脉冲超宽带无线电通信系统

摘要

本发明提供了一种实现脉冲超宽带通信系统的方法和设备。该方法和设备将发送参考技术与码域移位参考方案结合起来，其中码域移位参考方案利用诸如沃尔什码的子集这样的码序列，将参考脉冲和数据脉冲分离开。对移位码(在发送机处)和检测码(在接收机处)的结合使用使得能够从同时发送的参考脉冲序列和数据脉冲序列中正确地检测信息比特。在超宽带无线电系统中的这两种技术的结合省去了传统发送参考超宽带系统所需的宽带延时单元。此外，本发明提供了一种不需要模拟载波且复杂度比其他超宽带系统低的系统，该系统同时还具有较优的性能，较强的抗非线性以及较大的信息容量。

说明书

技术领域

此发明涉及无线电通信系统，特别是涉及超宽带的(UWB)无线电通信系统。

背景技术

可在无线信道中传输数字信息的无线电通信技术有很多种。这些技术被广泛应用于移动电话、传呼、远程数据采集或传感器系统及无线计算机网络等系统。绝大多数无线通信技术将要传输的数字信息调制到高频载波或窄脉冲上，然后通过天线发送出去。

超宽带技术是上述无线通信技术中的一种。超宽带系统被定义为，所发射的无线电信号的-10dB带宽大于其中心频率的20％或大于500MHz的通信系统。对于室内和室外应用的给定频谱掩码需求，美国联邦通信委员会为超宽带系统开放了一个位于3.1～10.6GHz的免许可证频段。任何超宽带系统只要其所发射的无线信号功率频谱低于美国联邦通信委员会规定的室内或室外上限，即可免费使用这一频段。脉冲无线电(IR)超宽带技术是一种常用的利用这种较宽带宽的信号传送技术，其发送极窄的脉冲或脉冲波形。由于传输窄脉冲不需要载波，脉冲超宽带系统具有系统复杂度低、功耗低及定位跟踪精度高等优点。这些优点使脉冲超宽带技术可广泛应用于传感器网络等无线应用中。

遗憾的是，传输窄脉冲也给脉冲超宽带接收机的设计带来了严重的问题。在多径环境特别是非视距环境中，接收到的脉冲超宽带信号包含许多可分解的多径分量，其数量远远大于任何其它无线通信系统中可分解的多径分量的数量。一般来说，对于具有多个可分解的多径分量的接收到的信号，RAKE接收机通过给每个多径分量分配一个检测单元(detecting finger)，就能够有效地捕捉分布在各个多径分量的信号能量。然而为了能够准确地匹配特定的多径分量的幅度、相位及时延，每个检测单元都要有单独的一套信道估计、多径捕捉(multipath acquisition)及跟踪操作。因此，当检测单元的数量很大时，RAKE接收机的系统复杂度将变得不可接受。为了平衡脉冲超宽带系统的性能和复杂度，某些RAKE接收机仅仅给具有较强信号能量的可分解多径分量分配有限数目的检测单元。此类RAKE接收机称为选择性RAKE接收机。

为了能够从更多的多径分量中捕捉信号能量但仍能保持低系统复杂度，发明出一种基于发送参考(TR)的收发机，专门用于在多径环境中检测脉冲超宽带信号。发送参考收发机在每帧信号中发送两个脉冲，一个是参考脉冲，另一个是经调制的数据脉冲。这两个脉冲间隔一段发送参考接收机已知的时间。在接收机侧，发送参考接收机将接收到的脉冲超宽带信号与其经延时后的版本相关起来，以恢复发送的信息位，其中这些信号经延时后的版本包含了参考脉冲。由于参考脉冲与数据脉冲遭受同样的多径衰落，参考脉冲为检测数据脉冲提供了完美的匹配模板。因此，发送参考接收机不需要显式信道估计、多径捕捉及跟踪操作，从而能够以比不利用经延时的参考脉冲的脉冲超宽带系统低的系统复杂度，来从更多的多径分量中捕捉信号能量。

然而，为了得到脉冲超宽带信号的延时版本，发送参考技术需要一个带宽可达几千兆赫兹的超宽带延时单元。对于低复杂度低功耗的脉冲超宽带系统，这是非常难以实现的，特别是在以集成电路作为系统实现手段的时候。

