CN1630211A - 用于解调根据开关键控调制方案编码的uwb脉冲序列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以至少一个脉冲序列Tsgk(k＝1到K)的形式用来传输数据的方法。根据本发明的方法包括至少一个码元解码步骤，在此期间计算至少一个表示由每个脉冲序列Tsgk承载的功率的调制值Pwk，并和至少一个预定阈值Thvk作比较，通过使第一和第二概率密度函数相等来预先计算该阈值Thvk，所述第一和第二概率密度函数分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性。根据本发明的方法能够限制处理时间以及用于执行功率调制的UWB信号的解调所需的功率。

Description

用于解调根据开关键控调制 方案编码的UWB脉冲序列的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在至少包括一个发射机和一个接收机的电信系统中传输数据的方法，所述发射机用来发射由在Ns个时间窗上Ns个脉冲的至少一个序列形成的信号，每个脉冲都封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定。

背景技术

目前研究了此类数据传输方法，其目的是评价所谓的超宽带电信系统(进一步称作UWB系统)的相关性。在这种系统中，由上述片编号形成的特征标记来识别每个发射机，其特征标记自身是很坚固的，因此可以被可靠且准确地传送到所有可能的接收机。

在UWB系统中使用的脉冲非常短，该脉冲具有例如低于0.1纳秒的持续时间，其给这种系统提供至少高达10吉赫的带宽，从而为此种系统带来了高的灵活性和因此多种可能的应用。

上述信号可以形成承载信号，通过调制所述承载信号在其上编码信息。发明人注意到，由于涉及的脉冲短，在接收机端难以执行与给定脉冲序列的精确同步，因此所选择的调制方案应当尽可能少地包含与时间相关的参数，以便有成本效率。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种调制/解调方案，根据此方案，在接收机端可以恢复由脉冲序列承载的信息，而所述接收机不必关于时间精确地映射接收到的脉冲序列。

实际上，一种根据本发明的如在开始段落中所述的用于传输数据的方法的特征在于，该方法至少包括在接收机端执行的一个码元解码步骤，在该码元解码步骤期间，计算至少一个表示由每个脉冲序列承载的功率的调制值，并与至少一个预定阈值作比较，该阈值是通过使分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性的第一和第二概率密度函数相等而预先计算的。

根据本发明的码元解码步骤通过量化接收到的信号的功率并执行与一个或若干个阈值的易于实施的简单比较，无法以一种非常直接的方式实现调制UWB码元的解调。这种解调方案无需接收机执行接收到的信号关于时间的精确映射，而该解调方案又允许以相对低的成本制造合适的接收机。

此外，虽然可以预先规定每个预定阈值，例如如果在整数值0和1之间选择Vki，则设定为1/2或3/4。然而，发明人注意到，这种没有考虑到发射机和接收机之间的通信条件的固定阈值会产生解码错误。发明人因此设计了一种基于两个概率密度相等的取阈值方案，每个概率密度都考虑到了实时的通信条件，以致在两种解释条件之间不存在灰色区域或重叠。

根据本发明的一个特定实施例，用变量M^1/2的多项式定义阈值，其中M由M＝(2.B.Ns.Ti+1)/2来定义，B是计算该阈值的脉冲序列的带宽，以及Ti是在其上对属于所述脉冲序列的每个脉冲执行积分以便计算由所述脉冲序列承载的功率的持续时间。

如下面将要说明的，定义阈值的多项式优选地被限定在二阶，以便取得计算复杂性和解码效率之间的适当平衡。

根据本发明的一个优选实施例，定义阈值的多项式的一阶系数由曲线的纵坐标给出，该曲线的横坐标由与相关脉冲序列的传输相关的能量比形成。

由各种调制方案可以产生将要通过执行这种码元解码步骤来解调的UWB信号的调制。

根据本发明的一个特定实施例，如前所述的方法进一步包括在所述脉冲序列传输之前要被执行的至少一个码元编码步骤，在该码元编码步骤期间，用表示要由所述脉冲序列承载的码元的整数值来与每个脉冲序列相乘。

依靠此调制方案，由根据本发明的在超宽带电信系统中传输的信号承载的信息实质上与这些信号所承载的功率是相关的，所述功率与包括在这种信号内的脉冲的幅度是相关的。这种调制方案易于实施，而且该调制方案又能够以相对低的成本制造合适的发射机。

