CN1295701A - 与多个远程发射机通信的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与多个远程发射机通信的系统,在该系统中,发射机发送消息时无需公共同步源或无需通过控制接收机进行轮询。在一个实施例中,系统使用频率线性调频脉冲的时间定位来对发射机发送的标识和/或其它信息进行编码。由于不需要发射机具有接收消息或时钟信号的能力而且发射机内的内部时钟信号源可以为相对廉价的装置或电路,所以系统可以使用相对低成本的发射机。

Description

与多个远程发射机通信的系统与方法

本发明涉及用于与远程发射机交换信息并用于定位其地理位置的系统和方法，更具体地说，本发明涉及用于由多个远程发射机同时通信而无需同步或轮询并用于确定多个发射机中某个特定发射机的地理位置的系统和方法。

众所周知，在目前采用的通信系统中，相对独立的中央基站单元与传输范围内的多个单元(通常为移动单元)通信。诸如出租汽车、公共服务应急人员等使用的中央调度系统，在远程单元与中央基站单元之间通信话音和最近开始的数字数据。然而，其它现有系统仅从远程单元向中央基站单元通信数字数据，例如，通常将遥感器数据从广阔地理范围发送到中央区域的“数字无线电”。我们知道这种现有系统的问题是，为了避免互相之间发生冲突需要协调各种远程单元的传输。为了提供这种协调能力或为了避免冲突，采用了无数种技术。例如，在某些系统中，中央基站以逻辑序列或随机序列的形式对各远程发射机进行轮询。只允许接收到轮询的远程单元在随后预定时间周期内发射。在其它系统中，各远程单元接收公共时钟信号并在公共时钟信号指定的时间向中央基站发射。这两种现有技术均试图在某种程度上避免冲突，但是，其代价是要求各远程单元既要具有接收信号的能力又要具有发射信号的能力。此外，发轮询和/或时钟信号所占用的时间会减少远程单元用于发射的时间。

其它已知的系统通过对各远程单元分配单独的发射频率来避免冲突，其显著代价是，具有许多远程发射机的系统会占用相当宽的带宽。还有其它系统允许发生冲突并依靠远程发射来监视通信频率以确定是否发生了冲突并在检测到冲突后重新开始发射消息。再者，这种系统要求远程单元即要具有接收信号的能力又要具有发射信号的能力。此外，有时对于相对长的时间周期，我们知道这种系统有时会反复冲突，因此会延迟接收包含在其内的消息。最后，在这种系统中，远程发射机的数量也受到限制，其数量依赖于各远程单元的发射频繁程度以及每次传输的长度。

已知根据多次接收由远程发射机发射的信号来地理定位远程发射单元。例如，多个接收站可以接收由远程移动单元发射的信号并在各种接收机对到达时间进行比较以确定发射信号的地理位置。同样，多个接收站可以确定远程移动单元发射的信号的到达角度，并通过在多个接收站确定的不同到达角度进行合并，可以计算发射移动单元的可靠地理位置。通常，这种复杂的定位系统实际上增加了必需跟踪的移动单元的数量。

对于话音通信情况或数据通信的情况，如果必需同时跟踪多个远程单元，就增加了其信号发生冲突的可能性。由于信号发生冲突，所以，接收机通常难于(如果有可能的话)辨别发出冲突定位信号的单元的位置。为了避免冲突，某些现有技术的定位系统已利用轮询、公共时钟信号、专用频率等，这样，通过检测接收机就可以明确地检测定位信号。还有的系统借助多次发送定位信号的方法来提高中央接收机至少接收到定位信号之一的可能性。显然，最后这种技术占用的带宽相对更宽。

已建议的定位系统还有在远程移动单元采用直接扩频调制技术来避免冲突并限制所使用的带宽。在这种系统中，各远程发射机可以利用伪随机数(“PN”)调制来扩展定位信号的带宽。希望这种系统能够在由多个远程单元发送的定位信号的传输方面获得某种程度的成功，但是，使用这种系统通常涉及设计和操作一组非常复杂的相关器，该相关器可以在很短时间周期内对存在的所有容许PN码测试输入信号。通常，大量可能PN码的结果是需要非常复杂昂贵的接收机以检测各种可能码。如果系统使用多个接收机，就象通常那样对系统提供相对宽的地理覆盖范围，那么，这种相对昂贵的接收机的成本被多个这种接收机的需要量乘。

本发明的一个目的是提供一种用于同时由多个地理位置不同的发射机通信射频信号而无需公共时钟信号或轮询信号并用于由多个发射机通信信号而不存在实际冲突的系统和方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于由多个发射机同时向不具有相关器组的接收机通信并用于确定一个或多个同时进行发射的远程单元的位置而无需公共时钟信号和轮询信号的系统和方法。

