JP2005537727A - 差動超広帯域信号を受信するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

差動超広帯域受信機（２０１）は、フィルタ（２０３）に結合されたアンテナ（１０９）を含んでおり、所望の超広帯域信号に干渉する帯域外信号を排除することができる。低雑音増幅器（ＬＮＡ）（２０５）および自動利得制御回路（ＡＧＣ）（２０７）は、フィルタ（２０３）に結合される。差動相関器（２１１）は、低域通過フィルタまたは積分器（２１７）の出力に結合される。差動相関器は、広帯域の遅延素子（２１３）およびミキサ要素（２１５）を含む。遅延素子は、シンボル期間とほぼ等しい量だけ到来ＲＦ波形を超広帯域信号から遅延させる役割を果たす。その後、この遅延した波形は、混合信号を提供するためにミキサ（２１５）によって現在の受信波形と混合され、積分器に結合される。積分器の出力は、アナログからデジタルへ変換され、デジタル復調器に結合される。

Description

本発明は、一般に超広帯域信号を含む無線周波信号を回復するための装置および方法に関する。

例えば、ワイヤレスのローカル・エリア・ネットワーク、パーソナル・エリア・ネットワークおよびその他同種のワイヤレス・ネットワーク・システムの到来で、このようなワイヤレス技術から利便をもたらす応用は拡大し続けている。典型的には、これらのシステムにおけるデジタル・データ・ストリームは、１つまたはそれ以上の受信機への通信チャネルを介して変調され送信される。送信機および受信機は、きわめて近接していてもよく、また距離を隔てていてもよい。このデジタル・データを伝送する送信機および受信機は、全体としてワイヤレス・ネットワーク・システムを含むことがある。

応用として、無線ネットワーキング・システムのための要求は増加し、それらの使用のために利用可能な周波数の割り当て内でこれらのネットワーク・システムを備える必要性もある。利用可能な周波数が制限されているので、利用可能な帯域幅スペース内で通信することができるが、しかし他のネットワークのシステムに過度に干渉せず、あるいはそのような干渉に過度に敏感とならないシステムに対する需要が増加している。

したがって、必要とされるのは、提供される周波数の割り当て内でデジタル信号を送信し受信し、かつ多数の他の利点を備える能力を有することのできるネットワーキング通信システムである。

さて、図１を参照して、超広帯域通信システム（ultra wideband communication system）が図示され、第１デジタル装置１０１は、超広帯域送信機１０３にデータを送信し、次にデジタル・データをアンテナ１０５を介して送信される無線周波信号へ変換する。超広帯域信号は、いくつかの実施例中では、およそ０．２５より大きな中心周波数で分割された帯域幅を有する信号である。送信された信号の周波数スペクトルは、いくつかの実施例中において、規則または他の標準規格に従うスペクトラム拡散コード語を有する符号化ビットで拡散される。他の実施例では、送信信号の周波数帯域幅は送信パルスの幅によって制御され、つまり、パルス幅が短いほど、帯域幅は広い。超広帯域受信機１０７は、アンテナ１０９に結合され、超広帯域送信機１０３によって送信された無線周波データを受信することができる。超広帯域受信機１０７は、無線周波情報を受信し、それをデジタル・データに変換して第２デジタル装置１１１に送る。

デジタル装置１０１，１１１は、超広帯域通信システムに有効に結合されるあらゆるタイプのデジタル装置であってよい。例えば、デジタル装置１０１，１１１は、デスクトップ・コンピュータ、プリンタ、ネットワーク・モニタまたは他のデジタル装置であってよい。

アンテナ１０５，１０９は、超広帯域信号を送信し受信するのに有効なあらゆるタイプのアンテナであってよい。動作では、アンテナ１０５は超広帯域送信機１０３からの電圧信号を無線周波パルスに変換する一方、アンテナ１０９は無線周波パルスを受信し、それらを対応する電圧信号に変換する。いくつかの実施例では、無線周波パルスは正および負両方（「差動」）のパルスである。アンテナ１０５，１０９は、グランド・プレーン・アンテナ、ダイポール・アンテナ、スロット・アンテナ、または有効に使用できる他のタイプのアンテナによって構成されてもよい。さらに、アンテナ１０５は送信機アンテナとして示されているが、いくつかの実施例では、アンテナ１０５，１０９は受信しかつ送信するのに役立つことができればよい。

