CN1954508A - 具有较低复杂度和功耗的超宽带接收机体系结构的多频带序列键控的串行化 - Google Patents

具有较低复杂度和功耗的超宽带接收机体系结构的多频带序列键控的串行化 Download PDF

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Abstract

通过把一个序列键控的UWB码元的发射部分地串行化(图2)，接收这样一个发射所需要的并行接收机分支的数目被降低。较低的接收机路径数目在一个UWB码元的每一个部分串行化了的部分的接收期间被重新使用，并且对于每一个那些部分的接收，改变本地振荡器(312，332，334，336)输出频率。减少并行接收机路径的数目有利地降低了此类接收机消耗的功率量。类似地，在一个集成电路中实现这样一个接收机所必需的面积量也有利地被减少。在本发明的另外一个方面中，一个同步序列使用小于发射一个UWB码元可用的全组频带(402－408)。

Description

具有较低复杂度和功耗的超宽带接收 机体系结构的多频带序列键控的串行化
本发明通常涉及无线通信，尤其涉及超宽带通信中多频带序列键控的至少局部串行化，并且涉及具有较低复杂度和较低功耗的超宽带接收机体系结构。
超宽带(UWB)通信是信号在无线电频谱的大部分上被扩展的无线电通信形式，并且其中，任何特定频率处的信号功率因此相对较小。此类系统的带宽通常大于500MHz，并且在一些UWB系统中，带宽例如可以介于2GHz和100GHz之间。早期的UWB系统通过脉冲位置调制的使用把信息通知给它们的信号。这样的脉冲位置调制在UWB系统的环境下有时被称为时间调制。
通过或者调制脉冲位置，即：一个脉冲出现的时刻；或者调制脉冲的相位，则信息可以被编码成为一个UWB信号并且随后可以从UWB信号中导出。例如，一个稍早的脉冲可以被翻译为一个″0″，而一个稍延的脉冲可以被翻译为一个“1”。可替代地，一个在零相位处的脉冲可以被翻译为一个″0″，而一个以180度发射的脉冲可以被翻译为一个“1”。遗憾的是：这些方案每一发射脉冲只提供一个信息比特。
一个用于增加UWB信号的信息内容的信令方案涉及用序列键控增加相位或脉冲位置比特。此技术有时被称为频谱键控。序列键控要求UWB波形由若干预先定义的频带中的独立发射组成。这样，附加信息由用于UWB脉冲发射的频带选择的时间顺序来表示。随着频带数目的增加，频率的时间顺序序列的排列数目迅速地增加。多频带的使用为UWB系统的实施提供了一些明显的优点，因为它允许电路带宽和抽样率降低一个等于所使用的频带数的因子。把序列键控应用到结果的发射机和接收机是一种逻辑的增强：增加了这样一个多频带UWB系统的信息密度。明显的缺点是，需要若干平行的接收机，以便在事先不知道那个序列的情况下，接收发射的单音序列。
我们所需要的是一种用于降低多分支接收机的复杂度和功耗的方法和设备，其中，要求多分支接收机接收并解调在两个或更多频带上使用这样的序列监控所发射的超宽带信号。
简要地说，通过把一个被序列键控了的UWB码元的发射部分地进行串行化，则接收此类发射所需要的并行接收机路径的数目减少。减少了的接收机路径数目在UWB码元的每一个部分串行化了的部分的接收期间被重新使用，并且为每一个那些部分的接收改变本地振荡器输出频率。降低并行接收机路径的数目有利地降低了此类接收机消耗的功率量。类似地，在集成电路中实现这样一个接收机所需要的面积量被有利地降低。
在本发明的另外一个方面中，一个同步序列使用小于一个UWB码元的发射可用的全组频带。
附图说明
图1是说明在一个已知超宽带通信系统中码元发射的一个方案的频率时间图。
图2是说明根据本发明在一个超宽带通信系统中码元发射的一个局部串行化方案的频率时间图。
图3是根据本发明的一个简化了的UWB接收机的结构框图。
图4是根据本发明的一个说明性的方法的流程图。
具体实施方式
通常，本发明涉及用于降低多分支接收机的复杂度和功耗的方法和设备：需要该多分支接收机接收并解调用两个或更多频带发射的超宽带信号，即：序列键控UWB码元。类似地，本发明涉及用于发射一个被部分串行化了的UWB码元的方法和设备。另外，本发明涉及用于同步接收机与发射机的方法和设备。
到达时间序列传送所有或一部分调制信息的这样一个多频带UWB接收机通常需要用于n个频带的n个并行接收机分支或接收机路径。在本发明的实施例中，发射序列的局部或全部串行化被用来把并行接收机分支数目减少一个介于2和n之间的因子。换言之，序列键控了的UWB码元可以被串行化到其中的部分数可以是二或更大。这不必改变序列键控序列的性质就可完成。
