CN1969467A - 用于在无线通信网络中调制比特序列的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种系统合并TH－IR与TR－IR收发信机到同一无线网络中。发射机通过为每个当前比特生成波形对的参考波形和数据波形，在无线通信网络中调制一个比特序列。所述参考波形的相位依赖于前一调制的比特，而参考波形和数据波形对之间的相位差依赖于当前比特。

Description

用于在无线通信网络中 调制比特序列的方法与系统

技术领域

本发明一般涉及通信系统，尤其涉及在无线通信系统中使用的调制格式。

背景技术

在美国，联邦通信委员会(FCC)允许对无线通信系统的超宽带(UWB)信号的限制性未经许可的使用，“First Report and Order”，2002年2月14日。UWB信号必须处于从3.1到10.6GHz的频率范围内，并且具有500MHz的最小带宽。FCC规则(order)还限定了UWB信号的功率谱密度和峰值发射功率，例如，小于-43.1dBm/MHz。

UWB的一种调制方法使用极短的时间脉冲以生成具有大于500MHz带宽的信号，例如，一秒钟的1/1,000,000,000或更小，这对应于大约300mm的波长。使用短脉冲的系统通常被称作脉冲比(IR)系统。

如图1A中所示，对无线通信系统可以使用四种不同的调制技术：脉冲位置调制(PPM)11，脉冲幅度调制(PAM)12，开关键控(OOK)13，以及二相相移键控(BPSK)14。

作为一个优点，UWB系统能够获得高的数据率，并且对由大处理增益导致的多径损害有抵抗力。此外，基于IR的UWB技术的使用允许实现对外插作用(heterodyning)不需要本机振荡器的低损耗、低占空比、低功率收发信机。由于UWB无线电设备主要是数字电路，它们能够很容易集成在半导体芯片中。在UWB系统中，多个用户能够同时共享同一频谱但彼此之间不会干扰，并且对于高速家庭和商业网络设备以及传感器网络是理想的。

在传感器网络中，渴望实现多个并不昂贵的传感设备之间的直接通信。IEEE 802.15.4a标准在2003年的“IEEE P802.15.4a WPANAlternate PHY-PAR”一文中为低功率、低数据率网络定义了具有从1Kbs到1Mbps的可伸缩数据率的通信的物理层。

通常，IR系统或者是时间跳变的(TH-IR)或者是发射参考的(TR-IR)。两种系统都使用短持续时间脉冲，p(t)的序列。然而，TH-IR和TR-IR的调制和解调区别很大，使得TH-IR和TR-IR在同一网络中不兼容。

TH-IR系统由M.Win和R.A.Scholtz在“Ultra-Wide Band WidthTime-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for WirelessMultiple-Access Communications”IEEE Trans，OnCommunications，Vol.48，No.4，April 2000，pp.679-691中描述。在TH-IR系统中，每个比特或符号用N_f个脉冲表示，此处N_f为正整数。传输该比特所花费的时间为T_s。这被称为符号持续时间。时间T_s还被划分为多个帧T_f，而这些帧又被划分为多个通常对应于脉冲持续时间的码片T_c。如果N_c代表一帧内码片的数量且N_f代表一个符号中帧的数量，则T_s，T_f以及T_c的关系如下：

公式1

T_s＝N_fT_f＝N_fN_cT_c.                             (1)

图1B示出了对于一个现有技术TH-IR实例，即，波形110用于“0”比特，波形120用于“1”比特，脉冲104的符号时间T_s101、帧时间T_f102以及码片时间t_c103的关系。通常，根据“时间跳变”码，脉冲在一帧内的可用码片之间被伪随机间隔开，以使多用户干涉的影响最小化。