さて、図２を参照して、超広帯域受信機１０７のような超広帯域受信機に組み入れられる受信装置のブロック図が図示される。アンテナ１０９はフィルタ２０３に結合される。フィルタ２０３は、いくつかの実施例中で、所望の超広帯域信号に干渉するする帯域外信号を排除するバンドパス（帯域通過）フィルタである。他の実施例では、フィルタ２０３は、到来波形と整合を取るために用いられる整合フィルタ（matched filter）であるか、または帯域内干渉を拒絶するノッチフィルタであってもよい。

低雑音増幅器（ＬＮＡ）２０５は、フィルタ２０３および自動利得制御回路（ＡＧＣ）２０７に結合される。低雑音増幅器２０５は、フィルタからの受信超広帯域信号を増幅する。全体として、フィルタ２０３およびＬＮＡ２０５は、無線周波（「ＲＦ」）フロント・エンドと考えられる。自動利得制御回路２０７は、低雑音増幅器２０５から送られた超広帯域信号を増幅するか減衰させ、所要の信号レベルを達成する役目を果たす。ＡＧＣ２０７は、受信超広帯域信号の動的な変動を平均した振幅に補償するために利用される。いくつかの実施例では、ＡＧＣ回路２０７は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２０９のダイナミック・レンジに最適化された出力信号を提供する。

差動相関器（differential correlator）２１１は、ＡＧＣ回路２０７の出力および低域通過フィルタまたは積分器２１７の入力に結合される。差動相関器２１１は、広帯域の遅延素子２１３およびミキサ要素２１５を含んでもよい。遅延素子２１３は、いくつかの実施例中において、超広帯域信号からの到来ＲＦ波形をほぼシンボル期間に等しい量だけ遅延させる役目を果たす。その後、この遅延波形は現在の受信波形とミキサ２１５によって混合され、低域通過フィルタ２１７に結合される混合信号を提供する。

低域通過フィルタ２１７は、相関器２１１からの到来信号に対しフィルタリング−積分の機能を提供する。このフィルタは、固定帯域幅フィルタ、またはいくつかの実施例の中における可変帯域幅フィルタのいずれであってもよい。低域通過フィルタ２１７の出力は、アナログ・デジタル変換器２０９に結合される。アナログ・デジタル変換器２０９は、デジタル復調器２２１およびサンプリング・クロック２１９に結合される。ＡＤＣ２０９、デジタル復調器２２１、および、サンプリング・クロック２１９は、受信超広帯域信号をデジタル・データに変換するために利用される。

いくつかの実施例において、受信機２０１は、各パルスが単一ビットを表わす短いパルス・シーケンスを復調する差動パルス・シフト・キーイング受信機として機能してもよい。この場合、超広帯域信号が本質的に送信機１０３および受信機１０７のような送信機および受信機によってそれぞれ送信され検出されるパルスであること注目されたい。

あるいは、受信機２０１は、スペクトラム拡散信号、その拡散シーケンスは図３に図示されるが、を復調する差動パルス・シフト・キーイング受信機として機能してもよい。例として、その波形の拡散はシンボル当たり４つのチップを使用して遂行される。

さて、図３を参照して、差動相関器２１１の動作および低域通過フィルタ／積分器２１７の動作が、本発明の実施例に従って、詳述される。この実施例では、（Ｔｓ）はシンボル期間を示し、（Ｓｔ）は差動相関器２１１の入力での受信超広帯域信号であり、Ｓ（ｔ−Ｔ）は広帯域の遅延素子２１３の出力からミキサ２１５に示される信号である。スペクトラム拡散差動信号の応用で利用される場合、差動相関器２１１は、いくつかの実施例中で、混合信号３０３を生成するために信号ｓ（ｔ）３０１を遅延信号ｓ（ｔ−Ｔ）３０２と混合することにより動作させることができる。混合信号３０３は、低域通過フィルタ／積分器２１３によって処理されて、積分波形３０５を生成する。波形３０３と比較して波形３０５を見ると、波形３０３中のピークは波形３０５中で平均される。受信機セクション２０１は、スペクトラム拡散の超広帯域信号の逆拡散を実行することができ、アナログ・デジタル変換器２０９はシンボル速度Ｔｓの入力帯域幅でサンプリングすることを許容する。この例において、タイム・スロット当たり４つの（４）パルスが利用される。しかしながら、超広帯域差動信号の応用では、いくつかの実施例において、単一パルスが１つのタイム・スロット当たりに利用されてもよい。

