专利名称：利用发送参考前同步信号实现超宽带通信中的同步的制作方法
技术领域：
本发明涉及到发送参考、延迟跳跃(TR/DH)超宽带无线通信系统，并且更加具体而言，涉及到借助于发送参考前同步码对于具有其它调制格式的超宽带(UWB)通信的初始同步或捕获方法。
背景技术：
本发明的主题涉及H.W.Tomlinson、Jr.，J.E.Hershey、R.T.Hoctor和K.B.Welles，II于2001年1月3日提交的、题为“Ultra-Wideband Communication System(超宽带通信系统)”(GE记录摘要RD-27,754)、序列号为No.09/753,443的悬而未决的专利申请，R.T.Hoctor、D.M.Davenport、A.M.Dentinger、N.A.Van Stralen、H.W.Tomlinson、Jr.，J.E.Hershey、K.B.Welles，II和J.E.Hershey于2001年10月10日提交的、题为“Ultra-Wideband Communication System and Method Using a Delay-Hopped，Continuous Noise Transmitted Reference(利用延迟跳跃、连续噪声发送参考的超宽带通信系统和方法)”(GE记录摘要RD-28,759)、序列号为No.09/974,032的悬而未决的专利申请，以及R.T.Hoctor、J.E.Hershey和H.W.Tomlinson、Jr.于2001年10月9日提交的、题为“Transmitter Location for Ultra-Wideband，Transmitted-Reference，CDMA Communication System(超宽带、发送参考、CDMA通信系统的发射机定位)”(GE记录摘要RD-27,855)、序列号为No.09/973,140的悬而未决的专利申请，所有这些专利申请都转让给本申请的受让人。在此引入序列号为No.09/753,443、No.09/974,032和No.09/973,140的申请的公开阐述内容作为参考。
超宽带是一种通过发送很短的脉冲或射频(RF)脉冲进行操作的无线通信形式。当前，UWB通信最公认已知的方法就是利用脉冲定位调制(PPM)，参见M.Z.Win和R.A.Sholtz发表于IEEE Comm.Letters1988年2月第2卷第36到38页，题为“Impulse Radiohowit works(脉冲射频如何工作)”的文章，以及L.W.Fullerton的题为“Spread spectrum radio transmission system(扩展频谱无线传输系统)”的美国专利(序列号No.4,641,317)中的公开阐述内容。例如，该方案可以被用于光通信中，并且在许多标准教科书中都有描述，例如由Prentice Hall出版社1994年出版的J.G.Proakis和M.Salehi的“Communications Systems Engineering(通信系统工程)”一书的第439-442页。该方法通过如下方式进行工作即在连续时间帧内的多个时隙之一中发送和接收脉冲，该方法要求发射机与接收机之间的精确时间同步。
由于为了对传输信号进行解调，在接收机内必须要得知极为重要的脉冲到达的相对时间，因此PPM调制方法在某些情况下被称作“时间调制”UWB方法。也可能使用其它时间调制超宽带调制方法。例如，可以利用接收脉冲的相位或极性去表示被发送信息。在这种方案中，可以以发射机和接收机已知的模式去修改被发送脉冲之间的时间。以上描述的方案被公认为时间跳跃，并且在McGraw-Hill出版社于1994年出版的，M.K.Simon、J.K.Omura、R.A.Sholtz和B.K.Levitt的“Spread spectrum communications handbook(扩频通信手册)”中第10页中有描述。时间跳跃方案提供具有一定多址接入能力的时间调制UWB传输；也就是，它考虑同时被解调的多路传输。
时间跳跃还是与PPM超宽带一起使用的多址接入方法。参见发表于1993年10月，在Boston，MA召开的IEEE MILCOM’93会议录中，R.A.Sholtz的题为“Multiple access with time-hopping impulsemodulation(利用时间跳跃脉冲调制的多址接入)”的文章(第447-450页)。当时间跳跃与脉冲定位调制(PPM)共同使用时，我们把整个通信方法称作PPM/TH超宽带系统。该方法已经被提出，可以为UWB信道甚至以高数据速率提供非常大的多址接入能力。
