專利名稱：差分調相多頻帶超寬帶通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種WPAN的差分調相多頻帶UWB通信系統(tǒng)及其相關的解調系統(tǒng)。涉及UWB通信系統(tǒng)的大部分實施以及研究都是針對低數(shù)據(jù)速率應用。這些低數(shù)據(jù)速率UWB系統(tǒng)通常以低脈沖重復率來設計。結果，可以使得脈沖幅度和脈沖間距較高。這得到了UWB的一個熟知的益處，即對諸如多徑干擾之類的干擾的彈性。
可是，由聯(lián)邦通信委員會(FCC)定義的UWB信號，有大于20％的帶寬或者占用大于500MHz的頻譜，這意味著UWB信號不需要是一個同時占用整個頻譜的極短脈沖。UWB信號可以使用多個頻帶來并行地編碼信息，以使信息被在不同頻帶中獨立編碼。這個編碼過程導致以相對低的信號發(fā)送速率實現(xiàn)的很高的比特率系統(tǒng)。
所有的系統(tǒng)都由信道容量來界限C＝Blog2(1+S/N)在此C＝最大信道容量(比特/秒)B＝信道帶寬(Hz)S＝信號功率(瓦)N＝噪聲功率(瓦)如此以使信道容量的上界隨著總可用帶寬B而線性地增長。因此，占用2GHz或更多的UWB系統(tǒng)比受到帶寬更多限制的系統(tǒng)有更大的空間用于擴展，并且更有潛力用于支持將來的高容量無線系統(tǒng)。
UWB技術的新應用，比如多媒體視頻分配網(wǎng)絡，需要一個高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)，例如100Mbps到500Mbps。一個比較IEEE 802.11b、藍牙、IEEE 80211a和UWB的研究發(fā)現(xiàn)，UWB空間容量超過所有其他系統(tǒng)好幾個數(shù)量級，參見圖1?？墒?，用于實現(xiàn)這樣一個高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)的傳統(tǒng)UWB技術可能要求高脈沖重復速率，縮短了連續(xù)脈沖之間的距離。這種降低導致易于多徑干擾的傳統(tǒng)UWB系統(tǒng)。
除了支持更高數(shù)據(jù)速率之外，如果未來的UWB系統(tǒng)要順利地包括窄帶系統(tǒng)，那么它還需要低成本。假定UWB接收機必須是低成本，則調制技術變成研究的焦點。需要相干接收機的調制技術的使用沒有導致低成本的實現(xiàn)。這個的主要原因是相干接收機需要復雜的電路(邏輯)，以便能夠生成與接收波形相位/頻率相干的本地參考信號。另外，這些相干接收機的性能遭受到多徑/信道噪聲引入的相位失配。
常用的設計目標是用非相干接收機解調UWB調制系統(tǒng)。即使這些非相干接收機的理論性能比它們的相干對應部分更低，兩個接收機的實際實施的性能可以相同。實際上，在多徑干擾很重的情況下，非干擾接收機可以比它們的相干對應部執(zhí)行得更好，而不需要附加的相位/頻率或多徑緩和電路。
WEB頻譜的這種用法不是基于傳統(tǒng)的脈沖無線電而是基于使用多個頻帶，并且比已經(jīng)討論的那些擁有多個其它的確實益處，包括在單頻帶設計上的提高的可分級性和自適應性；與諸如802.11a之類的系統(tǒng)有更好的共存特性；和均衡更多傳統(tǒng)無線設計技術，從而減少實施危險。
另外，單頻帶設計的復雜性和功率消耗級別可以保持并且同時還獲得這些優(yōu)點。
本發(fā)明提供一個調相的UWB信號、傳送方法和接收機，并且在一個優(yōu)選實施例中是針對一種多頻帶UWB信號，其中每個頻帶范圍為大約500MHz到1GHz。在每個這樣的頻帶內(nèi)，一種包括兩個脈沖對的本發(fā)明的靈活調制方案被使用，其中兩個脈沖對具有被設置為π/2或90E的差值。這個調制方案使得數(shù)據(jù)速率適應到子頻帶信道狀態(tài)。在每個頻帶內(nèi)，時間、幅度和相位調制被使用。另外，一種偽隨機頻率序列被使用來提供多用戶干擾的充分降低。


圖1說明了IEEE 802.11、藍牙與UWB之間的空間容量比較。
圖2是π/2差分相位UWB調制的典型信號波形。
圖3是根據(jù)本發(fā)明解調π/2差分調相的多頻帶UWB信號的非相干(差分相干)接收機。
圖4是一個典型的發(fā)射出的多頻帶波形，其中每個脈沖對具有同一頻率。
圖5是示出每一脈沖1比特的脈沖串的解調波形，其中根據(jù)本發(fā)明與PPM的組合將每一脈沖產(chǎn)生更多比特。
具體實施例方式
