波的時域逆轉方法

專利名稱：波的時域逆轉方法
技術領域：
本發明涉及波的時域逆轉方法。
更具體地，本發明涉及同至少一個初始信號s(t)相對應的波的時域逆轉的方法，其中t代表時間，該初始信號s(t)的中心頻率為f0，其通帶為Δf，該方法中，確定了一個時域逆轉信號α·s(-t)，其中，α是常數或者是時變的乘法系數，s(-t)是s(t)的時域逆轉。
文獻EP-A-0 803 991描述了這樣一種方法的例子，其中具有調用某個信號的時域逆轉(temporal inversion)的近似值的缺陷，它僅僅能工作于某些特定條件下，特別是當帶寬非常窄的時候。
本發明的目的尤其在于減輕這種缺陷。
為此，根據本發明，有關這個問題的一類解決方法的特征在于，包括以下步驟-第一變換，其適用于降低信號的中心頻率，而且應用于初始信號s(t)而基本上不引起初始信號的任何信息丟失，所述第一變換生成包括至少一個比初始信號具有更低中心頻率的第一變換信號Ki(t)的第一組變換信號，所述第一組變換信號Ki(t)代表所述初始信號s(t)。
-第二變換，當該變換應用于每個第一變換信號Ki(t)的時候，該變換生成同第一變換信號基本上具有相同中心頻率的第二變換信號K’i(t)，該第二變換從第一組變換信號Ki(t)生成了第二組變換信號K’i(t)，選擇所述第二變換使得所述第二組變換信號代表時域逆轉信號s(-t)。
-第三變換，該變換應用于第二組變換信號K’i(t)，生成時域逆轉信號α·s(-t)。
由于本發明所述這些方法的優點，其可以成功地生成一個時域逆轉波，而不必在頻率f0上完成這項工作，后者在數字模式里要求至少以兩倍于信號s(t)的最大頻率的采樣頻率對信號進行采樣，這樣會導致使用相對昂貴的硬件，特別是在頻率f0很高的時候。相反地，根據本發明，可以利用信號s(t)的通帶Δf低于f0的事實，將所述信號降低到一個較低的頻率而不丟失信息，這通常可以由簡單和標準的操作來完成，例如解調類型的操作。這樣，較低頻率的一個或多個信號Ki(t)被采樣和處理，以獲得代表s(-t)的一個信號或多個信號K’i(t)，以相對低頻率的操作的電子裝置就會相當便宜。通過一個諸如調制類型的標準操作(例如最初應用于信號s(t)的逆轉操作)，隨即便返回到較高頻率，再生信號s(-t)。
根據本發明的優選實施例，可以采用如下安排中的一個和/或其他-通帶Δf小于f0；-第三變換是第一變換的逆變換；-第一變換是解調，該解調適用于消除頻率為f0的載波信號，以從初始信號s(t)中提取出所述第一組變換信號Ki(t)，第三變換是一個信號或多個信號K’i(t)對頻率為f0的載波信號的調制；-第一變換是IQ解調，該解調生成兩個第一變換信號K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，使得s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sin(2π·f0·t)，第二變換將信號K1(t)變換為K’1(t)＝I(-t)，將信號K2(t)變換為K’2(t)＝-Q(-t)，第三變換是IQ調制，該IQ調制是所述解調的逆過程；-第一變換是幅度和相位解調，其生成兩個第一變換信號K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)，其中A(t)是信號s(t)的幅度，(t)是信號s(t)的相位，第二變換將信號K1(t)變換為K’1(t)＝A(-t)，并將信號K2(t)變換為K’2(t)＝-(-t)，第三變換是所述解調的相逆過程的調制，其生成時域逆轉信號s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]；-第一變換是一個子采樣過程，其采樣頻率小于2f0，但至少等于2Δf，生成一個變換信號K1(t)，第二變換是一個時域逆轉過程，將信號K1(t)變換為K’1(t)＝K1(-t)，第三變換是一個通帶基本上等于Δf、頻率中心在f0的濾波，將K’1(t)變換為s(-t)；-第一變換是將頻率下變頻到中間頻帶的過程，生成一個第一變換信號K1(t)，第二變換是時域逆轉變換，其將信號K1(t)變換為K’1(t)＝K1(-t)，第三變換是上變頻過程，是上述下變頻的逆過程；-第一和第三變換在模擬信號上實現，每個第一變換信號都要被采樣，在將每個第二變換信號轉換為模擬信號之前，第二變換以數字方式執行；-以低于中心頻率f0的采樣頻率進行采樣；
