来提供阻抗的实分量及虚分量。阻抗电路404可利用充当电阻器的二进制加权经定大小FET且可用于根据同相位使阻抗的实分量变化。阻抗电路506可接通电容器以根据正交位使阻抗的虚分量变化。阻抗电路704的此反向散射开关网络的输入阻抗可写为：
由同相及正交位控制的此阻抗转化为由天线反向散射的信号，如可(举例来说)由方程式2给出。因此，本文中所描述的反向散射装置可发射复波形，例如OFDM包。数字域中的校准块(例如，校准310)可用于将输入控制电压映射为反向散射网络中的相应全动态范围阻抗。校准310可根据本文中所描述的方程式、过程变化、不匹配、失真、寄生性、温度变化及其它校正非线性。
因此，在一些实例中，本文中所描述的装置、系统及方法可减少发射OFDM包所需的功率。模拟RF前端可与基带分开且功率紧缺操作可委派给帮助器装置。复杂模拟反向散射技术可用于使用与传统Wi-Fi无线电相比可提供数个数量级的低功率的反射产生OFDM包。这可允许反向散射装置根据802.11g/n/ac/ah Wi-Fi及LTE协议通信。
从上文应了解，尽管本文中出于图解说明的目的已描述本发明的特定实施例，但可在不背离本发明的精神及范围的情况下做出各种修改。

Claims (23)

1.一种反向散射装置，其包括：
天线；
基带电路，其经配置以提供对应于用于发射的数据的同相位及正交位；
第一电路，其耦合到所述天线及所述基带电路，且经配置以提供天线阻抗的对应于所述同相位的实分量；及
第二电路，其耦合到所述天线及所述基带电路，且经配置以提供所述天线阻抗的对应于所述正交位的虚分量。
2.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述基带电路包含：第一组合器，其经配置以通过组合所述数据中的至少一些与第一副载波方波而进行上变频；及第二组合器，其经配置以对所述数据中的至少一些与第二副载波方波进行上变频，所述第二副载波方波与所述第一副载波方波具有90度相移。
3.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第一电路包括耦合到所述天线的晶体管，且其中所述晶体管包含经配置以基于所述同相位的模拟转换而接收电压的栅极。
4.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第一电路包括并联连接的多个二进制加权晶体管，且其中所述多个二进制加权晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述同相位中的相应一者。
5.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第一电路包括多个晶体管，所述多个晶体管各自经配置以基于相应栅极电压将多个电阻器中的相应一者耦合到所述天线，且其中所述多个晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述同相位中的相应一者。
6.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第二电路包括：晶体管，其耦合到所述天线；及变容二极管，其耦合于所述天线与参考电压之间，其中所述晶体管包含经配置以基于所述正交位的模拟转换而接收电压的栅极。
7.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第二电路包括：晶体管，其耦合到所述天线；及电容器，其耦合于所述天线与参考电压之间，其中所述晶体管包含经配置以基于所述正交位的模拟转换而接收电压的栅极。
8.根据权利要求1所述的反向散射装置，其中所述第二电路包括多个晶体管，所述多个晶体管各自经配置以基于相应栅极电压将多个电容器中的相应一者耦合到所述天线，且其中所述多个晶体管各自经配置以在其栅极处接收所述正交位中的相应一者。
9.根据权利要求8所述的反向散射装置，其中所述多个电容器包括多个二进制加权电容器。
10.一种系统，其包括：
帮助器装置，其经配置以发射载波信号；及
反向散射装置，其包括：
天线，其经定位使得所述载波信号入射于所述天线上；
基带电路，其经配置以基于用于发射的数据提供同相位及正交位；及
阻抗电路，其经配置以提供天线阻抗的对应于所述同相位的实分量及所述天线阻抗的对应于所述正交位的复分量，使得所述反向散射装置经配置以将所述载波信号反向散射以形成包含正交频分多路复用OFDM包的反向散射信号。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述基带电路包含经配置以将所述同相及正交位转换成经转换模拟同相及正交位的模/数转换器，且其中所述阻抗电路进一步经配置以接收所述经转换模拟同相及正交位作为输入。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述阻抗电路包括耦合到所述天线的晶体管，所述晶体管经配置以在所述晶体管的栅极处接收所述经转换模拟同相位。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述阻抗电路包括：电感器，其耦合到所述天线；及变容二极管，其耦合于所述天线与参考电压之间，且其中所述电感器经配置以接收所述经转换模拟正交位。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述晶体管包括第一晶体管，且其中所述阻抗电路进一步包括：第二晶体管，其耦合到所述天线；及电容器，其耦合于所述第二晶体管与参考电压之间，且其中所述第二晶体管经配置以在所述第二晶体管的栅极处接收所述经转换正交位。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述基带电路经配置以将所述同相及正交位作为数字位提供到所述阻抗电路。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述阻抗电路包括：第一多个晶体管，其耦合到所述天线；及多个电容器，其各自耦合于所述第一多个晶体管中的相应一者与参考电压之间，所述第一多个晶体管经配置以在所述第一多个晶体管的相应栅极处接收所述正交位且基于所述正交位将所述多个电容器中的选定一者耦合到所述天线。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述阻抗电路包括：第二多个晶体管，其耦合到所述天线；及多个电阻器，其各自耦合于所述第二多个晶体管中的相应一者与所述参考电压之间，所述第二多个晶体管经配置以在所述第二多个晶体管的相应栅极处接收所述同相位且基于所述同相位将所述多个电阻器中的选定一者耦合到所述天线。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述阻抗电路包括耦合到所述天线的第二多个晶体管，其各自耦合于所述天线与所述参考电压之间，所述第二多个晶体管经配置以在所述第二多个晶体管的相应栅极处接收所述同相位且基于所述同相位使用所述第二多个晶体管提供一定量的电阻。
19.一种方法，其包括：
在反向散射装置处产生用于发射的数据；
对所述数据执行基带操作以产生对应于所述数据的同相及正交位；及
根据所述同相及正交位调制天线的阻抗以将入射载波信号反向散射，从而提供对应于所述数据的包含OFDM包的经反向散射信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述产生数据包括从接近所述反向散射装置的环境感测数据。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述调制所述阻抗包括基于所述同相位将一定量的电阻耦合到所述天线。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述调制所述阻抗包括基于所述正交位将一定量的电容耦合到所述天线。
23.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括将所述同相及正交位转换成经转换模拟同相及正交位，且其中所述调制包括根据所述经转换模拟同相及正交位来调制所述阻抗。
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