既に議論されたように、低域通過フィルタ／積分器２１７は、固定帯域幅フィルタ、またはいくつかの実施例の中における可変帯域幅フィルタのいずれであってもよい。いくつかの実施例では、低域通過フィルタ／積分器２１７の帯域通過特性は、受信超広帯域信号の最良の信号対雑音比を達成するためにダイナミックに調整される。いくつかの実施例では、パルス反復周波数（Ｂｐ）は実際の信号帯域幅（Ｗ）の周波数未満であるので、低域通過フィルタ／積分器帯域幅（ＢＦ）または積分時間（Ｔｐ）は、Ｂｐ＜Ｂｆ（または１／Ｔｐ）＜Ｗの間で変化する。これは、超広帯域受信機の複雑性および特性を変える機会を提示する。

低域通過フィルタ／積分器の最適な帯域幅は、いくつかの実施例の中では、必ずしもＷに等しくなくてもよい。超広帯域信号は、シンボル速度よりはるかに大きな帯域幅を占める波形として考察されてもよい。高帯域幅（high bandwidth）の低域通過フィルタ／積分器は、超広帯域信号が送信される環境に依存して、低帯域幅（low bandwidth）の低域通過フィルタ／積分器よりよい特性を発揮することがある。例えば、わずかの信号反射をもたらす環境では、高帯域幅の低域通過フィルタ／積分器は、低帯域幅の低域通過フィルタ／積分器より性能がすぐれていることがある。これは、低帯域幅の低域通過フィルタ／積分器が、差動相関器２１１の出力で、広帯域信号エネルギーの多くを除去することがあるからである。

しかしながら、著しい多重経路（マルチパス）反射を有する超広帯域環境では、低帯域幅の低域通過フィルタ／積分器は、より高帯域幅の低域通過フィルタより優れた性能を発揮することがある。これは、高帯域低域通過フィルタが単に経路のうちの１つからのエネルギーを獲得することができるのに対して、低帯域幅の低域通過フィルタ／積分器は多重経路反射の付加的な経路からのエネルギー部分を獲得し合計することができるからである。このように、低域通過フィルタ／積分器の帯域幅をより高くまたはより低く変更することは、特定の超広帯域信号状況における特性を改善することができる。

さて、図４を参照して、２０１で示される受信機セクションにビット・エラー検出器４０１を追加した図が示される。ビット・エラー検出器４０１は、デジタル復調器２２１および低域通過フィルタ／積分器２１７に結合される。いくつかの実施例では、ビット・エラー検出器４０１は、検出されたビット・エラー率に応じて低域通過フィルタ／積分器２１７の帯域幅を調節する。ビット・エラー率に幾分か基づいて、ビット・エラー検出器４０１は、低域通過フィルタ／積分器２１７の帯域幅を増加させるか、または減少させ、検出されたエラー率を低減させることができる。低域通過フィルタ／積分器２１７は、個別の帯域幅設定を有し、それは、いくつかの実施例中で、ビット・エラー検出器４０１によって選択される。他の実施例では、低域通過フィルタ／積分器２１７は、上位および下位の帯域幅限界の間で一般に可変し、ビット・エラー検出器４０１はこれらのパラメータの間で低域通過フィルタ／積分器の帯域幅を制御する。他の実施例では、ビット・エラー検出器４０１は、デジタルまたはアナログ・シンボルのエラー検出器と置き換えることができる。

超広帯域信号の獲得および同期は、波形の短いインパルス性質により挑戦することがある。ＡＤＣのサンプル速度（Ｒｓ）の半分未満のである低域通過フィルタ帯域幅で（つまりＢｆ＜Ｒｓ／２）、デジタル復調器は、単一のプリアンブル・シーケンスを備えるパケットを検出するために、直接のデジタル・マッチト・フィルタリング（direct digital matched filtering）を行なうことができる。例えば、１００ＭＨｚのＰＲＦ（Ｂｐ）は、２００ＭＨｚのＡＤＣでおよび関連するデジタル復調器で検出され、パケットごとの復調を可能にする。比較的低いサンプル速度は、受信機１０７によって消費された電力の削減を提供することができる。

ある実施例において、比較的低いサンプル速度によって、受信機１０７によって消費された電力を削減させることができる。超広帯域信号を固定した帯域幅の低域通過フィルタ／積分器で受信する場合、いくつかの実施例の中では、帯域幅はほぼＢｐから極めて高いＢｐの間になる。しかしながら、可変帯域幅の低域通過フィルタ／積分器は、既に議論されたように、異なる信号環境の中で改善された受信機特性を可能にする。さらに、いくつかの実施例では、広帯域の遅延素子２１３は、受信データ速度に基づいて遅延長を変更するために調整されてもよい。このように、いくつかの実施例では、データ速度の増加または減少により、再び、改善された特性を導くことになる。例えば、多重経路信号の反射がほとんどないか全くない環境では、より高いデータ速度が受信機１０７にサポートされてもよい。