本发明涉及从移动发射机向固定位置接收机通信数字信息的系统，该系统包括：

(a)移动发射机，该移动发射机包括：

(ⅰ)待发射的数字数据源；

(ⅱ)线性调频脉冲发生器；

(ⅲ)控制电路，用于控制所述线性调频脉冲发生器以产生多个线性调频脉冲，某些所述线性调频脉冲之间的定时与所述数字数据相关。

(ⅳ)载波信号源；

(ⅴ)调制器，用于利用所述线性调频脉冲对所述载波信号进行调制以产生调制信号；

(ⅵ)射频发射机，用于发射所述调制信号；

(b)接收机，该接收机包括：

(ⅰ)射频接收机，用于接收所述发射调制信号；

(ⅱ)线性调频脉冲发生器，用于产生多个线性调频脉冲；

(ⅲ)解调器，该解调器利用所述多个线性调频脉冲周期性地对所述接收信号进行解调以产生周期波信号，各波信号的频率与线性调频脉冲之一的起始与所述接收信号内的数字数据的起始之间的时间关系有关；

(ⅳ)频率检测器，用于确定所述波信号的频率；

(ⅴ)检波器，用于利用波信号的时间关系对数字数据进行译码；以及

(ⅵ)定时电路，用于确定所述调制信号被接收的时间。

本发明还涉及一种通信数字数据的系统，该系统包括：(a)发射机，用于发射数据信号，所述数据信号包括被两个或多个线性调频脉冲调制的载波信号，线性调频脉冲之间的时间长度代表待通信的数字数据；(b)接收机，用于接收所述发射数据信号，所述接收机利用线性调频脉冲之间的时长对所述数据信号进行解调并确定待通信的数字信号。

本发明进一步涉及用于发射数字数据的发射机，该发射机包括：

(a)输入端，用于接收待发射的数字数据；

(b)线性调频脉冲发生器；

(c)控制电路，用于控制所述线性调频脉冲发生器产生线性调频脉冲串，某些所述线性调频脉冲之间的时间与接收的待发射信号有关；

(d)载波信号源，用于提供载波信号；

(e)调制器，用于利用所述线性调频脉冲串对所述载波信号进行调制以产生调制信号；

(f)放大器，用于放大所述调制信号；以及

(g)天线，用于辐射所述放大调制信号；

此外，本发明还涉及接收数字数据的接收机，该接收机包括：

(a)天线，用于接收含有在其上调制的数字数据的辐射信号；

(b)降频变频器，用于将所述接收辐射信号降频变频到低频信号；

(c)线性调频脉冲信号发生器；

(d)解调器，该解调器利用从所述线性调频脉冲信号发生器接收的线性调频脉冲周期性解调所述低频信号以产生波信号，波信号的频率与线性调频脉冲的起始与数字数据的起始之间的时间关系有关；

(e)滤波电路，用于对所述波信号进行滤波以去除预定频率范围外的波信号；

(f)频率检测信号，用于确定滤波波信号的频率；以及

(g)检波器，用于利用连续解调滤波波信号之间的时间关系译码滤波波信号中的数字数据。

本发明进一步涉及用于定位移动发射机的系统，该发射机包括：

(a)用于从其它同类发射机中专用标识所述发射机的装置，所述装置被设置在所述发射机上；

(b)发射装置，用于发射在其内具有已被编码的所述专用标识符的调制信号，所述编码包括与专用标识符有关的后续脉冲之间的时间周期。

现在将利用实例、参考附图说明本发明，其中：

图1示出通信系统的简化图解说明。

图2示出说明编码技术的时序图。

图3示出说明线性调频脉冲的示意图。

图4示出发射机的简化原理方框图。

图5示出接收站的简化方框图。

图6示出说明译码原理的简化方框图。

图7示出图5所示的接收站的信道处理器部分的简化方框图。

图8示出图7所示的信道处理器的子信道之间的关系的时序图。

图9示出可用于图7所示的信道处理器的FFT的输出的直观图。

图10示出对于连续线性调频脉冲调节图9所示的FFT的输出的直观图。

图1所示的系统包括多个发射机10，发射机10可以是固定的也可以是移动的，它们与一个或多个接收站或基站12通信。接收机12可以与中央站14通信。这种通信可以利用传统电话电路13进行。中央站14可以包括控制台16、存储单元18以及用于与其它中央站14或外部系统通信的通信装置20。可以由同步卫星系统将公共时钟信号22送到各基站12。

在操作过程中，发射机10可以周期性地或非周期性地向其发射信号范围内的基站12发送信标或信号。以下将详细说明用于发送这种信标或信号的装置。接收站12可以从发射机接收信标信号并且可以使这种信号与到达时间相关。通过传统装置，接收站12向中央站14通信涉及接收信号及其到达时间的信息以便以各种方法使用。

