專利名稱：用于在無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制比特序列的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通信系統(tǒng)，尤其涉及在無線通信系統(tǒng)中使用的調(diào)制格式。
背景技術(shù)：
在美國，聯(lián)邦通信委員會(FCC)允許對無線通信系統(tǒng)的超寬帶(UWB)信號的限制性未經(jīng)許可的使用，“First Report and Order”，2002年2月14日。UWB信號必須處于從3.1到10.6GHz的頻率范圍內(nèi)，并且具有500MHz的最小帶寬。FCC規(guī)則(order)還限定了UWB信號的功率譜密度和峰值發(fā)射功率，例如，小于-43.1dBm/MHz。
UWB的一種調(diào)制方法使用極短的時間脈沖以生成具有大于500MHz帶寬的信號，例如，一秒鐘的1/1,000,000,000或更小，這對應(yīng)于大約300mm的波長。使用短脈沖的系統(tǒng)通常被稱作脈沖比(IR)系統(tǒng)。
如圖1A中所示，對無線通信系統(tǒng)可以使用四種不同的調(diào)制技術(shù)脈沖位置調(diào)制(PPM)11，脈沖幅度調(diào)制(PAM)12，開關(guān)鍵控(OOK)13，以及二相相移鍵控(BPSK)14。
作為一個優(yōu)點，UWB系統(tǒng)能夠獲得高的數(shù)據(jù)率，并且對由大處理增益導致的多徑損害有抵抗力。此外，基于IR的UWB技術(shù)的使用允許實現(xiàn)對外插作用(heterodyning)不需要本機振蕩器的低損耗、低占空比、低功率收發(fā)信機。由于UWB無線電設(shè)備主要是數(shù)字電路，它們能夠很容易集成在半導體芯片中。在UWB系統(tǒng)中，多個用戶能夠同時共享同一頻譜但彼此之間不會干擾，并且對于高速家庭和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及傳感器網(wǎng)絡(luò)是理想的。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，渴望實現(xiàn)多個并不昂貴的傳感設(shè)備之間的直接通信。IEEE 802.15.4a標準在2003年的“IEEE P802.15.4a WPANAlternate PHY-PAR”一文中為低功率、低數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡(luò)定義了具有從1Kbs到1Mbps的可伸縮數(shù)據(jù)率的通信的物理層。
通常，IR系統(tǒng)或者是時間跳變的(TH-IR)或者是發(fā)射參考的(TR-IR)。兩種系統(tǒng)都使用短持續(xù)時間脈沖，p(t)的序列。然而，TH-IR和TR-IR的調(diào)制和解調(diào)區(qū)別很大，使得TH-IR和TR-IR在同一網(wǎng)絡(luò)中不兼容。
TH-IR系統(tǒng)由M.Win和R.A.Scholtz在“Ultra-Wide Band WidthTime-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for WirelessMultiple-Access Communications”IEEE Trans，OnCommunications，Vol.48，No.4，April 2000，pp.679-691中描述。在TH-IR系統(tǒng)中，每個比特或符號用Nf個脈沖表示，此處Nf為正整數(shù)。傳輸該比特所花費的時間為Ts。這被稱為符號持續(xù)時間。時間Ts還被劃分為多個幀Tf，而這些幀又被劃分為多個通常對應(yīng)于脈沖持續(xù)時間的碼片Tc。如果Nc代表一幀內(nèi)碼片的數(shù)量且Nf代表一個符號中幀的數(shù)量，則Ts，Tf以及Tc的關(guān)系如下公式1Ts＝NfTf＝NfNcTc. (1)圖1B示出了對于一個現(xiàn)有技術(shù)TH-IR實例，即，波形110用于“0”比特，波形120用于“1”比特，脈沖104的符號時間Ts101、幀時間Tf102以及碼片時間tc103的關(guān)系。通常，根據(jù)“時間跳變”碼，脈沖在一幀內(nèi)的可用碼片之間被偽隨機間隔開，以使多用戶干涉的影響最小化。
如上所述，調(diào)制可以是二相相移鍵控。借助BPSK，每個比特b被表示為正1或負1，b∈{-1，1}。該發(fā)射信號具有以下形式公式2 此處cj表示TH碼的jth值，其在{0，1，...，Nc-1}的范圍內(nèi)，而b為ith調(diào)制符號。此外，表示為hi，j的任選序列能夠應(yīng)用于發(fā)射信號中的每個脈沖以便使發(fā)射信號的頻譜成形并減少譜線。序列hi，j被稱為具有+1或-1值的極性擾頻序列。為了在頻譜的成形中給出進一步的自由度，不同的幅度都是可能的。
