CN101394643B - 发射和接收超宽带脉冲或脉冲序列的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发射和接收超宽带信号的方法，根据这种方法可以实现无线超宽带通讯、无线超宽带定位和超宽带目标探测雷达等应用***。在这种方法中，一个超宽带设备周期性的产生脉冲信号，在每个脉冲重复周期内，输出信号可以是一个正极性的脉冲(正脉冲)，也可以是一个负极性的脉冲(负脉冲)，还可以是一个没有变化的空信号(空信号)，超宽带设备控制输出信号在正脉冲、负脉冲和空信号之间切换的方法非常简单、易于实现，发射机可以输出任意变化的脉冲序列(正脉冲、负脉冲和空信号的排列次序、序列的长度)，用一个或多个确定的脉冲序列按确定的规律构成无线信息帧，在一个或多个发射机和一个或多个接收机之间实现通讯、定位和目标探测等功能。本发明给出了超宽带信号的产生方法，还给出了一种低成本和一种高性能的超宽带信号的接收方法。根据本发明给出的超宽带信号产生和接收的方法，***可以非常方便的改变(通过软件控制)超宽带信号的中心频率和信号带宽，因此可以满足不同领域的应用需求，多个收发机可以同时工作在相同的波段或不同的波段。

Description

发射和接收超宽带脉冲或脉冲序列的***和方法
技术领域
本发明一般涉及无线通讯***、无线定位***、目标探测雷达***等，诸如超宽带(Ultra Wide Band，UWB)***之类，包括移动收发机、集中式收发机及相关设备。具体地说，本发明涉及用超宽带脉冲序列信号在两个超宽带(UWB)无线收发器之间传输信息、在两个或更多的超宽带(UWB)无线收发器之间测量相对距离、以一个或多个超宽带(UWB)无线发射机发射信号同时以一个或多个超宽带(UWB)无线接收机接收信号来进行目标探测等技术。
背景技术
从1896年无线电技术问世以来，人们对无线通讯设备的需求和无线通讯技术的发展相互激励，无线通讯设备的性能不断提高，同时也对无线通讯技术提出了前所未有的高要求。1948年Claud SHANNON给出了无线通讯***性能的理论极限[1]，这就是众所周知的CHANNON定理或SHANNON公式：
C＝W*Log2(1+S/N)
公式1、SHANNON定理的表达式
在SHANNON定理的表达式(公式1)中，C表示理论上可以获得的无误差极限数据传输速率，C的单位是每秒比特(bits per second，bps)，W表示信号占用的频带宽度，W的单位是赫兹(Hetz，Hz)，S/N表示信号和噪声能量的比值(signalto noise ratio，SNR)。
SHANNON定理给出了无线通讯***性能的理论极限，此外如果用无线信号进行定位和目标探测，无线信号的频带宽度和***的时间分辨力成反比。无线***一般近似地分为窄带、宽带和超宽带等***，它们的定义表达式见公式2、公式3和公式4。
(fH-fL)/fM≤1％
公式2、窄带无线***的定义
1％≤(fH-fL)/fM≤25％
公式3、宽带无线***的定义
(fH-fL)/fM≤25％or(fH-fL)≥500MHz
公式4、超宽带无线***的定义
目前实用的无线***几乎全是窄带和宽带***，我们在这里希望的是提供一个基于脉冲或脉冲序列的超宽带无线收发***，可以进行无线数据通讯、无线定位、无线目标探测等操作，同时为了适应不同的应用需求、不同地区对信号频谱和发射功率的控制等要求，可以通过***的控制接口动态地配置这个***的信号中心频率、信号频带宽度和信号发射功率等参数。
附图说明
以下首先对本发明说明书的附图进行简单的介绍，然后再结合这些附图对本发明的各个实施范例进行介绍，说明本发明的原理和优点。在以下的附图和说明文字中，同样的数字标识符表示相同或功能类似的器件。
在以下的附图中：
图1为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带(UWB)收发机的***结构框图；
图2的虚线框内部分为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带发射射频前端(0012)的结构框图；
图3的虚线框内部分为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带信号发生器(0013)的结构框图；
