專利名稱：頻道特征估算系統(tǒng)及方法、通信設(shè)備、和通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于估算無(wú)線通信環(huán)境下通信特征的頻道特征估算系統(tǒng)、頻道特征估算方法、通信設(shè)備、和通信方法，具體說(shuō)，是涉及為測(cè)距目的而估算通信特征，以便更精確地測(cè)量接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間的頻道特征估算系統(tǒng)、頻道特征估算方法、通信設(shè)備、和通信方法。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明涉及以寬帶估算通信特征的頻道特征估算系統(tǒng)、頻道特征估算方法、通信設(shè)備、和通信方法，特別涉及在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中，以更寬的頻帶估算通信特征的頻道特征估算系統(tǒng)、頻道特征估算方法、通信設(shè)備、和通信方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明特別針對(duì)用作從硬布線電纜LAN到自由用戶的系統(tǒng)的無(wú)線LAN。無(wú)線LAN可以在工作空間，如辦公室中消除大多數(shù)電纜。因此，通信終端如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)比較容易移動(dòng)。近年來(lái)，隨著無(wú)線LAN取得更高的速度和以低的價(jià)格可以購(gòu)得，無(wú)線LAN的需求顯著增加。最近，特別關(guān)注個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的引進(jìn)，以便構(gòu)建小尺度的網(wǎng)絡(luò)，用于在用戶手邊可購(gòu)得的電子裝置之間的信息通信。例如已經(jīng)提供不同的無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信設(shè)備，它們使用如2.4GHz和5GHz頻率的頻帶，這些頻帶無(wú)需管轄的法定當(dāng)局批準(zhǔn)。
例如，近年來(lái)，注意集中在作為短距離超快傳輸?shù)臒o(wú)線通信系統(tǒng)的“超寬帶(UWB)通信”。該系統(tǒng)通過(guò)把信息載在非常弱的脈沖序列上實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。都盼望著該系統(tǒng)的付諸實(shí)施。近來(lái)在IEEE 802.15.3等等中，已經(jīng)設(shè)計(jì)了包括前同步碼分組結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，作為超寬帶通信的接入控制系統(tǒng)。
如果無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是在工作環(huán)境下構(gòu)建的，該工作環(huán)境有許多裝置在室內(nèi)混合，那么可以認(rèn)為是按重疊方式構(gòu)建了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。使用單個(gè)頻道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)在通信中被另一個(gè)系統(tǒng)中斷，或出現(xiàn)干擾使通信質(zhì)量惡化的情形，不能提供任何反措施。為解決這一問(wèn)題，已經(jīng)建議一種多頻道通信系統(tǒng)，它提供多個(gè)頻率的頻道，并實(shí)施跳頻操作。例如，如果在通信時(shí)出現(xiàn)干擾，使通信質(zhì)量惡化，則用跳頻來(lái)保持網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，所以能實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的并存。
當(dāng)在室內(nèi)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各接收器接收直達(dá)波與多個(gè)反射波或延遲波的重疊，形成多路徑環(huán)境。多路徑產(chǎn)生延遲失真(或頻率選擇衰落)，引發(fā)通信錯(cuò)誤。此外，延遲失真引起符號(hào)間干擾。
對(duì)付延遲失真的主要反措施，可以是多載波傳輸系統(tǒng)。多載波傳輸系統(tǒng)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)，分為多個(gè)有不同頻率的載波來(lái)發(fā)送。每一載波使用窄的頻帶，并且不易出現(xiàn)頻率選擇衰落。
例如，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用)系統(tǒng)，一種多載波傳輸系統(tǒng)，對(duì)每一載波配置一頻率，使各載波在符號(hào)區(qū)中是相互正交的。在信息傳輸時(shí)，系統(tǒng)把串行發(fā)送的信息，變換為比信息傳輸速率還低的符號(hào)頻率上的并行信息。系統(tǒng)把多段輸出數(shù)據(jù)分配給每一載波，調(diào)制每一載波的振幅和相位，并對(duì)載波實(shí)施逆FFT。如此，系統(tǒng)通過(guò)保持每一載波沿頻域的正交性，把載波變換為沿時(shí)域的信號(hào)。接收則按傳輸相反的順序發(fā)生。系統(tǒng)實(shí)施FFT，把沿時(shí)域的信號(hào)變換為沿頻域的信號(hào)，并按照每一載波的調(diào)制，對(duì)載波解調(diào)。系統(tǒng)實(shí)施并行-串行變換，再現(xiàn)原來(lái)以串行信號(hào)發(fā)送的信息。