-波是電磁波(例如無線電波或光波)；-中心頻率f0在0.7和50GHz之間；-中心頻率f0在0.7和10GHz之間；-從聲波和彈性波中選擇波。
通過閱讀以下參照附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯。
在圖中-

圖1為用于發送/接收波使其可以實現根據本發明的一個實施方式的方法的一個示例設備的基本框圖；-圖2和圖3描述了圖1中的設備的一個特殊應用。
圖1顯示了用于發送和接收波的一個示例設備，這里波是無線電磁波，該設備能夠獲取波并將波在時域里逆轉。
為此，圖1所示的波發送和接收設備1包括，例如-一個電子中央單元2，例如一個微型計算機或一個基于微處理器的電路，-一個無線電波接收天線3，用于接收相應于一個電磁波的初始信號s(t)，其中t代表時間，-一個解調器組4，用于接收由接收天線3接收到的初始信號s(t)，該解調器組4同電子中央處理單元2相連，以便將解調信號發送到該電子小央處理單元2，-一個調制器組5，其連接到電子中央單元2以從該中央單元接收解調信號，該解調信號代表s(t)的時域逆轉s(-t)，-一個發射天線6，其連接到調制器組5以發送電磁波，該電磁波對應于調制信號α·s(-t)，其中s(-t)是初始信號s(t)的時域逆轉，α是一個固定的或時變的乘法系數。
所有這些部件可能適當地包含于諸如無線電話、固定的無線電話基站等同一個電子裝置內。
初始信號s(t)的中心頻率為f0，通帶為小于f0的Δf，例如小于f0/2(通常Δf相比于f0是比較小的)。
初始信號s(t)可以采用實數符號寫為s(t)＝A(t)cos[2π·f0·t+(t)]，其中，A(t)是信號s(t)的幅度，(t)是其相位。
通常，信號s(t)是幅度和相位調制在頻率為f0的載波上的一個信號，該頻率f0一般是事先已知的。
在如圖1所示的例子中，解調器組4包括一個IQ解調器7，其對信號s(t)做第一變換，以生成兩個第一變換信號K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，分別對應于信號的同相位和正交相位調制，以實數形式來表達這些信號I(t)、Q(t)s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sin(2π·f0·t)IQ解調器7將這些信號I(t)和Q(t)提供給模數轉換器8，該模數轉換器8對這些信號進行采樣并以數字形式發送給中央單元2。
為生成信號I(t)、Q(t)，例如，IQ解調器7可以包含放大器9，該放大器9從天線3接收信號s(t)，并且發送信號給兩個并行的電路-第一電路，其中信號s(t)與信號cos(2π·f0·t)相乘，并將乘法結果送到低通濾波器10，在其輸出端得到I(t)；-第二電路，其中信號s(t)與信號sin(2π·f0·t)相乘，并將乘法結果送到低通濾波器10，在其輸出端得到Q(t)。
基于采樣信號I(t)、Q(t)，中央單元2對這些信號進行第二變換以獲得第二變換信號K’1(t)＝I(-t)和K’2(t)＝-Q(-t)。
這些信號K’1(t)、K’2(t)由中央單元2以數字形式，以實時或非實時方式向調制器組5發送，該調制器組對這些信號執行第三變換以獲得信號s(-t)，以實數方式可以寫成s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]在圖1所示的例子中，調制器組5包括一個模/數轉換器11，其以采樣信號的形式接收來自中央單元2的信號I(-t)、-Q(-t)，并將這些信號重新變為模擬形式，轉換器11將這些信號送至一個IQ調制器12中的兩個并行電路；
-第一電路，其中信號K’1(t)＝I(-t)與信號cos(2π·f0·t)相乘，相乘結果可選地通過一個帶通濾波器13；-第二電路，其中信號-Q(-t)與信號sin(2π·f0·t)相乘，相乘結果可選地通過帶通濾波器13。
兩個帶通濾波器13的輸出相加以重建信號s(-t)，該信號例如，通過放大器14被送到發射天線6。
