[发明专利]用于具有可调节数据速率的频谱高效和能量高效的超宽带脉冲无线电的系统和方法

说明书

超宽带(UWB)技术在短距离内以非常低的功率在宽频谱上利用调制编码脉冲以用于数字数据传输。当今主导的边沿调制正弦波无线通信标准和系统采用窄带信令方案和传统的RF收发器架构实现了50nJ/比特的功率效率。然而，这种设计严重限制了可实现的能量效率，特别是在例如低于1Mbps的数据速率下。此外，重要的是，能够通过普通的电池或能量收集技术来支持峰值功耗，并且长期功耗既不会导致有限的电池寿命，也不会使替代能量源无法维持它们。因此，有益的是，下一代应用利用本发明的收发器结构和通信方案以实现下一代应用所要求的每比特亚nJ的能量效率。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年6月1日提交的题为“Systems and Methods for Spectrally Efficient and Energy Eff icient Ul tra-Wideband Impul se Radios wi th Scalable Data Rates(用于具有可调节数据速率的频谱高效和能量高效的超宽带脉冲无线电的系统和方法)”的美国临时专利申请US 62/169,066的权益。

技术领域

本发明涉及超宽带无线通信，并且更具体地涉及在不频繁数据传输的链路中具有非常低的功耗的发射器、接收器和收发器。

背景技术

超宽带(UWB)技术是一种无线技术，用于在短距离内以非常低的功率在非常宽的频谱上传输数字数据作为调制编码脉冲。这种基于脉冲的传输是使用调制正弦波来传输信息的替代方案，使用调制正弦波来传输信息是在当今的无线通信标准和系统(例如IEEE802.11(Wi-Fi)、IEEE802.15无线个人区域网(PAN)、IEEE 802.16(WiMAX)、通用移动通信系统(UMTS)、全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电业务(GPRS)、以及接入工业、科学和医疗(ISM)频带的标准和系统以及国际移动电信2000(IMT-2000))中目前采用的技术。

UWB以前被称为“脉冲无线电”，但是联邦通信委员会(FCC)和国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)当前根据来自发射的信号带宽超过500MHz或中心频率的20％中的较小者的天线的传输来限定UWB。因此，对于基于脉冲的系统，每个传输的脉冲占据全部的UWB带宽或者至少500MHz的窄带载波的聚合；例如，正交频分复用(OFDM)可以在规则下获得对UWB频谱的访问。脉冲重复率可以较低或非常高。基于脉冲的UWB雷达和成像系统倾向于使用低到中等的重复率(通常在每秒1兆到100兆脉冲的范围内)。另一方面，通信系统有利于高重复率(通常在每秒一千兆到两千兆脉冲的范围内)，从而实现短距离千兆比特每秒的通信系统。由于基于脉冲的UWB系统中的每个脉冲都占据很大的带宽，甚至可能占据整个UWB带宽，所以这种系统相对地不受多路径衰减影响，但受符号间干扰的影响，这与同时受到深度衰减和符号间干扰(TST)的基于载波调制的系统不同。

自从首次被联邦通信委员会(FCC)允许之后，基于脉冲的无线通信已经取得很大进展。已经针对超宽带(UWB)通信开发了能够在短距离范围内提供高数据速率和非常能量高效的传输的多种技术，这些超宽带通信包括各自具有其特定优势的多频带正交频分复用(MB-OFDM)、脉冲无线电(IR-UWB)和调频(FM-UWB)。非常低功率通信和精确测距的潜力已经实现了将UWB无线电纳入多个标准中，这些标准旨在用于不同的应用，例如符合IEEE802.15.4a的低速率无线个人区域网(WPAN)以及符合IEEE 802.15.6的最新的无线体域网(WBAN)。