采用OFDM調(diào)制系統(tǒng)作為例如IEEE 802.11a/g中的無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)除使用DS-UWB系統(tǒng)和脈沖UWB系統(tǒng)外，還使用OFDM調(diào)制系統(tǒng)的UWB系統(tǒng)的IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)化，也正在進(jìn)行。DS-UWB系統(tǒng)把DS信息信號(hào)的擴(kuò)展速度增加至最大限度的極限。脈沖UWB系統(tǒng)使用非常短的幾百皮秒頻率的脈沖信號(hào)序列，配置傳輸?shù)暮徒邮盏男畔⑿盘?hào)。OFDM-UWB通信系統(tǒng)調(diào)研OFDM的調(diào)制，該OFDM調(diào)制對(duì)3.1到4.8GHz的頻率頻帶實(shí)施跳頻(FH)，成為三個(gè)子頻帶，各包括528MHz帶寬，并以128個(gè)點(diǎn)組成的頻帶使用IFFT/FFT(如見(jiàn)非專利文件1)。
另一方面，UWB通信使用超窄脈沖來(lái)提供高的時(shí)間分辨率。這一性質(zhì)能用于雷達(dá)測(cè)距和定位。特別是，最近的UWB通信能同時(shí)提供100Mbps以上的高速數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)在的測(cè)距功能(如見(jiàn)專利文件1)。
將來(lái)，期望以UWB通信代表的近場(chǎng)通信WPAN(WirelessPersonal Access Network，無(wú)線個(gè)人接入網(wǎng)絡(luò))，安裝在所有室內(nèi)電器商品及CE(Consumer Electronics，消費(fèi)電子產(chǎn)品)裝置上。因此，除高速數(shù)據(jù)傳輸外，還考慮根據(jù)測(cè)距來(lái)使用位置信息，如提供諸如導(dǎo)航及Near Field Communication(NFC，近場(chǎng)通信)等無(wú)線增值服務(wù)。不僅提供高速數(shù)據(jù)傳輸，還提供測(cè)距功能，是合乎需要的。
例如，在IEEE 802.15.3a中的UWB通信標(biāo)準(zhǔn)化，包括UWB測(cè)距技術(shù)(如見(jiàn)非專利文件1)。
通常的作法是，由從分組的發(fā)送到分組的接收的時(shí)間τ，開(kāi)始測(cè)距。為了改進(jìn)測(cè)距的分辨率，在盡可能寬的頻帶內(nèi)，在短的時(shí)間周期中，測(cè)量多路徑環(huán)境下的頻道特征，和更精確地測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間τ，是至關(guān)重要的。這樣的要求等價(jià)于細(xì)的脈沖寬度。例如，如果測(cè)量能以納秒的單位實(shí)施，能夠得到的測(cè)距分辨率約30cm。
下面說(shuō)明UWB通信系統(tǒng)中的測(cè)距分辨率，該UWB通信系統(tǒng)已經(jīng)按IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)化。如上所述，非常可能的是，該通信系統(tǒng)采用一種跳頻系統(tǒng)，每528MHz一子頻帶。每一子頻帶實(shí)施的測(cè)距，正好給出2納秒的時(shí)間分辨率(近似為60cm的空間分辨率)，等于帶寬的倒數(shù)。測(cè)距精度是不夠的。
如果能夠綜合實(shí)施跳頻的每一子頻帶中估算的頻道特征，則寬帶的頻道特征估算是可行的。然而，當(dāng)諸如OFDM那樣的正交頻率調(diào)制系統(tǒng)，用所有頻帶實(shí)施寬帶頻道特征估算時(shí)，產(chǎn)生如下的問(wèn)題。
圖9示意畫出OFDM調(diào)制系統(tǒng)中的調(diào)制、傳播、和解調(diào)機(jī)理。圖9是從時(shí)域看的。
首先，發(fā)送的基帶信號(hào)x(t)(1)被載波頻率fc的復(fù)正弦波rot(fct)(2)乘，進(jìn)行頻率變換(3)。在本例中，函數(shù)rot(x)被定義為exp(2πjx)。
通過(guò)取復(fù)正弦波rot(fct)的實(shí)部，可以獲得發(fā)送的RF信號(hào)(4)。被稱為頻道特征的脈沖響應(yīng)h(t)，通過(guò)頻道(5)。
接收方乘以復(fù)正弦波rot(-fct)，進(jìn)行頻率變換(7)，該復(fù)正弦波的正的和負(fù)的符號(hào)，與發(fā)送方的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相反，即，取發(fā)送方復(fù)正弦波的復(fù)共軛。令結(jié)果通過(guò)低通濾波器LPF(8)，獲得接收的基帶信號(hào)(8)。
圖10畫出從頻域看的圖9的正交調(diào)制和解調(diào)機(jī)理。
就是說(shuō)，發(fā)送的基帶信號(hào)X(f)(1)與載波頻率fc(2)的復(fù)正弦波δ(f-fc)卷積，進(jìn)行變換頻率(3)。
通過(guò)對(duì)頻率0產(chǎn)生復(fù)共軛對(duì)稱分量，獲得發(fā)送的RF信號(hào)(4)。頻道能使頻率特征H(f)通過(guò)(5)。
接收方對(duì)頻率的復(fù)正弦波δ(f+fc)卷積，即進(jìn)行頻率變換(7)，該復(fù)正弦波的正的和負(fù)的符號(hào)，與發(fā)送方的對(duì)應(yīng)項(xiàng)(6)相反。令結(jié)果通過(guò)低通濾波器LPF，獲得接收的基帶信號(hào)H(f-fc)X(f)(8)。
讓我們假設(shè)，例如，發(fā)送的基帶信號(hào)X(f)是已知的在發(fā)送方與接收方之間的訓(xùn)練信號(hào)。接收方可以用該訓(xùn)練信號(hào)分量X(f)除接收的基帶信號(hào)H(f-fc)X(f)，獲得fc中的頻道特征H(hat)(f-fc)，信號(hào)在該頻道特征上傳播。
