Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Gebiete der drahtlosen Kommunikation und der Siliziumphotonik. Die Offenbarung betrifft insbesondere die Verwendung einer optischen Umwandlung, um eine wirksame Modulation in Ultraweitband-Funksystemen durchzuführen.

Ultraweitband(UWB)-Funksysteme bieten große Bandbreiten. Der Einsatz von UWB-Systemen bei niedrigen Leistungspegeln ist innerhalb einer Bandbreite von 3,1–10,6 GHz erlaubt (üblicherweise wird mindestens 6 GHz erwartet).

Modulationssysteme nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel OFDM (Orthogonal Frequency Domgin Multiplexing), können die Orthogonalität erhalten, während Breitbandsignale in Unterbänder unterteilt werden oder Unterbänder zu Breitbandsignalen verbunden werden. Gegenwärtig konnten nur Bandbreiten mit weniger als 100 MHz OFDM aufgrund seiner hohen Verarbeitungsanforderungen nutzen. Selbst die leistungsfähigen digitalen Sampler mit 1–2 GHz sind heute noch 6 Mal langsamer als vielleicht benötigt wird. Leider können die von derartigen Modulationssystemen nach dem Stand der Technik geforderte digitale Signalverarbeitungsleistung und Abtastraten für UWB-Bandbreiten in elektronischen Schaltungen in der nahen Zukunft unerschwinglich sein.

Die Patentanmeldung US 2003/147655 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Empfangen eines Mehrträger-OFDM(Orthogonal Frequency Domgin Multiplexed)-Signals, wobei das empfangene Signal durch eine Fourier-Transformation in Frequenzelemente unterteilt wird.

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.

1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Funksystems mit Ultraweitband-Sender/-Empfänger mit optischen Umwandlungen.

2a–2b veranschaulicht Ausführungsformen einer Ultraweitband-Funkempfangsvorrichtung mit optischen Umwandlungen.

3a–3b veranschaulicht Ausführungsformen einer Ultraweitband-Funksendevorrichtung mit optischen Rückumwandlungen.

4 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für OFDM (Orthogonal Frequency Domgin Multiplexing) mit optischen Umwandlungen in einem Ultraweitband-Empfänger.

5 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für OFDM mit optischen Umwandlungen in einem Ultraweitband-Sender.

Es werden Verfahren und Vorrichtungen für einen Ultraweitband-Sender/-Empfänger mit optischen Umwandlungen enthüllt. Eine Ausführungsform einer Empfangsvorrichtung weist eine Antenne auf, um ein Ultraweitband-Funksignal, das mehrere Modulationsfrequenzen aufweist, zu empfangen. Ein geräuscharmer Verstärker ist mit der Antenne gekoppelt, um eine Laserquelle von dem Ultraweitband-Funksignal aus zu steuern, um ein optisches Signal zu erzeugen, das mehrere spektrale Bestandteile aufweist. Ein Beugungsgitter wandelt das optische Signal in seine spektralen Bestandteile um. Eine Anordnung von Photodetektoren wandelt die spektralen Bestandteile in elektronische Signale um, die den mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen.

Eine Ausführungsform einer Sendevorrichtung weist eine Anordnung von Lasersendern auf, die von elektronischen Signalen, die mehreren Kanalmodulationsfrequenzen entsprechen, gesteuert werden, um optische Signale zu erzeugen, die mehreren spektralen Bestandteilen entsprechen. Ein Beugungsgitter rückumwandelt die spektralen Bestandteile in ein optisches Verbundsignal. Ein Photodetektor wandelt das optische Verbundsignal in ein elektronisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, um. Ein Verstärker verstärkt das elektronische Verbundsignal zur Übertragung als Ultraweitband-Funksignal.

Diese und andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können gemäß den folgenden Lehren umgesetzt werden, und es sollte offensichtlich sein, dass verschiedene Abwandlungen und Abänderungen der folgenden Lehren erfolgen können, ohne dass dies den Rahmen der Erfindung sprengt. Es wird erkennbar sein, dass die nachfolgend dargestellten Beispiele zwar die Verwendung von optischen Umwandlungen für OFDM (Orthogonal Frequency Domain Multiplexing) in einem Ultraweitband-Sender/Empfänger (IEEE Std. 802.15.3a ist unter standards.ieee.org/getieee802 erhältlich) veranschaulichen, die offenbarten Techniken jedoch einen größeren Anwendungsbereich haben. Systeme, die zum Beispiel die IEEE 802.11a (erhältlich unter standards.ieee.org/getieee802) in den Vereinigten Staaten, mit dem Titel „High Speed Physical Layer in the 5GHz band", verwenden oder Systeme, die das HiperLAN/2 des Europäischen Telekommunikationsnormungsinstituts (erhältlich unter portal.etsi.org/bran/kta/Hiperlan/hiperlan2.asp), das für „High Performance Radio Local Area Network" steht, verwenden, können derartige Techniken ebenfalls auf vorteilhafte Weise einsetzen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen dementsprechend als Veranschaulichung statt als Einschränkung betrachtet und die Erfindung nur in Bezug auf die beigefügten Ansprüche bemessen werden.