如上所述，调制可以是二相相移键控。借助BPSK，每个比特b被表示为正1或负1，b∈{-1，1}。该发射信号具有以下形式：

公式2

此处c_j表示TH码的j^th值，其在{0，1，...，N_c-1}的范围内，而b为i^th调制符号。此外，表示为h_i，j的任选序列能够应用于发射信号中的每个脉冲以便使发射信号的频谱成形并减少谱线。序列h_i，j被称为具有+1或-1值的极性扰频序列。为了在频谱的成形中给出进一步的自由度，不同的幅度都是可能的。

图2示出了传统的相干TH-IR接收机200。接收机包括自动增益控制(AGC)单元210，它与连接到接收天线230的放大器220耦合。接收机还包括同步240，定时控制250，信道估算260，MMSE均衡器270，以及解码器280单元。瑞克接收机指状单元(finger)290输入到加法器295。每个瑞克指状单元都包括脉冲序列发生器、相关器和加权组合器。瑞克指状单元减小了多径干扰。由于UWB信号中多径的密度，所需的瑞克指状单元的数量可以很大以获得合理的性能。加法器的输出被均衡并解码。典型的TH-IR接收机具有很大的复杂度。

TR-IR系统排除了对瑞克接收机的需求，见R.Hoctor和H.Tomlinson，“Delay-Hopped Transmitted-Reference RFCommunications”，IEEE Conference on Ultra Wide Band WidthSystems and Technologies，2002，pp.265-269。在TR-IR系统中，信息被编码作为序列中连续脉冲的相位差。TR-IR系统中的每个符号都是时间跳变“成对”的序列或两个连续脉冲的配对。通常，配对中的第一脉冲被称为参考脉冲而第二脉冲被称为数据脉冲。每个配对中的两个脉冲使用固定的时间单位T_d分开。能够为一个信息比特发送多个配对。发射波形具有以下形式：

公式3

此处T_f，T_c，h_i，j以及N_f与对于TH-IR的情况相同。

图3示出了对于TH-IR实例，即波形310用于“0”比特而波形320用于“1”比特，脉冲304的符号时间T_s 301、帧时间T_f 302以及码片时间T_c 303的关系。

图4示出了传统的TR-IR接收机400，其比图2的TH-IR接收机简单得多。该接收机包括延迟器401，乘法器402，积分器403，取样器407以及判决404单元。该接收机本质上是将所接收的信号405与延迟版本406相关联。显然，TR-IR 400接收机不如TH-IR接收机200复杂。然而，降低的复杂度是以需要两倍的脉冲数量，以及对参考脉冲需要标称为3dB或更多的额外能量为代价的。

显然，使用TH-IR或TR-IR调制的决定导致了不兼容的系统结构。因此，希望提供与TH-IR和TR-IR收发信机二者共同工作的系统结构，以在普通的无线网络内部实现成本、复杂度与性能的折衷。

发明内容

本发明提供一种在同一无线网络中合并TH-IR与TR-IR收发信机的系统与方法。本发明还提供以使TH-IR与TR-IR接收机能够调制同一信号的方式编码信息比特的调制格式。此外，当使用TH-IR接收机时，该调制格式不经受固有的3dB损耗。本发明能够应用于窄带、宽带以及超宽带无线电系统。

更特别的，一种方法通过为每个当前比特产生一个波形对的参考波形和数据波形，所述参考波形例如是脉冲，所述数据波形例如是另一个脉冲，而在无线通信网络中调制一个比特序列。参考波形的相位依赖于前一调制的比特，而且参考波形与数据波形对之间的相位(极性)差依赖于当前比特。

附图说明

图1A为现有调制技术的时序图；

图1B为现有技术TH-IR调制的时序图；

图2为现有技术TH-IR接收机的框图；

图3为现有技术TR-IR调制的时序图；

图4为现有技术TR-IR接收机的框图；

图5为根据本发明的混合IR发射机的框图；

图6为根据本发明的维特比(Viterbi)解码器的格子结构图；

图7为根据本发明的混合IR接收机的框图；

图8为根据本发明的混合IR调制的示意图。

具体实施方式

我们的发明提供了一种使TH-IR与TR-IR收发信机二者能够共存于同一无线网络中的系统与方法。我们的想法基于我们对TR-IR系统将信息比特编码作为参考脉冲与数据脉冲之间的相位差的观察。此外，参考脉冲的极性对于TR-IR系统的正确操作无关紧要。

