CN1720672A - 通信方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到超宽带(UWB)通信，尤其是用于执行这种通信的方法和设备。在此描述的是在建筑物中分配超宽频带(UWB)通信信号的方法，该方法包括：产生UWB信号，并将UWB信号耦合到建筑物的市电电源电路的至少一个导电线上，以便分配UWB信号。这有利于实现降低干扰的UWB网络。

Description

通信方法和设备

技术领域

本发明通常涉及超宽带(UWB)通信，尤其是用于进行这种通信的方法和设备。

背景技术

UWB通信技术从雷达及其它军事应用发展而来，而开拓工作是由G.F.Ross博士实现的，如美国专利US 3728632中所描写。超宽带通信***采用具有较短上升与下降时间的非常窄的电磁辐射脉冲(脉冲)，结果形成具有非常宽带宽的频谱。一些***采用利用这种脉冲进行天线的直接激励，然后根据天线特征脉冲或者阶跃响应(取决于激励)进行辐射。因为导致射频的发射没有任何明确的载波频率，所以这种***被称为“无载波”。然而，其它的UWB***发射一个或者几个周期的高频载波，因此，尽管信号带宽较宽，也可以确定有意义的中心频率与/或相位。美国联邦电讯委员会(FCC)将UWB定义为至少为中心(或平均)频率的25％处的-10dB带宽，或者至少1.5GHz的带宽；美国国防高级研究项目管理局(USDARPA)的定义与上面相类似，但是归于在-20dB的带宽。这种形式的定义是有效的而且清楚地区分了UWB***与常规的窄带和宽带***，但是，在这个详细说明中描述的技术不局限于落在这个精确定义范围内的一些***，而且可以采用与使用非常短电磁辐射脉冲的类似***。

UWB通信***与常规***相比具有许多优点。概括地讲，非常宽的带宽有利于非常高的数据速率的通信，而且因为采用辐射脉冲，所以即使每个脉冲功率可能相对较大，但是平均发射功率(以及功率消耗)可以保持较低。还有，因为每个脉冲的功率遍布在较宽的带宽上，所以每单位频率的功率可以是非常低的，因此在军事应用方面，允许UWB***与其它的频谱的用户共存，并提供较低的截获概率。因为多重反射通常是可以解决的，所以短脉冲也使UWB通信***相对地不易受多径效应的影响。最后，UWB***使它们本身实际上适用于全部-数字实现，其具有节约成本及其它优点。

图1a显示一个典型的UWB无线电收发机100。它包括一个发射/接收天线102，发射/接收天线102具有用带通滤波器(BPF)104表示的特征脉冲响应(虽然在有些情况下，可以明确地包含有带通滤波器)，并连接到发射/接收开关106。

发射链路包括可由基带发射数据输入110调制的脉冲发生器108，和天线驱动装置112。因为通常仅仅需要较小的输出电压幅度，所以可以省略驱动器。一般可以采用许多调制技术中的一种，既可以是OOK(振幅键控，即，发射或不发射脉冲)、多元(M-ary)振幅键控(脉冲幅度调制)、或者是PPM(脉冲位置调制，即，抖动脉冲位置)。通常，发射的脉冲具有＜1ns的持续时间，而且可以具有千兆赫级的带宽。

接收链路通常包括低噪声放大器(LNA)和自动增益控制(AGC)级114，后面是相关器或者匹配滤波器(MF)116，与接收的脉冲形状相匹配，以至于当具有正确(相匹配)脉冲波形的射频(rf)能量出现时它输出脉冲。MF116的输出通常由模拟-数字变换器(ADC)118进行数字化，然后提供给可变增益(基于数字或软件的)门限电路120，MF 116的输出包含所接收的数据。技术熟练的人将明白，也可以采用前向纠错(FEC)，例如分组纠错编码及其它的基带处理，但是这些技术是众所周知和通用的，因此为了清楚省略掉这些描述。