在一個或多個第一、第二和第三變換過程中，信號可能會與固定的或非固定的系數相乘，使得最后獲得的時域逆轉信號可以寫為α·s(-t)，α是一個固定的或非固定的系數(在所有相關的情形下，如果α是時變系數，優選地，它是隨著s(t)緩慢變化的)。
需要說明的是，在信號的處理過程中，模/數轉換和實際時域逆轉處理是在解調信號或基帶信號上實現的，也就是在小于f0的頻率上實現的，遠小于信號s(t)或s(-t)的頻率，因而為執行這些操作，所采用的電子裝置就會遠比直接對信號s(t)進行時域逆轉以獲得時域逆轉信號s(-t)所需的電子裝置簡單。
舉例來說，電磁波的中心頻率f0在0.7和50GHz之間，例如介于0.7和10GHz之間。通帶Δf可以介于1和500MHz之間，例如介于1和5MHz之間。
當然，不限于上述的那些頻率值，根據本發明的方法可以用于處理所有類型的電磁波，包括頻率處于光波范圍的波，特別是通過用工作于光波的等價器件來替代天線3、6以及解調器、調制器組4、5。
還需要說明的是，所述第一、第二及第三變換可以不同于前面的明確描述，表現在-第一變換生成第一組變換信號，其至少包括一個中心頻率低于初始信號s(t)的第一變換信號Ki(t)，所述第一組變換信號Ki(t)代表初始信號s(t)除另有聲明外，第一變換降低信號的中心頻率，基本上不造成初始信號s(t)的信息損失。
-第二變換生成至少一個第二變換信號K’i(t)，其中心頻率基本上與第一變換信號相同，所述第二組變換信號K’i(t)代表時域逆轉信號s(-t)。
-第三變換從第二組變換信號生成時域逆轉信號s(-t)，第三變換的優越之處在于能夠成為前述第一變換的逆變換。
如前所述，在一個或多個這些變換中，信號可能會與固定或非固定的系數相乘，這樣，最后信號為α·s(-t)。
在最常見的情形中，第一變換可以是適合于消除頻率為f0的載波信號并提取調制信號Ki(t)或基帶信號的解調類型的變換，第三變換是相逆的調制，該調制是通過用一個或多個信號K’i(t)調制頻率為f0的載波信號而得到的。
這些調制和解調可以是如上清楚地描述的IQ解調和IQ調制，但也可能是適當地在幅度和相位上的調制和解調，在此情形下，解調構成前述第一變換，生成兩個第一變換信號K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)，分別對應于信號s(t)的幅度和相位。第二變換從信號K1(t)和K2(t)生成第二變換信號K’1(t)＝A(-t)和K’2(t)＝-(-t)，第三變換是與所述的解調相逆的調制，通過用第二變換信號K’1(t)和K’2(t)對頻率為f0的載波在幅度與相位上進行調制，從而得到時域逆轉信號s(-t)s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]而且，前述第一和第三變換還可以是不同于解調和調制的變換。
例如，第一變換可以是信號s(t)的子采樣，采用的采樣頻率小于2f0，但至少等于2Δf，生成一個采樣變換信號K1(t)。在這種情形中，第二變換可以包括一個生成第二變換信號K’1(t)＝K1(-t)的時域逆轉，第三變換可以包括對變換為模擬信號之后的信號K’1(t)的濾波，該濾波通帶的中心頻率為f0，帶寬為Δf。
根據另一個變化的實施方式，第一變化可以簡單地包括一個下變頻變換，在中間頻率頻帶，生成一個中心頻率高于Δf/2的第一變換信號K1(t)，其中，第二變換是將信號K1(t)變換為K’1(t)＝K1(-t)的時域逆轉，第三變換是一個上變頻變換，是最初對信號s(t)所進行的下變頻變換的逆變換。
另外，需要說明的是，相應于時域逆轉信號s(-t)的電磁波不必在波s(t)被天線3接收到后立即被再次傳輸。相反地，為了傳輸具有所期望的空間和時間聚焦特性的電磁波，信號s(-t)，或代表時域逆轉信號s(-t)的一個或多個信號K’i(t)，可以在一個學習階段中被確定，并且保留在中央單元2的存儲器中，以便在后續處理中被再次使用。
例如，如果中央單元2、解調器組4和調制器組5被集成到無線電話中，如果類似的部件被集成到屬于諸如蜂窩無線電話網絡的固定基站上，那么可以想象到的是，在上述學習階段，該固定基站和/或無線電話，可以傳輸預定的信號，例如脈沖信號，接收該信號的設備(無線電話或固定基站)可以存儲相應的時域逆轉信號s(-t)，或代表該時域逆轉信號的第二變換信號K’i(t)。