因此，我们编码参考脉冲中的冗余信息以便TH-IR接收机能够以提高的性能解码该信息，同时维持所需的相位差或极性以便TR-IR也能够解码该信息。我们称该调制为“混合IR”(H-IR)。

图5示出了根据本发明的H-IR发射机500。该发射机包括用于输入比特501的预处理器510。预处理器包括延迟器502和加法器503。加法器将每个输入比特501加到该比特的延迟版本，并且其和被反相504。

该预处理根据两个连续的信息比特生成一对调制比特。应当指出，能够对每个信息比特使用多于一对的调制比特。在每个符号周期期间，该符号被调制511-512。该序列中的参考波形，例如，脉冲505，根据输入比特501被BPSK调制511，而数据波形，例如，脉冲506，根据反相后的和被BSPK调制。根据跳变序列530和延迟T_d531应用波形发生器521-522，且结果被组合540。

发射信号，s(t)541，可以如下表示：

公式4

根据公式(4)的调制显示，参考脉冲与数据脉冲之间的相位差与传统的TR-IR系统相同。表A显示了前一和当前比特的四种可能组合，参考及数据波形的对应值，以及它们的相位差或极性。

表A

如果当前比特为0，则无论前一比特的值如何，参考脉冲与数据脉冲之间的相位差总是180°。如果当前比特为1，则相位差为0°。

应当清楚的是，TR-IR接收机能够根据本发明解调该信号。然而，该信号也能够由性能提高的TH-IR接收机来解调。性能中的增益基于信息在参考脉冲和数据脉冲二者中都被编码的事实。因此，TH-IR接收机能够使用参考脉冲中的能量来对所发射比特的值做出判断，见表A。在每个符号周期期间内发送一个具有N_f/2个配对的序列。每帧内的配对是作为一个脉冲序列描述的，每个都依赖于所发射的当前和前一比特而具有脉冲的极性。有四种可能的配对组合。

公式5

$s_0\left(t\right)=-1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p\left(t\right)+1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p(t-T_d)$

$s_1\left(t\right)=-1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p\left(t\right)-1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p(t-T_d)$

$s_2\left(t\right)=1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p\left(t\right)-1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p(t-T_d)$

$s_3\left(t\right)=1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p\left(t\right)+1*\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p(t-T_d)$ (5)

上述公式中的系数

归一化所发射符号为单位能量，此处E_p为脉冲能量，而N_f为符号中的脉冲数量。注意这四个信号的集合可以使用两个正交基础函数Ψ₀和Ψ₁描述。我们选择

公式6

${\mathrm{\ψ}}_0\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p\left(t\right)\mathrm{and}{\mathrm{\ψ}}_1\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N_f{E}_p}}p(t-T_d)$

作为基础函数。那么，我们将这四个可能的配对表示为：

公式7

s₀(t)＝-1*ψ₀(t)+1*ψ₁(t)

s₁(t)＝-1*ψ₀(t)-1*ψ₁(t)                         (7)

s₂(t)＝1*ψ₀(t)-1*ψ₁(t)

s₃(t)＝1*ψ₀(t)+1*ψ₁(t)

我们也可以将这些信号表示为向量：

公式8

s₀＝[-1 1]

s₁＝[-1 -1]                                       (8)

s₂＝[1 -1]

s₃＝[1 1]

因此，发射信号能够如下描述。在每个符号周期期间内，发射机发射一个具有N_f/2个配对的序列。四个可能的配对由公式(7)给出。这些配对可以是或可以不是时间跳变的并用极性码编码。