在本发明的一个实施例中，通过从诸如卫星系统24的公共源接收时钟信号22，可以及时调节接收站12。

发射机10发送的信号可以包括发送该信号的特定发射机10的标识符、指出在发射机10发生的一个或多个事件的指示、涉及发射机10的活动性或情况的数据部分(例如但并不局限于：温度、流率、压力读数等)、发射机10需要应急帮助的指示以及可以被数字编码的任何其它状况、指示、信息或情况。

当发射机10发射的信号被接收站12接收时，可以向中央站通信涉及信号和到达时间的信息用于进一步分解。根据被通信的信号类型，中央站14可以将相关信息存储到存储单元18、可以将涉及该信号的信息发送到其它中央站14或其它系统(未示出)。例如，如果该信号代表在发射机10发生的事件，那么，将涉及事件发生(和时间)的信息发送到另一个系统以达到操作或控制的目的。这种系统可以包括检测器，该检测器对不适当进入建筑物进行检测并在发射机10触发事件信号。当中央站14接收到进入事件时，中央站14可以将发射机10的事件和位置通知当地公安部门以便采取适当警备措施。例如另一个例子，信号可以包括从安装在发射机用户的医用传感器获得的数据。当发送到中央站14时，在一段时间内，可以利用该信号确定用户当前的健康状况或记录(利用存储单元18)用户身体的各种参数。以下将说明，如果确定用户的健康状况需要帮助，则可以分析接收站12输出的信号以确定用户的地理位置，这样可以直接分派医务人员。最后，该信号可以只标识发射机10及其位置。例如，可以利用这种系统监视一队运货汽车中各汽车的瞬时位置和位置历史。

在本发明的一个实施例中，可以利用数字信息(表示发射机、事件、数据等的标识符)对发射机10发射的信号进行编码。图2示出编码这种数据的一个装置，在图2中，以预定速率产生线性调频脉冲并且第二线性调频脉冲以及后续的线性调频脉冲(或称：“线性调频脉冲”)在预定速率指出时间的偏移时间起始。如图2所示，第一线性调频脉冲可以在任一起始时间t₀开始。根据预定速率，会希望第二线性调频脉冲在该起始时间之后的预定时间开始。为了对信息进行编码，可以利用可检测量来对线性调频脉冲组中的第二线性调频脉冲和后续线性调频脉冲进行延迟并可以使延迟量随待发射的数据变化。例如，参考图2，可以以每秒100个线性调频脉冲的速率产生线性调频脉冲。如果第二和后续的线性调频脉冲延迟X微秒起始，其中X为0到31之间的数。各后续线性调频脉冲可以代表信息的5个数据位(2⁵等于32)。如果所有的均从第一个线性调频脉冲开始计时的五个线性调频脉冲作为一组发送，那么整个线性调频脉冲组可以编码20个数据位(4个后续线性调频脉冲，每个可以编码5个信息位。)可以编码的信息的类型范围广泛而且可以包括发射机标识符、传感器读数、事件标识符等。

图2示出第二线性调频脉冲起始时间等于10毫秒加N毫秒，其中N为0到31之间的数并表示待发射的5个数据位。同样，线性调频脉冲3将在20毫秒加M微秒时产生，其中M为0与31之间的数并表示另外5个待发射的数据位。5个线性调频脉冲发射完毕之后，随时可以重新开始后续发射。

参考图3，这里所使用的线性调频脉冲为在一定时间周期内的连续变频信号。如图3所示，本发明所使用的线性调频脉冲可以为在10毫秒周期内扫描的4MHz带宽的信号。尽管图3所示的线性调频脉冲的扫描随时间上升，但是本发明并不局限于此而且线性调频脉冲也可以以下降频率进行扫描。另外，希望扫描是线性的，即信号的频率对于时间的曲线为直线。即使利用具有相对大频率偏移的信号，使用线性扫描仍允许信号接收机利用非时变匹配滤波器对发射信号进行译码。因此，可以利用相对廉价的定时源(例如，频率稳定性差的振荡器)来构建发射机并且系统的运行令人满意。

线性调频脉冲的长度的精确定时、线性调频脉冲组中的线性调频脉冲数、利用线性调频脉冲起始的延迟编码的位数或与特定位序列有关的线性调频脉冲的起始过程中的延迟量并不局限于此典型实施例中所使用的时间和数目而且可以根据发射设备和接收设备的灵敏度和精确度设定为任何可行的数值。

参考图4，发射机包括向控制器38和功率控制电路40提供定时信号的定时器36。控制器38还可以接收信号，所接收的信号向控制器38提供信息，诸如：发射机ID(标识符)、从传感器获得的数据读数、指出使用发射机外壳上的应急按钮的信号或指出事件或几个预定事件之一的信号。根据定时信号和信息信号，控制器38可以启动线性调频脉冲发生器40以在预定时刻产生线性调频脉冲。将线性调频脉冲送到调制器42的输入端，调制器42利用线性调频脉冲对由载波源44输出的载波信号进行调制以提供调制信号。将调制信号送到功率放大器46并最终送到天线48用于传播到接收站之一(未示出)。

