JP2005505189A - 多重検出器を用いたウルトラワイドバンド通信システムの方法および機器 - Google Patents
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Abstract
本発明により、動的伝達特性を有する多重検出器を利用したウルトラワイドバンド(UWB)信号を検出するための方法と機器が提供される。受信機回路は、要求される動的特性を供給するためのオペアンプのようなデバイスを利用して実行される。本発明のUWB通信システムにおいて、用いられる検出器は、多重アクセス受信に対して「ダイレクトシーケンス」スペクトラム拡散(DSSS)技術を利用する。このシステムの受信機部分は、UWB信号に応答した第1のパルス系列を発生させるように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、UWB信号に応答した第2のパルス系列を発生させるように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、第1および第2の符号系列をデコードし、かつUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【選択図】図1B
【選択図】図1B
Description
【技術分野】
【0001】
(関連出願の相互参照)
本出願は、「Method and Apparatus for Signal Detection in Ultra Wide−Band Communications」と題された、同時係属および同一出願人である2001年5月1日出願の米国特許出願番号第09/847,777号と関連しており、全体において、本明細書中で参照として採用されている。
【背景技術】
【0002】
ウルトラワイドバンド(UWB)通信システムは、反マルチパス性能があり、トランシーバの設計が簡易かつ低コストであるため、近年実質的に注目を受けている。UWB伝送は、無線エネルギーの非常に短いインパルスを使用しており、その特徴的なスペクトルは、無線周波数の広い範囲をカバーする。従って、UWB信号の結果は、高帯域幅と周波数多様性を有する。そのような特性は、ワイヤレス高速データ通信および低コストワイヤレスホームネットワークのような様々な用途に非常によく適するようになっている。
【0003】
共同出願、および同一出願人である米国特許出願番号第09/847,777号において、UWB通信システムにおける、信号を検出する方法および装置が、開示されている。この出願に従うと、信号検出は、単極性伝達の信号に対してよく機能している。しかしながら、所望の伝達信号がニ極性である場合、または、例えば、複数のユーザがアプリケーションにアクセスする場合のような、複数のUWB送信機が同時に動作している場合、ユーザの間で干渉が経験され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
一般的に本発明の実施形態は、ウルトラワイドバンド(UWB)信号を伝達、かつ/または検出するための方法および機器を示唆する。
【0005】
本発明を説明する局面に従って、UWB通信システムは、1つ以上のUWB信号を伝達するように動作可能な1つ以上の送信機およびUWB信号を受信するように動作可能な受信機を含む。発明の本局面において、このシステムの受信機部分は、UWB信号に応答した第1のパルス系列を発生させるように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、その第2の回路は、UWB信号に応答した第2のパルス系列を発生させるように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、第1および第2の符号系列をデコードし、かつUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0006】
他の本発明を説明する局面に従って、UWB信号を受信する受信機回路は、UWB信号を受信するように動作可能なアンテナ、UWB信号に応答した第1のパルス系列を発生されるように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、その第2の回路は、UWB信号に応答した第2のパルス系列を発生させるように動作する第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、第1および第2の符号系列をデコードし、かつUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0007】
他の本発明を説明する局面に従って、UWB通信システムは、対応する複数のUWB信号を伝達するように動作可能な複数の送信機と、複数の検出器であって、各検出器がUWB信号に応答した固有のパルス系列を発生させるパルスジェネレータ回路を有する、複数の検出器と、パルス系列をデコードし、かつUWB信号に搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0008】
さらに他の本発明を説明する局面に従って、UWB信号に含まれる情報を生成する方法は、UWB信号を受信するステップと、UWB信号から第1のパルス系列を発生させるステップと、UWB信号から第2のパルス系列を発生させるステップと、第1および第2のパルス系列に基づく情報を発生させるステップとを含む。
【0009】
ここで開示された発明の本質と利点のさらなる理解は、明細書の残りの部分および添付図面を参照して記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
米国出願第09/847,777号において、Nタイプi−n特性曲線を有する検出器を有するUWB受信機が、開示されている。本出願における多重検出器は、出願第09/847,777号で開示されている検出器と類似しており、UWB伝達システムにおいてスペクトラム拡散直交変調理論が用いられ、故に、多重UWB送信機が、同時にシステムにおいて動作し得る。
【0011】