H^(f-fc)=H(f-fc)X(f)/X(f)=H(f-fc)]]>[方程式1]圖9的正交調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)，沒(méi)有考慮用于頻率變換的各頻率之間的相位差。事實(shí)上，發(fā)送方和接收方兩方，都使用約1ppm的高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)獲得頻率，頻率誤差對(duì)頻率變換是足夠小的。然而，它不可能像復(fù)正弦波那樣精確地調(diào)整。讓我們分別定義φT和φR為發(fā)送方和接收方復(fù)正弦波的相位差。那么，圖9的正交調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)被修改成如圖11所示。
當(dāng)考慮復(fù)正弦波在發(fā)送方的相位差φT時(shí)，發(fā)送的基帶信號(hào)x(t)(1)被包含相位差φT(2)的載波頻率fc的復(fù)正弦波rot(fct+φT)乘，進(jìn)行頻率變換(3)。發(fā)送的RF信號(hào)，可以取復(fù)正弦波rot(fct+φT)的實(shí)部獲得(4)。被稱為頻道特征的脈沖響應(yīng)h(t)，通過(guò)頻道(5)。
接收方以復(fù)正弦波rot(-fct+φR)(6)乘脈沖響應(yīng)，進(jìn)行頻率變換(7)，該復(fù)正弦波的正的和負(fù)的符號(hào)，與發(fā)送方的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相反，并包含相位差φR。令結(jié)果通過(guò)低通濾波器LPF(8)，獲得接收的基帶信號(hào)(8)。從頻域的觀點(diǎn)看，是分別根據(jù)發(fā)送方和接收方的相位差φT和φR，給出包含相位旋轉(zhuǎn)分量rot(φT-φR)的接收的基帶信號(hào)rot(φT-φR)H(f-fc)X(f)。因此，頻道特征估算值包含該相位旋轉(zhuǎn)分量rot(φT-φR)，如下面的方程式所示。
H^(f-fc)=rot(θ)H(f-fc)X(f)/X(f)=rot(φT-φR)H(f-fc)]]>[方程式2]相位旋轉(zhuǎn)分量rot(φT-φR)與整個(gè)信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)，并僅當(dāng)發(fā)送和接收使用單一頻率頻道fc時(shí)，不產(chǎn)生特別的問(wèn)題。相反，本說(shuō)明書(shū)假定，跳頻系統(tǒng)在多個(gè)子頻帶之間實(shí)施跳頻。此外，該系統(tǒng)的目的，在于綜合每一子頻帶中的頻道特征估算值，給出寬帶頻道特征估算。這樣使包含在發(fā)送方和接收方中的相位差φT和φR的問(wèn)題凸現(xiàn)。這一課題將要更詳細(xì)說(shuō)明。
如圖12所示，跳頻系統(tǒng)通過(guò)對(duì)每一時(shí)隙順序地改變待發(fā)送的頻率f1、f2、和f3，能夠提供寬帶的傳輸。
圖13畫出在圖12的跳頻系統(tǒng)中，每一頻率頻道實(shí)施正交調(diào)制和解調(diào)的機(jī)理。本例中假定，發(fā)送方用于頻率變換的復(fù)正弦波中，包含與發(fā)送頻率f1、f2、和f3對(duì)應(yīng)的相位差φT1、φT2、和φT3。同樣，假定接收方用于頻率變換的復(fù)正弦波中，包含相位差φR1、φR2、和φR3。
與發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送的基帶信號(hào)x(1)(t)、x(2)(t)、和x(3)(t)(1)，被與包含相位差φT1、φT2、和φT3的載波頻率對(duì)應(yīng)的復(fù)正弦波rot(f1t+φT1)、rot(f2t+φT2)、和rot(f3t+φT3)(2)乘，進(jìn)行頻率變換(3)。發(fā)送的RF信號(hào)，可以取每一復(fù)正弦波的實(shí)部獲得(4)。被稱為頻道特征的脈沖響應(yīng)h(t)，通過(guò)頻道(5)。
接收方乘以復(fù)正弦波rot(-f1t+φR1)、rot(-f2t+φR2)、和rot(-f3t+φR3)，進(jìn)行頻率變換(7)，這些復(fù)正弦波的正的和負(fù)的符號(hào)，與發(fā)送方的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相反，并包含與發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的相位差φR1、φR2、和φR3。令結(jié)果通過(guò)低通濾波器LPF(8)，獲得接收的基帶信號(hào)(8)。
從頻域的觀點(diǎn)看，是根據(jù)與各發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送方和接收方的相位差，給出包含相位旋轉(zhuǎn)分量的接收的基帶信號(hào)rot(φT1-φR1)H(f-f1)X(1)(f)、rot(φT2-φR2)H(f-f2)X(2)(f)、和rot(φT3-φR3)H(f-f3)X(3)(f)。因此，對(duì)相應(yīng)的發(fā)送頻率獲得的頻道特征估算值，不可避免地包含不同的相位旋轉(zhuǎn)分量rot(φT1-φR1)、rot(φT2-φR2)、和rot(φT3-φR3)，如下面的方程式所示。
