专利名称：一种实现脉冲超宽带信号突发采样的方法及接收装置的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及IR-UWB技术，具体的说是通过应用 能量检测和突发釆样技术相结合实现IR-UWB信号的接收方法及其接收装置。
背景技术：
UWB无线电技术是一种新型的无线通信技术，它有两种定义方式l)信 号的10dB带宽『"00M压；2)信号的相对带宽^^20.25,其中，A和人分别表示低于信号最大发射10dB处的高端和低端频率，/^(A+厶)/2。由 于没有限定信号的时域波形特征，因此，有多种类型UWB信号，其中IR-冊B 是其中最主要的一类。IR-UWB与传统的基于正弦载波为信息载体的连续波传输方式相比，在信号产生、信道特性、调制解调、信道同步和以及实际应用等方面都存在很大 的差别。IR-鼎B具有对信道衰落不敏感、抗多径、信号隐蔽性强、传输速率高、定位精度高、空间容量大、穿透能力强和系统复杂度低等众多优点，使 得其在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像和武器控制等众多领域具 有很强的竟争力和广阔的应用前景。在IR-UWB通信中，发射机发射单周期亚纳秒级脉冲，脉冲与脉冲的间隔 是可由跳时码(伪随机码)来控制和改变的，通过引入跳时码可以平滑IR-冊B 信号频域特性和提高系统抗干扰能力。跳时码设计得好坏在很大程度上决定 了UWB系统的性能，其设计标准为，系统不同用户间的脉冲碰撞尽可能少和 系统容纳的用户要尽可能的多。IR-UWB系统是用很窄的且占空比极低的亚纳秒级窄脉冲来传输消息，为 了保证UWB脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零，所以经常釆用高斯 波形脉冲及其n阶导数波形脉冲来作为超宽带窄脉冲的时域波形。IR-冊B系统可釆用多种扩频调制方式，若IR-冊B系统采用扩频方式采用跳时扩频调制方式，此时IR-冊B被称为TH-UWB;若扩频方式釆用BPSK直接序列扩频，此 时系统被称为DS-冊B系统。当然IR-UWB系统可同时采用跳时和BPSK直接序 列扩频，此时系统可被称为TH-DS-UWB系统。式(1 )给出了 TH-DS-UWB信号 的时域表达式为柳=、/^1>—」，v—,冲-/t厂。-t;-s厂r] ( 1 )其中A为比特能量；巧为表示一个信息符号所使用的脉冲个数；"，^为 发送的信息符号，当系统为二进制时^.,""+i,-1},其中^」表示不大于x的最大整数；iW，^为系统采用的扩频序列，下标7modA^表示求余运算； 是UWB信号的脉冲；T)为两个相邻脉冲的平均时间间隔(在IR-UWB系统中通常被称为'帧，)；。￡{0,1,...，^-1}为跳时码，其中^为跳时码的长度；t;表 示脉冲PW的持续时间，为充分利用跳时码的增益，通常需要K., r,和z;满足 w^r,/z;》i; ^表示发送端产生脉冲的定时抖动；r表示传输时延。当不考虑跳时或不考虑BPSK直接序列扩频时，式(1 )可简化为DS-冊B或TH-UWB。 由于在IR-UWB系统中所使用的脉冲;^)的持续时间7;是亚纳秒级，因此 在接收端如何提取脉冲是IR-冊B接收系统实现的关键问题，目前主要存在两 大类方法。第一种是将N个高速模拟-数字变换器(模拟数字信号转换器) 并行，每个模拟数字信号转换器的釆样时钟是速率相同但不同相位的同源时 钟，然后接收端再使用高速信号处理器对信号样值进行处理实现系统的同步 捕获跟踪与数据恢复。但是由于不能确定信号脉冲的到达时间，模拟数字信 号转换器需要一直不断的对接收到的IR-冊B信号进行高速采样，这会消耗掉 大量的系统功率；另一种方法是利用能量检测器取代模拟数字信号转换器， 对IR-UWB脉冲的能量进行检测，将IR-UWB脉冲的能量作为信息恢复的依据。这种方法的缺点在于需要高性能的能量检测器对脉冲的能量进行精确估计，而且由于能量检测器的模拟特性其输出信号难于与数字信号处理技术相结合。发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，综合能量检测和数字化接收的优势,提出一种基于突发釆样技术的IR-UWB信号接收方法及其接收装置。 