作为一个优点，本发明为调制格式提供存储器。具有存储器的调制格式能够用格子结构图表示。此外，由于使用了两个基础信号ψ₀(t)和ψ₁(t)来表示这些配对，发射信号现在是二维信号。

图6示出了使用格子结构的维特比解码器的框图600。格子结构具有两种状态，其中状态0601为前一0比特的值，而状态1602为前一1比特的值。格子结构的分支指示可能的转移。分支用当前比特的值以及所发射的配对的向量表示来标注。例如，如果当前状态为0并且要发射‘1’比特，则发生到状态1的转移，并发射配对s₁＝[-1 -1]。

利用混合IR调制的这种解释，我们看到可以使用相干TH-IR接收机来解调信号。我们的TH-IR接收机适用于根据本发明提供连续符号之间的符号波形和存储器的二维描述。

图7示出了根据本发明的TH-IR接收机700。正如以前所述，我们使用瑞克结构790。然而，现在瑞克指状单元使进入的信号与两个基础脉冲，ψ₀(t)和ψ₁(t)的序列相关。每个指状单元的输出现在是2维向量701。指状单元的输出被相加710以对传统的最大似然序列检测器(MLSD)720生成软输入观察702。MLSD检测器通过格子结构600为给定的观察702的序列确定最可能的路径。可以使用诸如维特比解码的近似于MSDL检测器的方法。

图8显示了符号、比特与调制波形之间的关系。要调制的序列801的6个符号标注为b₀到b₅，具有前一编码符号‘0’。该示例序列中的符号为

{0，1，1，0，0，1}802，

它对应于参考比特

{-1，-1，+1，+1，-1，-1}803，

和数据比特

{+1，-1，+1，-1，+1，-1}804，

以及具有参考与数字脉冲对806的波形805，此处“下降”脉冲编码“-1”而“上升”脉冲编码“+1”。

从图8我们看到波形805具有早前描述的特性。特别是，每个配对806中参考脉冲与数据脉冲之间的相位差包含关于正发射的当前比特的信息。对于每个配对，当发射‘0’比特时相位差为180°，而当发射‘1’比特时为0°相位差。

此外，该配对的序列还包含关于参考脉冲的极性中前一比特的信息。同样，这可以在图8中见到，图8中每个配对中的参考脉冲具有表明前一编码的比特的值的+/-极性。就是说，如果前一比特为‘1’则为正极性，当前一比特为0则为负极性。应当理解，这些极性都能够反相以获得同样的结果。

如图4和7分别所示，因此这个波形实现了相干及微分相干接收机二者在同一网络中的使用。接收机的选择能够基于诸如所需性能、实施成本或希望的发射距离等的考虑。当使用多个配对来发射符号的情况下，结论是直截了当的。在这种情况下，每个配对被重复多次，而极性扰码的代码能够用于改善波形的频谱特性。

本发明的效果

根据本发明的调制格式能够由相干瑞克TH-IR和差分相干TR-IR接收机解调。由于信息还在参考波形中被编码，根据本发明的TH-IR接收机具有超过现有技术TH-IR接收机的改进性能。

尽管示例信号是用于UWB系统，应当理解本发明还能够用于窄带无线通信系统，以及使用除脉冲、CDMA、FSK和PSK调制以外的波形的UWB系统。

尽管本发明已经通过优选实施例的示例方式进行了描述，应当理解的是，可以在本发明的精神与范围之内做出各种其他的调整和修正。从而，所附权利要求书的目的在于覆盖落入本发明的精神与范围之内的所有这种变更及修正。

Claims (19)