1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Funksystems mit Ultraweitband-Sender/-Empfänger 101 mit optischen Umwandlungen 114 und 124. Im Funkempfänger 102 kann eine Antenne 111 ein erstes Ultraweitband-Funksignal, das mehrere Modulationsfrequenzen aufweist, empfangen. Ein geräuscharmer Verstärker 112, der mit der Antenne 111 gekoppelt ist, steuert eine Laserquelle der optischen Umwandlung 114 von dem ersten Ultraweitband-Funksignal aus, um ein optisches Signal zu erzeugen.

Die optische Umwandlung 114 trennt das erste optische Signal in seine spektralen Bestandteile, wobei sie im Wesentlichen die Funktion einer Fourier-Transformation erfüllt. Photodetektoren wandeln die getrennten spektralen Bestandteile in mehrere elektronische Signale um, die den mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen und übermitteln die mehreren elektronischen Signale an die Empfängerschaltung 116. Die Empfängerschaltung 116 kann bekannte OFDM-Abläufe, wie zum Beispiel Demapping, Entschachtelung und Vorwärtsfehlerkorrektur(FEC)-Dekodierung, ausführen.

Die Empfängerschaltung 116 ist über den Bus 118 mit der Senderschaltung 110 und der Steuerschaltung 119 gekoppelt. Die Senderschaltung 110 kann bekannte OFDM-Abläufe, wie zum Beispiel FEC-Faltungskodierung, Verschachtelung und Mapping, ausführen. Eine zweite Mehrzahl von elektronischen Signalen, die den mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen, steuern Lasersender, um mehrere optische Signale von entsprechenden spektralen Bestandteilen zu erzeugen. Die optische Rückumwandlung 124 führt mehrere optische Signale zu einem zweiten optischen Signal, einschließlich deren entsprechende spektrale Bestandteile, zusammen, wobei sie im Wesentlichen die Funktion einer Fourier-Rücktransformation erfüllt. Ein Photodetektor wandelt das zweite optische Signal in ein elektronisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, um und übermittelt das elektronische Verbundsignal an den Verarbeitungsblock 123. Der Verarbeitungsblock 123 kann bekannte OFDM-Abläufe, wie zum Beispiel Hinzufügung eines Schutzintervalls (GI), Symbol-Wellenformung und IQ(interphase/quadrature)-Modulation, durchführen. Ein Hochleistungsverstärker 122, der mit der Antenne 111 gekoppelt ist, verstärkt das elektronische Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, zur Übertragung über die Antenne 111 als zweites Ultraweitband-Funksignal.

Es wird erkannt werden, dass ein Funksystem mit UWB-Sender/-Empfänger, das optische Umwandlungen 114 und 124 verwendet, die optische Verarbeitung von GHz-Breitband ermöglichen kann, was bei elektronischen Verarbeitungstechniken in naher Zukunft eventuell nicht möglich sein wird. Elektronische Sampler nach dem Stand der Technik digitalisieren zum Beispiel gegenwärtig Abtastwerte mit einer Rate von 1–1,5 GHz, aber um das Nyquist-Kriterium von einer Bandbreite von 6 GHz zu erfüllen, wäre ein Sampler mit mindestens 12 GHz erforderlich. Daher könnte die optische Verarbeitung, selbst wenn derartige Sampler verfügbar wären, Lösungen mit geringen Kosten und geringem Energieverbrauch bieten. Es ist ebenfalls erkennbar, dass Sender/Empfänger-Funksysteme auch aus einer optischen Umwandlung nur im Empfänger oder nur im Sender statt in beiden Nutzen ziehen können.

