DE60313649T2

DE60313649T2 - Kommunikationsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE60313649T2
Application number: DE60313649T
Authority: DE
Inventors: Jack Arnold Artimi Ltd Cambridge Lang
Original assignee: Artimi Ltd
Current assignee: Artimi Ltd
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: HK1063389A1; GB2393370B; GB2393370A; WO2004032363A1; GB0317080D0; ES2286457T3; US20040266332A1; ATE361589T1; EP1556964A1; EP1556964B1; DE60313649D1; KR20050073473A; AU2003269171A1; GB0316899D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikation und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Ermöglichung solcher Kommunikation.
Methoden für UWB-Kommunikation haben sich aus Radar- und anderen militärischen Anwendungen entwickelt, und Pionierarbeit ist von Dr. G. F. Ross geleistet worden, wie in US 3728632 beschrieben. Ultrabreitband-Kommunikationssysteme verwenden sehr kurze Impulse elektromagnetischer Strahlung mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten, was zu einem Spektrum mit sehr großer Bandbreite führt. Manche Systeme verwenden direkte Anregung einer Antenne mit einem solchen Impuls, die dann mit ihrer charakteristischen Impuls- oder Schrittantwort (abhängig von der Anregung) strahlt. Solche Systeme werden als trägerlos oder "trägerfrei" bezeichnet, da der resultierenden RF-Emission jede wohldefinierte Trägerfrequenz fehlt. Jedoch strahlen andere UWB-Systeme einen oder einige wenige Zyklen eines Hochfrequenzträgers aus, und somit ist es trotz der großen Signalbandbreite möglich, eine sinnvolle Mittenfrequenz und/oder Phase zu definieren. Die Bundeskommission für das Nachrichtenwesen (FCC) der USA definiert UWB als eine –10-dB-Bandbreite von mindestens 25% einer Mitten- (oder Durchschnitts-)frequenz oder als eine Bandbreite von mindestens 1,5 GHz; die Definition der US-DARPA ist ähnlich, bezieht sich aber auf eine Bandbreite von –20 dB. Solche formalen Definitionen sind nützlich und grenzen UWB-Systeme deutlich von herkömmlichen Schmalband- und Breitbandsystemen ab, aber die in dieser Spezifikation beschriebenen Methoden sind nicht auf Systeme beschränkt, die unter diese präzise Definition fallen.
UWB-Kommunikationssysteme haben eine Anzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Systemen. Allgemein gesagt, ermöglicht die sehr große Bandbreite Kommunikation mit sehr hoher Datenrate, und da Strahlungsimpulse verwendet werden, kann die mittlere Sendeleistung (und ebenso der Stromverbrauch) niedrig gehalten werden, obwohl die Leistung in jedem Impuls relativ groß sein kann. Da außerdem die Leistung in jedem Impuls über eine große Bandbreite gespreizt wird, kann die Leistung pro Einheitsfrequenz natürlich sehr klein sein, so daß UWB-Systeme gleichzeitig mit anderen Nutzern des Spektrums vorhanden sein können und in militärischen Anwendungen eine niedrige Abhörwahrscheinlichkeit bieten können. Die kurzen Impulse machen UWB-Kommunikationssysteme auch relativ unempfindlich für Mehrweg-Effekte, da Mehrfachreflexionen im allgemeinen aufgelöst werden können. Schließlich eignen sich UWB-Systeme für eine im wesentlichen vollständig digitale Implementierung mit daraus folgender Kosteneinsparung und anderen Vorteilen.
1a zeigt einen typischen UWB-Senderempfänger 100. Dieser umfaßt eine Sende/Empfangsantenne 102 mit einer charakteristischen Impulsantwort, die durch das Bandpaßfilter (BPF) 104 gekennzeichnet ist (auch wenn in bestimmten Fällen ein Bandpaßfilter ausdrücklich eingeschlossen werden kann), welche mit einem Sende/Empfangsschalter 106 gekoppelt ist.
Die Sendekette umfaßt einen Impulsgenerator 108, der durch einen Basisband-Sendedateneingang 110 und einen Antennentreiber 112 modulierbar ist. Der Treiber kann weggelassen werden, da im allgemeinen nur ein kleiner Ausgangsspannungshub erforderlich ist. Eine aus einer Vielzahl von Modulationsmethoden kann verwendet werden, normalerweise entweder OOK (Ein/Aus-Umtastung, das heißt Senden oder Nichtsenden eines Impulses), M-äre Amplitudenumtastung (Impuls-Amplitudenmodulation) oder PPM (Pulslagenmodulation, das heißt Ausgleichen der Impulslage mittels Dithersignal). Normalerweise hat der gesendete Impuls eine Dauer von <1 ns und kann eine Bandbreite in der Größenordnung von Gigahertz haben.
