CN1969519A

CN1969519A - 波的时域逆转方法

Info

Publication number: CN1969519A
Application number: CNA2005800192072A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·芬克; 若弗鲁瓦·勒罗塞; 阿诺·德罗德; 朱利安·德罗斯尼; 阿诺·图兰
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Universite Paris Diderot Paris 7
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2025-04-11
Also published as: CA2562518C; EP1735978B1; FR2868894A1; JP2007533228A; JP4703641B2; WO2005104473A1; FR2868894B1; CN100574290C; EP1735978A1; CA2562518A1; US20070211788A1; US7653137B2; WO2005104473A8; ES2584868T3

Abstract

根据本发明，相应于信号s(t)的波可以以下方式得到时域逆转，采用第一变换使其中心频率降低，生成第一组变换信号Ki(t)，然后生成代表时域逆转信号s(－t)的第二组变换信号K’i(t)，对第二组变换信号进行第三变换以生成时域逆转信号s(－t)。

Description

波的时域逆转方法

本发明涉及波的时域逆转方法。

更具体地，本发明涉及同至少一个初始信号s(t)相对应的波的时域逆转的方法，其中t代表时间，该初始信号s(t)的中心频率为f0，其通带为Δf，该方法中，确定了一个时域逆转信号α·s(-t)，其中，α是常数或者是时变的乘法系数，s(-t)是s(t)的时域逆转。

文献EP-A-0 803 991描述了这样一种方法的例子，其中具有调用某个信号的时域逆转(temporal inversion)的近似值的缺陷，它仅仅能工作于某些特定条件下，特别是当带宽非常窄的时候。

本发明的目的尤其在于减轻这种缺陷。

为此，根据本发明，有关这个问题的一类解决方法的特征在于，包括以下步骤：

-第一变换，其适用于降低信号的中心频率，而且应用于初始信号s(t)而基本上不引起初始信号的任何信息丢失，所述第一变换生成包括至少一个比初始信号具有更低中心频率的第一变换信号Ki(t)的第一组变换信号，所述第一组变换信号Ki(t)代表所述初始信号s(t)。

-第二变换，当该变换应用于每个第一变换信号Ki(t)的时候，该变换生成同第一变换信号基本上具有相同中心频率的第二变换信号K’i(t)，该第二变换从第一组变换信号Ki(t)生成了第二组变换信号K’i(t)，选择所述第二变换使得所述第二组变换信号代表时域逆转信号s(-t)。

-第三变换，该变换应用于第二组变换信号K’i(t)，生成时域逆转信号α·s(-t)。

由于本发明所述这些方法的优点，其可以成功地生成一个时域逆转波，而不必在频率f0上完成这项工作，后者在数字模式里要求至少以两倍于信号s(t)的最大频率的采样频率对信号进行采样，这样会导致使用相对昂贵的硬件，特别是在频率f0很高的时候。相反地，根据本发明，可以利用信号s(t)的通带Δf低于f0的事实，将所述信号降低到一个较低的频率而不丢失信息，这通常可以由简单和标准的操作来完成，例如解调类型的操作。这样，较低频率的一个或多个信号Ki(t)被采样和处理，以获得代表s(-t)的一个信号或多个信号K’i(t)，以相对低频率的操作的电子装置就会相当便宜。通过一个诸如调制类型的标准操作(例如最初应用于信号s(t)的逆转操作)，随即便返回到较高频率，再生信号s(-t)。

根据本发明的优选实施例，可以采用如下安排中的一个和/或其他：

-通带Δf小于f0；

-第三变换是第一变换的逆变换；

-第一变换是解调，该解调适用于消除频率为f0的载波信号，以从初始信号s(t)中提取出所述第一组变换信号Ki(t)，第三变换是一个信号或多个信号K’i(t)对频率为f0的载波信号的调制；

-第一变换是IQ解调，该解调生成两个第一变换信号K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，使得s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sin(2π·f0·t)，第二变换将信号K1(t)变换为K’1(t)＝I(-t)，将信号K2(t)变换为K’2(t)＝-Q(-t)，第三变换是IQ调制，该IQ调制是所述解调的逆过程；