2a veranschaulicht eine Ausführungsform einer Ultraweitband-Funkempfangsvorrichtung 201 mit optischer Umwandlung. Eine Antenne 211 kann ein Ultraweitband-Funksignal, das mehrere Modulationsfrequenzen aufweist, empfangen. Ein geräuscharmer Verstärker 212 ist mit einer Antenne 211 gekoppelt, um eine Laserquelle 213 von dem Ultraweitband-Funksignal aus zu steuern, um ein optisches Signal zu erzeugen, das mehrere spektrale Bestandteile aufweist. Die Laserquelle 213 kann ein Kantenstrahler, wie zum Beispiel ein Fabry-Perot, sein oder kann ein VCSEL-Laser (vertical cavity surface emitting laser) sein. Ein Beugungsgitter 214 wandelt das optische Signal in seine spektralen Bestandteile um. Das Umwandeln des optischen Signals erfolgt durch das Übermitteln des optischen Signals durch das Beugungsgitter 214. Mehrere Photodetektoren 215 wandeln die optischen spektralen Bestandteile in elektronische Signale um, die den mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen und übermitteln die elektronischen Signale an die Empfängerschaltung 116. Wie in 1 kann die Empfängerschaltung 116 bekannte OFDM-Abläufe, wie zum Beispiel Demapping, Entschachtelung und FEC-Dekodierung, ausführen.

2b veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer Ultraweitband-Funkempfangsvorrichtung 202 mit optischer Umwandlung. Ähnlich wie in 2a kann die Antenne 211 ein Ultraweitband-Funksignal, das mehrere Modulationsfrequenzen aufweist, empfangen, und der Verstärker 212 steuert die Laserquelle 213 von dem Ultraweitband-Funksignal aus, um ein optisches Signal zu erzeugen, das mehrere spektrale Bestandteile aufweist. Ein Beugungsgitter 224 wandelt das optische Signal in seine spektralen Bestandteile um. In diesem Fall erfolgt das Umwandeln des optischen Signals durch das Reflektieren des optischen Signals mit dem Beugungsgitter 224. Photodetektoren 215 wandeln die optischen spektralen Bestandteile in elektronische Signale um, die den mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen, und übermitteln die elektronischen Signale an die Empfängerschaltung 116.

3a veranschaulicht eine Ausführungsform einer Ultraweitband-Funksendevorrichtung 301 mit optischer Rückumwandlung. Mehrere Lasersender 313 werden von elektronischen Signalen, die mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen, gesteuert, um optische Signale zu erzeugen, die mehreren spektralen Bestandteilen entsprechen. Die mehreren Lasersender 313 können Kantenstrahler und/oder VCSEL-Laser aufweisen. Bei einer Ausführungsform weisen die Sender 313 eine zusammenhängende Anordnung von Sendern auf, die zum Beispiel aus einer einzelnen Laserquelle erzeugt werden und unabhängig mit Elektroabsorptionsmodulatoren oder Lithium-Niobat-Modulatoren moduliert werden. Ein Beugungsgitter 314 rückumwandelt die optischen Signale in ein optisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren spektralen Bestandteile. Die Rückumwandlung der optischen Signale erfolgt durch das Übermitteln der optischen Signale durch das Beugungsgitter 314. Ein Photodetektor 315 wandelt das optische Verbundsignal, einschließlich der mehreren spektralen Bestandteile, in ein elektronisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, um und übermittelt das elektronische Verbundsignal an den Verarbeitungsblock 323. Wie vorstehend kann der Verarbeitungsblock 323 bekannte OFDM-Abläufe, wie zum Beispiel die GI-Hinzufügung, Symbol-Wellenformung und IQ-Modulation, durchführen. Ein Hochleistungsverstärker 322 ist mit einer Antenne 321 gekoppelt, um das elektronische Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, zur Übertragung über die Antenne 321 als ein Ultraweitband-Funksignal zu verstärken.

3b veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer Ultraweitband-Funksendevorrichtung 302 mit optischer Rückumwandlung. Ähnlich wie in 3a werden Lasersender 313 von elektronischen Signalen, die mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen, gesteuert, um optische Signale zu erzeugen. Ein Beugungsgitter 324 rückumwandelt die optischen Signale in ein optisches Verbundsignal. Die Rückumwandlung des optischen Signals erfolgt durch das Reflektieren der mehreren optischen Signale mit dem Beugungsgitter 324. Ein Photodetektor 315 wandelt das optische Verbundsignal in ein elektronisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, um und übermittelt das elektronische Verbundsignal an den Verarbeitungsblock 323, der an den Hochleistungsverstärker 322 überträgt, um das elektronische Verbundsignal zur Übermittlung durch die Antenne 321 als Ultraweitband-Funksignal zu verstärken.

Es lässt sich erkennen, dass durch die Verwendung optisch basierter Fourier-Transformationen und Fourier-Rücktransformationen die Anforderungen an die Geschwindigkeit und die Leistung der elektronischen Verarbeitungsbestandteile verringert werden können und dennoch eine sehr hohe UWB-Systemleistung gewährleistet werden kann.