在操作过程中，定时器36向控制器38和功率控制电路40提供定时信号。根据发射机所使用的特定信令协议，在线性调频脉冲组内(“帧”)或在连续线性调频脉冲组之间，产生定时信号以提供时间。还可以将定时信号用于激励接收机的其它电路部分并当不需要接收机的其它电路部分时去激励发射机的该电路部分。例如，当不发送信号时，通过功率控制电路操作的定时信号可以去激励线性调频脉冲发生器40和发射电路(调制器40、功率放大器46、载波源44等)。

对于图2，利用上述说明的线性调频脉冲定位编码的编码方法，控制器38利用定时信号对要求发射的各种信息进行编码。根据特定系统对专用信息的传输要求，从各种信息源接收信息信号。通过转换设置、ROM编程或与不会由于断电而被破坏的提供数据的方法相同的方法可以提供标识符信号(ID)。发射机的用户通过操作发射机外壳上的应急按钮或通过在与发射机有关的键盘上输入特定键序列来启动应急信号。可以从任何提供待发射数据信号的测量单元、报告单元、指示单元接收传感器数据。事件信号可以是指出事件或事件组的经过的任何类型的数据信号，事件或事件组包括但并不局限于：按钮、开关、逻辑电路、键等。从任何信息源输出的信号均可以为模拟信号、数字信号或其它可被控制器38识别并可被控制器38转换(需要时)为数字信号的任何格式。

在适当时间，根据应用，控制器38使线性调频脉冲发生器40产生线性调频脉冲以对要求发射的数据进行编码。该数据与根据周期发射或根据特定事件或传感器的读数发射的发射机的标识符一样简单。在更复杂的系统中，待编码、待发射的数据可以既包括数据又包括一个或多个传感器或事件指示器的读数。对于待发送的信息的长度需要，可以将编码数据成帧为一组线性调频脉冲或多于一组线性调频脉冲。所产生的线性调频脉冲被用于调制从载波源44接收的载波信号以提供调制信号，该调制信号被功率放大器放大并可以以传统的方式通过天线48发射。正如本技术领域技术人员对调制信号的放大和发射通常所熟知的那样，可以对调制信号进行滤波、预失真或其它变换。

载波源可以为任何方便的载波信号源，诸如但并不局限于：晶体振荡器、数字信号合成器、模拟谐振电路或由外部信号源提供信号。线性调频脉冲发生器40、调制器42、载波源44以及相关单元即可以为数字装置也可以为模拟装置。

参考图5，接收站的一个实施例为具有四个分立接收单元52的天线50。将分立接收单元52输出的信号送到相同参考号的信道处理器54，信道处理器54对在单元52接收的信号进行解调、对其内的信息进行译码、在某些实例中还确定译码信号到达各单元52的到达时间和到达角度。可以将涉及接收译码信号及其到达时间和/或到达角度的信息送到数据处理器56，数据处理器56可以提供发送信号的发射机的标识的指示、由发射机发送的数据(如果存在)以及在某些实例中由到达单元54的信号的到达时间和/或到达角度确定的发射机的位置。

在图6中概括地示出一个系统，利用该系统可以对在接收站接收的数据进行译码，在该系统中，接收站通过调制器64利用基准线性调频脉冲62对输入线性调频脉冲60进行调制。实际上，基准线性调频脉冲62与在发射机产生的线性调频脉冲具有相同的特性。基准线性调频脉冲应在倾斜特性方面与接收线性调频脉冲匹配，即对于这两个信号，频率对于时间的斜率应具有相同的斜率特性。已知，利用另一个线性调频脉冲对线性调频脉冲进行调制会产生连续波信号(“CW”)，该连续波信号的频率为两个线性调频脉冲的起始定时时差的正函数。如果输入到调制器64的两个线性调频脉冲具有完全相同的定时，则调制器64的输出为0。由于两个线性调频脉冲之间起始定时增加，所以由调制器产生的连续波信号的频率也会增加。

如果线性调频脉冲比较接近线性(如上所述)，那么，输入线性调频脉冲与基准线性调频脉冲之间的频率偏移对系统性能影响较小。如果线性调频脉冲比较接近线性，频率偏移的影响与输入信号与基准信号之间的时间偏移的影响相同。通过在不同的接收站对时间差进行比较，远程发射机与接收站之间的信号之间的时间差可以用于确定位置，以下将作解释。由于这些计算总是相互关联的，所以，通过对不同的到达时间进行处理，可以消除明显的时间偏移。因此，其特定优点在于试图将发射机的成本降低到最少(通过使用相对廉价的定时电路)以使用相对线性的线性调频脉冲，该线性调频脉冲的波形具有上述偏移特性。