图4的虚线框内部分是按照本发明的一个优选实例设计的超宽带信号控制器(0014)电路的框图；
图5的虚线框内部分为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带接收射频前端(0022)的结构框图；
图6的虚线框内部分为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带相关接收机(0023)的结构框图
图7为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带发射机的关键信号的时序和波形；
图8为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带接收机的关键信号的时序和波形；
图9为按照本发明的一个优选实例设计的超宽带接收机的相关接收电路；
图10为本发明的一个优选实例的1-2GHz频段的超宽带信号波形和频谱分布，脉冲宽度约为14.2ns，信号带宽约为320MHz；
图11为本发明的一个优选实例的3-5GHz频段的超宽带信号波形和频谱分布，脉冲宽度约为2.25ns，信号带宽约为1.75GHz；
图12为本发明的一个优选实例的6-10GHz频段的超宽带信号波形和频谱分布，脉冲宽度约为1.125ns，信号带宽约为3.5GHz；
具体实施方式
本发明主要涉及是超宽带信号产生的方法和接收预处理的方法。这里的超宽带信号是指周期性产生的脉冲信号，在每个周期内产生一个正极性的脉冲信号(正脉冲)或产生一个负极性的脉冲信号(负脉冲)或既不产生正脉冲也不产生负脉冲(空信号)，因此下面描述的超宽带信号产生方法就是产生正脉冲、负脉冲和空信号任意排列的脉冲序列的方法。接收预处理方法是指对接收到的脉冲超宽带信号进行处理，本发明给出了一种低成本的相关接收方法和一种高性能的相关接收方法，这些方法将射频脉冲超宽带信号转换成了数字基带信号，后续的基带处理器可以进一步进行处理，得到数据、定位和目标等信息。
图1为按照本发明的一个优选实施范例设计的超宽带(UWB)收发机***的结构框图。超宽带收发机由三个基本的部分组成，它们分别是发射机(0010)，接收机(0020)，信号处理(0030)。发射机由发射天线(0011)、发射射频前端电路(0012)、脉冲信号发生器(0013)和脉冲信号控制器(0014)等组成。接收机由接收天线(0021)、接收射频前端电路(0022)、相关积分接收机(0023)和参考信号发生器(0024)等组成。发射天线和接收天线可以是两个天线，也可以是同一个天线，由收发开关决定其处于发射或接收状态。信号处理电路主要由发射处理器(0032)、发射时标(0033)、接收处理器(0035)和接收时标(0036)等组成。
对于一个无线电***，发射信号的方式决定了***的基本结构，接收信号方式的变化范围及其有限，因此目前的各种无线天线***的物理层(PHY)标准或协议中都只给出发射信号的方式，接收信号的方式由***设计者自行决定，这足以保证不同厂家生产的设备之间的互通和互联。下面首先介绍本发明中的发射信号的方式，然后再介绍优化的接收信号的方式。
从***的上层传输来的需要发射的信息(0031)以信息帧(数据帧或时标帧)为单位，信息帧可以不间断连续发送，也可以间断定时或随机发送。数据帧既是传送的数据，也可以作为定时(测距)的时标，时标帧不含数据或少含数据，作为定时(测距)的时标。和其它无线通讯***一样，信息帧由帧头和帧体组成，均为数字电平信号，由发射处理器(0032)处理后(编码，包括纠错编码或(和)扩频编码或(和)调制编码等)转换为发射控制信号，这些发射控制信号必须包含是否发射脉冲序列、发射脉冲序列时在当前的脉冲重复周期T内发射脉冲信号的形式(正脉冲或负脉冲或空信号)等信息，控制信号被送往发射机去控制超宽带脉冲信号的发射。
