用于消除跳时超宽带信号中谱线的方法和系统

摘要

提供一种消除跳时超宽带信号中的谱线的方法。首先，产生一串脉冲。然后根据符号在时间上对脉冲进行调制。将脉冲作为超宽带信号发送之前，随机地反转脉冲的极性。

说明书

技术领域

本发明一般涉及无线通信，更具体地，涉及与超宽带(UWB)系统通信。

背景技术

超宽带(UWB)系统近来在用于无线电通信系统方面受到相当大的关注。最近，美国联邦通信委员会(FCC)已经允许UWB系统用于有限的室内和室外应用。

IEEE 802.15.3a标准组定义了对于在短距离室内通信系统中使用UWB的性能要求。要求10米处的吞吐量至少为110Mbps。这意味着传输数据速率必须更高。此外，要求4米处的比特率至少为200Mbps。需要到超过480Mbps的速率的可伸缩性，即使只能在更小的距离处达到这样的速率。这些要求为脉冲重复频率(PRF)提供了值范围。

2002年2月，FCC发布了“First Order and Report”，为UWB信号提供了功率限制。所有可用频率上的平均限制对于室内和室外系统是不同的。这些限制以功率谱密度(PSD)掩模200的形式给出，见图2。在3.1GHz至10.6GHz的频带中，PSD被限制为-41.25dBm/MHz。必须对每一个可能的1MHz频带满足对PSD的限制，但是对于更小的带宽则不是必需的。

对于工作在960MHz以上的系统，对包含于中心为频率f_M的50MHz带宽之中的峰值发射电平有一个限制，该频率f_M是发生最高辐射发射的频率。FCC已经采用了一种基于变化比例的峰值限制，该变化比例依赖于度量中使用的实际分辨率带宽(RBW)。当以1MHz至50MHz范围内的分辨率带宽进行度量时，该峰值EIRP限值为20log(RBW/50)dBm。只需要一个以f_M为中心的峰值度量。结果，对于大于1MHz的PRF，UWB发射被均值限制，对于小于1MHz的PRF，UWB发射被峰值限制。

这些数据速率要求和发射限制导致对脉冲形状、所使用的总功率电平、PRF、以及谱线位置和幅度的约束。

在UWB系统中，使用一串电磁脉冲来传载数据。图1示出了UWB信号的一个示例符号结构100，其中具有每帧101即符号长度一个脉冲，8个脉冲102或子帧的跳时(TH)序列，以及包括TH裕度的子帧103。该信号包含等于帧长度的符号110和子帧111，具有脉冲位置调制(PPM)裕度112以及TH裕度113。如图1所示，帧持续时期被分割为N个子帧，每个子帧具有一个脉冲，而不是组合N个脉冲以产生一个具有N个帧持续时期的符号。

许多UWB信号使用脉冲位置调制(PPM)用于调制，以及跳时(TH)扩展用于多路接入。这导致颤动的脉冲串。可以通过将该颤动信号看作M-PPM信号来获得信号的频谱。

如果调制序列由独立且等概率的符号组成，则对于非线性无记忆调制，PSD由式(1)给出如下：

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其中M表示符号数目，T_s表示符号持续时期或帧，且S_i表示构象的第i个符号的PSD。

PPM所固有的，且如图2所示，式(1)的第一项导致FCC掩模200以外的谱线。具有2-PPM的信号的频谱通常包含由PRF隔开的谱线。因此，这些谱线的幅度可以高于频谱的连续部分10*log₁₀(T_s^-1)dB。对于IEEE 802.15a要求的100Mbps数据速率，这对应80dB。

FCC度量程序在分辨率带宽上对这些谱线的功率求平均值。即使是这样，功率电平仍保持高于阈值，因此违反了FCC限制，或者需要降低总功率。跳时一般用于通过减少在给定的频带中谱线的数目来减少谱线的问题。然而TH并不必需衰减剩余谱线的幅度。

在非周期性跳时脉冲串中，每个单独脉冲可以位于其帧中的M个等概率位置之一。该信号与具有相同的PRF(f_PR)以及不相关的已调制数据的M-PPM信号具有相同的频谱。增加M会扩大PPM的构象，从而增加帧中脉冲位置的数目。如果这些位置在帧中间隔均匀，则所有不是M.f_PR的倍数的谱线消失。

