專利名稱：脈沖波形生成方法
技術領域：
本發明涉及脈沖波形生成方法，特別涉及適合于UWB通信的脈沖波形生成方法。
背景技術：
UffB (超寬頻帶)無線通信是不用載波波形而用I毫微秒(10_9)以下的時間寬度的非常窄的脈沖進行通信的方式，帶寬為數GHz的寬帶。按照UWB方式，發射多個不用余弦 波那樣的載波進行調制的Ins以下的脈沖。因此，占有帶寬非常寬，由于頻譜功率密度非常小，和通常的頻譜擴散通信方式同樣具有通話保密性 隱匿性優越、對其他窄帶通信影響小的特征。與通常的頻譜擴散信號(在2. 4GHZ頻帶無線LAN是數拾MHz的帶寬)相比，UffB信號、BPSK等被調制信號當然是超寬頻帶(數GHz的帶寬)，所以稱為UWB，相對于頻譜擴散信號的功率譜密度(在2. 4GHZ頻帶無線LAN是10毫微瓦10nW/MHz以下)，UWB信號的功率譜密度(每MHzIO毫微瓦特10nW/MHz以下)也低得多，即使其他系統共存，不僅難以產生干擾，而且也能耐受來自其他系統的干擾，其優點是突出了頻譜擴散信號特長。UWB的發射用擴散符號對由幀時鐘產生的脈沖波形進行跳時處理，根據該擴散符號使輸入脈沖在時間軸上跳時，由此來區別多用戶的多路接入。而且，根據輸入數據信號使跳時過的脈沖串錯開時間S，或不錯開，從而生成與0和I相對應的信號波形。UffB的接收使用由RF部接收到的信號波形和用與發射側同樣的處理形成的脈沖串取得相關值，得到相關值的峰值來區別數據和噪聲，得到輸出。關于UWB脈沖傳輸，例如，有文獻I、文獻2。作為與用線性調頻脈沖波形的UWB測距有關的文獻，例如，有文獻3 11。作為與用修正埃爾米特波形的多值化UWB-CDMA傳輸有關的文獻，例如，有文獻3、12 18。作為與發射功率限制有關的文獻，例如，有文獻3、6、19 22。作為與降低UWB和已有的信號的干擾有關的文獻，例如，有文獻3、13、17、23 32。文獻I :日經工 > 夕卜口二夕7 137頁 144頁2002. 8. 26文獻2 :日經工 > 夕卜口二夕7 95頁 121頁2003. 2. 17文獻3 :河野隆二 “用脈沖無線電通信的Ultra Wide Band (UffB)無線通信的基礎和發展”電子信息通信學會信學技法2001/7 DSP2001-80, SST2001-41 pp77_84文獻4 :松村鍵，江島一樹，河野隆二 “關于用超寬帶無線脈沖無線通信的TTS車車間測距系統的研究” ITS2002-6文獻5 :佐藤正知，江島一樹，Giuseppe ABREU,河野隆二 “關于用適于超寬帶無線通信的不同頻率特性的元件天線的陣列天線的研究”電子信息通信學會無線通信系統研究會2002-5文獻6 :丸林元，中川正雄，河野隆二 “頻譜擴散通信和其應用”社團法人電子信息通信學會編文獻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文獻8 :富澤良行，荒井郁男“用延遲相關器的線性調頻脈沖信號脈沖壓縮地下雷達”電子信息通信學會論文志PP113-120 200-1文獻9 JamesD. Tayior “ULTRA-WIDEBAND RADARTECHN0L0GY” CRCPRESS文獻10 :吉田孝“修訂雷達技術”社團法人電子信息通信學會編 文獻11 :關根松夫“雷達信號處理技術”社團法人電子信息通信學會編文獻12 Time Domain Corporation: “Time Modulated Ultra-Wideband forWireless Applications^http://www. tion-domain. com文獻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文獻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文獻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文獻16 :江島一樹，梅林健太，水谷克也，河野隆二 “脈沖無線通信的多值化和多用戶用干擾除去方式的研究”電子信息通信學會信學技法2001/4SS2001-16，CS2001_16pp4