-第一变换是幅度和相位解调，其生成两个第一变换信号K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)，其中A(t)是信号s(t)的幅度，(t)是信号s(t)的相位，第二变换将信号K1(t)变换为K’1(t)＝A(-t)，并将信号K2(t)变换为K’2(t)＝-(-t)，第三变换是所述解调的相逆过程的调制，其生成时域逆转信号s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]；

-第一变换是一个子采样过程，其采样频率小于2f0，但至少等于2Δf，生成一个变换信号K1(t)，第二变换是一个时域逆转过程，将信号K1(t)变换为K’1(t)＝K1(-t)，第三变换是一个通带基本上等于Δf、频率中心在f0的滤波，将K’1(t)变换为s(-t)；

-第一变换是将频率下变频到中间频带的过程，生成一个第一变换信号K1(t)，第二变换是时域逆转变换，其将信号K1(t)变换为K’1(t)＝K1(-t)，第三变换是上变频过程，是上述下变频的逆过程；

-第一和第三变换在模拟信号上实现，每个第一变换信号都要被采样，在将每个第二变换信号转换为模拟信号之前，第二变换以数字方式执行；

-以低于中心频率f0的采样频率进行采样；

-波是电磁波(例如无线电波或光波)；

-中心频率f0在0.7和50GHz之间；

-中心频率f0在0.7和10GHz之间；

-从声波和弹性波中选择波。

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

在图中：

-图1为用于发送/接收波使其可以实现根据本发明的一个实施方式的方法的一个示例设备的基本框图；

-图2和图3描述了图1中的设备的一个特殊应用。

图1显示了用于发送和接收波的一个示例设备，这里波是无线电磁波，该设备能够获取波并将波在时域里逆转。

为此，图1所示的波发送和接收设备1包括，例如：

-一个电子中央单元2，例如一个微型计算机或一个基于微处理器的电路，

-一个无线电波接收天线3，用于接收相应于一个电磁波的初始信号s(t)，其中t代表时间，

-一个解调器组4，用于接收由接收天线3接收到的初始信号s(t)，该解调器组4同电子中央处理单元2相连，以便将解调信号发送到该电子小央处理单元2，

-一个调制器组5，其连接到电子中央单元2以从该中央单元接收解调信号，该解调信号代表s(t)的时域逆转s(-t)，

-一个发射天线6，其连接到调制器组5以发送电磁波，该电磁波对应于调制信号α·s(-t)，其中s(-t)是初始信号s(t)的时域逆转，α是一个固定的或时变的乘法系数。

所有这些部件可能适当地包含于诸如无线电话、固定的无线电话基站等同一个电子装置内。

初始信号s(t)的中心频率为f0，通带为小于f0的Δf，例如小于f0/2(通常Δf相比于f0是比较小的)。

初始信号s(t)可以采用实数符号写为：s(t)＝A(t)cos[2π·f0·t+(t)]，其中，A(t)是信号s(t)的幅度，(t)是其相位。

通常，信号s(t)是幅度和相位调制在频率为f0的载波上的一个信号，该频率f0一般是事先已知的。

在如图1所示的例子中，解调器组4包括一个IQ解调器7，其对信号s(t)做第一变换，以生成两个第一变换信号K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，分别对应于信号的同相位和正交相位调制，以实数形式来表达这些信号I(t)、Q(t)：

s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sin(2π·f0·t)

IQ解调器7将这些信号I(t)和Q(t)提供给模数转换器8，该模数转换器8对这些信号进行采样并以数字形式发送给中央单元2。

为生成信号I(t)、Q(t)，例如，IQ解调器7可以包含放大器9，该放大器9从天线3接收信号s(t)，并且发送信号给两个并行的电路：

-第一电路，其中信号s(t)与信号cos(2π·f0·t)相乘，并将乘法结果送到低通滤波器10，在其输出端得到I(t)；

-第二电路，其中信号s(t)与信号sin(2π·f0·t)相乘，并将乘法结果送到低通滤波器10，在其输出端得到Q(t)。

基于采样信号I(t)、Q(t)，中央单元2对这些信号进行第二变换以获得第二变换信号K’1(t)＝I(-t)和K’2(t)＝-Q(-t)。

这些信号K’1(t)、K’2(t)由中央单元2以数字形式，以实时或非实时方式向调制器组5发送，该调制器组对这些信号执行第三变换以获得信号s(-t)，以实数方式可以写成：

s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]