图1b显示一个基于载波的UWB发射机122的例子，更详细的内容描写在美国专利US 6,026,125中(因此结合参考)。这种形式的发射机允许UWB发射的中心频率和带宽可以控制，因为它是基于载波的，所以象振幅和位置调制一样能够利用频率和相位。因此，可以采用例如QAM(正交调幅)或者M-ary PSK(多元相移键控)。

参照图1b，振荡器124产生高频载波，高频载波由实际上起到高速开关效果的混频器126选通。到混频器的第二个输入是由脉冲发生器128提供，并由带通滤波器130(任选的)滤波。滤波脉冲的振幅确定混频二极管正向偏置的时间，因此在混频器的输出确定UWB信号的有效脉冲宽度和带宽。UWB信号的带宽同样也是由滤波器130来确定。UWB信号的中心频率和瞬时相位由振荡器124确定，而且可以由数据输入132来调制。在美国专利US 6,026,125中描述了具有1.5GHz中心频率和400MHz带宽的发射机的例子。脉冲对脉冲的相干性可以通过将脉冲发生器相位锁定到振荡器而获得。

混频器126的输出由带通滤波器134处理以便滤去带外频率和不期望的混频分量，通过数字控制的射频(rf)衰减器136选择性地衰减以便提供附加的幅度调制，然后传送到宽带功率放大器138，例如MMIC(单片微波集成电路)，并且传输给天线140。功率放大器可以与来自发生器128的脉冲同步地控制接通/断开，以便减少功率消耗，如美国US6026125中所描写。

图1c显示与图1b类似的发射机，其中同样的元件用同样的参考编号。概括地讲，图1c的发射机是图1b中发射机振荡器频率已经调到零的一个特例。图1b中振荡器124的输出实际上是直流电平，其用来保持混频器126总是接通，所以省略这些元件(以及脉冲发生器或者调制它的输出)。

图1d显示基于-载波的替换UWB发射机142，也描述在美国专利US6,026,125中。此外，与图1b中相同的元件用同样的参考数字显示。

在图1d的结构中，时间选通电路144在定时信号146控制下选通振荡器124的输出。这个定时信号的脉冲宽度确定了瞬时的UWB信号的带宽。因此，发射信号UWB的带宽可以是通过调整这个脉冲的宽度来调整。

适合于图1b到1d中使用UWB发射机的超宽带接收机描述在美国专利US 5,901,172中。这些接收机使用基于-隧道二极管的检波器，以便通过降低其相对于带内干扰的脆弱性，从而使单脉冲能以高速率(每秒几百万位)检测。概括地讲，隧道二极管在激活与非激活方式之间转换，在它的非激活期间保存在二极管的电荷被放电。实际上，隧道二极管起到定时选通匹配滤波器的作用，而且相关操作与输入脉冲同步。

图1e显示已知UWB发射机148的另一个例子，关于例子的描述如在美国专利US 6,304,623中(在此结合参考)。在图1e中，脉冲发生器150产生射频脉冲，它在由精确定时信号发生器156提供的定时信号154控制下通过天线152发射，定时信号发生器本身由稳定时基158控制。编码发生器160接收来自定时信号发生器的基准时钟，并且向定时信号发生器提供伪随机时间偏移指令给，用于抖动调谐发射脉冲的位置。这具有扩展和平整梳-状频谱的效果，否则将由常规脉冲、窄脉冲来产生(在一些***中，为了类似的效果可以采用幅度调制)。

图1f显示一种相应的接收机162，也描述在美国专利US6,304,623中。它使用类似的定时信号发生器164、时基166和编码发生器168(产生相同的伪随机序列)，但是时基166是通过跟踪环路滤波器170锁定在接收信号。定时信号发生器164的定时信号输出驱动样板产生器172，它输出一个与通过接收天线174接收的发射UWB信号相配的样板信号。相关器/采样器176和累加器178对接收信号采样并且使其与样板相关，在相关器的孔径时间上积分以便产生一个输出，该输出是由检波器180在积分周期的尾部与参考信号进行比较，确定已经接收一个还是零个。

图1g显示采用扩频技术的已知UWB无线电收发机182，因而易于UWB通信***的共同存在，而且易于家庭住宅内UWB网络的非计划调配。图1g的无线电收发机更详细地描述在美国专利US 6,400,754中，因此其内容可以明确地结合参考。

