CN100394703C - 接收超宽带信号的方法和接收机 - Google Patents

Abstract

一种接收超宽带(UWB)信号的接收机(103)，它包括连接到码元点相关器(107)的接收机前端(105)。码元点相关器(107)包括第一组的多个相关器，它通过将接收的UWB信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点的相关信号值。第一组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，用于产生第一时间偏移相关信号值。该时间偏移通常是显著地小于发送和接收振荡器的定时抖动。码元点相关器(017)被连接到联合估计器(109)，该联合估计器通过对第一码元的码元值和UWB信号的时间偏移进行联合检测，响应第一时间偏移相关信号值来确定该第一码元的码元值。本发明可以有效减少在相关器之间由相对时间偏移所确定的值的时间抖动噪声。

Description

接收超宽带信号的方法和接收机

技术领域

本发明涉及一种接收超宽带(UWB)信号的方法和接收机，更具体而言但并不排他地，涉及一种接收脉位调制(PPM)UWB信号或脉幅调制(PAM)UWB信号的方法和接收机。

背景技术

近年来，在家用和企业环境中的无线数据通信已经日益成为普遍现象。已经提出一种称为超宽带(UWB)传输的新无线传输技术。通过在典型的10-1000皮秒持续时间的非常短数据脉冲内发送信息来产生UWB信号，从而导致几千兆赫的发射信号的带宽。通过UWB信号可以获得高的数据速率，由于带宽非常地大，因而频谱功率密度就相对低。因此，对来自频率范围内其它信号的窄带干扰所引起的干扰和敏感度就相对低，从而允许UWB通信系统与相同频率范围中的其它通信系统的共存。

因此，UWB发送方案为许多家用和企业的通信需要提供了便利。

当前，对于例如无线个人区域网(WPAN)和无线局域网(WLAN)的UWB系统的应用存在着极大的兴趣。这主要是由于在无执照频谱(unlicensed spectrum)中的超高数据速率的前景。UWB解决方案例如当前在技术规范IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中正通过电气和电子工程师协会(IEEE)进行标准化。

通常，UWB系统是在假定发射机和接收机之间精确的振荡器和理想同步的情况下进行设计的。然而，实际中同步并不是理想的，定时噪声(定时抖动)在UWB系统中通常是重要的因素。例如，实际的振荡器会产生时间抖动，它可能是相对于确定性时间参考的随机偏差。时间抖动产生非高斯噪声，非高斯噪声是高斯热噪声之外的噪声。这个时间抖动导致性能的降低，并可能特别导致增加数据差错率。

因此，在设计UWB系统的时候关键参数是本地产生时钟的准确度，本地产生的时钟与数据脉冲相同步。为了获得高的数据速率，使用了逐渐缩短的数据脉冲，而这使得接收机本地产生的时钟与发射机时钟的紧密同步就变得越来越重要。这不仅对同步算法提出了严格的要求，而且导致对于发射和接收振荡器也具有非常严格的要求，该发射和接收振荡器必须具有非常高的稳定性和低的相位噪声。这些要求导致关键振荡器的设计，并通常需要高的复杂性和/或使用极高质量的部件。这就导致了振荡器成本的显著增加，并妨碍了集成设计或使得集成设计复杂化。通常，振荡器占UWB接收机或发射机成本的50％左右。

通常通过使用诸如超前-滞后(early-late)相关器的公知同步技术，来使得接收振荡器与接收的UWB信号的数据时钟相同步(发射振荡器也是如此)。尽管这种时间同步可以补偿接收信号或本地振荡器的一些时间抖动，但是对于精确时钟的要求需要非常低的同步带宽，而这种非常低的同步带宽无法跟踪大部分的时间抖动。而且，诸如超前滞后相关器的定时差错检测器，实际中对UWB信号的极短持续时间数据脉冲不能够产生足够精确的定时差错估计，因而只有对时间抖动的粗略补偿才是实用的。因此，当前UWB通信系统的设计由于振荡器准确度和定时抖动而受到局限或变得复杂化，从而导致性能降低或成本昂贵，复杂或大量的振荡器和这样的通信单元。

因此，对于UWB通信的改进系统将是很有利的，特别是，考虑到提高的性能、改进的同步、改进的更小或更便宜的UWB接收机和/或发射机以及简化的振荡器设计的系统将是很有利的。

发明内容

相应地，本发明寻求更适宜以单独或任意组合的形式来减少，缓和或消除上述提到的一个或多个缺陷。

根据本发明的第一方面，提供一种接收超宽带(UWB)信号接收机，该接收机包括：用于接收UWB信号的装置；第一组的多个相关器，用于通过将接收的UWB信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点的相关信号值；该第一组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，用于产生第一时间偏移相关信号值；和用于通过对第一码元的码元值和UWB信号的时间偏移进行联合检测，响应第一时间偏移相关信号值用于确定该第一码元的码元值装置。