H^(f-f1)=rot(φT1-φR1)H(f-f1)]]>H^(f-f2)=rot(φT2-φR2)H(f-f2)]]>H^(f-f3)=rot(φT3-φR3)H(f-f3)]]>[方程式3]就是說(shuō)，測(cè)量每一頻帶中的頻率特征是可能的(見(jiàn)圖14)。但是，對(duì)各發(fā)送頻率獲得的頻道特征估算值，作為復(fù)數(shù)是不連續(xù)的(不連續(xù)的相位)。所以，假定連續(xù)的頻率特征而聯(lián)結(jié)這些值，是不可能的。圖15畫出每一跳頻中頻道特征估算值|H(hat)(f)|的振幅和相位arg(H(hat)(f))。從圖15可見(jiàn)，在跳頻時(shí)，信號(hào)振幅是連續(xù)的。但是，因?yàn)轭l率中包含相位差，使相位偏離期望的值，所以相位是不連續(xù)的。換句話說(shuō)，綜合用于跳頻的子頻帶中頻道特征估算值，以便產(chǎn)生寬帶的頻道特征值，是不可能的。
當(dāng)在諸如UWB之類系統(tǒng)中實(shí)施測(cè)距時(shí)，使用更高時(shí)間分辨率來(lái)檢測(cè)頻道上的時(shí)間響應(yīng)，等價(jià)于使用更高的距離分辨率測(cè)量距離。當(dāng)在頻域中要求傳輸估算時(shí)，必須找出寬帶中連續(xù)的頻率特征。
未審查的PCT申請(qǐng)2002-517001的日文譯文。
IEEE 802.15.3a TI Document<URLhttp//grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/May03filename03142r2P802-15_TI-CFP-Document.doc>

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種頻道特征估算系統(tǒng)、一種頻道特征估算方法、一種通信設(shè)備、和一種通信方法，它們能杰出地估算頻道特征，以便為測(cè)距目的而更精確地測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種頻道特征估算系統(tǒng)、一種頻道特征估算方法、一種通信設(shè)備、和一種通信方法，用于實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中，以更寬的頻帶估算通信特征。
本發(fā)明已經(jīng)考慮了上述目的并提供一種頻道特征估算系統(tǒng)，在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中估算通信特征，其中，發(fā)送方把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值、并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻發(fā)送一發(fā)送信號(hào)；和其中，接收方把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，以保持與發(fā)送方相位值的給定關(guān)系，并使用各自頻率對(duì)各個(gè)頻率接收信號(hào)實(shí)施頻率變換，以獲得每一跳頻的接收信號(hào)。
當(dāng)在諸如UWB之類系統(tǒng)中實(shí)施測(cè)距時(shí)，使用更高時(shí)間分辨率來(lái)檢測(cè)頻道上的時(shí)間響應(yīng)等價(jià)于使用更高的距離分辨率測(cè)量距離。當(dāng)在頻域中要求傳輸估算時(shí)，必須找出寬帶中連續(xù)的頻率特征。
但是，當(dāng)采用跳頻系統(tǒng)時(shí)，對(duì)每一子頻帶實(shí)施的測(cè)距只能給出等于每一帶寬倒數(shù)的時(shí)間分辨率。測(cè)距精度是不夠的。
如果能夠綜合實(shí)施跳頻的每一子頻帶中估算的頻道特征，則寬帶的頻道特征估算是可行的。在每一頻帶中測(cè)量頻率特征是可能的。但是，因?yàn)橄辔皇遣贿B續(xù)的，所以，假定連續(xù)的頻率特征而聯(lián)結(jié)這些值是不可能的。換句話說(shuō)，綜合用于跳頻的子頻帶中頻道特征估算值以便產(chǎn)生寬帶的頻道特征值是不可能的。
另一方面，按照本發(fā)明，發(fā)送方把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為發(fā)送開(kāi)始時(shí)間上的已知值，并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻發(fā)送一發(fā)送信號(hào)。接收方把每一跳頻使用的頻率的載波各相位值在接收開(kāi)始時(shí)間校準(zhǔn)，并對(duì)各個(gè)接收信號(hào)實(shí)施頻率變換。
因此，包含在接收信號(hào)中用于每一跳頻的相位旋轉(zhuǎn)分量對(duì)所有跳頻是共同的。因此，該相位旋轉(zhuǎn)分量能夠包括在用于估算的待測(cè)量的頻道特征中。可以假定對(duì)每一跳頻獲得的頻率特征是連續(xù)的。把用于跳頻的每一子頻帶中的頻道特征估算值綜合成寬帶的頻道特征值是可能的。
發(fā)送方可以用發(fā)送開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)，并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為該時(shí)間參考點(diǎn)上的0。同樣，接收方可以用接收開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)，并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為該時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
發(fā)送方和/或接收方可以把單個(gè)振蕩器的輸出分頻，并通過(guò)頻率相加和相減進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生各個(gè)中心頻率。
在這種情形下，單一的振蕩源通過(guò)分頻、頻率相加和相減產(chǎn)生所有頻率。據(jù)此，各個(gè)頻率是相互合成的。
