專利名稱：利用格雷互補(bǔ)序列調(diào)制的擴(kuò)頻數(shù)字通信的方法、發(fā)射器和接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及調(diào)制和解調(diào)，以及通過(guò)利用任何發(fā)射設(shè)備，特別是在需要或優(yōu)選地使用擴(kuò)頻技術(shù)的時(shí)候，能夠進(jìn)行發(fā)射和接收的發(fā)射器和接收器。
同樣，需要可靠的發(fā)射方法來(lái)用于在宇宙飛船和地球上的基地之間進(jìn)行稱為外層空間的通信，允許由于需要限制飛船的發(fā)射設(shè)備的發(fā)射強(qiáng)度，和由于在接收所述信號(hào)的時(shí)候的降低了的信噪比的大的處理增益通信。
在本發(fā)明的應(yīng)用中(見(jiàn)圖1)，編碼序列(Barker，PN，Walsh，等等)的長(zhǎng)度既決定了處理增益，又決定了使用的帶寬。一般來(lái)說(shuō)，如果我們要嘗試增加處理增益，發(fā)射速率就將降低，這就是為什么總是對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行折衷的原因。可以通過(guò)增加調(diào)制相位的數(shù)量來(lái)增加發(fā)射速率，然而，在接收期間，隨著信噪比的降低，對(duì)這種技術(shù)的限制也就增加了。
根據(jù)上面的說(shuō)明，可以得出如下結(jié)論需要一種擴(kuò)頻數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它一方面能夠增加發(fā)射速率，另一方面可以獲得更大的處理增益，從而可能降低所需的發(fā)射功率，或在接收期間改善信噪比，并同時(shí)降低現(xiàn)有調(diào)制表的復(fù)雜度。
沒(méi)有任何已知的專利和實(shí)用新型的特征與本發(fā)明的目的相同。
本發(fā)明中使用的序列的特征是與具有副瓣的Barker序列比較而言，Golay序列具有理想的自相關(guān)的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，它們對(duì)應(yīng)于完美的Kronecker增量，因此它們滿足 式中，CA和Cn是所選Golay互補(bǔ)序列對(duì)中的A和B序列的單獨(dú)的自相關(guān)，長(zhǎng)度為M；且其值屬于雙值集合(bi-value set)(1，-1)。
這些序列的生成(generation)基于迄今已知的稱為2，10和26比特的核基(kemel basics)(在M.J.E.Golay所寫(xiě)的，發(fā)表于IRE信息交換理論，1961年四月刊，卷IT-7，82-82頁(yè)的，名為“互補(bǔ)序列”的文章中，討論了Golay序列生成的規(guī)則)。
本發(fā)明的通信系統(tǒng)的目標(biāo)是，根據(jù)所用設(shè)備和可用帶寬以及可接受的差錯(cuò)率，能夠建立物理的端對(duì)端或端對(duì)多點(diǎn)的發(fā)射速率連接。
這由兩個(gè)裝備或設(shè)備組成一個(gè)是發(fā)射器，另一個(gè)是接收器。
發(fā)射器裝備用于執(zhí)行下述任務(wù)●接收數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)于每個(gè)(m)比特組的信號(hào)，(m)比特組是所選長(zhǎng)度(M)的Golay序數(shù)(η)、每碼元幅度(A)、用于調(diào)制的相位數(shù)(N)和滿足系統(tǒng)所需質(zhì)量的處理增益的函數(shù)。
●執(zhí)行對(duì)不同相位的相加，以生成N-PSK調(diào)制，并由此生成發(fā)射信號(hào)。
●例如通過(guò)RF級(jí)和天線，向發(fā)射器裝置發(fā)射復(fù)合信號(hào)。
接收器裝備用于執(zhí)行下述操作●解調(diào)N-PSK信息，并抽取每個(gè)不同相位的成分。
●將抽取出的成分與和與它們相應(yīng)的互補(bǔ)對(duì)或Golay碼進(jìn)行適配、濾波和相關(guān)。
●計(jì)算出相關(guān)性，并因而獲得數(shù)字電平的原始數(shù)據(jù)流。
●執(zhí)行電平解碼，以獲得原始數(shù)據(jù)。