在图1g中，接收天线184和低噪声放大器186提供一个输入给时间积分相关器188。到相关器的第二输入是由产生扩频通信类型编码(例如Kasami码)的编码序列发生器190提供，即Kasami码是来自具有不低的互相关系数的编码族中的一种具有高自相关系数的编码。在美国专利US6400754中，相关器188将模拟输入信号与参考编码相乘，并且在编码序列周期上积分，并且是一匹配滤波器，其具有表示输入信号和参考编码的不同时间排列的多个相位。相关器的输出由模拟-数字转换器192数字化，通过具有存储器198的处理器196控制，模拟数字转换器192将输出提供给总线，编码序列发生器190由晶体振荡器驱动群200驱动，发射天线驱动器202接收来自总线194的数据，该数据与来自编码序列产生器190的编码序列相乘，并且从发射天线204发射出去。

在双重脉冲接收和发射的操作编码序列中，在一个实施例中每位(比特)包含10ns码片的一个1023码片序列，因此具有10μs的持续时间。这就提供了30dB的处理增益，并且减少了彼此之间没有精确同步的网络节点群之间的干扰。在采用相同的CDMA(码分多址)编码簇内，采用时分多址(TDMA)。本领域技术熟练的人将认识到为了高比特率可以采用较短的扩展序列与/或高速时钟。

在美国专利US6400754中描述的无线电收发机使用改进的独立频率电流方式屏蔽环形天线(如美国专利US 4,506,267中描述的)，其包含平面矩形导体极板。这种天线被认为是大电流辐射体(LCR)天线，而且当由电流驱动时它在极板的表面上向外辐射。

图1h显示适合于这种LCR发射天线208的驱动电路206。该天线是通过包含四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)210的H电桥来驱动，该MOS晶体管由左(L)和右(R)控制线212、214来控制。借助于触发线路214的“高”然后“低”，同时保持线路214“低”，发射第一极性的双重脉冲(就是说一对相反极性的脉冲)，和借助于触发线路212的“高”然后“低”，同时保持线路214“低”，发射相反极性的双重脉冲。天线只有当通过它的电流变化时才辐射，而且在每次转换时发射单个的高斯(gaussain)脉冲。

图2a到2h显示UWB波形的例子。图2a显示UWB脉冲发射机的典型输出波形，而图2b显示图2a波形的功率谱。图2c显示一种波形-式样的脉冲(当其缩短时就变成单周期)，例如可以从图1b到1d中发射机之一辐射出。图2d显示图2c的功率谱。图2e显示一个双重脉冲而图2f是图2e双重脉冲的功率谱。可见图2f的频谱包含具有间隔(在频率上)的梳状频谱，它由双重脉冲的间距(在时间上)来确定，而总带宽由每个脉冲的宽度来确定。还可以从图2e和2f中知道抖动的脉冲位置将趋向于减少梳状频谱中的零值。图2g显示关于逻辑0与逻辑1的基本双重脉冲波形的例子。图2h显示TDMA UWB发射的例子，例如可以是从图1g的无线电收发机发射出，其中CDMA-编码数据的脉冲串借助于非发射周期来分离，以便允许其它装置访问。

超宽带潜在地为无线本地网络提供有意义的优点，尤其对音频与视频娱乐装置的宽带联网。然而UWB通信的宽带宽是引起关注的原因，尤其是涉及到可能干扰GPS(全球定位***)和航空电子设备***。由于这个原因，虽然UWB最近已经由美国联邦通信委员会批准使用，但是仅仅准许在非常低的功率和有限带宽(3.1到10.6GHz)上工作。因此，需要一些在低功率上易于UWB通信的方法和装置，尤其在房屋内。

发明内容

根据本发明的第一方面，这里提供一种在建筑物中分配超宽频带(UWB)通信信号的方法，该方法包括产生UWB信号；将UWB信号耦合到建筑物的市电电源电路的至少一根导电线上，以便分配UWB信号。