在此情形中，當這兩個設備中的一個需要向另一個設備發送消息m(t)時，其可以計算發射信號S(t)＝m(t)s(-t)，其中，是卷積操作符，并發射一個相應于該信號S(t)的電磁波。在此情形中，特別是如果周圍媒介對電磁波是高度反射性的，通常，對城市媒介尤其如此，所發射的電磁波以極高的精確度聚焦在接收消息的設備上，而由該接收設備提取出的信號止好就是消息m(t)。
這樣就可能在兩個裝置之間進行非常小心的雙向通信，由于無線電波窄的聚焦特性，只能通過所述兩個裝置將其有效地提取出來。在一個反射媒介里，集成了所有這些裝置的無線電通信網絡的總的吞吐量因此得到顯著的提升。
當然，考慮到媒介的變化(天氣條件、反射電磁波的物體的運動，例如車輛之類，等)，和/或連接于通信網絡的移動無線電話的運動，在各種裝置中確定信號K’i(t)的學習步驟可能在規則的或非規則的間隔內迭代地重復。
而且，還需要說明的是，發射天線6和接收天線3可以合二為一，由一個單獨的天線代替，例如在通信應用里。
但是，這些天線不必處于相互臨近的位置，而且，接收天線3可以僅用于初始學習步驟中，以確定信號K’i(t)，例如當一個人希望將根據本發明的方法僅用于單向通信，或者用于非通信的應用，特別是用于目的在于通過將電磁波聚焦到接收天線3所處的初始點這一非常局部化的方式來破壞或加熱媒介的應用。
在此情形里，例如，可以在學習階段的過程中，令發射天線6發射預定的信號S(t)，在希望集中電磁波的區域15(圖2)，通過接收天線3提取相應的電磁波s(t)，然后通過前述處理中的一個來確定信號K’i(t)，因而在天線6上可以生成一個時域逆轉信號s(-t)。當該信號s(-t)后來在發射天線6上被發射出去，可選地，在天線3被拆除之后(圖3)，在學習期間由發射天線6初始發射出去的預定信號(例如一個脈沖信號或類似信號)，就以一種聚焦程度非常高的方式在區域15被接收，該區域15即接收天線3原先所在的位置。
為了精確地將波集中在區域15，還可以先從區域15初始地發射所期望的信號S(t)，然后在天線3上接收相應的信號s(t)，天線3與天線6合為一體或非常接近于天線6。隨后通過天線6再次發射信號α·s(-t)，如果合適在移走最初發射信號S(t)的天線之后，可生成精確地聚焦于區域15的波S(t)。
為了提高波聚焦的質量，可以通過采用反射電磁波的空腔來發射和/或接收波的方式來使用根據本發明的方法(或者，在該波是聲波時，通過聲學意義上的例如由一個能夠對聲波產生回響的固體組成的“空腔”，例如在2003年7月25日提交的法國專利申請no.03 09140中所描述的那樣)。
而且，需要注意的是，同一個中央單元2可以連接于具有多個天線3或6的網絡，例如每個各自分別連接于解調器或調制器組4或5。例如，如果設備1包括J個接收天線3和L個發射天線6，中央處理單元2計算J×L組個信號Kijl(t)，這樣就可以從J×L個初始信號sjl(t)中確定J×L組時域逆轉信號sjl(-t)。
還要注意到，在本發明的多個實施方式中，如果適當的話，可以迭代地使用相應于一個或多個天線的信號K’i(t)和/或信號s(-t)，如專利文獻WO-A-03/101302所指出的那樣，以這種方式來使電磁波聚焦的精確度最大化。
最后，根據本發明的方法，不僅可以應用于電磁波，通過簡單地用聲學傳感器替代天線3和6，還能應用于聲波或彈性波，這樣就適用于基于聲學的通信應用(例如水下通信)或基于超聲波圖像的通信應用(回波掃描技術或類似技術、顯微技術等)。
權利要求
1.一種用于對與至少一個初始信號s(t)相對應的波進行時域逆轉的方法，其中t是時間，該初始信號具有某個中心頻率f0，該方法確定時域逆轉信號α·s(-t)，其中α是乘法系數，s(-t)是s(t)的時域逆轉，其特征在于，該方法至少包括以下步驟-將適用于降低信號中心頻率且基本上不導致初始信號的任何信息損失的第一變換應用于初始信號s(t)，所述第一變換生成包含至少一個中心頻率比初始信號低的第一變換信號Ki(t)的第一組變換信號，所述第一組變換信號Ki(t)代表所述初始信號s(t)；-將生成中心頻率與第一變換信號基本上一樣的第二變換信號K’i(t)的第二變換應用于每個第一變換信號Ki(t)，所述第二變換因而從第一組變換信號Ki(t)生成第二組變換信號K’i(t)，選擇所述第二變換使得所述第二組變換信號代表時域逆轉信號s(-t)；-將生成時域逆轉信號α·s(-t)的第三變換應用于第二組變換信號K’i(t)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中通帶Δf小于f0。