CN102983876B - 一种超宽带通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带通信系统，包括发射机和接收机。其中，发射机编码模块在每单位时间周期T秒内，根据接收到N位二进制数据，生成具有特定幅值Ax的超宽带短脉冲，并经由发射模发射出去，其中x的取值范围为1到2^N的正整数；接收机的接收模块在每单位时间周期T秒内接收所述具有特定幅值Ax的超宽带短脉冲，再由解码模块根据超宽带短脉冲的幅值Ax，还原生成所述N位二进制数据。本发明的超宽带通信系统可在单位时间周期内传输多位二进制数据信号，从而使得数据流传输速度大幅提高。

Description

一种超宽带通信系统

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种超宽带通信系统。

背景技术

随着新一代无线宽带通信技术的发展和产业化进程的展开，以PDA、多媒体手机、平板电脑等为中心的手持多媒体终端得到了广泛的应用，将成为信息技术普及应用的统一平台，它可以支持丰富多彩的各种信息应用，在各个行业如工业、农业、医疗、教育、家庭和个人通信等中得到快速发展。高速的数据传输是其中的关键技术之一，当信息终端交换数据时，为了能够有效传输高质量的图像甚至视频数据，势必需要足够高的数据率作为保证。但是，数据率的提高不仅对整个接收机的性能提出了挑战，如接收灵敏度或噪声，而且也考验着模拟基带的放大器、滤波器的功耗。此外，数据率的提高还影响到系统频谱规划。

目前国际上实现新一代无线宽带通信技术的主流收发机系统之一是超宽带短脉冲系统。对于超宽带（Ultra-wide Band，UWB）系统，美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）早在2002年4月就给出了明确的规定。超宽带系统的频率范围在3.1～10.6GHz，其频谱在-10dB处，应该满足信号的相对带宽（即信号绝对带宽与中心频率之比）大于20%，或者信号的绝对带宽大于500MHz。可见，超宽带的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。研究人员在UWB通信系统协议的框架范围内，提出了另一种实现超宽带的方式——超宽带短脉冲系统。超宽带短脉冲概念的核心是利用了信号在时域持续时间极短对应频域频谱范围展宽的特点，也就是说在时域上通信系统传输的是极短的脉冲，即在一个周期内，通信系统发射了一个具有极小的占空比的信号，通过傅立叶变换，在频域范围内也即传输了一个具有较大频宽的信号，当该信号的频谱宽度大于500MHz的时候，那么该信号就成为了一个标准的UWB信号，其传输协议也就受到了UWB协议的规范了。

然而，如何有效利用超宽带短脉冲系统来提高数据传输速率成为了目前超宽带短脉冲系统的重要课题之一。目前，应用于超宽带短脉冲系统的最常见的调制方式为OOK调制方式，如图1所示，OOK调制方式的编码原理为，在单位时间周期（如T纳秒）内，如果存在频率为f的超短脉冲信号，那么该单位时间周期内传输数据“1”；在单位时间周期（如T纳秒）内，如果不存在任何信号时，那么该单位时间周期内传输数据“0”。这样的话，在单位时间周期内只能够传输一位数据码的数据流，其时间利用率较低，传输速度也较慢。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种数据传输速度较快的超宽带通信系统。

为达成上述目的，本发明提供一种超宽带通信系统，包括发射机和接收机，所述发射机包括：锁相环电路，在每单位时间周期T秒内根据接收到含N位二进制数据的信号，产生一个超宽带短脉冲，其中，N为大于等于2的正整数；编码模块，耦接所述锁相环电路，其在每单位时间周期T秒内根据接收到所述N位二进制数据，确定并生成所述超宽带短脉冲的幅值Ax，其中，x的取值范围为1到2^N的正整数；以及发射模块，耦接所述编码模块，其在每单位时间周期T秒内，将所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲发射出去；

所述接收机包括：接收模块，其在每单位时间周期T秒内，接收一个所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲；以及解码模块，耦接所述接收模块，其在每单位时间周期T秒内根据所述超宽带短脉冲的幅值Ax，还原生成所述N位二进制数据。

进一步的，所述编码模块包括增益选择器及功率放大器，所述增益选择器具有2^N位增益选择位，根据接收到的所述N位二进制数据选择所述增益选择位以对应放大所述超宽带短脉冲的幅值；所述功率放大器耦接所述增益选择器，接收并调制经所述增益选择器放大的所述超宽带短脉冲，并生成所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲。

