专利名称：脉冲波形生成方法
技术领域：
本发明涉及脉冲波形生成方法，特别涉及适合于UWB通信的脉冲波形生成方法。
背景技术：
UffB (超宽频带)无线通信是不用载波波形而用I毫微秒(10_9)以下的时间宽度的非常窄的脉冲进行通信的方式，带宽为数GHz的宽带。按照UWB方式，发射多个不用余弦 波那样的载波进行调制的Ins以下的脉冲。因此，占有带宽非常宽，由于频谱功率密度非常小，和通常的频谱扩散通信方式同样具有通话保密性 隐匿性优越、对其他窄带通信影响小的特征。与通常的频谱扩散信号(在2. 4GHZ频带无线LAN是数拾MHz的带宽)相比，UffB信号、BPSK等被调制信号当然是超宽频带(数GHz的带宽)，所以称为UWB，相对于频谱扩散信号的功率谱密度(在2. 4GHZ频带无线LAN是10毫微瓦10nW/MHz以下)，UWB信号的功率谱密度(每MHzIO毫微瓦特10nW/MHz以下)也低得多，即使其他系统共存，不仅难以产生干扰，而且也能耐受来自其他系统的干扰，其优点是突出了频谱扩散信号特长。UWB的发射用扩散符号对由帧时钟产生的脉冲波形进行跳时处理，根据该扩散符号使输入脉冲在时间轴上跳时，由此来区别多用户的多路接入。而且，根据输入数据信号使跳时过的脉冲串错开时间S，或不错开，从而生成与0和I相对应的信号波形。UffB的接收使用由RF部接收到的信号波形和用与发射侧同样的处理形成的脉冲串取得相关值，得到相关值的峰值来区别数据和噪声，得到输出。关于UWB脉冲传输，例如，有文献I、文献2。作为与用线性调频脉冲波形的UWB测距有关的文献，例如，有文献3 11。作为与用修正埃尔米特波形的多值化UWB-CDMA传输有关的文献，例如，有文献3、12 18。作为与发射功率限制有关的文献，例如，有文献3、6、19 22。作为与降低UWB和已有的信号的干扰有关的文献，例如，有文献3、13、17、23 32。文献I :日经工 > 夕卜口二夕7 137页 144页2002. 8. 26文献2 :日经工 > 夕卜口二夕7 95页 121页2003. 2. 17文献3 :河野隆二 “用脉冲无线电通信的Ultra Wide Band (UffB)无线通信的基础和发展”电子信息通信学会信学技法2001/7 DSP2001-80, SST2001-41 pp77_84文献4 :松村键，江岛一樹，河野隆二 “关于用超宽带无线脉冲无线通信的TTS车车间测距系统的研究” ITS2002-6文献5 :佐藤正知，江岛一樹，Giuseppe ABREU,河野隆二 “关于用适于超宽带无线通信的不同频率特性的元件天线的阵列天线的研究”电子信息通信学会无线通信系统研究会2002-5文献6 :丸林元，中川正雄，河野隆二 “频谱扩散通信和其应用”社团法人电子信息通信学会编文献7 :MoeZ. Win，Robert A. Scholtz :“Ultra_Wide Bandwidth Time-HoppingSpread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications，，IEEETRANSACTION ON COMMUNICATIONS, VOL. 48, NO. 4, APRIL 2000，PP679-691文献8 :富泽良行，荒井郁男“用延迟相关器的线性调频脉冲信号脉冲压缩地下雷达”电子信息通信学会论文志PP113-120 200-1文献9 JamesD. Tayior “ULTRA-WIDEBAND RADARTECHN0L0GY” CRCPRESS文献10 :吉田孝“修订雷达技术”社团法人电子信息通信学会编 文献11 :关根松夫“雷达信号处理技术”社团法人电子信息通信学会编文献12 Time Domain Corporation: “Time Modulated Ultra-Wideband forWireless Applications^http://www. tion-domain. com文献13 :M. Ghavami，L. B. Michael and R. Kohno: uHermite Funcion basedOrihogonal Pulses for UWB Communications，，Proc. Wireless Personal Multimedia.Conference 2001，Aalborg, Denmark, Sept. 2001，pp. 437-440文献14: L. B. Michael，M. Ghavami and R. Kohno : “Effect of Timing.Jitter on Hermite Function Based Orthogonal Pulses for Ultra. WidebandCommunication” Proc. Wireiess