在接收站，将调制器64输出的CW信号进行带通滤波以去除或消除不能将基准线性调频脉冲和输入线性调频脉冲充分地调整到其起始时间的信号。利用模数转换器68可以将通过带通滤波器66的信号进行数字化，然后，由快速傅立叶变换(“FFT”)电路70进行分解。FFT确定由它接收的信号的频率。由于该信号的频率与基准(局部)线性调频脉冲与接收线性调频脉冲之间的时间具有直接关系，所以由FFT确定的频率将被直接指出基准线性调频脉冲与输入线性调频脉冲之间的时间差，直接获得输入信号的到达时间和输入线性调频脉冲组中的第二线性调频脉冲以及后续线性调频脉冲的起始的延迟时间(即：利用线性调频脉冲的时间位置编码的数据的译码)。正如本技术领域的技术人员对图6所示的简化电路图研究之后所理解的那样，通过调整基准线性调频脉冲与输入线性调频脉冲之间的时间关系，可以获得输入线性调频脉冲的到达时间和在其上编码的数据。

参考图7，信道处理器54可以对接收信号进行译码并通过接收由天线(未示出)的单元52输出的信号，提取在其上编码的信息。在传统方法中，对接收信号进行低噪声放大并降频变频为中频信号，然后，将该中频信号分离并送到多个子信道处理器74。在子信道处理器74中，调制器76对该中频信号进行调整并送到带通滤波器78。将滤波信号施加到模数转换器80，模数转换器80将该滤波信号转换为数字形式信号，然后，数字降频变频器82对该数字形式信号进行降频变频处理。将降频变频信号送到FFT 84，FFT 84的输出被检波器86分解。将由信号检波器86输出的检波信号(如果存在)，在某些实例中，与指出检波信号的到达时间的信号一起送到数据处理器。

信道处理器54还通过GPS解码器88从公共源(例如：全球定位系统(GPS)卫星)接收时钟信号。将时钟信号施加到基准线性调频脉冲发生器90，基准线性调频脉冲发生器90产生的基准线性调频脉冲的形式与发射机(未示出)所使用的线性调频脉冲的形式相同，只是发射机所使用的线性调频脉冲为异步信号。将基准线性调频脉冲施加到时间偏移电路92，时间偏移电路92提供四个基准线性调频脉冲的拷贝信号，它们分别具有不同的延迟。将基准线性调频脉冲的一个拷贝送到各子信道处理器74的各调制器76的另一个输入端。

在操作过程中，时间偏移电路可以将各拷贝基准信号延迟的延迟量按1/4线性调频脉冲长度递增。例如，将时间偏移电路92提供的基准线性调频脉冲的各拷贝分别延迟线性调频脉冲长度的0、1/4倍、线性调频脉冲的长度1/2以及线性调频脉冲长度的3/4。在上述使用的实例系统中，假设一个线性调频脉冲的长度为10毫秒，那么时间偏移电路将产生的基准线性调频脉冲相对于基准线性调频脉冲的偏移分别为0秒、2.5毫秒、5.0毫秒以及7.5毫秒。然后，将这四个相互时间偏移的基准信号分别送到各子带处理器74。

一旦接收信号被放大并被降频变频，就将该接收信号分离为四个相同的信号，然后，将这四个相同的信号送到子带处理器74的各调制器76。在各子带处理器74，对接收信号进行相同的处理；然而，由于在送到子带处理器74的基准线性调频脉冲之间存在时间差，所以可以获得不同的结果。在子带处理器74中，利用由时间偏移电路92送到其的基准线性调频脉冲对接收信号进行调整。假定在相对于基准线性调频脉冲异步定时的接收信号中存在线性调频脉冲，利用偏移基准信号对接收线性调频脉冲进行调整将产生CW信号，CW信号的频率直接依赖于接收线性调频脉冲与偏移基准线性调频脉冲之间的时间差。被设计成其所通过的信号的频率为特定中频带宽内的频率的带通滤波器对CW信号进行滤波。带通滤波器78从接收线性调频脉冲中(如果存在)去除这种在偏移基准信号的特定时间关系中不存在起始时间的CW信号。如果适当确定带通滤波器78的带宽，使得只有一个子带处理器74的带通滤波器78可以通过特定接收线性调频脉冲的CW信号，而其它子带处理器74中的其它带通滤波器78将滤除利用与接收线性调频脉冲的时间不完全匹配的偏移基准线性调频脉冲对接收线性调频脉冲进行调制产生的CW信号。

