CN1732632B - 产生基于时钟的传输的方法、系统和装置 - Google Patents

产生基于时钟的传输的方法、系统和装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种用于使用数字时钟产生和/或接收超宽带宽(UWB)脉冲的方法和装置。

Description

产生基于时钟的传输的方法、系统和装置
背景技术
超宽带(UWB)系统可在比传统系统更宽的频率范围内传输信号。UWB信号的带宽可以等于中心频率的至少20％或超过500MHz。UWB传输通过发送和接收持续时间非常短的射频(RF)能量脉冲串来进行的。各脉冲的持续时间非常短，例如，0.1-4纳秒(ns)。
本技术领域已知的使用基于二极管的脉冲发生器来产生UWB传输的装置，通常包括由时钟脉冲触发的阶跃恢复二极管或微波隧道二极管。在该结构中，尽管二极管可具有好的开关或脉冲发生特征且能被调谐以覆盖一个宽的带宽，但它们很难集成，特别是在互补金属氧化物半导体(CMOS)器件中。
本技术领域已知的可用于高功率UWB雷达发射机的其它UWB传输设备基于脉冲功率技术，例如，电容性放电电路、变换器开关和传输线开关，和/或光激半导体开关。这些器件通常很贵且很难与CMOS集成。另外，对于UWB雷达发射的高功率限制使这种类型的器件不适合用于商业通信系统，例如，因为由联邦通信委员会(FCC)设定的限制。
本技术领域已知的另一类型的发射机基于门控振荡器。在此方法中，本机振荡器受门控，频谱的中心频率可以由振荡器频率控制；然而，该门控振荡器方法是不灵活的。例如，不能数字地导出中心频率，产生多个音调需要多个锁相环路(PLL)，且该PLL的实施会消耗大量的功率，因为它不能在各脉冲之间关闭以维持环路的稳定性。
附图简要说明
在说明书的结束部分特别指出和清楚地要求了本发明的主题。然而，最好能在阅读附图时参照以下详细说明来理解本发明的组织和操作方法及其目的、特征和优点：
图1为根据本发明的示例实施例的使用门控时钟发生电路作为调制UWB通信系统中的数据的基础的发射机的简化的方框图；
图2A为示出根据本发明的示例实施例的无屏蔽的双极调制脉冲的示意图；
图2B为根据本发明的示例实施例的包括低占空比的双极调制脉冲发射机的掩码的示意图；
图2C为根据本发明的示例实施例的通过带通滤波器的双极调制脉冲的示意图；
图3为根据本发明的示例实施例的调制UWB通信系统中的信号的门控时钟发生电路的示意方框图；
图4为根据本发明的示例实施例的直接序列(direct-sequence)扩频(DSSS)UWB发射机实现的示意方框图；
图5为根据本发明的示例实施例的DSSS UWB接收机实现的示意方框图；
图6A为根据本发明的示例实施例，基于多个载波信号的同步传输的脉冲正交频分复用(OFDM)波形的示意时域表示；
图6B为根据本发明的示例实施例，基于非重叠或部分重叠脉冲波形传输的脉冲正交频分和时分复用(OF/TDM)波形的示意时域表示；
图6C为根据本发明的示例实施例，包括串接的多个子带的脉冲OFDM或OF/TDM超宽带波形的示意时域表示；
图7为根据本发明的示例实施例，包括各占用不同频带的经交错的子带脉冲的OF/TDM发送波形的时域表示；
图8A示意地示出根据本发明的示例实施例的使用OF/TDM系统的一个实施例的经汉宁成形(Hanning-shaped)的子带波形的时域表示；和
图8B示意地示出根据本发明的示例实施例的经成形的子带OF/TDM波形的频域表示。
应理解为了使说明简化和清楚，图中所示的元件不一定要精确地按比例画。例如，为了清楚起见，某些元件的尺寸会被相对于其它元件夸大或几个物理部件包括在一个功能块或元件中。另外，认为合适时，可以在附图中重复标号来表示相应或类似的元件。另外，图中所示的一些块可以被组合成一单个功能。
本发明的实施例的详细说明
在以下详细说明中，为了便于完全理解本发明而列出了许多细节。然而，那些本领域的普通技术人员会理解可以不用这些特定细节来实施本发明。在其它例子中，为了不混淆本发明不再详细说明已知的方法、过程、部件和电路。