Die Empfangskette umfaßt normalerweise eine rauscharme Verstärkerstufe (LNA) 114 mit automatischer Verstärkungssteuerung (AGC), gefolgt von einem Korrelator oder abgestimmten Filter (MF) 116, das auf die empfangene Impulsform abgestimmt ist, so daß es einen Impuls ausgibt, wenn ihm RF-Energie mit der richtigen (übereinstimmenden) Impulsform übergeben wird. Das Ausgangssignal des MF 116 wird im allgemeinen durch einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 118 digitalisiert und dann an eine (digitale oder auf Software beruhende) Schwellwertschaltung mit variabler Verstärkung 120 übergeben, deren Ausgangssignal die empfangenen Daten umfaßt. Der Fachmann wird verstehen, daß Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) wie etwa Block-Fehlercodierung und andere Basisband-Verarbeitung ebenfalls verwendet werden kann, aber solche Methoden sind bekannt und herkömmlich, und daher werden sie der Klarheit halber ausgelassen.
1b zeigt ein Beispiel eines trägergestützten UWB-Senders 122. Ein ähnlicher Sender ist in US 6026125 ausführlicher beschrieben. Diese Art von Sender ermöglicht, daß die Mittenfrequenz und die Bandbreite der UWB-Übertragung gesteuert werden, und weil sie trägergestützt ist, ermöglicht sie die Verwendung von Frequenz- und Phasen- sowie von Amplituden- und Pulslagenmodulation. Somit kann zum Beispiel QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) oder M-äre PSK (Phasenumtastung) verwendet werden.
Mit Bezug auf 1b erzeugt ein Oszillator 124 einen Hochfrequenzträger, der durch einen Mischer 126 gesteuert wird, der eigentlich als Hochgeschwindigkeitsschalter fungiert. Ein zweites Eingangssignal wird durch einen Impulsgenerator 128 an den Mischer übergeben, gefiltert durch ein (optionales) Bandpaßfilter 130. Die Amplitude des gefilterten Impulses bestimmt die Zeit, wie lange die Mischerdioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, und folglich die effektive Impulsbreite und die Bandbreite des UWB-Signals am Ausgang des Mischers. Die Bandbreite des UWB-Signals wird auf ähnliche Weise auch durch die Bandbreite des Filters 130 bestimmt. Die Mittenfrequenz und die momentane Phase des UWB-Signals werden durch den Oszillator 124 bestimmt und können durch einen Dateneingang 132 moduliert werden. Ein Beispiel eines Senders mit einer Mittenfrequenz von 1,5 GHz und einer Bandbreite von 400 MHz ist in US 6026125 beschrieben. Kohärenz von Impuls zu Impuls kann durch Phasensynchronisation des Impulsgenerators mit dem Oszillator erreicht werden.
Das Ausgangssignal des Mischers 126 wird durch ein Bandpaßfilter 134 verarbeitet, um Außerbandfrequenzen und unerwünschte Mischerprodukte zu unterdrücken, wahlweise durch ein digital gesteuertes RF-Dämpfungsglied 136 gedämpft, um zusätzliche Amplitudenmodulation zu ermöglichen, und dann zu einem breitbandigen Leistungsverstärker 138 wie etwa einem MMIC (monolithisch integrierter Mikrowellenschaltkreis) und einer Sendeantenne 140 weitergeleitet. Der Leistungsverstärker kann synchron mit den Impulsen vom Generator 128 ein- und ausgetastet werden, wie in US 6026125 beschrieben, um die Leistungsaufnahme zu verringern.
1c zeigt einen ähnlichen Sender wie den von 1b, wobei gleiche Bestandteile gleiche Bezugszeichen haben. Der Sender von 1c ist allgemein gesagt ein Spezialfall des Senders von 1b, in dem die Oszillatorfrequenz auf null gesetzt worden ist. Das Ausgangssignal des Oszillators 124 von 1b ist infolgedessen ein Gleichspannungspegel, was dazu dient, den Mischer 126 immer eingeschaltet zu lassen, so daß diese Bestandteile weggelassen werden (und der Impulsgenerator oder sein Ausgangssignal wird moduliert).
1d zeigt einen alternativen trägergestützten UWB-Sender 142, der ebenfalls in US 6026125 beschrieben ist. Wiederum werden gleiche Bestandteile wie die in 1b durch gleiche Bezugszeichen dargestellt.
In der Anordnung von 1d steuert eine Zeitgatterschaltung 144 das Ausgangssignal des Oszillators 124 unter Steuerung eines Taktsignals 146. Die Impulsbreite dieses Taktsignals bestimmt die momentane Bandbreite des UWB-Signals. Somit kann die UWB-Bandbreite des Sendesignals durch Regulieren der Breite dieses Impulses reguliert werden.