1-48文獻17 :佐藤正知“關于適于超寬帶無線通信的不同頻率特性的元件天線的陣列天線的研究”平成13年度畢業論文文獻18 :太刀川信一，丸林元“M-airSSMA的頻率利用效率”電子信息通信學會論文志 1990/10Vol. J73-A No. 10ppl678_1687文獻19 Brick Homier, “Ultra-Wideband Impulse Radio Interference withthe Global Positioning System”，3/22/00文獻 20 Ming Luoj Dennis Akosj Michael Koenig,Gutiorm Opshang，SamPullen and Per Engej “Testing and Resrarch on Interence to GPS form UWBTransmitters，，Stanford University文獻21:The FCC，s Part 15 Rules and Regulation and 802.11b emissionshttp://obelix. umb. es/web/jgomsi/wireIess/fcc文獻22:L. ^ -工> (吉川d力、翻譯)“時間-頻率解析”朝倉書店、1998
文獻23 :Robert A. Sclioltz, Woe Z. Winl: IMPULSE RADID，，WirelessCommunications TDMA versus CDMA文獻24:Ryuji KOHNO: “Principle and Bmotion of Ultra Wideband(UWB)Wireless Communications Based on Impulse Radio”TECHNICAL REPORT OF IEICE DSP2001-80 SST 2001-40(2001-7)文獻 25 Kazuki Bshima，Yoshihiro Hase，Shingo Odmori, Fuj inobuTakahashi, Ryuj Kohno，“M_ary UWM Syatem Using Walsh Codes，，，IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies 2002(UWBST2002), Wyndham BaltimoreInner Harbor(USA), (2002-5)文獻 26 Kazuki Eshima，Yoshihiro Hase，Shingo Oomori, Fuj inobuTahihaslii, Ryuji Kohno，“Performance Analysis of Interference between UWB and SSSignal, ”2002 IEEE Seventh International Symposium on Spread Spectrum Techniquesand Applications(ISSSTA2002)，Prague， (Czech Republic), (2002-9)文獻 27 Kazuki Eshima,Katsuya Mizutani, Ryuji Kohno，YoshihiroHase，Shingo Oomori，Fujinobu Takahiashi, “A Study on M_ary UWB ImpulseRadio and An Effect of It’ s Time Jitiers，，，IEICE General ConferencessB-3-3，pp. 569-570(2001-9)文獻 28 Kazuki Eshima,Katsuya Mizutani, Ryuji Kohno,YoshihiroHase, Shingo Oomori, Fujinobu Takahiashi，“Comparison Ultra-Wideband(UWB) ImpulseRadio with DS-CDMA and FH_CDMA”The 24th Symposium on Information Theory and ItsApplications (SITA2001)，pp. 803-806 (2001-12)文獻 29 Kazuki Eshima，Yoshihiro Hase，Shingo Oomori, Fuj inobuTakahiashi, Ryuji Kohno. “A Study of Performance Analysis of Interference betweenUWB and SS signals” Technical Report of IEICE RCS 2001_246pp. 15-20 (2002-03)文獻 30 Kazuki Eshima, Yoshihiro Hase，Shingo Oomori, Fuj inobuTakahashi, Ryuji Kohno. “Effect of Interference between UWB System and OtherRadio Systems，，IEICE General Conference，A_5_18，pp. 200 (2001-3)文獻 31 Kazuki Eshima, Yoshihiro Hase，Shingo Oomori, Fuj