进一步的，所述增益选择器包括：储存模块，储存2^N组所述N位二进制数据与所述增益选择位的对应信息；以及控制模块，耦接所述储存模块，在每单位时间周期T秒内根据接收到的所述N位二进制数据及所述对应信息选择所述增益选择位。

进一步的，所述解码模块包括低噪声放大器、混频器以及幅值解码器，其中所述低噪声放大器放大所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲，并输出至所述混频器进行频率下变频，再输出至所述幅值解码器进行幅值解码。

进一步的，所述幅值解码器包括：第一储存模块，储存2^N组所述混频器输出信号的幅值与所述N位二进制数据的对应信息；以及数据还原模块，耦接所述第一储存模块，在每单位时间周期T秒内根据所述混频器输出信号的幅值以及所述对应信息，还原生成所述N位二进制数据。

进一步的，所述幅值解码器还包括：第二储存模块，储存2^N个参考阈值；以及比较模块，耦接所述第二储存模块，根据所述参考阈值重新确定所述混频器输出信号的幅值。

进一步的，所述混频器为自混频器。

进一步的，所述接收机还包括缓冲器模块，耦接所述解码模块，缓存所述N位二进制数据。

本发明的优点在于通过编码模块和解码模块，对超宽带短脉冲信号的能量幅度与二进制数据进行编码/解码，从而使得超宽带发射机和接收机在单位时间周期内可传输多位二进制数据，使得数据流传输速度大幅提高。

附图说明

图1为现有技术中数据传输的编码示意图。

图2为本发明一实施例超宽带通信系统的架构示意图。

图3为本发明一实施例超宽带发射机编码模块的架构示意图。

图4为本发明一实施例超宽带接收机解码模块的架构示意图。

图5为采用本发明一实施例超宽带通信系统进行数据传输的编码示意图。

图6为本发明一实施例与现有技术超宽带通信系统进行数据传输的对比图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的超宽带通信系统包括发射机和接收机。首先请参考图2，其显示本发明一实施例的超宽带通信系统架构示意图。超宽带发射机包括锁相环电路10，编码模块20以及发射模块30。其中，编码模块20耦接锁相环电路10。在每个单位时间周期T秒内，锁相环电路10接收到一个含有N位二进制数据的信号，并根据这一信号将其生成的本征频率为f_LO的正弦波信号调制为超宽带短脉冲信号S1，其中N为大于等于2的正整数。编码模块20在每个单位时间周期T秒内也接收N位二进制数据，根据所接收到的二进制数据来放大信号S1的幅值，从而生成具有特定幅值Ax的超宽带短脉冲信号S2，完成对二进制数据的编码，其中，x的取值范围为1到2^N的正整数。之后，发射模块30负责将该超宽带短脉冲信号S2发送出去。请参考图2，其所示为编码模块20的结构示意图。编码模块20包括增益选择器21以及功率放大器22，其中增益选择器21具有2^N位增益选择位，可以根据所接收到的不同二进制数据选择对应的增益选择位，由此以不同增益放大超宽带短脉冲信号S1的幅值。举例来说，增益选择器21可包括储存模块210，储存有2^N组N位二进制数据与增益选择位的对应信息；以及控制模块211，耦接储存模块210，控制模块211根据输入的二进制数据和对应信息来选择增益选择位，以放大超宽带短脉冲信号S1的幅值。功率放大器22耦接增益选择器21，将经增益选择器21放大的信号进一步调制，最终在单位时间周期T秒内生成具有特定幅值Ax的超宽带短脉冲信号S2。当然，本发明的增益选择器并不限于利用储存模块和控制模块选择增益选择位来执行编码动作，实际上，增益选择器也可通过程序控制以达到根据二进制数据改变超宽带短脉冲信号S2的幅值。

接着请继续参考图1，超宽带接收机包括接收模块40以及解码模块50。其中，接收模块在每个单位时间周期T秒内，接收发射机所发射的具有特定幅值Ax的超宽带短脉冲信号S2。解码模块50耦接接收模块40，在每单位时间周期T秒内根据超宽带短脉冲信号S2的幅值Ax，还原生成N位二进制数据。超宽带接收机还可包括缓冲器模块60，耦接解码模块50，接收及缓存解码的N位二进制数据，并按需输出。

