可变符号/相位和脉冲间时间调制多频带UWB通信系统

摘要

一种无线通信系统通过使用多频带方法来执行信息信号的高速传输。每个频带的跨度约为500MHz。在每个频带中的灵活的调制方案使用时间、幅度和相位调制，允许数据速率适配于子频带状况。此外，利用伪随机频率序列来提供充分的多用户干扰降低。

说明书

技术领域

本发明涉及高数据速率通信系统。更具体地，本发明涉及用于高数据速率应用的超宽带(UWB)系统的系统和方法。本发明尤其涉及被调制成每秒运送多兆比特数字数据的多频带UWB系统。

背景技术

有时将UWB称为脉冲无线电或零载波技术。脉冲无线电系统的特征在于以相对低的占空度(一般为10-1000皮秒)传输具有短的持续时间的脉冲串和宽带脉冲。在一些系统中，这些脉冲的瞬时脉冲带宽与中心频率相似。

常规的UWB通信系统在比窄带或扩频系统更大的带宽上发射能量。将所述系统设计成通过使用具有非常窄的脉冲宽度(通常为1ns或更小)的脉冲串信号来执行基带传输。

由于UWB的低信号密度，因此其实现对其它无线系统产生较小的干扰，并且有望成为能够覆盖现有技术的无线通信系统所使用的频带的技术。此外，由于其超宽的频带，UWB有望用于个人区域网络(PAN)中的100Mbps数量级的超高速无线传输。这特别通过FCC采用3.1-10.6GHz频带用于UWB通信来支持，在此基础上，预计在近期将有数百万的基于UWB的系统投入使用。

在极大程度上，现有技术的UWB实现是针对具有低脉冲重复速率的低数据速率应用，其中能使脉冲幅度和脉冲间间距变大。这带来了常常引用的UWB的益处，即，对诸如多径干扰之类的干扰的抵御。然而，将来的应用要求更高的数据速率，即在100Mbs-50Mb/s范围之间，用于这样的系统的常规技术需要高脉冲重复速率，从而减少连续脉冲之间的距离并使UWB系统倾向于多径干扰。

发明内容

因此，需要一种用于高数据速率UWB通信系统的低成本方法来消除多径干扰。本发明的系统和方法提供这样一种UWB通信系统，该UWB通信系统使用多频带方法，其中每个频带的跨度大约相等。

在本发明的每个频带中，灵活的调制方案使得数据速率能够适配于子频带信道条件。在每个频带中，使用时间、幅度和相位调制。此外，利用伪随机频率序列来提供足够的多用户干扰降低。

附图说明

图1a说明了通信站的无线网络，通信站只通过对等通信进行通信；

图1b说明了由控制点建立和控制的无线网络，在其中通信站通过控制点并且在对等的基础上通信；

图2a是示范性UWB通信站的结构的简化框图，说明了将在其中运用本发明的实施例的发射机部分；

图2b是示范性UWB通信站的结构的简化框图，说明了将运用本发明的实施例的接收机部分；

图3说明了多频带符号位置UWB调制方案；

图4a-b说明了多频带方法的频域表示；和

图5说明了5频带120Mb/s数据速率UWB系统(8MHz符号率)的仿真结果。

具体实施方式

在下列描述中，为了解释而不是为了限制，阐明了诸如特定通信站结构、无线网络拓扑和接口、仿真结果等等之类的具体细节，以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说非常明显，可以在脱离这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

图1a说明了将应用本发明的实施例的代表性无线特设(ad-hoc)UWB微微网(pico-net)。如图1a所示，不同类型的通信单元100只通过无线链路110在对等的基础上进行通信。图1b说明了也可以应用本发明实施例的代表性无线UWB网络。如图1b所示，微微网的不同类型的通信单元100不但在对等的基础上通过无线链路110进行通信，还通过无线链路120去往/来自最初建立微微网的控制点130。本发明的关键原理是提供一种机制，通过该机制，当通信单元100的两种类型的UWB微微网互相接近时，它们互相干扰最小。

现在参见图2a的发射机子系统(235)，图1a-b的UWB微微网之一的无线通信单元100都可以包括发射机子系统(235)，它具有如图2a的框图所示的结构，本发明的实施例将运用到其中。如图2a所示，通信单元可包括信息源200、调制器220、输出级230或发射机、控制器240、提供周期定时信号的时基250、天线260和伪随机噪声源270。控制器240检测信息信号，然后根据子频带信道条件确定将使用的时间、幅度和相位调制，并向调制器220指示所确定的调制。图2a的示范性系统是为了说明的目的。UWB输出级230耦合到天线260，以通过传播介质231发射所期望的数据。图2a的示范性系统是为了说明的目的，并且所述天线可以是电缆或者例如是被配置为天线的集成电路。