図1は、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムのブロック図を示し、この通信システムは、図1Aおよび1Bにそれぞれ示されるように、1つ以上の送信機5および受信機7を含む。図1において、1つの送信機5、および1つの受信機7のみ示されているが、本発明の実施形態はまた、多重アクセス通信を含み、そのため2つ以上の受信機7で受信するために同じチャンネルで同時に動作する2つ以上の送信機5があり得る。
【0012】
多重アクセス通信では、スペクトラム拡散技術の利用によって、干渉に関連することが克服される。本明細書中に記載されている実施形態で利用されて得る、特定のスペクトラム拡散技術は、「ダイレクトシーケンス」スペクトラム拡散(DSSS)技術である。典型的なDSSS送信機において、擬似ランダムまたは類似ノイズ(PN)符号系列ジェネレータは、伝達された信号を伝播するための送信機の変調器をインターフェイスするために用いられる。PN符号系列は、1および0の符号系列を含み、これらの相関関係の属性は、ホワイトノイズの相関関係の属性と類似である。PN符号ジェネレータ12は、図1Aに示される送信機5の構成部分として示されている。PN符号ジェネレータ12は、擬似ランダム符号系列を供給する。この擬似ランダム符号系列は、情報ソース10によって供給された情報信号に変調される。情報信号は、伝達のための複数のデータシンボルを含む。変調器11からの変調された信号出力は、アンテナ14によって発せられる前に変調された信号の調整するために、ウェーブシェイパー13によって随意的に処理される。
【0013】
様々なPN符号系列理論が存在する。幅広く用いられるPN系列のいくつかは、最大長シフトレジスタ系列(または簡単にm−系列)、Gold系列、Kasami系列である。本発明の実施形態において、変調器11は、アルファベット
【0014】
【数1】
を有するM−ary(ほぼ)直交変調(OM)理論を使用する。ここで、
【0015】
【数2】
は、j番目のシンボルであり、かつパラメータNsは、PN系列
【0016】
【数3】
の周期であり、
【0017】
【数4】
は、PN符号ジェネレータ12から生成される。
【0018】
【数5】
は、cのj番目のサイクルシフトのk番目のチップであり、
【0019】
【数6】
であり、Tfは、チップ区間である。ここでアルファベットサイズMは、M=2I<Nsを満足しなければならず、ここでIは整数である。
【0020】
変調器11はまた、パルスジェネレータを含み、パルス区間Tpを有するアナログ波形p(t)を発生させる。インターチップおよびインターシンボルの干渉のどちらもないことを保証するために、チップ区間Tfは、条件Tp+Td<Tfを満足し、ここでTdは、チャネルの遅延拡散である。
【0021】
以下の議論にあるように、図2Aで示されるようなガウシアンモノサイクル波形によってデジタル「0」は、現わされる。ガウシアンモノサイクル信号は、
【0022】
【数7】
として数学的に記載され得、ここでV0は、振幅の頂点であり、τは時定数である。
【0023】
図2Bで示されるような負のガウシアンモノサイクル波形を送信することによってデジタル「1」は、現わされる。他のタイプの正反対の波形、例えば、第2のガウシアンパルス導関数もまた利用され得ることに留意されたい。
【0024】
ここで議論される変調理論は、実際的にチップレベルで正反対のシグナリングを利用する。このように、PN系列の属性とともにPN系列の周期Nsが大きいとき、集合Xの任意の2つのシンボルの間の相関関係をおおよそ0になるよう誘導する。このようにこのシグナリング理論は、直交変調と言われる。
【0025】
図1Bは、本発明の実施形態に従った、受信機7のブロック図を示す。受信されたUWB RF信号120は、最初にフィルタ、積分器、または最適な検出を補助するエンベロップ検出器のような随意的なウェーブシェイピング回路100を通る。
【0026】
条件付きで受信されたUWB RF信号を現わす信号101は、並列回路109および110と接続される。回路109は、インダクタ103と回路104とを含み、回路104は、直列でインダクタ103と接続されている。回路104は、図3で示すようなNタイプi−ν伝達特性を有する。この特性曲線は、入力107によって、動的に操作されている。回路109からの信号は、受信された信号に依存する直列のパルスまたはサイレンスからなる。回路109は、「正」検出器として呼ばれ、受信信号がある正の閾レベルより上であるときのみパルスを生成する。
【0027】
同様に、回路110は、インダクタ105および他の回路106を含み、他の回路106はインダクタ105と直列で接続される。回路104のように、回路106は、Nタイプi−ν伝達特性を有する。この発明の実施形態において、回路104と回路106は、非線形回路である。回路104および106の伝達特性に関して、回路106の伝達曲線は、入力108で所定の制御電圧を印加することによって異なる位置に配置される。入力108はまた、入力108に可変電圧を供給することによって伝達曲線を動的に操作するためにも用いられ得る。回路109の出力と同様に、回路110からの出力信号は、受信信号に依存して、一連のパルスおよびサイレントを含む。回路109および110の伝達曲線が異なるため、同じ入力信号に対して異なる応答をする。回路110は、「負」検出器として呼ばれ、入力信号が、ある負の閾値より低い場合にのみ、パルスを生成することによって応答される。
【0028】
回路109および110からの出力信号は、パルス処理回路112と接続され、パルス処理回路112は、適当なデコードされたデジタル信号113を決定する。パルス処理回路は、ゲートアレイボード、デジタル信号処理ボード、またはそのようなものを使用した論理回路を基礎として実装され得る。信号処理回路の操作に関するさらなる詳細は、以下で提供される。
【0029】