根据本发明的一种变型，要传输的每个信号由预定数目的脉冲序列叠加组成，每个脉冲序列都经历了码元编码步骤，并对应于若干子带之一，可用于传输的总带宽已经被预先划分成所述子带。

本发明的此变型允许通过同一通信信道同时传输若干码元，从而显著地增加了在其中实施本发明的这种变型的电信系统的吞吐量。

根据其面向硬件的方面之一，本发明还涉及一种至少包括一个发射机和一个接收机的电信系统，所述发射机用来发射由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个脉冲序列形成的信号，每个脉冲都被封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，系统内的接收机包括码元解码装置，用于计算至少一个表示由每个脉冲序列承载的功率的调制值，并用于比较所述调制值和至少一个预定阈值，该预定阈值是通过使分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性的第一和第二概率密度函数相等而获得的。

根据此硬件相关方面的一个特定实施例，该发射机包括码元编码装置，用来把表示将由所述脉冲序列承载的码元的两个整数值之一与每个脉冲序列相乘。

根据该硬件相关方面的一种变型，发射机进一步包括信号组合装置，用于接收预定数目的脉冲序列，每个脉冲序列都由码元编码装置产生，并对应若干子带之一，可用于传输的总带宽已经被预先划分成所述子带，所述信号组合装置将所有所述脉冲序列组成要被传输的信号。

根据其面向硬件的另一个方面，本发明还涉及一种用来接收由Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个序列形成的信号的装置，每个脉冲都封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，所述接收机包括码元解码装置，用于计算至少一个表示由每个脉冲序列承载的功率的调制值，并用于比较所述调制值和至少一个预定阈值，该预定阈值是通过使分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性的第一和第二概率密度函数相等而获得的。

根据其面向硬件的又一个方面，本发明还涉及一种用来发射由Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个序列形成的信号的装置，每个脉冲都封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，所述发射机包括码元编码装置，用来把表示将由所述脉冲序列承载的码元的两个整数值之一与每个脉冲序列相乘。

附图说明

通过阅读以下关于附图给出的说明，将会更清楚本发明上述特征以及其他特征，其中：

图1是描述在其中使用本发明的电信系统的功能图；

图2是描述在这种电信系统中传输的组成承载信号的脉冲序列的计时图；

图3是描述用于产生这种序列的脉冲模型的计时图；

图4是描述包括多个脉冲序列的数据帧的计时图；

图5是描述包括在实施本发明的变型的接收机内的码元解码装置的框图；

图6是描述根据本发明如何动态计算阈值的图；以及

图7是描述根据本发明的一个优选实施例用于计算此阈值的列表函数的图。

具体实施方式

图1描述在其中实施本发明的电信系统SYST。该系统SYST至少包括一个发射机TRD和一个接收机RCD，它们可以例如都由诸如移动电话的装置组成。发射机TRD用来发射由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲pj(j＝1到Ns)的至少一个序列形成的信号Tsg，每个脉冲都被封装在时间片内，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号cj(j＝1到Ns)规定。在此序列中包括的脉冲数Ns例如可以选择等于128，同时每个时间窗的宽度可选择为等于100纳秒，每个时间片的宽度是1纳秒。

根据本发明，发射机TRD包括码元编码装置ENC，用于将每个脉冲序列与表示要由所述脉冲序列承载的码元的整数值相乘。

由传输信号Tsg承载的信息因此实质上和由该信号Tsg承载的功率有关，该功率和包含在所述信号Tsg内的脉冲幅度相关。然后通过接收机RCD恢复该信息，而所述接收机RCD不必关于时间精确地映射接收到的脉冲序列。

为此，接收机RCD包括码元解码装置DEC，用于计算表示由每个脉冲序列承载的功率的至少一个调制值，并用于将所述调制值和至少一个预定阈值比较。如后面将要说明的，此种比较结果将自动指向最初由码元编码装置ENC编码在传输信号Tsg内的码元的解调值。

图2以计时图形式描述此种传输信号Tsg，根据该图，每个脉冲序列具有划分为每个具有持续时间Tf的时间窗的总持续时间Ts，每个时间窗被细分为时间片Tc，每个窗内的单个时间片用来封装一个脉冲pj(j＝1到Ns)，通过片编号cj来识别单个时间片。因此该传输信号Tsg的发射机可用由所有上述片编号cj(j＝1到Ns)共同形成的特征标记Sg＝(c1，c2…cNs)来识别，该特征标记Sg自身很坚固，因此可以被可靠且准确地传送到所有可能的接收机。

