使用超宽带调频信号的超宽带无线发射机和接收机及方法

具体实施方式

以下将参考几个示例性实施例和附图对本发明进行详细的描述。

图3A是表示线性FM信号的波形包的视图，图3B是表示与图3A的波形包有关的匹配滤波器调制信号的视图。如图3A所示的线性FM信号的波形包具有随时间线性增加的频率特性，并当信号在接收机侧被接收并被解调时，信号波形通常具有如图3B中所示的图案。

线性频率信号具有相对较低的信号电平，对于发射UWB信号非常有效。由于线性频率信号在硬件方面很容易实现，因此也尤其经济。

线性调频(FM)信号具有沿时间轴线性变化的频率特性，能够单独用有效频带和脉冲宽度来定义。这意味着，如果使用相同的频带和相同的脉冲宽度，线性FM信号将彼此不能区分。

因此，为了通过使用线性FM信号来增加数据传输速率，还需要另一变量类型。另外，为了减小多径环境下的脉冲间干扰，必须减小共享类似频带的脉冲间的干扰。

图4是根据本发明的使用两个独立的线性FM信号来发射调制信号的UWB无线发射机的框图。

参考图4，根据本发明的UWB无线发射机包括：第一脉冲发生器410、第二脉冲发生器415、加法器420、脉冲整形器430、载波发生器435、控制器425、混频器440和发射单元445。

图6A和6B是表示同一频带中的两个独立线性FM信号的波形特性视图。图6A示出的线性FM信号是上升脉冲，具有随时间增加的频率特性。图6B示出的线性FM信号是下降脉冲，具有随时间减小的频率特性。

第一脉冲发生器410调制将被发射的数据并输出第一线性调制信号。如参考图6A如上所述，第一线性调制信号是一个具有随时间线性增加的频率特性的上升脉冲。也就是说，图6A的信号是具有正的(+)线性调制的线性FM波形包。这样一个如图6A所示的线性FM波行包可在时域由以下等式表示：

[等式1]

>

其中，“w(t)”是权重函数，“w_c”是中频，“B”是脉冲的带宽，“T”是脉冲出现的时间周期。

第二脉冲发生器415调制将被发射的数据并输出一个第二线性调制信号。如图6B所示，第二线性调制信号是一个下降脉冲，具有随时间线性减小的频率特性。也就是说，图6B示出的信号是一个具有负(-)线性调制的线性FM信号。这样一个如图6B所示的线性FM波形包可在时域内由以下等式表示：

[等式2]

>

其中，“w(t)”是权重函数，“w_c”是中频，“B”是脉冲的带宽，“T”是脉冲出现的时间周期。

由等式1和2所表示的每个线性频率波形包通过根据时间因子增加或减小频率而被互相分开。可以说每一线性频率波形包是通过在时间轴上不同地分配单频带而获得的。如上所述，“f_u(t)”是一个具有对于载波逐渐增加的频率特性的脉冲，而“f_d(t)”是一个具有逐渐减小的频率特性的脉冲。因为这两个线性FM波形包具有沿时间轴相对分布的矢量分量，虽然两个FM波形包共享同一频带，也几乎不存在干扰或相关。

加法器420将第一和第二线性调制信号相加。脉冲整形器430对从加法器420输出的信号进行整形。载波发生器435输出载波。混频器440混频从脉冲整形器430输出的信号和载波，以及发射单元445发射来自混频器440的信号。

同时，控制器425控制第一和第二脉冲发生器410，415及载波发生器435的操作。控制器425选择调频方法。也就是说，控制器425使用具有正(+)线性调制的线性频率波形包驱动第一脉冲发生器410或第二脉冲发生器415产生第一线性调制信号，或使用具有负(-)线性调制的线性频率波形包产生第二线性调制信号。或者，控制器425也可以同时驱动第一和第二脉冲发生器410和415同时产生第一和第二线性调制信号。