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，第三變換是第一變換的逆變換。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，第一變換是適用于消除頻率為f0的載波以從初始信號s(t)中提取出所述第一組變換信號Ki(t)的解調過程，第三變換是用一個或多個信號K’i(t)調制頻率為f0的載波的調制過程。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，第一變換是一個IQ解調過程，該解調過程生成兩個第一變換信號K1(t)＝I(t)和K2(t)＝Q(t)，使得s(t)＝I(t)cos(2π·f0·t)+Q(t)sing(2π·f0·t)，第二變換將信號K1(t)變換為K’1(t)＝I(-t)，將信號K2(t)變換為K’2(t)＝-Q(-t)，第三變換是一個IQ調制過程，是所述解調過程的逆變換。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，第一變換是分別生成兩個第一變換信號K1(t)＝A(t)和K2(t)＝(t)的幅度與相位解調過程，其中A(t)足信號s(t)的幅度，而(t)則是信號s(t)的相位，第二變換將信號K1(t)變換為K’1(t)＝A(-t)，將K2(t)變換為K’2(t)＝-(-t)，第三變換是與所述解調過程相逆的調制過程，其生成時域逆轉信號s(-t)＝A(-t)cos[2π·f0·t-(-t)]。
7.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，第一變換是一個子采樣，其采樣頻率小于2f0但至少等于2Δf，生成一個單個變換信號K1(t)，第二變換是一個將信號K1(t)變換為K’1(t)＝K1(-t)的時域逆變換，第三變換是一個通帶基本上等于Δf、中心頻率為f0的將K’1(t)變換為s(-t)帶通濾波過程。
8.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，第一變換是一個變換到中間頻帶，成一個單個第一變換信號K1(t)的下變頻過程，第二變換是一個將信號K1(t)變換到K’1(t)＝K1(-t)的時域逆變換，第三變換是一個上變頻過程，是所述下變頻的逆變換。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，第一和第三變換在模擬信號上執行，每個第一變換信號都要被采樣，在將每個第二變換信號轉換為模擬信號之前，第二變換以數字方式執行。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，以低于f0的采樣頻率進行采樣。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述波是電磁波。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述中心頻率f0介于0.7與50GHz之間。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述中心頻率f0介于0.7與10GHz之間。
14.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述波從聲波和彈性波中選擇。
全文摘要
根據本發明，相應于信號s(t)的波可以以下方式得到時域逆轉，采用第一變換使其中心頻率降低，生成第一組變換信號Ki(t)，然后生成代表時域逆轉信號s(－t)的第二組變換信號K’i(t)，對第二組變換信號進行第三變換以生成時域逆轉信號s(－t)。
文檔編號H04B7/005GK1969519SQ200580019207
公開日2007年5月23日 申請日期2005年4月11日 優先權日2004年4月13日
發明者馬蒂亞斯·芬克, 若弗魯瓦·勒羅塞, 阿諾·德羅德, 朱利安·德羅斯尼, 阿諾·圖蘭 申請人:國家科研中心