CN1698283A - 检测传输的无线电信号的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一个雷克接收机检测一个发射的超宽带无线电信号。该接收机包括一个前端，用于将接收到的发射的无线电信号转换为一个电信号。多个雷克分支并行处理电信号。每个雷克分支包括以下可以以任意顺序串联的元件。一个可编程脉冲发生器生成一个脉冲序列。一个连接到前端的一个输出和一个可编程脉冲发生器的一个输出的乘法器生成一个信号，该信号功能上涉及前端的输出和可编程脉冲发生器的输出的一个乘积。一个低通滤波器对乘法器的一个输出滤波，以及一个可调加权块按比例增减低通滤波器的一个输出。此外，雷克接收机包括一个脉冲序列控制器，用于调整来自每个雷克分支中的每个可编程脉冲发生器的每个脉冲序列的一个时序，以及一个加权控制器，用于调整每个雷克分支中的每个可调加权块的权重。一个求和块合并每个雷克分支的输出，以恢复一个对应于发射的无线电信号的信号。

Description

检测传输的无线电信号的设备和方法

技术领域

本发明主要涉及无线射频通信，并且尤其涉及用于超宽带无线电系统的雷克接收机(Rake receiver)。

背景技术

超宽带(UWB)是展频无线电通信的一种形式。在UWB系统中，其带宽比底层的有效载荷或数据信号的带宽宽得多。但是，与信号幅度或多或少恒定的常规的展频系统不同的是，一个UWB信号是由在非常宽的频率范围内展布的非常短的脉冲的一个序列组成的。因此，“UWB”这个词和“脉冲无线电”这个词常常是作为同义词使用的。展布的波形是短脉冲的一个模式，该模式被调制以编码数据。

许多展频通信系统采用所谓的“雷克”接收机，以补偿多通道传播。

图1显示了根据现有技术的一个雷克接收机100。雷克接收机包括一个前端101，用于预处理一个无线电信号102。雷克接收机具有模块结构，其中接收到的无线电信号102通过多个雷克分支110被并行处理。每个雷克分支110处理通过一个多通道无线电信道中的多个传播通道之一接收到的信号。

因此，每个雷克分支包括一个可调延时块111，它由一个延时控制器120控制，以及一个用于信号增益的可调加权块114，它由一个加权控制器140控制。延时后的接收到的信号与来自一个解展频波形发生器130的一个解展频波形输出相乘112，然后低通滤波113，然后再被按比例缩放或加权114。

延时和加权增益分别补偿相应通道的延时和衰减。每个雷克分支通过用发射机中使用的展频波形的复本乘以112接收到的信号来对接收到的信号“解展频”，从而提取出相应通道的信号。然后雷克分支110的输出在一个求和块150中被合并，接着被后处理(PP)160。求和可以是代数求和。

更具体地，处理通常在接收到的信号102的复数表示上执行，因此每个信号对应于一个复波形，它由一个实部和一个虚部组成，也称为同相和正交分量。每个雷克分支110的权重被设置为匹配相应通道的复幅度的复共轭。

当雷克分支的输出在求和块∑150中被合并时，它们只是被加到一起。这种加权和合并多个信号的方法被称为“最大比”合并。雷克分支权重选择的替换方法包括“等增益”权重分配和“最优”权重生成。

常规雷克接收机的一个问题是可调延时块111难以对一个UWB信号实现。

由于超宽带宽，UWB系统具有非常精细的时间分辨率，从而能够分辨间隔为带宽的倒数的多通道分量。这常被看作UWB的一大优点。分量的多通道分辨降低了信号衰减，因为多通道分量是不同分集的通道。分量同时都处于深度衰减的可能性是非常低的。