脉冲信号控制器(0014，图4)在从发射处理器(0032)送来的发射控制信号和发射时标信号的控制下产生2*N+2个数字信号以及相应的状态信号，其中的2*N+1信号用来控制2*N+1加权数模转换器的输出极性，如果需要发射一个脉冲，这2*N+1个信号分别在当前时间X*T(X为任意正整数，表示当前发射的脉冲序列的脉冲序数)时间的(0，D，2*D，...，N*D，...，2*N*D)偏移处翻转输出极性一次，输出脉冲的极性由第2*N+2个信号控制决定，如果下一个发射的脉冲的极性和当前发射的脉冲的极性相同，这个信号就需要在当前脉冲发射结束后下一个脉冲发射开始前翻转输出极性一次(X*T+(2*N+1)*D是翻转输出极性的最佳时间)，如果当前发射的脉冲是空信号，全部信号均不需要翻转。脉冲信号的最小重复周期是Tmin＝(2*N+2)*D，产生上述的2*N+2个信号，需要周期大于Tmin，相邻延时为D的2*N+2个多项时钟信号，产生多项时钟信号的电路有移位寄存器(适用于低频***)、延时锁定环(Delay Lock Loop，适用于高频***)或其它方法。延时D决定了脉冲信号的中心频率(fM＝0.5/D)，D越大信号中心频率越低，D越小信号中心频率越高。N是一个正整数，最小值是1，N决定了脉冲信号的带宽(fH-fL)，N越大信号带宽越小，N越小信号带宽越大。
脉冲信号发生器(0013，图3)在从脉冲信号控制器(0014，图4)送来的数字信号控制下由2*N+1加权数模转换器的输出求和，产生正极性和负极***替的脉冲序列信号，正负交替脉冲信号由极性选择开关转换成任意的脉冲序列(正脉冲、负脉冲、空信号)。图7是一个优选实例的发射机的关键信号的时序和波形，在这个优选实例中，N为8，图7中信号(700，701，...，708，...，716)分别是2*8+1＝17个加权数模转换器的输出信号，信号(717)是加权求和产生的脉冲信号示意图。
图7中的信号(700，701，...，708，...，716)的幅度由选用的脉冲包络函数决定，脉冲的包络函数一般是一个钟型函数，归一化的脉冲包络函数的中心幅度值是1，中心向前或向后的幅度从1平滑的分别衰减到一个足够小量&，信号(700，701，...，708)的幅度从小量&平滑增加到1，信号(708，709，...，716)的幅度由1平滑衰减到小量&。脉冲包络函数可以是高斯函数，也可以是其它钟型的函数。
图10、图11和图12是采用高斯函数作为包络函数所生成的脉冲信号的波形及其频谱。产生图10所示信号的***参数为N＝19、D＝355ps，最小脉冲重复周期Tmin＝14.2ns，信号带宽约为320MHz。产生图11所示信号的***参数为N＝8、D＝125ps，最小脉冲重复周期Tmin＝2.25ns，信号带宽约为1.75GHz。产生图12所示信号的***参数为N＝8、D＝62.5ps，最小脉冲重复周期Tmin＝1.125ns，信号带宽约为3.5GHz。
发射射频前端电路(0012，图2)对脉冲信号发生器(0013)产生的超宽带脉冲信号进行数字控制可变功率放大(选择发射功率)，然后通过带通滤波器滤除带外噪声(降低对其它无线***的干扰)，最后信号由发射天线(0011)发射出去。本发明的超宽带收发机的参数N和D可以动态的变化，也就是说如果需要应用***可以根据需要动态的选择信号的中心频率和频带宽度，因此***可能需要射频电子开关选择带通滤波器和发射天线。
接收天线(0021)接收到的超宽带信号，首先被送往接收前端电路处理，接收天线可以是无源或有源天线，有源天线自带有低噪声放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)，使接收机可以工作在更低的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)情况下。天线接收到的信号需要由带通滤波器(0221)滤除带外干扰后进行进一步的处理，和发射机一样，接收机也可能需要采用射频电子开关选择不同的带通滤波器和接收天线。如果发射机和接收机共享带通滤波器和天线，还需要采用射频电子开关设置***执行发射或接收。
接收射频前端电路(0022)主要由3个部分组成，它们是带通滤波器(0221)及滤波器选择开关(0222)、低噪声放大器(0223，Low Noise Amplifier，LNA)和可变增益放大器(0224，Variable Gain Amplifier，VGA)。LNA的作用是降低***的噪声系数，提高***性能。VGA的作用是使后续电路的输入信号幅度总是尽可能地接近最大输入信号幅度，保持***的动态范围。
相关积分接收机(0023)是超宽带无线接收机的关键部件，采用四象限模拟乘法器将接收信号与本地产生的参考信号进行相关运算，是众所周知的方法，本发明的方法和其它方法的不同之处主要有两点：1、使用两个本地参考信号I和Q为一组进行相关积分，I和Q信号具有同样的波形，但是两个信号之间有D/2的延时；2、采用一组连续波或多组脉冲波作为本地参考信号进行相关积分，一组连续波参考信号是周期为D*2的方波或正弦波I和Q信号，一组脉冲波参考信号是加权延时为D、重复周期T＝D*(2*N+2)的脉冲I和Q信号，相邻两组脉冲波参考信号之间的延时是D，脉冲波I和Q信号可以是正极性和负极性脉冲交替的信号，也可以是经过极性选择开关选择后的全部是正极性或全部是负极性的脉冲信号。