现在参照图2b的接收机子系统(295)，图1a-b的UWB微微网的无线通信单元100可包括接收机子系统(295)，它具有如图2b的框图所示的接收机结构，本发明的实施例将运用到其中。如图2b所示，示范性的UWB通信单元可包括解调器280、接收机290、控制器240、提供周期性定时信号的时基250、天线260和伪随机噪声源270。示出天线260被耦合到接收机290，以便接收所传播的冲击(impulse)无线电信号，但其它实施方式也是可能的，例如用电缆取代天线来作为传播介质。控制器240检测接收机290对所发射的信号的接收，然后根据子频带信道条件来确定所使用的时间、幅度和相位调制，并向解调器指示所确定的调制。图2b的示范系统只是为了说明的目的。

虽然说明可能涉及到在描述特定收发信机系统中通常使用的术语，但在此提出的描述和概念同样适用于包括具有和图2a-b中所示结构不相同的结构的系统的其它处理系统。此外，在图1a-b中说明的微微网通常可具有更多参与微微网的通信单元，只是为了便于描述，才简化了所说明的规模。

假设UWB信道被分成N个频带，且脉冲形状h(t，l)，l＝1...N被用于每个频带。那么，UWB无线输出级230的输出可由下式描述：

$>>y>>(>t>)>>=>>\Sigma >n>>>a>n>>>h>l>>>(>t>->nT>->>c>n>>\tau >,>f>>(>n>)>>)>>+>>b>n>>>h>l>>>(>t>->nT>->>c>n>>\tau >->>d>n>>>\tau >ch>>,>f>>(>n>)>>)>>->->->>(>1.1>)>>>s>$

其中

a_n和b_n是幅度或相位调制数据，

c_n和d_n是差分时间调制数据，

f(n)是频带分量，

τ_ch是为了信道化目的的小时间单位，或者是用来运送数据的附加信道，

τ是用于位置调制的小时间单位，和

T是脉冲间间隔。

在图3中说明的第一实施例提供了时间/相位调制脉冲序列。每个脉冲都通过特定的频带发射。例如，第一脉冲优选地通过3.2-3.7GHz频带(500MHz带宽)承载，且后续脉冲优选地在其余频带中发射。在图3说明的优选实施例中，由UWB输出级或发射机230每次每频带发射两个子脉冲。在替换的实施例中，UWB输出级或发射机230每次每频带只发射一个子脉冲，即将上述公式(1.1)中的a_n或b_n设置成0。

在另一个优选实施例中，图4a-c示出了UWB脉冲的多频带传输的频域表示。图4a说明了单频带传输，图4b说明了3频带传输，并且图4c说明了6频带传输，其中跳过了介于中间的400的一个频带。在时域中，多频带传输以时间复用方式以使脉冲间间隔(T)最大化的方法进行。本实施例允许以更好的且成本更低的接收机来实现。

本发明的优点是折中诸如带宽、数据速率、实现复杂性和每个频带中的传输质量之类资源的灵活性。在一个优选实施例中，一个频带承载20Mb/s数据，而另一个频带承载30Mb/s数据。每个频带的数据速率分配是根据应用的需要以及根据子信道容量。

为了进一步说明这种灵活性，表1列出了资源组合的实施例。第一列示出了承载20Mb/s有效载荷的1频带UWB系统。它使用10Ms/s码元速率且每个码元载运2比特数据，一个通过幅度/相位，而另一个通过位置。第二列示出了使用5个频带的110Mb/s系统。码元速率被保持在10Ms/s。每码元发射30个比特(每个信道3比特/码元，其中1个比特以相位，2个比特以位置)。其它列也说明相应的优选实施例。

在一个优选实施例中，能够根据信道条件和应用的要求，方便地调整每个频带的比特速率。例如，在一个优选实施例中，一个频带可承载2比特/码元，而另一个频带承载4比特/码元。

表1：给定数据速率的资源配置

  数据  速率  20Mb/s  110Mb/s  200Mb/s  480Mb/s  频带  数  1  5  6  8 调制 1(DPSK)+1(SPM ) 1(DPSK)+2(S PM)  2(BPSK)+2(  SPM)  2(BPSK)+4(  SPM) 码元 速率/ 频带 10Ms/s 10Ms/s  10Ms/s  20Ms/s 原始 比特 速率 20Mb/s 150Mb/s  240Mb/s  640Mb/s 码元 间隔 100ns 100ns  100ns  50ns T 100ns 20ns  16ns  6.5ns

表1中的实施例说明每频带低码元速率系统。这样的低码元速率系统使得能够设计抗多径干扰的收发信机系统。

为了示例而非限制，图5在图中标注出5频带120Mb/s UWB系统的仿真结果。位置部分承载每频带/码元2比特，而幅度部分承载每频带/码元1比特。位置部分的时间步幅是2.5ns。每个脉冲的带宽接近500MHz。如所示，位置部分性能比幅度部分性能稍差一些。

本发明可以以其它特定形式实现，而不脱离其精神和必要特征。所提供的实施例只是用于示例而没有任何限制意义。本发明的范围由所附的权利要求指示，而不是由前述描述指示，因此在权利要求的等价物的含义和范围内做出的所有修改都包含在本发明的范围之中。