專利名稱：檢測傳輸?shù)臒o線電信號的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及無線射頻通信，并且尤其涉及用于超寬帶無線電系統(tǒng)的雷克接收機(jī)(Rake receiver)。
背景技術(shù)：
超寬帶(UWB)是展頻無線電通信的一種形式。在UWB系統(tǒng)中，其帶寬比底層的有效載荷或數(shù)據(jù)信號的帶寬寬得多。但是，與信號幅度或多或少恒定的常規(guī)的展頻系統(tǒng)不同的是，一個(gè)UWB信號是由在非常寬的頻率范圍內(nèi)展布的非常短的脈沖的一個(gè)序列組成的。因此，“UWB”這個(gè)詞和“脈沖無線電”這個(gè)詞常常是作為同義詞使用的。展布的波形是短脈沖的一個(gè)模式，該模式被調(diào)制以編碼數(shù)據(jù)。
許多展頻通信系統(tǒng)采用所謂的“雷克”接收機(jī)，以補(bǔ)償多通道傳播。
圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)雷克接收機(jī)100。雷克接收機(jī)包括一個(gè)前端101，用于預(yù)處理一個(gè)無線電信號102。雷克接收機(jī)具有模塊結(jié)構(gòu)，其中接收到的無線電信號102通過多個(gè)雷克分支110被并行處理。每個(gè)雷克分支110處理通過一個(gè)多通道無線電信道中的多個(gè)傳播通道之一接收到的信號。
因此，每個(gè)雷克分支包括一個(gè)可調(diào)延時(shí)塊111，它由一個(gè)延時(shí)控制器120控制，以及一個(gè)用于信號增益的可調(diào)加權(quán)塊114，它由一個(gè)加權(quán)控制器140控制。延時(shí)后的接收到的信號與來自一個(gè)解展頻波形發(fā)生器130的一個(gè)解展頻波形輸出相乘112，然后低通濾波113，然后再被按比例縮放或加權(quán)114。
延時(shí)和加權(quán)增益分別補(bǔ)償相應(yīng)通道的延時(shí)和衰減。每個(gè)雷克分支通過用發(fā)射機(jī)中使用的展頻波形的復(fù)本乘以112接收到的信號來對接收到的信號“解展頻”，從而提取出相應(yīng)通道的信號。然后雷克分支110的輸出在一個(gè)求和塊150中被合并，接著被后處理(PP)160。求和可以是代數(shù)求和。
更具體地，處理通常在接收到的信號102的復(fù)數(shù)表示上執(zhí)行，因此每個(gè)信號對應(yīng)于一個(gè)復(fù)波形，它由一個(gè)實(shí)部和一個(gè)虛部組成，也稱為同相和正交分量。每個(gè)雷克分支110的權(quán)重被設(shè)置為匹配相應(yīng)通道的復(fù)幅度的復(fù)共軛。
當(dāng)雷克分支的輸出在求和塊∑150中被合并時(shí)，它們只是被加到一起。這種加權(quán)和合并多個(gè)信號的方法被稱為“最大比”合并。雷克分支權(quán)重選擇的替換方法包括“等增益”權(quán)重分配和“最優(yōu)”權(quán)重生成。
常規(guī)雷克接收機(jī)的一個(gè)問題是可調(diào)延時(shí)塊111難以對一個(gè)UWB信號實(shí)現(xiàn)。
由于超寬帶寬，UWB系統(tǒng)具有非常精細(xì)的時(shí)間分辨率，從而能夠分辨間隔為帶寬的倒數(shù)的多通道分量。這常被看作UWB的一大優(yōu)點(diǎn)。分量的多通道分辨降低了信號衰減，因?yàn)槎嗤ǖ婪至渴遣煌旨耐ǖ?。分量同時(shí)都處于深度衰減的可能性是非常低的。
但是，精細(xì)的時(shí)間分辨率也意味著許多多通道分量(MPC)必須被雷克接收機(jī)100所“收集”，以便獲取所有可用的能量。一個(gè)具有Np個(gè)可分辨分量的信道需要Np個(gè)雷克分支來收集所有可用的能量。在一個(gè)密集多通道環(huán)境中，MPC的數(shù)目隨著帶寬線性增長。例如，一個(gè)帶寬為10GHz、在最大額外延時(shí)為100ns的環(huán)境中運(yùn)行的UWB系統(tǒng)需要1000個(gè)雷克分支。即使是一個(gè)稀疏環(huán)境，例如由IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)信道模型所指定的稀疏環(huán)境，也需要多達(dá)80個(gè)雷克分支來收集可用能量的80％。
另一個(gè)問題是雷克分支110的復(fù)雜度。在一個(gè)直接序列展頻(DS-SS)系統(tǒng)的常規(guī)雷克分支中，相關(guān)器的輸出是每個(gè)符號確定一次的。為進(jìn)行相關(guān)，信號首先必須以芯片頻率被采樣并且被模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中芯片頻率是展頻的倒數(shù)。然后，這些采樣必須被處理。這涉及到與存儲的參考波形進(jìn)行卷積，做加法以及讀出。以芯片頻率(例如10GHz)采樣和A/D轉(zhuǎn)換要求昂貴的元件。