图8所示的时序图与图7一起说明了具有与接收线性调频脉冲最匹配的偏移基准线性调频脉冲的子带处理器的隔离过程。利用REF信号中的垂直线指出偏移基准线性调频脉冲的起始，时序图示出四个偏移基准线性调频脉冲REF1、REF2、REF3、REF4的产生过程。如果通过带通滤波器78的带宽等于+/-1/8线性调频脉冲的长度，那么具有由参考号100指出时间的接收线性调频脉冲(只示出两个)为通过各滤波器最早信号，而具有由参考号102指出时间的接收线性调频脉冲为最后一个通过带通滤波器的信号。请注意，与接收线性调频脉冲的时间无关，它将通过带通滤波器之一而被其它带通滤波器拒绝。还请注意，从在任一子带处理器的最早接收线性调频脉冲到任一子带处理器的最后接收线性调频脉冲的时长C与线性调频脉冲的长度相等。构建精确、锐截止带通滤波器的实际问题是将产生某些其中两个子带处理器74的带通滤波器可以允许其产生接近带宽极限的CW信号被通过的情况。然而，由于信号的后续处理过程可以去除或消除任何含糊的信号时间，所以，该情况从实质上不会对本发明产生有害影响。

在具有CW信号通过其带通滤波器78的子带处理器74中，模数转换器80将CW信号转换为其数字形式并通过数字降频变频器82被数字降频变频。降频变频CW信号的频率与偏移基准线性调频脉冲与接收线性调频脉冲的时间差有关，将降频变频CW信号送到FFT，FFT确定CW信号的频率。如果FFT确定在任何特定线性调频脉冲期间存在CW信号，那么信号检波电路86将该信号送到数据处理器56，指出存在CW信号并指出其频率(根据适当偏移基准线性调频脉冲可以与接收线性调频脉冲的时间直接相关的频率)。

参考图7，假定线性调频脉冲的长度为10毫秒，优点是输入到子带处理器74的信号的中频频率接近70MHz。在带通滤波器78中可以使用带宽为4MHz、1MHz的线性调频脉冲。

子带处理器74的数目并不局限于4个。在电路的其它部分，根据该系统使用的线性调频脉冲的带宽，更多或更少的子带处理器74可以用于进行适当调节，诸如调节基准线性调频脉冲的偏移量以及带通滤波器的带宽。

参考图9，可以容易理解FFT的操作。众所周知，可以认为FFT的输出为“分区”序列。每个分区代表一个频率范围，所有的分区在一起代表FFT的带宽。FFT将指出包含在施加到FFT的信号内的频率的相对振幅计数(由I²*Q²求得)附加到各分区。通常，由于信号可以具有倍频存在，所以不止一个FFT二进制具有有效计数存在，各有效计数代表输入信号具有与特定分区的频率分量有关的事实。接收CW信号的子带处理器中的FFT所输出的分区可具有的计数示于图9。请注意，多数分区存在某些计数，说明存在宽带噪声。更重要地是，一个或相邻的分区将具有比指出频率与此分区有关的CW信号存在的噪声分区更重要的计数。

只有带宽小于1MHz的CW信号可以通过带通滤波器。因此，不需要FFT的带宽大于1MHz。如果FFT具有10，000个分区，那么各分区具有100Hz的毗连频宽(即1，000，000/10，000)。由于该典型系统中的各子带处理器处理2.5毫秒时间(10毫秒长度的线性调频脉冲被分为四个子信道)，所以FFT的各分区代表基准线性调频脉冲与计数线性调频脉冲之间的250纳秒偏移时间，这样当利用接收信号的到达时间计算发射该信号的发射机的位置时，会使系统产生250英尺的分辨范围。

信号检波电路不是仅从FFT的输出中选择最强的信号，而是选择所有计数满足要求数值或标准的信号。通过使用这种信号选择电路，本发明可以精确地从多个异步发射机发射的信号中检波信号并进行译码，所有异步发射机以这样的方式启动其发射以致信号彼此之间在2.5毫秒内到达接收站。

同样，为了解释子带处理器的逻辑过程，对上述优选实施例说明了四个并联子带处理器；然而，如果提供具有足够运行速度和附加存储器的单元，那么某些装置可以被不同的子处理器共享。例如，在本发明的一个特定实施例中，可以使用唯一的FFT在子信道处理器之间转换。

信号检波器86检测并标识接收线性调频脉冲或在每个线性调频周期与其到达时间或其它到达时间一起发送一次此信息并将此信息传输到数据处理器56。数据处理器56在多个线性调频周期内存储并处理线性调频数据，周期数依赖于系统所执行的协议和成帧过程。例如，在这里所说明的典型系统中，数据处理器56对最后5个线性调频脉冲进行处理(即帧的线性调频脉冲组的长度)。如图10所示，通过对各子带处理器比较最后5个(在典型实施例中)线性调频脉冲的结果，数据处理器56可以对线性调频脉冲进行数据解调。通过滑动128分区“滑窗”并降低一个子带的输出，数据处理器56可以检测线性调频脉冲(由同一发射机发射的)的存在。利用发射机使用的编码方法和由FFT的各分区表示的时间，可以确定滑窗的宽度。例如，在典型系统中，通过将第2至第5线性调频脉冲的起始相对于第1线性调频脉冲的周期最多延迟32微秒进行编码。在典型的FFT中，各分区代表250纳秒时间，32微秒的延迟等于128分区(32微秒/250纳秒每个分区=128分区)。如果数据处理器54检测5个信号“击中”滑窗，则已检测到数据帧。线性调频脉冲帧的到达时间取自5个线性调频脉冲序列之线性调频脉冲1的到达时间。线性调频脉冲1和线性调频脉冲2之间的分区的差(在典型系统中只将各第四分区用作数据时，除以4)提供代表5位二进制编码的十进制数(0和31之间)。同样，线性调频脉冲1的分区与线性调频脉冲3、4和5的分区之间的差值提供附加的15位分区据。