inobuTakahiashi, Ryuji Kohno. “A Study of Performance Analysis of Interference betweenDual cycle UWB and SS signals” IEICE General Conference, A-5-10, pp. 106 (2002-9)文獻 32 Kazuki Eshima, Yoshihiro Hase，Shingo Oomori, Fuj inobuTakahiashi, Ryuji Kohno. “A Study of Performance Analysis of Interference betweenDual cycle UffB and SS signals，，The 25th Symposium on Information Theory and ItsApplications(SITA2002)，pp. 295-298 (2002-12)在上述文獻2中，作為UWB具有的技術課題，列舉有降低對其他無線系統的電波干擾、適合各國的電波規定、抑制來自墻壁或物體等的反射波引起的傳輸錯誤(多路徑對策)、實現多臺設備間的通信不中斷(多路接入)、降低UWB的無線電路部的安裝成本等。其中，在家用電器中使用UWB的情況下，認為電波干擾的課題是重要的。對于該電波干擾，例如，美國FCC (聯邦通信委員會)規定有UWB的發射輸出。
發明內容
因此，為解決上述現有技術的問題，本發明的目的在于在UWB通信中，降低對其他無線系統的電波干擾，形成具有所希望的頻率特性的發射信號。本發明是在發射時間寬度短的脈沖的UWB通信中，調整數據傳輸用的脈沖信號的形狀來形成具有所希望的頻率特性的發射信號，由此降低在UWB通信中對其他無線系統的電波干擾。作為調整脈沖信號的方式，本發明具有以下三種調整單一脈沖本身形狀生成具有所希望的頻率特性的脈沖信號的第一種方式、把多個脈沖組合起來生成具有所希望的頻率特性的脈沖信號的第二種方式以及從作為目的的發射信號的頻率特性求出脈沖信號組合的第三種方式。第一種方式和第二種方式對應于通過合成生成脈沖的方法，第三種方式對應于展開脈沖而生成的方法。 第一種方式是在發射時間寬度短的脈沖的UWB通信中，調整單一脈沖的時間軸上的參數來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。單一脈沖在時間軸上能以規定的函數來表示，變更該函數中包含的參數來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。第一種方式的第一方案是按W(t) =Cos to Ot t2/( a Tm)2)表示的波形形成單一脈沖，調整規定脈沖間隔的參數a Tm和/或規定功率譜的峰值頻率的COci,由此，來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。第一種方式的第二方案是用線性調頻脈沖波形形成單一脈沖，按時間設定該線性調頻脈沖波形輸出的大小，由此，來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。本發明的第二種方式是通過沿時間軸排列多個單一脈沖來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。在本發明的第二種方式中，作為第一方案，有沿時間軸排列相同的2個單一脈沖來形成雙循環信號的方法；作為第二方案，有使脈沖寬度不同的多個單一脈沖疊合的方法；作為第三方案，有使脈沖寬度和波形不同的多個單一脈沖疊合的方法。通過調整雙循環的2個單一脈沖間的間隔、多個單一脈沖的各脈沖寬度和多個單一脈沖的各脈沖寬度及波形來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。按照這些方式，能以任意頻率形成缺口部。在第四方案中，用修正埃爾米特多項式生成多個次數不同的脈沖。本發明的第三種方式是在發射時間寬度短的脈沖的UWB通信中，按頻域展開所希望的頻率特性，把從形成展開了的頻域成分的時間脈沖中選擇出來的多個時間脈沖組合起來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。作為本發明第三種方式的其他方案，是在發射時間寬度短的脈沖的UWB通信中，對所希望的頻率特性或近似的頻率特性進行逆傅里葉變換，再把從該逆傅里葉變換得到的時間波形中選擇出來的多個時間波形組合起來生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。