在建筑物诸如家庭住所(例如住宅或者公寓)的市电电源上分配UWB信号，并且可能使UWB通信范围增加与/或所期望范围内的功率降低。此外，因为UWB信号的传送穿越建筑墙比较差，所以该方法可能利用较高的平均UWB辐射功率，而不会相应地增加引起干扰的风险。

可以采用单一的UWB发射机，例如在进入该建筑物的市电电源入口点，但是该方法最好包括由多个UWB发射机产生多个UWB信号，并且将这些信号耦合到该建筑物内不同点的市电电源上。此外更可取的是在至少一组UWB信号之间建立公共的定时，例如在房屋内全部发射机之间。这有助于减少干扰和易于多路通信技术比如TDMA。可以利用市电电源作为共享传输媒介建立在该建筑物内的全部发射机之间的公共或者一致的时钟，或者可以利用公共或者一致的时钟来建立发射机的分组，而利用CDMA技术可以减少这种分组之间的干扰。(应该知道，建立公共的时间不要求发射机同时发射脉冲)

附带地或者可替换地，为了建立公共的定时可以采用存储转发节点，以致可以在一系列转发中将数据从一个无线电收发机传送到另一个无线电收发机。配备有存储器的多个发射机和接收机可以设置作为存储转发节点的网格。

可以与一个或多个导电线耦合的电容耦合的方式，将UWB信号耦合到市电电源上，例如耦合到火线与/或中线上。在一些具有导线接地连接到市电电源插座的建筑物中，接地线可以附加或替代地用于分配UWB信号，其取决于所关心频率点处对地的接地连接的阻抗。在某些实施例中，UWB信号可以在市电电源电路的两个导线上差动地驱动，以及/或可以采用单端的或差动电流驱动。

可以调节一个或多个UWB信号的中心频率和带宽，以便抑制来自该建筑物中连接到市电电源的其它装置(例如电动机)的干扰。此外，也可以改变UWB脉冲的定时，以便减小UWB信号易受干扰的弱点。如果必要可以采用类似的技术，以便减少由UWB信号或者某些信号所引起的干扰。

在另一个方面，本发明提供一种利用以上描述方法而构成的数据通信网络，例如分组数据通信网络。

本发明另外提供用于分配穿越建筑的超宽带(UWB)通信信号的装置，该装置包括用于产生UWB信号的装置；和将UWB信号耦合到建筑物市电电源的至少一个导电线上以便分配UWB信号的装置。

上面所描述装置可以合并到用户的电子装置，尤其是电力网供电的用户电子装置。

附图说明

现在将参考附图通过举例更进一步描述本发明的这些和其它方面，其中：

图1a到1h分别示出了典型的UWB无线电收发机、基于已知载波的UWB发射机的第一个例子、第一例子发射机的变型、基于已知载波的UWB发射机的第二个例子、已知UWB发射机的第三个例子、关于第三个例子发射机的接收机、采用扩频技术的已知UWB无线电收发机，以及适合于大电流辐射天线的驱动电路；

图2a到2h显示UWB波形的例子。

图3a到3c分别显示UWB家庭无线网络，基于UWB家庭网络的环形市电电源，和变化的市电电源导线分布结构；和

图4a到4f显示用于将UWB发射机连接到市电电源导线的可供选择方案。

具体实施方式

现在参考图3a，其显示一个采用市电电源导线作为传输介质的UWB家庭无线网络300。房屋302具有入室的市电电源304，它经由熔断器盒306连接到一个环路或者基于分支线的市电电源配电线路308，与多个市电电源插座310连接。一个或多个用户电子装置(CED)分别***到每个插座，在图解说明的例子中它们包括机顶盒(STB)312、DVD(数字化视频光盘)播放器314、电视或者电脑监视器316、便携式计算机318、打印机320、音频***322和卫星接收机324等。这些装置的一个或多个都可以安装有UWB发射机、接收机，或者无线电收发机，用于与其它装置或与连接到熔断器盒306的控制器326通信。这些UWB装置是在控制器326的控制下经过电源插座310和熔断器盒306射频耦合到市电电源电路308。也可以选择采用其他的耦合，比如控制器326的耦合328。熔断器盒306可以与UWB滤波器合并，以便减少外部干扰和限制住宅302UWB传输的出口。