请参考图4，其所示为解码模块50的架构示意图。解码模块50包括低噪声放大器51，混频器52以及幅值解码器53。低噪声放大器51耦接接收模块40，对超宽带短脉冲信号S2进行前置放大和带通滤波。混频器52耦接低噪声放大器51，对经放大和滤波的信号进行下变频以产生具有一定频率的超宽带短脉冲信号S3。在本发明的一个实施例中，混频器52为自混频器，其通过本身信号的混频即可实现频率的下变频效果，从而无需再添加锁相环电路。幅值解码器53耦接混频器52，接收信号S3，并根据其幅值对应还原产生N位二进制数据。进一步的，幅值解码器53包括第一储存模块530及数据还原模块531。第一储存模块530储存2^N组信号S3的幅值与N位二进制数据的对应信息。数据还原模块531在每单位时间周期内根据对应信息以及所接收到的信号S3的幅值还原生成N位二进制数据。此外，幅值解码器53还可包括第二储存模块532及比较模块533。其中第二储存模块532储存有2^N个参考阈值，比较模块533耦接第二储存模块532，比较模块533将接收的信号S3与参考阈值进行幅度比较，当信号S3的幅值与参考阈值一致，则输出该幅值至数据还原模块531，由数据还原模块531还原生成对应的N位二进制数据。当比较结果为信号S3的幅值与参考阈值具有偏差时，比较模块533将进一步进行计算，重新确定信号S3的幅值使其与参考阈值相一致并将其输出至数据还原模块531，再由数据还原模块531还原N位二进制数据，比较模块533的具体计算方法例如是采用最小差值法，本发明并不限于此。

以下将对本发明超宽带通信系统的具体工作方式做详细说明。

请参考图5，其所示为本发明一实施例的发射机/接收机进行数据传输的编/解码示意图。在本实施例中，将每T秒的时间周期发射/接收的超宽带短脉冲S2能量设定为四种不同的能量幅度，分别为：A1=5dBm、A2=2dBm、A3=－1dBm、A4=-4dBm。对于能量幅度为A1的短脉冲，代表该时间周期内传输2位的二进制数据11；对于能量幅度为A2的短脉冲，代表该时间周期内传输数据10；对于能量幅度为A3的短脉冲，代表该时间周期内传输数据01；对于能量幅度为A4的短脉冲，代表该时间周期内传输数据00。

在本实施例中，锁相环电路10接收输入的2位二进制数据并产生频率为f_L0的本征信号S1。发射机中增益选择器21的增益选择位为4位，储存模块210储存上述4位增益选择位与2位二进制数据之间的对应关系，且通过增益选择器21及功率放大器22分别可将本征信号S1放大为5dBm、2dBm、－1dBm以及-4dBm。请参考图6，假设本发明的超宽带发射机要将二进制数据信号10110001进行编码并发射，首先，锁相环电路10接收上述数据信号并产生频率为f_LO的本征信号S1。增益选择器21接收上述数据信号10110001，控制模块211根据储存模块210中所储存的二进制数据和增益选择位的对应关系依次选择不同的增益选择位，再经过功率放大器22放大，从而编码模块20在第一个时间周期T秒内输出能量幅度为2dBm的短脉冲信号；在第二个时间周期内输出能量幅度为5dBm的短脉冲信号；在第三个时间周期内输出能量幅度为-4dBm的短脉冲信号；在第四个时间周期内输出能量幅度为-1dBm的短脉冲信号，再经由发射模块30发射。由此，在4个单位时间周期内发射机即可将数据码流“10110001”全部发射出去。而传统的发射机采用OKK调制方式进行数据传输时，请继续参考图6，在单位时间周期内发出一个短脉冲信号代表传输数据1，不发出短脉冲信号代表传输数据0，因此在同样为4个单位时间周期T秒内所发射的数据码流仅为“1011”。由此可见，本发明实施例的超宽带发射机可以在单位时间T秒对2位二进制数据进行编码并发射，实现2倍数据率的数据传输。值得注意的是，增益选择器21中的增益选择位不限于4位，其储存的对应信息也不限于4组，当其为2^N时，单位时间周期内可传输N位二进制数据，其传输数据率更高。