本領域普通技術人員應該理解提供如下描述是為了說明的目的而不是為了限制。技術工人理解有許多變型存在于本發(fā)明的精神以及附加的權利要求的范圍內(nèi)。已知功能與操作的不必要的細節(jié)可以從當前的描述中省略，以便不模糊本發(fā)明。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供一種具有多個頻帶的超寬帶通信系統(tǒng)(即，多頻帶超寬帶通信系統(tǒng))的系統(tǒng)和方法。每一個頻帶范圍大約為500MHz到IGHz。在每個頻帶內(nèi)由本發(fā)明的方法提供一種靈活調制方案。
對于高速UWB應用，本發(fā)明的調制方案對于發(fā)射的每個比特采用脈沖對的形式，即脈沖對。脈沖的第一部分和脈沖的第二部分之間的相位差被設置為π/2或90度。圖2說明了本發(fā)明的調制方案，其中為了發(fā)射比特值1，例如當dn＝1時，在第一子脈沖時隙期間發(fā)射cos(wt)信號201，然后在第二子脈沖時隙期間發(fā)射sin(wt)信號202。當dn＝0時，比特0的發(fā)射采用在第一子脈沖時隙期間發(fā)射sin(wt)，接著在第二子脈沖時隙期間發(fā)射cos(wt)的形式。這個調制方案使得數(shù)據(jù)速率適應到子頻帶信道情形。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的調制方案與脈沖位置調制和多頻帶調制中的至少一個合并。在與多頻帶調制方案合并的情況下，連續(xù)脈沖對的每個脈沖對的頻率不同于連續(xù)脈沖對的在先以及隨后脈沖對的頻率。脈沖的這樣一個多頻帶發(fā)射產(chǎn)生多個頻帶，其中每個頻帶利用與其它調制方案組合的π/2調制。這種調制方案的主要優(yōu)點是非相干接收機實施的簡單性。
圖3說明了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的非相干解調器。這個接收機對接收到的UWB波形和本地生成的波形之間的相位和頻率不敏感。結果，本地生成的波形(來自VCO 305)可以自由運行。結果，實施被簡單化。
在一個優(yōu)選實施例中，圖3中說明的接收機適于多頻帶信號的解調。在這樣一個系統(tǒng)中，接收波形的預期中心頻率必須預先已知。接收波形的頻率序列可以在報頭傳輸期間或者在一個短時間周期內(nèi)經(jīng)由已知參考序列的傳輸被建立。一旦接收波形的頻率已知，則來自本地振蕩器(例如VCO 305)的相應頻率被饋送給第一乘法器(混頻器)。只要本振頻率大約等于接收信號的頻率，則此過程把輸入信號下變頻成為居中在DC處的一個信號。在第一混頻之后，隨后的處理與電路元件對于所有頻率都完全相同。
圖4說明了一個典型的發(fā)射波形400(其中每對都具有同一頻率)，它被圖3的接收機接收，然后經(jīng)過寬帶通濾波器(BPF)301、接著經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)302。LNA 302的輸出被增益單元303放大/縮小到一個適當?shù)碾娖健＝Y果信號被饋送給混頻器304?；祛l器304把接收波形與壓控振蕩器組產(chǎn)生的(VCO)305相應的本地生成的空閑運行的正弦波形相乘。結果的混頻波形經(jīng)過一個低通濾波器。
低通信號的進一步處理為經(jīng)由信號的相位發(fā)射的每個比特產(chǎn)生單個脈沖。每一脈沖的附加比特可以通過使用脈沖位置調制(PPM)而被發(fā)射。圖5示出了這種進一步處理的脈沖串。解調器把接收機的兩個脈沖對轉換成為與頻率和相位失配無關的單個脈沖。處理了的脈沖的符號310對應于發(fā)射數(shù)據(jù)。進一步的積分311和抽樣產(chǎn)生所需要的比特。
在備選的優(yōu)選實施例中，為了進一步緩和多徑和其它干擾，這種拓撲結構可以與諸如瑞克接收機和均衡之類的一個或多個其它接收機技術組合。
本發(fā)明的接收機和方法可以被用于無線個人局域網(wǎng)，用于傳送視頻、音頻、文本、圖片、以及數(shù)據(jù)，用于控制傳感器、警鈴、計算機、視聽設備和娛樂系統(tǒng)。例如，數(shù)字照相機的內(nèi)容可以被無線下載到計算機上。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例已被示出并被描述，但是本領域技術人員應該理解不偏離本發(fā)明的實際范圍可以進行各種改變和修改，并且等價物可以替代其元件。另外，不偏離其中心范圍可以進行許多修改以便把本發(fā)明的教導適配到一個特定的情形中。因此，本發(fā)明旨在不限制為作為考慮用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式所公開的特定實施例，而是本發(fā)明包括落在附加的權利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
權利要求