图8是一个优选实例发射机关键信号的时序和波形，信号(717)是发射机发出的信号波形，信号(800)和(801)是一组连续波I和Q信号(图中只画出了方波，没有画出正弦波)，信号(802)和(803)是一组脉冲波I和Q信号(图中只画出了正、负极***替的脉冲信号，没有画出全部是正极性或负极性的脉冲信号)，每个接收机需要2*N+2组相邻组间延时为D的脉冲波参考信号。图9是本发明的一个优选实例设计的相关积分器电路。
采用一组连续波参考信号进行相关积分，接收机只需要2个相关积分器和2个模数转换器，其输出就是二相移相键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制的基带信号，对模数转换器(Analog to Digit Converter，ADC)的精度要求是约6比特，因此可以实现一个低成本的接收机，不足之处是其多径检测能力不如采用多组脉冲波参考信号的接收机。采用多组脉冲波参考信号进行相关积分，接收机需要2*(2*N+2)个相关积分器和2*(2*N+2)个模数转换器，对于fH/fL≈1.6的超宽带接收机***有N≤11，相关积分器和模数转换器的数目小于或等于48，对模数转换器的精度要求是约3比特，这样的接收机有很强的多径检测能力，***的开销也在可以接受的范围内。高性能的通讯接收机或目标探测接收机应该选择采用多组脉冲波作为参考信号进行相关积分。
如果选择连续波作为参考信号参考信号发生器(0024)可以用一个压控振荡器和一个90°移相器(正弦波移相器)或D/2延时器(方波移相器，例如延时锁定环)构成；如果选择脉冲波作为参考信号，参考信号发生器(0024)可以是和脉冲信号发生器(0013)一样的电路，参考信号是全正极性或全负极性或正、负极***替的脉冲信号，也可以是没有极性选择开关和尖峰消除电路的脉冲信号发生器，参考信号是正、负极***替的脉冲信号，***需要2*(2*N+2)个脉冲信号发生器。
接收处理器(0035)可以是任意形式的二相移相键控(BPSK)***的基带处理器，采用多组(也可以是一组)脉冲波参考信号时的特别之处是需要考虑选择不同的参考信号带来的对实现基带处理器的要求，脉冲参考信号有三种选择：1、全正极性脉冲参考信号；2、全负极性脉冲参考信号；3、正、负极***替脉冲参考信号。
参考文献
[1]C.E.SHANNON，“A Mathematical Theory of Communication”，Bell Syst.
Techm.J.，Vol 27，pp379-423，July1948，623-656，October1948.

Claims (19)

1.一种产生超宽带射频脉冲及序列的方法，包括：
a)      提供一个基准参考频率；
b)      根据基准参考频率和是否发射脉冲的要求产生原始的极性翻转信号；
c)      由原始的极性翻转信号产生多项相等延时的极性翻转信号；
d)      对多项相等延时的极性翻转信号进行相邻项正、负异符号加权求和，以产生相邻正、负异极性的超宽带脉冲，发射脉冲时不需要改变权值，只需要改变极性翻转信号的极性；
e)      根据发射脉冲的极性要求选择输出的超宽带脉冲的极性以产生任意的超宽带脉冲序列。
2.如权利要求1的方法，其中多项相等延时的极性翻转信号的加权后的幅度绝对值的变化规律由高斯函数（Gauss Function）决定。
3.如权利要求2的方法，其中多项相等延时的极性翻转信号的加权后的幅度绝对值的变化规律由其它形状类似于高斯函数的函数确定，函数的特征包括：函数值左右对称且平滑变化、最大值在中央、最小值在两端。
4.一种控制超宽带脉冲信号的中心频率和（或）带宽的方法，包括：
a) 可操作的基于权利要求1或2或3的方法产生超宽带射频脉冲及序列；
b) 可操作的采用移位寄存器或延时锁定环改变多项相等延时的极性翻转信号的延时差值D以改变超宽带脉冲信号中心频率；
c) 可操作的改变移位寄存器或延时锁定环产生多项相等延时的极性翻转信号的项数值2*N+2中的参数N以改变超宽带脉冲信号的带宽。