同样的，超宽带接收机也可在单位时间周期T秒内接收由发射机发出的超宽带短脉冲并解码出2位二进制数据。具体来说，接收模块40在4个时间周期内依次接收幅值为2dBm、5dBm、－4dBm以及-1dBm的超宽带短脉冲信号S2，低噪声放大器51耦接接收模块40，对信号S2进行前置放大和带通滤波。在本实施例中，混频器52为自混频器，自混频器52耦接低噪声放大器51，对经放大和滤波的信号进行频率下变频以产生短脉冲信号S3。幅值解码器53的第一储存模块530中储存有4组信号S3的幅值与2位二进制数据的对应信息，数据还原模块531则根据这些对应信息以及所接收到的短脉冲信号S3的幅值在4个时间周期T秒内依次还原产生二进制数据10110001，最终完成对接收模块40所接收到的超宽带短脉冲信号S2的解码。进一步的，第二储存模块532还储存有4个参考阈值，这些参考阈值与超宽带短脉冲信号S2的能量幅度为2dBm、5dBm、－4dBm以及-1dBm的时，经低噪声放大器51与自混频器52调制后的信号幅值相同。假设超宽带接收机在4个时间周期内依次接收幅值为2dBm、4.8dBm、－4dBm以及-1dBm的超宽带短脉冲信号S2，比较模块533在每一个时间周期内分别将信号S3的幅值与参考阈值进行比较。在第一时间周期内，信号S3的幅值与第二储存模块532储存的参考阈值一致，因此比较模块533将信号S3的幅值输出至数据还原模块531，数据还原模块531根据对应信息及信号S3的幅值还原生成数据10。在第二个时间周期内，接收机所接收的超宽带短脉冲信号S2的幅值为4.8dBm，因此，调制后的信号S3的幅值与第二储存模块532储存的参考阈值不同，此时比较模块533通过计算得出其与接收5dBm能量幅度的超宽带短脉冲经调制后产生的信号S3的幅值最为接近，从而重新确定信号S3的幅值并输出至数据还原模块531，数据还原模块531对应输出数据信号11。同样的，在第三第四个时间周期内幅值解码器53则相应输出二进制数据0001。解码模块50在单位时间周期内并不限于解码2位二进制数据，当幅值解码器53所储存的对应信息为2^N组时，单位时间周期内可解码出N位二进制数据，其传输数据率更高。

综上，本发明所提出的超宽带通信系统，分别通过编码模块和解码模块，在单位时间周期内可传输多位二进制数据信号，从而使得数据流传输速度大幅提高。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种超宽带通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于，

所述发射机包括：

锁相环电路，在每单位时间周期T秒内根据接收到含N位二进制数据的信号，产生一个超宽带短脉冲，其中，N为大于等于2的正整数；

编码模块，耦接所述锁相环电路，其在每单位时间周期T秒内根据接收到所述N位二进制数据，确定并生成所述超宽带短脉冲的幅值Ax，其中，x的取值范围为1到2^N的正整数；以及

发射模块，耦接所述编码模块，其在每单位时间周期T秒内，将所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲发射出去；

所述接收机包括：

接收模块，其在每单位时间周期T秒内，接收一个所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲；以及

解码模块，耦接所述接收模块，其在每单位时间周期T秒内根据所述超宽带短脉冲的幅值Ax，还原生成所述N位二进制数据；

其中所述编码模块包括增益选择器及功率放大器，所述增益选择器具有2^N位增益选择位，根据接收到的所述N位二进制数据选择所述增益选择位以对应放大所述超宽带短脉冲的幅值；所述功率放大器耦接所述增益选择器，接收并调制经所述增益选择器放大的所述超宽带短脉冲，并生成所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲；

其中所述解码模块包括低噪声放大器、混频器以及幅值解码器，其中所述低噪声放大器放大所述具有幅值Ax的超宽带短脉冲，并输出至所述混频器进行频率下变频，再输出至所述幅值解码器进行幅值解码。

2.根据权利要求1所述的超宽带通信系统，其特征在于，所述增益选择器包括：

储存模块，储存2^N组所述N位二进制数据与所述增益选择位的对应信息；以及

控制模块，耦接所述储存模块，在每单位时间周期T秒内根据接收到的所述N位二进制数据及所述对应信息选择所述增益选择位。

3.根据权利要求1所述的超宽带通信系统，其特征在于，所述幅值解码器包括：

第一储存模块，储存2^N组所述混频器输出信号的幅值与所述N位二进制数据的对应信息；以及

数据还原模块，耦接所述第一储存模块，在每单位时间周期T秒内根据所述混频器输出信号的幅值以及所述对应信息，还原生成所述N位二进制数据。

4.根据权利要求3所述的超宽带通信系统，其特征在于，所述幅值解码器还包括：

第二储存模块，储存2^N个参考阈值；以及

比较模块，耦接所述第二储存模块，根据所述参考阈值重新确定所述混频器输出信号的幅值。

5.根据权利要求1所述的超宽带通信系统，其特征在于，所述混频器为自混频器。

6.根据权利要求1所述的超宽带通信系统，其特征在于，所述接收机还包括缓冲器模块，耦接所述解码模块，缓存所述N位二进制数据。