专利名称：无线通信系统中的脉冲检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信，尤其涉及用于无线通信系统的接收机。更具体地说，本发明涉及一种例如用于超宽带(UWB)无线通信系统的脉冲检测设备和方法。该通信系统可以是从发射机向接收机发送数据的信令系统，或者，它可以是雷达或定位系统，其中，组合的发射机/接收机检测它自身发射的信号的反射。
术语“超宽带”用于表示多个不同的无线通信系统。在超宽带(UWB)通信系统的一种形式中，发射机产生以射频发射的脉冲序列。接收机的功能是检测这些脉冲，以便于能够从发射的信号中提取数据。例如，每个发射的脉冲或小波可以对发射数据的一个或多个比特进行编码，用不同形状的发射脉冲对不同的发射比特进行编码。或者，发射数据可用于对发射脉冲的位置或相位进行调制。
WO01/93444公开了一种与进入信号实现同步的UWB接收机。将接收机产生的本地脉冲与收到的信号进行相关，当相关度高时，则确定已经实现同步。
但是该系统的缺点在于，把接收机同步到进入信号需要相当多的时间，并且，接收机需要准确的时间生成器。
2002年9月由O′Donnell等发表于《IEEE CAS Workshop onWireless Communications and Networking》的文献“An Integrated，Low-Power，Ultra-Wideband Transceiver Architecture for Low-Rate，Indoor Wireless Systems”提出了另一种UWB接收机结构。该文献公开了使用一组模数转换器，这组模数转换器用于在脉冲周期内对收到信号的实现完全模数转换。
但是，其缺点在于，为了能够实现所要求的完全模数转换，设备的功耗很高。
本发明的一个目的是提供一种对系统硬件要求最低的接收机结构。
根据本发明的第一个方面，提供了一种通信接收机，其包括脉冲检测单元，用于检测收到的信号中的脉冲，所述脉冲检测单元包括多个比较器；采样时间生成器，用于生成表示多个采样时间点的信号；以及参考电平生成器，用于生成多个参考电平；其中，用从所述多个采样时间点中选出的采样时间点和用从所述多个参考电平中选出的参考电平，可以对所述比较器中的每一个进行编程；以及其中，将所述收到的信号应用于所述比较器中的每一个，以使得所述比较器中的每一个根据在所述选中的采样时间点处所述收到的信号电平和所述选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于检测通信接收机中收到的脉冲的方法，该方法包括生成表示多个采样时间点的信号；生成多个参考电平；用从所述多个采样时间点中选出的采样时间点和用从所述多个参考电平中选出的参考电平，对所述比较器中的每一个进行编程；以及将所述收到的信号应用于所述比较器中的每一个，以使得所述比较器中的每一个根据在所述选中的采样时间点处所述收到的信号电平和所述选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。
通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目的和特征将变得更加显而易见，在附图中
图1是根据本发明的无线通信系统的示意性框图；图2是表示图1的系统中的可能信号的时序图；图3是图1的系统中的接收机的一部分的放大框图4是图3所示的设备的操作方法的流程图。
图1是根据本发明的无线通信系统的框图。具体而言，该系统包括接收机10，接收机10包括处理器12、发射电路14和天线16。处理器12接收待发射数据，并将该数据转换成能够被发射电路14处理的形式。然后，发射电路14输出信号，以由天线16发射。发射机10通常可以是传统的。
接收机20包括天线22、接收电路24、脉冲检测电路26和数字信号处理器28。把收到的信号提供给接收电路24，接收电路24对信号执行初始射频处理。然后，把信号提供给脉冲检测电路26，脉冲检测电路26检测收到的信号中是否存在发射的脉冲，然后，把表示检测到的脉冲的信号传送到DSP 28，以做进一步处理。
因此，在图1所示的优选实施例中，本发明用于形式为信令系统的超宽带(UWB)通信系统，其中，从发射机向接收机发送数据，但是，相同的原理也适用于包括UWB雷达和定位系统的其他无线通信系统，其中，单个设备集成了用于发射脉冲的发射机和用于检测反射脉冲的接收机。
图2示出了可在UWB系统中发射的信号的一种可能形式的时序图。具体而言，发射机10发射脉冲序列30、32。显而易见的是，为便于说明和解释，图2只示出了两个脉冲，但发射通常包含大量的脉冲。