在此，参考″一个实施例″，″一个实施例″或类似的简述是指结合该实施例描述的特定的特征、构造、操作或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，这样的短语或简述的出现在此不一定全都是参考同一实施例。此外，各个特定的特征、构造、操作或特性可以以任何适当的方式被合并在一个或多个实施例中。
UWB通信的一个调制方案有时被称为频谱键控，它除了例如根据BPSK或QPSK调制技术调制发射脉冲之外，还使用在不同频率处的脉冲发射序列来传送调制信息。例如，可以以800MHz的间隔选择五个不同频率。在这个示例中，在每个频率处的脉冲持续时间是每脉冲3ns，因此需要15ns来发送完整的序列。因为从接收机的观点，发射序列之前是未知的，所以并行接收机路径或分支被实现来虑及任何到达顺序。
当考虑集成电路形式的一个UWB收发信机的实施时，序列键控的一个缺点是由于需要并行接收机路径所引起的相对大的模拟RF部分。具体地说，为了实施并行接收机路径需要大量的模数转换器(A/D)，接着，需要一个较大量的芯片面积，并且，在操作中需要一个较大量的功率。
参见图1，一个说明在超宽带通信系统中码元发射的序列键控方案的频率时间图被示出。更具体地说，图1说明了发射一个UWB码元的一个示例，该UWB码元具有八个频带和八个调制时隙。在这个说明性的示例中，  在每个时隙期间只有一个载波(即，f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7或f8)可以被启动来进行发射。一旦一个载波已经被开启，则在那个UWB码元的发射期间它不被再次开启。如图1所示，UWB码元包括在时刻t1的频带f3、在时刻t2的频带f1、在时刻t3的频带f6、在时刻t4的频带f5、在时刻t5的频带f2，在时刻t6的频带f8、在时刻t7的频带f4以及在时刻t8的频带f7。这可以以一种方便的注释被表示为f3@t1、f1@t2、f6@t3等等。另外一个符号简化是把在这8个时隙期间的选定频率表达为{3，1，6，5，2，8，4，7}，在此，不言而喻，数字表示8个载波中的哪一个分别在时刻t1、t2、t3、...、t8处被开启。
根据本发明，发射的UWB信号的局部串行化导致所需的并行接收机路径数目的降低。因此，节省了芯片面积和功耗。
在用于为一个序列键控了的UWB码元减少接收机中的并行接收机路径数目的一个方案中，通过为每个频率提供单独的时隙而完全将序列串行化。总的来说，这需要使得n2个时隙可用，在本例中每一个时隙为3ns。因此对于n＝5，则连续的码元之间需要75ns。不降低脉冲宽度而试图把脉冲重复率提高超过13.3MHz将是不可行的。可是，降低脉冲宽度有一些缺点，包括如下：被每个子频带占有的带宽将增加，并且为了收集信号能量的实质部分而需要的瑞克分支数目也将增加。
本发明的实施例表示介于序列键控的完全串行和完全并行传输之间的一个折衷，如此以致接收机复杂性可以被削减因子2，同时仍然支持较高脉冲重复因子。例如考虑一个使用脉冲持续时间为3ns并且码元重复率为19.5MHz的8个子载波的规格。对于完全的串行化，在每个码元之间我们将需要64乘3ns，或者说192ns。可是，在根据本发明的一个UWB接收机中，可用时间是51ns(1/19.5MHz)。设想我们有相当于二组八个脉冲(2*8*3＝48ns)的时间。根据本发明，并行接收机分支数目可以减少因子2，同时保持序列键控调制方案的包括信息吞吐量在内的原始性质。更具体地说，在本例中，我们有16个相位比特(每一载波2个)和15个序列比特，因为log2(8！)＝15.2，给出每一码元总数为31个比特。这给出了原始数据速率31*19.5＝604.5Mbps。
参见图2，一个说明根据本发明的UWB码元发射的方案的频率时间图被示出。更具体地说，图2说明了根据本发明已经被重新格式化的图1序列键控了的UWB码元的示例。如图2所示，UWB码元包括：由在时刻t11的频带f3、在时刻t12的频带f1、在时刻t13无频带、在时刻t14无频带、在时刻t15的频带f2、在时刻t16的无频带、在时刻t17的频带f4、在时刻t18的无频带所组成的第一部分；一个内部缝隙(本说明示例中为3ns)；和由在时刻t21的无频带、在时刻t22的无频带、在时刻t23无频带f6、在时刻t24无频带f5、在时刻t25的无频带、在时刻t26的频带f8、在时刻t27的无频带、在时刻t28的频带f7所组成的UWB码元的第二部分。这可以被简单地表示为f3@t11，f1@t12，0@t13等，其中“0”表示在该时隙没有传输。另外一个符号简化是把部分1和2的8个时隙期间的选定频率表示为P1{3，1，0，0，2，0，4，0}，P2{0，0，6，5，0，8，0，7}，在此，不言而喻：数字表示对于第一部分(P1)，8个载波中的哪一个分别在时间t11、t12、t13...t18开启，以及对于第二部分(P2)，哪一个分别在时间t21、t22、t23...t28被开启。