Personal Multimedia. Conference2001，Aalborg，Denmark, Sept. 2001，pp. 441-444文献15 :L. B. Michael，M. Ghavami and R. Kohno: “Multiple Pulse Generatorfor Ultra-Wideband Communication Using Hermite Polynoimal Based OrthogonalPules”Proc. 2002 IEEE Conference on Ultra, Wideband Systems and Technologies, Maryland, USA, May21_23，2002文献16 :江岛一树，梅林健太，水谷克也，河野隆二 “脉冲无线通信的多值化和多用户用干扰除去方式的研究”电子信息通信学会信学技法2001/4SS2001-16，CS2001_16pp4
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发明内容
因此，为解决上述现有技术的问题，本发明的目的在于在UWB通信中，降低对其他无线系统的电波干扰，形成具有所希望的频率特性的发射信号。本发明是在发射时间宽度短的脉冲的UWB通信中，调整数据传输用的脉冲信号的形状来形成具有所希望的频率特性的发射信号，由此降低在UWB通信中对其他无线系统的电波干扰。作为调整脉冲信号的方式，本发明具有以下三种调整单一脉冲本身形状生成具有所希望的频率特性的脉冲信号的第一种方式、把多个脉冲组合起来生成具有所希望的频率特性的脉冲信号的第二种方式以及从作为目的的发射信号的频率特性求出脉冲信号组合的第三种方式。第一种方式和第二种方式对应于通过合成生成脉冲的方法，第三种方式对应于展开脉冲而生成的方法。 第一种方式是在发射时间宽度短的脉冲的UWB通信中，调整单一脉冲的时间轴上的参数来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。单一脉冲在时间轴上能以规定的函数来表示，变更该函数中包含的参数来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。第一种方式的第一方案是按W(t) =Cos to Ot t2/( a Tm)2)表示的波形形成单一脉冲，调整规定脉冲间隔的参数a Tm和/或规定功率谱的峰值频率的COci,由此，来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。第一种方式的第二方案是用线性调频脉冲波形形成单一脉冲，按时间设定该线性调频脉冲波形输出的大小，由此，来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。本发明的第二种方式是通过沿时间轴排列多个单一脉冲来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。在本发明的第二种方式中，作为第一方案，有沿时间轴排列相同的2个单一脉冲来形成双循环信号的方法；作为第二方案，有使脉冲宽度不同的多个单一脉冲叠合的方法；作为第三方案，有使脉冲宽度和波形不同的多个单一脉冲叠合的方法。通过调整双循环的2个单一脉冲间的间隔、多个单一脉冲的各脉冲宽度和多个单一脉冲的各脉冲宽度及波形来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。按照这些方式，能以任意频率形成缺口部。在第四方案中，用修正埃尔米特多项式生成多个次数不同的脉冲。本发明的第三种方式是在发射时间宽度短的脉冲的UWB通信中，按频域展开所希望的频率特性，把从形成展开了的频域成分的时间脉冲中选择出来的多个时间脉冲组合起来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。作为本发明第三种方式的其他方案，是在发射时间宽度短的脉冲的UWB通信中，对所希望的频率特性或近似的频率特性进行逆傅里叶变换，再把从该逆傅里叶变换得到的时间波形中选择出来的多个时间波形组合起来生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。