还应当理解的是，图2示出了信号被发射时的形式。发射机和接收机之间的无线信道中的失真和噪声以及发射机和接收机中引入的较小程度的失真意味着，收到的信号与发射的信号不完全相同。接收机的功能是利用收到的信号的可用信息来确定发射信号的形式。
在图2中，第一脉冲30从时间T1延伸直至时间T2，第二脉冲32从时间T3延伸直至时间T4。每个脉冲的持续时间，即时间间隔(T1，T2)和(T3，T4)，通常为几毫微秒或更小的数量级。相比之下，脉冲之间的间隔，即时间间隔(T1，T3)，通常是几十或几百毫微秒的数量级。
通过连续脉冲调制，接收机中能够重新恢复发射信号所包含的信息。在该简单例子中，图2所示的脉冲30、32具有不同形状，例如可以分别表示发射的二进制0和发射的二进制1。把待发射数据编码成连续的不同形状脉冲，接收机20中的脉冲检测电路26能够检测各脉冲表示二进制0还是二进制1，并且能够把该信息输出到DSP 28。
当然，本发明也适用于任何合适类型的调制，例如脉冲位置调制、二相调制或脉冲幅度调制。
图3是接收机20内的脉冲检测电路26的框图。
脉冲检测电路26有输入端42，输入端42从接收机前端电路24接收信号。把收到的信号并行地提供给一组锁存器电路44a、44b、…、44n，图3只详细示出了其中的第一个。
把从输入端42收到的信号和参考信号提供给前置放大器48。前置放大器48的输出应用于锁存器50的第一侧。时间信号应用于锁存器的控制输入端52，并且，当收到时间信号时，锁存器的输出端54提供一个信号，表示收到的信号高于或低于参考信号所设定的门限电平。
在锁存器电路44a中可以提供电流源。但是，有益的是，单个电流参考能够驱动偏置电流到锁存器电路44a、44b、…、44n中的每一个锁存器中的前置放大器48和锁存器50。
该脉冲检测电路包括参考电平设置模块54和参考选择开关56，参考电平设置模块54例如可以包括电阻梯子(resistive ladder)，提供多个可用参考电平，参考选择开关56可以把从可用参考电平中选出的相应参考电平提供给锁存器电路44a、44b、…、44n中的每一个。
脉冲检测电路26还包括参考时钟58和时间选择开关60，参考时钟58用作延时生成器，时间选择开关60把合适的相应时间信号提供给锁存器44a、44b、…、44n中的每一个。参考时钟生成电路58优选基于由锁相环(PLL)锁定到外部参考的压控振荡器(VCO)和能够生成细微间隔时间信号的延时锁定环路(DLL)。
在本发明的该优选实施例中，从DSP 28接收的输入控制参考选择开关56和时间选择开关60。
对于图2所示的示例性的收到信号，在第一个脉冲30期间，参考电平生成电路56提供7个可用的参考电平L-3、L-2、L-1、L0、LI、L2和L3，参考时钟生成电路58提供6个可能的时间采样点，即T11、T12、T13、T14、T15和T16。尽管图2没有显示，在第二个脉冲32以及各后续脉冲内，参考时钟生成电路58同样提供六个可能的时间采样点。
根据输出测量值所需的分辨率，可以提供任何数量的参考电平和时间采样点。
在第一个脉冲30内，向锁存器电路44a、44b、…、44n中的每一个提供从所述参考电平中选出的一个参考电平和从所述可能的采样时间中选出的一个采样时间。因此，锁存器44a、44b、…、44n用作比较器，每个锁存器在其相应的输出端54提供一个输出信号，表示收到信号的电平是否超过该时间点处的门限电平。然后，将来自锁存器44的相应输出端54的输出信号提供给DSP 28。
本发明来自于这样的认识为了成功检测收到的脉冲，不需要对收到信号执行完全的模数转换。相反，从一部分可能门限电平和时间点处的比较器获得输出就足够了。例如，在图2所示的示例性例子中，七个可用参考电平L-3、L-2、L-1、L0、LI、L2和L3和六个可能时间采样点T11、T12、T13、T14、T15和T16将提供参考电平和时间采样点的42种可能组合。
但实际上，只需要从很少量的比较器获得比较输出，用七个可用参考电平中之一和六个可能时间采样点中之一对每个比较器进行编程，就能够以高度确定性分辩出可能的发射信号。
所需的比较器数量取决于发射信号的调制模式，调制模式越复杂，所需的比较器就越多。此外，通过提供附加的比较器，接收机能够获得收到的脉冲形状和脉冲幅度的附加信息。
图2示出了一个实现示例。为便于说明，图2不仅示出了发射的脉冲30，还示出了上面重叠的用虚线表示的另一脉冲形状70，其在那时可能已经被发射。此外，还必须注意的是，实际收到的信号与可能的发射脉冲30或70不会完全相同。但是，接收机必须基于实际收到的信号，以高度的确定性判断在那时可能发射了脉冲30、70中的哪一个。