如图1所示，以前的帧持续时期被分割为N个子帧，每个子帧102具有一个脉冲，而不是组合N个脉冲以产生一个具有N个帧持续时期的符号。因而PRF为N.f_PR。则该非周期性TH脉冲串由每帧N个脉冲组成，且每个脉冲可以取一个子帧持续时期中的M个位置。该脉冲串的频谱与PRF＝N*f_PR的M-PPM信号频谱相同。结果，当M个脉冲位置间隔均匀时，谱线的间隔为M.N.f_PR。如果M趋向于无穷大，等价于脉冲均匀分布，则所有谱线以无穷间隔出现，因此有效地消失。

然而为了考虑在产生UWB信号中能使用的实际脉冲串，需要做出一些修改。如果脉冲的确均匀分布在每一个帧中，当M增加时，两个子帧之间的接合处会发生交叠。裕度或保护间隔消除了这种交叠。

为了用PPM来调制符号，两帧之间引入了附加的裕度。然而通过引入裕度，破坏了每个子帧中脉冲位置的均匀分布，这对谱线造成了影响。此外，TH序列被时间限制，并成为信号的周期性和不希望有的谱线的原因，如图2所示。

因此，需要提供一种能够消除这些不希望有的谱线的系统和方法。

发明内容

一般地，超宽带(UWB)系统利用占空系数低的短宽度脉冲串进行通信。因此，无线电信号的能量在一个宽的频率范围内非常稀疏地扩展。几乎所有已知系统都使用跳时(TH)扩展和脉冲位置调制(PPM)的组合，将跳时(TH)扩展用于多路接入，并且将脉冲位置调制(PPM)作为一种调制格式。这种组合导致谱线或者导致违反FCC要求，或者要求大大减小功率，这降低了信号的性能和范围。

本发明提供了一种用于消除由使用PPM和TH序列发送数据所引起的谱线的方法。通过随机地改变信号脉冲的极性来消除谱线。如通常在本技术领域中所使用，在下文中，词语“随机”意味着“伪随机”。

改变脉冲极性不会对收发机的性能带来负面影响，因为信号的极性并不用来传载信息。通过随机改变信号脉冲的极性，频谱的离散频率分量消失。此外，可以利用极性的随机性对信号的频谱进行成形。

一种方法消除跳时超宽带信号中的谱线。首先，产生一串脉冲。接着根据符号在时间上对脉冲进行调制。将脉冲作为超宽带信号发送之前，随机地反转脉冲的极性。

附图简述

图1是根据本发明要被修改的脉冲串信号的时序图；

图2是现有技术的UWB信号的功率谱密度(PSD)曲线图；

图3是修改前的脉冲串的时序图；

图4是根据本发明进行修改后的脉冲串的时序图；

图5是每个符号具有一个脉冲的脉冲串；

图6是没有修改的图5信号的现有技术的PSD；

图7是脉冲极性被随机反转后的图5的脉冲串；

图8是根据本发明的图7所示信号的PSD；

图9是根据本发明用于随机反转脉冲的系统的方框图；

图10是修改前由脉冲幅度调制产生的脉冲串；

图11是图10的信号的PSD；

图12是修改后由脉冲幅度调制产生的脉冲串；

图13是图12的信号的PSD；

图14是用于产生图12的信号的系统方框图；

图15是根据本发明，在符号持续时期内对脉冲修改前后的脉冲串；

图16是根据本发明，逐符号修改前后的脉冲串；

图17是根据本发明，在符号持续时期内修改前后的脉冲串；

图18是在符号持续时期内修改前后的脉冲串；

图19是逐符号修改前后的脉冲串；

图20是在符号持续时期内修改前后的脉冲串；

图21是在符号持续时期内修改前后的脉冲串；

图22是逐符号修改前后的脉冲串；

图23是在符号持续时期内修改前后的脉冲串；

图24是在符号持续时期内并且逐符号修改前后的脉冲串；

图25是修改后的图24的信号的PSD；

图26是具有两个极性相反的脉冲的子波形；

图27是具有四个子波形的跳时序列；以及

图28是图27的信号的PSD。

具体实施方式

为了解决超宽带(UWB)无线电信号频谱中的离散频率分量问题，本发明随机地反转脉冲的极性。所得到的具有随机反转极性脉冲的信号符合FCC规则。

可以使用二相相移键控(BPSK)来随机化脉冲的极性。BPSK还会降低系统的复杂度。然而，使用BPSK，信道条件会修改信号的极性并且毁坏数据。

因此，本发明反转脉冲的极性，以成形信号的频谱，而不传载信息。这样，不必需具有零均值信息符号来控制已调制信号的频谱特性。极性的反转可以应用于符号，即对组成一个符号的脉冲集合共同对待，也可以应用于各个脉冲。根据本发明的这种修改的效果是消除由例如脉冲位置调制(PPM)和例如UWB系统中所使用的跳时(TH)扩展等其它颤动技术引起的谱线。