5.一种产生任意的超宽带射频脉冲及序列的方法，包括：
a) 可操作的基于权利要求1或2或3或4的方法产生相邻正、负异极性的超宽带脉冲及序列信号；
b) 可操作的采用使能控制在相邻正、负异极性的超宽带脉冲序列***无脉冲的“空”；
c) 可操作的采用极性选择开关将相邻正、负异极性的超宽带脉冲序列中的正脉冲变为负脉冲、负脉冲变为正脉冲。
6.一种超宽带射频脉冲及序列的信号发射装置，包括：
a) 发射基准参考频率信号源；
b) 可操作的发射处理器，基于发射的脉冲或脉冲序列，产生发射时标和发射脉冲的控制信号；
c) 可操作的脉冲信号控制器，产生2*N+2项相等延时的极性翻转信号、发射脉冲的使能控制信号、脉冲极性选择的控制信号，参数N可变；
d) 可操作的脉冲信号发生器，含多项相等延时的极性翻转信号的加权求和电路、脉冲信号的极性选择电路；
e) 可操作的发射机射频前端，含功率放大器、带通滤波器及选择开关。
7.一种超宽带脉冲射频信号的接收方法，包括：
a)      提供一个基准参考频率；
b)      基于基准参考频率产生一组或多组由两个波形相同但延时差为D/2或相位差为90度的信号组成的参考信号，D是产生脉冲的多项相等延时的极性翻转信号的延时差值；
c)      将一组或多组的参考信号分别与接收的射频信号进行相关运算并积分和（或）低通滤波后用于后续的处理。
8.如权利要求7的方法，采用一组连续的方波作为参考信号，两个参考信号的延时差是1/4信号周期，方波信号的周期为2*D。
9.如权利要求8的方法，采用一组连续的正弦波作为参考信号，两个参考信号的相位差是90度，正弦波信号的周期为2*D。
10.如权利要求7的方法，采用一组或多组相邻脉冲正、负异极性的超宽带脉冲序列作为参考信号，同组的参考信号的延时差是D/2，相邻组的参考信号的延时差是D，参考信号的脉冲重复周期为D*(2*N+2)，需要2*N+2组参考信号，2*N+2是产生脉冲的多项相等延时的极性翻转信号的项数。
11.如权利要求10的方法，采用一组或多组全是正极性或全是负极性的超宽带脉冲序列作为参考信号。
12.一种脉冲超宽带数据通讯装置，包括：
a) 可操作的如权利要求6的脉冲信号发射装置；
b) 接收基准参考频率信号源；
c) 可操作的接收机射频前端，含带通滤波器及选择开关、低噪声放大器、可变增益放大器；
d) 可操作的参考信号发生器，基于基准参考频率，产生一组或多组的参考信号，信号的波形是方波或正弦波或超宽带脉冲；
e) 可操作的相关积分器，实现参考信号和接收到的射频信号的相关积分；
f) 可操作的模数转换器和基带处理器，解调接收到的信息及时标。
13.一种脉冲超宽带测距和定位装置，包括：
a) 可操作的如权利要求6的脉冲信号发射装置；
b) 接收基准参考频率信号源；
c) 可操作的接收机射频前端，含带通滤波器及选择开关、低噪声放大器、可变增益放大器；
d) 可操作的参考信号发生器，基于基准参考频率，产生一组或多组的参考信号，信号的波形是方波或正弦波或超宽带脉冲；
e) 可操作的相关积分器，实现参考信号和接收到的射频信号的相关积分；
f) 可操作的模数转换器和基带处理器，解调接收到的信息及时标。
14.一种脉冲超宽带通讯***，包括：
a) 可操作的如权利要求12的脉冲超宽带数据通信装置；
b) 可操作的***控制接口。
15.一种多通道和（或）多频段的脉冲超宽带通讯***，包括：
a) 多个如权利要求14的脉冲超宽带通讯***；
b) 每个***分别工作在不同的频段或相同的频段。
16.一种单频段的脉冲超宽带测距和定位***，包括：
a) 可操作的如权利要求13的脉冲超宽带测距和定位装置；
b) 可操作的***控制接口。
17.一种多通道和（或）多频段的脉冲超宽带测距和定位***，包括：
a) 多个如权利要求16的单频段脉冲超宽带测距和定位***；
b) 每个***分别工作在不同的频段或相同的频段。
18.一种单频段的脉冲超宽带目标探测***，包括：
a) 可操作的如权利要求13的脉冲超宽带测距和定位装置；
b) 可操作的***控制接口。
19.一种多通道和（或）多频段的脉冲超宽带目标探测***，包括：
a) 多个如权利要求18的单频段脉冲超宽带目标探测***；
b) 每个***分别工作在不同的频段或相同的频段。
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