该UWB信号的时间偏移可以是在接收UWB信号的数据时钟和接收机数据时钟之间的时间偏移。在多数实施例中，UWB信号的时间偏移对应在UWB信号的发射机振荡器与接收机振荡器之间的时间偏移。UWB信号的时间偏移可以特别对应接收时钟振荡器相对于发送振荡器的时间抖动。联合检测假定码元值和时间偏移都是未知和交织的。这样，在考虑码元值的情况下估计时间偏移，并且在考虑时间偏移的情况下估计码元值。本地复制可以是从发送脉冲中确定的本地脉冲。本地复制可以考虑发射信号的期望变化和/或失真。例如，本地复制可以包括发送脉冲的期望失真。

本发明可以提供在接收UWB信号值时的改进性能。特别是可以获得对于时间抖动和/或减少数据差错率的改进的不敏感性。可以减少对于同步功能性的附加或替换的要求。特别是可以简化接收机和/或发送机振荡器，并且可以减少成本、大小和/或复杂性。本发明在一些实施例中特别地促进了适合于小波形因数的高集成UWB接收机和/或发射机，例如适合于WPAN系统的小波形因数的高集成UWB接收机和/或发射机。

根据本发明的一个可选特征，在第一组的多个相关器的第一相关器和第二相关器之间的时间偏移小于码元时钟产生器的最大时间抖动。

码元时钟产生器可以是产生UWB信号的接收机或发送机的振荡器。该特征可以提供接收机中的定时估计和/或分辩的增强准确度，并且可以提供对发射和接收振荡器的改进性能和/或减少需求。

根据本发明的一个可选特征，在第一组的多个相关器的第一相关器和第二相关器之间的时间偏移小于十分之一的码元时间。该特征可以提供接收机中的定时估计和/或分辨的增强准确度，并且可以提供对发射和/或接收振荡器的改进性能或减少需求。

根据本发明的一个可选特征，在第一组的多个相关器之间的所有时间偏移都小于一个码元时间。该特征可以提供在接收机中的定时估计和/或分辨的增强准确度，并且可以提供对发射和/或接收振荡器的改进性能或减少需求。

根据本发明的一个可选特征，第一组的多个相关器可操作产生在多个码元的多个码元判定点的时间偏移信号值，用于确定的装置可操作通过时间偏移相关信号值的联合估计来确定多个码元的码元值，其中该时间偏移相关信号值对应多个码元判定点。这可以提供对发射和/或接收振荡器的改进性能或减少需求。在许多实施例中，时间偏移是在多个码元之间进行相关，并可以使用这个相关改进时间偏移的估计。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置可操作通过平均在多个码元上的UWB信号的时间偏移来确定码元值。在许多实施例中，平均时间偏移是缓慢的移动，并可以被认为对多个码元是实质恒定的。平均UWB信号的时间偏移能够提供在多个码元的时间偏移之间使用相关的低复杂性和高性能方式。该时间偏移可以通过平均与信号值相关的值和确定与平均值相关的时间常数来进行平均。特别是，可以平均在接收的相关和期望相关之间的距离。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置可操作通过最大似然检测来确定码元值。该特征可以提供码元值确定的增强准确度，并且可以提供对发射和/或接收振荡器的改进性能或减少需求。

根据本发明的一个可选特征，该接收机还包括：第二组的多个相关器，用于通过将接收的UWB信号与本地复制进行相关来产生在第二码元判定点的相关信号值；第二组的多个相关器相对于彼此具有时间偏移，用于产生第二时间偏移相关信号值；用于确定码元值的装置还可操作响应第二时间偏移相关信号值来确定码元值。

第一和/或第二组的多个相关器的相关器可以是以串联方式实现，以并行的方式实现或以它们组合的方式实现。例如，多个相关器可以作为分立的单个硬件实体来实现，或者可以例如通过多次调用相同的相关器子程序的固件程序来实现。

UWB信号可以特别是脉位调制(PPM)信号。第一码元判定点对应与第一码元的第一码元值相关的码元判定点，第二判定点对应与第一码元的第二码元值相关的判定点。

该特征可以提供对发送和/或接收振荡器的改进性能或减少需求，提供对同步功能性设计的减少需求。特别是，可以通过本发明提供对PPM UWB信号的改进接收机。

根据本发明的一个可选特征，具有关于第一判定点的相对时间偏移的第一组的多个相关器的每个相关器，都具有第二组的多个相关器的对应相关器，它们具有关于第二判定点充分相同的相对时间偏移。这可以简化实现和设计，此外，还可以提供改进性能。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置可操作通过充分最小化在第一和第二相关信号值与第一和第二相关信号值的期望值之间的差值指示，来确定第一码元值，其中第一和第二相关信号值是与第一码元值相关。这可以简化实现和设计和/或可以提供改进性能。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置可操作通过最大似然检测来确定第一码元值。这可以提供具有高性能的应用实现。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置包括：用于响应第一和第二时间偏移相关信号值来确定多个时间偏移的时间偏移码元值的装置；用于响应时间偏移码元值和第一和第二时间偏移相关信号值来确定可能的时间偏移的装置；和用于确定第一码元值作为对应可能的时间偏移的时间偏移码元值的装置。