さて、図５を参照して、超広帯域差動パルス送信機１０３は、プリアンブル生成器、クロック制御および差動エンコーダを含むデジタル・ブロック５０１を含む。デジタル・ブロックは、バイポーラ変調器およびパルス生成器５０３およびクロック回路５０５に結合される。モジュレータ５０３は、アンテナ１０５に結合される帯域通過または高域通過フィルタ５０７に結合される。図１に関連して記述されたように、送信機１０３は、デジタル・データを超広帯域差動パルスへ符号化する。

本発明は限られた数の実施例に関して説明されているが、当業者は多数の修正および変更をそこから想到することができるであろう。添付された請求項は、本発明の精神および範囲に入るように、このような修正および変更をすべて包含することが意図される。

本発明の実施例に従う超広帯域通信システムのブロック図を図示する。 本発明の実施例に従う超広帯域受信機のブロック図を図示する。 本発明の実施例に従う超広帯域受信機に関連した波形を図示する。 本発明の実施例に従う可変低域通過フィルタ／積分器を有する超広帯域受信機セクションを図示する。 本発明の実施例に従って超広帯域の差動送信機を図示する。

Claims (17)

1. 無線周波入力と、
   前記無線周波入力に結合された差動相関器と、
   前記差動相関器に結合されたフィルタと、
   受信した差動パルス信号からデジタル・データを回復する前記フィルタに結合されたデジタル復調器と、
   を含むことを特徴とする受信機。
2. 前記差動相関器は、遅延素子およびミキサを含み、第１受信パルスを遅延させ、かつ前記遅延したパルスを第２受信パルスと混合することを特徴とする請求項１記載の受信機。
3. 前記遅延素子は、前記第１受信パルスをほぼ１シンボル期間だけ遅延させることを特徴とする請求項２記載の受信機。
4. 前記フィルタは、低域通過フィルタであることを特徴とする請求項２記載の受信機。
5. 前記フィルタは、可変帯域幅フィルタであることを特徴とする請求項３記載の受信機。
6. 前記デジタル復調器は、前記フィルタに結合されたアナログ・デジタル変換器を含み、前記受信パルスの前記シンボル速度で前記フィルタからの出力をサンプリングすることを特徴とする請求項２記載の受信機。
7. エラー検出器は、前記フィルタの帯域幅特性を変更するために前記デジタル復調器に結合されることを特徴とする請求項２記載の受信機。
8. デジタル・データの前記エラー検出器は、前記フィルタの帯域幅特性を増加させることを特徴とする請求項７記載の受信機。
9. デジタル・データの前記エラー検出器は、前記フィルタの帯域幅特性を減少させることを特徴とする請求項７記載の受信機。
10. 前記受信機は、送信機を含む送受信機であることを特徴とする請求項１記載の受信機。
11. パルスを有する差動無線周波信号を濾波し増幅する段階と、
    前記濾波され増幅された差動無線周波信号を、差動相関器を用いて、相関を取る段階と、
    前記相関の取られた差動無線周波信号を、低域通過フィルタを用いて、濾波する段階と、
    前記濾波され相関の取られた差動無線周波信号をデジタル復調器を用いて復調し、受信した差動パルスからデジタル・データを回復する段階と、
    を含むことを特徴とする無線周波信号を受信する方法。
12. 前記差動無線周波信号の相関を取る段階は、第１受信パルスを遅延させ、前記遅延したパルスを第２受信パルスと混合する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記第１受信パルスを遅延させる段階は、前記第１パルスをほぼ１シンボル期間だけ遅延させる段階を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記相関の取られた差動無線周波信号を濾波する段階は、差動ＲＦ信号を可変帯域幅の低域通過フィルタで濾波する段階を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記相関の取られた差動無線周波信号を濾波する段階は、前記フィルタの帯域幅特性を変更するためにエラー検出器を用いる段階を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記濾波され相関の取られた差動無線周波信号を濾波する段階は、前記フィルタに結合されたアナログ・デジタル変換器を用いて、前記受信パルスのほぼシンボル速度で、前記濾波され相関の取られた差動パルスをサンプリングする段階を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 前記パルスを有する差動無線周波パルスを濾波し増幅する段階は、０．２５より大きな信号中心周波数で分割された帯域幅を有する差動無線周波信号を濾波し増幅する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。

Images