CN115333557A - 一种uwb设备的唤醒收发机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种UWB设备的唤醒收发机系统，属于UWB通信定位技术领域。所述系统包括：唤醒发射机和唤醒接收机；所述唤醒发射机用于发射所述唤醒接收机所能识别的UWB信号；所述唤醒接收机用于接收所述唤醒发射机所发射的UWB信号并从中检测对应本机的序列码以唤醒主接收机；其中，所述唤醒发射机可与主发射机共用多个模块。本发明基于UWB信号，具有总体结构简单，易于实现，成本低的优点。

Description

一种UWB设备的唤醒收发机系统
技术领域
本发明属于UWB通信定位技术领域，特别提出一种UWB设备的唤醒收发机系统。
背景技术
UWB通信定位系统中，很多设备由电池供电，电池使用时长是一个非常重要的指标,因此如何降低设备的平均功耗是一个重要的技术问题。
UWB(Ultra Wide Band,UWB)是一种由脉冲组成的无线信号。它在时域上信号非常集中，占空比低。但在频域上很宽，最小499.2MHz。它的发射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。
对于一般电子设备，延长续航时间有两类方法，该两类手段可以单独或组合使用：一种是基于占空比的方法：通过制定一些规则和协议，使得设备仅在某些时段工作，大部分时段不工作；另一种是使用唤醒接收机：设备除主接收机外，还有一个功耗更小的唤醒接收机，仅负责接收唤醒信号，主接收机通常处于关闭状态，工作时，唤醒接收机首先收到唤醒信号，然后打开主接收机。
以上第一类方法可用于UWB系统，但单独使用第一类方法不足以使功耗降到足够低，两类方法联合使用效果更好。然而将第二类方法用于UWB设备时，由于UWB信号的特点，难以做到在保持工作距离、反应速度等指标不下降的情况下，大幅降低功耗。现有UWB设备中都是采用蓝牙或与之类似的窄带信号做唤醒信号。这种方案不但需要唤醒接收机还需要开发全新的“唤醒发射机”与之配合使用。这造成UWB设备需要额外支持另一种通信制式，复杂度和成本都有大幅度上升。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种UWB设备的唤醒收发机系统。本发明基于UWB信号，可与主收发机系统共用多个部件，具有总体结构简单，易于实现，成本低的优点。
本发明实施例提出一种UWB设备的唤醒收发机系统，包括：唤醒发射机和唤醒接收机，所述唤醒发射机用于发射所述唤醒接收机所能识别的UWB信号；所述唤醒接收机用于接收所述唤醒发射机所发射的UWB信号并从中检测对应本机的序列码以唤醒主接收机。
在本发明的一个具体实施例中，所述唤醒发射机包括依次连接的唤醒脉冲指示生成器、脉冲成型器和RF模块；
所述唤醒脉冲指示生成器用于生成包含唤醒设备序列码的脉冲指示；
所述脉冲成型器用于根据所述脉冲指示生成对应的脉冲序列，得到基带的脉冲信号，所述脉冲指示中的1生成一个正脉冲，-1生成一个负脉冲，0不生成脉冲；
所述RF模块用于将所述基带的脉冲信号上变频到设定的频段，放大至设定功率后通过天线发射出去。
在本发明的一个具体实施例中，所述脉冲成型器和所述RF模块与主发射机共用。
在本发明的一个具体实施例中，所述唤醒脉冲指示生成器包括依次连接的时钟编码器、差分编码器和Bit-脉冲映射模块；
所述时钟编码器用于将时钟信息插入码流以生成包含时钟信息的码流，具体方法为：1)将信息码流中的每个1或0复制n遍，形成信息段，n>1；2)在信息段之间插入时钟码01或10，得到包含时钟信息的码流；
所述差分编码器用于对接收到的包含时钟信息的码流进行差分编码；
所述Bit-脉冲映射模块用于根据接收到的差分编码生成对应的脉冲指示序列。
在本发明的一个具体实施例中，所述根据接收到的差分编码生成对应的脉冲指示序列，具体方法为：将差分编码器输出的差分编码中的0变为M个0，1变为m个±1加M-m个0；其中m个±1的符号是随机的，通过预先存储的伪随机序列或扰码器生成。
在本发明的一个具体实施例中，所述唤醒接收机包括：包络检波模块和与所述包络检波模块连接的基带模块组；
所述包络检波模块用于从接收到的信号中提取基带信号，所述基带信号与所述唤醒脉冲指示生成器输出的波形相对应；
所述基带模块组用于在所述基带信号中检测所述对应本机的序列码。
在本发明的一个具体实施例中，所述唤醒接收机还包括：匹配网络模块、LNA模块、下变频模块和；所述匹配网络模块、所述LNA模块、所述下变频模块和所述包络检波模块依次连接；