圖I是發射波形的高斯波形例。圖2是發射波形的高斯波形(發射機內的波形)例的頻率分布圖。圖3是空間傳播中的波形例。圖4是空間傳播中波形的頻率分布。圖5是接收機中的波形例。圖6是接收機中的波形的頻率分布。圖7是UWB無線通信方式的發射側系統構成框圖 。圖8是UWB無線通信方式的接收側系統構成框圖。圖9是用作模板信號的波形V (t)。圖10是I Wrec (Co ) 12wrec⑴的功率譜的頻率特性圖。圖11是測距原理圖。圖12是表示距離不可能分辨的狀況的示圖。圖13是UWB-IR方式的系統圖。圖14是跳時調制說明圖。圖15是UWB-IR發射機說明圖。圖16是UWB-IR的希望波和復制波的互相關輸出的關系圖。圖17是用UWB車車間測距的模型的示意圖。圖18是線性調頻脈沖波形的頻率遷移圖。圖19是脈沖壓縮后的波形圖。圖20是單循環波及其自相關的說明圖。圖21是線性調頻脈沖波及其自相關的說明圖。圖22是時間長度不同的線性調頻脈沖波形圖。圖23是改變了 2個線性調頻脈沖波形的時間長度時的互相關輸出峰值變化圖。圖24是占有頻帶不同的線性調頻脈沖波形圖。圖25是改變了 2個線性調頻脈沖波形的占有頻帶變化時的互相關輸出峰值變化圖。圖26是UWB-線性調頻脈沖(UWB-CHIRP)測距方式的框圖。圖27是頻帶分割后的各線性調頻脈沖波形圖。圖28是本發明的UWB-線性調頻脈沖(UWB-CHIRP)方式的希望波和復制波的互相關輸出關系圖。圖29是現有技術的UWB-線性調頻脈沖(UEWB-IR)方式和本發明的UWB-線性調頻脈沖(UWB-CHIRP)方式的每個用戶的發射波形圖。圖30是I個用戶時的測距差錯率的示圖。圖31是其他車輛9時的測距差錯率的示圖。圖32是用戶數變化時測距差錯率的示圖。圖33是干擾波功率變化時測距差錯率的示圖。圖34是改變了時間寬度的情況下的頻譜圖。圖35是按時間中斷輸出的方法的說明圖。圖36是改變了包絡線函數的波形圖。
圖37是中途中斷了線性調頻脈沖波形的情況下的頻譜圖。圖38是線性調頻脈沖波形的頻譜輸出的示圖。圖39是載以PN系列的線性調頻脈沖波形圖。圖40是載以PN系列后的頻譜輸出圖。圖41 ^ W2 (t):帶有T =1. Ons的雙循環波形圖。
圖42是％(1:):帶有T =1. Ons的雙循環波形圖。圖43是Iw2(CO) I2的雙循環的功率譜輸出圖。圖44是Iw3(GJ) I2的雙循環的功率譜輸出圖。圖45是單循環波形和由不同時間(包含不同持續時間)的單循環形成的新波形圖，該例中使用 Tm0 = 0.2156, ￠0^31.42(=5.0 ]), co 2=15. 08 (=2. 4 [GHz]), t ml 和 t m2 與
和成反比。圖46是單循環波形的頻率特性圖，即wTmCI(t)、wTml(t)、wTm2(t)和wd2(t)的頻率特性曲線。圖47是單循環波形wd2⑴的功率譜的示圖。圖48是用于脈沖形成的波形圖，圖中每個用來產生脈沖wx(t)的波形，在該例中使用 T m=0. 2877，a =10. 0，w !=31. 42 (=5. 0 [GHz])和 w 2=15. 08 (=2. 4 [GHz])。圖49是使用圖13的脈沖的新脈沖wx (t)的波形圖。圖50是Wrec⑴、Wcol⑴、Wco 2 (t)的頻率特性圖。圖51是Wx (t)的頻率特性圖。圖52是Wx(Co) 2:wx(t)的功率譜的示圖。圖53是頻譜限框(屏蔽)和Wx (t)功率譜的示圖，其中Tm=O. 2877，a =10. 0， =6
03 (=0. 96 [GHz]), d=Ji (=0. 5 [GHz])和 k=5。圖54 是 wx (t)的波形圖，其中 T m=0. 2877，a =10. 0， =6. 03 (=0. 96 [GHz])，d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。圖55是表示頻譜限框(屏蔽)和Wx(t)功率譜的示圖，其中Tm=O. 2，a =14. 385， !=6. 03(=0. 96 [GHz])，d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。圖56 是 wx(t)的波形圖，其中 Tm=O. 2，a =14. 385, =6. 03(=0. 96[GHz]),d= n (=0. 5[GHz])和 k=5。圖57是與UWB系統共存的SS系統的BER的理論分析和模擬結果圖。圖58是與UWB系統共存的SS系統的BER的理論分析圖，DIR是0_40dB。圖59是與雙循環的UWB系統共存時的SS系統的BER的理論分析圖。圖60是3. 2節中描述的系統同時存在時，SS系統的BER的理論分析圖。圖61是3. 3節中描述的系統同時存在時，SS系統的BER的理論分析圖。圖62是理論分析和模擬結果的比較圖。圖63是與UWB系統共存的SS系統的BER的理論分析圖，DIR是0_40dB。圖64是與雙循環的UWB系統共存時的SS系統的BER的理論分析圖。圖65是3. 2節中描述的系統同時存在時，SS系統的BER的理論分析圖。圖66是3. 3節中描述的系統同時存在時，SS系統的BER的理論分析圖。圖67是M-ary UffB方式的發射側系統構成圖。