通过检验子带处理器74中的FFT的输出，数据处理器56可以将由多个发射机在其接收范围内异步发送的所有数据帧(以及到达时间)进行汇编。因此，利用传统数据译码技术，通过对送到其它系统的消息进行延迟、产生送到其它系统的消息以及对数据/消息进行的适当处理，数据处理器56可以对适当的特定应用的数据进行响应。

数据处理器可以从多个信道(在典型系统中为4个信道)接收信号数据，各信道分别与分立的天线单元有关。在一般情况下，尽管到达天线的时间不同、角度不同，但是到达天线的信号将被各单元接收。在译码数据的过程中，通过将四个信道的结果相干相加、通过将四个信道的结果进行表决或利用传统的结果累加方法，数据处理器56可以对四个信道的结果进行合并。如果使用相干总数，由噪声产生的错误子信道结果均为非相干的而且会被丢失。

使用多个信道还可以使数据处理器56以传统方式计算在多个单元检测到的信号的到达角度。

根据本发明的一个方面，可以将信号数据、从多个接收站接收的数据的到达时间以及到达角度进行合并以对发送接收信号的发射机进行标识和地理定位。已知利用同一个信号到达三个不同的接收站的到达时间差可以地理定位发射该信号的发射机。同样，利用同一个信号到达两个不同接收站的到达角度也可以地理定位发射该信号的发射机。既可以利用到达时间差方法也可以利用到达角度方法或同时使用这两种方法或组合使用这两种方法，对特定发射机进行地理定位。

例如，使用三个分别只具有一个信道的接收站的系统可以用于接收数据消息并根据信号到达三个接收站的到达时间差来地理定位发射这些消息的发射机。在这种系统中，不需要对信号的到达角度进行计算。同样，本系统可以用于通信数据(或事件)而不用于地理定位发射机，在各站可以节省多个天线单元。

在接收站，其它波形也可用于发射数据信号并被匹配。例如，发射机可以利用诸如上述所述的脉冲定位编码技术对待发射的标识符和/或数据进行编码，然后，利用传统直接序列扩频技术(例如：PN调制技术)对数据信号进行调制。接收到该数据信号后，首先利用传统相关解码器以及随后的译码脉冲定位信息的数据解调器对数据信号进行译码。同样，可以参考图2至图4，如上所述，可以产生并发射数据信号，并且接收站可以利用线性调频脉冲相关器来确定有效数据信号的存在和到达时间。在这种相关器中，可以将输入信号与基准线性调频脉冲相关(前面披露的另一种方式的非时变匹配滤波器)。在这种系统中，当调制相关器匹配处理过程的输出时，可以获得脉冲，指出至少发射了一个信号。

可以成功应用本发明系统的特征和优点的应用领域有许多。这些应用领域包括但并不局限于：汽车管理系统，在该系统中，车辆上载有发射机(或“附件”)，该发射机周期发射标识信号以便中央控制系统监视车辆的位置以确保足够覆盖区(例如：对于出租车或公安巡逻车)，从而支持有效调度车辆或在未经批准的路段禁止使用车辆；假释人员定位系统，在该系统中，假释人员在身上携带“附件”以确保他待在批准的位置；利用在其上安装隐藏“附件”来秘密跟踪可疑车辆。

本发明所提供的系统为用于通信数据并用于地理定位多个目标的相对廉价的系统。本发明的各发射机互相之间、本发明发射机对于接收机或对于任何其它基础设施均不同步。此外，为了允许多个发射机能够接近同步发射，同时从实质上减少出现灾难信号的可能性，不需要发射机具有接收信号的能力(例如：象轮询系统那样)。在对未知时间到达的消息译码之前，根据本发明的接收站不需要事先知道发射机的标识符。

为了将多个信号互相分开，本发明允许利用多个发射机异步同时发射，而且，各接收站不需要复杂昂贵的相关器组。

在与多个远程发射机通信的系统中，无需公共同步源或无需通过控制接收机进行轮询，发射机就可以发送消息。在一个实施例中，系统利用频率线性调频脉冲的时间位置来对接收机发送的标识和/或其它消息进行编码。由于不需要发射机具有接收消息或时钟信号的能力，并且发射机内的内部时钟信号源可以是相对价廉的装置或电路，所以该系统可以使用相对低成本的发射机。