UWB的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低成本和超高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用。為了使UWB可用于這些類型的應(yīng)用，需要克服以上問題的改進(jìn)的雷克接收機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一個(gè)用于超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)的雷克接收機(jī)。在前端處理一個(gè)接收到的UWB無線電信號之后，UWB信號并行地通過多個(gè)雷克分支被傳遞。
雷克分支的數(shù)目是基于一個(gè)傳輸信道中的“重要”通道的數(shù)目，以及出于成本考慮的。
每個(gè)雷克分支包括(可能以任意順序)串聯(lián)的一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器、一個(gè)乘法器、一個(gè)低通濾波器以及一個(gè)可調(diào)加權(quán)。可編程脈沖發(fā)生器生成一個(gè)脈沖波形，其延時(shí)對應(yīng)于多通道信道中的一個(gè)特定通道的延時(shí)。
脈沖波形在模擬域中與所述接收到的信號相乘，并且以符號率對其進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。然后對輸出信號進(jìn)行低通濾波，并且以一個(gè)調(diào)整后的權(quán)重對其進(jìn)行增益控制。最后，通過求和合并來自所有雷克分支的輸出，以恢復(fù)發(fā)射的信號。


圖1是一個(gè)用于展頻超寬帶通信系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)雷克接收機(jī)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)雷克接收機(jī)的框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的雷克接收機(jī)的一個(gè)替換實(shí)施例的框圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明的雷克接收機(jī)的另一個(gè)替換實(shí)施例的框圖。
具體實(shí)施例方式
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用于超寬帶通信系統(tǒng)的雷克接收機(jī)200。接收機(jī)200包括一個(gè)前端101，用于預(yù)處理一個(gè)接收到的無線電信號102。前端將接收到的信號102轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號103，它是一個(gè)復(fù)信號，包括一個(gè)同相分量和一個(gè)正交分量。在一個(gè)實(shí)施例中，電信號103是數(shù)字形式的。在另一個(gè)實(shí)施例中，接收到的無線電信號102是一個(gè)實(shí)數(shù)的基帶無線電信號，并且被轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)的、電基帶信號。
雷克接收機(jī)200具有模塊結(jié)構(gòu)，其中接收到的信號102通過被稱為“雷克分支(rake finger)”210的多信道被并行處理。每個(gè)雷克分支210處理通過一個(gè)多通道無線電信道中的多個(gè)傳播通道之一接收到的信號。
因此，每個(gè)雷克分支包括一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器211，它被一個(gè)脈沖序列控制器220所控制。一個(gè)乘法器212將電信號103和可編程脈沖發(fā)生器211的輸出作為輸入。乘法器212的輸出被低通濾波213。低通濾波器生成一個(gè)輸出，該輸出正比于濾波器的輸入的時(shí)間積分。濾波器可以是一個(gè)積分-傾卸濾波器。
然后根據(jù)一個(gè)加權(quán)控制器240對信號進(jìn)行加權(quán)214以補(bǔ)償多通道信道中的衰減，以用于信號增益。然后雷克分支210的輸出在一個(gè)求和塊250中被合并，接著被后處理(PP)160。這種加權(quán)和合并多個(gè)信號的方法被稱為“最大比”合并。雷克分支權(quán)重選擇的替換方法包括“等增益”權(quán)重分配和“最優(yōu)”權(quán)重生成。