図3に示される回路104の特性曲線を再び参照すると、伝達曲線が2つの行き止まりのポイントP1=(Vν,iν)およびP3=(Vp,ip)を含むことが分かる。ここでivおよびipは、N曲線の電流の谷と頂点を表している。そのように示されているが、曲線が区分的に線形である必要がない。必要条件は、特性曲線は3つの異なる領域で構成されることのみであり、中間領域は、正のインピーダンススロープを有する2つの他の領域と結合されている負のインピーダンススロープを有する。入力信号が、特性曲線の線要素P1−P3で動作しているという条件下で、P4→P3→P2→P1→P4の状態軌道に沿って移動するパルスが生成される。生成された複数のパルスは、使用可能時間(例えば、入力信号が、線要素P1−P3上で動作している区間)および軌跡の速度に依存する。回路106の基本動作は、行き止まりのポイントが異なる位置に配置されることを除き、回路104について議論していることと同様である。
【0030】
ここで図4を参照すると、本発明の実施形態に従って、オペアンプベースの回路を利用し、図1の正の検出器109の回路104および負の検出器110の回路106が実装され得ることが示される。これらのオペアンプベースの回路は、図3で示された特性と同様の区分的線形i−ν特性を有する。図示された実施形態において、特性曲線スロープおよび行き止まりのポイントは、R1,R2,R3,R4,R5,R6の値、ならびにバイアス電圧VccおよびVddの変更によって容易に調整され得る。図1で示されている入力制御107および108は、図4においては、それぞれ403および404と表示されている。特定の実施形態において、2つの異なる固定バイアス電圧は、単純に適用され得、そのため伝達曲線は、2つの異なる所定の位置に平行移動される。本発明のより高度な実施形態を必要とする動作環境において、動作ノイズレベルは、入力403および404を制御するために適切な電圧を決定するために検出される。そのような実施形態において、Nタイプ特性曲線は、リアルタイムで異なる位置に動的に平行移動される。
【0031】
図5は、本発明の他の図示された実施形態に従って、代替のニ重検出器UWB受信機50を示す。このUWB受信機システム50において、信号ソース501からの入力信号は、109を有する図1Bで示される受信機7の中においてと同様に、回路509に直接送られる。しかしながら入力信号は、回路510に送られる前にインバーティング回路511によってインバートされる。i−ν伝達特性を有する回路510は、回路509の伝達特性と同様である。2つの検出器509および510は、正反対の極性を有する信号を受け取るため、各応答は異なり、パルスの異なるセットを生成する。
【0032】
上述のスペクトラム拡散直交変調理論による図5に示されるUWB受信機の応答が、ここで説明される。解説を容易にするために、ここでの説明は、マルチレベル変調器が単純な拡張となるようなM=2−ary変調理論を仮定する。この説明の例において、c={1110100}である7つのチップm−系列が用いられる。それゆえシンボル「1」は、1110100と現わされ、シンボル「2」は、1101001と現わされ、そのためシンボル「2」は、シンボル「1」の1ビットシフトしたバージョンである。
【0033】
図6は、数値のシュミレーションに基づいた図5で示された受信機の典型的な応答を説明する。波形601は、伝達されるべきシンボルを現わす。この説明された例において、伝達される信号は、シンボル1が後に続くシンボル2である。ちょうど言及されたDSSSアプローチとPN系列をもって、変調された信号は波形602で現わされる。チャンネルにおける付加的なホワイトガウシアンノイズの存在のために、受信された信号は、幾分悪影響を及ぼされ、波形603のように示される。2つの回路509および510からの出力は、ノイズのレベルと同様の信号の位置に依存する一連のパルスを含む。これらの出力は、図5の負および正の検出器用にそれぞれの波形604および605として示される。回路のチューニングに依存して、デジタル信号の存在は、特定の数のパルスを生成するためにセットされ得る。この説明された例においては、4つのパルスが使用されている。波形606は、波形605の詳細な見方を示している。これらのパルスを受信すると、パルス処理システムは、デコードされたデジタル信号を決定する。
【0034】
回路509および510からの出力信号は、適当なデコードデジタル信号113を決定するパルス処理回路512と接続されている。パルス処理回路512は、ゲートアレイボード、デジタル信号処理ボードまたはそのようなものを利用する論理回路を利用して、実装され得る。
【0035】
パルス処理回路512は、以下のタスクを行う。第1に、伝達前に、受信されたシンボルxi(t)が、M×NI配列AおよびBにおける正および負の検出器に供給されるとき、演繹的に理想的なパルス生成インスタントを格納する。ここでは、NIは、シンボル当たりの生成されたパルスの数である。AおよびBの(i、j)番目の要素、a(i、j)およびb(i,j)は、j番目のパルス生成インスタントを意味する。第2に、パルス処理回路512は、正の検出器509の決定メトリックW=(w0,w1,...,wM−1)および負の検出器510の決定メトリックU=(u0,u1,...,uM−1)を0に初期化する。第3に、パルス処理K回路512は、正の検出器509のための配列Y=(y1,y2,...,yN)および負の検出器510のための配列Z=(z1,z2,...,zN)の検出器からの実際のパルス生成インスタントを格納する。第4に、0≦i≦M−1、1≦j≦NIおよび1≦k≦Nの各組合せに対して、条件a(i,j)−Δ≦yk≦a(i,j)+Δが、正の検出器509に対して満足されているかどうかをパルス処理回路512はチェックしている。満足している場合は、メトリックwiは、1増加する。パラメータΔは、検出窓の幅であり、設計のパラメータである。同様に、パルス処理回路512は、以下の条件b(i,j)−Δ≦zk≦b(i,j)+Δが、負の検出器510に対して満足されているかどうかチェックしている。満足している場合は、メトリックuiは、負の検出器510について1増加する。第5に、パルス処理回路512は、δi=ui+wi,i=0,1,...,M−1に従って、正の検出器509および負の検出器510のメトリックを結合する。最終的に、δmが全てのδi、0≦i≦M−1の中で最も大きい場合、パルス処理回路512は、xm(t)が最も伝達される可能性が高いことを決定する。この例において、デコードシンボルは、信号607として示され、デコードシンボルは、送信されたシンボルと同じである。