任意时间调制UWB传输方案的一个问题就是建立时间同步是比较困难的。当传输由被发送符号脉冲构成时更加如此，其中在该情况下，接收机并不知道有关发射机定时的先验信息，而且此外，在试图进行解调之前必须要检测是否出现传输。(另一方面，如果传输被镶嵌在某种类型的数据分组框架中，则接收机就会大概得知传输是什么时间开始的。)当没有多址接入干扰(MAI)时，可以从接收到的信号中容易地恢复控制脉冲时隙的时钟，而帧时钟必须要从被发送的捕获序列中恢复。在有关文献中，这一问题已经受到了某些关注。参见发表于1987年9月IEEE Trans.Information Theory第IT-33卷第738-744页，R.Gagliardi、J.Robbins和H.Taylor的题为“Acquisitionsequences in PPM communications(PPM通信中的捕获序列)”的文章。然而，由于独立干扰发射机的脉冲时隙时钟不会与期望发射机的时钟同步，因此多址接入干扰会使问题大大恶化。这种情况下，就要求通过使用捕获序列，去捕获时隙时钟以及帧定时信息。这种要求意味着初始同步所要求的计算负荷非常大，而且这种计算负荷会要么导致非常长的捕获时间，要么导致非常昂贵的接收机，或者两者兼而有之。
最近，提出了一种被称作发送参考、延迟跳跃(TR/DH)超宽带的新型代替UWB通信方案，参见序列号为No.09/753,443的悬而未决的专利申请(GE记录摘要RD-27,754)。术语“发送参考”就是指以如下方式，即不需要与各个脉冲实现同步的方式来发送和接收多个脉冲。发送参考UWB成对传递脉冲，并且由此在接收机内引入可以由标准装置测量的相关性。术语“延迟跳跃”就是指利用发送参考UWB的码分多址接入方案。
除了标准TR/DH的超宽带(或“脉冲射频”)形式之外，发明者还发明并且试验了利用宽带噪声(来代替脉冲串)作为载波的TF/DH形式。这种类型的发明通过发送两类宽带连续噪声之和，在接收机内引入相关，两类噪声可以由接收机公认已知的延迟来分离。本发明的好处在于噪声载波比脉冲串更加容易生成，并且在序列号为No.09/974,032的悬而未决的专利申请(GE记录摘要RD-28,759)中有描述。
尽管TR/DH方案内没有例如PPM/TH等的时间调制方案中的同步问题，但是其信号噪声比(SNR)会更差，并且它更加容易受到多址干扰的影响。在基于数学模型和计算机仿真得到的性能预计的基础上，这些效应有可能将要把TR/DH的多址接入能力限制在某种程度上，使得它不能适于某些应用。组合TR/DH的低复杂度同步特性以及例如PPM/TH等的时间调制UWB方法的多址接入容量可以得到好处。
发明内容
本发明提供利用发送参考前同步码实现时间调制超宽带(UWB)通信的初始同步或捕获的方法。该方法要求发射机首先发送TR/DH脉冲；这种脉冲很容易被检测，并且能够经过处理去提供精确到几个纳秒的时间标记。在发送TR/DH脉冲之后，发射机等待固定时间段，接收机已知该时间长度，然后发射机发送PPM/TH脉冲或其它时间调制UWB。接收到第一个脉冲之后，接收机能够以时间标记的精确性，估计第二个脉冲的接收时间。在多种实际情况，例如室内多径信道中，尽管有可能以降低的信号噪声比(SNR)，但是时间调制UWB脉冲的接收时间的初始估计足以允许对其进行解调。在时间调制脉冲解调期间，可以改进基于TR/DH前同步码的初始捕获，使得能够获得较高的SNR。
序列号为No.09/753,443(GE记录摘要RD-27,754)的悬而未决的专利申请中描述了利用码分多址接入(CDMA)的发送参考超宽带(UWB)通信。序列号为No.09/974,032(GE记录摘要RD-28,759)的悬而未决的专利申请中描述了与序列号为No.09/753,443的悬而未决的专利申请中相同的发送参考超宽带(UWB)通信方法，但是其中利用连续宽带噪声作为载波。序列号为No.09/973,140(GE记录摘要RD-27,855)的悬而未决的专利申请必须利用序列号为No.09/753,443(GE记录摘要RD-27,754)的专利申请中的UWB通信系统，对发射机进行定位。本发明公开阐述如何把序列号为No.09/753,443(GE摘要RD-27,754)和序列号为No.09/974,032(GE记录摘要RD-28,759)专利申请中的通信方法与标准的UWB通信方案相结合，去克服后者的初始同步或捕获中出现的问题，所述标准的UWB通信方案可以参见以上M.Z.Win和R.A.Sholtz的公开阐述以及Fullerton的专利。当通信是脉冲数据时，这就更加重要。该方法利用与序列号为No.09/973,140的悬而未决的专利申请中相同方法，从参考发送信号中推导得到时间信息。