因此根据本发明的方法解决了由非等概率符号和非对映调制方案同时引起的谱线问题。此外，信号的极性可以具体用于对UWB信号的频谱进行成形。

随机极性反转

图3示出了信号301，它包括将要根据本发明进行处理的一串脉冲。经过为了用于超宽带无线通信的脉冲位置调制(PPM)和跳时(TH)扩展之后，发送信号301的频谱包含不希望有的谱线，如图2所示。

图4示出了发送波形401，其中脉冲的极性根据本发明被随机反转，以消除谱线。

脉冲串的谱密度的离散部分由式(2)给出如下：

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其中，M是符号数目，Ts是符号周期，S_i是第i个符号的功率谱密度(PSD)，I∈[0，M-1]，且P_i是第i个符号的概率。

通过随机地改变M个符号S_i的极性，式(1)可以被重新写为由2*M个对映的符号组成的脉冲串的谱密度的离散部分。

每个对映的对的符号其概率为P_i/2，且傅里叶变换为S_i和-S_i。结果，谱线消失，如式(3)所给出：

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考虑本发明的主要想法，有若干种可能的极性反转实施例，包括：

每符号一个脉冲

    脉冲位置调制

    脉冲幅度调制

每符号多个脉冲

    脉冲位置调制

    符号持续时期内的脉冲的随机极性

    逐符号的随机极性

    符号持续时期中的脉冲不同极性的相同集合

脉冲幅度调制

    符号持续时期内的脉冲的随机极性

    逐符号的随机极性

    逐符号的符号持续时期中的脉冲的不同极性的相同集合

不同调制方案

    符号持续时期内的脉冲的随机极性

    逐符号的随机极性

    符号持续时期中的脉冲的不同极性的相同集合

用于频谱成形的随机极性

符号-双脉冲波形的子结构的随机极性

每符号一个脉冲

如上所述，整个符号的极性的随机性消除了功率谱密度的谱线。这些符号具有特定的波形。在此，单个脉冲构成了该波形。已调制信号的功率谱密度依赖于该脉冲的功率谱密度。

脉冲位置调制

图5示出了具有2PPM的示例脉冲串500。该串由如下时间上颤动的脉冲构成。该脉冲在其原点位置编码逻辑0。该脉冲被延时以编码逻辑1。

利用2-PPM的颤动脉冲串的功率谱密度的离散部分由式(4)给出如下：

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图6示出了该信号的频谱。图7示出了随机反转各个脉冲极性之后的该信号。随机反转符号的极性之后，功率谱密度的离散部分由式(5)给出如下：

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如图8所示，用这种方式反转极性使得所有离散分量即谱线消失，以得到连续频谱。

图9示出了根据本发明用于消除颤动的UWB信号中谱线的系统和方法900。该系统包括脉冲发生器910、调制器920、以及反转器930，反转器930被串行耦合至天线931。所产生的脉冲在时间中被颤动(920)，即根据数据符号940，通过跳时序列用于多用户接入，以及通过PPM用于调制，并且所得脉冲的极性根据一个伪随机数(PRN)950进行反转。

脉冲幅度调制

脉冲幅度调制通过开/关键控(OOK)调制来实现，它是PAM的一种特殊情况。对于每个时间周期T_P，脉冲表示0，没有脉冲表示1，如图10所示。

经过OOK调制的信号的功率谱密度的离散部分由式(6)给出如下：

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图11示出了该信号的频谱。

图12示出，随机改变符号的极性之后，功率谱密度的离散部分被消除了，如式(7)所给出：

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图13示出了该信号的频谱，且图14示出了根据本发明以获得该结果的系统和方法。