圖2示出了傳統(tǒng)的相干TH-IR接收機200。接收機包括自動增益控制(AGC)單元210，它與連接到接收天線230的放大器220耦合。接收機還包括同步240，定時控制250，信道估算260，MMSE均衡器270，以及解碼器280單元。瑞克接收機指狀單元(finger)290輸入到加法器295。每個瑞克指狀單元都包括脈沖序列發(fā)生器、相關(guān)器和加權(quán)組合器。瑞克指狀單元減小了多徑干擾。由于UWB信號中多徑的密度，所需的瑞克指狀單元的數(shù)量可以很大以獲得合理的性能。加法器的輸出被均衡并解碼。典型的TH-IR接收機具有很大的復(fù)雜度。
TR-IR系統(tǒng)排除了對瑞克接收機的需求，見R.Hoctor和H.Tomlinson，“Delay-Hopped Transmitted-Reference RFCommunications”，IEEE Conference on Ultra Wide Band WidthSystems and Technologies，2002，pp.265-269。在TR-IR系統(tǒng)中，信息被編碼作為序列中連續(xù)脈沖的相位差。TR-IR系統(tǒng)中的每個符號都是時間跳變“成對”的序列或兩個連續(xù)脈沖的配對。通常，配對中的第一脈沖被稱為參考脈沖而第二脈沖被稱為數(shù)據(jù)脈沖。每個配對中的兩個脈沖使用固定的時間單位Td分開。能夠為一個信息比特發(fā)送多個配對。發(fā)射波形具有以下形式公式3 此處Tf，Tc，hi，j以及Nf與對于TH-IR的情況相同。
圖3示出了對于TH-IR實例，即波形310用于“0”比特而波形320用于“1”比特，脈沖304的符號時間Ts301、幀時間Tf302以及碼片時間Tc303的關(guān)系。
圖4示出了傳統(tǒng)的TR-IR接收機400，其比圖2的TH-IR接收機簡單得多。該接收機包括延遲器401，乘法器402，積分器403，取樣器407以及判決404單元。該接收機本質(zhì)上是將所接收的信號405與延遲版本406相關(guān)聯(lián)。顯然，TR-IR 400接收機不如TH-IR接收機200復(fù)雜。然而，降低的復(fù)雜度是以需要兩倍的脈沖數(shù)量，以及對參考脈沖需要標稱為3dB或更多的額外能量為代價的。
顯然，使用TH-IR或TR-IR調(diào)制的決定導致了不兼容的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，希望提供與TH-IR和TR-IR收發(fā)信機二者共同工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以在普通的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)成本、復(fù)雜度與性能的折衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在同一無線網(wǎng)絡(luò)中合并TH-IR與TR-IR收發(fā)信機的系統(tǒng)與方法。本發(fā)明還提供以使TH-IR與TR-IR接收機能夠調(diào)制同一信號的方式編碼信息比特的調(diào)制格式。此外，當使用TH-IR接收機時，該調(diào)制格式不經(jīng)受固有的3dB損耗。本發(fā)明能夠應(yīng)用于窄帶、寬帶以及超寬帶無線電系統(tǒng)。
更特別的，一種方法通過為每個當前比特產(chǎn)生一個波形對的參考波形和數(shù)據(jù)波形，所述參考波形例如是脈沖，所述數(shù)據(jù)波形例如是另一個脈沖，而在無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制一個比特序列。參考波形的相位依賴于前一調(diào)制的比特，而且參考波形與數(shù)據(jù)波形對之間的相位(極性)差依賴于當前比特。


圖1A為現(xiàn)有調(diào)制技術(shù)的時序圖；圖1B為現(xiàn)有技術(shù)TH-IR調(diào)制的時序圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)TH-IR接收機的框圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)TR-IR調(diào)制的時序圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)TR-IR接收機的框圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的混合IR發(fā)射機的框圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的維特比(Viterbi)解碼器的格子結(jié)構(gòu)圖；
圖7為根據(jù)本發(fā)明的混合IR接收機的框圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明的混合IR調(diào)制的示意圖。
具體實施例方式
我們的發(fā)明提供了一種使TH-IR與TR-IR收發(fā)信機二者能夠共存于同一無線網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)與方法。我們的想法基于我們對TR-IR系統(tǒng)將信息比特編碼作為參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間的相位差的觀察。此外，參考脈沖的極性對于TR-IR系統(tǒng)的正確操作無關(guān)緊要。