根據(jù)本發(fā)明的雷克接收機(jī)200和現(xiàn)有技術(shù)的雷克接收式100的不同之處在于除去了可調(diào)延時(shí)塊211和延時(shí)控制器120，并且用多個(gè)可編程脈沖發(fā)生器220取代了單個(gè)解展頻波形發(fā)生器130，其中每個(gè)可編程脈沖發(fā)生器220用于一個(gè)雷克分支210。
這些修改是有利的，因此現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)延時(shí)塊對于超寬帶信號是難以實(shí)現(xiàn)的，而可編程脈沖發(fā)生器211在集成電子電路中易于實(shí)現(xiàn)得多。
所有可編程脈沖發(fā)生器211產(chǎn)生一個(gè)脈沖模式221。該脈沖模式與用于發(fā)射機(jī)中調(diào)制要發(fā)射的數(shù)據(jù)的脈沖模式是相同的。但是，來自不同脈沖發(fā)生器211的脈沖模式的時(shí)序是不同的。脈沖序列控制器220調(diào)整每個(gè)脈沖發(fā)生器的時(shí)序，以匹配多通道信道中一個(gè)通道的延時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明的雷克接收機(jī)200利用了信道的稀疏性。IEEE802.15.3a信道模型中的“重要”通道的數(shù)目，即那些捕捉了85％能量的信道，對于UWB室內(nèi)信道模型1(CM1)來說位于40之間，對于UWB室內(nèi)信道模型4(CM4)來說位于160之間。從而，不必A/D轉(zhuǎn)換所有的約2000個(gè)可能的通道，即持續(xù)時(shí)間為200ns的脈沖以及一個(gè)延時(shí)分辨率為100ps的脈沖響應(yīng)。
在評估信道后，標(biāo)識最重要的通道。然后雷克分支210的數(shù)目減少到匹配所述重要通道的數(shù)目。如果犧牲性能換取成本則可以使用更少的雷克分支。
如上所述，脈沖序列控制器220調(diào)整每個(gè)脈沖發(fā)生器211的時(shí)序以匹配信道中每個(gè)重要通道的延時(shí)。
圖2的修改后的雷克接收機(jī)的性能與現(xiàn)有技術(shù)的雷克接收機(jī)的性能接近，只要有效載荷信號的符號率與信道的延時(shí)展布相比較小。
圖3顯示了一個(gè)替換的接收機(jī)300，用于不符合上述符號率條件的情況。接收機(jī)300的性能與現(xiàn)有技術(shù)的雷克接收機(jī)100相同。重新引入了從接收機(jī)200中去除的可調(diào)延時(shí)塊，作為每個(gè)雷克分支310中的可調(diào)延時(shí)塊216。
但是，在此實(shí)施例中，延時(shí)塊216被設(shè)計(jì)為雷克分支310中最后的功能塊。這使得延時(shí)容易實(shí)現(xiàn)得多，因?yàn)榇颂幍男盘枎挶鹊屯V波器213之前的帶寬窄得多。以虛線輪廓顯示塊216，以表示它們是可選的。
每個(gè)雷克分支210還包括一個(gè)采樣-保持塊318。同樣，虛線輪廓表示塊318也是可選的。這些塊使得雷克分支中隨后的可調(diào)加權(quán)塊214和可調(diào)延時(shí)塊216實(shí)現(xiàn)起來較容易。當(dāng)采樣-保持塊218被實(shí)現(xiàn)為A/D轉(zhuǎn)換器以便所有隨后的功能能夠被數(shù)字地實(shí)現(xiàn)時(shí)，這一點(diǎn)尤其正確。可調(diào)加權(quán)和延時(shí)塊被一個(gè)加權(quán)和延時(shí)控制器340所控制。
在此情況下，采樣是以符號率進(jìn)行的?？烧{(diào)延時(shí)塊316只需要粗調(diào)，而精細(xì)的時(shí)序調(diào)整是由一個(gè)采樣時(shí)序控制器320通過精確調(diào)整個(gè)體的采樣時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。
其他實(shí)施例也是有可能的。尤其地，每個(gè)雷克分支310中的最后四個(gè)功能塊213、214、216和218可以以任意順序在每個(gè)雷克分支中串聯(lián)，不會影響接收機(jī)300的功能。圖3顯示了優(yōu)選的順序。
圖4顯示了一個(gè)雷克接收機(jī)400的另一個(gè)替換實(shí)施例。在接收機(jī)400中，各個(gè)的可編程脈沖發(fā)生器211被一個(gè)單個(gè)脈沖發(fā)生器410以及一個(gè)脈沖序列控制器430所取代，其中單個(gè)脈沖發(fā)生器之后是一個(gè)多路分配器420。在多脈沖發(fā)生器211難以實(shí)現(xiàn)，而單個(gè)脈沖發(fā)生器410和多路分配器420相對易于實(shí)現(xiàn)的那些應(yīng)用中上述實(shí)施例是有利的。