这可以简化实现和/或设计。还可以提供对振荡器的改进性能和/或减少需求。此外，可以提高同步。

根据本发明的一个可选特征，用于确定时间偏移码元值的装置包括：用于选择对多个时间偏移中每一个的第一和第二时间偏移相关信号值的子集的装置，和用于响应每个时间偏移的子集来确定每个时间偏移的时间偏移码元值的装置。

这可以进一步的简化实现和/或设计，还可以提供改进性能。

根据本发明的一个可选特征，用于确定的装置包括：用于确定UWB信号的估计时间偏移的装置；和用于响应该UWB信号的估计时间偏移来调整第一组的多个相关器的时间偏移的装置。

这可以简化实现和/或设计，还可以提供改进性能。特别是，可以实现第一组的多个相关器的时间偏移的自适应调制，从而可以改进性能和减少复杂性，这是少数相关器所必需的。

该UWB信号可以特别是时脉位调制(PPM)UWB信号或脉幅调制(PAM)UWB信号。

根据本发明的第二个方面，提供一种接收超宽带(UWB)信号的方法，该方法包括步骤：

接收UWB信号；利用第一组的多个相关器，通过将接收的UWB信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点的相关信号，该第一组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，用于产生第一时间偏移相关信号值；通过联合检测第一码元的码元值和UWB信号的时间偏移，响应第一时间偏移相关信号值来确定该第一码元的码元值。

本发明的这些和其它方面，特征和优点将从下文参照实施例叙述的说明中变得很明显。

附图说明

现在将参照附图仅仅以例证的方式叙述本发明的实施例，其中：

图1叙述根据本发明一个实施例的传送UWB信号的系统100；

图2叙述了UWB信号的发送格式的实例；

图3叙述适合于本发明实施例的相关器的实例；

图4叙述了根据本发明一个实施例的由UWB接收机产生的相关信号值。

具体实施方式

下面的叙述集中在应用于脉位调制(PPM)超宽带(UWB)信号的发明实施例。然而，可以认识到本发明并不局限于这种应用，而是可以应用于很多其它的UWB信号，这包括例如脉幅调制(PAM)UWB信号或组合的PAM和PPM信号。

为了简明和简洁起见，本文叙述更多地集中在二元(binary)的PPM-UWB。然而，本文叙述的原理能够很容易扩展到例如多元(m-ary)PPM-UWB信号或任何一种PAM/PPM-UWB信号。

图1叙述了根据本发明一个实施例的传送UWB信号的系统100。

系统100包括一个UWB发射机101，它在该实施例中根据IEEE802.15.3a和/或IEEE802.15.4a的技术规范产生UWB信号。在图2中叙述了发送信号的格式。正如本领域的熟练技术人员所周知的，每个码元在持续时间T_f的Ns个帧上进行传送。在每个帧中，码元在持续时间Tc的码片内映象脉冲的位置。使用时间跳变以使码片位置在每个帧上改变，以便使频谱平滑。因而在图1的实施例中，PPM UWB数据信号是这样被使用，即使得持续时间t＝f(b_k)的值表示数据码元值b_k。

正如本领域的熟练技术人员所周知的，对于多元(m-ary)PAM-UWB系统，码元数据值是通过脉冲的幅度而不是它的位置(相对于码片开始的延迟)来表示。在组合的PAM-PPM-UWB系统中，一些发送码元的比特是通过脉冲位置来表示，剩余的比特是通过脉冲幅度来表示。

为了简短和简明起见，本文的叙述从此以后将集中在没有数据重复的实施例，以使每个比特只被发送一次。然而，可以很容易的认识到，本文叙述的原理可以同样应用于使用重复的发送数据码元的传输中。在简单的实施例中，每个重复可以按照下文的叙述单独地接收，所得到的数据比特可以通过多数判决来确定。

图1的系统100还包括UWB接收机103。在常规的PPM UWB接收机中，数据码元值通常是通过将接收机信号与期望脉冲的延迟型式(version)进行相关来确定。每个延迟型式(version)(通常称为样板或本地复制)对应于指定数据码元值的时刻(time instant)。这样，在二元的情况下，第一相关器执行在具有对应零数据值定时的脉冲的脉冲判定时间附近的相关，第二相关器执行在具有对应一个数据值定时的脉冲的脉冲判定时间附近的相关。然后，可以将该数据值确定为具有最大相关值的相关器的数据值。