在本发明所提出的IR-冊B信号接收方法中，使用能量检测方法识别IR-冊B 信号的到达时刻，使得模拟数字信号转换器只在存在IR-UWB信号才对信号进 行釆样，避免了模拟数字信号转换器的长期工作，降低系统功率消耗。为实现上述目的，本发明釆用的技术方案是 一种用于实现脉冲超宽带 信号突发釆样的接收装置，所述接收装置的输出端连接有数字信号处理单元， 所述接收装置包括 一个用于检测脉冲能量的能量检测单元， 一个用于对信 号进行延迟的信号延迟单元， 一个用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数 字信号转换器， 一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数字信号转 换器进行控制的系统控制单元；能量检测单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接系统控制单元； 信号延迟单元输入端接收IR-冊B信号，输出端连接模拟数字信号转换器；系统控制单元输入端连接能量检测单元的输出，输出端连接模拟数字信 号转换器、信号延迟单元和数字信号处理单元；模拟数字信号转换器输入端连接信号延迟单元和系统控制单元，输出端 连接数字信号处理单元。一种利用所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发釆样的方法，所述釆样 方法包括以下步骤1) 将IR-UWB信号分成两路相同的信号， 一路信号输入到信号延迟单元， 信号延迟单元根据时间延迟量将信号延迟，另一路信号输入到能量检测单元进行能量检测；2) 当能量检测单元检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号送 入系统控制单元，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元输 出信号进行釆样；当能量检测单元检测不存在IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号送入系统控制单元，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延迟 单元输出信号的釆样；3) 系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为相邻UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元，系统控制单元将时间延 迟量返回给信号延迟单元；4) 数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器釆样得到的信号和脉冲时 间间隔参数，恢复传输的信息。本发明与现有技术相比具有以下优点由于模拟数字信号转换器只在信号中存在IR-冊B脉冲时才进行高速釆 样工作，即实际上作为系统中的主要功率器件的模拟数字信号转换器大部分 时间处于空闲状态。因而与普通的模拟数字信号转换器一直处于高速釆样的 IR-UWB接收机相比可大大地节省系统功率；与普通的基于能量检测的IR-UWB接收机相比，更容易与数字信号处理技术相结合，获得更高的系统性能。
图1本发明IR-UWB接收系统原理框图。 图2基于本发明方法的2PPM-冊B数字接收系统框图。 图3基于本发明方法的DS-UWB接收系统框图。 附图标记说明2 —第一控制信号； 5 —启动/暂停信号；1 —IR-冊B信号; 4一延迟信号；7—信号；ll一信号延迟单元;14一能量检测单元; 17 —乘法器；8—时间延迟量；12 —模拟数字信号转换器；15 —系统控制单元； 18 —积分器；3 —第二控制信号； 6—脉冲时间间隔参数；IO—接收装置；13 —数字信号处理单元；16—比特判决单元； 19一第二比特判决单元；20—同步捕获与跟踪21 —本地模板信号产30—同步信号；单元； 生单元；31 —伪随机序列模板32 —积分变量。信号；具体实施方式