多路分配器420用作一個(gè)開關(guān)，它根據(jù)由脈沖序列控制器430定義的一個(gè)模式將來自脈沖發(fā)生器410的脈沖路由到不同的乘法器212。同時(shí)，控制器430也控制由可編程脈沖發(fā)生器410生成的脈沖模式，從而實(shí)現(xiàn)所需要的用于乘法器212的脈沖模式。
在以上說明中，所有雷克分支以不同的時(shí)序接收相同的脈沖模式。但是，本發(fā)明也允許向不同雷克分支饋送不同的脈沖模式。這在具有嚴(yán)重多通道的情況中尤其有用，在這種情況下信號間干擾的危害可能大于額外檢測到信號帶來的優(yōu)勢。
一般而言，脈沖序列控制器、采樣時(shí)序控制器和加權(quán)/延時(shí)控制器共同工作，以最優(yōu)化用于可用信道的雷克接收機(jī)的性能，同時(shí)充分利用本發(fā)明提供的靈活性。
雖然已通過優(yōu)選實(shí)施例例的方式說明了本發(fā)明，但是要理解可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)做出許多其他適應(yīng)和修改。因此，權(quán)利要求書的目標(biāo)是覆蓋本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)的所有這樣的變體和修改。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于檢測發(fā)射的無線電信號的設(shè)備，包括一個(gè)前端，用于將接收到的所述發(fā)射的無線電信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號；多個(gè)雷克分支，每個(gè)雷克分支并行處理所述電信號，并且每個(gè)雷克分支進(jìn)一步包括一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器，用于生成一個(gè)脈沖序列；一個(gè)乘法器，它連接到所述前端的輸出和可編程脈沖發(fā)生器的輸出，以生成一個(gè)信號，該信號和所述前端的輸出與所述可編程脈沖發(fā)生器的輸出的乘積函數(shù)地相關(guān)；一個(gè)低通濾波器，用于對所述乘法器的輸出濾波；以及一個(gè)可調(diào)加權(quán)塊，用于按比例縮放所述低通濾波器的輸出；以及一個(gè)脈沖序列控制器，用于調(diào)整來自每個(gè)雷克分支中的每個(gè)可編程脈沖發(fā)生器的每個(gè)脈沖序列的時(shí)序；一個(gè)加權(quán)控制器，用于調(diào)整每個(gè)雷克分支中的每個(gè)可調(diào)加權(quán)塊的權(quán)重；以及一個(gè)求和塊，它被配置為組合每個(gè)雷克分支的輸出，以恢復(fù)對應(yīng)于發(fā)射的無線電信號的一個(gè)信號。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中發(fā)射的無線電信號是一個(gè)超寬帶信號。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述脈沖序列的模式與在一個(gè)發(fā)射機(jī)中用于展頻所述發(fā)射的信號的脈沖模式相同。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每個(gè)脈沖序列的時(shí)序匹配用于發(fā)射所述無線電信號的一個(gè)多通道信道中的一個(gè)通道的延時(shí)。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中低通濾波器生成一個(gè)輸出，該輸出正比于到低通濾波器的輸入的時(shí)間積分。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中低通濾波器是一個(gè)積分-傾卸濾波器。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中電信號是一個(gè)復(fù)信號，它由一個(gè)同相分量和一個(gè)正交分量組成。
8.權(quán)利要求4的設(shè)備，其中電信號是一個(gè)數(shù)字信號的形式。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述可編程脈沖發(fā)生器、乘法器、低通濾波器和可調(diào)加權(quán)塊在每個(gè)雷克分支中以任意順序串聯(lián)連接。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)連接在低通濾波器和求和塊之間的可調(diào)延時(shí)塊。