所述匹配网络模块用于使所述唤醒接收机的阻抗与天线相匹配以获得最大的射频信号；所述LNA模块用于放大射频信号以提高唤醒接收机的灵敏度；所述下变频模块用于从射频信号中提取脉冲信号，以获得所述唤醒脉冲指示生成器的输出波形。
在本发明的一个具体实施例中，所述基带模块组为多个，每个所述基带模块组由依次连接的放大器、比较器、时钟恢复器和序列检测器组成；
所述放大器用于对接收到的所述基带信号按照设定的倍数进行放大，其中每个基带模块组的放大器的放大倍数不同；
所述比较器用于将放大后的信号的不规则波形整成矩形波形；
所述时钟恢复器用于从所述比较器输出的信号中恢复出时钟信号和数据信号然后发送给序列检测器；
所述序列检测器用于将接收到的数据信号和预先存储的对应本机的序列码进行比较以判定是否收到对应本机的序列码。
在本发明的一个具体实施例中，所述基带模块组为一个，所述基带模块组由依次连接的自动增益模块、比较器、时钟恢复器和序列检测器组成；
所述自动增益模块用于根据接收到的所述基带信号自动调整放大倍数；
所述比较器用于将放大后的信号的不规则波形整成矩形波形；
所述时钟恢复器用于从所述比较器输出的信号中恢复出时钟信号和数据信号然后发送给序列检测器；
所述序列检测器用于将接收到的数据信号和预先存储的对应本机的序列码进行比较以判定是否收到对应本机的序列码。
在本发明的一个具体实施例中，所述下变频模块采用可编程开环振荡器生成本振信号。
本发明的特点及有益效果：
现有UWB设备的唤醒收发机系统使用蓝牙信号或类似的窄带信号，UWB设备需要额外支持另一套独立的唤醒收发机系统，造成复杂度和成本上升。本发明仍然使用UWB信号，对发射机部分进行改进，使其既可以发射主信号，也可以发射唤醒信号。唤醒接收机采用非相干接收、无时钟的结构。不需要锁相环电路和晶体震荡电路这些高耗能的部件，也没有ADC、AGC部件，因此具有结构简单，功耗低的突出特点。
本发明可广泛应用于对能耗有要求的UWB通信定位设备。
附图说明
图1是本发明实施例中一种UWB设备的唤醒收发机系统的结构示意图。
图2是本发明一个具体实施例中唤醒发射机的结构示意图。
图3是本发明一个具体实施例中唤醒接收机的结构示意图。
图4是本发明一个具体实施例中的时钟恢复器结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种UWB设备的唤醒收发机系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明实施例提出的一种UWB设备的唤醒收发机系统,结构如图1所示，包括：唤醒发射机和唤醒接收机。
所述唤醒发射机，用于发射唤醒接收机所能识别的特定UWB信号。
所述唤醒接收机独立与主接收机，用于接收唤醒发射机所发射的UWB信号，并从中检测对应本机的序列码以唤醒主接收机。需要说明的是，在实际应用中，一台主发射机可以唤醒一台或多台主接收机，当主发射机需要唤醒某台主接收机时，可通过唤醒发射机发射事先约定的该主接收机的序列码。通常，接收设备的主接收机关闭。只有当唤醒接收机收到对应本机的序列码后，才打开主接收机。
进一步地，所述主发射机由依次连接的主脉冲指示生成器、脉冲成型器和RF模块构成。在本发明一个具体实施例中，如图1所示，所述唤醒发射机通过设置一个唤醒脉冲指示生成器，所述唤醒脉冲指示生成器和主发射机的脉冲成型器和RF模块构成唤醒接收机。该唤醒发射机通过与主发射机共用大部分模块，具有结构简单，降低成本的优势。
进一步地，所述脉冲指示生成器(包括主脉冲指示生成器和唤醒脉冲指示生成器)的作用是生成一个由“1”、“-1”、“0”组成的脉冲指序列，分别代表正脉冲、负脉冲和无脉冲。在本发明的一个具体实施例中，所述唤醒脉冲指示生成器用于生成包含唤醒设备序列码的脉冲指示序列，其结构如图2所示，由依次连接的时钟编码器、差分编码器和Bit-脉冲映射模块组成。
所述时钟编码器用于将时钟信息插入码流以生成包含时钟信息的码流，目的是避免唤醒接收机中使用复杂的时钟同步电路。具体做法是：1)将信息码流中的每个“1”或“0”复制n遍，形成信息段。2)在信息段(即每n个bit)之间插入时钟码“01”或“10”，得到包含时钟信息的码流。例如，本发明一个具体实施例中n＝6，信息码流1011通过时钟编码器被编为：“11111101，00000001，11111101，11111101”。
所述差分编码器用于对接收到的包含时钟信息的码流进行差分编码，以减少发射脉冲数量。因为发射功率受限，减少脉冲数量后，单个脉冲的幅度就可以增加，进而提高有效工作距离。本发明一个具体实施例中的具体做法是：对包含时钟信息的码流中每个bit，如果它和前一个bit一样，则设置为“0”，如果不一样则设置为“1”。例如码流“11111101”经过差分编码器被编为“00000011”。