4 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für OFDM mit optischen Umwandlungen in einem Ultraweitband-Empfänger. Verfahren 401 und andere hier offenbarte Verfahren werden durch Verarbeitungsblocks ausgeführt, die spezielle elektronische oder optische Hardware- oder Software- oder Firmware-Befehlscodes aufweisen können, die von Universalgeräten oder Spezialgeräten oder von einer Kombination beider Geräte ausgeführt werden können. Es lässt sich erkennen, dass das Verfahren 401 und andere Verfahren, die hier offenbart werden, zum Zwecke der Klarheit als Verarbeitungsblocks mit einer speziellen Folge veranschaulicht sind, einige Abläufe dieser Verarbeitungsblocks jedoch in geeigneter Weise auch parallel ausgeführt werden können oder ihre Folge in geeigneter Weise vertauscht werden kann, so dass einige Abläufe in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden, oder einige Abläufe in geeigneter Weise außerhalb der Reihenfolge ausgeführt werden können.

Im Verarbeitungsblock 411 wird ein Weitband-Funksignal, das mehrere Modulationsfrequenzen aufweist, wie zum Beispiel ein UWB-Signal, empfangen. Die Verarbeitung erfolgt im Verarbeitungsblock 412, in dem das Ultraweitband-Funksignal elektronisch verstärkt wird, zum Beispiel über einen geräuscharmen Verstärker 112, um einen Lasersender im Verarbeitungsblock 413 unmittelbar zu modulieren, um ein optisches Signal zu erzeugen, das mehrere spektrale Bestandteile aufweist. Im Verarbeitungsblock 414 erfolgt eine optische Fourier-Transformation des optischen Signals. Die weitere Verarbeitung erfolgt im Verarbeitungsblock 415, in dem die getrennten spektralen Bestandteile empfangen werden und durch entsprechende Photodetektoren in elektronische Signale, die Modulationsfrequenzkanälen entsprechen, umgewandelt werden.

Es lässt sich erkennen, dass die hier vorgelegten Beispiele zwar die Verwendung von optischen Fourier-Transformationen für OFDM veranschaulichen, zum Beispiel in einem UWB-Sender/-Empfänger (IEEE Std. 802.15.3a, zur Zeit nicht erhältlich) oder in einem System, dass IEEE Std. 802.11a verwendet (erhältlich unter standards.ieee.org/getieee802), es jedoch nicht erforderlich ist, dass eine spezielle OFDM-Norm verwendet wird, und daher können Verarbeitungsblocks, die die Verarbeitung gemäß OFDM ausführen können, als optional angesehen werden. Im Verarbeitungsblock 416 werden die elektronischen Signale verstärkt und die weitere Verarbeitung findet optional im Verarbeitungsblock 417 statt, in dem das OFDM-Demapping und -Entschachtelung erfolgt. Im Verarbeitungsblock 418 schließlich erfolgt die optionale Vorwärtsfehlerkorrektur(FEC)-Dekodierung.

5 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für OFDM mit optischen Fourier-Rücktransformationen in einem Ultraweitband-Sender. Im Verarbeitungsblock 511 erfolgt die optionale FEC-Faltungskodierung. Dann erfolgt die weitere Verarbeitung optional im Verarbeitungsblock 512, in dem die OFDM-Verschachtelung und -Mapping erfolgt. Die weitere Verarbeitung findet im Verarbeitungsblock 513 statt, in dem mehrere Lasersender direkt durch elektronische Signale, die mehreren Modulationsfrequenzen entsprechen, moduliert werden, um optische Signale zu erzeugen, die mehreren spektralen Bestandteilen entsprechen. Im Verarbeitungsblock 514 findet eine optische Fourier-Rücktransformation der optischen Signale statt, um ein optisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren spektralen Bestandteile, zu erzeugen. Im Verarbeitungsblock 515 empfängt und wandelt ein Photodetektor das optische Verbundsignal, einschließlich der mehreren spektralen Bestandteile, in ein elektronisches Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, um. Die Verarbeitung erfolgt optional in den Verarbeitungsblöcken 516–518, in denen die Hinzufügung des OFDM-Verarbeitungsschutzintervalls (GI), die Symbol-Wellenformung und die IQ(interphase/quadrature)-Modulation erfolgt. Die weitere Verarbeitung erfolgt im Verarbeitungsblock 519, in dem das elektronische Verbundsignal, einschließlich der mehreren Modulationsfrequenzen, zur Übertragung, zum Beispiel als UWB-Funksignal, verstärkt wird.

Die vorstehende Beschreibung soll bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Aus der vorstehenden Erörterung sollte auch ersichtlich sein, dass vor allem in einem derartigen Bereich der Technik mit schnellem Wachstum, in dem weitere Entwicklungen nicht leicht vorherzusehen sind, die Erfindung in ihrer Anordnung und ihren Einzelheiten von Fachleuten abgewandelt werden kann, ohne dass von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche abgewichen wird.