图1是TR/DH码结构的框图；图2是TR/DH接收机的总体框图；图3是延迟为D的脉冲对相关器的框图；图4是UWB TR延迟跳跃CDMA接收机的第一级的框图，其中说明脉冲对相关器的一组符号输出；图5是延迟跳跃码相关器的简单实例的框图；
图6A、6B、6C和6D是四个导频信号，在噪声载波的假设下，说明在图2所示的接收机的四个不同点观察到的波形；图7是说明DH码相关器输出的框图；图8A和8B分别是针对利用TR/DH前同步码提供初始同步的时间调制UWB脉冲传输的脉冲结构框图，以及DH码相关器的期望输出的示意图；以及图9是针对利用TR/DH前同步码提供初始同步的时间调制UWB脉冲传输的接收机的框图。
具体实施例方式
在序列号为No.09/753,443(GE记录摘要RD-27,754)以及序列号为No.09/974,032(GE记录摘要RD-28,759)的悬而未决的专利申请中公开阐述了TR/DH方案。
如图1所示，一个TR/DH码由Nc个码片组成，并且按顺序被发送。所有Nc个码片都具有相同的固定持续时间Tc。在本发明的脉冲射频形式中，每个码片由Np个脉冲对构成，并且每个脉冲对内包括两个脉冲。在同一码片间隔内发送的所有脉冲对具有在它们的脉冲之间的相同的时间间距。而一般来讲，在不同码片间隔内发送的脉冲对的特征则在于前导脉冲与拖尾脉冲之间的时间间隔是不同的。给定码片间隔内的脉冲对之间的时间可以随机地改变大约某个标准的或平均脉冲重复时间。每个码片都与前导脉冲和拖尾脉冲之间的相对极性有关，而且码片内的所有脉冲对都共享这种相对极性。两个脉冲的相对极性被用于去联系二进制数值以及每个码片。注意到，在相关延迟值以及被发送比特值(±□1)内，码片取值是不同的。
本发明的噪声载波形式不同于脉冲载波形式，只是因为发送一对相同的、连续的、宽带噪声波形，而不是发送一序列RF脉冲对。两个波形的相对极性以及分离它们的时间间隔长度都被按与本发明脉冲射频形式中相同的方式而调制。
参数的典型值如下。码内包括的码片数量(Nc)将介于50到1000之间，而且每个码片的持续时间将介于1到10μS之间。码片间隔内的脉冲数量(Np)将是4到50个。脉冲对之间的平均时间间隔约为100ns。分割脉冲对中的两个脉冲的时间间隔可以从少量(典型地4到16个)可能的时间间隔(从1到30ns)中选择。由于脉冲之间的延迟应该超过载波带宽的倒数，因此这些延迟的特定值将取决于载波。例如，如果发送500个码片，每个码片由20个脉冲对构成，其平均脉冲重复时间为100ns，则发送整个TR/DH码将占用1毫秒的时间。如果每个码字传送一个信息比特(BPSK)，则比特速率是1K比特每秒。
DH码字是延迟跳跃CDMA方案中最重要的部分。可以利用计算机搜索的方式容易地找到这些码字。例如，我们已经生成一组1000个码字，每个由200个码片构成，其延迟可以从一组16个可能的延迟中选择。所有这些码字的自相关旁瓣要低于峰值自相关值的7％。任意延迟条件下，这些字的任意对之间最大互相关值要低于峰值自相关值的10％。由更多码片构成的较长的码将会具有更好的相关特性。
如图2所示，TR/DH码字接收机由后面跟着码字相关器的一组脉冲对相关器构成。更加具体而言，从天线21接收到的信号由RF放大器22进行放大，并且输入到一组脉冲对相关器231到23n。在输入到全数字DH码相关器25之前，需要把每个脉冲对相关器的模拟输出进行数字化。这种数字化采样频率的典型值将介于1到20MHz之间，并且在每个码片间隔内至少提供两个样值。因此，相关器231到23n的输出被输入到各自的模拟到数字转换器(ADC)241到24n，其输出再被输入到延迟跳跃码分多址接入(DH CDMA)码字相关器25。码字相关器25的输出被输入到BPSK符号同步以及比特判决逻辑26中。每个ADC241到24n，码字相关器25以及同步和比特判决逻辑26都从样值时钟27中接收时钟信号。