所述Bit-脉冲映射模块用于根据接收到的差分编码生成对应的脉冲指示。本发明一个具体实施例的做法是：将差分编码器输出的差分编码中的“0”变为M个“0”；“1”变为m个“±1”加M-m个“0”。本发明一个具体实施例中，M＝4992，m＝39。其中m个“±1”的符号是随机的，可以事先存储一个伪随机序列，也可以用一个扰码器产生伪随机序列，本实施例中共用了主脉冲指示生成器中的扰码器作为唤醒脉冲指示生成器中的扰码器。M和n是决定唤醒接收机指标的重要参数，M*n决定了唤醒接收机的比特率，M*n越大，比特率越低，唤醒接收机反应时间越长。m/M决定了脉冲重复频率，低脉冲重复频率可以提高收发机的工作距离，但对RF模块瞬间发射功率要求更高。映射完成后序列就是脉冲指示序列，对应正负脉冲和无脉冲，将该脉冲指示序列输出给脉冲成型器，经RF模块发出。所述脉冲成型器用于根据脉冲指示，生成符合IEEE802.15.4/4z的脉冲序列，得到基带的脉冲信号。其中脉冲指示中的“1”生成一个正脉冲，“-1”生成一个负脉冲，“0”不生成脉冲。所述RF模块用于将所述基带的脉冲信号上变频到标准规定的频段，放大到合适功率，然后通过天线发射出去。
进一步地，本发明一个具体实施例中，唤醒接收机的结构如图3所示，包括：包络检波模块和与所述包络检波模块分别连接的多个基带模块组。
所述包络检波模块的作用是接收到的信号中提取基带信号，该信号与唤醒脉冲指示生成器输出的波形相对应。所述基带模块组的作用是在基带信号中检测对应本机的序列码。需要说明的是，若所述包络检波模块连接下变频模块，则所述包络检波模块从下变频模块输出的信号中提取基带信号；若无下变频模块，则所述包络检波模块直接从天线接收的信号中提取基带信号。
进一步地，可选地，在所述包络检波模块之前，还可以增加匹配网络网络模块、LNA(低噪声放大器)模块和下变频模块。匹配网络模块、LNA模块、下变频模块和包络检波模块依次连接。
所述匹配网络模块的作用是使唤醒接收机的阻抗与天线相匹配以获得最大的射频信号；LNA模块的作用是放大射频信号以提高唤醒接收机的灵敏度。下变频模块的作用是从射频信号中提取脉冲信号，以获得唤醒脉冲指示生成器的输出波形。
本实施例中，匹配网络模块、LNA模块、包络检波模块均采用常规设计。下变频模块和通用做法有一点区别就是：由于本发明的收发机系统对频偏的要求很低，小于100MHz即可，因此下变频模块内的本振信号可以使用可编程开环振荡器代替耗能高的锁相环和晶体震荡电路。
需要说明的是，所述匹配网络模块、LNA模块、下变频模块三个模块可选，保留它们可获得更好的性能，去掉它们后唤醒接收机也可以工作。
进一步地，本实施例中，每个基带模块组由依次连接的放大器、比较器、时钟恢复器和序列检测器组成。
放大器的作用是把接收到的基带信号放大一定的倍数。
比较器的作用是把放大后的信号的不规则波形整成矩形波形。本实施例的具体做法是设置一个信号阈值，若放大后的信后大于该阈值输出高电平，小于阈值输出低电平。本发明一个具体实施例中，所述信号阈值可设置为1/2高电平。
时钟恢复器的作用是从比较器输出的信号中恢复出时钟信号和数据信号然后发送给序列检测器。时钟恢复器的结构和发射机的时钟编码器密切相关。图4是本发明一个具体实施例的时钟恢复器的结构示意图，首先进行“2分频”，它是发射机中“差分编码”的逆过程，得到的信号就是时钟信号。这个时钟信号再经过RC低通滤波和施密特触发器，得到的就是数据信号。RC低通滤波和施密特触发器的作用是把信息段的状态延时到时钟上升沿出现的时刻。
序列检测器的作用是把收到的数据信号和预先存储的本机序列做一个比较，以判定是否收到本机序列。所述序列检测器由数字相关器和门限判决器组成。输入数据和本机序列首先转换为双极性码，(1不变，0变为-1)，然后输入数字相关器。相关器不断输出结果到门限判决器。门限判决器的作用是把输入信号和门限值做比较，只要有一次大于或等于门限值，即判定检测到本机序列。通常，门限值等于序列码的长度。如果不同设备序列码的互相关性很好，也可以适当减小门限值，以降低漏检概率，但同时会增加误检概率。
基带模块组可以有一个或多个。本实施例中没有包含自动增益控制模块，由于输入信号的幅度是未知的，无法事先确定合适的增益，因此使用了3个基带模块组，把它们内部的放大器配置为不同的增益(放大倍数)。这3个增益只要有一个和输入信号幅度匹配就可检测出本机序列，进而唤醒主接收机。进一步，每个模块组内的放大器增益还可以在时间上轮换，以覆盖大的信号幅度变化范围。如果把基带模块组中的放大器替换为自动增益控制模块，它的增益会随输入信号幅度自动调整，那么就只需要一个基带模块组。