下文中，控制器425驱动第一脉冲发生器410输出第一脉冲调制信号的方式被称为“第一调制”，而控制器425驱动第二脉冲发生器410输出第二脉冲调制信号的方式被称为“第二调制”。控制器425同时驱动第一和第二脉冲发生器410、415输出第一和第二脉冲调制信号的方式被称为“第三调制”。

因为在第一和第二调制中，只有第一和第二脉冲发生器410、415中的一个被驱动，加法器420不操作。因此，脉冲整形器430整形第一调制信号或第二调制信号并输出整形后的信号至混频器440。第一和第二调制可以彼此独立地执行，或者沿时间轴以交替的顺序执行。

其间，加法器420以第三调制方式工作，将来自第一和第二脉冲发生器410和415的第一和第二线性调制信号相加，脉冲整形器430整形从加法器420输出的信号。

在确定发射方式的步骤中，控制器425可以考虑数据传输速率的增加/减小和多径特性而从第一、第二和第三调制中选择其一。控制器425也可以在时间轴上以交替的方式选择第一和第二调制。

图8是表示根据数据的增加沿时间轴改变的脉冲帧结构的变化的视图。

参考图8，根据本发明的UWB无线发射机沿时间轴在通过第一调制产生的第一调制信号的周期T之间插入通过第二调制产生的第二调制信号，以便增加数据传输速率。信号周期相应地减少“T/2”，但是第一和第二调制信号间的干扰减少了。结果，由于数据传输不受其它信号或多径信号的干扰的影响，每小时的数据传输速率能够增加两倍。

在不同的网络彼此间互相重叠的环境下，如多微微网中，各子频带互相重叠，因此需要频带下降。此时，通过切换频带的调制至第一或者第二调制，每一网络可以具有相反的调制方法，这样不需要频带下降，即使在共享频带中，系统也能够没有任何干扰的平滑运行。换句话说，图8示出了一个与另一微微网(微微网2)重叠的微微网(微微网1)。如果第一微微网工作在第一调制而第二微微网工作在第二调制，就不需要频带下降，两个微微网可以没有任何干扰的平滑运行。

图5是根据本发明的一个UWB无线接收机的框图。该接收机接收并解调通过使用两个独立的线性FM信号调制的信号。如图所示，根据本发明的UWB无线接收机包括：接收单元505、逆载波发生器510、混频器515、第一匹配滤波器525、第二匹配滤波器530、开关520、第一检测器535、第二检测器540、数据处理器545及控制器550。

接收单元505接收信号。逆载波发生器510产生一个逆载波以去除携带接收信号的载波。混频器515混频逆载波和接收信号以从接收信号中去除载波。

第一匹配滤波器525和第二匹配滤波器530滤波去除载波后的信号。第一和第二匹配滤波器525、530分别响应于第一和第二调制信号，也就是每一匹配滤波器强响应于相应信号而弱响应于另一信号。

图7是表示相应于两个独立的线性FM信号的匹配滤波器解调信号的视图。参考图7，当接收两个线性FM信号时，匹配滤波器强响应于相应线性FM信号，同时弱响应于另一很可能代表噪声的线性FM信号。由于使用了第一和第二匹配滤波器525、530，覆盖相同时域和频域的两种类型的脉冲在接收机侧能够被区分开。

通过控制器550的控制，开关520分别发送第一和第二调制信号至第一和第二匹配滤波器525、530。当仅收到第一调制信号时，第一匹配滤波器525工作，而当仅收到第二调制信号时，第二匹配滤波器530工作。

由第一匹配滤波器525滤波后的第一调制信号由第一检测器535进行检测，而由第二匹配滤波器530滤波后的第二调制信号由第二检测器540进行检测。检测的信号在数据处理器545处被处理。

同时，控制器550控制逆载波发生器510、开关520和数据处理器545的操作。控制器550根据所用频带的数目和脉冲产生之间的间隔，控制信号的接收，并控制接收信号的解调。控制器550确定接收信号的波形，并分析信号的调频方法。然后控制器550控制开关520，以使接收信号被传送到第一和第二匹配滤波器525、530中的相应匹配滤波器，或者使信号分别传送到第一和第二匹配滤波器525、530。