根据本发明，属于此图中所示的脉冲序列的每个脉冲pj(j＝1到Ns)用表示由所述脉冲序列承载的码元的相同整数值Vi相乘，用此序列承载的功率的形式，参考数字“i”指示分配给考虑的脉冲序列的参考号码。

此外，脉冲pj(j＝1到Ns)用码元编码步骤期间随机选择的等于+1或-1的值αj相乘，从而在此所示的例子中第二脉冲p2是负的。

这种正脉冲和负脉冲的随机分布不影响由所述脉冲承载的信息，因为所述信息与所述脉冲的平方形式相关，这允许在谱域防止出现高幅度峰值，该峰值可能会干扰不包括在该电信系统中的设备。这种频率干扰通常应该受到限制，并由欧洲管理委员会83/336 CEE以及美国联邦通信委员会的规定作为目标。

在此显示的脉冲序列的所有脉冲pj(j＝1到Ns)可能在码元编码步骤期间还另外经历了时间抖动dti。

由时间延迟装置引入的此时间抖动相对于由通信信道引起的延迟扩展将保持很小，调制信号通过该通信信道进行传输。该延迟扩展例如具有100纳秒的值。这种时间抖动不会影响由每个脉冲序列所承载的信息，并且主要增加了根据本发明的调制方案的灵活性的可选程度。

因而传输信号Tsg可用以下形式表示：

$\mathrm{Tsg}\left(t\right)=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Vi}.\mathrm{\αj}.\mathrm{pj}(t-\mathrm{cj}-j.\mathrm{Tf}-\mathrm{dti})$

在本发明中，由传输信号Tsg承载的信息是二进制的，因此表示由所述脉冲序列承载的比特的整数值Vi等于1或0。

图3是另一个描述可能形状p(t)的计时图，可以选择p(t)以构成上述脉冲。相同序列的脉冲pj(t)(j＝1到Ns)可能具有不同形状，假定它们全部实质上都具有相同宽度，并承载相同数量的能量。然而，属于相同序列的所有脉冲pj(t)(j＝1到Ns)具有诸如此处所述的形状p(t)的相同的形状，其被定义为二阶高斯函数的导数，其在数学上可以表示为：

p(t)＝A.[1-4π(t/Tw)²].exp(-2π(t/Tw)²)

本领域技术人员已知的其它脉冲形状当然可用于此相同的目的。

图4是描述一个由诸如如上所述的连续脉冲序列形成的数据帧DF的另一个计时图，每个脉冲序列具有总持续时间Ts，周期性在两个这种序列之间插入保护间隔GI，以便防止给定序列被后面的序列改变，这些改变可由例如所述脉冲序列之间的互调产物引起。因此该数据帧DF由每个具有持续时间Tr的连续帧组成，其中Tr＝Ts+GI，并包括上述的每个脉冲序列。

用于接收此种数据帧DF的装置因此必须仅仅能够测量表示由连续脉冲序列承载的连续功率的数量，以便识别数据帧DF的信息内容，而不必关于时间精确地映射接收到的脉冲序列。

图5描述包括在根据本发明可选实施例的接收机中的码元解码装置DEC，在该实施例中，传输信号Tsg是包括如前所述的K个脉冲序列的组合的复合信号，每个脉冲序列因此都在发射端经历了码元编码步骤。此接收机包括天线装置ANT，用于接收这种复合信号Tsg。解码装置DEC包括K个带通滤波器PBFk(k＝1到K)阵列，用来把K个子带互相分开，用于传输该复合信号Tsg的总带宽被划分成该K个子带，以便规定每个都用于承载一个特定码元的K个不同脉冲序列。

本发明的此变型允许通过相同的通信信道同时传输若干码元，从而显著增加了在其中实施本发明的这种变型的电信系统的吞吐量。

在这种实施例中，对应具有序号k(k＝1到K)的给定子带的每个脉冲序列将表示为：

$\mathrm{Tsgk}\left(t\right)=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Vki}.\mathrm{\αkj}.\mathrm{pkj}(t-\mathrm{ckj}-j.\mathrm{Tf}-\mathrm{dtki})$