在图1所示的例子中，调制器组5包括一个模/数转换器11，其以采样信号的形式接收来自中央单元2的信号I(-t)、-Q(-t)，并将这些信号重新变为模拟形式，转换器11将这些信号送至一个IQ调制器12中的两个并行电路；

-第一电路，其中信号K’1(t)＝I(-t)与信号cos(2π·f0·t)相乘，相乘结果可选地通过一个带通滤波器13；

-第二电路，其中信号-Q(-t)与信号sin(2π·f0·t)相乘，相乘结果可选地通过带通滤波器13。

两个带通滤波器13的输出相加以重建信号s(-t)，该信号例如，通过放大器14被送到发射天线6。

在一个或多个第一、第二和第三变换过程中，信号可能会与固定的或非固定的系数相乘，使得最后获得的时域逆转信号可以写为α·s(-t)，α是一个固定的或非固定的系数(在所有相关的情形下，如果α是时变系数，优选地，它是随着s(t)缓慢变化的)。

需要说明的是，在信号的处理过程中，模/数转换和实际时域逆转处理是在解调信号或基带信号上实现的，也就是在小于f0的频率上实现的，远小于信号s(t)或s(-t)的频率，因而为执行这些操作，所采用的电子装置就会远比直接对信号s(t)进行时域逆转以获得时域逆转信号s(-t)所需的电子装置简单。

举例来说，电磁波的中心频率f0在0.7和50GHz之间，例如介于0.7和10GHz之间。通带Δf可以介于1和500MHz之间，例如介于1和5MHz之间。

当然，不限于上述的那些频率值，根据本发明的方法可以用于处理所有类型的电磁波，包括频率处于光波范围的波，特别是通过用工作于光波的等价器件来替代天线3、6以及解调器、调制器组4、5。

还需要说明的是，所述第一、第二及第三变换可以不同于前面的明确描述，表现在：

-第一变换生成第一组变换信号，其至少包括一个中心频率低于初始信号s(t)的第一变换信号Ki(t)，所述第一组变换信号Ki(t)代表初始信号s(t)：除另有声明外，第一变换降低信号的中心频率，基本上不造成初始信号s(t)的信息损失。

-第二变换生成至少一个第二变换信号K’i(t)，其中心频率基本上与第一变换信号相同，所述第二组变换信号K’i(t)代表时域逆转信号s(-t)。

-第三变换从第二组变换信号生成时域逆转信号s(-t)，第三变换的优越之处在于能够成为前述第一变换的逆变换。

如前所述，在一个或多个这些变换中，信号可能会与固定或非固定的系数相乘，这样，最后信号为α·s(-t)。

在最常见的情形中，第一变换可以是适合于消除频率为f0的载波信号并提取调制信号Ki(t)或基带信号的解调类型的变换，第三变换是相逆的调制，该调制是通过用一个或多个信号K’i(t)调制频率为f0的载波信号而得到的。

这些调制和解调可以是如上清楚地描述的IQ解调和IQ调制，但也可能是适当地在幅度和相位上的调制和解调，在此情形下，解调构成前述第一变换，生成两个第一变换信号K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)，分别对应于信号s(t)的幅度和相位。第二变换从信号K1(t)和K2(t)生成第二变换信号K’1(t)＝A(-t)和K’2(t)＝-(-t)，第三变换是与所述的解调相逆的调制，通过用第二变换信号K’1(t)和K’2(t)对频率为f0的载波在幅度与相位上进行调制，从而得到时域逆转信号s(-t)：

s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]

而且，前述第一和第三变换还可以是不同于解调和调制的变换。

例如，第一变换可以是信号s(t)的子采样，采用的采样频率小于2f0，但至少等于2Δf，生成一个采样变换信号K1(t)。在这种情形中，第二变换可以包括一个生成第二变换信号K’1(t)＝K1(-t)的时域逆转，第三变换可以包括对变换为模拟信号之后的信号K’1(t)的滤波，该滤波通带的中心频率为f0，带宽为Δf。