Claims (10)

1．一种从移动发射机向位于固定位置的接收机通信数字信息的系统，该系统包括：

(a)移动发射机，该移动发射机包括：

(ⅰ)待发射的数字数据源；

(ⅱ)线性调频脉冲发生器；

(ⅲ)控制电路，用于控制所述线性调频脉冲发生器产生多个线性调频脉冲，某些所述线性调频脉冲之间的时间与所述数字信号有关；

(ⅳ)载波信号源；

(ⅴ)调制器，用于利用所述线性调频脉冲，对所述载波信号进行调制以产生调制信号；

(ⅵ)射频发射机，用于发射所述调制信号；

(b)接收机，该接收机包括：

(ⅰ)射频接收机，用于接收所述发射调制信号；

(ⅱ)线性调频脉冲发生器，用于产生多个线性调频脉冲；

(ⅲ)解调器，该解调器利用所述多个线性调频脉冲对所述接收信号进行周期性解调以产生周期波信号，各波信号的频率与线性调频脉冲的起始与所述接收信号内的数字数据的起始之间的时间关系有关；

(ⅳ)频率检测器，用于确定所述波信号的频率；

(ⅴ)检波器，用于利用波信号之间的时间关系对数字数据进行译码；以及

(ⅵ)定时电路，用于确定接收所述调制信号的时间。

2．根据权利要求1所述的通信系统包括多个所述接收机，其中所述接收机进一步包括：

(ⅶ)角度电路，用于确定所接收的所述调制信号的到达角度。

3．根据权利要求2所述的通信系统包括比较装置，该比较装置用于对所述调制信号到达多个所述接收机的角度进行比较以根据所述接收机的位置确定所述移动发射机的位置。

4．一种用于通信数字数据的系统，该系统包括(a)发射机，用于发射数据信号，所述数据信号包括被两个或多个线性调频脉冲调制的载波信号，线性调频脉冲之间的时长代表待通信的数字数据；(b)接收机，用于接收所述发射数据信号，所述接收机解调所述数据信号并确定待利用线性调频脉冲之间的时长通信的数字数据。

5．一种用于发射数字数据的发射机，该发射机包括：

(a)输入端，用于接收待发射的数字数据；

(b)线性调频脉冲发生器；

(c)控制电路，用于控制所述线性调频脉冲发生器以产生线性调频脉冲串，某些所述线性调频脉冲之间的时间与待发射的接收数字数据有关；

(d)提供载波信号的载波信号源；

(e)调制器，用于利用所述线性调频脉冲串调制所述载波信号以产生调制信号；

(f)放大器，用于放大所述调制信号；以及

(g)天线，用于辐射所述放大调制信号。

6．一种用于接收数字数据的接收机，该接收机包括：

(a)天线，用于接收含有在其上调制的数字数据的辐射信号；

(b)降频变频器，用于将所述接收辐射信号降频倍频到低频信号；

(c)线性调频脉冲发生器；

(d)解调器，该解调器利用从所述线性调频脉冲发生器接收的线性调频脉冲周期性解调所述低频信号以产生波信号，该波信号的频率与线性调频脉冲的起始与数字数据的起始的时间关系有关；

(e)滤波电路，用于对所述波信号进行滤波以去除超出预定频率范围的波信号；

(f)频率检测器，用于确定滤波波信号的频率；以及

(g)检波器，用于利用连续解调滤波波信号对数字数据进行译码。

7．一种用于定位移动发射机的系统，该发射机包括：

(a)用于从其它同类发射机中专用标识所述发射机的装置，所述装置设置在所述发射机上；

(b)发射装置，用于发射在其内已编码所述标识符的调制信号；所述编码包括与标识符的内容有关的连续脉冲之间的时间周期。

8．根据权利要求7所述的系统，其中所述发射装置进一步包括：

(c)线性调频脉冲发生器；

(d)载波信号源；

(e)调制器，其一个输入端输入所述载波信号；以及

(f)定时控制电路，该定时控制电路以线性调频脉冲之间的定时关系将线性调频脉冲施加到所述调制器以编码专用标识符作为所述载波信号的调制，其中所述发射装置包括定时控制电路，该定时控制电路以线性调频脉冲之间的定时关系将线性调频脉冲施加到所述调制器以编码待发射的数字数据作为所述载波信号的调制。

9．根据权利要求8所述的系统，其中所述线性调频脉冲的带宽接近4MHz并且持续时间接近10毫秒。

10．根据权利要求1或2所述的通信系统包括比较装置，该比较装置对多个所述接收机接收所述调制信号的接收时间进行比较以根据所述接收机的位置确定所述移动发射机的位置。

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