这种方法是假定一个相关器被设置在对于不同数据值的正确判定时刻。相应的，常规的UWB接收机包括时间偏移估计器，诸如超前滞后选通电路，它们被用于同步接收机振荡器和输入的UWB信号。然而，由于脉冲持续时间很短，这种同步是非常困难的，因此倾向于仅仅提供粗略同步。而且，为了得到精确的同步，同步的带宽必须非常低，从而妨碍了非DC时间偏移的有效跟踪。因此，对振荡器的稳定性和相位噪声的要求通常是非常严格的，这导致了昂贵和大量的振荡器。

更具体来说，在二元PPM情况下，常规的UWB接收机包含两个相关器，一个是对于0位置，一个是对于1位置。在AWGN信道中，假定一个零抖动，由对应于数据值0和1的位置的相关器分别产生了两个相关C₀和C₁，它们可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{C}_0\\ C_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w\left(\mathrm{b\Δ}\right)\\ S_w\left((1-b)\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_0\\ {\mathrm{\η}}_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中S_w是发送脉冲w的自相关函数(即，它表示无噪声的理想相关)，Δ是在码元值0的位置和码元值1的位置之间的延迟，b是发送比特。然后，使用例如最大似然准则可以提取出发送比特b(0或1)，或者发送比特b也可以被简单地选择作为具有最高相关值的相关器的数据码元。

考虑到时间抖动J，它被假定在几个帧上为常数，等式(1)可以被修改为：

$\left[\begin{array}{c}{C}_0\\ C_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w(\mathrm{b\Δ}+J)\\ S_w((1-b)\mathrm{\Δ}-J)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_0\\ {\mathrm{\η}}_1\end{array}\right]$

(2)

其中假定抖动与Δ(Δ是S_w的极值)相比很小，等式(2)可以改写为：

$\left[\begin{array}{c}{C}_0\\ C_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w\left(\mathrm{b\Δ}\right)\\ S_w\left((1-b)\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right]+\frac{J^2}{2}\left[\begin{array}{c}{\∂}^2{S}_w\left(\mathrm{b\Δ}\right)\\ {\∂}^2{S}_w\left((1-b)\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_0\\ {\mathrm{\η}}_1\end{array}\right]---\left(3\right)$

等式(3)说明抖动效应是一个附加噪声。然而，这个噪声既不是高斯的也不是集中的(centred)。因此，确定它的分布以便应用最大似然准测并得到发送比特是不切实际的。因此，很清楚的是，不可避免的时间抖动会在常规的UWB接收机中引起显著的性能下降。

而且，在常规的接收机中，是根据输入信号来直接导出输入信号的定时估计，并仅仅使用该定时估计来将相关器与接收信号校准。而且，该数据码元值是假定在理想同步的情况下确定的，因此这个确定是独立于定时估计来执行的。由于定时同步和振荡器的缺陷，这导致显著的性能下降。

当前实施例的UWB接收机103包括一个接收机前端105，它接收、放大和过滤UWB信号。

接收机前端105连接到码元点相关器107的存储体(bank)。码元点相关器107包括多个相关器，用于通过将接收UWB信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点附近的相关信号值。在图1的实施例中，第一码元判定点是数据值为0的码元判定点。多个相关器的相关器相对于彼此具有时间偏移，每个相关器产生相关的信号值。

图3叙述了码元点相关器107的一个相关器实例。该相关器包括模拟乘法器301，它将接收的信号与脉冲的时间偏移本地复制相乘。该本地复制对应于在指定的时间偏移处接收的无噪声脉冲。通过从存储器303中抽取出本地复制抽样，并将它们输送到数字/模拟控制器(DAC)305用于转换成模拟域，从而产生本地复制。然后，将模拟本地复制输送到模拟乘法器301，在模拟乘法器301中模拟本地复制与输入信号相乘。相乘结果在模拟积分器307中进行积分。积分值被抽样309并输送到模拟/数字转换器(ADC)311，该模拟/数字转换器(ADC)311产生相关器的数字化相关值。

在图1的实施例中，码元点相关器107包括如图3中显示的多个分立硬件实现的相关器。每个相关器具有不同的时间偏移。作为一个特定的实例，码元点相关器107可以包括三个相关器，一个相关器确定在假定理想同步的情况下相关值(即这个相关器可以被认为具有充分对应期望的码元判定点的时间偏移)。其它两个相关器中的每一个具有稍微低于或高于第一相关器的时间偏移的时间偏移。例如，这些相关器之间的相对偏移可以是假定在码元值0与码元值1之间差值Δ的5-10％。

通过表示在相关器δ之间的相对时间偏移，码元点相关器107在特定的实例中可以产生三个相关值，它们由下式给出：

$\left[\begin{array}{c}{C}_{-\mathrm{\δ},0}\\ C_{\mathrm{0,0}}\\ C_{\mathrm{\δ},0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·p(t+\∂)\mathrm{dt}\\ \underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·p\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \underset{T}{\∫}r\left(t\right)\·p(t-\∂)\mathrm{dt}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中r(t)是接收信号，p(t)是本地存储的复制，T是在数据值为0的码元判定点附近的适当时间间隔