因此，我們編碼參考脈沖中的冗余信息以便TH-IR接收機能夠以提高的性能解碼該信息，同時維持所需的相位差或極性以便TR-IR也能夠解碼該信息。我們稱該調(diào)制為“混合IR”(H-IR)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的H-IR發(fā)射機500。該發(fā)射機包括用于輸入比特501的預(yù)處理器510。預(yù)處理器包括延遲器502和加法器503。加法器將每個輸入比特501加到該比特的延遲版本，并且其和被反相504。
該預(yù)處理根據(jù)兩個連續(xù)的信息比特生成一對調(diào)制比特。應(yīng)當指出，能夠?qū)γ總€信息比特使用多于一對的調(diào)制比特。在每個符號周期期間，該符號被調(diào)制511-512。該序列中的參考波形，例如，脈沖505，根據(jù)輸入比特501被BPSK調(diào)制511，而數(shù)據(jù)波形，例如，脈沖506，根據(jù)反相后的和被BSPK調(diào)制。根據(jù)跳變序列530和延遲Td531應(yīng)用波形發(fā)生器521-522，且結(jié)果被組合540。
發(fā)射信號，s(t)541，可以如下表示公式4 根據(jù)公式(4)的調(diào)制顯示，參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間的相位差與傳統(tǒng)的TR-IR系統(tǒng)相同。表A顯示了前一和當前比特的四種可能組合，參考及數(shù)據(jù)波形的對應(yīng)值，以及它們的相位差或極性。
表A 如果當前比特為0，則無論前一比特的值如何，參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間的相位差總是180°。如果當前比特為1，則相位差為0°。
應(yīng)當清楚的是，TR-IR接收機能夠根據(jù)本發(fā)明解調(diào)該信號。然而，該信號也能夠由性能提高的TH-IR接收機來解調(diào)。性能中的增益基于信息在參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖二者中都被編碼的事實。因此，TH-IR接收機能夠使用參考脈沖中的能量來對所發(fā)射比特的值做出判斷，見表A。在每個符號周期期間內(nèi)發(fā)送一個具有Nf/2個配對的序列。每幀內(nèi)的配對是作為一個脈沖序列描述的，每個都依賴于所發(fā)射的當前和前一比特而具有脈沖的極性。有四種可能的配對組合。
公式5s0(t)=-1*1NfEpp(t)+1*1NfEpp(t-Td)]]>s1(t)=-1*1NfEpp(t)-1*1NfEpp(t-Td)]]>s2(t)=1*1NfEpp(t)-1*1NfEpp(t-Td)]]>s3(t)=1*1NfEpp(t)+1*1NfEpp(t-Td)]]>(5)上述公式中的系數(shù) 歸一化所發(fā)射符號為單位能量，此處Ep為脈沖能量，而Nf為符號中的脈沖數(shù)量。注意這四個信號的集合可以使用兩個正交基礎(chǔ)函數(shù)Ψ0和Ψ1描述。我們選擇公式6ψ0(t)=1NfEpp(t)andψ1(t)=1NfEpp(t-Td)]]>作為基礎(chǔ)函數(shù)。那么，我們將這四個可能的配對表示為公式7s0(t)＝-1*ψ0(t)+1*ψ1(t)s1(t)＝-1*ψ0(t)-1*ψ1(t) (7)s2(t)＝1*ψ0(t)-1*ψ1(t)s3(t)＝1*ψ0(t)+1*ψ1(t)我們也可以將這些信號表示為向量公式8s0＝[-1 1]s1＝[-1 -1] (8)s2＝[1 -1]s3＝[1 1]因此，發(fā)射信號能夠如下描述。在每個符號周期期間內(nèi)，發(fā)射機發(fā)射一個具有Nf/2個配對的序列。四個可能的配對由公式(7)給出。這些配對可以是或可以不是時間跳變的并用極性碼編碼。
作為一個優(yōu)點，本發(fā)明為調(diào)制格式提供存儲器。具有存儲器的調(diào)制格式能夠用格子結(jié)構(gòu)圖表示。此外，由于使用了兩個基礎(chǔ)信號ψ0(t)和ψ1(t)來表示這些配對，發(fā)射信號現(xiàn)在是二維信號。
圖6示出了使用格子結(jié)構(gòu)的維特比解碼器的框圖600。格子結(jié)構(gòu)具有兩種狀態(tài)，其中狀態(tài)0601為前一0比特的值，而狀態(tài)1602為前一1比特的值。格子結(jié)構(gòu)的分支指示可能的轉(zhuǎn)移。分支用當前比特的值以及所發(fā)射的配對的向量表示來標注。例如，如果當前狀態(tài)為0并且要發(fā)射‘1’比特，則發(fā)生到狀態(tài)1的轉(zhuǎn)移，并發(fā)射配對s1＝[-1 -1]。