Ultrabreitband-Empfänger, die zur Verwendung mit den UWB-Sendern von 1b bis 1d geeignet sind, sind in US 5901172 beschrieben. Diese Empfänger verwenden Detektoren auf der Grundlage von Tunneldioden, um Einzelimpulserkennung mit hohen Geschwindigkeiten (mehrere Megabit pro Sekunde) mit verringerter Anfälligkeit für Inbandstörung zu ermöglichen. Allgemein gesagt wird eine Tunneldiode zwischen der aktiven und der inaktiven Betriebsart umgeschaltet, wobei eine in der Diode gespeicherte Ladung während ihrer inaktiven Betriebsart entladen wird. Die Tunneldiode wirkt eigentlich als ein zeitgesteuertes abgestimmtes Filter, und die Korrelation wird auf die ankommenden Impulse synchronisiert.
1e zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten UWB-Senders 148, der in US 6304623 ausführlicher beschrieben ist. In 1e erzeugt ein Impulsgeber 150 einen RF-Impuls zur Übertragung durch eine Antenne 152 unter Steuerung eines Taktsignals 154, das durch einen Präzisions-Taktgenerator 156 bereitgestellt wird, der seinerseits durch eine stabile Zeitbasis 158 gesteuert wird. Ein Codegenerator 160 empfängt einen Referenztakt vom Taktgenerator und übergibt pseudozufällige Zeitversatzbefehle an den Taktgenerator, um die Impulslagen des Senders mit einem Dithersignal auszugleichen. Dies hat die Wirkung, daß das kammartige Spektrum gespreizt und abgeflacht wird, das sonst durch regelmäßige, schmale Impulse erzeugt würde (in bestimmten Systemen kann für eine ähnliche Wirkung Amplitudenmodulation verwendet werden).
1f zeigt einen entsprechenden Empfänger 162, der ebenfalls in US 6304623 beschrieben ist. Dieser verwendet eine(n) ähnliche(n) Taktgenerator 164, Zeitbasis 166 und Codegenerator 168 (der die gleiche Pseudozufallsfolge erzeugt), aber die Zeitbasis wird durch ein Phasennachlauffilter 170 mit dem empfangenen Signal synchronisiert. Das Takt-Ausgangssignal des Taktgenerators 164 steuert einen Maskengenerator 172, der ein Maskensignal ausgibt, und ein Korrelator/Abtaster 176 und ein Akkumulator 178 tasten das empfangene Signal ab und korrelieren es mit der Maske, indem es über eine Öffnungsdauer des Korrelators integriert wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das am Ende eines Integrationszyklus durch einen Detektor 180 abgetastet wird, um zu bestimmen, ob eine Eins oder eine Null empfangen worden ist.
1g zeigt einen bekannten UWB-Senderempfänger 182, der Spreizspektrum-Methoden verwendet und daher beispielsweise das Nebeneinanderbestehen von UWB-Kommunikationssystemen und somit die nichtgeplante Entfaltung von UWB-Netzwerken in Wohnungen erleichtert. Der Senderempfänger aus 1g ist in US 6400754 ausführlicher beschrieben.
In 1g übergeben eine Empfangsantenne 184 und ein rauscharmer Verstärker 186 ein Eingangssignal an einen über die Zeit integrierenden Korrelator 188. Ein zweites Eingangssignal wird durch einen Codefolgengenerator 190 an den Korrelator übergeben, der einen Code vom Spreizspektrumtyp erzeugt, wie etwa einen Kasami-Code, das heißt einen Code mit einem hohen Autokorrelationskoeffizienten aus einer Familie von Codes mit niedrigen Autokorrelationskoeffizienten. Der Korrelator 188 multipliziert das analoge Eingangssignal mit dem Referenzcode und integriert über eine Periode der Codefolge und in US 6400754 befindet sich ein abgestimmtes Filter mit einer Vielzahl von Phasen, die unterschiedliche Zeitsynchronisationen des Eingangssignals und des Referenzcodes darstellen. Das Ausgangssignal des Korrelators wird durch den Analog/Digital-Umsetzer 192 digitalisiert, der ein Ausgangssignal an einen Bus 194 übergibt, der durch einen Prozessor 196 mit einem Speicher 198 gesteuert wird. Der Codefolgengenerator 190 wird durch einen von einem Kristalloszillator angesteuerten Taktgeber 200 angesteuert. Ein Sendeantennentreiber 202 empfängt Daten vom Bus 194, die mit einer Codefolge vom Generator 190 multipliziert und von der Sendeantenne 204 gesendet werden.
Im Betrieb werden codierte Folgen von Doppelimpulsen empfangen und gesendet, wobei in einer Anordnung jedes Bit eine 1023-Chipfolge aus 10-ns-Chips umfaßt, so daß es eine Dauer von 10 μs hat. Dies sorgt für einen Verarbeitungsgewinn von 30 dB und verringert die Störungen zwischen Clustern von Netzwerkknoten, die nicht exakt miteinander synchronisiert sind. Innerhalb eines Clusters, der den gleichen CDMA-(Codemultiplex-Mehrfachzugriff-)Code verwendet, wird TDMA (Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff) verwendet. Der Fachmann wird erkennen, daß für höhere Bitraten kürzere Spreizfolgen und/oder schnellere Takte verwendet werden können.