图3中描述了脉冲对相关器。脉冲对相关器由延迟单元31、信号乘法器32和有限时间积分器33构成。信号被分为两条路径，其中一条经过延迟单元31的延迟。在乘法器32内把两个版本的接收信号相乘，并且由积分器33在指定时间Tc内对以上乘积进行积分。积分时间等于码片时间。所述延迟使得延迟电路路径中的前导脉冲或噪声载波在时间上与未延迟电路路径中的拖尾脉冲或噪声载波对齐。在码片间隔内对该非零均值的乘积进行积分，以生成码片信号。
在图4所示，所述一组脉冲对相关器输出的码片信号的特征在于将出现峰值。天线41为相关器421到42Nc提供输入，其中包含一组如图3所示的脉冲对相关器。这些信号的持续时间大概等于脉冲对相关器积分时间长度的两倍。以产生至少每码片两个样值的速率，对该组波形进行采样，然后发送到延迟跳跃码检测器。
CDMA码相关器会提取一组脉冲对相关器的多个输出中的样值，并且以期望的CDMA码字所指示的方式，把它们相加起来。这种操作的目的在于产生所有码片信号的对齐的和。当期望码字与被发送码字相匹配时，这种操作就会具有如下效果把与整个延迟跳跃(DH)码字波形相匹配的选通波形应用于在相关器输出端所观测到的数据中。如果选通波形与码片信号波形的形状相匹配，则实现匹配滤波器；然而，这要求知道样值时钟和发射机码片时钟之间相对的定时。如果应用于单个码片的选通波形是矩形的，且持续时间长度为2Tc，则CDMA码字相关器的作用就是把所有同相的各个码片波形相加起来，生成具有较高SNR的单个码片波形的输出。
图5中描述了CDMA码字相关器的一个实施例的结构。所描述的特定码相关器利用与图4所描述的相关器组输出相匹配的CDMA码字。码字相关器中包含多个码片时间延迟(Dchip time)511到51Nc以及加法器52。注意到，码片时间延迟(Dchip time)和符号(加和减)会造成基本(elementary)相关器峰值在时间上与相同的符号对齐。加法器把来自CDMA码字相关器的模拟到数字转换器(ADC)的延迟输出相加，并且被提供作为输出。由于ADC的样值持续时间已经被指定为码片间隔的一部分，因此在一实施例内，图5中的所有延迟都可以被实施为多个数字存储设备，用于把所存储的数据从一个设备传递到下一个设备。这样，在一个实施例内，图5的CDMA码字相关器描述了同步数字电路，例如可以被实施为可编程逻辑器件(PLD)，例如现场可编程门阵列(FPGA)等或专用集成电路(ASIC)。
特别是，如果N是每个码片中的样值数量(整数)，则来自必须为DH码相关所保留的每个脉冲对相关器的样值的总数量是N×Nc。如果Nd表示码所使用的不同的脉冲对内延迟的个数(并且因此是接收机内脉冲对相关器的个数)，则为相关所保留的总样值个数就是N×Nc×Nd。在这些样值当中，只有那些与码结构所规定的延迟相匹配的延迟才会被累加起来。由于我们已经规定每个码片间隔内的样值个数应该是整数，因此在每个脉冲对相关器输出波形中的样值的个数就是整数。而且，每个脉冲对相关器输出波形内的样值具有与所有波形的码片的起始时间相同的时间关系，使得可以在给定被发送码的条件下，把它们进行相干相加。
为了令该想法更加具体，我们考虑图6A、6B、6C和6D中描述的实例，其中给出采用带通噪声载波的TR/DH传输解调的各个阶段。图6A是噪声信号波形的一部分，而且所描述片断具有25纳秒的时间长度。图6B描述相关器组中四个放大器的输出。例如，相关器组内的每个相关器都具备如图3所描述的结构。图6C描述15毫秒的时间间隔，在该间隔内发送长度为9.6微秒的单一TR/DH码。四个脉冲对相关器被调谐到调制过程中所用的四个延迟上1.8纳秒、2.8纳秒、3.8纳秒和4.8纳秒。注意到在特定时刻，乘法器输出的平均值总是从零开始偏移；这些时刻对应于被发送码片的时刻。图6C描述脉冲对相关器的四个积分器的输出。波形是来源于仿真的真正码片波形。该实例内发送的DH CDMA码可以被表达为按顺序排列的整数{3，4，1，□4，□1，□2，3，□2，4，□1，□3，□2，□4，1，3，□4}。这一序列数字表示被发送延迟的序号，该序号从最短延迟开始一直到最长延迟，而且数字的符号表示被发送码片的极性。从图6C描述的波形中可以“读取”CDMA码。例如，从左向右读，产生输出波形的第一个信道是信道3，而且该波形的极性是正的。图6D中给出当输入由图6C描述的码片波形构成时，图5中描述的类型的DH CDMA码相关器的输出。对于这种相对较短的码而言，码相关器输出具有较大的旁瓣。其它DH CDMA码将具有上千个码片，而且在输出相关值中，旁瓣的绝对峰值与主瓣峰值之比要低得多。
响应被发送的DH码，DH码相关器的输出是与码片波形相同持续时间和形状的采样波形，但是它与单个码片波形相比，具有较高的SNR。在图7中概要描述了这种输出。