利用混合IR調(diào)制的這種解釋，我們看到可以使用相干TH-IR接收機來解調(diào)信號。我們的TH-IR接收機適用于根據(jù)本發(fā)明提供連續(xù)符號之間的符號波形和存儲器的二維描述。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的TH-IR接收機700。正如以前所述，我們使用瑞克結(jié)構(gòu)790。然而，現(xiàn)在瑞克指狀單元使進入的信號與兩個基礎(chǔ)脈沖，ψ0(t)和ψ1(t)的序列相關(guān)。每個指狀單元的輸出現(xiàn)在是2維向量701。指狀單元的輸出被相加710以對傳統(tǒng)的最大似然序列檢測器(MLSD)720生成軟輸入觀察702。MLSD檢測器通過格子結(jié)構(gòu)600為給定的觀察702的序列確定最可能的路徑。可以使用諸如維特比解碼的近似于MSDL檢測器的方法。
圖8顯示了符號、比特與調(diào)制波形之間的關(guān)系。要調(diào)制的序列801的6個符號標注為b0到b5，具有前一編碼符號‘0’。該示例序列中的符號為{0，1，1，0，0，1}802，它對應(yīng)于參考比特{-1，-1，+1，+1，-1，-1}803，和數(shù)據(jù)比特{+1，-1，+1，-1，+1，-1}804，以及具有參考與數(shù)字脈沖對806的波形805，此處“下降”脈沖編碼“-1”而“上升”脈沖編碼“+1”。
從圖8我們看到波形805具有早前描述的特性。特別是，每個配對806中參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間的相位差包含關(guān)于正發(fā)射的當前比特的信息。對于每個配對，當發(fā)射‘0’比特時相位差為180°，而當發(fā)射‘1’比特時為0°相位差。
此外，該配對的序列還包含關(guān)于參考脈沖的極性中前一比特的信息。同樣，這可以在圖8中見到，圖8中每個配對中的參考脈沖具有表明前一編碼的比特的值的+/-極性。就是說，如果前一比特為‘1’則為正極性，當前一比特為0則為負極性。應(yīng)當理解，這些極性都能夠反相以獲得同樣的結(jié)果。
如圖4和7分別所示，因此這個波形實現(xiàn)了相干及微分相干接收機二者在同一網(wǎng)絡(luò)中的使用。接收機的選擇能夠基于諸如所需性能、實施成本或希望的發(fā)射距離等的考慮。當使用多個配對來發(fā)射符號的情況下，結(jié)論是直截了當?shù)摹Ｔ谶@種情況下，每個配對被重復(fù)多次，而極性擾碼的代碼能夠用于改善波形的頻譜特性。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制格式能夠由相干瑞克TH-IR和差分相干TR-IR接收機解調(diào)。由于信息還在參考波形中被編碼，根據(jù)本發(fā)明的TH-IR接收機具有超過現(xiàn)有技術(shù)TH-IR接收機的改進性能。
盡管示例信號是用于UWB系統(tǒng)，應(yīng)當理解本發(fā)明還能夠用于窄帶無線通信系統(tǒng)，以及使用除脈沖、CDMA、FSK和PSK調(diào)制以外的波形的UWB系統(tǒng)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例的示例方式進行了描述，應(yīng)當理解的是，可以在本發(fā)明的精神與范圍之內(nèi)做出各種其他的調(diào)整和修正。從而，所附權(quán)利要求書的目的在于覆蓋落入本發(fā)明的精神與范圍之內(nèi)的所有這種變更及修正。
權(quán)利要求
1.一種用于在無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制比特序列的方法，包括為每個當前比特生成波形對的參考波形，其中所述參考波形的相位依賴于前一比特；和為所述當前比特生成所述波形對的數(shù)據(jù)波形，其中所述波形對中的參考波形與數(shù)據(jù)波形之間的相位差依賴于所述當前比特。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括如果所述前一比特為0并且所述當前比特為0，則所述參考波形的極性為-1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；如果所述前一比特為0而所述當前比特為1，則所述參考波形的極性為-1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；如果所述前一比特為1而所述當前比特為0，則所述參考波形的極性為1，而所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；以及如果所述前一比特為1并且所述當前比特為1，則所述參考波形的極性為1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對應(yīng)于所述比特序列的所述波形對的參考波形與數(shù)據(jù)波形由所述無線通信網(wǎng)絡(luò)中的時間跳變脈沖無線電接收機和發(fā)射參考脈沖無線電接收機接收并被正確解碼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述波形由二相相移鍵控產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中為每個比特產(chǎn)生多個波形對。