1.一种用于在无线通信网络中调制比特序列的方法，包括：

为每个当前比特生成波形对的参考波形，其中所述参考波形的相位依赖于前一比特；和

为所述当前比特生成所述波形对的数据波形，其中所述波形对中的参考波形与数据波形之间的相位差依赖于所述当前比特。

2.根据权利要求1的方法，还包括：

如果所述前一比特为0并且所述当前比特为0，则所述参考波形的极性为-1，并且所述数据波形的相位为-1；

如果所述前一比特为0而所述当前比特为1，则所述参考波形的极性为-1，并且所述数据波形的相位为-1；

如果所述前一比特为1而所述当前比特为0，则所述参考波形的极性为1，而所述数据波形的相位为-1；以及

如果所述前一比特为1并且所述当前比特为1，则所述参考波形的极性为1，并且所述数据波形的相位为1。

3.根据权利要求1的方法，其中对应于所述比特序列的所述波形对的参考波形与数据波形由所述无线通信网络中的时间跳变脉冲无线电接收机和发射参考脉冲无线电接收机接收并被正确解码。

4.根据权利要求1的方法，其中所述波形由二相相移键控产生。

5.根据权利要求1的方法，其中为每个比特产生多个波形对。

6.根据权利要求1的方法，其中对应于比特b_i的波形对的发射信号s(t)被如下表示：

其中，N_f为2，发射该比特的时间为符号持续时间T_s，p为脉冲，所述符号持续时间具有多个帧T_f，每个帧具有多个码片T_c，每个码片对应于一个脉冲持续时间，N_c为每帧中码片的数量，并且T_s＝N_fT_f＝N_fN_cT_c，而且每个比特b_i用正1或负1表示，b∈{-1，1}，并且其中c_j表示一个代码在范围{0，1，...，N_c-1}内的j^th值。

7.根据权利要求1的方法，其中所述参考波形与所述数据波形受到具有+1和-1值的极性扰码序列的支配。

8.根据权利要求1的方法，还包括：

如果所述当前比特为0，则无论所述前一比特的值如何，所述参考波形与所述数据波形之间的相位差总是180°；并且

如果所述当前比特为1，则所述相位差为0°。

9.根据权利要求3的方法，其中使用相干接收机以及序列检测器解码所述接收的波形对。

10.根据权利要求9的方法，其中所述序列检测器为维特比(Viterbi)解码器。

11.根据权利要求9的方法，其中所述序列解码器为最大似然序列检测器。

12.根据权利要求1的方法，其中每个波形都是一个脉冲。

13.根据权利要求12的方法，其中所述无线通信网络使用超宽带波形。

14.一种用于在无线通信网络中调制比特序列的系统，包括：

用于为每个当前比特生成波形对的参考波形的装置，其中所述参考波形的相位依赖于前一调制的比特；和

用于为所述当前比特生成所述波形对的数据波形的装置，其中所述波形对中的参考波形与数据波形之间的相位差依赖于所述当前比特。

15.根据权利要求14的系统，还包括：

如果所述前一比特为0并且所述当前比特为0，则所述参考波形的极性为-1，并且所述数据波形的相位为-1；

如果所述前一比特为0而所述当前比特为1，则所述参考波形的极性为-1，并且所述数据波形的相位为-1；

如果所述前一比特为1而所述当前比特为0，则所述参考波形的极性为1，而所述数据波形的相位为-1；以及

如果所述前一比特为1并且所述当前比特为1，则所述参考波形的极性为1，并且所述数据波形的相位为1。

16.根据权利要求14的系统，还包括：

用于接收所述波形对的参考波形与数据波形的时间跳变脉冲无线电接收机；和

用于接收所述波形对的参考波形与数据波形的发射参考脉冲无线电接收机。

17.根据权利要求14的系统，其中所述波形由二相相移键控产生。

18.根据权利要求14的系统，其中所述无线通信网络使用超宽带信令。

19.根据权利要求14的系统，还包括用于产生所述波形的发射机，所述发射机还包括：

用于接收所述比特序列的延迟器；

用于接收每个当前比特与每个前一比特并生成和的加法器；

用于反相所述和的反相器；

连接到所述延迟器的第一调制器和波形发生器；以及

连接到所述反相器的第二调制器和波形发生器。

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