图4叙述了通过在特定实例中的三个相关器产生的相关信号值。

因此，与常规的接收机相比，图1实施例的UWB接收机103为每个码元判定点产生了多个相关值。在特定的实例中，为估计的正确码元判定点产生一个相关值，稍微在此之前产生一个相关值，稍微在此之后产生一个相关值。因此，产生了一个附加信息，特别是产生了在码元判定点附近与小的定时变量相关的附加信息。

码元点相关器107被连接到联合估计器109，该联合估计器响应由码元点相关器107产生的时间偏移相关信号值来确定第一码元的码元值。特别是，联合估计器109通过码元值和UWB信号的时间偏移的联合检测来确定码元值。

联合估计器109可以特定地根据时间偏移和码元数据值的未知变量使用最大似然检测来确定码元数据值。

因此，根据图1的实施例，通过产生附加的相关值来确定码元值，该附加的相关值对应在接收信号的数据时钟与接收机的数据时钟之间的小时间偏移。使用该附加值执行时间偏移和数据值的联合检测。因此，获得了改进的性能以及减少的对定时抖动的敏感度。相应的，可以减少对于UWB接收机和/或发射机的振荡器的要求，这降低了复杂性和成本。

在一些实施例中，UWB接收机可以在单个码元判定点的附近产生时间偏移相关值，并独立于其它码元判定点来确定与这个码元判定点相关的数据值。这可以例如适合许多PAM UWB信号。

然而，在其它实施例中，为多个码元判定点产生相关值，并且通过一同考虑这些相关值来确定码元值。例如，对于PPM UWB信号，最好为与可能的数据值相关的所有码元判定点产生相关值。

对于二元PPM UWB信号，码元点相关器107相应的优选包括第二组的多个相关器，用于通过将接收的UWB信号与本地复制进行相关，来产生在第二码元判定点附近的相关信号值。第二码元判定点在图1的特定实例中可以对应于与码元值为1相关的码元判定点。然后，联合估计器109可以通过对与0码元值相关的码元判定点附近的时间偏移相关值、以及与1码元值相关的码元判定点附近的时间偏移相关值均进行考虑，来确定数据码元的码元值，

在许多实施例中，第一和第二码元判定点的相关器可以具有相同的相对时间偏移。特别是，一个码元判定点的每个相关器可以具有关于这个判定点的相对时间偏移，第二判定点的对应相关器可以具有关于第二判定点的相同的相对时间偏移。这可以简化在联合估计器109中的处理，并可以提供UWB接收机减少的复杂性。特别是，不同码元判定点的相关器可以通过相关器的相同存储体(bank)来实现。

在下文中，将更加详细的叙述一个二元PPM UWB信号的UWB接收机的实施例，在该实施例中为两个可能的数据值均产生相关值。

使用与以前相同的含义，并将每个码元判定点产生的相关值的数量设置为2·N+1，产生的相关值可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{C}_{-N,0}\\ .\\ .\\ .\\ C_{N,0}\\ C_{-N,1}\\ .\\ .\\ .\\ C_{N,1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w(\mathrm{b\Δ}+J-\mathrm{N\δ})\\ .\\ .\\ .\\ S_w(\mathrm{b\Δ}+J+\mathrm{N\δ})\\ S_w((1-b)\mathrm{\Δ}-J+\mathrm{N\δ})\\ .\\ .\\ .\\ S_w((1-b)\mathrm{\Δ}-J-\mathrm{N\δ})\end{array}\right]+\underset{\text{-}}{\mathrm{\η}}---\left(5\right)$

定时抖动J可以表示为δ的整数数量与剩余部分J_r的和：

将等式(6)代入到等式(5)中产生：

$\left[\begin{array}{c}{C}_{-N,0}\\ .\\ .\\ .\\ C_{N,0}\\ C_{-N,1}\\ .\\ .\\ .\\ C_{N,1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ}+J_r-\mathrm{N\δ})\\ .\\ .\\ .\\ S_w(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ}+J_r+\mathrm{N\δ})\\ S_w((1-b)\mathrm{\Δ}-\mathrm{k\δ}-J_r+\mathrm{N\δ})\\ .\\ .\\ .\\ S_w((1-b)\mathrm{\Δ}-\mathrm{k\δ}-J_r-\mathrm{N\δ})\end{array}\right]+\underset{\text{-}}{\mathrm{\η}}---\left(7\right)$

假定剩余的抖动J_r与Δ相比很小，这些相关值可以被近似为：

$J_r\∂{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ})+\frac{{J_r}^2}{2}{\underset{\‾}{{\∂}^{2}S}}_{w,N}(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ})$ 项仍然是非高斯噪声，但由于相关器的数量增加，它被显著的减小，并且与热噪声η相比它对于充分高值的N来说将被忽略。因此，全部噪声对于相关值的贡献可以被认为是高斯。因此，可以使用最大似然准则确定时间偏移k和码元值b。

