专利名称：超宽带接收机和数据传输方法及系统的制作方法
超宽带接收机和数据传输方法及系统本发明涉及一种超宽带(UWB)接收机，还涉及一种通过实施这样的接收机用于发送数据的方法和系统。编码和检波是所有无线频率通信系统中的两个关键元件。在窄带系统中，通过调制正弦波的高频载波编码信息，从而易于在空间辐射和传播。由于该调制相对载波的频率非常慢，调制的信号基本上保持正弦波形。发送和接收之间可能存在的多条传播路径使得接收的信号成为幅度发生 改变并且相位发生偏移的回波的重叠的结果。然而发送信号的波形的正弦特性 确保这种重叠基本保持正弦。在上下文中，由于基准信号的波形为正弦是已知的，可以按照相对可以在 接收机内本地产生的基准信号的相关性的接收检波信号。在超宽带系统中，进行通信的速度比得上载波使用的频率，或非正弦脉冲 载波可以使用的频率。两种方法中，调制信号的波形都不再表现为正弦。使用持续时间非常短的脉冲作为载波使得可以不仅得到非常高速的传输， 而且具有潜在地简化地电子实施例，由于这样的系统中的处理信号本质上依靠 在时域操作信号，而这样的操作容易单片地集成在超大规模集成(VLSI)电 路中。尽管这些优点，超宽带系统在开发中产生困难，因为持续时间短的信号脉 冲需要非常快速地产生并且需要对检波非常精确的时间。能量检波方法不能满足，因为能量检波器不能区分需要的信号和噪音，并 且表现相对低的敏感度。美国专利号No.6,763057说明了一种超宽带数据传输系统，其中需要知道 接收的信号的波形并且产生基准信号，因此该系统相对复杂。在此结合其内容 作为参考。过去的下歹!j出版物Multiuser interference and inter-France interference in UWB transmitted reference systems(UWB传输参考系统中的多用户干扰和》去国 内干扰)，2004， Joint U職ST & I衡WBST， 2004, International Workshop on May 18-21， 2004， pp. 96-100 ;以及Generalized transmitted reference UWB systems (通用ft车俞参考UWB系纟充),Ultra-wideband Systems and Technologies (超宽带系统和技术)，2003, IEEE Conference on November 16-19， 2003， pp. 147-151,也提出了传输超宽带双重线脉冲，该脉冲按精确知道的延迟相关和分 离，在此结合其内容作为参考。当双重线脉冲到达接收机时，两个脉冲已经受到相同的变形并且他们保持 相关。接收包括用于产生接收到的信号的延迟复制的延迟线，该延迟复制具有由 延迟线产生与双重线脉冲之间的延迟相同的延迟。相关器接收这两个信号和产 生的检波信号。这种方法消除了产生基准信号的困难，然而实现延迟线是复杂的。此外， 该延迟不容易编程并且该延迟线表示长度，这使得它实际上不可能集成在一个 微小电路中。本发明寻求建议一种超宽带接收机，其呈现良好的性能而具有简单的结构。这样，本发明的一个方面提供一种超宽带信号接收机，包括 至少一个第一组取样单元，用于取样接收信号的波形；至少一个第二组取样单元，用于以预定的延迟S取样接收信号的波形；以及至少一个相关器，用于传输取决于取样的波形之间的相关性的信息。倘若接收信号包括至少两个以持续时间S偏置的互相关脉冲，这样的接收 机使得可以省略产生接收信号的波形。术语"相关器"应该广义的理解并且覆盖一般所有能够传输其值取决于至 少两个波形之间的相似性的信号的器件。可以选择延迟S，例如作为传播路径的函数，这样以能够阻止两个脉冲重 叠的方式接收两个脉冲而没有重叠。作为示例，延迟S在10ns (纳秒)到50ns的范围内。在本发明的一个实施方式中，第一和第二组取样单元的信号获取通过分别 与所述单元组关联的延迟元件的两个不同的链控制。
延迟元件的不同链的存在使通过第二组取样单元得到的信号能够以简单 和精确的方式控制，例如利用石英器件。在本发明的另一个实施方式中，第一和第二组取样单元的信号获取通过延 迟元件的单个链控制。作为示例，所述延迟在通信进行期间是常数。在本发明的另一个实施方式中，作为选择所述延迟可以是可编程的，例如 在任何一个通信进行期间，延迟可以是常数或者以预定关系变化。当各传输系统具有分配给它自己的延迟5时，以类似于在传统窄带传输中 频分的方式，可以多个同时传输。延迟5对于相关的发射机和接收机在相同已知的关系的应用中可以是可编 程的。本发明的一个优点是在发射机和接收机之间容易同步，因为它们满足脉冲 位于用于建立同步的取样时间窗中。例如，该取样窗优选地具有数十纳秒的持续时间，而脉冲的持续时间是几 百皮秒的数量级。