1.一種傳送高速數(shù)字數(shù)據(jù)流的方法，包括如下步驟把數(shù)據(jù)流編碼為對于數(shù)據(jù)流的每個比特，具有第一和第二脈沖的兩個脈沖對中；和經(jīng)由天線發(fā)射一個無載波超寬帶信號，所述超寬帶信號包括所述對。
2.權利要求1的方法，其中所述編碼步驟還包括把在第一脈沖和第二脈沖之間的相位差設置為π/2。
3.權利要求2的方法，其中所述編碼步驟還包括如下步驟在第一子脈沖時隙期間，編碼1比特的cos(wt)，然后在第二子脈沖時隙期間編碼sin(wt)信號；和在第一子脈沖時隙期間，編碼sin(wt)，然后在第二子時隙中編碼cos(wt)。
4.權利要求3的方法，其中所述編碼步驟還包括如下步驟把編碼與脈沖位置調制和多頻帶調制中的至少一個合并；和在每個頻帶內(nèi)，采用時間、幅度和相位調制中的至少一個。
5.權利要求4的方法，還包括如下步驟使用一個偽隨機頻率序列來提供多用戶干擾的充分降低。
6.權利要求2的方法，還包括用非相干接收機接收所述無載波超寬帶信號的步驟。
7.權利要求2的方法，還包括從包括在所述接收到的無載波超寬帶信號中的所述兩個脈沖對中，把所述高速數(shù)字數(shù)據(jù)流解碼成為一個比特流的步驟。
8.一種以無載波超寬帶信號具體表達的高速數(shù)字數(shù)據(jù)流，它包括表示所述數(shù)據(jù)流的每個比特的兩個脈沖對，包括從由視頻、音頻、文本、圖像和數(shù)據(jù)組成的組中選擇的至少一個數(shù)據(jù)類型；和所述兩個脈沖對，每個脈沖對有第一脈沖和第二脈沖，第一脈沖和第二脈沖之間有π/2的相位差。
9.根據(jù)權利要求8以無載波超寬帶信號具體表達的高速數(shù)字數(shù)據(jù)流，其中所述信號控制從由視頻設備、音頻設備、傳感器、警鈴、計算機、視聽設備和娛樂系統(tǒng)組成的組中選擇的至少一個設備。
10.一種以無載波超寬帶信號具體表達的高速數(shù)字數(shù)據(jù)流，包括表示所述數(shù)據(jù)流的每個比特的兩個脈沖對，它包括到或來自網(wǎng)絡的無線節(jié)點中的網(wǎng)絡業(yè)務，其中所述兩個脈沖對每一個都具有第一脈沖和第二脈沖，第一脈沖和第二脈沖之間有π/2的相位差。
11.一種非相干接收機，包括天線，其接收使用權利要求2的方法傳送的無載波超寬帶信號，并且包括表示高速數(shù)字數(shù)據(jù)流的每個比特的兩個脈沖對；對接收信號進行濾波的寬帶通濾波器；耦合到所述帶通濾波器的低噪聲放大器(LNA)，其放大所述已濾波信號；增益單元，它把LNA輸出的信號放大和縮小到一個適當?shù)碾娖?；一組壓控振蕩器(VCO)，其本地生成一個空閑運行的正弦波形；混頻器，它把增益單元的輸出與正弦波形相乘，以便導致一個混頻的波形；低通濾波器，結果的混頻波形經(jīng)過產(chǎn)生一個低通信號；和解調器，它為經(jīng)由低通信號的相位發(fā)射的每個比特，把低通信號的每兩個脈沖對轉換為單個脈沖。
12.權利要求11的接收機，其中所述接收信號還包括每一脈沖的附加比特，它們使用脈沖位置調制(PPM)而被編碼在信號中。
13.權利要求11的接收機，其中解調器把每兩個脈沖對轉換成為與頻率和相位失配無關的單個脈沖。
14.權利要求11的接收機，其中所述元載波寬帶信號是一個多頻帶信號；接收到的無載波寬帶信號的預期中心頻率預先已知；和VCO的頻率被設置等于接收到的無載波寬帶信號的頻率。
15.權利要求14的接收機，其中通過在短時間周期內(nèi)傳輸報頭(1)和已知參考序列(2)中的一個，建立接收到的無載波寬帶信號的頻率序列。
16.權利要求15的接收機，還包括瑞克接收機和基于均衡的接收機中的至少一個，其處理所述接收信號并且輸出與非相干信號的輸出結合的信號以便產(chǎn)生高速數(shù)據(jù)信號的每個比特。
全文摘要
一種用于傳送的方法、用于接收的接收機、以及包含差分調相多頻帶高速數(shù)據(jù)流的信號被提供。一個優(yōu)選實施例是針對多頻帶UWB信號，其中每個頻帶范圍為大約500MHz到1GHz。在每個這樣的頻帶內(nèi)，一種包括兩個脈沖對的本發(fā)明的靈活調制方案被使用，其中兩個脈沖對具有被設置為/2或90E的差值。這個調制方案使得數(shù)據(jù)速率適應到子頻帶信道狀態(tài)。在每個頻帶內(nèi)，時間、幅度和相位調制被使用。另外，一種偽隨機頻率序列被使用來提供多用戶干擾的充分降低。
文檔編號H04B1/69GK1860694SQ200480028291
公開日2006年11月8日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權日2003年9月30日
發(fā)明者D·比魯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司