特别是，联合估计器109可以通过充分最小化在相关信号值C和相关信号值S_w，N.的期望值之间的差值指示来确定码元值。

一个适合的准则在于确定：

其中R_N ^-1代表噪声的自相关矩阵。因此，该准则可以被认为是对应于在实际产生的相关值和无噪声的理想相关值之间的最小化平方差。

一种适合用于估计该准则的算法包括响应该第一和第二时间偏移相关信号值，初始确定每个时间偏移k的时间偏移码元值。这可以通过伪码来实现：

·对于每个k∈{-N，...，0，...，N}，计算最大似然解

${\hat{b}}_k=\underset{b}{\arg \min }\left({(\underset{\‾}{C}-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ}))}^H{R_N}^{-1}(\underset{\‾}{C}-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(\mathrm{b\Δ}+\mathrm{k\δ}))\right)$

因此，对于对应码元点相关器107的相关器的时间偏移的每个时间偏移，来确定最大可能的数据码元值。

因此，联合估计器109可以响应于在前面步骤中产生的时间偏移码元值和相关信号值来确定可能的时间偏移。这可以通过以下伪码来实现：

·计算 $\hat{k}=\underset{k}{\arg \min }\left({(\underset{\‾}{C}-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}({\hat{b}}_k\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))}^H{R_N}^{-1}(\underset{\‾}{C}-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}({\hat{b}}_k\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))\right)$

因此，通过考虑在前面步骤中产生的可能码元值来确定最大可能的时间偏移。

最后，联合估计器109可以确定码元值作为在第一步骤中产生的时间偏移码元值，用于在第二步骤中确定最大可能时间偏移。这可以通过以下简单的伪码来实现：

·估计的比特是 $\hat{b}{=\hat{b}}_{\hat{k}}$

因此，通过联合确定时间偏移和码元值就实现了码元值的有效确定。

可以认识到相关器的数量增加可以提供估计的准确度的增加，因此可以减小在相关器之间的时间偏移。在多数实施例中，相关器之间的时间偏移小于码元时钟产生器的最大时间抖动，码元时钟产生器诸如是发射机和/或接收机的振荡器。这可以提供接收算法的定时准确度，它超过了码元时钟产生器的定时准确度。

在许多实施例中，相关器之间的时间偏移小于十分之一的码元时间将是合适的，因为这一准确度将产生相对高的定时准确度，并从而产生合适的接收机性能。同样，在绝大多数实施例中，在一个码元判定点的相关器之间的所有时间偏移可以小于一个码元时间。

通过在多个数据码元上扩展联合检测，可以在一些实施例中获得进一步性能的增强。特别是，时间抖动与帧持续时间相比常常变化非常慢，因此它们可以被认为对数据码元数量是完全恒定的。

在一些这样的实施例中，码元点相关器107可以产生在多个码元的多个码元判定点附近的时间偏移信号值，联合估计器109通过对多个码元的相关值的联合估计，可以确定多个码元的码元值。特别是，通过假定时间抖动对于这些M个数据码元来说是恒定的，并通过下面方程来确定M个码元值，就可以在数量M的数据码元上平均时间偏移，确定M个码元值的方程为：

$[{\hat{b}}_1,{\hat{b}}_2,...,{\hat{b}}_M,\hat{k}]=\underset{b_1,...,b_M,k}{\arg \min }\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(b_i\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))}^H{R_N}^{-1}(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(b_i\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))\right)\right)---\left(10\right)$

通过实现下面的特定步骤就可以获得合适的算法：

·对于每个k∈{-N，...，0，...，N}和每个i∈{1，...，M}，计算最大似然解

${\hat{b}}_{k,i}=\underset{b_i}{\arg \min }\left({(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(b_i\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))}^H{R_N}^{-1}(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}(b_i\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))\right)$

其中C(i)是第i个数据码元的相关向量C。

·计算

$\hat{k}=\underset{k}{\arg \min }\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}({\hat{b}}_{k,i}\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))}^H{R_N}^{-1}(\underset{\‾}{C}\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,N}({\hat{b}}_{k,i}\mathrm{\Δ}+\mathrm{k\δ}))\right)\right)$

·估计的位序列是 $[{\hat{b}}_1,...,{\hat{b}}_M]=[{\hat{b}}_{\hat{k},1},...,{\hat{b}}_{\hat{k},1}]$

所述算法可以在计算上满足某些应用。因此，在一些实施例中它对于减少计算要求来说是有利的。在一些这样的实施例中，当确定每个时间偏移的最大可能码元值时，联合估计器109可以为每个时间偏移选择相关信号值的一个子集。

例如，通过仅仅考虑每个可能时间偏移的两个相关信号值可以简化前面叙述的算法。这样，在这个实施例中，对于每个k∈{-N，...，0，...，N}，仅仅估计两行的C(i)向量：