Der in US 6400754 beschriebene Senderempfänger verwendet eine Modifikation einer frequenzunabhängigen stromgesteuerten geschirmten Rahmenantenne (wie in US 4506267 beschrieben) mit einer flachen rechteckigen leitfähigen Platte. Diese Antenne wird als Starkstromstrahler-(LCR-)Antenne bezeichnet, und wenn sie mit einem Strom angesteuert wird, strahlt sie von der Oberfläche der Platte nach außen ab.
1h zeigt eine Treiberschaltung 206 für eine solche LCR-Sendeantenne 208. Die Antenne wird durch eine H-Brücke angesteuert, die vier MOSFETs 210 umfaßt, die durch linke (L) und rechte (R) Steuerleitungen 212, 214 gesteuert werden. Wenn die Leitung 214 auf Hochpegel und dann auf Tiefpegel geschaltet wird, während die Leitung 212 auf Tiefpegel gehalten wird, wird ein Doppelimpuls (das heißt ein Paar von Impulsen entgegengesetzter Polarität) einer ersten Polarität gesendet, und wenn die Leitung 212 auf Hochpegel und dann auf Tiefpegel geschaltet wird, während die Leitung 214 auf Tiefpegel gehalten wird, wird ein Doppelimpuls entgegengesetzter Polarität ausgestrahlt. Die Antenne strahlt nur, während sich der durch sie fließende Strom ändert, und sendet bei jedem Übergang einen einzelnen Gaußschen Impuls.
2a bis 2h zeigen einige Beispiele von UWB-Wellenformen. 2a zeigt eine typische Ausgangs-Wellenform eines UWB-Impulssenders, und 2b zeigt das Leistungsspektrum der Wellenform von 2a. 2c zeigt einen Wavelet-Impuls (der, wenn er verkürzt wird, ein Monozyklus wird), wie er etwa von einem der Sender von 1b bis 1d ausgestrahlt werden kann. 2d zeigt das Leistungsspektrum von 2c. 2e zeigt einen Doppelimpuls und 2f das Leistungsspektrum des Impulses von 2e. Es ist ersichtlich, daß das Spektrum von 2f einen Kamm mit einem Abstand (in der Frequenz) umfaßt, der durch den Abstand (in der Zeit) der Impulse des Doppelimpulses bestimmt wird, und eine Gesamtbandbreite, die durch die Breite jedes Impulses bestimmt wird. Aus 2e und 2f ist auch zu erkennen, daß das Ausgleichen der Impulslagen mittels Dithersignal dazu führt, daß die Nullstellen des Kammspektrums verringert werden. 2g zeigt Beispiele von Doppelimpuls-Basiswellenformen für eine logische 0 und eine logische 1. 2h zeigt ein Beispiel einer TDMA-UWB-Übertragung, wie sie etwa vom Senderempfänger von 1g ausgestrahlt werden kann, wobei Bursts von Codemultiplex-Mehrfachzugriff-(CDMA-)codierten Daten durch Perioden der Nichtübertragung getrennt werden, um den Zugriff durch andere Geräte zu ermöglichen.
Ultrabreitband bietet potentiell erhebliche Vorteile für die drahtlose Wohnungsvernetzung, insbesondere Breitbandvernetzung für Audio- und Video-Unterhaltungsgeräte. Jedoch erregt die große Bandbreite von UWB-Kommunikation Bedenken, vor allem in bezug auf mögliche Störung von Systemen, nämlich GPS (Globales Positionsbestimmungssystem) und Luftfahrtelektronik. Aus diesem Grund ist der Betrieb, obwohl die Verwendung von UWB kürzlich durch die FCC in den USA genehmigt worden ist, nur mit sehr niedrigen Leistungen und innerhalb einer beschränkten Bandbreite (3,1 bis 10,6 GHz) gestattet. Es gibt daher einen Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen zur Förderung der UWB-Kommunikation mit niedrigen Leistungen, insbesondere im Wohnbereich.
Hintergrundinformation zum Stand der Technik bezüglich asynchroner Impulsfunk-Stromleitungsübertragungen ist in WO 01/22380 zu finden.
Unter einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Verteilung des UWB-Signals über die Netzstromversorgung eines Gebäudes, wie etwa eines Wohngebäudes, zum Beispiel eines Hauses oder einer Wohnung, ermöglicht potentiell eine vergrößerte UWB-Kommunikationsreichweite und/oder eine verringerte Leistung für eine erwünschte Entfernung. Weil sich UWB-Signale relativ schlecht durch Gebäudewände ausbreiten, ermöglicht das Verfahren außerdem potentiell die Verwendung von höherer mittlerer UWB-Sendeleistung ohne eine im gleichen Maße erhöhte Gefahr der Verursachung von Störungen.