最近，发明出一种检测多径分量的方法，其中用轻微移频的参考(FSR)信号来代替发送参考发送机中的时移参考信号，以便去掉发送参考接收机中的延时单元。在频移参考系统的发送机中，参考脉冲序列和一个或多个数据脉冲序列被同时发送。但通过乘上特定的频率音调(frequency tone)，来使各个数据脉冲序列在频域中移位少许。在接收机侧，通过同样的一组频率音调来移位参考脉冲序列，以检测出各个数据脉冲序列。由于参考脉冲序列和数据脉冲序列的分隔是在频域而不是时域实现的，因此接收机不需要延时单元。

然而，频移参考技术使用模拟载波在发送机侧及接收机侧移位脉冲超宽带信号。这增加了频移参考收发机的复杂度，从而抵消了去掉延时单元所得到的优势。另外，频移参考收发机的性能低于发送参考收发机。因为频移参考收发机可能会受到由振荡器不一致性造成的频率不准确性、由多径衰落造成的相位不准确性及由非线性放大器造成的幅度不精确性的影响。

一种不需要延时单元且不使用模拟载波的IR-UWB技术，可提供发送参考收发机的性能优势，同时又不会有延时单元所固有的复杂度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种在超宽度无线电通信系统中发送和接收信息比特的方法。通过使用移位码将一位参考比特和至少一位信息比特编码。然后，用根据编码后的参考比特和至少一位编码后的信息比特确定出的幅度，来调制超宽带脉冲序列。将调制后的超宽带脉冲序列作为信号发送。该信号被接收到，并通过使用检测码来解码该信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种超宽带无线电通信系统。这种超宽带无线电通信系统包括用于产生宽带脉冲序列的装置，该宽带脉冲序列包含一位经编码的参考比特和至少一位经编码的信息比特。该超宽带无线电通信系统包括具有用于发送超宽带脉冲的天线的发送机，还包括具有用于接收信号的天线的接收机，以及用于解码信号从而恢复至少一位信息比特的装置。

本发明的方法可以作为处理指令存储于计算机可读介质内。

本发明的方法和设备提供了一种复杂度低而性能高的脉冲超宽带技术。在本发明中，通过使用码域移位使参考脉冲序列从数据脉冲序列移位分开，而不是通过使用频域移位或时域移位来实现。此外，联合使用移位码(在发射机处)和检测码(在接收机处)使得能够从同时发送的参考脉冲序列和数据脉冲序列中正确地检测出信息比特。数字序列的使用也省去了在接收机中使用复杂模拟器件的需要。

附图说明

通过以下参考附图对优选实施例做出的详细描述，本发明的特征和优势将变得一目了然。这些附图包括：

图1是根据本发明一个实施例的一种码域移位参考超宽带发送机的框图。

图2是根据本发明一个实施例的一种码域移位参考超宽带接收机的框图。

图3是根据本发明一个实施例的在图2接收机内部的信息比特检测单元的框图。

图4是根据本发明另一实施例的在图2接收机内部的信息比特检测单元的框图。

图5是根据本发明一个实施例的在超宽带无线电通信系统中发送信息比特的方法的流程图。

图6是根据本发明一个实施例的在超宽带无线电通信系统中接收和解码信息比特的方法的流程图。

应注意，在附图中，相似的特征具有相似的标号。

具体实施方式

参考图1，所示为根据本发明的一个实施例的码域移位参考(code shfted reference)超宽带发送机的框图。通过调制N_f个超宽带脉冲的幅度，来将一位参考比特‘1’和M位信息比特{b_j1，b_j2，…b_jM}同时发送，其中b_jk∈{1，-1}。j是当将信息比特划分为每M比特为一组的多个组时的组索引。从图1可以发现，第i个脉冲的调制幅度a_ij可计算如下：

$a_{\mathrm{ij}}=|{\mathrm{Ac}}_{i0}+\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_{\mathrm{jk}}{c}_{\mathrm{ik}}|$

其中A是常数；{d_j1，d_j2…d_jM}是处理后的信息比特(后文中将解释如何由信息比特b_jk来确定d_jk)；下标i指示脉冲编号；{c₀，c₁，…c_k，…c_M}为M+1个移位码组，其中，且c_ik∈{1，-1}。调制幅度a_ij被应用于由超宽带脉冲发生器12所产生的第i个脉冲，该调制后的脉冲(与其它N_f-1个调制脉冲一起)被送至超宽带天线14后发送到传输介质中。通过这种方法，M位信息比特和一位参考比特通过使用移位码实现码域移位，并被同时发送。