图I是发射波形的高斯波形例。图2是发射波形的高斯波形(发射机内的波形)例的频率分布图。图3是空间传播中的波形例。图4是空间传播中波形的频率分布。图5是接收机中的波形例。图6是接收机中的波形的频率分布。图7是UWB无线通信方式的发射侧系统构成框图 。图8是UWB无线通信方式的接收侧系统构成框图。图9是用作模板信号的波形V (t)。图10是I Wrec (Co ) 12wrec⑴的功率谱的频率特性图。图11是测距原理图。图12是表示距离不可能分辨的状况的示图。图13是UWB-IR方式的系统图。图14是跳时调制说明图。图15是UWB-IR发射机说明图。图16是UWB-IR的希望波和复制波的互相关输出的关系图。图17是用UWB车车间测距的模型的示意图。图18是线性调频脉冲波形的频率迁移图。图19是脉冲压缩后的波形图。图20是单循环波及其自相关的说明图。图21是线性调频脉冲波及其自相关的说明图。图22是时间长度不同的线性调频脉冲波形图。图23是改变了 2个线性调频脉冲波形的时间长度时的互相关输出峰值变化图。图24是占有频带不同的线性调频脉冲波形图。图25是改变了 2个线性调频脉冲波形的占有频带变化时的互相关输出峰值变化图。图26是UWB-线性调频脉冲(UWB-CHIRP)测距方式的框图。图27是频带分割后的各线性调频脉冲波形图。图28是本发明的UWB-线性调频脉冲(UWB-CHIRP)方式的希望波和复制波的互相关输出关系图。图29是现有技术的UWB-线性调频脉冲(UEWB-IR)方式和本发明的UWB-线性调频脉冲(UWB-CHIRP)方式的每个用户的发射波形图。图30是I个用户时的测距差错率的示图。图31是其他车辆9时的测距差错率的示图。图32是用户数变化时测距差错率的示图。图33是干扰波功率变化时测距差错率的示图。图34是改变了时间宽度的情况下的频谱图。图35是按时间中断输出的方法的说明图。图36是改变了包络线函数的波形图。
图37是中途中断了线性调频脉冲波形的情况下的频谱图。图38是线性调频脉冲波形的频谱输出的示图。图39是载以PN系列的线性调频脉冲波形图。图40是载以PN系列后的频谱输出图。图41 ^ W2 (t):带有T =1. Ons的双循环波形图。
图42是％(1:):带有T =1. Ons的双循环波形图。图43是Iw2(CO) I2的双循环的功率谱输出图。图44是Iw3(GJ) I2的双循环的功率谱输出图。图45是单循环波形和由不同时间(包含不同持续时间)的单循环形成的新波形图，该例中使用 Tm0 = 0.2156, ￠0^31.42(=5.0 ]), co 2=15. 08 (=2. 4 [GHz]), t ml 和 t m2 与
和成反比。图46是单循环波形的频率特性图，即wTmCI(t)、wTml(t)、wTm2(t)和wd2(t)的频率特性曲线。图47是单循环波形wd2⑴的功率谱的示图。图48是用于脉冲形成的波形图，图中每个用来产生脉冲wx(t)的波形，在该例中使用 T m=0. 2877，a =10. 0，w !=31. 42 (=5. 0 [GHz])和 w 2=15. 08 (=2. 4 [GHz])。图49是使用图13的脉冲的新脉冲wx (t)的波形图。图50是Wrec⑴、Wcol⑴、Wco 2 (t)的频率特性图。图51是Wx (t)的频率特性图。图52是Wx(Co) 2:wx(t)的功率谱的示图。图53是频谱限框(屏蔽)和Wx (t)功率谱的示图，其中Tm=O. 2877，a =10. 0， =6
03 (=0. 96 [GHz]), d=Ji (=0. 5 [GHz])和 k=5。图54 是 wx (t)的波形图，其中 T m=0. 2877，a =10. 0， =6. 03 (=0. 96 [GHz])，d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。图55是表示频谱限框(屏蔽)和Wx(t)功率谱的示图，其中Tm=O. 2，a =14. 385， !=6. 03(=0. 96 [GHz])，d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。图56 是 wx(t)的波形图，其中 Tm=O. 2，a =14. 385, =6. 03(=0. 96[GHz]),d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。图57是与UWB系统共存的SS系统的BER的理论分析和模拟结果图。图58是与UWB系统共存的SS系统的BER的理论分析图，DIR是0_40dB。图59是与双循环的UWB系统共存时的SS系统的BER的理论分析图。图60是3. 2节中描述的系统同时存在时，SS系统的BER的理论分析图。图61是3. 3节中描述的系统同时存在时，SS系统的BER的理论分析图。图62是理论分析和模拟结果的比较图。图63是与UWB系统共存的SS系统的BER的理论分析图，DIR是0_40dB。图64是与双循环的UWB系统共存时的SS系统的BER的理论分析图。图65是3. 2节中描述的系统同时存在时，SS系统的BER的理论分析图。图66是3. 3节中描述的系统同时存在时，SS系统的BER的理论分析图。图67是M-ary UffB方式的发射侧系统构成图。