Es kann ein einziger UWB-Sender verwendet werden, zum Beispiel an einem Stromnetz-Eintrittspunkt in das Gebäude, aber das Verfahren umfaßt vorzugsweise die Erzeugung einer Vielzahl von UWB-Signalen in einer Vielzahl von UWB-Sendern und ihre Einkopplung in die Netzstromversorgung an unterschiedlichen Punkten innerhalb des Gebäudes. Es wird ferner bevorzugt, daß mindestens zwischen einer Teilmenge der UWB-Signale eine gemeinsame Taktung eingerichtet wird, zum Beispiel zwischen allen Sendern innerhalb eines Raums. Dies hilft, Störungen zu verringern, und unterstützt Mehrfachzugriffsmethoden wie TDMA. Ein gemeinsamer oder übereinstimmender Takt kann zwischen allen Sendern im Gebäude eingerichtet werden, indem die Netzstromversorgung als ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium genutzt wird, oder alternativ können Gruppen von Sender eingerichtet werden, wobei ein gemeinsamer oder übereinstimmender Takt und CDMA-Methoden verwendet werden, um die Störung zwischen solchen Gruppen zu verringern. (Es wird anerkannt, daß die Einrichtung einer gemeinsamen Taktung nicht erfordert, daß die Sender zur gleichen Zeit Impulse übertragen.)
Zusätzlich oder alternativ zur Einrichtung einer gemeinsamen Taktung können Teilstreckenknoten verwendet werden, so daß Daten in einer Folge von Sprüngen von einem Senderempfänger zum anderen übertragen werden können. Mehrere mit Speichersystemen ausgerüstete Sender und Empfänger können als ein Netz von Teilstreckenknoten konfiguriert werden.
Das UWB-Signal kann in die Netzstromversorgung mittels einer kapazitiven Einkopplung in einen oder mehrere der elektrischen Leiter, zum Beispiel in einen spannungsführenden Leiter und/oder einen Nulleiter, eingekoppelt werden. In manchen Gebäuden mit einer verdrahteten Erdungsverbindung zur Netzsteckdose kann, abhängig von der Impedanz der Erdungsverbindung zu Masse bei den in Betracht kommenden Frequenzen, der Erdungs- oder Schutzleiter zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um UWB-Signale zu verteilen. In einigen Ausführungsformen kann das UWB-Signal differentiell auf zwei Leiter des Netzstromversorgungs-Stromkreises angesteuert werden, und/oder eine Eintakt- oder Differenz-Stromansteuerung kann verwendet werden.
Die Mittenfrequenz und/oder die Bandbreite des UWB-Signals können reguliert werden, um Störungen zu unterdrücken, die von anderen an die Netzstromversorgung im Gebäude angeschlossenen Geräten ausgehen, wie etwa elektrische Motoren. Zusätzlich oder alternativ kann die Taktung von UWB-Impulsen variiert werden, um die Anfälligkeit der UWB-Signale für Störungen zu verringern. Ähnliche Methoden können bei Bedarf verwendet werden, um die durch das bzw. die UWB-Signal(e) verursachte Störung zu verringern.
Die Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude nach Anspruch 8 bereit.
Die oben beschriebene Vorrichtung kann in ein Unterhaltungselektronikgerät einbezogen werden, insbesondere in ein netzbetriebenes Unterhaltungselektronikgerät.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden nun lediglich zu Beispielzwecken mit Bezug auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben, wobei diese folgendes zeigen:
1a bis 1h zeigen einen typischen UWB-Senderempfänger, ein erstes Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, eine Variante dieses ersten beispielhaften Senders, ein zweites Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, ein drittes Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, einen Empfänger für den dritten beispielhaften Sender, einen bekannten UWB-Senderempfänger, der Spreizspektrum-Methoden verwendet, bzw. eine Treiberschaltung für eine Starkstromstrahler-Antenne;
2a bis 2h zeigen Beispiele für UWB-Wellenformen;
3a bis 3c zeigen jeweils ein drahtloses UWB-Hausnetzwerk, ein ringnetzgestütztes UWB-Hausnetzwerk bzw. eine alternative Netzstromverteilungs-Verdrahtungskonfiguration; und
4a bis 4f zeigen Alternativen für die Kopplung eines UWB-Senders mit der Stromnetzverdrahtung.
Mit Bezug auf 3a zeigt diese nun ein drahtloses UWB-Hausnetzwerk 300, das die Netzstromversorgungs-Verdrahtung als Übertragungsmedium verwendet. Eine Wohnung 302 hat eine ankommende Netzstromversorgung 304, die über einen Sicherungskasten 306 mit einem ring- oder zweiggestützten Netzstromverteilungs-Stromkreis 308 mit einer Vielzahl von Netzsteckdosen 310 gekoppelt ist. Ein oder mehrere Unterhaltungselektronikgeräte (CEDs) sind in jede der Steckdosen gesteckt, wobei diese im dargestellten Beispiel ein Zusatzgerät (STB) 312, einen DVD-Spieler 314, einen Fernseh- oder Computerbildschirm 316, einen Laptop-Computer 318, einen Drucker 320, eine Audio-Anlage 322 und einen Satellitenempfänger 324 umfassen. Eines oder mehrere dieser Geräte können mit einem UWB-Sender, -Empfänger oder -Senderempfänger ausgestattet sein, um mit anderen der Geräte oder mit einer Steuereinrichtung 326, die mit dem Sicherungskasten 306 gekoppelt ist, zu kommunizieren. Diese UWB-Geräte sind über Netzsteckdosen 310 und im Falle der Steuereinrichtung 326 über den Sicherungskasten 306 mit dem Netzstromkreis 308 RF-gekoppelt. Eine zusätzliche Kopplung wie etwa die Kopplung 328 der Steuereinrichtung 326 kann wahlweise verwendet werden. Der Sicherungskasten 306 kann ein UWB-Filter einschließen, um äußere Störungen zu verringern und um das Austreten von UWB-Übertragungen aus dem Haus 302 zu begrenzen.