参考图1和2，能够看出图1的UWB码元中示出的频谱分量的全部时间顺序可以从图2中部分串行化了的UWB码元中获得。受益于此公开内容的本领域技术人员应该理解：与如图1所示的序列键控UWB码元的接收机相比，图2中部分串行化了的序列键控的UWB码元只需要一半数量的并行接收机分支。
在本发明的一个实施例中，一种用于接收有八个频谱不同分量的接收机包括四个并行分支。每个复合本地振荡器能够在两个可用频率之间切换。在头半个码元间隔期间，频率f1、f2、f3和f4被提供，而在下半个码元间隔期间，这些被切换来提供频率f5、f6、f7和f8。存储器被用来储存来自于头半个和下半个码元间隔中的抽样，以便实现序列键控代码字的最大似然解码。通过在切换到第二组频率之前运用模-数转换器(ADC)收集的另外的抽样，则显著多径的可选瑞克合并可用。
本发明的一个说明实施例在图3的方框图中被示出。这个实施例包括一个典型的无线接收机前端(天线、滤波器和低噪声放大器)，并且还示出了根据本发明低噪声放大器的输出被分开并且连接到四个并行接收机路径的每一个上。另外根据本发明，四个并行接收机路径的每一个都包括一个可操作来产生两个不同混频频率的本地振荡器。这样，四个接收机路径中的每一个都可用于接收两个不同的频带。
更具体地说，收发信机的接收机部分300包括耦合到高通滤波器304的天线302。高通滤波器304被耦合来把信号提供给天线开关306，天线开关306被示出为接收来自收发信机的发射机部分的控制信号。天线开关306被耦合来提供信号给可变增益低噪声放大器(LNA)308。LNA308的输出被耦合到功率分流器310。功率分流器308提供信号给四个并行接收机路径的每一个。
第一接收机分支或路径包括一个本地振荡器312。本地振荡器312可操作来响应于来自本地振荡器控制电路315的控制信号，来提供第一频率或者第二频率。本地振荡器控制电路315可以按照各种方式来实现，但是基本上是一个定时电路，其识别已经接收到一个同步序列，其后可操作来提供每个接收机分支中的本地振荡器需要的控制信息，以便在准确的时间周期提供第一或第二频率，来接收被发送的部分串行化的序列键控UWB码元的各个部分。本地振荡器312的输出被耦合到一个用于产生信号的同相(I)和正交(Q)形式的块。同相信号被耦合到混频器316而正交信号被耦合到混频器318。混频器316、318的每一个都接收来自功率分流器310的一个信号。混频器316、318的输出分别被耦合到低通滤波器320、322。低通滤波器320、322的输出分别被耦合到可变增益放大器324、326。可变增益放大器324、326的输出分别被耦合到模数转换器328、330。模数转换器328、330的输出被耦合到瑞克合并器338。第二、第三和第四接收机分支与第一接收机路径的布置类似地被构造——除了每个路径的本地振荡器为它们各自的混频器产生一个不同的频率对之外，并且那些本地振荡器的每一个都被耦合来接收来自本地振荡器控制电路315中的控制信息。
仍然参见图3，瑞克合并器338的输出被耦合到一个序列键控解调器340；并且序列键控解调器340的输出被耦合到序列键控解码器342。
受益于本公开内容的本领域技术人员应该理解：可以按照各种方式设计这样一个与本发明一致的本地振荡器。例如，响应于一个控制信号，这样的本地振荡器可以产生两个频率输出之一。这个方法使用相对很少的功率的优点，但是有需要时间来切换其频率输出的缺点。可替代地，这样一个本地振荡器可以同时产生两个频率输出，并且复用器在任何给定时刻响应于一个控制信号而选择适当的频率输出。这个方法有需要非常小的时间来在频率之间切换的优点，但是有消耗附加的功率来使每个频率恰好同时输出的缺点。