這種方法的第一優(yōu)點(diǎn)是，能夠獲得將在后面看到的、與發(fā)射速率無(wú)關(guān)的、所希望的盡可能大的處理增益，而僅需通過(guò)增加所選Golay序列的長(zhǎng)度，由于這種原因，在接收時(shí)就不需要用高的發(fā)射功率來(lái)獲得高的信噪比。在這種情況下，處理增益(單位為分貝)如下式定義GP＝10log10(2M)dB(1.1)式中，M對(duì)應(yīng)于在調(diào)制中使用的Golay序列的長(zhǎng)度。在希望低發(fā)射功率(便攜終端、宇宙飛船和通信衛(wèi)星)、在長(zhǎng)距離(外層空間發(fā)射)上進(jìn)行通信的應(yīng)用中，和在敵人進(jìn)行干擾或需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加密，以保證通信的安全和質(zhì)量的軍事應(yīng)用中，這個(gè)特征是非常重要的。
此外，使用這種方法，還能夠通過(guò)使用η個(gè)不同的低互相關(guān)Golay序列，在信道上的相同波段中同時(shí)發(fā)射信息流，因此，這使得η個(gè)通信子網(wǎng)能在相同波段中工作，或使發(fā)射速率增大與η成比例的倍數(shù)。
同樣地，如果通過(guò)在對(duì)入口數(shù)據(jù)調(diào)幅之前執(zhí)行A放大，發(fā)射速率可能增加的更多。
因此，通過(guò)前面的描述可以得出，在使用這種方法的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，可以獲得的發(fā)射速率，或容量(C)為C＝η·log2A·(1/2)·log2N·(B/2)η比特/秒 (1.2)式中，B(赫茲)是使用的空對(duì)空的帶寬，N是在調(diào)制中使用的相位數(shù)(4的冪)，A是在二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼中使用的放大數(shù)，和η是所使用的Golay互補(bǔ)序列對(duì)的數(shù)量。在前面的表達(dá)式中，可以看到，C與M無(wú)關(guān)。
因此，所描述的發(fā)明制定了一種用于當(dāng)存在對(duì)發(fā)射功率的約束，或僅僅是希望在不降低發(fā)射功率的情況下改善通信質(zhì)量時(shí)用于擴(kuò)頻應(yīng)用(如DS-CDMA，敵對(duì)環(huán)境)強(qiáng)有力的通信系統(tǒng)。


圖1顯示了本發(fā)明擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本發(fā)射技術(shù)，具體地說(shuō)，是11比特Barker序列，其通過(guò)異或功能執(zhí)行對(duì)原始數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜擴(kuò)展。可以看到，比特頻率比用于Barker序列的低11倍，這就使得可以獲得10·log10(11)≈10.4dB的處理增益。
圖2顯示了發(fā)射方法的基本構(gòu)成圖，和使用N＝4的這種方法的發(fā)射器的可能的應(yīng)用。二進(jìn)制數(shù)據(jù)(1)以ηxm比特組進(jìn)入發(fā)射器。每i個(gè)m比特組在標(biāo)記(3)處乘以對(duì)應(yīng)于BMB i的Golay序列A和B(2)。每個(gè)乘法器的結(jié)果在移位寄存器(4)內(nèi)，在每個(gè)相位和每個(gè)元素中獨(dú)立地累加，并右移，以等待下一個(gè)信號(hào)。
對(duì)每個(gè)BMB的移位寄存器的輸出值進(jìn)行求和，通過(guò)將其結(jié)果與(例如)正弦和余弦碼元(6)進(jìn)行相位和正交調(diào)制。其結(jié)果發(fā)送到常規(guī)的發(fā)射級(jí)(7)。
圖3顯示了接收方法的基本構(gòu)成圖，具體地說(shuō)，是使用N＝4的這種方法的接收器的一個(gè)例子。通過(guò)4-PSK解調(diào)來(lái)減少相位，獲得一個(gè)同相信號(hào)和另一個(gè)正交信號(hào)(在1中)。對(duì)所獲得的模擬同相(I)和正交(Q)信號(hào)進(jìn)行量化，并引入所有的BDB中，再將兩者的結(jié)果與相應(yīng)的原始序列(2)進(jìn)行相關(guān)，兩個(gè)流的和為我們提供了與解調(diào)了的各個(gè)m個(gè)原始比特的子組數(shù)據(jù)相應(yīng)的幅度編碼信號(hào)。多路復(fù)用器模塊(4)管理對(duì)比特的解碼和安排過(guò)程，以復(fù)原原始的數(shù)據(jù)流。
圖4對(duì)應(yīng)于調(diào)制過(guò)程的可能的實(shí)施例。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只顯示了實(shí)施例的第1個(gè)相位。相位Q是完全相同的，但是用互補(bǔ)序列來(lái)調(diào)制。因此，只顯示了一個(gè)Golay寄存器(1)、一個(gè)累加器和移位寄存器(2)和一個(gè)乘法器(3)。