但是，精细的时间分辨率也意味着许多多通道分量(MPC)必须被雷克接收机100所“收集”，以便获取所有可用的能量。一个具有Np个可分辨分量的信道需要Np个雷克分支来收集所有可用的能量。在一个密集多通道环境中，MPC的数目随着带宽线性增长。例如，一个带宽为10GHz、在最大额外延时为100ns的环境中运行的UWB系统需要1000个雷克分支。即使是一个稀疏环境，例如由IEEE802.15.3a标准信道模型所指定的稀疏环境，也需要多达80个雷克分支来收集可用能量的80％。

另一个问题是雷克分支110的复杂度。在一个直接序列展频(DS-SS)系统的常规雷克分支中，相关器的输出是每个符号确定一次的。为进行相关，信号首先必须以芯片频率被采样并且被模数转换，其中芯片频率是展频的倒数。然后，这些采样必须被处理。这涉及到与存储的参考波形进行卷积，做加法以及读出。以芯片频率(例如10GHz)采样和A/D转换要求昂贵的元件。

UWB的目标是实现低成本和超高数据率的应用。为了使UWB可用于这些类型的应用，需要克服以上问题的改进的雷克接收机。

发明内容

本发明提供了一个用于超宽带(UWB)通信系统的雷克接收机。在前端处理一个接收到的UWB无线电信号之后，UWB信号并行地通过多个雷克分支被传递。

雷克分支的数目是基于一个传输信道中的“重要”通道的数目，以及出于成本考虑的。

每个雷克分支包括(可能以任意顺序)串联的一个可编程脉冲发生器、一个乘法器、一个低通滤波器以及一个可调加权。可编程脉冲发生器生成一个脉冲波形，其延时对应于多通道信道中的一个特定通道的延时。

脉冲波形在模拟域中与所述接收到的信号相乘，并且以符号率对其进行采样和A/D转换。然后对输出信号进行低通滤波，并且以一个调整后的权重对其进行增益控制。最后，通过求和合并来自所有雷克分支的输出，以恢复发射的信号。

附图说明

图1是一个用于展频超宽带通信系统的现有技术雷克接收机的框图；

图2是根据本发明的一个雷克接收机的框图；

图3是根据本发明的雷克接收机的一个替换实施例的框图；以及

图4是根据本发明的雷克接收机的另一个替换实施例的框图。

具体实施方式

图2显示了根据本发明的一个用于超宽带通信系统的雷克接收机200。接收机200包括一个前端101，用于预处理一个接收到的无线电信号102。前端将接收到的信号102转换为一个电信号103，它是一个复信号，包括一个同相分量和一个正交分量。在一个实施例中，电信号103是数字形式的。在另一个实施例中，接收到的无线电信号102是一个实数的基带无线电信号，并且被转换为实数的、电基带信号。

雷克接收机200具有模块结构，其中接收到的信号102通过被称为“雷克分支(rake finger)”210的多信道被并行处理。每个雷克分支210处理通过一个多通道无线电信道中的多个传播通道之一接收到的信号。

因此，每个雷克分支包括一个可编程脉冲发生器211，它被一个脉冲序列控制器220所控制。一个乘法器212将电信号103和可编程脉冲发生器211的输出作为输入。乘法器212的输出被低通滤波213。低通滤波器生成一个输出，该输出正比于滤波器的输入的时间积分。滤波器可以是一个积分-倾卸滤波器。

然后根据一个加权控制器240对信号进行加权214以补偿多通道信道中的衰减，以用于信号增益。然后雷克分支210的输出在一个求和块250中被合并，接着被后处理(PP)160。这种加权和合并多个信号的方法被称为“最大比”合并。雷克分支权重选择的替换方法包括“等增益”权重分配和“最优”权重生成。

根据本发明的雷克接收机200和现有技术的雷克接收式100的不同之处在于除去了可调延时块211和延时控制器120，并且用多个可编程脉冲发生器220取代了单个解展频波形发生器130，其中每个可编程脉冲发生器220用于一个雷克分支210。