${\underset{\‾}{C}}_k\left(i\right)=\left[\begin{array}{c}{C}_{-k,0}\left(i\right)\\ C_{-k,1}\left(i\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w(b_i\mathrm{\Δ}+J-\mathrm{k\δ})\\ S_w((1-b_i)\mathrm{\Δ}-J+\mathrm{k\δ})\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_0\\ {\mathrm{\η}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{S}_w\left(b_i\mathrm{\Δ}{+J}_r\right)\\ S_w((1-b_i)\mathrm{\Δ}-J_r)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_0\\ {\mathrm{\η}}_1\end{array}\right]---\left(11\right)$

它可以被重写为：

其中

接着，可以通过单独的步骤来表示该算法的低复杂型式：

·对于每个k∈{-N，...，0，...，N}和每个i∈{1，..，M}，计算最大似然解

${\hat{b}}_{k,i}=\underset{b_i}{\arg \min }\left({({\underset{\‾}{C}}_k\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,2}\left(b_i\mathrm{\Δ}\right))}^H{R_2}^{-1}({\underset{\‾}{C}}_k\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,2}\left(b_i\mathrm{\Δ}\right))\right)$

·计算 $\widehat{k=}\underset{k}{\arg \min }\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({({\underset{\‾}{C}}_k\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,2}\left({\hat{b}}_{k,i}\mathrm{\Δ}\right))}^H{R_2}^{-1}({\underset{\‾}{C}}_k\left(i\right)-{\underset{\‾}{S}}_{w,2}\left({\hat{b}}_{k,i}\mathrm{\Δ}\right))\right)\right)$

·估计的位序列被确定为：

$[{\hat{b}}_1,...,{\hat{b}}_M]=[{\hat{b}}_{\hat{k},1},...,{\hat{b}}_{\hat{k},1}]$

在一些实施例中，自适应的确定UWB信号的估计时间偏移、并响应UWB信号的估计时间偏移来动态的调整码元点相关器107的相关器的时间偏移，将是很有利的。这可以例如用于减少相关器的数量和每个码元判定点的相关值。

例如，可以使用估计的抖动值来计算在下一组M个码元期间必须被应用到相关器的最佳的时间偏移。已经发现当使用大量相关器进行相关时，通常只有少量的相关值对于抖动值的估计是重要的和作出有效贡献的，因此，通过动态的调整相关器的时间偏移，可以确保仅仅产生有用的相关值，并且仅仅有用的相关值被联合估计器109使用。

因此，根据本发明的一些实施例，提供了用于解决在基于UWB系统的脉冲中的同步问题的技术，特别是提供了解决从振荡器相位噪声中产生的时间抖动的问题的技术。

本技术可以应用于基于调制器的相关，其中调制器将接收信号与多个本地脉冲进行相关(本地脉冲也可以称为本地复制)。这些脉冲可以被组织为如下所述：

主脉冲：这些脉冲对应调制器的判定点，实际上它们对应期望脉冲的位置。它们通过相对重要的时间偏移进行分隔。

附加脉冲：在每个主脉冲之后，添加了通过小的时间偏移分隔的一些脉冲。

这些接收码元是一组对应在接收信号和本地脉冲之间的互相关的值。

本技术可以联合地估计影响几个结果码元的信号的数据和时间偏移。由于时间抖动与数据速率相比较具有缓慢变化的特性，因此这允许接收信号定时的不确定性的平均。精确的定时减少了差错概率。

一些可能的技术是

1)全最大似然检测算法：

这个技术是通过将全最大似然检测应用到对应几个结果码元的所有接收的相关中，来联合地估计数据和时间偏移。在这种技术中，距离计算(在接收相关和期望相关之间)包括同时所有的相关。

2)次最优检测算法：

不是使用所有的相关点来计算距离，将相关值分为两个一组(或更多三个一组，由四部分组成...)，并将相关值与抖动较少的理想值进行比较。在几个数据码元上将距离进行平均，以便获得时间抖动的着色(或缓慢变化)优点。

3)对于任何一个前面技术的适应型式：

上面叙述的技术可以与适应的算法组合，该算法是减少相关的数量，以便仅仅捕获主要的相关。由于这些技术估计了影响接收信号的时间偏移(或抖动)，因此就使用这个信息来处理仅仅有用的相关。

本发明可以采用任何适合的形式实现，这包括硬件，软件，固件或它们的任意组合。然而，优选的，本发明部分地作为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件来实现。本发明实施例的部件和组成部分可以在实体上、功能上和逻辑上采用任何适合的方式实现。实际上功能性可以在单个单元中，在多个单元中或作为其它功能单元的一部分来实现。因而，本发明可以在单个单元中实现，或者可以在实体上和功能上分布在不同的单元和处理器之间。