此時(shí)，發(fā)送方和/或接收方使用的時(shí)間參考點(diǎn)可以與最低頻率的分頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
最低頻率頻帶的分頻點(diǎn)可以用于把更高頻率信號(hào)及它們合成的所有信號(hào)各相位校準(zhǔn)為0。因此，由于假定最低頻率的分頻點(diǎn)為時(shí)間參考點(diǎn)，可以把載波各相位值校準(zhǔn)為0，所以該系統(tǒng)容易作為設(shè)備使用。
本發(fā)明能夠提供一種頻道特征估算系統(tǒng)、一種頻道特征估算方法、一種通信設(shè)備、和一種通信方法，它們能杰出地估算頻道特征，以便為測(cè)距目的而更精確地測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。
此外，本發(fā)明能夠提供一種頻道特征估算系統(tǒng)、一種頻道特征估算方法、一種通信設(shè)備、和一種通信方法，用于實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中，以更寬的頻帶估算通信特征。
本發(fā)明的這些和其他目的及新穎的特性，參照下面根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的說(shuō)明及附圖，可以立刻得到證明。


圖1按照本發(fā)明，畫出跳頻系統(tǒng)中對(duì)每一頻率頻道實(shí)施的正交調(diào)制及解調(diào)的機(jī)理；圖2示意畫出多頻帶OFDM通信系統(tǒng)中OFDM信號(hào)格式；圖3示意畫出OFDM信號(hào)格式的配置；圖4畫出多頻帶OFDM系統(tǒng)中3頻帶模式的跳頻圖；圖5畫出多頻帶OFDM系統(tǒng)中7頻帶模式的跳頻圖；
圖6畫出在多頻帶OFDM系統(tǒng)中使用的跳頻頻率合成功能塊；圖7畫出頻率加法器的配置；圖8畫出從圖6頻率合成功能塊獲得的頻率之間的相位關(guān)系；圖9示意畫出OFDM調(diào)制系統(tǒng)中的調(diào)制、傳播、和解調(diào)的機(jī)理(常規(guī)例子)；圖10畫出從頻域看到的圖9的正交調(diào)制和解調(diào)機(jī)理；圖11畫出在考慮了發(fā)送方和接收方用于頻率變換的頻率中的相位差后，圖9的正交調(diào)制和解調(diào)機(jī)理；圖12畫出跳頻系統(tǒng)中，對(duì)每一時(shí)隙，發(fā)送的頻率如何改變；圖13畫出圖12的跳頻系統(tǒng)中，對(duì)每一頻率頻道實(shí)施正交調(diào)制和解調(diào)的機(jī)理；圖14畫出圖13的跳頻系統(tǒng)中，對(duì)每一頻帶的頻率特征的測(cè)量；圖15畫出在每一跳頻中，頻道特征估算值|H(hat)(f)|的振幅和相位arg(H(hat)(f))(常規(guī)例子)；和圖16畫出在每一跳頻中，頻道特征估算值|H(hat)(f)|的振幅和相位arg(H(hat)(f))(本發(fā)明)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將參照附圖作更詳細(xì)的說(shuō)明。
下面假定跳頻系統(tǒng)如圖12所示。就是說(shuō)，該系統(tǒng)通過(guò)按順序改變每一時(shí)隙發(fā)送的頻率f1、f2、和f3，能夠提供寬帶傳輸。
當(dāng)在諸如UWB之類系統(tǒng)中實(shí)施測(cè)距時(shí)，使用更高時(shí)間分辨率來(lái)檢測(cè)頻道上的時(shí)間響應(yīng)，等價(jià)于使用更高的距離分辨率測(cè)量距離。當(dāng)在頻域中要求傳輸估算時(shí)，必須找出寬帶中連續(xù)的頻率特征。
為此，如下面的方程式所示，例如假定發(fā)送方在開(kāi)始發(fā)送的時(shí)間t0＝0，把跳頻使用的載波頻率中各相位校準(zhǔn)。
cT1(t)＝rot(f1t)cT2(t)＝rot(f2t)cT3(t)＝rot(f3t)[方程式4]
假定接收方在開(kāi)始接收的時(shí)間t0′，把跳頻使用的載波中各相位校準(zhǔn)。
cR1(t′)＝rot(f1t′)cR2(t′)＝rot(f2t′)cR3(t′)＝rot(f3t′) [方程式5]圖1按照本發(fā)明，畫出跳頻系統(tǒng)中對(duì)每一頻率頻道實(shí)施的正交調(diào)制和解調(diào)的機(jī)理。發(fā)送方為發(fā)送的頻率f1、f2、和f3，設(shè)置相同的發(fā)送開(kāi)始時(shí)間t0。于是，一致的相位差φT包含在用于頻率變換的每一復(fù)正弦波中。接收方同樣設(shè)置相同的接收開(kāi)始時(shí)間t0′。于是，一致的相位差φR包含在用于頻率變換的每一復(fù)正弦波中。
各發(fā)送頻率發(fā)送的基帶信號(hào)x(1)(t)、x(2)(t)、和x(3)(t)(1)，被各包含載波頻率相位差φT的復(fù)正弦波rot(f1t+φT)、rot(f2t+φT)、和rot(f3t+φT)(2)乘，進(jìn)行頻率變換(3)。發(fā)送的RF信號(hào)，可以取每一復(fù)正弦波的實(shí)部獲得(4)。被稱為頻道特征的脈沖響應(yīng)h(t)，通過(guò)頻道(5)。
接收方乘以復(fù)正弦波rot(f1t+φR)、rot(f2t+φR)、和rot(f3t+φR)，進(jìn)行頻率變換(7)，這些復(fù)正弦波的正的和負(fù)的符號(hào)，與發(fā)送方的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相反，并各包含與發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的相位差φR。令結(jié)果通過(guò)低通濾波器LPF(8)，獲得接收的基帶信號(hào)(8)。
