CN1764090A - 用于调制超宽带脉冲序列的系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于传输形式为至少一个脉冲序列的数据的系统。根据本发明的包括在系统中的发送器包括符号编码装置ENC，其包括：至少一个脉冲发生器PLSG，以及；至少一个信号乘法器SGMk(k＝1至K)，用于将至少一个脉冲序列Psqk与由控制字WDk定义的可调编码值相乘。根据本发明，由传输信号Tsg承载的信息实质上由包括在所述传输信号Tsg中的至少一个脉冲序列所承载的功率来表示，所述功率与脉冲的幅度有关。这一信息随后可由接收器恢复，同时所述接收器不必在时间上精确地映射所接收的脉冲序列。

Description

用于调制超宽带脉冲序列的系统和装置

技术领域

本发明涉及包括至少一个发送器和一个接收器的电信系统，所述发送器用于在N个时间窗上发送由至少一个脉冲序列形成的信号，该脉冲系列由N个脉冲形成，各脉冲包含在一个时间片内，该时间片在其相关时间窗内的位置由时间片号来确定。

背景技术

目前正在研究采用编码脉冲序列的数据传输方法，其目的在于评估所谓的超宽带电信系统(以下称为UWB系统)的适用性。在这种系统中，各个发送器可由上述时间片编号形成的标记来识别，其中标记本身是非常稳固的，因而可以可靠而准确地传送给所有潜在的接收器。

UWB系统中所用的脉冲非常短，具有例如低于0.1纳秒的持续时间，这提供了带宽至少为10千兆赫的系统，具有高灵活性，因而这种系统可能获得大量应用。

上述信号可形成承载信号，通过调制所述承载信号可以将信息编码在其上。本发明人注意到，由于相关脉冲短，因此接收端难于与给定脉冲序列精确同步，这样，为了取得成本效率，所选择的调制方案应当尽可能少地涉及与时间相关的参数。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种调制方案，根据此调制方案，不需要接收脉冲序列在时间上的精确映射，便可在接收端上恢复脉冲序列所承载的信息。

的确，根据本发明，开篇段落所述的电信系统的特征在于：发送器包括符号编码装置，其包括：

●至少一个用于产生所述至少一个脉冲序列的脉冲发生器，以及；

●至少一个信号乘法器，其用于将由脉冲发生器所产生的至少一个脉冲序列与表示要由所述脉冲序列承载的符号的可调编码值相乘。

由于具有这种符号编码装置，因此由根据本发明的超宽带电信系统中所发送的信号所承载的信息实质上可由这些信号承载的功率来表示，其中，所述功率与包括在这种信号内的脉冲幅度有关。

信号乘法器可基于Gilbert单元来构造，Gilbert单元是一种简单的众所周知的模拟电路，设计用于通过三对差分晶体管将两个模拟信号混合起来。可调编码值可大于一，在这种情况下信号乘法器将作为放大器使用。可调编码值可小于一，在这种情况下信号乘法器将作为衰减器或者除法器使用。

根据本发明的一个优选实施例，其中，所述至少一个脉冲序列存在于具有预定幅度的电压信号中，并且可调编码值小于或者等于一，信号乘法器包括分压器，用于将所述预定幅度除以一个可调值，该可调值可通过表示编码值的控制字来调整。

如下文将说明的，这种分压器可以成本非常低的方式，利用无源元件例如串联布置的电阻所构成的分压桥来实现。

根据本发明的第一变型，符号编码装置还包括随机二进制发生器，其用于随机地产生等于+1或者-1的值，此值用于与脉冲序列的连续脉冲相乘。

本发明的第一变型允许获得正脉冲和负脉冲的随机分布，由于所述信息与所述脉冲的平方相关，所以这样不会影响所述脉冲承载的信息，但允许防止频谱域中出现高幅度峰值，该峰值可能会干扰未包括在电信系统中的设备。通常应当对这种频率干扰进行限制，这种频率干扰是European Commission Directive 83/336 CEE针对的目标，也是美国联邦通信委员会管制的对象。