一旦已经构成码字相关器的输出样值(在图7中由黑色的菱形表示)，则接收机必须判断在上一个样值持续时间内是否已经接收到码字。如果判决结果是肯定的，则必须从样值中得到其它数据。在TR/DH数据传输应用中，码字应该被±□1调制，这将表示被发送的信息。
对于PPM/TH前同步应用来说，接收到码字的时刻是最重要的信息。估计该数值的一种方式就是使得脉冲对相关器输出波形的模型与码字生成器输出中的样值相适配。可以在最小均方误差的基础上来完成这种适配，这样就可以导致与高斯观测噪声的最佳适配。图7中给出了该算法的与样值相叠加在一起的可能结果。适配模型在形状上是三角形，它与图6D中描述的DH CDMA码相关器输出函数的主瓣相匹配，该模型受到两个参数的控制，峰值高度h以及峰值的时间位置τ。该信息可以由最佳适配的平方误差和来补充，该最佳适配的峰值处于当前的样值时间间隔内。可以组合峰值的绝对值以及平方误差和，并且与门限值比较，去检测码字。c的取值可以被用作码字到达时间的估计值。
特别是，给定DH码相关器输出数据{x0、x1、...、x}，适配三角形高度的最小均方误差估计由下式给出hφ^=Σn-0NxnT(n,φ)Σn=0NT2(n,φ)]]>其中函数T(n，Φ)是期望波形的三角模型。第一个自变量n是样值的序号；模型的相邻样值可以被考虑由与数据样值相同的时间间隔来分离。对应于在码相关器输出波形的主瓣中期望的样值个数，在该模型中将有N+1个样值。模型的第二个自变量是关于在上述乘法中使用的样值的模型的相对相位。模型的相位可以按照如下方式来解释假设以高速率对模型进行采样，即码相关器输出样值速率的M倍，并且因此整个模型由M(N+1)个样值组成。可以选择M组不同的(N+1)个模型点，由M个高速率样值分离模型点。这些组模型点中的每一组都被当作模型的不同相位，即相位序号为Φ＝1、...、M。
除了上述给出的输出波形高度的最小均方误差估计之外，我们还要求由速率与模型适配所导致的误差。该误差可以由下式给出Eφ=Σn=0N(xn-h^T(n,φ))2]]>其中所有符号都按照以上描述定义。总之，样值序号以及对应于最小误差的相位将定义τ，即TR/DH脉冲到达时间的估计值。由于模型经过附加采样，因此可以以部分采样持续时间的精确性去确定到达时间。
当接收机没有任何先验同步信息，去查找TR/DH码时，为每个新的样值组，即在每个样值时间间隔的结束时去执行上述算法。对于每个新的样值来说，模型的所有相位必须被应用到最后(N+1)个被存储的数据样值中。当为那些高度超过预定门限值，而且模型化误差低于针对模型的所有相邻相位计算得到的误差值，计算一组结果时，我们把该样值序号和相位转换为TR/DH脉冲的到达时间。结果得到的到达时间测量被公认与A/D转换器样值时钟有关，它确定DH CDMA码相关器的输出样值时间。
值得注意的是，对于本发明的脉冲射频形式而言，脉冲对相关器的输出只是近似为三角形，即使是给定理想的有限时间间隔积分器的情况下。其原因在于单个脉冲对相关器输出波形并不是平滑的三角形，而是以离散阶跃形式而不是平滑地上升和下降，参见图4所示。这些阶跃的时间位置是随机变化的，并且对应于单个脉冲对的到达时间。可以看到这种波形之和将汇总为三角形。另一方面，对于噪声载波来说，码片波形是三角形，如图6C的描述。
在上述的到达时间(TOA)估计方法中，真正测量的是分组的最后码片信号的峰值时间。该峰值表示脉冲对被特定延迟终止到达所分割的时刻，而且该抽头对应于被发送构成码字的最后一个码片的延迟。如果发送设备只具有从发射机到接收机的直接路径，则可以由发送时间和所涉及的接收机与发射机之间的距离来确定到达时间的值。
另一方面，任意多径都将会可能在时间上扩展码片信号的峰值，这将会起到如下作用即相对于直达路径的到达时间，被检测到的到达时间将会被延迟。这种延迟最多可以达到所观测到的多径扩展的一半，并且在室内办公室环境内，更加倾向介于约10到50纳秒之间。(参见John Wliey & Sons出版社于1999年出版的，Saunders等人“Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems(无线通信系统的天线和传播)”的第282-285页。)然而，由TR/DH前同步码定位的时间调制UWB脉冲将要经历与为TR/DH头的TOA估计进行修改的完全同样的多径。这就意味着平均来讲，估计仍然处于经过多径信道传播之后到达接收机的延长脉冲的中间位置。