这样的数量级便于构造并且有效地减少复杂度和减少耗电。在某些实施方式中，本发明的接收机不需要具有天线放大器，从而进一步 方便构造并且进一步减少耗电。在本发明的另一方面，还提供了一种数据传输方法，所述方法包括接收包括至少两个承载有用信息的互相关脉冲的超宽带信号，所述两个脉 冲在时间上以延迟5偏置；对接收信号进行第一取样； 以延迟5对接收信号进行第二取样；发送取决于两个取样信号之间的相关性的信号。取样速度优选地大于或等于包含在接收信号的脉冲中的最大频率的两倍。作为示例，取样频率可以大于10千兆赫(GHz)，例如大约20GHz。当传输的信号包括双重线脉冲时，例如可以采用开/关编码(OnOffKey)或采用差分编码传输信息。接收机具有相应的解码器。在本发明不同的实现中，双重线中传输的脉冲根据要发送的二进制状态可以同相或反相，从而使发射机的电路复杂，但是提供了改善的信噪比。 例如，各组取样单元具有100到300的取样单元。 第一和第二组取样单元和相关器优点在于以单片集成电路的形式构造，特 别是采用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。在本发明的另一方面，还提供了一种数据传输系统包括 至少一个如上定义的超宽带接收机；以及至少一个发射机，设置为发送至少两个互相关脉冲的多重线，尤其是互相 关脉冲的双重线，这两个脉冲以预定延迟偏置。本发明在阅读以下非限制性实施方式的详细说明和观察附图之后更好理 解，其中
图1为根据本发明的实施方式制造的数据传输系统的示意图； 图2示出了双重线脉冲的示意图；图3示出了可以用于产生双重线脉冲的信号的示意图； 图4示出了表示根据本发明的接收机的一个实施方式的细节的一部分方 框图；图5示出了一组取样单元的示意图；图6示出了接收到的信号的示例；图7示出了取样后的信号的示例；图8示出了并行单元相关器的结构的示意图；图9示出了记录在两组取样单元中的波形的并置；以及图IO示出了取样单元的不同排列。图1所示的超宽带数据传输系统1包括发射机2和设置接收来自发射机2 的信号的接收机3。根据本发明的一个方面，发射机2发送多重线脉冲，各自包括至少两个脉 冲，并且具体的双重线脉冲如图2所示，双重线内的两个脉冲6和7分离精确 知道的延迟S。在所示的示例中，两个脉冲6和7相位相反，例如分别在图3所示的二进制信号的上升沿4和下降沿5上产生。可以利用快速阶跃恢复二极管(SRD)电路产生该脉冲。 发射机和接收机的天线是任意方向宽带天线，例如双锥、锥盘、或行波类型天线。文献"UWB, Theory and Applications (UWB原理和应用)"，编者Ian Oppermann， Matti H汪maMnen， Jari， Linatti， John Wiley and Sons, Ltd., 2004 ISBN 0-470-86917-8,在此结合其内容作为参考。由发射机发送的信息可以用各种方式编码，例如采用开/关编码或差分编码。接收机3包括图4中非常详细示出的接收机电路9。接收机电路9包括如图5所示排列的取样单元16的第一组10，和取样单 元16的第二组10'，例如与第一组相同排列，两组并行接收来自天线的信号 11。接收机电路9还包括传输取决于由第一和第二组取样单元取样的波形之 间的相关性的检波的信号14的并行单元相关器13，在下面详细说明。在出版物"Gigahertz waveform sampling and digitization circuit design and implementation (千兆赫波形取样和数字化电路设计和实现)"中说明了能够 取样快速波形的取样器，在此结合其内容作为参考。在得到的信号15的基础上执行取样，该信号15在到达第二组IO，之前由 延迟元件22延迟持续时间S。作为示例，得到的信号15由石英器件产生，并且各取样周期可以在相关 器13已经传输与取样的波形之间可能的相关性有关的信息之后发生。作为示例，延迟元件22是可编程的，从而使可以创建通信信道。在通信进行期间，延迟5可以是常数，或者如果在发射机采用接收机已知 的预定关系改变延迟S，延迟S能够是可变的。在图4的示例中在各组10或组10'中利用引入连续延迟T的延迟元件18 链控制取样单元16，这样插入该延迟元件18链的得到的信号15传播并且由 单元16接连地触发取样。这样各组10和10'用于记录对应在得到的信号沿着该延迟元件18链传播 的持续期间的取样信号的波形的电压Vp V2、 ..Vn和V、、 V'2、 ...V'n。图6示出了图2的双重线已经被发送之后接收的信号的示例。图6示出了信号由于传播如何变形。图7示出了在取样单元的第一和第二组10或10'中取样的信号。 作为示例，图8图形地示出的相关器13是并行单元相关器，具有可以产 生电压的乘积V^ V、、 V2*V，2、 ...Vn* V，n的多个单元20，并且计算这些乘