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對應(yīng)于比特bi的波形對的發(fā)射信號s(t)被如下表示 其中，Nf為2，發(fā)射該比特的時間為符號持續(xù)時間Ts，p為脈沖，所述符號持續(xù)時間具有多個幀Tf，每個幀具有多個碼片Tc，每個碼片對應(yīng)于一個脈沖持續(xù)時間，Nc為每幀中碼片的數(shù)量，并且Ts＝NfTf＝NfNcTc，而且每個比特bi用正1或負1表示，b∈{-1，1}，并且其中cj表示一個代碼在范圍{0，1，...，Nc-1}內(nèi)的jth值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述參考波形與所述數(shù)據(jù)波形受到具有+1和-1值的極性擾碼序列的支配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括如果所述當前比特為0，則無論所述前一比特的值如何，所述參考波形與所述數(shù)據(jù)波形之間的相位差總是180°；并且如果所述當前比特為1，則所述相位差為0°。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中使用相干接收機以及序列檢測器解碼所述接收的波形對。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述序列檢測器為維特比(Viterbi)解碼器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述序列解碼器為最大似然序列檢測器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每個波形都是一個脈沖。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述無線通信網(wǎng)絡(luò)使用超寬帶波形。
14.一種用于在無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制比特序列的系統(tǒng)，包括用于為每個當前比特生成波形對的參考波形的裝置，其中所述參考波形的相位依賴于前一調(diào)制的比特；和用于為所述當前比特生成所述波形對的數(shù)據(jù)波形的裝置，其中所述波形對中的參考波形與數(shù)據(jù)波形之間的相位差依賴于所述當前比特。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括如果所述前一比特為0并且所述當前比特為0，則所述參考波形的極性為-1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；如果所述前一比特為0而所述當前比特為1，則所述參考波形的極性為-1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；如果所述前一比特為1而所述當前比特為0，則所述參考波形的極性為1，而所述數(shù)據(jù)波形的相位為-1；以及如果所述前一比特為1并且所述當前比特為1，則所述參考波形的極性為1，并且所述數(shù)據(jù)波形的相位為1。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括用于接收所述波形對的參考波形與數(shù)據(jù)波形的時間跳變脈沖無線電接收機；和用于接收所述波形對的參考波形與數(shù)據(jù)波形的發(fā)射參考脈沖無線電接收機。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述波形由二相相移鍵控產(chǎn)生。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述無線通信網(wǎng)絡(luò)使用超寬帶信令。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包括用于產(chǎn)生所述波形的發(fā)射機，所述發(fā)射機還包括用于接收所述比特序列的延遲器；用于接收每個當前比特與每個前一比特并生成和的加法器；用于反相所述和的反相器；連接到所述延遲器的第一調(diào)制器和波形發(fā)生器；以及連接到所述反相器的第二調(diào)制器和波形發(fā)生器。
全文摘要
一種系統(tǒng)合并TH－IR與TR－IR收發(fā)信機到同一無線網(wǎng)絡(luò)中。發(fā)射機通過為每個當前比特生成波形對的參考波形和數(shù)據(jù)波形，在無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)制一個比特序列。所述參考波形的相位依賴于前一調(diào)制的比特，而參考波形和數(shù)據(jù)波形對之間的相位差依賴于當前比特。
文檔編號H04B1/69GK1969467SQ200580020309
公開日2007年5月23日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者飛利浦·奧利克, 安德列斯·F.·莫利什, 桑迪普·埃杜多德拉 申請人:三菱電機株式會社