【0036】
上記は、本発明の多くの実施形態を完全に記載しているが、様々な代替物、改変、および等価な物が利用され得る。例えば、多重検出器構成は、可能であり、この用途で記載された発明の範囲内にある。例えば、図7で示すように、4つのNタイプ回路を有する4つの検出器システムは、並列に接続されている。各Nタイプ回路のi−ν伝達特性は、行き止まりのポイントの異なる集合を有するように構築され得、そのため行き止まりのポイントの専用の集合によって特徴付けられた他のNタイプ回路と異なるように、入力信号に応答をする。図7は、4つの検出器システムの特定の例を示す。しかしながら、本明細書の発明の記載に従って、それ以上または以下の検出器を有する他の実施形態が可能であることが理解されるべきである。これらまたは他の理由によって、上述の説明は、添付された特許請求の範囲によって規定された発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】図1Aは、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムの送信機のブロック図である。
【図1B】図1Bは、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムの受信機のブロック図である。
【図2A】図2Aは、正のガウシアンモ、サイクル波形によって現されたデジタル「0」を示す。
【図2B】図2Bは、負のガウシアンモ、サイクル波形によって現されたデジタル「1」を示す。
【図3】図3は、本発明の局面に従った、受信機の検出回路において利用される非線形回路素子のi−ν伝達特性を示している。
【図4】図4は、図3に示されたi−ν伝達特性と同様のi−ν伝達特性を供給する回路を基礎としたオペアンプを有するUWB受信機回路を示す。
【図5】図5は、本発明の代替の実施形態に従ったUWB通信システムの受信機回路を示す。
【図6】図6は、数値シュミレーションを基礎とした図5に示される受信機の応答を説明する。
【図7】図7は、本発明の実施形態に従った、UWB通信システムの4つの検出器を有する受信機回路を説明する。
【0001】
(関連出願の相互参照)
本出願は、「Method and Apparatus for Signal Detection in Ultra Wide−Band Communications」と題された、同時係属および同一出願人である2001年5月1日出願の米国特許出願番号第09/847,777号と関連しており、全体において、本明細書中で参照として採用されている。
【背景技術】
【0002】
ウルトラワイドバンド(UWB)通信システムは、反マルチパス性能があり、トランシーバの設計が簡易かつ低コストであるため、近年実質的に注目を受けている。UWB伝送は、無線エネルギーの非常に短いインパルスを使用しており、その特徴的なスペクトルは、無線周波数の広い範囲をカバーする。従って、UWB信号の結果は、高帯域幅と周波数多様性を有する。そのような特性は、ワイヤレス高速データ通信および低コストワイヤレスホームネットワークのような様々な用途に非常によく適するようになっている。
【0003】
共同出願、および同一出願人である米国特許出願番号第09/847,777号において、UWB通信システムにおける、信号を検出する方法および装置が、開示されている。この出願に従うと、信号検出は、単極性伝達の信号に対してよく機能している。しかしながら、所望の伝達信号がニ極性である場合、または、例えば、複数のユーザがアプリケーションにアクセスする場合のような、複数のUWB送信機が同時に動作している場合、ユーザの間で干渉が経験され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
一般的に本発明の実施形態は、ウルトラワイドバンド(UWB)信号を伝達、かつ/または検出するための方法および機器を示唆する。
【0005】
本発明を説明する局面に従って、UWB通信システムは、1つ以上のUWB信号を伝達するように動作可能な1つ以上の送信機およびUWB信号を受信するように動作可能な受信機を含む。発明の本局面において、このシステムの受信機部分は、UWB信号に応答した第1のパルス系列を発生させるように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、その第2の回路は、UWB信号に応答した第2のパルス系列を発生させるように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、第1および第2の符号系列をデコードし、かつUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0006】
他の本発明を説明する局面に従って、UWB信号を受信する受信機回路は、UWB信号を受信するように動作可能なアンテナ、UWB信号に応答した第1のパルス系列を発生されるように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、その第2の回路は、UWB信号に応答した第2のパルス系列を発生させるように動作する第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、第1および第2の符号系列をデコードし、かつUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0007】
他の本発明を説明する局面に従って、UWB通信システムは、対応する複数のUWB信号を伝達するように動作可能な複数の送信機と、複数の検出器であって、各検出器がUWB信号に応答した固有のパルス系列を発生させるパルスジェネレータ回路を有する、複数の検出器と、パルス系列をデコードし、かつUWB信号に搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む。