参见图4，本发明的一个实施例被描述，其中：一个接收机被操作使得与一个UWB信号同步，然后接收部分串行化的超宽带USB码元的第一部分和第二部分。更具体地说，一种与一个超宽带信号的同步以及接收部分串行化的序列键控的超宽带码元的说明性方法包括：操作402第一多个振荡器，第一多个振荡器中的每一个都选择性地耦合到多个并行接收机路径的相应一个。如上所述，使用于每一个并行接收机路径中的复合本地振荡器例如可以被实现为一对振荡器和一个用于在每一振荡器的频率输出之间选择的复用器。把第二多个振荡器保持404在非操作的低功率状态。这帮助在接收机等待确定已经检测到一个同步序列的周期期间降低功耗。由于同步序列可以用一个已知频带序列、即可用于发射UWB码元的整组频带中的一个子集来设计，所以在搜索同步序列的任何时候只是一个本地振荡器的子集需要被供电或操作。操作406多个并行接收机路径。这样，一个同步序列可以被检测。至少部分地基于多个并行接收机路径中每一个的输出，确定408是否已经接收到一个同步序列。即，如果预确定的序列已经被接收到，那么接收机与发射机同步，并且接收机没有准备好接收部分串行化了的序列键控UWB码元。接收410部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分。如果同步序列已经被检测到，则操作412第二多个振荡器，并且把第二多个振荡器的每一个选择性地耦合414到多个并行接收机路径的相应一个。用这种方式，本地振荡器将能够向每一接收机路径中的混频器提供新频率，该频率能够接收部分串行化了的序列键控超宽带码元的后续部分。接收416部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第二部分。
在本发明的典型实施例中，在一个调制时隙开始的时候频率载波被开启并且在那个调制时隙结束的时候被关闭。可是，在本发明的备选实施例中，可以不必要求频率载波操作和调制时隙边界完全相同的的时间对准，而宁可说是提供某种适应性用于识别一个码元，其中在频率载体操作的时间和调制时隙边界之间有一些未对准。
本发明的各个实施例包括用于通过把并行接收机分支的数目减少一个至少为二的因子，来实现增强型序列键控，同时保持序列键控调制原始性质的方法和设备。本发明利用了完全并行和完全串行方法之间的一种折衷。换言之，在使用第一组载波中发射第一组比特，并且这个第一发射然后串联地接着使用第二组载波的第二组比特发射。
在各个备选实施例中，一种根据本发明用于接收部分串行化了的序列键控的UWB码元的接收机可以与一个发射机结合，使得形成一个收发信机。在这样的布置中，可以在发射机和接收机之间共享一个天线。在某些收发信机实施例中，发射机和接收机电路可以被合并在单个集成电路中。
本发明某些实施例的一个优点是：由于一次只有一组载波激活，所以接收机的复杂性可以显著降低。
本发明某些实施例的一个优点是：通过减少所需要的并行接收机分支的数目，在其中实现这样一个接收机的芯片的面积也被缩小。
本发明某些实施例的一个优点是：通过减少实现一个接收机所需要的电路的数量，功耗量降低。
应该理解的是：本发明不限制为上述实施例，而是包含在附加的权利要求范围内部任何以及全部实施例。

Claims (16)

1.一种与一个超宽带信号同步并且接收一个部分串行化了的序列键控的超宽带码元的方法，包括：a)操作(402)第一多个振荡器，第一多个振荡器中的每一个都被选择性地耦合到多个并行接收机路径的相应一个；b)把第二多个振荡器保持(404)在非操作的低功率状态；b)操作(406)多个并行接收机路径；c)至少部分地基于多个并行接收机路径中每一个的输出，确定(408)是否已经接收到一个同步序列；d)接收(410)部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分；e)如果(c)的确定是肯定的，则操作(412)第二多个振荡器；f)把第二多个振荡器中的每一个都选择性地耦合(414)到多个并行接收机路径的相应一个；和g)接收(416)部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第二部分。
2.权利要求1的方法，其中：多个接收机路径的每一个接收耦合到那的振荡器的输出的同相和正交形式。
3.权利要求2的方法，其中：非操作的低功率状态包括解激励状态。
4.权利要求2的方法，其中：非操作的低功率状态包括一个已经激励的非切换状态。
5.权利要求2的方法，还包括：在接收到部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分之后，把第一多个振荡器从多个并行接收机路径中去耦合。