其中 $\mathrm{Tsg}\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Tsgk}\left(t\right)$

在这里说明的本发明的实施例中，码元解码装置DEC包括K个矩形脉冲形成模块SQMk(k＝1到K)阵列，其中的每个都被连接到带通滤波器BPFk之一，并用于接收脉冲序列Tsgk(k＝1到K)以及传送由所述信号Tsgk的矩形脉冲组成的信号Sqsk。

码元解码装置DEC进一步包括K个积分模块INTk(k＝1到K)阵列，其中的每个都被连接到矩形脉冲形成模块SQMk之一，并用于传送表示由相应脉冲序列Tsgk承载的功率的调制值Pwk。这样一个调制值Pwk可例如在信道延迟持续时间上计算为由相关矩形脉冲形成模块SQMk传送的矩形波信号Sqsk的积分。

码元解码装置DEC还包括K个比较模块CMPMk(k＝1到K)阵列，其中的每个都被连接到积分模块INTk之一，用于比较要由所述积分模块INTk传送的调制值Pwk和预定阈值Thvk，该阈值可以随比较模块的不同而不同。

根据可以如下表示的简单的解码网格，由给定脉冲序列Tsgk承载的码元因此可以非常直接的方式来识别：

.如果Pwk＜Thvk，则由脉冲序列Tsgk承载的码元是S0；

以及

.如果Thvk＜Pwk，则由脉冲序列Tsgk承载的码元是S1。

每个矩形脉冲形成模块SQMk可由用相同的输入信号馈入的Gilbert cell形成。每个积分模块INTk可由配有RC反馈的运算放大器形成。每个比较模块CMPMk可由用于接收给定调制值Pwk的运算放大器以及分配给此比较模块CMPMk的预定阈值Thvk形成。码元解码装置DEC因此由现有模拟电路形成，该模拟电路因其高的处理速度而有名，并且与数字解决方案相反不需要任何采样，这就允许进一步降低处理功率和根据本发明的此实施例执行信号解码步骤所需的时间。

每个预定阈值可预先规定，例如如果在整数值0和1之间选择Vki，则设定在1/2或3/4。然而发明人注意到，这种没有考虑到发射机和接收机之间的通信条件的固定阈值可能产生解码错误。因此发明人设计了基于两个概率密度相等的取阈值方案，每个概率密度都考虑到了实时的通信条件，从而在两种解释条件之间不存在灰色区域或重叠。

第一和第二概率密度的若干表达式可从应用到光学的数学领域中的现有技术中导出。更具体地，发明人挑出由所谓的“Chi-square”理论得到的概率密度，当发明人将其应用到UWB传输领域时，它给出用于第一概率密度p0以及第二概率密度p1的下面的表达式，该第一概率密度p0表示承载等于0的值Vki的传输信号的似然性，该第二概率密度p1表示承载等于1的值Vki的传输信号的似然性：

$\left\{\begin{array}{c}p0\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(M\right)}{\left(\frac{x}{N}\right)}^{M-1}\·\exp (-\frac{x}{N})\\ p1\left(x\right)={\left(\frac{x}{E}\right)}^{(M-1)/2}\·I_{M-1}\left(2\frac{\sqrt{x.E}}{N}\right)\exp (-\frac{x+E}{N})\end{array}\right.$

其中Γ表示欧拉函数，以及Ij是第一类的第J个贝塞尔函数，E是脉冲序列所承载的能量并通过在给定时间间隔Ti上积分所传输的信号来计算，N是不利地影响所述信号传输的噪声强度，以及M是由M＝(2.B.Ns.Ti+1)/2定义的，B是用于计算阈值的脉冲序列的带宽。

图6说明使在上述等式系统中定义的概率密度相等p0＝p1，阈值Thvk会为其提供最优解，或基于选择用于实施本发明的实施例来提供近似解。

根据本发明的一个特定实施例，由变量M^1/2的多项式来定义阈值，其是上述等式系统的近似解，并且允许避免计算所述系统的最优解。此多项式优选地限制到二阶，以便实现计算复杂性和解码效率之间的适当平衡，并且可被表示为：