【0008】
さらに他の本発明を説明する局面に従って、UWB信号に含まれる情報を生成する方法は、UWB信号を受信するステップと、UWB信号から第1のパルス系列を発生させるステップと、UWB信号から第2のパルス系列を発生させるステップと、第1および第2のパルス系列に基づく情報を発生させるステップとを含む。
【0009】
ここで開示された発明の本質と利点のさらなる理解は、明細書の残りの部分および添付図面を参照して記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
米国出願第09/847,777号において、Nタイプi−n特性曲線を有する検出器を有するUWB受信機が、開示されている。本出願における多重検出器は、出願第09/847,777号で開示されている検出器と類似しており、UWB伝達システムにおいてスペクトラム拡散直交変調理論が用いられ、故に、多重UWB送信機が、同時にシステムにおいて動作し得る。
【0011】
図1は、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムのブロック図を示し、この通信システムは、図1Aおよび1Bにそれぞれ示されるように、1つ以上の送信機5および受信機7を含む。図1において、1つの送信機5、および1つの受信機7のみ示されているが、本発明の実施形態はまた、多重アクセス通信を含み、そのため2つ以上の受信機7で受信するために同じチャンネルで同時に動作する2つ以上の送信機5があり得る。
【0012】
多重アクセス通信では、スペクトラム拡散技術の利用によって、干渉に関連することが克服される。本明細書中に記載されている実施形態で利用されて得る、特定のスペクトラム拡散技術は、「ダイレクトシーケンス」スペクトラム拡散(DSSS)技術である。典型的なDSSS送信機において、擬似ランダムまたは類似ノイズ(PN)符号系列ジェネレータは、伝達された信号を伝播するための送信機の変調器をインターフェイスするために用いられる。PN符号系列は、1および0の符号系列を含み、これらの相関関係の属性は、ホワイトノイズの相関関係の属性と類似である。PN符号ジェネレータ12は、図1Aに示される送信機5の構成部分として示されている。PN符号ジェネレータ12は、擬似ランダム符号系列を供給する。この擬似ランダム符号系列は、情報ソース10によって供給された情報信号に変調される。情報信号は、伝達のための複数のデータシンボルを含む。変調器11からの変調された信号出力は、アンテナ14によって発せられる前に変調された信号の調整するために、ウェーブシェイパー13によって随意的に処理される。
【0013】
様々なPN符号系列理論が存在する。幅広く用いられるPN系列のいくつかは、最大長シフトレジスタ系列(または簡単にm−系列)、Gold系列、Kasami系列である。本発明の実施形態において、変調器11は、アルファベット
【0014】
【数1】
を有するM−ary(ほぼ)直交変調(OM)理論を使用する。ここで、
【0015】
【数2】
は、j番目のシンボルであり、かつパラメータNsは、PN系列
【0016】
【数3】
の周期であり、
【0017】
【数4】
は、PN符号ジェネレータ12から生成される。
【0018】
【数5】
は、cのj番目のサイクルシフトのk番目のチップであり、
【0019】
【数6】
であり、Tfは、チップ区間である。ここでアルファベットサイズMは、M=2I<Nsを満足しなければならず、ここでIは整数である。
【0020】
変調器11はまた、パルスジェネレータを含み、パルス区間Tpを有するアナログ波形p(t)を発生させる。インターチップおよびインターシンボルの干渉のどちらもないことを保証するために、チップ区間Tfは、条件Tp+Td<Tfを満足し、ここでTdは、チャネルの遅延拡散である。
【0021】
以下の議論にあるように、図2Aで示されるようなガウシアンモノサイクル波形によってデジタル「0」は、現わされる。ガウシアンモノサイクル信号は、
【0022】
【数7】
として数学的に記載され得、ここでV0は、振幅の頂点であり、τは時定数である。
【0023】
図2Bで示されるような負のガウシアンモノサイクル波形を送信することによってデジタル「1」は、現わされる。他のタイプの正反対の波形、例えば、第2のガウシアンパルス導関数もまた利用され得ることに留意されたい。
【0024】
ここで議論される変調理論は、実際的にチップレベルで正反対のシグナリングを利用する。このように、PN系列の属性とともにPN系列の周期Nsが大きいとき、集合Xの任意の2つのシンボルの間の相関関係をおおよそ0になるよう誘導する。このようにこのシグナリング理論は、直交変調と言われる。
【0025】
図1Bは、本発明の実施形態に従った、受信機7のブロック図を示す。受信されたUWB RF信号120は、最初にフィルタ、積分器、または最適な検出を補助するエンベロップ検出器のような随意的なウェーブシェイピング回路100を通る。
【0026】
条件付きで受信されたUWB RF信号を現わす信号101は、並列回路109および110と接続される。回路109は、インダクタ103と回路104とを含み、回路104は、直列でインダクタ103と接続されている。回路104は、図3で示すようなNタイプi−ν伝達特性を有する。この特性曲線は、入力107によって、動的に操作されている。回路109からの信号は、受信された信号に依存する直列のパルスまたはサイレンスからなる。回路109は、「正」検出器として呼ばれ、受信信号がある正の閾レベルより上であるときのみパルスを生成する。
【0027】
同様に、回路110は、インダクタ105および他の回路106を含み、他の回路106はインダクタ105と直列で接続される。回路104のように、回路106は、Nタイプi−ν伝達特性を有する。この発明の実施形態において、回路104と回路106は、非線形回路である。回路104および106の伝達特性に関して、回路106の伝達曲線は、入力108で所定の制御電圧を印加することによって異なる位置に配置される。入力108はまた、入力108に可変電圧を供給することによって伝達曲線を動的に操作するためにも用いられ得る。回路109の出力と同様に、回路110からの出力信号は、受信信号に依存して、一連のパルスおよびサイレントを含む。回路109および110の伝達曲線が異なるため、同じ入力信号に対して異なる応答をする。回路110は、「負」検出器として呼ばれ、入力信号が、ある負の閾値より低い場合にのみ、パルスを生成することによって応答される。