11.權(quán)利要求10的設(shè)備，其中采樣-保持塊是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)可調(diào)延時(shí)單元，用于生成一個(gè)輸出信號，該輸出信號正比于輸入信號的延時(shí)后的版本，其中延時(shí)值由一個(gè)控制輸入確定。
13.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述無線電信號是一個(gè)超寬帶信號。
14.一個(gè)用于檢測發(fā)射的無線電信號的設(shè)備，包括一個(gè)前端，用于將接收到的所述發(fā)射的無線電信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號；一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器，用于生成一個(gè)脈沖序列；一個(gè)多路分配器，它連接到可編程脈沖發(fā)生器的輸出，以生成多個(gè)脈沖序列；一個(gè)脈沖序列控制器，用于調(diào)整每個(gè)脈沖序列的時(shí)序；多個(gè)雷克分支，每個(gè)雷克分支并行處理所述電信號，并且每個(gè)雷克分支進(jìn)一步包括一個(gè)乘法器，它連接到所述前端的輸出和所述多路分配器的輸出，以生成一個(gè)信號，該信號和所述前端的輸出與所述可編程脈沖發(fā)生器的輸出的乘積函數(shù)地相關(guān)；一個(gè)低通濾波器，用于對乘法器的輸出濾波；以及一個(gè)可調(diào)加權(quán)塊，用于按比例縮放所述低通濾波器的輸出；以及一個(gè)加權(quán)控制器，用于調(diào)整每個(gè)雷克分支中的每個(gè)可調(diào)加權(quán)塊的權(quán)重；以及一個(gè)求和塊，它被配置為組合每個(gè)雷克分支的輸出，以恢復(fù)對應(yīng)于發(fā)射的無線電信號的一個(gè)信號。
15.一種用于檢測一個(gè)發(fā)射的無線電信號的方法，包括將接收到的所述發(fā)射的無線電信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號；在多個(gè)雷克分支中并行處理所述電信號，并行處理進(jìn)一步包括生成一個(gè)具有可調(diào)時(shí)序的脈沖序列；將所述脈沖序列與所述電信號相乘；對相乘產(chǎn)生的信號進(jìn)行低通濾波；通過一個(gè)可調(diào)權(quán)重按比例縮放濾波后的信號；以及對按比例縮放后的信號求和，以恢復(fù)對應(yīng)于發(fā)射的無線電信號的一個(gè)信號。
全文摘要
一個(gè)雷克接收機(jī)檢測一個(gè)發(fā)射的超寬帶無線電信號。該接收機(jī)包括一個(gè)前端，用于將接收到的發(fā)射的無線電信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)電信號。多個(gè)雷克分支并行處理電信號。每個(gè)雷克分支包括以下可以以任意順序串聯(lián)的元件。一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器生成一個(gè)脈沖序列。一個(gè)連接到前端的一個(gè)輸出和一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器的一個(gè)輸出的乘法器生成一個(gè)信號，該信號功能上涉及前端的輸出和可編程脈沖發(fā)生器的輸出的一個(gè)乘積。一個(gè)低通濾波器對乘法器的一個(gè)輸出濾波，以及一個(gè)可調(diào)加權(quán)塊按比例增減低通濾波器的一個(gè)輸出。此外，雷克接收機(jī)包括一個(gè)脈沖序列控制器，用于調(diào)整來自每個(gè)雷克分支中的每個(gè)可編程脈沖發(fā)生器的每個(gè)脈沖序列的一個(gè)時(shí)序，以及一個(gè)加權(quán)控制器，用于調(diào)整每個(gè)雷克分支中的每個(gè)可調(diào)加權(quán)塊的權(quán)重。一個(gè)求和塊合并每個(gè)雷克分支的輸出，以恢復(fù)一個(gè)對應(yīng)于發(fā)射的無線電信號的信號。
文檔編號H04B1/69GK1698283SQ200480000308
公開日2005年11月16日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月1日
發(fā)明者安德烈亞斯·莫利斯克, 喬瓦尼·萬努奇, 張錦云 申請人:三菱電機(jī)株式會社