優(yōu)選實(shí)施例下面顯示了應(yīng)用于端對(duì)端的開(kāi)放空中無(wú)線通信系統(tǒng)的，使用這種方法的可能的實(shí)施例。為了清楚起見(jiàn)，在圖2中給出了QPSK發(fā)射器(N＝4)，其通過(guò)η個(gè)Golay序列執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)制，通過(guò)A幅度進(jìn)行調(diào)幅。因此，通過(guò)應(yīng)用公式(1.2)，發(fā)射速率為C＝η·log2A·(B/2)比特/秒 (1.3)根據(jù)上面的解釋，起點(diǎn)是一般通過(guò)我們用A幅度和4 Q PSK相位(4-PSK)進(jìn)行調(diào)幅的2xη個(gè)二進(jìn)制寄存器(值為1和-1)在發(fā)射器中生成和存儲(chǔ)M比特的一系列η對(duì)Golay序列。同樣在圖2中，詳細(xì)地顯示了組成發(fā)射器的一個(gè)基本調(diào)制器模塊(BMB)。
發(fā)射器執(zhí)行下述操作，其中R是碼元發(fā)射速率(1)編碼以ηxmxR比特/秒接收NRZ數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)編碼，并分成η個(gè)m＝log2A的比特組。每個(gè)BMB并行處理一個(gè)m比特組，因此，系統(tǒng)將每個(gè)碼元發(fā)射ηxm比特。每組中權(quán)重最高的位對(duì)應(yīng)于符號(hào)位，權(quán)重較低的m-1位對(duì)應(yīng)于模數(shù)(module)。
(2)Golay寄存器由兩個(gè)長(zhǎng)度為M的二進(jìn)制寄存器組成，其存儲(chǔ)值屬于集合(1，-1)的A和B互補(bǔ)序列對(duì)，它將調(diào)制由相應(yīng)的BMB處理的數(shù)據(jù)。
(3)乘法器包括兩個(gè)乘法器，具有帶有輸入碼元組集合中的相應(yīng)組的算術(shù)值的BMB的Golay序列A和B對(duì)的符號(hào)(最高權(quán)重位)。
(4)雙重累加器和移位寄存器執(zhí)行對(duì)乘法器的運(yùn)算結(jié)果與雙重移位寄存器(上路徑用A，內(nèi)路徑用B)的內(nèi)容的求和運(yùn)算，并且在每個(gè)碼元循環(huán)中進(jìn)行寄存器右移，更新寄存器，將最左端用相同的零值填充。移位寄存器由存儲(chǔ)信號(hào)值的基本元件構(gòu)成，因此，必須標(biāo)出(demension)在所述寄存器的每個(gè)元件中使用的位數(shù)(η)，以避免在累加操作中產(chǎn)生溢出。因此，對(duì)路徑A和B中的每一個(gè)來(lái)說(shuō)，移位寄存器中的元件數(shù)必須等于或大于M。
(5)加法器對(duì)對(duì)應(yīng)于每個(gè)BMB的每個(gè)移位寄存器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算，從而獲得之后進(jìn)行調(diào)制的全部IT和QT信號(hào)。
(6)QPSK調(diào)制器通過(guò)將加法器的退出信號(hào)(exit signal)與兩個(gè)正交信號(hào)(例如，相位為φ0(經(jīng)IT)的正弦信號(hào)和另一個(gè)正交φ0-Π/2(經(jīng)QT))相乘，并每個(gè)相位相加，來(lái)調(diào)制加法器的輸出信號(hào)，從而獲得QPSK的發(fā)射信號(hào)。
(7)輸出級(jí)包括D/A轉(zhuǎn)換級(jí)和常規(guī)射頻級(jí)，例如，向發(fā)射裝置發(fā)送信號(hào)。
圖3顯示了N＝4的接收器的例子的構(gòu)成圖，它由η個(gè)在同一圖中詳細(xì)顯示的基本解調(diào)模塊(BDB)構(gòu)成，接收器的結(jié)構(gòu)包括下述模塊(1)QPSK接收器放大RF輸入信號(hào)，并且如果需要，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻(IF)信號(hào)，獲得相位信息，并使其能夠解調(diào)和復(fù)原到對(duì)應(yīng)于相位φ0和φ0-Π/2的不同的同相I和正交相Q流。對(duì)I和Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并將它們的輸出傳到相關(guān)器模塊。這個(gè)模塊對(duì)于所有的BDB是通用的。
(2)Golay相關(guān)器使接收到的不同流能夠與和它們相應(yīng)的Golay序列進(jìn)行相關(guān)。通過(guò)將序列歸一化在+1到-1之間，簡(jiǎn)化相關(guān)性操作為執(zhí)行加法和減法運(yùn)算。