移位码c_k与检测码是匹配使用的。它们之间的关系将在后文中进一步陈述。本发明涵盖了各种不同的码域移位参考超宽带方案，A的取值，由信息比特b_jk得到经处理的信息比特d_jk的方式，以及对移位码c_k与检测码的限制均根据具体采用的码域移位参考超宽带方案的类型而定。以下为两种类型的码域移位参考超宽带方案的举例说明。

一种码域移位参考超宽带方案采用了直接编码移位参考。在直接编码移位参考超宽带方案中，信息比特b_jk直接被移位码c_k编码。换言之，移位码被应用到的经处理的信息比特d_jk与信息比特b_jk相同。以下则为该方案中对应的约束条件和取值方法：

$A=\sqrt{M}$

$d_{\mathrm{jk}}=b_{\mathrm{jk}},$$\forall k\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{i=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{\tilde{c}}_{\mathrm{ik}}=0,$$\forall k\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{i=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{\tilde{c}}_{\mathrm{ik}}{c}_{i0}{c}_{\mathrm{il}}=\left(\begin{array}{cc}0,& k\ne l,\\ N_f,& k=l,\end{array}\right)$$\forall k,l\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{i=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{\tilde{c}}_{\mathrm{ik}}{c}_{\mathrm{il}}{c}_{\mathrm{in}}=0,$$\forall k,l,n\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

参考后文及图3可见，恢复每个信息比特要使用一个检测码，所以，需使用M个检测码

举例而言，符合以下两条准则的沃尔什码可产生满足上述三个条件的移位码和检测码：

${\tilde{c}}_k=c_0{c}_k,$$\forall k\in \{\mathrm{1,2},...,M\},$

$c_l{c}_n\ne {\tilde{c}}_k,$$\forall k,l,n\in \{\mathrm{1,2},...,M\}.$

对于长度为2^N的沃尔什码，至多可以从符合以上两条准则的码组中选取2^N-1+1个移位码和2^N-1个检测码。所用的沃尔什码的长度2^N，与每组中超宽带脉冲的个数N_f相同。

表1中举例列出直接码域移位参考超宽带方案中所使用的多组移位码和检测码。该表格中包含了发送每组信息比特所用的脉冲个数N_f的三种不同取值。可以发现，当N_f等于2^N时，至多可以同时发送M＝2^N-1个信息比特。因此，每组中传送的信息比特数决定了所需沃尔什码的长度，或者反过来说，使用的沃尔什码的长度可用于确定每组的信息比特的数目。

表1

另一种码域移位参考超宽带方案采用了差分编码移位参考的方法。在该方案中，信息比特b_jk首先被差分编码，然后通过移位码c_k被编码。具体的约束条件和取值方法如下所述：

A＝1

$d_{\mathrm{jk}}=\underset{l=1}{\overset{k}{\Pi }}{b}_{\mathrm{jl}},\forall k\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{i=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{\tilde{c}}_{i\ln }=0,$$\forall l\in \{\mathrm{0,1},,...,M-1\}$并且$\forall n\in \{l+1,l+2,...,M\}$

$\forall l,p\in \{\mathrm{0,1},,...,M-1\}$并且$\forall n,q\in \{\mathrm{1,2},...,M\}$

其中，并且

举例而言，符合以下两条准则的沃尔什码可产生满足上述两个条件的移位码和检测码：

${\tilde{c}}_{\ln }=c_l{c}_n,$$\forall l\in \{\mathrm{0,1},,...,M-1\}$并且$\forall n\in \{l+1,l+2,...,M\},$

除l＝p且n＝q以外，并且

上述两条准则意味着，如果移位码个数为(M+1)，则相应的检测码个数必须为M(M+1)/2个。对于长度为2^N的沃尔什码，至多可选取2^N-1个码作为检测码因此，每组的信息比特数目被限制在