根据本发明的第二变型，符号编码装置还包括时间延迟装置，其用于使同一脉冲序列的所有脉冲经受时间抖动。

最好使这种时间抖动相对于时延扩展(delay spread)保持很小，时延扩展是由传输已调制信号的通信信道引起的。此时间抖动不会影响脉冲序列承载的信息，主要增加了根据本发明的调制方案的附加的灵活程度。

虽然这些脉冲可具有不同的形状，但如果它们均具有基本相同的宽度并承载相同的能量，则为属于同一序列的所有脉冲选择相同形状可简化根据本发明的调制方案的实现。脉冲可例如具有定义为高斯函数的二阶导数的形状。当然为此目的也可采用本领域技术人员已知的其它脉冲形状。

根据本发明的一个特定实施例，发送器包括至少一个信号编码器，其包括单个信号脉冲发生器和能量分离(energy splitting)装置，能量分离装置用于将所述一个脉冲发生器发出的一个基本脉冲序列分成至少两个将在相应子频带内传输的特定序列，所述相应子频带是由滤波装置对可用总传输带宽进行划分而得到的，所述编码器还包括至少两个信号乘法器，用于将各个特定脉冲序列与表示要由所述特定脉冲序列承载的符号的可调编码值相乘，所述编码器还包括信号合并装置，其用于将由所有的信号乘法器提供的全部特定序列合并成要发送的信号。

本发明的这一特定实施例允许通过同一通信信道同步发送几个符号，因此显著增加了电信系统的吞吐量。此特定实施例引人注意还有，每个编码器(尽管包括一个脉冲发生器)能够产生多个编码脉冲序列。

根据本实施例的一个变型，包括在同一信号编码器中的所有信号乘法器最好基本上彼此相同，至少两个信号乘法器可通过同一控制字控制，以便在至少两个不同子带上产生信息冗余。

在确定要用于所述传输的通信信道具有低信噪比特征的情况下，本发明上述实施例的这一变型将可以容易地引入传输冗余。由于信号乘法器是相同的，因此适当选择要在编码期间使用的相同控制字的数量将足以施加适当的冗余程度，有点类似于传输功率级，该传输功率级是根据与相关的通信信道有关的信噪比的测量值计算得到的。此变型因此允许对UWB电信系统的吞吐量进行简单灵活的调整，其中UWB电信系统的吞吐量是所述系统内的通信条件质量的函数。

根据本发明面向硬件的另一方面，本发明还涉及用于在N个时间窗上发送由至少一个脉冲序列形成的信号的设备，所述脉冲系列具有N个脉冲，各个脉冲包含在一个时间片内，该时间片在其相关时间窗内的位置由时间片号来确定；所述设备包括符号编码装置，其包括：

●至少一个用于产生所述至少一个脉冲序列的脉冲发生器，以及；

●至少一个信号乘法器，其用于将由脉冲发生器所产生的至少一个脉冲序列与表示要由所述脉冲序列承载的符号的可调编码值相乘。

附图说明

在阅读以下结合附图所作的说明之后，将会更加清楚本发明的上述特征及其它特征，附图中：

图1是说明应用本发明的电信系统的框图；

图2是构成在上述电信系统中传输的承载信号的脉冲序列的计时图；

图3是说明可用于产生所述序列的脉冲模型的计时图；

图4是说明包括多个脉冲序列的数据帧的计时图；

图5是说明根据本发明的一个变型的符号编码装置的框图；

图6是说明用于上述符号编码装置中的信号乘法器的一个可能

实施例的框图；

图7是说明用于上述符号编码装置中的信号乘法器的一个优选

实施例的原理图；

具体实施方式

图1说明实施了本发明的电信系统SYST。此系统SYST包括至少一个发送器TRD和一个接收器RCD，它们例如均可由像移动电话这样的设备构成。发送器TRD用于在N个时间窗Tf上发送信号Tsg，信号Tsg由至少一个具有N个脉冲pj(j＝1至N)的序列形成，各个脉冲包含在一个时间片Tc内，时间片Tc在其相关时间窗内的位置由片编号cj(j＝1至N)来确定。包括在此序列中的脉冲的个数N可以选择为例如等于128，而各时间窗Tf的宽度可以选择等于100纳秒，各时间片的宽度为1纳秒。