每符号多个脉冲

每个符号的波形也可以由各个脉冲的组合构成。

脉冲位置调制

符号持续时期内脉冲的随机极性

在此，符号是N个脉冲的组合。通过随机并独立地在符号内、以及逐符号改变脉冲的极性，谱线被消除。图15示出了反转随机脉冲的极性之前1501和之后1502的信号。

逐符号的脉冲随机极性

在此，符号是N个脉冲的组合。通过随机并独立地逐符号改变极性，谱线被消除。图16示出了极性反转之前1601和之后1602的信号。

符号持续时期中的脉冲的不同极性的相同集合

在这种情况下，符号是N个脉冲的组合。符号内的脉冲极性对于构象中M个符号中每一个符号随机改变。对于构象中的每一个符号，极性模式因此受到影响。图17示出了随机极性反转之前1701和之后1702的信号。

脉冲幅度调制

在此，符号由幅度变化的TH序列构成。

符号持续时期内脉冲的随机极性

符号是N个脉冲的组合。通过随机并独立地在符号内、以及逐符号改变脉冲的极性，如图18所示，谱线被消除。

逐符号的脉冲随机极性

符号是N个脉冲的组合。通过随机地逐符号改变极性，如图19所示，谱线被消除。

符号持续时期中的脉冲的不同极性的相同集合

符号是N个脉冲的组合。对于构象中M个符号中每一个符号，随机改变符号内的脉冲极性，如图20所示。对于构象中的每一个符号，极性模式因此受到影响。

不同的调制方案

随机极性可以被应用于其它调制方案。例如符号可以通过不同的TH序列进行编码。第m个符号是n_m个脉冲的组合。

符号持续时期内脉冲的随机极性

通过随机且独立地在符号内、以及逐符号地改变脉冲的极性，如图21所示，谱线消失。

逐符号的脉冲随机极性

通过随机并独立地逐符号改变极性，如图22所示，谱线也消失。

符号持续时期中的脉冲的不同极性的相同集合

对于构象中M个符号中每一个符号，可以随机改变符号内的脉冲极性，如图23所示。对于构象中的每一个符号，极性模式因此受到影响。

用于频谱成形的随机极性

如上所述，当逐符号改变极性时，谱线消失。可以从式(1)导出频谱的连续部分。极性改变之前的信号的功率谱为：

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极性改变之后为：

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符号S_i+M是极性相反的符号S_i。因此对于i从0到M-1，S_i+M＝-S_i。

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从式(8)显示出，信号的频谱由各符号谱的总和定义。例如，如果各符号具有相同的波形，则信号的频谱特性与该波形的频谱特性相同。

这是例如对于PAM和PPM方案的情形。对于PPM，相同的波形在时间上被延时；而对于PAM，波形与不同幅度相关联，以产生不同的符号。

考虑式(8)，随机地逐符号改变极性提供了一种对频谱成形的有效方式。信号频谱成形的任务由波形的设计确定。

因此，符号的波形完全表示整个信号的频谱特性。如果该波形的频谱包含空值，则已调制信号的功率谱密度函数得到同样的空值。

例如，4个脉冲的TH序列构成了符号的波形。调制为2PPM。则TH序列的傅立叶变换定义了整个信号的功率谱密度。如同这四个脉冲的位置或幅度，它们的极性也可以用于对频谱成形，以在频谱中产生空值。

在图24的例子中，调制方案为PAM。TH序列构成了各符号。组成TH序列的脉冲的极性序列修改了信号的频谱特性。此外，逐个符号的极性是随机的，以消除谱线，如图25所示。

符号的子结构的随机极性

在此，符号的波形是若干相同的时间上颤动的子波形的组合(PPM方案)。此外，可以应用不同的脉冲幅度调制(PAM)方案。通过随机地改变这些子结构的极性，子结构的功率谱密度与符号的功率谱密度相同，因此，与整个信号的功率谱密度相同。

该模式可以用于多用户检测的TH序列的设计，其中在特定频率处具有空值，以减少窄带系统的干扰。

在图26所示的例子中，子波形是极性相反的两个脉冲的组合。图27示出了由4个子波形组成的TH序列，每个子波形具有两个组合的脉冲。如图28所示，该TH序列的功率谱密度不具有谱线，并且周期性地包含空值。一个在5GHz处，即凹口2800，以防止与802.11a标准抵触。

因此，随机极性反转消除了谱线，对频谱的连续部分进行成形，并且使得能够灵活设计多用户接收机。这种子波形可以用于独立于符号的频谱特征产生TH序列。

虽然本发明已经通过优选实施例的方式进行描述，应该理解可以在本发明的实质和范围内做出各种其它适应和修改。因此，所附权利要求书的目标是包括所有属于本发明实质和范围的这些变化和修改。