Claims (10)

1.一种UWB设备的唤醒收发机系统，包括：唤醒发射机和唤醒接收机，其特征在于：所述唤醒发射机用于发射所述唤醒接收机所能识别的UWB信号；所述唤醒接收机用于接收所述唤醒发射机所发射的UWB信号并从中检测对应本机的序列码以唤醒主接收机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述唤醒发射机包括依次连接的唤醒脉冲指示生成器、脉冲成型器和RF模块；
所述唤醒脉冲指示生成器用于生成包含唤醒设备序列码的脉冲指示；
所述脉冲成型器用于根据所述脉冲指示生成对应的脉冲序列，得到基带的脉冲信号，所述脉冲指示中的1生成一个正脉冲，-1生成一个负脉冲，0不生成脉冲；
所述RF模块用于将所述基带的脉冲信号上变频到设定的频段，放大至设定功率后通过天线发射出去。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述脉冲成型器和所述RF模块与主发射机共用。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述唤醒脉冲指示生成器包括依次连接的时钟编码器、差分编码器和Bit-脉冲映射模块；
所述时钟编码器用于将时钟信息插入码流以生成包含时钟信息的码流，具体方法为：1)将信息码流中的每个1或0复制n遍，形成信息段，n>1；2)在信息段之间插入时钟码01或10，得到包含时钟信息的码流；
所述差分编码器用于对接收到的包含时钟信息的码流进行差分编码；
所述Bit-脉冲映射模块用于根据接收到的差分编码生成对应的脉冲指示序列。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述根据接收到的差分编码生成对应的脉冲指示序列，具体方法为：将差分编码器输出的差分编码中的0变为M个0，1变为m个±1加M-m个0；其中m个±1的符号是随机的，通过预先存储的伪随机序列或扰码器生成。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述唤醒接收机包括：包络检波模块和与所述包络检波模块连接的基带模块组；
所述包络检波模块用于从接收到的信号中提取基带信号，所述基带信号与所述唤醒脉冲指示生成器输出的波形相对应；
所述基带模块组用于在所述基带信号中检测所述对应本机的序列码。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述唤醒接收机还包括：匹配网络模块、LNA模块、下变频模块和；所述匹配网络模块、所述LNA模块、所述下变频模块和所述包络检波模块依次连接；
所述匹配网络模块用于使所述唤醒接收机的阻抗与天线相匹配以获得最大的射频信号；所述LNA模块用于放大射频信号以提高唤醒接收机的灵敏度；所述下变频模块用于从射频信号中提取脉冲信号，以获得所述唤醒脉冲指示生成器的输出波形。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基带模块组为多个，每个所述基带模块组由依次连接的放大器、比较器、时钟恢复器和序列检测器组成；
所述放大器用于对接收到的所述基带信号按照设定的倍数进行放大，其中每个基带模块组的放大器的放大倍数不同；
所述比较器用于将放大后的信号的不规则波形整成矩形波形；
所述时钟恢复器用于从所述比较器输出的信号中恢复出时钟信号和数据信号然后发送给序列检测器；
所述序列检测器用于将接收到的数据信号和预先存储的对应本机的序列码进行比较以判定是否收到对应本机的序列码。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基带模块组为一个，所述基带模块组由依次连接的自动增益模块、比较器、时钟恢复器和序列检测器组成；
所述自动增益模块用于根据接收到的所述基带信号自动调整放大倍数；
所述比较器用于将放大后的信号的不规则波形整成矩形波形；
所述时钟恢复器用于从所述比较器输出的信号中恢复出时钟信号和数据信号然后发送给序列检测器；
所述序列检测器用于将接收到的数据信号和预先存储的对应本机的序列码进行比较以判定是否收到对应本机的序列码。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述下变频模块采用可编程开环振荡器生成本振信号。
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