從頻域的觀點(diǎn)看，是根據(jù)發(fā)送方和接收方與各發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的同一相位差，給出包含相位旋轉(zhuǎn)分量的接收的基帶信號(hào)rot(φT-φR)H(f-f1)X(1)(f)、rot(φT-φR)H(f-f2)X(2)(f)、和rot(φT-φR)H(f-f3)X(3)(f)。據(jù)此，獲得與發(fā)送頻率對(duì)應(yīng)的頻道特征估算值，并包含恒定的相位旋轉(zhuǎn)分量rot(φT-φR)。
在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間，精確地調(diào)整發(fā)送開(kāi)始時(shí)間t0和接收開(kāi)始時(shí)間t0′，是不可能的。不過(guò)，該時(shí)間差對(duì)所有跳頻是共同的。如從圖1所見(jiàn)，要測(cè)量的頻道特征，可以在每一頻帶中，包括接收基帶信號(hào)中包含的相位旋轉(zhuǎn)分量。換句話說(shuō)，頻道上的脈沖響應(yīng)h′(t)可以用如下表達(dá)式表示。
h′(t)＝h(t+t0-t0′) [方程式6]
因此，可以把上面方程式(3)所示各頻帶中的頻道特征，表示為不包含相位差的形式，如下面列出的方程式所示。
H^(f-f1)=H′(f-f1)]]>H^(f-f2)=H′(f-f2)]]>H^(f-f3)=H′(f-f3)]]>[方程式7]上述表達(dá)式能提供每一頻帶中連續(xù)的頻率特征。就是說(shuō)，能夠綜合用于跳頻的子頻帶中頻道特征估算值，產(chǎn)生寬帶的頻道特征估算值。
下面說(shuō)明，上述頻道特征估算方法對(duì)多頻帶UWB通信系統(tǒng)的應(yīng)用，該系統(tǒng)是按IEEE 802.15.3中的討論標(biāo)準(zhǔn)化的。
多頻帶UWB通信系統(tǒng)使用OFDM信號(hào)格式。信號(hào)是用子載波間隔fSC設(shè)為4.124[MHz]、帶寬設(shè)為128 fSC＝528[MHz]、及FFT點(diǎn)數(shù)NFFT設(shè)為128的IFFT產(chǎn)生的(見(jiàn)圖2)。
一個(gè)OFDM信號(hào)等于312.5納秒，包括一個(gè)循環(huán)前綴和一個(gè)保護(hù)間隔。OFDM傳輸系統(tǒng)一般在符號(hào)間插入一保護(hù)間隔，以便消除符號(hào)間干擾。
圖4和5畫出多頻帶OFDM通信系統(tǒng)中的跳頻圖。從圖中的例子可見(jiàn)，存在使用三個(gè)或七個(gè)頻率的確定模式，這些頻率從中心頻率的下部排列，以避免在靠近5GHz處與W-LAN干擾。下面的說(shuō)明為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只限于3頻帶模式。
圖6畫出在多頻帶OFDM系統(tǒng)中使用的跳頻頻率合成功能塊。如圖6所示，信號(hào)的中心頻率，可以通過(guò)分頻的使用，把頻率相加和相減，以及一個(gè)混頻器，從單個(gè)振蕩器(如TCXO)合成。此外，中心頻率可以借助作為抽樣時(shí)鐘必須的528MHz分頻合成。
圖6的例子使用1/8分頻，從振蕩器輸出的2442MHz頻率抽取528MHz的頻率，然后使用1/2分頻，抽取264MHz的頻率。
每一混頻器通過(guò)把4224MHz、528MHz、和264MHz的頻率相加，產(chǎn)生5016MHz的頻率，通過(guò)把4224MHz和264MHz的頻率相加，產(chǎn)生4488MHz的頻率，最后通過(guò)從4224MHz中減去528MHz和264MHz，產(chǎn)生3432MHz的頻率。
混頻器，即頻率的相加和相減部分，提供具有彼此正交分量的每一信號(hào)，并能根據(jù)下面方程式指出的三角函數(shù)加法定理，通過(guò)頻率的相加和相減，合成信號(hào)。圖7畫出頻率加法器的配置。
rot(f1t+φ1)rot(f2t+φ2)＝rot(f1+f2)t+φ1+φ2)＝{cos(2πf1+φ1)cos(2πf2+φ2)-sin(2πf1+φ1)sin(2πf2+φ2)}+j{cos(2πf1+φ1)sin(2πf2+φ1)+sin(2πf1+φ1)cos(2πf2+φ2)} [方程式8]上述方法能通過(guò)分頻、頻率相加和相減，從單個(gè)振蕩源產(chǎn)生所有頻率。因此，各個(gè)頻率是相互合成的并可表達(dá)為如下方程式。
c(t)＝rot(CfSCt+φC)[方程式9]在上述方程式中，C是指示頻率的參數(shù)。當(dāng)頻率是3244MHz時(shí)，C作為6.5NFFT＝832算出。在該方程式中，φC是當(dāng)時(shí)間5被設(shè)為0時(shí)每一頻率的相位。
下面說(shuō)明，如何校準(zhǔn)跳頻使用的各個(gè)載波的相位。
圖8畫出從圖6頻率合成功能塊獲得的各頻率之間的相位關(guān)系。
當(dāng)用相位零點(diǎn)作為較高頻率頻帶的參考時(shí)，較低頻率頻帶產(chǎn)生不同的相位。反之，可以用最低頻率頻帶264MHz的分頻點(diǎn)，使4424MHz和528MHz信號(hào)及由它們合成的所有相位，校準(zhǔn)為0。因此，由于264MHz的分頻點(diǎn)被假定為系統(tǒng)的t＝0，這一點(diǎn)可以認(rèn)為是φC＝0，使該系統(tǒng)容易作為設(shè)備使用。從圖8可見(jiàn)，各相位每1/264MHz自動(dòng)校準(zhǔn)。
發(fā)送方定義264MHz的分頻點(diǎn)為發(fā)送的開(kāi)始。為實(shí)際接收的信號(hào)考慮，接收器使用任一264MHz分頻點(diǎn)作為接收的接收開(kāi)始時(shí)間。
當(dāng)頻道估算部分獲得每一頻率的響應(yīng)時(shí)，可以假定這些響應(yīng)是連續(xù)的頻率特征。于是，能夠綜合用于跳頻的每一子頻帶中的頻道特征估算值，成為寬帶的頻道特征估算值。
因?yàn)轭l道特征是在寬頻帶中估算的，接收方能更精確地測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間τ，并改進(jìn)測(cè)距的分辨率。