TOA估计中另一种潜在不准确的来源就是发射机码片时钟和接收机样值时钟之间的时钟不匹配。这种不匹配会存在如下影响使得来自脉冲对相关器积分器的波形中的样值位置发生偏移。在接收被发送TR/DH字的过程中，这种针对接收波形相位的样值时钟相位的运动将具有如下影响即在时间上涂抹输出波形。例如，如果被发送的字长400微秒，而且发送和接收时钟频率不匹配10PPM，则CDMA码相关器输出的合成波形就会被抹去4纳秒。结果得到的TOA估计误差的期望值将是该数值的一半。多径环境中只能产生过估计误差，与多径不同的是，时钟频率的这种偏移可以导致TOA的过估计或欠估计。本领域的技术人员将会理解到最大的时钟不匹配是由用于产生发送和接收时钟波形的振荡器的稳定性所决定的。最大的时钟频率不匹配以及由此导致的可允许误差将确定可以被相干组合，构成TOA估计值的字的最大长度，以及因此可以确定TR/DH前同步码的最大长度。码长度直接影响检测概率，并且因此可以影响最大传输范围。本领域的技术人员可以进行这种设计的折衷。
总之，到达时间估计值的准确性将随噪声值和多址接入干扰值降低。另一方面，由于最终步骤的有效SNR将随编码增益而增加，因此准确性将随码字长度而增加。由于样值数量更多，匹配模型的误差就会越小，因此准确性也将随样值速率增加。
在此公开阐述的发明利用单一TR/DH码，作为利用PPM/TH所发送消息的前同步码。
图8A中描述了所提出的PPM/TH脉冲传输，其中包含TR/DH前同步码81以及PPM/TH传输数据分组82。图8B给出接收机在接收这一脉冲期间，可能观测到的TR/DH相关器输出的实例。(在以上描述的算法的上下文中，可能由误差平方和进行修正的参数“h”的估计值就是相关器的输出。)相关器输出的最大峰值的时刻被用作时间标记，它可以实现接收机与随后PPM传输的同步。(可以由上述以及在图4中描述的波形适配算法中的参数τ来估计该时间。)相关器输出的较小峰值则表示自相关的旁瓣，并且与最大峰值相比应该是小的。
原型TR/DH发射机和接收机在室内环境中的实验已经表明以上描述的方法的精确度在10纳秒的误差范围内。在典型室内多径情况中，这意味着时间调制脉冲的第一个脉冲的位置误差将小于该脉冲所经历的延长。(考虑至少部分测量误差来自多径。)这就意味着TR/DH前同步码可以被用于去定位时间调制脉冲的第一个脉冲。这将会在脉冲模式的时间调制UWB的当前性能条件下，大大加快同步的速度，但是它不会消除当前的要求，该要求是在已经获得初始同步之后，需要附加的同步硬件去适当地执行精确同步。
图9是利用TR/DH前同步码进行同步的时间调制UWB脉冲的接收机框图。它是基于图2所示的接收机，但是做出一定的修改，即其中的解调机制被从TR/DH前同步码得到时间标记并且利用它去触发时间调制UWB的接收机的机制所代替。因此，图2和9中的类似参考数字表示相同或类似的结构。DH CDMA码相关器25的输出样值被输入到多相滤波器模块91。该模块实施上述给出的最小均方误差的计算。因为对于每个输入样值来说，需要针对波形模型的所有相位计算所有的平方误差，因此这是一种多相计算。由于该模块的输入可以以高达20M样值/秒的速率被采样，因此该模块可以被实施为小规模的ASIC或PLD。作为该模块的一部分，在图9中已经给出处理最小均方误差序列，并且根据它确定到达时间的逻辑。或者，对于较低的采样速率和较长的码片时间来说，可以在数字信号处理器(DSP)中实施这一功能。
多相滤波器和判决机制的输出可以很方便地以相对于最近样值的样值序号，以及可以被当作是样值持续时间一部分的相位的形式来表示。这种数值数据识别时间时刻，并且必须被“生成启动时间信号”逻辑92转换为触发信号，能够在适当的时刻去启动时间调制UWB传输的相关接收机93。可以由能够访问样值时钟27的DSP方便地执行该功能，数值时间标记以样值时钟作为参考。
注意到，尽管样值时钟只是图9中框图中所示的时钟，但是必须分布一个或多个更精确频率的时钟，去操作实施中所使用的ASIC、PLD或DSP。图9中没有给出这些时钟。
尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解到本发明可以做出修改，但是仍然处于附加权利要求的精神实质和覆盖范围内。特别是，可以理解到，无论采用何种调制格式，本发明的同步方法和装置同样可以通过使用TR/DH前同步码而被应用于任意RF脉冲传输。
权利要求