(3)加法器和減法器對(duì)相關(guān)進(jìn)行兩兩加法運(yùn)算，因此，其結(jié)果就是原始的調(diào)幅數(shù)據(jù)。它們被設(shè)限(thresholded)，并且被轉(zhuǎn)換成以每個(gè)模塊的輸出的碼元速率生成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
(4)解碼器對(duì)應(yīng)于以ηxmxR比特/秒的速率發(fā)射的有序數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)流中接收到的η個(gè)組進(jìn)行分組。
這兩種裝置共同組成了發(fā)射系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的方法，所述方法允許通過(guò)通信信道進(jìn)行發(fā)射信息，且利用N-PSK調(diào)制的Golay互補(bǔ)序列對(duì)調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)據(jù)和它的在幅度上的擴(kuò)展頻譜進(jìn)行編碼。
2.如權(quán)利要求1中的通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的所述方法，其允許通過(guò)通信信道進(jìn)行發(fā)射信息，所述方法包括生成η個(gè)低互相關(guān)的二進(jìn)制Golay序列，它對(duì)入口數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后編碼數(shù)據(jù)又被通過(guò)A幅度進(jìn)行幅度調(diào)制。
3.如權(quán)利要求2中的所述發(fā)射器，其特征為，用于擴(kuò)頻應(yīng)用的二進(jìn)制序列的生成器使用Golay互補(bǔ)序列和符號(hào)改變的相同序列來(lái)表示和發(fā)送每個(gè)碼元間隔的至少一比特信息。
4.如權(quán)利要求2中所述發(fā)射器，其特征為，用于擴(kuò)頻應(yīng)用的二進(jìn)制序列的生成器使用Golay互補(bǔ)序列，并且將它們加入發(fā)射碼元中的改變的或未變的符號(hào)和位置。
5.如權(quán)利要求2中所述發(fā)射器，其特征為，用于擴(kuò)頻應(yīng)用的二進(jìn)制序列的生成器能夠?qū)⒎日{(diào)制的Golay互補(bǔ)序列乘以A幅度值，其表示所述數(shù)字輸入，使得可能將幅度每個(gè)碼元間隔中的所述信息比特?cái)?shù)量乘以m＝log2A。
6.如權(quán)利要求2中所述發(fā)射器，其特征為，用于擴(kuò)頻應(yīng)用的二進(jìn)制序列的所述生成器有生成分貝值等于10log10(2M)dB的處理增益的能力，其中，M是所述所選Golay序列的長(zhǎng)度。
7.如權(quán)利要求2，3，4，5和6中的所述發(fā)射器，其特征在于使用雙累加器和移位寄存器，它們由對(duì)為了獲得不同的相位而生成的序列的模式進(jìn)行累加和移位的元件組成。
8.如權(quán)利要求2，3，4，5，6和7中的所述發(fā)射器，其特征在于使用加法器，所述加法器將在所述前面的階段中生成的所有所述元素全部或以任意組合的形式相加，并獲得將由所述N-PSK調(diào)制來(lái)調(diào)制的信號(hào)，并且它們由常規(guī)射頻級(jí)發(fā)送到所述發(fā)射介質(zhì)。
9.一種如權(quán)利要求3-8中的，使用Golay序列“MSG”或“GCM”即Golay代碼調(diào)制的所述調(diào)制方法，其特征為，使用權(quán)利要求3-8中描述的任意發(fā)射器組合來(lái)調(diào)制和發(fā)射以發(fā)射速率為C＝η·log2A·(1/2)·log2N·(B/2)比特/秒的數(shù)據(jù)流的信息，，其中η是所使用的Golay對(duì)的數(shù)目，A是所使用的、用于調(diào)制所述輸入數(shù)據(jù)的幅度的數(shù)目，N(4的冪數(shù))是在所述調(diào)制中使用的相位數(shù)目，R是在所述N-PSK調(diào)制中使用的空對(duì)空的帶寬。