本发明的实施例提供了用于例如与UWB发射机和/或接收机一起用数字时钟产生超宽带宽(UWB)脉冲的方法和装置。例如，在本发明的一些实施例中，可以根据数字处理来实现发射机和发送方法。这些实现可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成到现有器件中。另外，虽然本发明的范围不限于此方面，可以将本发明的实施例配置成在由联邦通信委员会(FCC)或任何其它控制机构所设定的界限内工作。另外，本发明的实施例可使用以数字方式导出的(digitally derived)中心传输频率。
下面以无线个人区域网络(WPAN)通信系统为背景来描述本发明。然而，对本领域的技术人员显而易见的是本发明还适合于任何其它能驱动数字时钟的系统或设备。
本发明的一个实施例包括UWB发射机的实施，其中数字时钟用作发射的基础。使用数字时钟，与使用模拟元件的已有技术相反，可以大大简化发射机电路的互补金属氧化物半导体(CMOS)对发射机电路的集成，例如，因为可以用数字锁相环路(PLL)以直接的方式产生数字时钟。另外，对于由本发明的某些实施例的发射机使能而具有基本上相同的复杂度下降和集成简易性的通信系统，在其接收机方可以使用相同的电路。例如，在可以是在加性高斯白噪声环境的情况中选择的接收机的基于相关器的接收机中，根据本发明的实施例的基于时钟的发生器可以形成对原始脉冲执行“模板匹配(template-matching)”的电路的部分，减少了接收机的成本。
图1的方框图提供了根据本发明的实施例的如何能将门控时钟发生电路用来调制UWB通信系统中的数据的总的说明。时钟信号可以由时钟发生电路10产生。调制器30可以将由时钟发生电路10产生的时钟信号与数据20相组合。产生的波形可以通过门控和成形单元40来门控和成形，并通过带通滤波器50滤波，最终产生一个具有希望的脉冲波形的传输信号60。应注意，在本发明的另选实施例中，图1所示的框中至少一些可以被组合成单个电路，例如，根据具体的设计考虑，可以将时钟发生电路10和调制器电路30的功能集成到单个电路中，或可以执行图1所示的不同块的功能的任何其它集成和非集成。
在本发明的一个实施例中，数字时钟信号可以由现有技术的数字锁相环路(PLL)产生。然后可以调制该时钟信号，其中合理数量的周期的时钟信号可以形成信号波形。例如，如图2A所示，对于双极调制，该波形可包括某个图形来表示数据中的‘1’和倒置的图形来表示‘0’。
单个波形的形状可以通过周期开关门控时钟脉冲来控制，从而合理数量的周期的时钟信号可以形成一个脉冲。可以用包括AND和OR电路的简单的数字逻辑来控制时钟的门控，使门控机构有效地以高速工作并易于集成在CMOS中。这可以降低信号波形的占空比并使能基于脉冲的UWB系统的某些或所有优点，包括较低的衰落界限和较低的码间串扰。由该门控引起的信号的峰值与平均值的功率比(PAR)的可能增加可以使用足够高的占空比来控制。另外，该门控可以控制信号的频谱带宽，因为门的宽度大致与频谱带宽相反地变化。图2B示出具有低占空比的双极调制的脉冲。
在本发明的一些示例实施例中，信号波形的形状可以由能获得更光滑的信号包络的成形函数来控制。合适的信号的成形可以帮助减少由数字时钟的发射引起的信号频谱中的高次谐波。在本发明的一些实施例中，数字时钟后面有一个模拟带通滤波器以减少高次谐波并将该信号维持在给定频谱掩码的限制内，例如，如联邦通信委员会(FCC)开发的对于非许可设备的部分15规定所要求的。图2C示出根据本发明的实施例的应用带通滤波器之后的低占空比双极调制脉冲。通常至少有三个设计参数可以被更改以产生一个特定特征的UWB波形，这三个设计参数是：时钟频率(fc)；门控周期(Tg)；和成形函数。在本发明的实施例中，如下所述，可以通过控制和/或改变用于产生UWB波形的各种时钟频率来控制所有三个特征。
基本时钟频率可以确定调制的波形的中心频率。在本发明的一些实施例中，可以改变时钟频率使已调制波形的中心频率可以按需要改变。这提供了容易地将UWB波形移到不同的频带的灵活性，这在UWB频带在不同发送区域(例如：不同的国家)不同时可能会很重要。这还可以提供移向在特定位置中的未占用频带以减少干扰的灵活性。
门控周期可以确定占用的UWB波形(例如：带宽～1/Tg)的带宽。在本发明的一些实施例中，为了提供进一步的传输灵活性门控周期可以是可变的。具有一个为时钟周期数倍的选择周期使得能使用相同的周期来产生基本时钟脉冲和选择时钟脉冲；然而，为时钟周期合理倍数的选择周期也可以容易地得到。又，改变选择周期和中心频率为改变UWB波形的占用的频率提供一个方便的机制，允许该系统自适应地改变以容纳不同的干扰环境。