在该说明性例子中，用七个可用参考电平中之一和六个可能时间采样点中之一对十个比较器中每一个进行编程，在图2中用十字标注这些组合。因此，用参考电平L0和时间采样点T11对第一比较器进行编程，用参考电平L1和时间采样点T12对第二比较器进行编程，用参考电平L-1和时间采样点T12对第一比较器进行编程，等等。通常，对于可用时间采样点中的至少一些，需要用不同的参考电平和共享的时间采样点，对至少两个比较器进行编程。
可以看出，对于每一个编程的组合中，期望脉冲30生成一个特定的比较器输出，而期望脉冲70生成一个相反的比较器输出。尽管这些结果容易受到失真的影响，但是，对于发射了这两个脉冲中的哪一个，来自所有十个比较器的输出应当产生可接受确凿的判断结果。
如上所述，通过提供两个分别用参考电平L3和时间采样点T13编程以及用参考电平L-3和时间采样点T13编程的附加比较器，接收机能够获得脉冲幅度的有关附加信息。
可以使用预期脉冲的任何可用信息，例如，关于预期幅度或到达时间的信息以及关于脉冲调制的可能形式的信息，选择每个比较器中被编程的参考电平和采样点。可用信息会有所不同，这取决于接收机用于信令通信系统或雷达或定位系统。
在脉冲检测电路26的操作的初始获取阶段，当尚未检测到脉冲时，还没有预期幅度或到达时间的有关可用信息。因此，在该操作阶段中，需要选择间隔较宽的采样点，以便于这些采样点中之一实际出现在一个脉冲周期内的概率较高。此外，优选设置较高的初始门限值，然后随着时间降低门限值，以确保如同预期那样检测收到的脉冲、而不是噪声。
图4的流程图示出了脉冲的预期幅度和到达时间的有关信息存在时初始获取阶段之后脉冲检测电路26的操作方法。
在步骤60中，确定脉冲的幅度和到达时间，例如如上所述。该信息用于选择门限值和采样点的组合，提供的信息实际可用于检测脉冲和分辩可能的发射脉冲形状。因此，可以选择小于最大脉冲幅度、但具有可比幅度的门限值。同样，可以选择位于接收脉冲时段内的采样点，也就是说，例如，在图2中，在时段(T1，T2)内，而不是(T2，T3)内。
在步骤62中，确定所使用的调制模式。例如，接收机20能够从多个发射机或一个可使用不同调制模式的发射机，接收信号。
在步骤64中，确定最佳门限值和采样点。关于调制模式的信息，即，借助于发射的脉冲的形状的有关信息，可以实现门限值和采样点的选择，从而能够以所需的高概率分辩可能的发射脉冲形状。例如，对于图2所示的脉冲30、32的情况，时间T11的信号幅度小于L3，这与在时段(T1，T2)内接收到两个脉冲中的哪一个无关。因此，不选择门限值L3和采样点T11的组合，因为那无助于分辩这两个可能的发射脉冲形状。
可以把每个可用的采样点编程到一个或多个锁存器中。通过与不同的门限值进行组合，可以把一个采样点编程到一个以上的锁存器中，尽管时间位置生成器的负载程度对可用单个时间采样点进行编程的锁存器的最大数量有限制。
在考虑调制模式的同时选择门限值和采样点，这意味着该接收机是相当灵活的。
另一个要考虑的因素是，通过合适地选择门限值和采样点，比较器输出可用于更准确地确定收到脉冲的确切时间位置和幅度，因此，可用于优化对未来脉冲的幅度和到达时间的预测。
在步骤66中，用所选择的门限值和采样点的组合，对锁存器电路44a、44b、…、44n进行编程，在步骤68中，产生所得的比较器输出，并将其发送给DSP 28。
根据一个脉冲内收到的比较器输出，DSP 28可以预测最有可能收到可能发射脉冲中的哪一个。然后，可以从检测到的脉冲中提取出发射的信息，并将其用在信号的进一步处理中。
因此，用每个脉冲内选择的门限值和采样点的组合，对每一个锁存器44a、44b、…、44n进行编程。图3所示的锁存器的优点在于，它们能够快速地做出反应(例如，具有数量级为50微微秒的获取时间)。这也意味着，在收到脉冲之前，只需把锁存器偏置很短的时间，从而降低电路的功率耗散。提供给锁存器44a、44b、…、44n的偏置参考也可以提供给信号前置放大器，从而不需把部件加倍。
尽管锁存器需要的获取时间短，但不需要它们具有较短的转换和复位时间。这是因为，每个锁存器只需在每个脉冲内产生一个输出信号。因此，锁存器的转换和复位时间可以是毫微秒的数量级。
如上所述，在提供给信号检测单元26之前，需要把收到的信号在接收电路24中预先放大，以确保它们的幅度适于与可用参考电平进行比较。或者，参考电平产生器54可以包括可变增益。在这种情况下，根据所确定的脉冲幅度，可以调节可用的参考电平，以使它们的幅度适于与收到信号进行比较。为了实现这一点，参考电平生成器54通过一个相乘数模转换器，生成所需的参考电平。