$\mathrm{Thvk}=N.[\frac{L}{4}+\mathrm{\φ}\left(L\right).\sqrt{M-1}+M],$ 其中L＝E/N。

根据相对于解码精度的计算成本，发明人挑选出此公式作为提供最佳结果的公式。

该表达式是由发明人从上述等式系统通过使用K.x-^1/2.exp(x)作为I_M-1(x)渐近当量导出的，其中I_M-1(x)用于固定正值K和大值x。包括在M^1/2多项式一阶变量中的项-1源于上述等式系统的数学变换，并可以在本发明的其他次优实施例中省略。此表达式允许预定阈值的相对简单的动态更新，其允许考虑由值M和L的变化表示的通信条件的可能变化。

根据上述本发明的优选实施例，定义阈值Thvk的多项式的一阶系数，即在(M-1)^1/2项之前的系数由制表曲线的纵坐标给出，该制表曲线的横坐标由与相应脉冲序列的传输相关的能量比L＝E/N形成，该曲线显示在图7中。

Claims (11)

1)一种用于在至少包括一个发射机和一个接收机的电信系统中传输数据的方法，所述发射机用于发射由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个脉冲序列形成的信号，每个脉冲都被封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，该方法至少包括在接收机端执行的一个码元解码步骤，在所述码元解码步骤期间，计算表示由每个脉冲序列承载的功率的至少一个调制值，并和至少一个预定阈值作比较，该阈值通过使第一和第二概率密度函数相等而预先计算，所述第一和第二概率密度函数分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性。

2)如权利要求1所述的方法，根据该方法，该阈值是由变量M^1/2的多项式定义的，其中M是由M＝(2.B.Ns.Ti+1)/2定义的，B是针对其计算阈值的脉冲序列的带宽，以及Ti是在其上执行属于所述脉冲序列的每个脉冲的积分的持续时间，以便计算由所述脉冲序列承载的功率。

3)如权利要求1所述的方法，根据该方法，定义阈值的多项式被限制在二阶。

4)如权利要求1所述的方法，根据该方法，定义阈值的多项式的一阶系数由曲线的纵坐标给出，该曲线的横坐标由与相应脉冲序列的传输相关的能量比形成。

5)如权利要求1到4中的任意之一所述的方法，进一步包括在所述脉冲序列传输之前要执行的至少一个码元编码步骤，在所述码元编码步骤期间，每个脉冲序列都与表示由所述脉冲序列承载的码元的两个整数值之一相乘。

6)如权利要求1到5中的任意之一所述的方法，根据该方法，要被传输的每个信号由预定数目的脉冲序列叠加组成，每个脉冲序列都经历了码元编码步骤，并对应于若干子带之一，可用于传输的总带宽被预先划分成所述子带。

7)一种至少包括一个发射机和一个接收机的电信系统，所述发射机用于发射由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个脉冲序列形成的信号，每个脉冲都被封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，系统内的接收机包括码元解码装置，用于计算至少一个表示每个脉冲序列承载的功率的调制值，并用于比较所述调制值和至少一个预定阈值，该预定阈值是通过使第一和第二概率密度函数相等而获得的，所述第一和第二概率密度函数分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性。

8)如权利要求7所述的电信系统，其中发射机包括码元编码装置，用于将每个脉冲序列与表示由所述脉冲序列承载的码元的两个整数值之一相乘。

9)如权利要求7或8中的任意之一所述的电信系统，其中发射机进一步包括信号组合装置，用于接收预定数目的脉冲序列，每个脉冲序列都由码元编码装置产生，并对应于若干子带之一，可用于传输的总带宽被预先划分成所述子带，所述信号组合装置用于将所有所述脉冲序列组成要被传输的信号。

10)一种装置，用于接收由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲中的至少一个序列形成的信号，每个脉冲都被封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，该接收机包括码元解码装置，用于计算至少一个表示每个脉冲序列承载的功率的调制值，并用于比较所述调制值和至少一个预定阈值，该预定阈值是通过使第一和第二概率密度函数相等而获得的，所述第一和第二概率密度函数分别表示承载第一码元的传输信号的似然性和承载第二码元的传输信号的似然性。

11)一种装置，用于发射由在Ns个时间窗上的Ns个脉冲的至少一个序列形成的信号，每个脉冲都被封装在时间片中，该时间片在其相应时间窗内的位置由片编号规定，该发射机包括码元编码装置，用于将每个脉冲序列与表示由所述脉冲序列承载的码元的两个整数值之一相乘。

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