Die Freiraum-Sendeleistung fällt mit dem Quadrat der Entfernung ab, aber Übertragungen durch die Wand fallen normalerweise schneller ab, mit einem Exponenten zwischen -3 und -4. Die Kopplung der UWB-Sender eines Unterhaltungselektronikgeräts mit dem Netzstromkreis unterstützt die UWB-gestützte Vernetzung zwischen den Geräten durch Bereitstellung verbesserter Ausbreitung, zum Beispiel zwischen Geräten, die durch eine Wand getrennt sind. Zum Beispiel können in der Stromnetzverdrahtung UWB-Ausbreitungsentfernungen von mehr als 10 m erreicht werden.
Die Verwendung von UWB-Kommunikation unterstützt insbesondere Übertragungsstrecken mit hoher Datenrate, wie etwa Audio- und vor allem Video-Übertragungsstrecken. Geräte wie etwa Personal-Digital-Assistenten (PDA) 330 und eine Kamera 332, die nicht direkt mit dem Netzstromkreis 308 verbunden sind, können mit einem netzbetriebenen und UWB-fähigen Gerät wie etwa der Audio-Anlage 322 kommunizieren, zum Beispiel über eine Bluetooth-Übertragungsstrecke 334, und somit Zugriff auf netzkabelunterstützte UWB-Sender- und/oder -Empfängergeräte erlangen.
Mit Bezug nunmehr auf 3b zeigt diese ein Beispiel eines ringnetzgestützten UWB-Hausnetzwerks 340, in dem Bestandteile, die gleich denen von 3a sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.
In 3b sind zwei netzbetriebene Unterhaltungselektronikgeräte 342, 344 gezeigt, die jeweils einen Netzeingang haben, der an eine innere Stromversorgung angeschlossen ist, um den Bauelementen des Geräts und auch einem UWB-Senderempfänger 346, der durch das Kopplungsmittel 348 mit dem Netzeingang gekoppelt ist, Gleichstrom zuzuführen. Die Steuereinrichtung 326 ist ähnlich und weist die netzbetriebene Stromversorgung 350 und eine Netzwerk-Steuereinrichtung 352 auf, um zum Beispiel für die Sender der Senderempfänger 346 den Zugriff im Zeit- und/oder Frequenzbereich auf das gesamte Netzwerk oder einen Teil davon zu steuern.
Ein batteriebetriebenes Unterhaltungselektronikgerät 354 weist einen UWB-Empfänger 356 und wahlweise einen UWB-Sender (nicht gezeigt) auf. Das Gerät 354 kann UWB-Signale empfangen, die von Netzstromleitungen ausgestrahlt werden, und weil es keinen direkten Zugang zur stromnetzverdrahtungsunterstützten UWB-Signalausbreitung hat, kann es über einen Vermittler senden, wie etwa eines der Geräte 342, 344 oder die Steuereinrichtung 326. Alternativ können UWB-Übertragungen vom Gerät 354 drahtlos in die Stromnetzverdrahtung eingekoppelt werden.
3c zeigt eine alternative Netzstromverteilungs-Verdrahtungskonfiguration, auf die die hierin beschriebenen Methoden angewendet werden können. In 3c sind Bestandteile, die gleich denen von 3a und 3b sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
4a bis 4f zeigen Alternativen für die Kopplung eines UWB-Senders mit der Stromnetzverdrahtung.