【0028】
回路109および110からの出力信号は、パルス処理回路112と接続され、パルス処理回路112は、適当なデコードされたデジタル信号113を決定する。パルス処理回路は、ゲートアレイボード、デジタル信号処理ボード、またはそのようなものを使用した論理回路を基礎として実装され得る。信号処理回路の操作に関するさらなる詳細は、以下で提供される。
【0029】
図3に示される回路104の特性曲線を再び参照すると、伝達曲線が2つの行き止まりのポイントP1=(Vν,iν)およびP3=(Vp,ip)を含むことが分かる。ここでivおよびipは、N曲線の電流の谷と頂点を表している。そのように示されているが、曲線が区分的に線形である必要がない。必要条件は、特性曲線は3つの異なる領域で構成されることのみであり、中間領域は、正のインピーダンススロープを有する2つの他の領域と結合されている負のインピーダンススロープを有する。入力信号が、特性曲線の線要素P1−P3で動作しているという条件下で、P4→P3→P2→P1→P4の状態軌道に沿って移動するパルスが生成される。生成された複数のパルスは、使用可能時間(例えば、入力信号が、線要素P1−P3上で動作している区間)および軌跡の速度に依存する。回路106の基本動作は、行き止まりのポイントが異なる位置に配置されることを除き、回路104について議論していることと同様である。
【0030】
ここで図4を参照すると、本発明の実施形態に従って、オペアンプベースの回路を利用し、図1の正の検出器109の回路104および負の検出器110の回路106が実装され得ることが示される。これらのオペアンプベースの回路は、図3で示された特性と同様の区分的線形i−ν特性を有する。図示された実施形態において、特性曲線スロープおよび行き止まりのポイントは、R1,R2,R3,R4,R5,R6の値、ならびにバイアス電圧VccおよびVddの変更によって容易に調整され得る。図1で示されている入力制御107および108は、図4においては、それぞれ403および404と表示されている。特定の実施形態において、2つの異なる固定バイアス電圧は、単純に適用され得、そのため伝達曲線は、2つの異なる所定の位置に平行移動される。本発明のより高度な実施形態を必要とする動作環境において、動作ノイズレベルは、入力403および404を制御するために適切な電圧を決定するために検出される。そのような実施形態において、Nタイプ特性曲線は、リアルタイムで異なる位置に動的に平行移動される。
【0031】
図5は、本発明の他の図示された実施形態に従って、代替のニ重検出器UWB受信機50を示す。このUWB受信機システム50において、信号ソース501からの入力信号は、109を有する図1Bで示される受信機7の中においてと同様に、回路509に直接送られる。しかしながら入力信号は、回路510に送られる前にインバーティング回路511によってインバートされる。i−ν伝達特性を有する回路510は、回路509の伝達特性と同様である。2つの検出器509および510は、正反対の極性を有する信号を受け取るため、各応答は異なり、パルスの異なるセットを生成する。
【0032】
上述のスペクトラム拡散直交変調理論による図5に示されるUWB受信機の応答が、ここで説明される。解説を容易にするために、ここでの説明は、マルチレベル変調器が単純な拡張となるようなM=2−ary変調理論を仮定する。この説明の例において、c={1110100}である7つのチップm−系列が用いられる。それゆえシンボル「1」は、1110100と現わされ、シンボル「2」は、1101001と現わされ、そのためシンボル「2」は、シンボル「1」の1ビットシフトしたバージョンである。
【0033】
図6は、数値のシュミレーションに基づいた図5で示された受信機の典型的な応答を説明する。波形601は、伝達されるべきシンボルを現わす。この説明された例において、伝達される信号は、シンボル1が後に続くシンボル2である。ちょうど言及されたDSSSアプローチとPN系列をもって、変調された信号は波形602で現わされる。チャンネルにおける付加的なホワイトガウシアンノイズの存在のために、受信された信号は、幾分悪影響を及ぼされ、波形603のように示される。2つの回路509および510からの出力は、ノイズのレベルと同様の信号の位置に依存する一連のパルスを含む。これらの出力は、図5の負および正の検出器用にそれぞれの波形604および605として示される。回路のチューニングに依存して、デジタル信号の存在は、特定の数のパルスを生成するためにセットされ得る。この説明された例においては、4つのパルスが使用されている。波形606は、波形605の詳細な見方を示している。これらのパルスを受信すると、パルス処理システムは、デコードされたデジタル信号を決定する。
【0034】
回路509および510からの出力信号は、適当なデコードデジタル信号113を決定するパルス処理回路512と接続されている。パルス処理回路512は、ゲートアレイボード、デジタル信号処理ボードまたはそのようなものを利用する論理回路を利用して、実装され得る。
【0035】