M(M+1)/2≤2^N-1，

在这里，传送每组信息比特所用的超宽带脉冲数与沃尔什码的长度相等，即2^N。

表2中举例列出差分码域移位参考超宽带方案中所使用的多组移位码和检测码。该表格中列出了用于发送每组信息比特的脉冲个数N_f的三种不同取值。

表2

图2所示为，根据本发明的一个实施例的一种码域移位参考超宽带接收机的框图。超宽带天线20接收到超宽带信号r(t)，并将其传送至带通滤波器22。该带通滤波器与所发送的超宽带信号的带宽匹配，以滤除带外噪声和干扰。带通滤波器22的输出被求平方运算后，被送至积分器26。积分器26在(jN_f+i)T_f至(jN_f+i)T_f+T_M时间段内对所得平方信号进行积分运算，其中T_f为相邻两个超宽带脉冲之间的时间间隔，T_M为经历多径无线信道的畸变后的超宽带脉冲持续时间。积分结果为一系列信号值，它们之后被送至信息比特检测单元28。信息比特检测单元28判定M个复原的信息比特

图3所示为根据本发明一个实施例的用于直接码域移位的信息比特检测单元28的框图。将每个检测码与信号值系列r_ij相关起来，得到相关结果(k取值范围为1至M)。通过对每相关结果进行简单的极性判定，确定出M个复原的信息比特。

图4所示为根据本发明一个实施例的用于差分码域移位的信息比特检测单元28的框图。每一个检测码被与信号值系列r_ij相关起来，得到相关结果(其中l取值范围为0至M-1，n取值范围为1至M)。之后这些相关结果被送至最大值计算单元40。在那里，通过判定哪一组会使达到最大值，也就是说

${\hat{b}}_j=\arg \left\{\underset{{\hat{b}}_j}{\max }\underset{l=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\underset{n=l+1}{\overset{M}{\Sigma }}{\tilde{r}}_{j\ln }\underset{k=l+1}{\overset{n}{\Pi }}{\hat{b}}_{\mathrm{jk}}\right\}.$

图5所示为根据本发明一个实施例的一种在超宽带无线电通信系统中发送信息比特的方法的流程图。在步骤50，经处理的信息比特{d_j1，d_j2，…d_jM}被确定。在以上两个示例方案中，该确定步骤可以是简单地使经处理的信息比特等于信息比特(直接码域移位参考方案中)，或者是使经处理后的信息比特等于某些信息比特的乘积(差分码域移位参考方案中)。在步骤52，如参考图1可见，如前所述那样通过使用移位码c_k来对经处理的信息比特和一位参考比特进行编码。在步骤54，用根据编码后的信息比特和编码后的参考比特确定出的调制幅度a_ij来调制超宽带脉冲。在步骤56，经调制的超宽带脉冲被发送出去。

图6所示为根据本发明一个实施例的超宽带无线电通信系统中用于接收和解码信息比特的方法的流程图。在步骤60，接收到信号。在步骤62，信号值序列被确定。在步骤64，通过使用检测码从信号值序列中提取出信息比特如前所述，检测码与图5步骤54中对信息比特和参考比特进行编码的移位码联系起来。

本文采用沃尔什码作为移位码和检测码来描述本发明原理。此外，对于任何其他编码，只要它们能够如图1所示那样将信息比特编码为a_ij且能够如图2所示那样从信号值r_ij中恢复信息比特，就也可以被应用。举例而言，对于直接码域移位超宽带方案，任何满足段落[23]-[25]中所提出的三个条件的码组均可被采用；或者对于差分码域移位参考超宽带方案，任何满足段落[35]-[36]中所提出的两个条件的码组均可被使用。

本发明的方法优选地实现为发送机和接收机中的硬件。举例而言，图1中的调制幅度a_ij的确定可通过一个或者多个集成电路来执行，如可由图2中的带通滤波器、平方函数、积分器和信息比特检测单元来执行一样。本发明也作为下载到计算机处理器或其他设备上的软件来实现，但是这种实现方法与硬件方式相比处理信号的速度可能较慢，因而稍微逊色。当然，也可以软件和硬件的组合的方式来实现本发明。如果以软件的形式来实现本发明的方法，则该方法的逻辑指令可存储在计算机可读介质上。

本文中所列的实施例仅具有实例示范作用，本领域技术人员可以对上述实施例进行改变，而不会背离本发明本身内在基本原理原则。