根据另一个变化的实施方式，第一变化可以简单地包括一个下变频变换，在中间频率频带，生成一个中心频率高于Δf/2的第一变换信号K1(t)，其中，第二变换是将信号K1(t)变换为K’1(t)＝K1(-t)的时域逆转，第三变换是一个上变频变换，是最初对信号s(t)所进行的下变频变换的逆变换。

另外，需要说明的是，相应于时域逆转信号s(-t)的电磁波不必在波s(t)被天线3接收到后立即被再次传输。相反地，为了传输具有所期望的空间和时间聚焦特性的电磁波，信号s(-t)，或代表时域逆转信号s(-t)的一个或多个信号K’i(t)，可以在一个学习阶段中被确定，并且保留在中央单元2的存储器中，以便在后续处理中被再次使用。

例如，如果中央单元2、解调器组4和调制器组5被集成到无线电话中，如果类似的部件被集成到属于诸如蜂窝无线电话网络的固定基站上，那么可以想象到的是，在上述学习阶段，该固定基站和/或无线电话，可以传输预定的信号，例如脉冲信号，接收该信号的设备(无线电话或固定基站)可以存储相应的时域逆转信号s(-t)，或代表该时域逆转信号的第二变换信号K’i(t)。

在此情形中，当这两个设备中的一个需要向另一个设备发送消息m(t)时，其可以计算发射信号S(t)＝m(t)s(-t)，其中，是卷积操作符，并发射一个相应于该信号S(t)的电磁波。在此情形中，特别是如果周围媒介对电磁波是高度反射性的，通常，对城市媒介尤其如此，所发射的电磁波以极高的精确度聚焦在接收消息的设备上，而由该接收设备提取出的信号止好就是消息m(t)。

这样就可能在两个装置之间进行非常小心的双向通信，由于无线电波窄的聚焦特性，只能通过所述两个装置将其有效地提取出来。在一个反射媒介里，集成了所有这些装置的无线电通信网络的总的吞吐量因此得到显著的提升。

当然，考虑到媒介的变化(天气条件、反射电磁波的物体的运动，例如车辆之类，等)，和/或连接于通信网络的移动无线电话的运动，在各种装置中确定信号K’i(t)的学习步骤可能在规则的或非规则的间隔内迭代地重复。

而且，还需要说明的是，发射天线6和接收天线3可以合二为一，由一个单独的天线代替，例如在通信应用里。

但是，这些天线不必处于相互临近的位置，而且，接收天线3可以仅用于初始学习步骤中，以确定信号K’i(t)，例如当一个人希望将根据本发明的方法仅用于单向通信，或者用于非通信的应用，特别是用于目的在于通过将电磁波聚焦到接收天线3所处的初始点这一非常局部化的方式来破坏或加热媒介的应用。

在此情形里，例如，可以在学习阶段的过程中，令发射天线6发射预定的信号S(t)，在希望集中电磁波的区域15(图2)，通过接收天线3提取相应的电磁波s(t)，然后通过前述处理中的一个来确定信号K’i(t)，因而在天线6上可以生成一个时域逆转信号s(-t)。当该信号s(-t)后来在发射天线6上被发射出去，可选地，在天线3被拆除之后(图3)，在学习期间由发射天线6初始发射出去的预定信号(例如一个脉冲信号或类似信号)，就以一种聚焦程度非常高的方式在区域15被接收，该区域15即接收天线3原先所在的位置。

为了精确地将波集中在区域15，还可以先从区域15初始地发射所期望的信号S(t)，然后在天线3上接收相应的信号s(t)，天线3与天线6合为一体或非常接近于天线6。随后通过天线6再次发射信号α·s(-t)，如果合适在移走最初发射信号S(t)的天线之后，可生成精确地聚焦于区域15的波S(t)。

为了提高波聚焦的质量，可以通过采用反射电磁波的空腔来发射和/或接收波的方式来使用根据本发明的方法(或者，在该波是声波时，通过声学意义上的例如由一个能够对声波产生回响的固体组成的“空腔”，例如在2003年7月25日提交的法国专利申请no.03 09140中所描述的那样)。