Mit Bezug auf 4a umfasst die Stromnetzverdrahtung grundsätzlich ein Paar von Leitern 400, 402 für jeweilige spannungsführende und Nullverbindungen und wahlweise einen dritten Leiter 404, um eine Erdungsverbindung bereitzustellen. Ein Ausgangssignal 406 von einem UWB-Sender, das normalerweise an eine Sendeantenne übergeben wird, kann stattdessen über einen Kopplungskondensator 408 in einen oder beide von spannungsführendem und Nulleiter 400, 402 eingekoppelt werden. 4b stellt die Einkopplung sowohl in den spannungsführenden als auch in den Nulleiter über ein Paar von Kondensatoren 408 dar. Die Leitung 406 kann zum Beispiel einen Ausgang des Leistungsverstärkers 138 des Senders von 1b, 1c oder 1d umfassen. Der Kopplungskondensator 408 wird so ausgewählt, daß er bei Netzfrequenzen eine hohe Impedanz hat, aber bei den für UWB-Übertragungen verwendeten relativ hohen Frequenzen eine niedrige Impedanz hat, das heißt eine relativ hohe Impedanz um 50 Hz und eine niedrige Impedanz oberhalb von zum Beispiel 1 GHz. Ein diskretes Bauelement mit einem Wert von beispielsweise 1 nF kann verwendet werden, aber in der Praxis muß der Kondensator 408 kein punktförmiges Bauelement sein und kann einfach aus der Kapazität zwischen einem Kopplungsleiter 410 und einem oder mehreren der Netzstromleiter bestehen, wie in 4c gezeigt. Alternativ kann ein UWB-Sender mit einem Ausgangsverstärker 412, der einen differentiellen Spannungs- oder Stromausgang 414a, b bereitstellt, mit Zwillings-Kopplungskondensatoren 408a, b verwendet werden, wie in 4d gezeigt. Die Leiter der Netzstromversorgung fungieren bis zu einem gewissen Grad als eine verlustbehaftete Übertragungsleitung, vor allem wenn die Leiter verdrillt sind, und folglich neigt die RF-Energie dazu, einen langen Raum zwischen den Leitern zu durchdringen, auch wenn sie rings um die Leiter austritt, um ein relativ leistungsstärkeres, aber örtlich begrenztes elektromagnetisches Feld bereitzustellen.
4e zeigt eine weitere alternative Anordnung für die Einkopplung einer UWB-Übertragung in ein Paar von Netzstromleitern, die auf der Schaltung von 1h beruht, wie sie in US 6 400 754 beschrieben ist, wobei speziell diese Schaltung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. In 4e wird die "H-Ansteuerung" von FETs 210 über Kopplungskondensatoren 408 an spannungsführende und Null-Stromnetzleiter 400, 402 angelegt, um eine Stromansteuerung der Stromnetzverdrahtung zu bilden. Der Strom fließt durch die Kondensatoren 408 und die Stromnetzleiter 400, 402 und auch durch das Unterhaltungselektronikgerät 416 (das in die Netzstromversorgung eingesteckt ist), die einen Stromkreis bilden. Es wird anerkannt, daß wegen des Vorhandenseins der Kopplungskondensatoren 408 nur während Übergängen Strom fließt, bei denen die eine oder die andere der Steuerleitungen 212, 214 ihren Zustand wechselt, aber da die LCR-Antenne 208, wie bereits beschrieben, nur während solcher Übergänge strahlt, dürfte dies in der Praxis keine erhebliche Beschränkung sein.
4f zeigt noch eine weitere alternative Anordnung für die Einkopplung einer UWB-Übertragung in ein Paar von Netzstromleitern, die verwendet werden, wo eine verdrahtete Erdungsschaltung oder -verbindung vorhanden ist. Im zur Veranschaulichung dienenden Beispiel von 4f endet der Stromnetzleiter 404 in einem Erdungsspieß 418 oder in einer anderen Masseverbindung, zum Beispiel in einem Kaltwasserrohr. Um ein gewisses Maß von Trennung zwischen einem mit der Stromnetzverdrahtung verbundenen UWB-Sender und Masse zu erreichen, kann eine RF-Drosselspule 420 unmittelbar angrenzend an die tatsächliche untere Masseverbindung 418 in die Erdungsschaltung eingeschlossen werden. Dort, wo es eine Vielzahl von solchen direkten Erdungsverbindungen gibt, kann unmittelbar angrenzend an jede eine in Reihe geschaltete RF-Drosselspule eingeschlossen werden. Die RF-Drosselspule sollte so ausgewählt werden, daß sie eine hohe Impedanz für Übertragungen bei Frequenzen innerhalb der Bandbreite des UWB-Senders hat, aber eine niedrige Impedanz bei unteren Massefrequenzen, insbesondere bei Stromnetzfrequenzen wie etwa 50 Hz oder 60 Hz. In der Praxis können einige wenige Windungen in einem relativ steifen Erdungsdraht in der Nähe seines Verbindungspunktes zu einem in den Boden führenden Leiter ausreichend sein.
Eine oder mehrere aus einer Vielzahl von Methoden können verwendet werden, um die Anfälligkeit des UWB-Netzwerks für Rauschen zu verringern, das auf der Verdrahtung der Netzstromversorgung vorhanden ist. Zum Beispiel kann die UWB-Übertragungsfrequenz und/oder -Bandbreite verändert werden, wahlweise auf anpassungsfähige Weise, zum Beispiel durch Impulsformung vor der Übertragung. Zum Beispiel kann die Mittenfrequenz/Bandbreite reguliert werden, um die UWB-Übertragung fort von Frequenzen mit hohen Störpegeln zu bewegen. Zusätzlich oder alternativ kann die Impulstaktung (Abstand und/oder Tastverhältnis) reguliert werden, zum Beispiel so, daß Nullstellen im kammförmigen Frequenzspektrum mit der Spitzenleistung aus Störungen zusammenfallen. Bei Bedarf kann für einen zusätzlichen Verarbeitungsgewinn kohärentes Impulskombinieren (das heißt vor der Detektion) oder sogar Kombinieren nach der Detektion verwendet werden. Verwandte Zeitkorrelationsmethoden oder andere Anti-Jamming-Methoden wie etwa CDMA-Codierung der übertragenen Daten können ebenfalls verwendet werden.