パルス処理回路512は、以下のタスクを行う。第1に、伝達前に、受信されたシンボルxi(t)が、M×NI配列AおよびBにおける正および負の検出器に供給されるとき、演繹的に理想的なパルス生成インスタントを格納する。ここでは、NIは、シンボル当たりの生成されたパルスの数である。AおよびBの(i、j)番目の要素、a(i、j)およびb(i,j)は、j番目のパルス生成インスタントを意味する。第2に、パルス処理回路512は、正の検出器509の決定メトリックW=(w0,w1,...,wM−1)および負の検出器510の決定メトリックU=(u0,u1,...,uM−1)を0に初期化する。第3に、パルス処理K回路512は、正の検出器509のための配列Y=(y1,y2,...,yN)および負の検出器510のための配列Z=(z1,z2,...,zN)の検出器からの実際のパルス生成インスタントを格納する。第4に、0≦i≦M−1、1≦j≦NIおよび1≦k≦Nの各組合せに対して、条件a(i,j)−Δ≦yk≦a(i,j)+Δが、正の検出器509に対して満足されているかどうかをパルス処理回路512はチェックしている。満足している場合は、メトリックwiは、1増加する。パラメータΔは、検出窓の幅であり、設計のパラメータである。同様に、パルス処理回路512は、以下の条件b(i,j)−Δ≦zk≦b(i,j)+Δが、負の検出器510に対して満足されているかどうかチェックしている。満足している場合は、メトリックuiは、負の検出器510について1増加する。第5に、パルス処理回路512は、δi=ui+wi,i=0,1,...,M−1に従って、正の検出器509および負の検出器510のメトリックを結合する。最終的に、δmが全てのδi、0≦i≦M−1の中で最も大きい場合、パルス処理回路512は、xm(t)が最も伝達される可能性が高いことを決定する。この例において、デコードシンボルは、信号607として示され、デコードシンボルは、送信されたシンボルと同じである。
【0036】
上記は、本発明の多くの実施形態を完全に記載しているが、様々な代替物、改変、および等価な物が利用され得る。例えば、多重検出器構成は、可能であり、この用途で記載された発明の範囲内にある。例えば、図7で示すように、4つのNタイプ回路を有する4つの検出器システムは、並列に接続されている。各Nタイプ回路のi−ν伝達特性は、行き止まりのポイントの異なる集合を有するように構築され得、そのため行き止まりのポイントの専用の集合によって特徴付けられた他のNタイプ回路と異なるように、入力信号に応答をする。図7は、4つの検出器システムの特定の例を示す。しかしながら、本明細書の発明の記載に従って、それ以上または以下の検出器を有する他の実施形態が可能であることが理解されるべきである。これらまたは他の理由によって、上述の説明は、添付された特許請求の範囲によって規定された発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】図1Aは、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムの送信機のブロック図である。
【図1B】図1Bは、本発明の実施形態に従ったUWB通信システムの受信機のブロック図である。
【図2A】図2Aは、正のガウシアンモ、サイクル波形によって現されたデジタル「0」を示す。
【図2B】図2Bは、負のガウシアンモ、サイクル波形によって現されたデジタル「1」を示す。
【図3】図3は、本発明の局面に従った、受信機の検出回路において利用される非線形回路素子のi−ν伝達特性を示している。
【図4】図4は、図3に示されたi−ν伝達特性と同様のi−ν伝達特性を供給する回路を基礎としたオペアンプを有するUWB受信機回路を示す。
【図5】図5は、本発明の代替の実施形態に従ったUWB通信システムの受信機回路を示す。
【図6】図6は、数値シュミレーションを基礎とした図5に示される受信機の応答を説明する。
【図7】図7は、本発明の実施形態に従った、UWB通信システムの4つの検出器を有する受信機回路を説明する。
Claims (43)
- ウルトラワイドバンド通信(UWB)信号を受信する受信機回路であって、
該UWB信号を受信するように動作可能なアンテナと、
該UWB信号に応答して第1のパルス系列を生成するように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、
該第1回路と並列に接続される第2の回路であって、該UWB信号に応答して第2のパルス系列を生成するように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する第2の回路と、
該第1および第2の符号系列をデコードし、該UWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路と
を含む、受信機回路。 - 前記第1および第2の回路が非線形回路である、請求項1記載の受信機回路。
- 前記第1および第2のパルスジェネレータは、安定した領域によって固定された不安定領域によって特徴付けられた関連する伝達曲線をそれぞれ有する、請求項1に記載の受信機回路。
- 前記UWB信号が、情報信号上で変調された擬似ランダムの符号系列を含む、請求項1に記載の受信機回路。
- 前記擬似ランダム符号系列が、M−ary直交変調理論を用いて変調される、請求項4に記載の受信機回路。
- 前記擬似ランダム符号系列が、正反対の変調理論を用いて変調される、請求項4に記載の受信機回路。
- 前記正反対の変調理論が、デジタル「0」およびデジタル「1」をそれぞれ現わす正および負のガウシアンモノサイクル波形を供給する、請求項6に記載の受信機回路。
- 前記受信されたUWB信号が、所定の正の閾値より高い電圧レベルを有する場合のみ、前記第1のパルスジェネレータが、前記第1のパルス系列を生成する、請求項1に記載の受信機回路。
- 前記受信されたUWB信号が、所定の負の閾値より低い電圧レベルを有する場合のみ、前記第2のパルスジェネレータが、前記第2のパルス系列を生成する、請求項8に記載の受信機回路。
- ウルトラワイドバンド(UWB)通信システムであって、該受信器は、
1つ以上のUWB信号を伝達するように動作可能な1つ以上の送信機と、
該UWB信号を受信するように動作可能な受信機であって、該受信機は、
該UWB信号に応答して第1のパルス系列を生成するように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、
該第1の回路と並列に接続された第2の回路であって、該UWB信号に応答して第2のパルス系列を生成するように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する該第2の回路と、