因此，在具有可接受功耗的设备中，提供了一种能够检测收到的脉冲、而不需要大量硬件的脉冲检测单元。
概括地讲，在通信系统中，通过用从多个采样时间点中选出的一个采样时间点和从多个参考电平中选出的一个参考电平对多个比较器中的每一个进行编程，在通信接收机内检测脉冲。把收到的信号提供给每一个比较器，从而每个比较器根据在所选采样时间点收到的信号电平和选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。
基于脉冲预期到达时间的有关信息，以及基于所述脉冲的可能形状的有关信息，选择采样时间点和参考电平的组合，因此，在具有可接受功耗的设备中，该设备能够检测收到的脉冲，而不需要大量的硬件。
该通信系统可以是信号系统，或雷达或定位系统。
权利要求
1.一种通信接收机，包括脉冲检测单元，用于检测收到的信号中的脉冲，所述脉冲检测单元包括多个比较器；采样时间生成器，用于生成表示多个采样时间点的信号；以及参考电平生成器，用于生成多个参考电平；其中，用从所述多个采样时间点中选出的采样时间点和用从所述多个参考电平中选出的参考电平，可以对所述比较器中的每一个进行编程；以及其中，将所述收到的信号应用于所述比较器中的每一个，以使得所述比较器中的每一个根据在所述选中的采样时间点处所述收到的信号电平和所述选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。
2.如权利要求1所述的通信接收机，包括信号处理器，用于根据来自所述比较器的所述输出信号，检测所述收到的信号中的脉冲。
3.如权利要求1所述的通信接收机，其中，所述信号处理器用于用相应的选出的采样时间点和参考电平，对所述比较器进行编程，以便于检测所述脉冲。
4.如权利要求1、2或3所述的通信接收机，包括前置放大器，用于把所述收到的信号预先放大到合适的电平，以与所述多个参考电平进行比较。
5.如权利要求1、2或3所述的通信接收机，其中，所述参考电平生成器用于调节所述生成的多个参考电平，以与所述收到的信号进行比较。
6.如前面任一权利要求所述的通信接收机，还包括电流参考，用于将偏置电流驱动到所述多个比较器。
7.一种用于检测通信接收机中收到的脉冲的方法，该方法包括生成表示多个采样时间点的信号；生成多个参考电平；用从所述多个采样时间点中选出的采样时间点和用从所述多个参考电平中选出的参考电平，对所述比较器中的每一个进行编程；以及将所述收到的信号应用于所述比较器中的每一个，以使得所述比较器中的每一个根据在所述选中的采样时间点处所述收到的信号电平和所述选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。
8.如权利要求7所述的方法，包括基于来自所述比较器的所述输出信号，检测所述收到的信号中的脉冲。
9.如权利要求7或8所述的方法，包括把所述收到的信号预先放大到合适的电平，以与所述多个参考电平进行比较。
10.如权利要求7或8所述的方法，其中包括调节所述生成的多个参考电平，以与所述收到的信号进行比较。
11.如权利要求7-10中之一所述的方法，包括根据所述脉冲的可能形状的有关信息，用相应的选出的采样时间点和参考电平对所述比较器进行编程。
12.如权利要求7-11中之一所述的方法，包括根据所述脉冲的预期到达时间的有关信息，用相应的选出的采样时间点和参考电平对所述比较器进行编程。
全文摘要
用从多个采样时间点(58、60)中选出的一个采样时间点和用从多个参考电平(54、56)中选出的一个参考电平，对多个比较器(44a、44b、…、44n)中的每一个进行编程，从而在通信接收机中检测脉冲。将所述收到的信号应用于这些比较器中的每一个，以使得这些比较器中的每一个根据在所述选出的采样时间点处所述收到的信号电平和所述选出的参考电平之间的比较结果，产生相应的输出信号。根据脉冲的预期到达时间的有关信息和根据所述脉冲的可能波形的有关信息，可以选择采样时间点和参考电平的组合，从而，在具有可接受功耗的设备中，该设备能够检测收到的脉冲，而不需要大量的硬件。该通信系统可以是信令系统，或雷达或定位系统。
文档编号H04B1/69GK1774897SQ200480009927
公开日2006年5月17日 申请日期2004年4月13日 优先权日2003年4月14日
发明者拉夫·L·J·罗弗斯, 哈里什·昆杜尔·苏布拉玛尼彦, 杰尔拉德·范德韦德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司