尽管本发明已经结合优选的实施例进行叙述，但是本发明并不意味着局限于本文公开的特定形式。更确切地说，本发明的范围是仅仅通过附有的权利要求书来限定。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其它部件或步骤的存在。而且，尽管是单独的例举，但是多个装置，部件或方法步骤可以通过例如单一的单元或处理器来实现。此外，尽管单个特征可以被包括在不同的权利要求中，这些特征也可以被有利的组合，在不同权利要求中的“包括”并不意味着特征的组合就不是可行的和/或有利的。此外，单数参考并不排除复数。这些对“一”，“一个”，“第一”，“第二”等的参考并不排除复数。

Claims (18)

1.一个接收超宽带信号的接收机，该接收机包括：

用于接收超宽带信号的装置；

第一组的多个相关器，用于通过将接收的超宽带信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点的相关信号值；该第一组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，以产生第一时间偏移相关信号值；和

用于通过对第一码元的码元值和超宽带信号的时间偏移进行联合检测，响应第一时间偏移相关信号值来确定该第一码元的码元值的装置。

2.如权利要求1中所述的接收机，其中在第一组的多个相关器的第一相关器和第二相关器之间的时间偏移小于码元时钟产生器的最大时间抖动。

3.如权利要求1或2中所述的接收机，其中在第一组的多个相关器的第一相关器和第二相关器之间的时间偏移小于十分之一的码元时间。

4.如权利要求1中所述的接收机，其中在第一组的多个相关器之间的所有时间偏移都小于一个码元时间。

5.如权利要求1中所述的接收机，其中所述第一组的多个相关器可操作产生在多个码元的多个码元判定点的时间偏移信号值，并且用于确定的装置可操作通过对时间偏移相关信号值进行联合估计来确定多个码元的码元值，其中时间偏移相关信号值对应于多个码元判定点。

6.如权利要求5中所述的接收机，其中用于确定的装置可操作通过平均在多个码元上的超宽带信号的时间偏移，来确定码元值。

7.如权利要求1中所述的接收机，其中用于确定的装置可操作用于通过最大似然检测来确定码元值。

8.如权利要求1中所述的接收机，还包括：

第二组的多个相关器，用于通过将接收的超宽带信号与本地复制进行相关来产生在第二码元判定点的相关信号值；第二组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，用于产生第二时间偏移相关信号值；

其中用于确定码元值的装置还可操作用于响应第二时间偏移相关信号值来确定码元值。

9.如权利要求8中所述的接收机，其中第一码元判定点对应于与第一码元的第一码元值相关的码元判定点，第二判定点对应于与第一码元的第二码元值相关的判定点。

10.如前面权利要求8或9中任何一个所述的接收机，其中具有关于第一判定点的相对时间偏移的第一组的多个相关器中的每个相关器，都具有第二组的多个相关器的对应相关器，它们具有关于第二判定点的充分相同的相对时间偏移。

11.如权利要求8中所述的接收机，其中所述用于确定的装置可操作用于通过充分最小化在第一和第二相关信号值与第一和第二相关信号值的期望值之间的差值指示，来确定第一码元值，其中第一和第二相关信号值是与第一码元值相关。

12.如权利要求8中所述的接收机，其中所述用于确定的装置可操作用于通过最大似然检测来确定第一码元值。

13.如权利要求8中所述的接收机，其中用于确定的装置包括：

响应第一和第二时间偏移相关信号值来确定多个时间偏移的时间偏移码元值的装置；

响应时间偏移码元值和第一和第二时间偏移相关信号值来确定可能的时间偏移的装置；

用于确定第一码元值作为对应可能的时间偏移的时间偏移码元值的装置。

14.如权利要求13中所述的接收机，其中用于确定时间偏移码元值的装置包括：

用于选择对多个时间偏移中每一个的第一和第二时间偏移相关信号值的子集的装置，

用于响应每个时间偏移的子集来确定每个时间偏移的时间偏移码元值的装置。

15.如权利要求1中所述的接收机，其中用于确定的装置包括：

用于确定超宽带信号的估计时间偏移的装置；

用于响应超宽带信号的估计时间偏移来调整第一组的多个相关器中至少一个相关器的时间偏移的装置。

16.如权利要求8中所述的接收机，其中用于确定的装置包括用于确定多个数据值的联合时间偏移的装置。

17.如权利要求8中所述的接收机，其中用于确定的装置包括通过使用对数据码元序列的每个数据码元的至少一个判定点来联合确定时间偏移和多个数据码元的装置。

18.一种接收超宽带信号的方法，该方法包括步骤：

接收超宽带信号；

利用第一组的多个相关器，通过将接收的超宽带信号与本地复制进行相关，来产生在第一码元的第一码元判定点的相关信号，该第一组的多个相关器彼此之间具有时间偏移，用于产生第一时间偏移相关信号值；

通过对第一码元的码元值和超宽带信号的时间偏移进行联合检测，响应第一时间偏移相关信号值来确定该第一码元的码元值。

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