圖68是M-ary UffB方式的接收側系統構成圖。圖69是修正埃爾米特波形(0 3次)圖。圖70是修正埃爾米特波形(4 7次)圖。圖71是修正埃爾米特波形(0 3次)的頻率特性圖。圖72是修正埃爾米特波形(4 7次)的頻率特性圖。圖73是接收機中的MHP波形(0 3次)圖。圖74是接收機中的MHP波形(4 7次)圖。圖75是接收機中的MHP波形(0 3次)的頻率特性圖。
圖76是接收機中的MHP波形(4 7次)的頻率特性圖。圖77是使用MHP波形的多值化傳輸方式的發射側系統構成圖。圖78是使用MHP波形的多值化傳輸方式的接收側系統構成圖。圖79是使用MHP波形的其他降低站間干擾方式的降低干擾系統圖。圖80是本發明的比較模擬結果圖(非同步多元連接)。圖81是與現有技術的M-ary/UWB方式的比較模擬結果圖(非同步多元連接)。圖82是接收MHP波形的自相關函數圖。圖83是本發明方式的因同步偏離影響引起的BER變化的說明圖。圖84是M-ary/UWB方式的因同步偏離影響引起的BER變化的說明圖。圖85是UWB的發射波形圖。圖86是UWB的發射機構成圖。圖87是UWB的接收波形圖。圖88是UWB的接收波形的頻率特性圖。圖89是UWB的接收機構成圖。圖90是相關波形圖。圖91是用來說明由FCC規定的UWB輸出限制的頻率特性圖。圖92是FCC的頻譜限框圖(頻譜屏蔽圖)。圖93是依據圖92的發射波形的接收波形圖。圖94是把N個頻率區間的脈沖加起來形成滿足所希望的頻譜限框的脈沖波形的不意圖(系統概念圖)。圖95是本發明的實施方式的脈沖發生裝置的概略構成圖。圖96是本發明的實施方式的脈沖波形(寬度3ns)圖。圖97是本發明的實施方式的脈沖波形(寬度3ns)的頻率特性圖。圖98是本發明的實施方式的脈沖波形(寬度IOns)圖。圖99是本發明的實施方式的脈沖波形(寬度IOns)的頻率特性圖。圖100是BPF的一構成例。圖101是通過BPF后的單循環波形的頻率特性圖。圖102是改變了 5時的接收信號與相關波形的互相關特性圖。圖103是依據多用戶接入時的脈沖寬度的BER比較圖。圖104是單循環波形與相關波形的互相關特性圖。圖105是本發明的脈沖與相關波形的互相關特性圖。
圖106是多用戶接入時的本發明和現有技術的比較圖。圖107是依據時間寬度的參數tm的單循環波形的頻率特性比較圖。圖108是在UWB功率限制下使功率一致的本發明和現有技術的比較圖。圖109是本發明的發射/接收機的構成例的概略圖。圖110是本發明的發射/接收機的其他構成例的概略圖。
具體實施例方式以下，參照附圖詳細說明本發明的實施例。首先說明UWB無線通信方式(Impulse Radio的UWB無線通信)。說明按UWB-IR方式的收發波形和接收機的系統。這里，作為有代表性的用UWB的數據調制方式，說明脈沖位置調制(PPM)方式的情況。就UWB-IR方式的原理進行說明。在收發信號波形UWB-IR的發射機中，因為不能產生理想的脈沖信號，所以形成具有某程度的時間寬度的高斯波形(式I)。
權利要求
1.一種脈沖波形生成方法，其用于發送時間寬度短的脈沖的UWB通信中，通過調整時間脈沖的形狀來生成所希望的頻率特性的信號，其特征在于，按頻域展開所希望的頻率特性，把從形成已展開的頻域的成分的時間脈沖中選擇出來的多個時間脈沖組合起來，由此，生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。
2.一種脈沖波形生成方法，其用于發送時間寬度短的脈沖的UWB通信中，通過調整時間脈沖的形狀來生成所希望的頻率特性的信號，其特征在于，對所希望的頻率特性或近似的頻率特性進行逆傅里葉變換，把從該逆傅里葉變換得到的時間波形中選擇出來的多個時間波形組合起來，由此，生成滿足所希望的頻率特性的時間脈沖形狀。
全文摘要
本發明公開了脈沖波形生成方法。在發射時間寬度短的脈沖的UWB通信中，調整數據傳輸用的脈沖信號的形狀來形成具有所希望的頻率特性的發射信號，從而能在UWB通信中降低對其他無線系統的干擾。作為調整脈沖信號的方式，具有調整單一脈沖本身的形狀而生成具有所希望的頻率特性的脈沖信號的方式、把多個脈沖組合起來生成具有所希望的頻率特性的脈沖信號的方式以及從作為目的的發射信號的頻率特性求出脈沖信號的組合的方式。
文檔編號H04B1/69GK102801443SQ201210242400
公開日2012年11月28日 申請日期2003年12月16日 優先權日2003年2月25日
發明者河野隆二 申請人:橫濱Tlo株式會社, 河野隆二