自由空间传输功率随距离按-2的幂下降，但是穿墙传输一般下降得较快，具有-3与-4之间的指数。连接用户电子器件的UWB发射机到市电电源电路，通过提供改进的传播有易于这些装置之间基于UWB的联网，例如在被墙隔开的装置之间。例如，在市电电源布线中可以获得大于10米的UWB传播范围。

UWB通信的使用特别易于高比特率数据的连接，比如音频数据，尤其是视频数据连接。诸如个人数字助理(PDA)330和摄像机332这类不直接地与市电电源电路308连接的装置也可以通过蓝牙连接334与由市电电源供电的并且允许使用UWB的装置通讯，例如音频***322，从而获得对易于市电电源电缆耦合的UWB发射机与/或接收设备的接入访问。

现在参考图3b，这显示的是一个基于UWB家庭网络340的环形市电电源的例子，其中与图3a中相同的部件用同样的参考数字表示。

在图3b中，示出了两个市电电源用户电子装置342和344，每个电子装置具有连接到其内部电源单元的电源输入，内部电源单元用于提供内部直流电源给该装置的部件，而且还通过耦合装置348提供给连接到电源输入的UWB无线电收发机346。控制器326是类似的，而且其包括市电电源驱动的电源350和网络控制器352，以便控制时间与/或频率域访问部分或整个网络的无线电收发机346的发射机。

电池供电的用户电子装置354包括UWB接收机356，和可选择的UWB发射机(没有显示)。装置354可以接收从市电电源线路发射的UWB信号，而且因为它短少直接访问易于UWB信号传播的市电电源导线，所以它可以经过中间媒介，比如装置342、344中的一个或控制器326传送。可替代地，来自装置354的UWB传输也可以无线地耦合到市电电源导线中。

图3c显示也可以应用所描述技术的一种可选择的市电电源分布导线结构。在图3c中与图3b和3a同样的元件用同样的参考数字表示。

图4a到4f显示用于连接UWB发射机到市电电源导线的可供选择的方案。

参照图4a，市电电源导线通常包括分别用于火线和中线接线的一对导线400、402，可选择第三根导线404提供地线连接。通常提供给发射天线的UWB发射机的输出406可以代替地经过耦合电容器408连接到火线400和中线402两者或之一。图4b图解说明经过一对电容器408耦合到火线和中线两者。例如，线路406可以包括图1b、1c或1d中发射机的功率放大器138的输出。耦合电容器408被选择为在市电电源频率处具有高阻抗，而在UWB传输使用的相对较高频率处具有低阻抗，就是说，例如在50Hz附近相对高阻抗而在上述的1GHz具有低阻抗。可以采用具有所述1nF的分立元件，但是实际上，电容器408不必是集成元件而可以简单地包含耦合导线410与一个或多个市电电源导线之间的电容，如图4c所示。可替换地，具有能提供差动电压或者电流输出414a、414b的输出放大器412的UWB发射机可以采用如图4d所示的一对耦合电容器408a、408b。在某种程度上，市电电源的导线作为漏泄传输线，特别是扭绞的导线，因而射频能量趋向于沿着导线之间的空间传输，虽然导线周围的泄漏也提供相对增加的能量但是将电磁场限制在局部范围内。

图4e显示用于将UWB传输耦合到一对市电电源导线的另一可替换的结构，其基于在美国专利US 6,400,754中所描写以图1h的电路，在此结合这个电路以供参考。在图4e中，场效应晶体管210提供的“H型驱动”经过耦合电容器408施加到火线和中线400、402，以便提供电流驱动给市电电源导线。电流流过电容器408和市电电源导线400、402以及经由用户电子装置416(插头***市电电源)形成一个电路。大家应该知道，因为双重电容器408的存在，所以电流将只在控制线212、214的一根或另外一根改变状态的转换期间流过，但是因为低压缩比(LCR)天线208，如先前所描述仅仅在这样的转换期间辐射，所以实际上这也许不是有效的限制。