而且，需要注意的是，同一个中央单元2可以连接于具有多个天线3或6的网络，例如每个各自分别连接于解调器或调制器组4或5。例如，如果设备1包括J个接收天线3和L个发射天线6，中央处理单元2计算J×L组个信号K_ijl(t)，这样就可以从J×L个初始信号s_jl(t)中确定J×L组时域逆转信号s_jl(-t)。

还要注意到，在本发明的多个实施方式中，如果适当的话，可以迭代地使用相应于一个或多个天线的信号K’i(t)和/或信号s(-t)，如专利文献WO-A-03/101302所指出的那样，以这种方式来使电磁波聚焦的精确度最大化。

最后，根据本发明的方法，不仅可以应用于电磁波，通过简单地用声学传感器替代天线3和6，还能应用于声波或弹性波，这样就适用于基于声学的通信应用(例如水下通信)或基于超声波图像的通信应用(回波扫描技术或类似技术、显微技术等)。

Claims

1.一种用于对与至少一个初始信号s(t)相对应的波进行时域逆转的方法，其中t是时间，该初始信号具有某个中心频率f0，该方法确定时域逆转信号α·s(-t)，其中α是乘法系数，s(-t)是s(t)的时域逆转，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：

-将适用于降低信号中心频率且基本上不导致初始信号的任何信息损失的第一变换应用于初始信号s(t)，所述第一变换生成包含至少一个中心频率比初始信号低的第一变换信号Ki(t)的第一组变换信号，所述第一组变换信号Ki(t)代表所述初始信号s(t)；

-将生成中心频率与第一变换信号基本上一样的第二变换信号K’i(t)的第二变换应用于每个第一变换信号Ki(t)，所述第二变换因而从第一组变换信号Ki(t)生成第二组变换信号K’i(t)，选择所述第二变换使得所述第二组变换信号代表时域逆转信号s(-t)；

-将生成时域逆转信号α·s(-t)的第三变换应用于第二组变换信号K’i(t)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通带Δf小于f0。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第三变换是第一变换的逆变换。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，第一变换是适用于消除频率为f0的载波以从初始信号s(t)中提取出所述第一组变换信号Ki(t)的解调过程，第三变换是用一个或多个信号K’i(t)调制频率为f0的载波的调制过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，第一变换是一个IQ解调过程，该解调过程生成两个第一变换信号K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，使得s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sing(2π·f0·t)，第二变换将信号K1(t)变换为K’1(t)＝I(-t)，将信号K2(t)变换为K’2(t)＝-Q(-t)，第三变换是一个IQ调制过程，是所述解调过程的逆变换。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，第一变换是分别生成两个第一变换信号K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)的幅度与相位解调过程，其中A(t)足信号s(t)的幅度，而(t)则是信号s(t)的相位，第二变换将信号K1(t)变换为K’1(t)＝A(-t)，将K2(t)变换为K’2(t)＝-(-t)，第三变换是与所述解调过程相逆的调制过程，其生成时域逆转信号s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，第一变换是一个子采样，其采样频率小于2f0但至少等于2Δf，生成一个单个变换信号K1(t)，第二变换是一个将信号K1(t)变换为K’1(t)＝K1(-t)的时域逆变换，第三变换是一个通带基本上等于Δf、中心频率为f0的将K’1(t)变换为s(-t)带通滤波过程。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，第一变换是一个变换到中间频带，成一个单个第一变换信号K1(t)的下变频过程，第二变换是一个将信号K1(t)变换到K’1(t)＝K1(-t)的时域逆变换，第三变换是一个上变频过程，是所述下变频的逆变换。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，第一和第三变换在模拟信号上执行，每个第一变换信号都要被采样，在将每个第二变换信号转换为模拟信号之前，第二变换以数字方式执行。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，以低于f0的采样频率进行采样。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述波是电磁波。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述中心频率f0介于0.7与50GHz之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中心频率f0介于0.7与10GHz之间。

14.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述波从声波和弹性波中选择。