根据本发明，发送器TRD包括符号编码装置ENC，其用于将各个脉冲序列与表示要由所述脉冲序列承载的符号的编码值相乘。

因此，传输信号Tsg所承载的信息实质上可由信号Tsg承载的功率来表示，该功率与包括在所述信号Tsg内的脉冲幅度有关。然后，此信息可由接收器RCD恢复，而不需要所述接收器RCD必须在时间上精确地映射接收的脉冲序列。

图2以计时图的形式说明所述传输信号Tsg，根据计时图，每个脉冲序列总持续时间为Ts，其被分成各自具有持续时间Tf的时间窗，每个时间窗再被细分成时间片Tc，每个窗口内的一个时间片旨在包括一个脉冲pj(j＝1至N)，通过片编号cj来标识该单个时间片。这样，发送信号Tsg的发送器将通过由上述所有片编号cj(j＝1至N)共同形成的标记Sg＝(c1、c2…cN)来识别，其中，标记Sg本身非常稳定，因此可以可靠地而精确地传送给所有潜在的接收器。

根据本发明，属于此图所示脉冲序列的每个脉冲pj(j＝1至N)乘已与同一可调编码值Vi相乘，可调编码值Vi表示要由所述脉冲序列承载的符号(形式为此序列所承载的功率)，其中，标号“i”表明分配给所述脉冲序列的参考编号。

此外，在符号编码步骤过程中，将脉冲pj(j＝1至N)与随机选择的等于+1或-1的值αj相乘，这样，在这里所示示例中，第二脉冲p2是负的。

上述正负脉冲的随机分布不会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有关，但可防止在频谱域中出现高幅度峰值。

另外，这里所示的脉冲序列的所有脉冲pj(j＝1至N)在符号编码步骤过程中还可经受时间抖动dti。

将使时间延迟装置引入的时间抖动相对于时延扩展保持很小，时延扩展是由发送已调制的信号所经过的通信信道引起的。时延扩展可具有例如100纳秒的值。上述时间抖动不会影响各个脉冲序列所承载的信息，而主要是增加了根据本发明的调制方案的灵活程度。

因此，传输信号Tsg可用如下形式来表示：

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

在本发明的备选实施例(这里未示出)中，传输信号Tsg可通过预定数量的脉冲序列的叠加来构成，每个脉冲系列经过符号编码步骤，并且对应于若干子带之一，这些子带是事先对传输可用总带宽进行划分而得到的。

在上述实施例中，对应于序号k(k＝1至K，其中K为总子带数)的给定子带的每个脉冲序列将表示为：

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

同时

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

本发明的这一变型允许通过同一通信信道同时发送几个符号，因此大大提高了实施了本发明的上述变型的电信系统的吞吐量。

图3是另一个说明可选择用于构成上述脉冲的可能形状p(t)的计时图。同一序列的脉冲pj(t)(j＝1至N)可具有不同的形状，只要它们全部具有基本上相同的宽度并且承载相同的能量。然而，属于同一序列的所有脉冲pj(t)(j＝1至N)可具有相同的形状，如本文所述的p(t)，其定义为高斯函数的二阶导数，数学上可表示为p(t)＝A.[1-4π(t/Tw)²].exp(-2π(t/Tw)²)。当然为此目的也可采用本领域技术人员已知的其它脉冲形状。

图4是说明由如上所述的连续脉冲序列形成的数据帧DF的计时图，每个脉冲序列具有总持续时间Ts，两个所述序列之间周期性地插入保护间隔GI，以防止给定序列受下一序列改动，这种改动可通过例如所述脉冲序列之间的互调积项产生。因此，此数据帧DF由连续的各自具有持续时间Tr的帧构成，其中Tr＝Ts+GI，并且各帧包括上述脉冲序列。