这些修改是有利的，因此现有技术的可调延时块对于超宽带信号是难以实现的，而可编程脉冲发生器211在集成电子电路中易于实现得多。

所有可编程脉冲发生器211产生一个脉冲模式221。该脉冲模式与用于发射机中调制要发射的数据的脉冲模式是相同的。但是，来自不同脉冲发生器211的脉冲模式的时序是不同的。脉冲序列控制器220调整每个脉冲发生器的时序，以匹配多通道信道中一个通道的延时。

根据本发明的雷克接收机200利用了信道的稀疏性。IEEE802.15.3a信道模型中的“重要”通道的数目，即那些捕捉了85％能量的信道，对于UWB室内信道模型1(CM1)来说位于40之间，对于UWB室内信道模型4(CM4)来说位于160之间。从而，不必A/D转换所有的约2000个可能的通道，即持续时间为200ns的脉冲以及一个延时分辨率为100ps的脉冲响应。

在评估信道后，标识最重要的通道。然后雷克分支210的数目减少到匹配所述重要通道的数目。如果牺牲性能换取成本则可以使用更少的雷克分支。

如上所述，脉冲序列控制器220调整每个脉冲发生器211的时序以匹配信道中每个重要通道的延时。

图2的修改后的雷克接收机的性能与现有技术的雷克接收机的性能接近，只要有效载荷信号的符号率与信道的延时展布相比较小。

图3显示了一个替换的接收机300，用于不符合上述符号率条件的情况。接收机300的性能与现有技术的雷克接收机100相同。重新引入了从接收机200中去除的可调延时块，作为每个雷克分支310中的可调延时块216。

但是，在此实施例中，延时块216被设计为雷克分支310中最后的功能块。这使得延时容易实现得多，因为此处的信号带宽比低通滤波器213之前的带宽窄得多。以虚线轮廓显示块216，以表示它们是可选的。

每个雷克分支210还包括一个采样-保持块318。同样，虚线轮廓表示块318也是可选的。这些块使得雷克分支中随后的可调加权块214和可调延时块216实现起来较容易。当采样-保持块218被实现为A/D转换器以便所有随后的功能能够被数字地实现时，这一点尤其正确。可调加权和延时块被一个加权和延时控制器340所控制。

在此情况下，采样是以符号率进行的。可调延时块316只需要粗调，而精细的时序调整是由一个采样时序控制器320通过精确调整个体的采样时间来实现的。

其他实施例也是有可能的。尤其地，每个雷克分支310中的最后四个功能块213、214、216和218可以以任意顺序在每个雷克分支中串联，不会影响接收机300的功能。图3显示了优选的顺序。

图4显示了一个雷克接收机400的另一个替换实施例。在接收机400中，各个的可编程脉冲发生器211被一个单个脉冲发生器410以及一个脉冲序列控制器430所取代，其中单个脉冲发生器之后是一个多路分配器420。在多脉冲发生器211难以实现，而单个脉冲发生器410和多路分配器420相对易于实现的那些应用中上述实施例是有利的。

多路分配器420用作一个开关，它根据由脉冲序列控制器430定义的一个模式将来自脉冲发生器410的脉冲路由到不同的乘法器212。同时，控制器430也控制由可编程脉冲发生器410生成的脉冲模式，从而实现所需要的用于乘法器212的脉冲模式。

在以上说明中，所有雷克分支以不同的时序接收相同的脉冲模式。但是，本发明也允许向不同雷克分支馈送不同的脉冲模式。这在具有严重多通道的情况中尤其有用，在这种情况下信号间干扰的危害可能大于额外检测到信号带来的优势。

一般而言，脉冲序列控制器、采样时序控制器和加权/延时控制器共同工作，以最优化用于可用信道的雷克接收机的性能，同时充分利用本发明提供的灵活性。

虽然已通过优选实施例例的方式说明了本发明，但是要理解可在本发明的精神和范围内做出许多其他适应和修改。因此，权利要求书的目标是覆盖本发明的真正精神和范围内的所有这样的变体和修改。