实施例1如图1所示为IR-UWB接收系统，包括接收装置10和数字信号处理单元 13,接收装置10包括一个用于检测脉冲能量的能量检测单元14, 一个用于 对信号进行延迟的信号延迟单元11， 一个用于将模拟信号转换成数字信号的 模拟数字信号转换器12， 一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数 字信号转换器进行控制的系统控制单元15。能量检测单元14输入端接收IR-UWB信号1，输出端连接系统控制单元 15,当能量检测单元14检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信号 2送入系统控制单元15,系统控制单元15启动模拟数字信号转换器12对信 号延迟单元11的IR-冊B信号进行釆样；当能量检测单元14检测不存在 IR-UWB脉冲时，产生第二控制信号3送入系统控制单元15，系统控制单元 15暂停模拟数字信号转换器12对信号延迟单元11输出信号的釆样；信号延迟单元11输入端接收IR-冊B信号1,输出端输出延迟信号4给 模拟数字信号转换器12;系统控制单元15输入端连接能量检测单元14的输出，系统控制单元15 输出端发出启动/暂停信号5给模拟数字信号转换器12;系统控制单元15将 能量检测单元14产生的第二控制信号3的持续时间即脉冲时间间隔参数6， 作为相邻IR-UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元13;系统控制单元 15输出端将时间延迟量8传到信号延迟单元11的输入端；模拟数字信号转换器12输入端连接信号延迟单元11和系统控制单元15 的输出端，输出端连接数字信号处理单元13;数字信号处理单元13根据模拟数字信号转换器12釆样得到的信号7和 系统控制单元15输出的脉冲时间间隔参数6，恢复传输的信息。本实施例所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发釆样的方法，包括以下步骤1) 将IR-UWB信号分成两路相同的信号， 一路信号输入到信号延迟单元 11将信号延迟时间r，另一路信号输入到能量检测单元14进行能量检测；2) 当能量检测单元14检测信号中存在IR-UWB脉冲时，产生第一控制信 号2送入系统控制单元15，系统控制单元15启动模拟数字信号转换器12对 信号延迟单元11的UWB信号进行采样；当能量检测单元14检测不存在IR-冊B 脉冲时，产生第二控制信号3送入系统控制单元15,系统控制单元15暂停模 拟数字信号转换器12对信号延迟单元11输出信号的釆样；3) 系统控制单元15将能量检测单元14产生的第二控制信号3的持续时 间，作为相邻IR-UWB脉冲的脉冲时间间隔参数6,送入数字信号处理单元13, 系统控制单元15将时间延迟量8返回给信号延迟单元；所述时间延迟量8保 证信号延迟单元11产生的信号与能量检测单元14产生的第一控制信号2同 步，即第一控制信号2产生的时刻对应于IR-冊B脉冲的出现时刻；4) 数字信号处理单元13根据模拟数字信号转换器12釆样得到的信号7 和脉冲时间间隔参数6，恢复传输的信息。下面结合附图2,说明基于本发明的2PPM-冊B接收系统方案。PPM-Pulse Position Modulation调制技术可以方便的与應技术结合， 形成PPM-UWB通信系统。在2PPM-UWB调制中，在一帧时间，即
内，两个可能的IR-冊B发射脉冲为p。(,)和a(,)。其中A(0 = A^-。，通常/7。W从"0 时刻有值，A(0和i^)具有相同的持续时间7;， ^为脉冲A(0相对于A(0的时 移。在基于本发明方法的2PPM信号接收系统中，如图2所示在本发明所述接 收装置10的后面跟随一个比特判决单元16，比特判决单元16根据所示判决 规则，就可恢复出信息比特。由于得到的脉冲时间间隔参数^只有三种可能， 即△ e =7}-丄7;, =7} —e-丄7;,A^ =巧-j; +4 ,其中A二')代表相邻脉冲都为(或) , A^)代表第n-—个脉冲为相邻脉冲为AW ，第n个脉冲(当 前脉冲)为<"代表n-—个脉冲为相邻脉冲为a(,)，第n个脉冲(当 前脉冲)为A(O。由于7}、 7;和s参数已知，则上述关于A"的规律，可以判别 出当前接收到的脉冲是a (0还是a W ，进而恢复出信息比特。 实施例2下面结合附图3说明基于本发明的DS-TH-UWB接收系统原理方案。 DS-TH-UWB技术本质上是同时应用跳时和直接序列的混合扩频UWB技术。根据DS-TH-而B信号的时域表达式，在对DS-TH-冊B信号进行接收时，应当先解跳，再解扩。由于采用本发明方案，模拟数字信号转换器在控制单元的作用下只对脉 冲进行釆样，因此已经实现了解跳。因此基于本发明方法的DS-TH-UWB接收 系统的后端只需要进行解扩。如图3中所示，同步捕获与跟踪单元20完成直 接序列扩频的同步捕获与跟踪，并输出同步信号30。本地模板信号产生单元 21根据同步信号产生与接收信号7 ( )同步的周期为 ;的伪随机序列模 板信号31 ( iW/(0 ),其中；尸iV,(,)与p力)经过乘法器17相乘并在积分器18 对