可以与门控函数一起实施或作为一个单独电路来实现的成形函数可以通过平滑传输的脉冲的包络为频谱成形提供灵活性。例如，在本发明的一些实施例中，可以使用加窗函数来平滑时间域脉冲和限制波形中的高频成分。加窗函数可以例如是汉宁窗或单个周期的正弦曲线。这可以减少传输的波形的旁瓣能量。在本发明的一些实施例中，如上所述，加窗函数可以基于得自时钟信号的门控函数的经滤波的型式。此函数可用于如图6A、6B、6C、8A和8B所示的多个UWB脉冲占用相邻频道的本发明的子带的实施。
本发明的实施例可用于几种类型的UWB系统。一个例子是上面讨论的基于脉冲的系统。适用于该系统的本发明的实施例可以包括图3所示的时钟脉冲发生方案的实现。PLL 100产生一个可以用数据120调制成一系列双极性调制脉冲的高频时钟信号110。在图3所示的实施例中，根据数据(例如：‘0’或‘1’)，分别使用数字反相器和缓冲器元件130和140，及AND和NAND门元件150和160来选择脉冲或经反相的脉冲。然后门控和成形所获得的波形。门控和成形单元190可包括低频时钟180的低频型式，该型式可以通过时钟转换器170来门控预定倍数的高频时钟110周期。例如，高频时钟110可以以7GHz运行，而低频时钟180可以以3.5GHz运行。在此例中，每两个高频时钟周期形成单个脉冲。门控和成形单元190可以通过控制脉冲的上升时间建立发射的UWB信号的带宽。例如，如果需要的话，门控的脉冲可以通过一个可任选的带通滤波器200，以满足带外发射的要求。如图4和5所示，可以连同直接序列扩频(DSSS)UWB系统一起来实施本发明的其它实施例。此实施例可以使用高速数字时钟来产生码片序列来形成以例如3-5GHz的量级速率的直接序列信息码元。在一些实施例中，码字长度和码片速率可以变化或并行地传输以产生每秒500兆比特(Mbps)或更高的信息传输速率。可以通过将‘0’与某一编码的脉冲序列相关联并将‘1’与一个不同的编码的脉冲序列相关联来生成编码。例如，每个比特可以由一连续的15个脉冲来表示，其中各脉冲的相位可以被反相也可以不被反相。不同的位可以由不同序列的15个脉冲来表示，在此称为一个编码。不同的用户还可以使用不同的编码集合，例如，允许多个用户同时在相同的频率上传输，而相互之间不引起明显的干扰。
图4示出本发明的一个产生例如313Mbps数据传输率的实施例。在所示示例实施例中，要传送的数据400被输入一个一比特移位寄存器402中。虽然本发明的范围不限于此方面，可以由字选择器404根据移位寄存器402输出的数据符号来选择一个16比特码字，例如“码字0”(框406)或“码字1”(框408)。选择的码字可以由一个多路复用器(Mux)412(例如由一个5GHz时钟脉冲410来操作的16对1多路复用器(移位寄存器)412)来接收，从而产生发射机414的5GHz的处理速率。因此，如果以5GHz的频率传输16位，则信息传输率为313Mbps。本领域的技术人员会认识到其它传输速率也是可能的，并因此可以控制RF发射的中心频率。
图5示出DSSS UWB接收机的一个实施例。可以是双极天线或另一类型的天线的天线500可以接收UWB信号并可以通过放大器502放大该信号。乘法器或输入混频器504将经放大器502输入的信号乘以一个模板信号，该模板信号可以由编码发生器512产生并通过一个带通滤波器508。乘法器504的输出信号可以通过一个低通滤波器506滤波以去除高次谐波。当时间同步时，该信号可以恢复原始的传输信号。可以任选地将抽取器或除法器514用于以码元速率而非可能高得多的码片速率来为同步模拟-数字转换器(ADC)510计时。可以使用可变数字延迟电路516搜索接收机的定时，并使其与发射机的定时相匹配。DAC 518可以控制延迟量。编码发生器512和带通滤波器508可用于形成用于与输入信号相关的模板发生器。例如具有5GHz频率的时钟源可以用于驱动编码发生器512。编码发生器512可以产生一个可能与在乘法器或输入混频器504处接收的波形相关的模板信号。可变数字延迟电路516可以用于搜索并匹配接收到的信号的定时，之后，可以由ADC 510数字化该信号，例如以用于诸如本领域已知的信道均衡和码元检测之类的DSSS处理。可以将从ADC输出的数字信号提供给一个数字信号处理器520进行处理。连同子带UWB系统(SB-UWB)(也称为正交频分和时分多路复用(OF/TDM)或脉冲的正交频分多路复用(OFDM))一起可以实现本发明的又一实施例。