当接收到多频带信号时，控制器550控制UWB无线接收机通过使用上述的线性调制来区分和检测信号成分。

另外，在网络重叠如多微微网的环境下，由于子频带的重叠而需要频带下降时，控制器550通知相应的UWB无线发射机一个频带下降的请求，确定一种接收方法，并控制接收信号的解调。相应地，UWB无线发射机根据控制器550的操作切换其调制方法，并相应地调制和发射信号。

图9是表示根据本发明，发射两个独立的线性FM信号用于高速数据传输的UWB无线发射机的操作流程图。

参考图9，UWB无线发射机的控制器425首先确定用于无线发射机的信号发射方式(S910)。

如前所述，可以确定发射方式以使得由第二调制产生的第二调制信号沿时间轴被插入到由第一调制产生的第一调制信号的周期T之间，以便使数据传输速率增加两倍。或者，由于第一和第二调制信号不存在很多干扰，可以同时发射这两个调制信号。

同时，在由于子频带的重叠而通常需要频带下降的多微微网环境下，可以在第一和第二调制之间适当切换调制方法，这样当发射信号时就不需要频带下降。

UWB无线发射机的控制器425选择调制(S920)。控制器425基于在发射方法确定步骤S910中确定的发射方式并参考通信环境，在第一、第二或第三调制方法中选择调制方法。

UWB无线发射机根据所选择的调制方法调制将被发送的数据(S930)。相应地，第一和第二脉冲发生器410、415中的一个或两个可以用来调制该数据。当通过操作第一和第二脉冲发生器410、415来调制数据时，从其输出的第一和第二调制信号彼此相加。

然后，UWB无线发射机整形调制信号以满足发射方法(S940)，并混频整形后的信号和载波，然后发送信号(S950)。

图10是表示根据本发明，在多微微网络环境下发射两个独立的线性FM信号用于脉冲控制的UWB无线发射机的操作流程图。图11是表示根据本发明，在多微微网络环境下接收两个独立的线性FM信号用于脉冲控制的UWB无线接收机的操作流程图。

参考图10，根据本发明的UWB无线发射机确定发射信号的方式(S1010)。发射方法的确定可以根据传输环境和数据传输速率而进行。然后，该UWB无线发射机从相应无线设备如一个接收机接收信道特性(S1020)，并获得关于信道特性的必要信息。关于信道特性的信息可以包括关于无线接收机的频带下降的频带信息。

UWB无线发射机基于收到的信道特性信息，确定无线接收机处是否存在频带下降(S1030)。当确定没有频带下降时，该UWB无线发射机执行预定的调制方法并发射调制信号(S1050)。否则，即当确定有任何频带下降时，该UWB无线发射机切换调制方法(S1040)。

参考图11，根据本发明的UWB无线接收机首先确定接收数据的方式，然后接收数据(S1110)。该UWB无线接收机根据预定的接收方法解调接收信号，并通过从第一和第二匹配滤波器525、530中选择其一，或者通过同时操作第一和第二匹配滤波器525、530来执行滤波(S1120)。如果接收多个信号，该UWB无线接收机对于滤波后的信号执行相关(S1130)。在多微微网环境下，在同一频率接收同一调制类型的多个信号，相关性通常较高。

根据相关性来确定信道中是否存在任何干扰(S1140)。如果确定信道中存在干扰，该UWB接收机执行一个频带下降，通知正在通信的无线发射机关于频带下降的请求(S1160)。当确定不需要频带下降时，该UWB无线接收机通过解调处理接收的信号(S1150)。

根据本发明，所述的UWB无线发射机和接收机使用两个匹配滤波器，每一滤波器强响应于相应调制类型的特定信号，而弱响应于非相应调制类型的另一信号。结果，即使在脉冲间隔被减小时，数据传输速率也能够在没有任何脉冲间干扰的情况下被大大提高。

而且，即使在网络互相重叠并因此需要频带下降的多微微网环境下，因为网络分别使用不同的线性FM方法，干扰被减小，通信效率提高了。

尽管本发明是参照其特定的优选实施例来描述的，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。