該第1および第2の符号系列をデコードし、該UWB信号に搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路と
を含む、受信器と。
を含む、システム。 - 前記第1および第2の回路が非線形回路である、請求項10に記載のUWB通信システム。
- 前記各受信機の第1および第2のパルスジェネレータが、安定した領域によって固定された不安定領域によって特徴付けられた関連する伝達曲線を有する、請求項10に記載のUWB通信システム。
- 前記各受信機の1つ以上の送信機のそれぞれが、情報信号上に擬似雑音符号系列を変調するための変調器を有する、請求項10に記載のUWB通信システム。
- 受信されたUWB信号が、所定の正の閾値より高い電圧レベルを有する場合のみ、前記第1のパルスジェネレータがパルス系列を生成する、請求項10に記載のUWB通信システム。
- 受信されたUWB信号が、所定の負の閾値より低い電圧レベルを有する場合のみ、前記第2のパルスジェネレータが第2のパルス系列を生成する、請求項10に記載のUWB通信システム。
- 各変調器が、M−ary直交変調理論を使用する、請求項13に記載のUWB通信システム。
- 前記変調器が、正反対の変調理論を使用する、請求項13に記載のUWB通信システム。
- 前記正反対の変調理論が、デジタル「0」およびデジタル「1」をそれぞれ現わす正および負のガウシアンモノサイクル波形を供給する、請求項17に記載のUWB通信システム。
- ウルトラワイドバンド(UWB)通信システムであって、
複数のUWB信号と対応した伝達するように動作可能な複数の送信機と、
複数の検出器であって、各検出器は、該UWB信号に応答して固有のパルス系列を生成するパルス生成回路を有する、検出器と、
該パルス系列をデコードし、該UWB信号に搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路とを含む、ウルトラワイドバンド通信システム。 - 各パルス生成回路が非線形回路である、請求項19に記載のUWB通信システム。
- 前記複数の検出器が、前記複数のUWB信号の同時の伝達の受信時に、パルス系列を生成可能である、請求項19に記載のUWB通信システム。
- 前記複数の送信機が、同じチャンネルを介して同時に伝達するように構成された、請求項19に記載のUWB通信システム。
- 前記UWB信号を生成するためにスペクトラム拡散技術を用いる、請求項22に記載のUWB通信システム。
- 前記用いられるスペクトラム拡散技術が、ダイレクトシーケンススペクトラム拡散技術である、請求項23に記載のUWB通信システム。
- 各前記送信機が、前記UWB信号を生成するために擬似雑音(PN)符号系列を変調する変調器を有する、請求項24に記載のUWB通信システム。
- 各前記変調器が、M−ary直交変調理論を利用している、請求項25に記載のUWB通信システム。
- 前記変調器が、正反対の直交理論を利用している、請求項25に記載のUWB通信システム。
- 前記正反対の変調理論が、デジタル「0」およびデジタル「1」をそれぞれ現わす正および負のガウシアンモノサイクル波形を供給する、請求項27に記載のUWB通信システム。
- ウルトラワイドバンド通信(UWB)信号を受信する受信機回路であって、
該UWB信号を受信するように動作可能なアンテナと、
該UWB信号に応答して第1のパルス系列を生成するように動作可能な第1のパルスジェネレータを有する第1の回路と、
該UWB信号の受信し、インバータUWB信号を供給するように構成されたインバータと、
該第1の回路と並列に接続される第2の回路であって、該インバータUWB信号に応答して第2のパルス系列を生成するように動作可能な第2のパルスジェネレータを有する、第2の回路と、
該第1および第2の系列をデコードし、該UWBおよびインバータUWB信号で搬送される情報を決定するように動作可能なパルス処理回路と
を含む、受信機回路。 - 前記第1および第2の回路が非線形回路である、請求項29に記載の受信機回路。
- 前記第1および第2のパルスジェネレータが、それぞれ安定した領域によって固定された不安定領域によって特徴付けられた関連する伝達曲線を有する、請求項29に記載の受信機回路。
- 前記UWB信号が、情報信号上で変調された擬似ランダムの符号系列を含む、請求項29に記載の受信機回路。
- 前記擬似ランダム符号系列がM−ary直交変調理論を用いて変調される、請求項32に記載の受信機回路。
- 前記擬似ランダム符号系列が正反対の変調理論を用いて変調される、請求項32に記載の受信機回路。
- 前記正反対の変調理論が、デジタル「0」およびデジタル「1」をそれぞれ現わす正および負のガウシアンモノサイクル波形を供給する、請求項34に記載の受信機回路。
- ウルトラワイドバンド(UWB)信号に含まれる情報を生成する方法であって、
該UWB信号を受信するステップと、
該UWB信号から第1のパルス系列を生成するステップと、
該UWB信号から第2のパルス系列を生成するステップと、
該第1および第2のパルス系列に基づく情報を生成するステップと
を含む、方法。 - 前記第1のパルス系列を生成するステップは、前記UWB信号を第1の非線形回路に印加するステップを含み、前記第2のパルス系列を生成するステップは、該UWB信号を第2の非線形回路に印加することを含む、請求項36に記載の方法。
- 前記UWB信号が実質的に同時に前記第1および第2の回路に印加される、請求項37に記載の方法。
- 前記UWB信号を生成するためにスペクトラム拡散技術が利用されている、請求項36に記載の方法。
- 前記用いられたスペクトラム拡散技術が、ダイレクトシーケンススペクトラム拡散技術である、請求項39に記載の方法。
- 前記UWB信号が、変調擬似雑音符号系列により生成される、請求項36に記載の方法。
- 前記変調擬似雑音が、M−ary直交変調理論を用いている、請求項41に記載の方法。
- 前記変調擬似雑音が、正反対の変調理論を用いている、請求項42に記載の方法。
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