图6A、6B、6C、7、8A和8B示出可以与本发明的实施例一起使用的子带波形的例子。在这些实施例中，频谱被划分成许多个子带，例如，各个子带可占用一个500MHz量级的带宽。通过串接几个例如6个或8个子带波形，可以产生一个占用例如约4GHz的频谱的超宽带波形。子带波形可以被例如同时传输，或它们可以例如在时间上交织并以非重叠的时间间隔传输，或它们可以例如在部分重叠的时间间隔内被传输。子带波形中的一些或所有或一个也没有可以具有相同的的带宽。子带波形的中心频率和波形的带宽可以用例如上述的门控时钟电路来控制。
图6A、6B和6C的示意图示出本发明的实施例的示例子带实施的时域和/或频域表示。图6A示出基于可以用根据本发明的示例实施例的门控时钟电路实施的多个载波信号的同时传输的脉冲OFDM波形的时域表示，在图6A中所示的例子中，根据占空比在部分脉冲周期内传输串接的OFDM波形s(t)。
图6B示出脉冲OF/TDM波形(即，基于非重叠或部分重叠的脉冲波形的传输的子带的或多频带的波形)的时域表示，所述波形可以用根据本发明的示例实施例的门控时钟电路来实施。在图6B所示的例子中，在基本上充满该周期的脉冲周期的交替部分期间传输6个子带波形S1(t)-S6(t)。在所示的例子中，每个子带波形根据传输的子带波形的个数填充脉冲周期的几分之一，例如图6B中的六分之一。
图6C示出可以用根据本发明的示例实施例的门控时钟电路实现的包括多个串接的子带的在几个GHz量级上的脉冲OFDM或OF/TDM波形的频域表示。在所示例子中，6个子带可以分别以相距500MHz的中心频率处传输，其中一些或全部具有500MHz的带宽。
在图7所示的另一例子中，可以用在3.5和6GHz之间变化的时钟频率产生六个SB-UWB波形，所述时钟频率可以用2纳秒(ns)的周期门控，产生量级约为500MHz的带宽。图7示出这些在非重叠周期内传输的子带波形。该非重叠传输可具有减少信号的峰值对平均值功率比(PAR)和使能交替实施(例如，可以顺序地产生子带(例如：一次只产生一个子带)的优点。
在图7所示的实施例中，子带可以由不同的数据比特调制，导致一个可能非常高的吞吐量。又，可以通过改变用于产生子带波形的时钟频率使子带的覆盖范围在UWB频域内变化。例如，如果SB-UWB与在5.15-5.35GHz频带内工作的IEEE02.11a无线局域网(WLAN)设备一起实现，则可以通过改变时钟频率将覆盖5.15-5.35GHz频带的子带调节到更高的频率(见Institute of Electrical andElectronics Engineerings(IEEE)Standard 802.11a-1999，“Wireless LAN MediumAccess Control(MAC)和Physical Layer(PHY)Specificaiton：High-speedPhysical Layer in the 5GHz Band”)。图7和8A示出传输的波形示例的时域表示，其中子带在时间上被交织。
在这些例子中，可以用如前所述的数字时钟产生UWB子带，该时钟脉冲的输出经过例如3.0-6.5GHz贝塞耳带通滤波器(图7)滤波并用汉宁窗(图8A)成形。图8A示出根据本发明的示例实施例的使用OF/TDM系统的一个实施例的具有汉宁形状的成形的子带波形的时域表示。图8B示出根据本发明的示例实施例的经成形的子带OF/TDM波形的频域表示。那些本领域的普通技术人员会认识到有各种方法来产生该多个时钟频率，如在本发明的实施例中使用的，包括：多个模拟PLL、数字PLL、或单个PLL的多个相位，或任何其它合适的方法。
虽然用相对有限个实施例描述本发明，应理解可以对本发明作出各种变形、修改和其它应用。本发明的实施例可包括用于执行本文的操作的其它装置。该装置可以集成所述的元件，或可包括实现相同目的的另选的部件。本领域的技术人员会理解所附的权利要求旨在覆盖所有落在本发明的真实精神内的修改和变化。

Claims (13)

1.一种用于生成直接序列超宽带宽信号的方法，包括：
数字地生成时钟信号；
接收所述数字地产生的时钟信号和数据；以及