現(xiàn)有技術(shù)在發(fā)送方和接收方的每一頻率中，引起不一致的相位差。由于這一原因，雖然在每一跳頻中，對(duì)頻道特征估算值|H(hat)(f)|存在連續(xù)的振幅，但相位arg(H(hat)(f))偏離期望的值，并成為不連續(xù)的(見(jiàn)圖15)。反之，本發(fā)明保持發(fā)送方和接收方每一頻率中一致的相位差。期望的值總可以用于不僅每一跳頻的頻道特征估算值|H(hat)(f)|的振幅，還可以用于相位arg(H(hat)(f))，因而保持連續(xù)性(見(jiàn)圖16)。因此，如上所述，頻道估算部分對(duì)每一頻率獲得的頻率響應(yīng)，可以假定為連續(xù)的頻率特征。于是，能夠綜合用于跳頻的每一子頻帶中頻道特征估算值，成為寬帶的頻道特征估算值。
例如，已經(jīng)授予本申請(qǐng)人的JP-B No.52774/2003的說(shuō)明書(shū)，說(shuō)明的測(cè)距和定位系統(tǒng)，是根據(jù)從分組的發(fā)送到接收的時(shí)間τ，實(shí)施發(fā)送器和接收器之間的測(cè)距。更具體地說(shuō)，測(cè)距的實(shí)施如下。無(wú)線電1向作為通信目的地的無(wú)線電2發(fā)送分組。無(wú)線電2檢測(cè)該分組，然后總是從分組的接收，經(jīng)過(guò)等于整數(shù)倍單位時(shí)間的時(shí)間之后，發(fā)送一分組。無(wú)線電1用計(jì)數(shù)器測(cè)量它發(fā)送分組之后的時(shí)間，直至它檢測(cè)到無(wú)線電2發(fā)來(lái)的分組。無(wú)線電1從測(cè)量的時(shí)間中，減去無(wú)線電2中從檢測(cè)直至分組發(fā)送的時(shí)間和無(wú)線電1自身的處理時(shí)間。把結(jié)果轉(zhuǎn)換為無(wú)線電1與作為通信目的地的無(wú)線電2之間的傳播距離。
該測(cè)距和定位系統(tǒng)，能夠用按照本發(fā)明的頻道特征估算，更精確地測(cè)量傳播時(shí)間，改進(jìn)測(cè)距的分辨率。
補(bǔ)充說(shuō)明已經(jīng)參照特定的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明。本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)清楚了解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，可以對(duì)該實(shí)施例作各種變化、修改、和替換。
本說(shuō)明書(shū)已經(jīng)說(shuō)明精確測(cè)量頻道的實(shí)施例，以改進(jìn)實(shí)施跳頻的OFDM_UWB通信系統(tǒng)的測(cè)距分辨率。當(dāng)然，本發(fā)明除改進(jìn)測(cè)距分辨率外，還能用于其他目的。此外，本發(fā)明還可以用于OFDM_UWB之外的跳頻和正交調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，本發(fā)明已經(jīng)作為一個(gè)例子公開(kāi)。對(duì)本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容，不應(yīng)作限制性的解釋。在評(píng)價(jià)本發(fā)明的要點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮附于下面的權(quán)利要求書(shū)。
權(quán)利要求
1.一種頻道特征估算系統(tǒng)，用于在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中估算頻道特征，其特征在于發(fā)送方把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻發(fā)送一發(fā)送信號(hào)；以及接收方把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，以便保持與所述發(fā)送方相位值的給定關(guān)系，并使用各自頻率對(duì)各個(gè)頻率的接收信號(hào)實(shí)施頻率變換，以獲得對(duì)每一跳頻的接收信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1的頻道特征估算系統(tǒng)，其中，所述發(fā)送方使用發(fā)送開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
3.按照權(quán)利要求1的頻道特征估算系統(tǒng)，其中，所述接收方使用接收開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
4.按照權(quán)利要求1的頻道特征估算系統(tǒng)，其中，所述發(fā)送方和/或所述接收方把單個(gè)振蕩器的輸出分頻、并通過(guò)頻率相加和相減進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生各個(gè)中心頻率。
5.按照權(quán)利要求4的頻道特征估算系統(tǒng)，其中，所述發(fā)送方和/或所述接收方使用的時(shí)間參考點(diǎn)與分頻獲得的最低頻率一個(gè)周期內(nèi)的指定點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