图68是M-ary UffB方式的接收侧系统构成图。图69是修正埃尔米特波形(0 3次)图。图70是修正埃尔米特波形(4 7次)图。图71是修正埃尔米特波形(0 3次)的频率特性图。图72是修正埃尔米特波形(4 7次)的频率特性图。图73是接收机中的MHP波形(0 3次)图。图74是接收机中的MHP波形(4 7次)图。图75是接收机中的MHP波形(0 3次)的频率特性图。
图76是接收机中的MHP波形(4 7次)的频率特性图。图77是使用MHP波形的多值化传输方式的发射侧系统构成图。图78是使用MHP波形的多值化传输方式的接收侧系统构成图。图79是使用MHP波形的其他降低站间干扰方式的降低干扰系统图。图80是本发明的比较模拟结果图(非同步多元连接)。图81是与现有技术的M-ary/UWB方式的比较模拟结果图(非同步多元连接)。图82是接收MHP波形的自相关函数图。图83是本发明方式的因同步偏离影响引起的BER变化的说明图。图84是M-ary/UWB方式的因同步偏离影响引起的BER变化的说明图。图85是UWB的发射波形图。图86是UWB的发射机构成图。图87是UWB的接收波形图。图88是UWB的接收波形的频率特性图。图89是UWB的接收机构成图。图90是相关波形图。图91是用来说明由FCC规定的UWB输出限制的频率特性图。图92是FCC的频谱限框图(频谱屏蔽图)。图93是依据图92的发射波形的接收波形图。图94是把N个频率区间的脉冲加起来形成满足所希望的频谱限框的脉冲波形的不意图(系统概念图)。图95是本发明的实施方式的脉冲发生装置的概略构成图。图96是本发明的实施方式的脉冲波形(宽度3ns)图。图97是本发明的实施方式的脉冲波形(宽度3ns)的频率特性图。图98是本发明的实施方式的脉冲波形(宽度IOns)图。图99是本发明的实施方式的脉冲波形(宽度IOns)的频率特性图。图100是BPF的一构成例。图101是通过BPF后的单循环波形的频率特性图。图102是改变了 5时的接收信号与相关波形的互相关特性图。图103是依据多用户接入时的脉冲宽度的BER比较图。图104是单循环波形与相关波形的互相关特性图。图105是本发明的脉冲与相关波形的互相关特性图。
图106是多用户接入时的本发明和现有技术的比较图。图107是依据时间宽度的参数tm的单循环波形的频率特性比较图。图108是在UWB功率限制下使功率一致的本发明和现有技术的比较图。图109是本发明的发射/接收机的构成例的概略图。图110是本发明的发射/接收机的其他构成例的概略图。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的实施例。首先说明UWB无线通信方式(Impulse Radio的UWB无线通信)。说明按UWB-IR方式的收发波形和接收机的系统。这里，作为有代表性的用UWB的数据调制方式，说明脉冲位置调制(PPM)方式的情况。就UWB-IR方式的原理进行说明。在收发信号波形UWB-IR的发射机中，因为不能产生理想的脉冲信号，所以形成具有某程度的时间宽度的高斯波形(式I)。
权利要求
1.一种脉冲波形生成方法，其用于发送时间宽度短的脉冲的UWB通信中，通过调整时间脉冲的形状来生成所希望的频率特性的信号，其特征在于，按频域展开所希望的频率特性，把从形成已展开的频域的成分的时间脉冲中选择出来的多个时间脉冲组合起来，由此，生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。
2.一种脉冲波形生成方法，其用于发送时间宽度短的脉冲的UWB通信中，通过调整时间脉冲的形状来生成所希望的频率特性的信号，其特征在于，对所希望的频率特性或近似的频率特性进行逆傅里叶变换，把从该逆傅里叶变换得到的时间波形中选择出来的多个时间波形组合起来，由此，生成满足所希望的频率特性的时间脉冲形状。
全文摘要
本发明公开了脉冲波形生成方法。在发射时间宽度短的脉冲的UWB通信中，调整数据传输用的脉冲信号的形状来形成具有所希望的频率特性的发射信号，从而能在UWB通信中降低对其他无线系统的干扰。作为调整脉冲信号的方式，具有调整单一脉冲本身的形状而生成具有所希望的频率特性的脉冲信号的方式、把多个脉冲组合起来生成具有所希望的频率特性的脉冲信号的方式以及从作为目的的发射信号的频率特性求出脉冲信号的组合的方式。
文档编号H04B1/69GK102801443SQ201210242400
公开日2012年11月28日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年2月25日
发明者河野隆二 申请人:横滨Tlo株式会社, 河野隆二