从所述数字地产生的时钟信号和数据导出直接序列超宽带宽信号，其中，导出直接序列超宽带宽信号包括：用所述数据调制所述时钟信号以获取经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：使所述时钟信号反相以获取反相的时钟信号；和使用AND门用所述数据调制所述反相的时钟信号；以及
成形所述经调制的信号来获取所述超宽带宽信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形所述调制的信号包括滤波所述经调制的信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形所述调制的信号包括向所述调制的信号施加加窗函数。
4.一种用于生成直接序列超宽带宽信号的方法，包括：
数字地生成时钟信号；
接收所述数字地产生的时钟信号和数据；以及
从所述数字地产生的时钟信号和数据导出直接序列超宽带宽信号，其中，导出直接序列超宽带宽信号包括：用所述数据调制所述时钟信号以获取经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：使所述时钟信号反相以获取反相的时钟信号；和使用AND门用所述数据调制所述反相的时钟信号；以及
成形并使用门控时钟门控所述经调制的信号来获取所述超宽带宽信号。
5.一种用于生成直接序列超宽带宽信号的方法，包括：
数字地产生时钟信号；
接收所述数字地产生的时钟信号和数据；以及
从所述数字地产生的时钟信号和数据导出直接序列超宽带宽信号，其中，导出直接序列超宽带宽信号包括：用所述数据调制所述时钟信号以获取经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：缓冲所述时钟信号以获取经缓冲的时钟信号；和使用NAND门用所述数据调制所述经缓冲的时钟信号；以及
成形所述经调制的信号来获取所述超宽带宽信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述成形所述调制的信号包括滤波所述经调制的信号。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述成形所述调制的信号包括向所述调制的信号施加加窗函数。
8.一种用于生成直接序列超宽带宽信号的方法，包括：
数字地产生时钟信号；
接收所述数字地产生的时钟信号和数据；以及
从所述数字地产生的时钟信号和数据导出直接序列超宽带宽信号，其中，导出直接序列超宽带宽信号包括：用所述数据调制所述时钟信号以获取经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：缓冲所述时钟信号以获取经缓冲的时钟信号；和使用NAND门用所述数据调制所述经缓冲的时钟信号；以及
成形并使用门控时钟门控所述经调制的信号来获取所述超宽带宽信号。
9.一种用于从数字地产生的时钟信号和数据中导出直接序列超宽带宽信号的装置，包括：
产生一数字时钟信号的数字时钟；
调制器，用于用数据调制所述时钟信号来产生经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：使所述时钟信号反相以获取反相的时钟信号；和使用AND门用所述数据调制所述反相的时钟信号；以及
成形单元，用于成形经调制的信号以获得直接序列超宽带宽信号。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括带通滤波器，用于减少经调制的信号中的高次谐波。
11.一种用于从数字地产生的时钟信号和数据中导出直接序列超宽带宽信号的系统，包括：
产生一数字时钟信号的数字时钟；
调制器，用于用数据调制所述数字时钟信号，从而产生经调制的信号，其中用数据调制所述时钟信号包括：使所述时钟信号反相以获取反相的时钟信号；和使用AND门用所述数据调制所述反相的时钟信号；
成形单元，用于成形经调制的信号以获得直接序列超宽带宽信号；以及
双极天线，用于传输调制的信号。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括带通滤波器，用于减少经调制的信号中的高次谐波。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述带通滤波器为贝塞耳带通滤波器。
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