6.一種頻道特征估算方法，用于在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中估算頻道特征，所述方法包括第一步驟，使發(fā)送方把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻發(fā)送一發(fā)送信號(hào)；以及第二步驟，使接收方把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，以便保持與所述發(fā)送方相位值的給定關(guān)系，并使用各自頻率對(duì)各個(gè)頻率的接收信號(hào)實(shí)施頻率變換，以獲得對(duì)每一跳頻的接收信號(hào)。
7.按照權(quán)利要求6的頻道特征估算方法，其中，所述第一步驟使用發(fā)送開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
8.按照權(quán)利要求6的頻道特征估算方法，其中，所述第二步驟使用接收開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
9.按照權(quán)利要求6的頻道特征估算方法，其中，所述發(fā)送方和/或所述接收方把單個(gè)振蕩器的輸出分頻、并通過(guò)頻率相加和相減進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生各個(gè)中心頻率。
10.按照權(quán)利要求9的頻道特征估算方法，其中，所述第一步驟和/或所述第二步驟使用的時(shí)間參考點(diǎn)與分頻獲得的最低頻率一個(gè)周期內(nèi)的指定點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
11.一種在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中估算頻道特征的通信設(shè)備，所述設(shè)備包括接收裝置，把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值、并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻接收發(fā)送的信號(hào)；和頻道特征估算裝置，把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，以便保持與所述發(fā)送方相位值的給定關(guān)系，并使用各自頻率對(duì)各個(gè)頻率的接收信號(hào)實(shí)施頻率變換，以獲得對(duì)每一跳頻的接收信號(hào)。
12.按照權(quán)利要求11的通信設(shè)備，其中，所述頻道特征估算裝置使用接收開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
13.按照權(quán)利要求11的通信設(shè)備，其中，所述頻道特征估算裝置把單個(gè)振蕩器的輸出分頻、并通過(guò)頻率相加和相減進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生各個(gè)中心頻率。
14.按照權(quán)利要求13的通信設(shè)備，其中，所述頻道特征估算裝置使用的時(shí)間參考點(diǎn)與分頻獲得的最低頻率一個(gè)周期內(nèi)的指定點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
15.一種在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中估算頻道特征的通信方法，所述方法包括如下步驟把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值、并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻接收發(fā)送的信號(hào)；和把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為指定時(shí)間參考點(diǎn)上的已知值，以便保持與所述發(fā)送方相位值的給定關(guān)系，并使用各自頻率對(duì)各個(gè)頻率的接收信號(hào)實(shí)施頻率變換，以獲得對(duì)每一跳頻的接收信號(hào)。
16.按照權(quán)利要求15的通信方法，其中，所述頻道特征估算步驟使用接收開(kāi)始時(shí)間作為時(shí)間參考點(diǎn)、并把跳頻使用的各個(gè)頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為所述時(shí)間參考點(diǎn)上的0。
17.按照權(quán)利要求15的通信方法，其中，所述頻道特征估算步驟把單個(gè)振蕩器的輸出分頻、并通過(guò)頻率相加和相減進(jìn)行頻率合成以產(chǎn)生各個(gè)中心頻率。
18.按照權(quán)利要求17的通信方法，其中，所述頻道特征估算步驟使用的時(shí)間參考點(diǎn)與分頻獲得的最低頻率一個(gè)周期內(nèi)的指定點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
全文摘要
在實(shí)施跳頻的無(wú)線通信系統(tǒng)中必須估算頻道特征。發(fā)送方把跳頻使用的頻率的載波各相位值校準(zhǔn)為發(fā)送開(kāi)始時(shí)間上的已知值、并對(duì)變換頻率獲得的每一跳頻發(fā)送一發(fā)送信號(hào)。接收方把用于每一跳頻的各個(gè)頻率的載波各相位值在接收開(kāi)始時(shí)間校準(zhǔn)、并對(duì)各個(gè)接收信號(hào)實(shí)施頻率變換。包含在接收信號(hào)中用于每一跳頻的相位旋轉(zhuǎn)分量對(duì)所有跳頻是共同的。因此，該相位旋轉(zhuǎn)分量能夠包括在用于估算的待測(cè)量的頻道特征中。
文檔編號(hào)H04B1/69GK1585291SQ20041005784
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者鈴木三博 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社