在特定应用中，任何给定发送器的标记可动态地在所述发送器中产生，因此可随脉冲序列的不同而改变。这种标记可例如借助于对预编程可移寄存器的特定控制来产生。在这种应用中，任何给定接收器必须能够再生与各脉冲序列对应的各标记，这可通过为所述接收器配备可移寄存器来实现，该可移寄存器可根据由电信系统的控制基本设施以例如媒体访问控制信号的形式提前发送到所述接收器的指令预编程并加以控制。

因此，用于接收这种数据帧DF的设备必须仅能够测量表示由连续脉冲序列承载的连续功率量的数量，以便识别数据帧DF的信息内容，而不必在时间上精确地映射所接收的脉冲序列。

图5示意性地说明包括在根据本发明的一个优选变型的发送器中的符号编码装置ENC。这些符号编码装置ENC主要由信号编码器构成，包括：

●用于产生一系列脉冲序列的一个脉冲发生器PLSG；

●随机二进制发生器RDG，用于随机地产生等于+1或-1的值，这些要通过混合器MIX与脉冲序列的连续脉冲相乘；

●用于放大所述混合器MIX的输出信号的放大器A；

●能量分离装置ENSP，用于将由所述输出信号承载的能量扩散到K个子带中；以及

●K个带通滤波器BPFk(k＝1至K)的并联阵列，其中每个BPFk用于从混合器MIX的已放大的输出信号中提取特定脉冲序列Psqk，因此，每个特定脉冲序列Psqk对应于传输可用总带宽划分成的K个子带中的一个子带。

根据本发明的这一变型，符号编码装置ENC还包括K个信号乘法器SGMk(k＝1至K)，其用于将每个特定脉冲序列Psqk乘以表示要由所述脉冲序列Psqk承载的符号的可调编码值，可调编码值由控制字WDk来表示。

由信号乘法器SGMk输出的结果编码脉冲序列Tsgk(k＝1至K)随后由信号合并装置CMBM如电压相加器重新合并成信号Tsg，以通过发射天线ANT发送。

本发明的这一特定实施例允许借助于K个编码的特定脉冲序列Tsgk(k＝1至K)，通过同一通信信道同时发送K个符号。此特定实施例引人注意的还在于，每个编码器(虽然只包括一个脉冲发生器PLSG)可以产生多个编码脉冲序列Tsgk。

在上述实施例的变型中，编码装置ENC可包括多个类似于本图和前述图中所示的信号编码器，其中每个信号编码器包括一个脉冲发生器、多个带通滤波器和信号乘法器。对于构造多网络发送器，上述变型可能特别有用，包括在上述发送器中的每个信号编码器专用于所述网络之一。

根据上述实施例的一个变型，包括在同一信号编码器中的所有信号乘法器SGMk(k＝1至K)彼此最好基本上相同，至少两个信号乘法器可由同一控制字控制，以便在至少两个不同子带上产生信息冗余。

在已确定用于所述传输的通信信道具有低信噪比的特征的情况下，本发明上述实施例的这种变型将允许容易地引入传输冗余。因此此变型允许对UWB电信系统的吞吐量进行简单灵活的调整，所述UWB电信系统吞吐量是所述系统内的通信条件质量的函数。

图6示意性地说明根据本发明可能实施例的信号乘法器SGMk，根据本发明可能实施例，每个特定脉冲序列Paqk是由特定信号Vpk如电压信号形成的。本图所示的信号乘法器SGMk由基于Gilbert单元构造的混合器组成，Gilbert单元是一种简单的、众所周知的模拟电路，用于通过三对差分晶体管将两个模拟信号混合起来，并且用于输出由上述混合器得到的乘积信号Vtk。在本发明的这一实施例中，控制字WDk等于可调编码值Vki，并且可能大于一，此时信号乘法器SGMk充当放大器。可调编码值Vki可能小于一，此时信号乘法器SGMk充当衰减器或者除法器。