积的和。例如，这些电压是利用Gilbert (吉尔伯特)单元相乘的。 图9示出了并列方式的在第一和第二组取样单元中取样的两个波形。检波 信号14取决于他们的相似性。自然的，本发明不局限于以上所述实施方式。例如，如图IO所示，取样单元16的组10和IO，可以由延迟元件的单一 链控制。第一和第二组10和10'之间确定数目的延迟元件18用于产生延迟5并且 控制第二组IO'以所述延迟S取样。本发明的数据传输系统可以有很多应用，例如用于在短距离传输数字数 据，例如作为蓝牙@技术的代替，用于是传感器在网络中通信，或者用于适用 于电话和其它便携式电子器件。合适的情况下，当接收的信号包括三重线脉冲或其它多重线脉冲时，接收 机可以具有三个或更多的取样单元。可以除了采用Gilbert单元之外的方法执行对应相关器中取样的波形的电 压的处理，例如通过估计幅度<formula>formula see original document page 9</formula>合适的情况下，取样单元可以是更复杂的单元，例如能够存储除了模拟形 式以外的数字形式的信息。接收机和发射机之间的连接可以是通过电线。全部说明书，包括权利要求中，除非指定为相反的，术语"包括一个"应 该理解为"包括至少一个"的同义词。
权利要求
1、一种超宽带信号接收机，包括至少一个第一组取样单元，用于取样接收信号的波形；至少一个第二组取样单元，用于以预定的延迟δ取样接收信号的波形；以及至少一个相关器，用于传输取决于取样的波形之间的相关性的信息。
2、 根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，第一和第二组取样单元 的信号获取通过分别与所述单元组关联的延迟元件的两个不同的链控制。
3、 根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，第一和第二组取样单元的信号获取通过延迟元件的单一链控制。
4、 根据权利要求1到3其中之一所述的接收机，其特征在于，所述延迟5 是可编程的。
5、 根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，延迟S在通信进行期间是 常数。
6、 根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，延迟S在通信进行期间以 预定关系的变化。
7、 根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，相关器是并行单元相关器。
8、 根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述第一和第二组取样 单元和相关器是以单片集成电路的形式构建。
9、 根据以上权利要求其中之一所述的接收机，其特征在于，没有天线放 大器°
10、 一种数据传输方法，包括接收包括至少两个承载有用信息的互相关脉冲的超宽带信号，所述两个脉 冲在时间上以延迟5偏置； 接收信号的第一取样； 接收信号以延迟5的第二取样； 发送取决于两个取样信号之间的相关性的信号。
11、 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，传输的信号包括双重线脉冲。
12、 根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，采用开/关编码传 输所述信息。
13、 根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，采用差分编码传输 所述信息。
14、 根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，至少一个传输的双 重线的脉冲是相位相反的。
15、 一种数据传输系统，包括至少一个如权利要求1到9中任意一个定义的超宽带接收机；以及至少一个发射机,设置为传输至少两个由预定延迟s偏置的互相关脉冲的多重线。
全文摘要
本发明涉及一种超宽带信号接收机，包括至少一个第一组取样单元，用于取样接收信号的波形；至少一个第二组取样单元，用于以预定的延迟δ取样接收信号的波形；以及至少一个相关器，用于传输取决于取样的波形之间的相关性的信息。
文档编号H04B1/69GK101120513SQ200680003464
公开日2008年2月6日 申请日期2006年1月23日 优先权日2005年1月28日
发明者杨·倪 申请人:电信学校集团国家电信研究院