Zweifellos sind für den Fachmann viele weitere wirksame Alternativen möglich. Zum Beispiel sind die Anwendungen der oben beschriebenen Methoden nicht auf Wohngebäude beschränkt, sondern können auch in Büroräumen und Industriegebäuden verwendet werden. Ebenso können, wenngleich die Methoden mit Bezug auf die Einphasen-Stromversorgung beschrieben worden sind, die normalerweise in Wohnhäusern anzufinden ist, entsprechende Methoden auch bei den Dreiphasen-Stromkreisen verwendet werden, die häufiger in der Industrie anzufinden sind.
In Alternativen zu den oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen kann die netzkabelgestützte (UWB-)Signalverteilung durch eine (UWB-)Signalverteilung auf der Grundlage eines alternativen Gebäude-Kabelnetzsystems ersetzt (oder ergänzt) werden. Somit können anstelle des einen oder der beiden elektrischen Leiter einer Netzstromversorgung (oder zusätzlich dazu) ein oder zwei Leiter eines Computer-Netzwerkkabels, wie etwa eines CAT5-Kabels, oder ein oder zwei Leiter eines Telefonkabels verwendet werden, um das UWB-Signal zu verteilen. Aus den bereits erwähnten Gründen verringert der leistungsarme ultrabreitbandige Impulscharakter des Signals die Wahrscheinlichkeit von Störungen bestehender Signale, die auf diesen Kabeln transportiert werden.
Es ist verständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und Modifikationen einschließt, die für den Fachmann offensichtlich sind.

Claims

Verfahren zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude (300), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Erzeugen (346) eines UWB-Signals; und Einkoppeln (348) des UWB-Signals in mindestens einen elektrischen Leiter (400; 402; 404) eines Stromversorgungsnetzes (308) des Gebäudes, um das UWB-Signal zu verteilen; wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Erzeugen einer Vielzahl von UWB-Signalen in einer Vielzahl von UWB-Sendern (346); und Einkoppeln der Vielzahl von UWB-Signalen in den elektrischen Leiter an einer Vielzahl von unterschiedlichen Punkten (310) innerhalb des Gebäudes; Herstellen einer gemeinsamen Taktung zwischen mindestens einer Teilmenge der UWB-Signale, um Störungen zu verringern; und Variieren einer Taktung des UWB-Signals, um die Anfälligkeit für Störungen zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem folgenden Schritt: Empfangen des UWB-Signals an einer Vielzahl von Punkten innerhalb des Gebäudes.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, und wobei das Einkoppeln kapazitives Einkoppeln (408) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit dem folgenden Schritt: Einkoppeln des UWB-Signals in zwei elektrische Leiter des Stromversorgungsnetzes.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem folgenden Schritt: differentielles Einsteuern des UWB-Signals in die beiden Leiter.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einkoppeln umfaßt: Anwenden einer Stromeinsteuerung in die elektrischen Leiter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einkoppeln an einem zentralen Verteilungspunkt (326) des Stromversorgungsnetzes des Gebäudes durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude (300), wobei die Vorrichtung umfaßt: Mittel (346) zum Erzeugen eines UWB-Signals; und Mittel (348) zum Einkoppeln des UWB-Signals in mindestens einen elektrischen Leiter (400; 402; 404) eines Stromversorgungsnetzes (308) des Gebäudes, um das UWB-Signal zu verteilen; und gekennzeichnet ist durch: Mittel zum Erzeugen einer Vielzahl von UWB-Signalen in einer Vielzahl von UWB-Sendern (346); Mittel zum Einkoppeln der Vielzahl von UWB-Signalen in den elektrischen Leiter an einer Vielzahl von unterschiedlichen Punkten (310) innerhalb des Gebäudes; und Mittel zum Herstellen einer gemeinsamen Taktung zwischen mindestens einer Teilmenge der UWB-Signale, um Störungen zu verringern; und Mittel zum Variieren einer Taktung des UWB-Signals, um die Anfälligkeit für Störungen zu verringern.
Unterhaltungselektronik-Gerät, das die Vorrichtung nach Anspruch 8 einschließt.
Unterhaltungselektronik-Gerät nach Anspruch 9, wobei das Unterhaltungselektronik-Gerät netzgespeist ist.
Datenkommunikations-Netzwerk mit der Vorrichtung nach Anspruch 8.