Claims (15)

1.一个用于检测发射的无线电信号的设备，包括：

一个前端，用于将接收到的所述发射的无线电信号转换为一个电信号；

多个雷克分支，每个雷克分支并行处理所述电信号，并且每个雷克分支进一步包括：

一个可编程脉冲发生器，用于生成一个脉冲序列；

一个乘法器，它连接到所述前端的输出和可编程脉冲发生器的输出，以生成一个信号，该信号和所述前端的输出与所述可编程脉冲发生器的输出的乘积函数地相关；

一个低通滤波器，用于对所述乘法器的输出滤波；以及

一个可调加权块，用于按比例缩放所述低通滤波器的输出；以及

一个脉冲序列控制器，用于调整来自每个雷克分支中的每个可编程脉冲发生器的每个脉冲序列的时序；

一个加权控制器，用于调整每个雷克分支中的每个可调加权块的权重；以及

一个求和块，它被配置为组合每个雷克分支的输出，以恢复对应于发射的无线电信号的一个信号。

2.权利要求1的设备，其中发射的无线电信号是一个超宽带信号。

3.权利要求1的设备，其中所述脉冲序列的模式与在一个发射机中用于展频所述发射的信号的脉冲模式相同。

4.权利要求1的设备，其中每个脉冲序列的时序匹配用于发射所述无线电信号的一个多通道信道中的一个通道的延时。

5.权利要求1的设备，其中低通滤波器生成一个输出，该输出正比于到低通滤波器的输入的时间积分。

6.权利要求1的设备，其中低通滤波器是一个积分-倾卸滤波器。

7.权利要求1的设备，其中电信号是一个复信号，它由一个同相分量和一个正交分量组成。

8.权利要求4的设备，其中电信号是一个数字信号的形式。

9.权利要求1的设备，其中所述可编程脉冲发生器、乘法器、低通滤波器和可调加权块在每个雷克分支中以任意顺序串联连接。

10.权利要求1的设备进一步包括：

一个连接在低通滤波器和求和块之间的可调延时块。

11.权利要求10的设备，其中采样-保持块是一个模数转换器。

12.权利要求1的设备进一步包括：

一个可调延时单元，用于生成一个输出信号，该输出信号正比于输入信号的延时后的版本，其中延时值由一个控制输入确定。

13.权利要求1的设备，其中所述无线电信号是一个超宽带信号。

14.一个用于检测发射的无线电信号的设备，包括：

一个前端，用于将接收到的所述发射的无线电信号转换为一个电信号；

一个可编程脉冲发生器，用于生成一个脉冲序列；

一个多路分配器，它连接到可编程脉冲发生器的输出，以生成多个脉冲序列；

一个脉冲序列控制器，用于调整每个脉冲序列的时序；

多个雷克分支，每个雷克分支并行处理所述电信号，并且每个雷克分支进一步包括：

一个乘法器，它连接到所述前端的输出和所述多路分配器的输出，以生成一个信号，该信号和所述前端的输出与所述可编程脉冲发生器的输出的乘积函数地相关；

一个低通滤波器，用于对乘法器的输出滤波；以及

一个可调加权块，用于按比例缩放所述低通滤波器的输出；以及

一个加权控制器，用于调整每个雷克分支中的每个可调加权块的权重；以及

一个求和块，它被配置为组合每个雷克分支的输出，以恢复对应于发射的无线电信号的一个信号。

15.一种用于检测一个发射的无线电信号的方法，包括：

将接收到的所述发射的无线电信号转换为一个电信号；

在多个雷克分支中并行处理所述电信号，并行处理进一步包括：

生成一个具有可调时序的脉冲序列；

将所述脉冲序列与所述电信号相乘；

对相乘产生的信号进行低通滤波；

通过一个可调权重按比例缩放滤波后的信号；以及

对按比例缩放后的信号求和，以恢复对应于发射的无线电信号的一个信号。

Images