内积分，输出积分变量32 (r);第二比特判决单元19根据积分变 量32 )的正负恢复信息比特，即当7>0时，判为"1",当}^<0时，判为 "0"。上面结合附图2和附图3对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本 发明并不限于上述实例，如基于本发明方法，还可设计相应的PAM-UWB接收 系统。因此在不脱离本发明权利要求范围的情况下，本领域的技术人员可做 出各种修改或改型。
权利要求
1.一种用于实现脉冲超宽带信号突发采样的接收装置，所述接收装置的输出端连接有数字信号处理单元，其特征在于所述接收装置包括一个用于检测脉冲能量的能量检测单元，一个用于对信号进行延迟的信号延迟单元，一个用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字信号转换器，一个用于对能量检测单元、信号延迟单元和模拟数字信号转换器进行控制的系统控制单元；能量检测单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接系统控制单元；信号延迟单元输入端接收IR-UWB信号，输出端连接模拟数字信号转换器；系统控制单元输入端连接能量检测单元的输出，输出端连接模拟数字信号转换器、信号延迟单元和数字信号处理单元；模拟数字信号转换器输入端连接信号延迟单元和系统控制单元，输出端连接数字信号处理单元。
2. —种利用如权利要求1所述接收装置实现脉冲超宽带信号突发釆样的 方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1) 将IR-UWB信号分成两路相同的信号， 一路信号输入到信号延迟单元， 信号延迟单元根据时间延迟量将信号延迟，另 一 路信号输入到能量检测单元进行能量检测；(2) 当能量检测单元检测信号中存在IR-冊B脉冲时，产生第一控制信号 送入系统控制单元，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元 输出信号进行采样；当能量检测单元检测不存在IR-冊B脉冲时，产生第二控 制信号送入系统控制单元，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延 迟单元输出信号的釆样；(3) 系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为 相邻IR-UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元，系统控制单元将时间 延迟量返回给信号延迟单元；(4) 数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器釆样得到的信号和脉冲时间间隔参数，恢复传输的信息，
全文摘要
本发明涉及一种实现脉冲超宽带信号突发采样的方法及接收装置。该方法是将IR-UWB信号分成两路，一路输入到信号延迟单元，另一路输入到能量检测单元；当能量检测单元检测信号中存在IR-UWB脉冲时，系统控制单元启动模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号进行采样；当检测不存在IR-UWB脉冲时，系统控制单元暂停模拟数字信号转换器对信号延迟单元输出信号的采样；系统控制单元将能量检测单元产生的第二控制信号的持续时间，作为相邻IR-UWB脉冲的时间间隔，送入数字信号处理单元；数字信号处理单元根据模拟数字信号转换器采样得到的信号和脉冲时间间隔参数，恢复传输的信息。该方法节省功率并提高了系统性能。
文档编号H04B1/69GK101222239SQ200810017409
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者王勇超, 田红心, 梅 许 申请人:西安电子科技大学