1.一种射频脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，包含如下步骤在发射机内生成发送参考的前同步码(81)；由发射机向接收机(93)传输发送参考、延迟跳跃(TR/DH)脉冲；在接收机内检测TR/DH脉冲，以生成时间标记；在TR/DH脉冲传输之后，发射机等待固定时间周期，接收机已知该时间周期的持续时间；在固定时间周期期满之后，由发射机传输承载发送消息数据的调制RF的脉冲；以及由接收机利用生成的时间标记，以便开始从发射机接收RF脉冲传输的脉冲。
2.如权利要求1所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中RF脉冲传输是时间调制超宽带(UWB)通信传输的脉冲。
3.如权利要求2所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中时间调制UWB的脉冲是脉冲定位调制、时间跳跃(PPM/TH)的数据分组(82)。
4.如权利要求1所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中由多相滤波器(91)和判决逻辑(26)执行在接收机检测TR/DH脉冲，以生成时间标记的步骤。
5.如权利要求1所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中TR/DH脉冲中包含由Nc个码片构成的码字，所述码片被顺序发送，并且具有固定持续时间Tc，每个码片由Np个脉冲对构成。
6.如权利要求5所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中可以通过利用模型估计由TR/DH码构成的RF脉冲的到达时间(TOA)，执行在接收机检测TR/DH脉冲的步骤。
7.如权利要求6所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中通过由最小平方适配方法来适配模型，执行估计TOA的步骤。
8.如权利要求6所述的RF脉冲传输的初始同步、或捕获的方法，其中通过使用利用具有多个不同相位的模型的多相方案，执行估计TOA的步骤。
9.一种在包含发射机和接收机在内的射频(RF)脉冲通信系统中，用于初始同步的设备，包括用于在发射机内生成发送参考前同步码(81)的发射机中的前同步码生成器，该发射机向接收机传输发送参考、延迟跳跃(TR/DH)脉冲；用于在接收机内检测TR/DH脉冲，以便生成时间标记的检测器(21、41)；在传输TR/DH脉冲之后，用于测量固定时间周期的发射机中的时间延迟装置(31、51)，接收机已知该时间周期的持续时间，发射机在固定时间周期期满之后，发送RF脉冲传输；以及接收机内的相关接收机(93)，用于响应时间标记，开始从发射机接收RF脉冲传输，并且输出已解调的比特。
10.如权利要求9所述的用于初始同步的设备，其中RF脉冲传输是时间调制超宽带(UWB)脉冲传输的脉冲。
11.如权利要求10所述的用于初始同步的设备，其中来自发射机的时间调制UWB脉冲传输的脉冲是脉冲定位调制、时间跳跃(PPM/TH)的数据分组(82)。
12.如权利要求9所述的用于初始同步的设备，其中用于检测TR/DH脉冲以便生成时间标记的接收机内的检测器中包含多相滤波器(91)和门限逻辑(92)。
13.如权利要求9所述的用于初始同步的设备，其中TR/DH脉冲包含由Nc个码片构成的码字，所述码片被顺序发送，并且具有固定持续时间Tc，每个码片由Np个脉冲对构成，接收机内的检测器还包括接收TR/DH脉冲并且生成输出的一组脉冲对相关器(23)；实现所述一组脉冲对相关器输出数字化的一组模拟数字转换器(ADC)(24)；从所述一组ADC接收数字化输出并且生成相关输出的DH码字相关器(25)；以及接收DH码字相关器的相关输出并且生成用于产生时间标记的定时信息的时间估计逻辑(26)。
14.如权利要求13所述的用于初始同步的设备，其中DH码字相关器可以被实施为专用集成电路(ASIC)。
15.如权利要求13所述的用于初始同步的设备，其中DH码字相关器可以被实施为可编程逻辑器件(PLD)。
16.如权利要求13所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过利用模型估计由TR/DH码构成的RF脉冲的到达时间(TOA)，去检测TR/DH脉冲。