6.一种接收一个部分串行化了的序列键控的超宽带码元的方法，包括：a)操作多个本地振荡器，每个本地振荡器可操作来选择性地产生至少两个频率输出，并且还被配置来产生至少两个频率输出的每一个的同相和正交形式；b)操作多个并行接收机路径，多个并行接收机路径的每一个被耦合到本地振荡器的相应一个，并且在至少两个频率的第一个上接收信号的第一同相和正交对；c)接收(410)部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分；d)操作多个本地振荡器，如此以致多个并行接收机路径的每一个，在至少两个频率的第二个上，从其相应的本地振荡器中接收信号的第二同相和正交对；和g)接收(416)部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第二部分。
7.权利要求6的方法，其中：在部分串行化了的序列键控的超宽带码元的的第一部分的末尾和部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第二部分之间有时间延迟。
8.权利要求7的方法，还包括：在接收部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分之前，与一个超宽带信号同步。
9.权利要求8的方法，其中：在与一个超宽带信号同步之后，本地振荡器可操作来选择性地产生至少两个频率输出。
10.权利要求9的方法，其中：在与一个超宽带信号同步之前，本地振荡器可操作来选择性地仅仅产生一个频率输出。
11.一种用于接收一个部分串行化了的、序列键控的超宽带码元的接收机，包括：多个并行接收机路径，每个接收机路径包括第一混频器(316)和第二混频器(318)；多个复合本地振荡器(312，332，334，336)，每个复合本地振荡器有一个同相输出和一个正交输出，每一个复合本地振荡器被耦合到多个接收机路径的相应一个，如此以致同相输出被耦合到相应的第一混频器(316)，而正交输出被耦合到相应的第二混频器(318)；一个瑞克合并器(338)，它被耦合来接收来自多个并行接收机路径的每一个中的输出；一个耦合到瑞克合并器的序列键控解调器(340)；和一个耦合到序列键控解调器的序列键控解码器(342)。
12.权利要求11的接收机，其中：每个接收机路径还包括一对模-数转换器(328，330)。
13.权利要求12的接收机，还包括：一个存储器，它被耦合来储存从部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分中接收到的信息。
14.权利要求13的接收机，还包括：控制电路(315)，用于确定是否已经接收到一个同步序列并且用于提供控制信号，该控制信号确定多个复合本地振荡器的每一个的频率输出。
15.权利要求14的接收机，还包括：天线(302)，耦合到天线的滤波器(304)，耦合到滤波器的天线开关(306)，耦合到天线开关的可变增益低噪声放大器(308)，和耦合到可变增益低噪声放大器(308)的功率分流器(310)，功率分流器(310)还耦合到多个并行接收机路径的每一个。
16.一种收发信机，包括：一种用于接收一个部分串行化了的序列键控的超宽带码元的接收机，包括：多个并行接收机路径，每个接收机路径包括第一混频器和第二混频器；多个复合本地振荡器(312，332，334，336)，每个复合本地振荡器有一个同相输出和一个正交输出，每一个复合本地振荡器被耦合到多个接收机路径的相应一个，如此以致同相输出被耦合到相应的第一混频器(316)而正交输出被耦合到相应的第二混频器(318)；一个瑞克合并器(338)，它被耦合来接收来自多个并行接收机路径的每一个中的输出；一个耦合到瑞克合并器的序列键控解调器(340)；和一个耦合到序列键控解调器的序列键控解码器(342)；一个存储器，它被耦合来储存从部分串行化了的序列键控的超宽带码元的第一部分中接收到的信息；控制电路(315)，用于确定是否已经接收到一个同步序列并且用于提供控制信号，该控制信号确定多个复合本地振荡器的每一个的频率输出；和天线(302)，耦合到天线的滤波器(304)，耦合到滤波器的天线开关(306)，耦合到天线开关的可变增益低噪声放大器(308)，和耦合到可变增益低噪声放大器(308)的功率分流器(310)，功率分流器还耦合到多个并行接收机路径的每一个；和一个耦合到天线开关(306)的发射机。
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