图7说明根据本发明一个优选实施例的信号乘法器SGMk，其中，每个特定脉冲序列Psqk(k＝1至K)由电压信号Vpk组成，可调编码值Vki小于或者等于一，信号乘法器随后用于提供输出电压信号Vtk，其幅度将根据输入电压信号Vpk的幅度经过分压处理。

因此，在这个特定示例中，此信号乘法器SGMk实质在于由四个串联布置的最好具有相同阻值的电阻Rkm(m＝1至4)形成的分压桥，每个电阻Rkm的一端通过由NMOS晶体管形成的选择器NMk(m)连接到信号乘法器SGMk的输出端，NMk(m)受控制字WDk的一位比特WDk(m)控制。

如果任意时候只有所述控制WDk的第m位WDk(m)等于1，则由此信号乘法器SGMk输出的电压Vtk将等于Vpk.m/4，在这种情况下，脉冲序列Tsgk将与等于m/4的编码值Vki相乘，因此电压Vtk可通过对控制字WDk的值进行编程来容易地加以调整。

Claims (7)

1.一种包括至少一个发送器和一个接收器的电信系统，所述发送器用于在N个时间窗上发送由至少一个脉冲序列形成的信号，所述脉冲系列具有N个脉冲，各个脉冲包含在一个时间片内，所述时间片在其相关时间窗内的位置由时间片号来确定；所述系统的特征在于：所述发送器包括符号编码装置，所述符号编码装置包括：

·至少一个用于产生所述至少一个脉冲序列的脉冲发生器，以及；

·至少一个信号乘法器，其用于将由所述脉冲发生器产生的所述至少一个脉冲序列乘以表示要由所述脉冲序列承载的符号的可调编码值。

2.如权利要求1所述的电信系统，其特征在于，所述至少一个脉冲序列存在于具有预定幅度的电压信号中，所述可调编码值小于一或者等于一，所述信号乘法器包括分压器，用于将所述预定幅度除以一个借助表示所述编码值的控制字可调的值。

3.如权利要求1或2中任意一项所述的电信系统，其特征在于，所述符号编码装置还包括随机二进制发生器，用于随机地产生等于+1或者-1的值，此值要与脉冲序列的连续脉冲相乘。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电信系统，其特征在于，所述符号编码装置还包括时间延迟装置，用于使同一脉冲序列中的所有脉冲经受一个时间抖动。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电信系统，其特征在于，所述发送器包括至少一个信号编码器，所述信号编码器包括信号脉冲发生器和能量分离装置，所述能量分离装置用于将所述一个脉冲发生器提供的一个基本脉冲序列分成至少两个将在相应的子频带内传输的特定序列，所述子频带是通过滤波装置对可用于传输的总带宽进行划分而得到的；所述编码器还包括至少两个信号乘法器，用于将各个特定脉冲序列与表示要由所述特定脉冲序列承载的符号的可调编码值相乘；所述编码器还包括信号合并装置，用于将由所有的信号乘法器提供的全部特定序列合并成要发送的信号。

6.如权利要求5所述的电信系统，其特征在于，包括在同一信号编码器中的所有信号乘法器彼此基本上相同，至少两个信号乘法器可由用一控制字控制，以便在至少两个不同的子带上产生信息冗余。

7.一种用于在N个时间窗上发送由至少一个脉冲序列形成的信号的设备，所述脉冲系列具有N个脉冲，各个脉冲包含在一个时间片内，所述时间片在其相关时间窗内的位置由时间片号来确定，其中，所述设备包括符号编码装置，所述符号编码装置包括：

·至少一个用于产生所述至少一个脉冲序列的脉冲发生器，以及；

·至少一个信号乘法器，其用于将由所述脉冲发生器产生的所述至少一个脉冲序列乘以表示要由所述脉冲序列承载的符号的可调编码值。

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