17.如权利要求16所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过由最小平方适配方法来适配模型，去估计TOA。
18.如权利要求16所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过使用利用具有多个不同相位的模型的多相方案，去估计TOA。
19.如权利要求16所述的用于初始同步的设备，其中利用专用集成电路(ASIC)来实施时间估计逻辑。
20.如权利要求16所述的用于初始同步的设备，其中利用可编程逻辑器件(PLD)来实施时间估计逻辑。
21.如权利要求13所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑中包括可编程数字信号处理器(DSP)，用于把数值TOA估计转换为用于启动RF脉冲传输的接收的时钟边沿。
22.一种包括用于初始同步的设备在内的射频脉冲通信系统的接收机，包括用于检测发送参考、延迟跳跃(TR/DH)脉冲以便生成由发射机传输的时间标记的检测器(21、41)；以及响应时间标记，用于开始从发射机接收时间调制UWB的脉冲，并且输出已解调比特的相关接收机(93)。
23.如权利要求22所述的RF脉冲通信系统的接收机，其中RF脉冲是时间调制超宽带(UWB)脉冲。
24.如权利要求23所述的RF脉冲通信系统的接收机，其中来自发射机的时间调制UWB的脉冲是脉冲定位调制、时间跳跃(PPM/TH)数据分组(82)。
25.如权利要求22所述的RF脉冲通信系统的接收机，其中用于检测TR/DH脉冲以便生成时间标记的接收机中的检测器包含多相滤波器(91)和门限逻辑(92)。
26.如权利要求22所述的用于初始同步的设备，其中TR/DH脉冲包含由Nc个码片构成的码字，所述码片被顺序发送，并且具有固定持续时间Tc，每个码片由Np个脉冲对构成，接收机内的检测器还包括接收TR/DH脉冲并且生成输出的一组脉冲对相关器(23)；将所述一组脉冲对相关器的输出数字化的一组模拟数字转换器(ADC)(24)；从所述一组ADC接收数字化输出并且生成相关输出的DH码字相关器(25)；以及接收DH码字相关器的相关输出并且生成用于产生时间标记的定时信息的时间估计逻辑(26)。
27.如权利要求26所述的用于初始同步的设备，其中DH码字相关器可以被实施为专用集成电路(ASIC)。
28.如权利要求26所述的用于初始同步的设备，其中DH码字相关器可以被实施为可编程逻辑器件(PLD)。
29.如权利要求22所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过利用模型估计由TR/DH码字构成的RF脉冲的到达时间(TOA)，去检测TR/DH脉冲。
30.如权利要求29所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过利用最小平方适配方法来适配模型，去估计TOA。
31.如权利要求29所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑通过使用利用具有多个不同相位的模型的多相方案，去估计TOA。
32.如权利要求29所述的用于初始同步的设备，其中利用专用集成电路(ASIC)来实施时间估计逻辑。
33.如权利要求29所述的用于初始同步的设备，其中利用可编程逻辑器件(PLD)来实施时间估计逻辑。
34.如权利要求22所述的用于初始同步的设备，其中时间估计逻辑中包括可编程数字信号处理器(DSP)，用于把数值TOA估计转换为用于启动RF脉冲传输的接收的时钟边沿。
全文摘要
时间调制超宽带(UWB)通信的初始同步或捕获方法和设备中使用发送参考的前同步码(81)。该方法和设备要求发射机首先发送时间参考、延迟跳跃(TR/DH)脉冲；例如容易被检测的脉冲，并且能够被处理以提供准确性在几个纳秒之内的时间标记。在TR/DH脉冲的传输之后，发射机等待固定时间周期，接收机已知该时间周期的持续时间，然后发射机发送脉冲定位调制、时间跳跃(PPM/TH)或其它时间调制UWB。在接收到第一个脉冲之后，接收机能够以时间标记的精确度，去估计第二个脉冲的接收时间。
文档编号H04B1/69GK1452340SQ0312298
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月18日 优先权日2002年4月19日
发明者R·T·霍克托尔, S·M·拉迪克 申请人:通用电气公司