图4f显示用于将UWB传输耦合到市电电源导线的可以采用的另一替代方案，这里有导线接地的电路或者连接。在图4f举例说明中，市电电源导线404终止在接地钉418或者其它接地连接，例如冷水管。为了实现连接到市电电源UWB发射机导线与地之间的绝缘程度，射频扼流圈420可以包含在直接地靠近实际较低的地连接418的接地电路。在有多个这种直接接地连接的情况下，射频扼流圈可以与相邻的每个接地串联连接。射频扼流圈应该被选择为在以UWB发射机带宽内的频率传输时具有高阻抗，但是在较低频率具有低阻抗。尤其是在市电电源频率例如50Hz或者60Hz时。实际上，用相对硬的接地线在其到引入地的导线的连接点处绕几圈可能就足够了。

可以采用许多已知技术的一种或多种，以便减小UWB网络对出现的市电电源导线上噪音的敏感度。例如，可以选择适应性地改变UWB传输频率与/或带宽，例如通过在传输之前脉冲整形。例如，可以调节中心频率/带宽以便将UWB传输从具有较高干扰程度的频率处移开。此外或者作为替代，可以调整脉冲定时(间隔与/或工作周期)，以至于使梳状频谱中的零值与来自干扰信号的峰值功率相符合。在必要的情况下，为了额外的处理增益可以采用结合相干脉冲(即，预先-检测)，甚至结合后-检测。同时也可以采用有关的时间相关技术或者其它抗干扰技术，例如发送数据的CDMA编码。

无疑许多其它有效替换方案将被技术熟练的人想到。例如，上面描述的技术不局限于家居建筑的应用，也可以在办公用房和工业建筑物中采用。同样地，虽然这些技术已经参考通常在家用建筑中可以见到的单相电源进行了描述，但是相应的技术也可以在工业应用中常见的三相电路中采用。

在以上描述方法和装置的替换方案中，基于市电电源电缆的UWB信号分配可以由以替换的住宅线路***为基础的UWB信号分配来替换(或者补充)。因此，代替(或者附加)市电电源的一根或者两根导电线，也可以采用计算机联网电缆的一根或者两根导线(例如Cat 5电缆)，或者电话电缆的一根或者两根导线，用于分配UWB信号。由于已经提到原因，所以低功率超宽带的信号脉冲特性降低了对于在这些电缆上传送的信号产生干扰的可能性。

应该明白，本发明并不局限于所描述的这些实施例，而是包含那些在附加的权利要求的精神和范围内的任何修改和变化。

Claims (15)

1.一种在建筑物中分配超宽频带(UWB)通信信号的方法，其特征在于所述方法包括：

产生UWB信号；

将UWB信号耦合到建筑物的市电电源电路的至少一根导电线上，以便分配UWB信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

由多个UWB发射机产生多个UWB信号；和

将所述多个UWB信号耦合到所述建筑物内的多个不同地点的所述导电线上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括在至少一组所述UWB信号之间建立公共的定时。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于还包括在所述建筑物内的多个点处接收所述UWB信号。

5.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于所述耦合包含电容性耦合。

6.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于包括将所述UWB信号耦合到所述市电电源电路的两根导电线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于还包括差动地驱动所述两根导线上的所述UWB信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述耦合包括对所述导电线施加电流驱动。

9.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于在所述建筑物的所述市电电源电路的中心分布点进行所述耦合。

10.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于还包括改变至少一个所述UWB信号的频率和带宽以便抑制干扰。

11.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于还包括改变所述UWB信号的定时以便抑制干扰。

12.一种数据通信网络，其被构置成为使用前面任何一项权利要求所述的方法。

13.一种用于在建筑物中分配超宽频带(UWB)通信信号的设备，其特征在于该装置包括：

用于产生UWB信号的装置；

用于分配UWB信号的装置，其将UWB信号耦合到建筑物的市电电源电路的至少一根导电线上以便分配UWB信号。

14.一种用户电子装置，其中结合了权利要求13的设备。

15.根据权利要求13所述的用户电子装置，其特征在于所述用户电子装置是由市电电源供电。

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