10.一種用于通過(guò)Golay序列進(jìn)行調(diào)制的方法，其包括(a)對(duì)分成η個(gè)m＝log2A比特組的所述二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行A幅度的幅度調(diào)制，將其引入η個(gè)基本調(diào)制器模塊-BMB中；(b)在長(zhǎng)度為M的二進(jìn)制寄存器中存儲(chǔ)所述η對(duì)長(zhǎng)度為M的Golay互補(bǔ)序列，所述Golay互補(bǔ)序列的值范圍在1和-1之中；(c)產(chǎn)生帶符號(hào)的每個(gè)m比特組，m比特組的符號(hào)對(duì)應(yīng)于最高位，且其模數(shù)為余下的m-1比特，長(zhǎng)度為M的每一個(gè)Golay互補(bǔ)序列對(duì)應(yīng)于所述組，其將形成兩個(gè)長(zhǎng)度為m元素的I和Q相位；(d)將包含在長(zhǎng)度為M的雙移位寄存器中的第一個(gè)實(shí)際的M值按照一個(gè)元素一個(gè)元素與包含在前一級(jí)中的每一個(gè)階段的結(jié)果的相應(yīng)的M個(gè)元素進(jìn)行累加；(e)在基本元素中的所述寄存器，向所述寄存器的所述M元素的移位-輸出-在所述雙寄存器的第一序位的所述基本元素中加入所述零值；(f)為了獲得所述全部IT和QT相位，對(duì)在每個(gè)所述BMB的所述I和Q相位的輸出處單獨(dú)地獲得所述η值進(jìn)行的所述求和運(yùn)算；(g)通過(guò)正交碼元調(diào)制IT和QT相位，和對(duì)兩者進(jìn)行求和運(yùn)算以獲得所述發(fā)射信號(hào)；(h)用于向發(fā)射裝置發(fā)射所述獲得的信號(hào)的裝置。
11.如權(quán)利要求1，2，9和10中所述的，通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的方法，其特征為，所述接收器通過(guò)如權(quán)利要求9和10中描述的編碼的通信信道，并在N-PSK接收的所述基礎(chǔ)上，進(jìn)行相干或不相干接收所述信息比特，其抽取出所述相關(guān)的相位，并且所述接收器由適應(yīng)于Golay發(fā)射序列(相關(guān)器和卷積器)和它們的和的濾波器，和建立和分析用于檢測(cè)所述脈沖的所述極性和幅度的所述濾波器的輸出的裝置，以及將所述幅度解碼所述數(shù)據(jù)比特的裝置。
12.如權(quán)利要求2，9和10中的，通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的方法，其特征為，在N-PSK接收的基礎(chǔ)上的相干或不相干的解調(diào)，其抽取出所述特殊的相位，并且將對(duì)應(yīng)于每個(gè)相位的η個(gè)序列的進(jìn)行相關(guān)，累加它們，并通過(guò)幅度檢測(cè)方法獲得在原始點(diǎn)發(fā)射的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。
13.如權(quán)利要求12中的，通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的所述方法，具有下列特征要素(a)適應(yīng)和同步所述接收到的信號(hào)，并解調(diào)組成所述信號(hào)的所述正交相位的所述必需的裝置，和將所有這些插入到所述η個(gè)基本解調(diào)模塊-″BDB″中的過(guò)程；(b)通過(guò)相關(guān)、卷積或適應(yīng)所述η對(duì)所述不同復(fù)原相位的Golay互補(bǔ)序列的過(guò)濾器的所述過(guò)濾過(guò)程；(c)將對(duì)應(yīng)于Golay互補(bǔ)序列的所述相同對(duì)的每?jī)蓚€(gè)相關(guān)性的結(jié)果的求和η次，以獲得用A幅度調(diào)制的信息流；(d)用于解調(diào)e、所述η個(gè)用幅度調(diào)制的流，以獲得η個(gè)m＝log2A比特的組的裝置；(e)多路復(fù)用所述組以生成所述原始數(shù)據(jù)流的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)Golay互補(bǔ)序列調(diào)制進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)字通信的方法、發(fā)射器和接收器。在發(fā)射器(1)中，通過(guò)用Golay互補(bǔ)序列對(duì)來(lái)對(duì)所述信息位進(jìn)行編碼，從而擴(kuò)展發(fā)射系統(tǒng)的頻譜。在所述接收器(2)中接收所述頻譜，其中，所述頻譜通過(guò)適于所述序列的特征的濾波器，使得可能檢測(cè)對(duì)應(yīng)于原始發(fā)射信息的數(shù)字電平。如果有η個(gè)正交序列對(duì)，就用A幅度調(diào)制所述數(shù)據(jù)和N－PSK調(diào)制，這樣就可以獲得如下發(fā)射速率(c)C＝(1/2)·η·log
文檔編號(hào)H04B1/707GK1448014SQ01814138
公開(kāi)日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2001年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月16日
發(fā)明者維桑特·迪亞斯·富恩特 申請(qǐng)人:維桑特·迪亞斯·富恩特