專利名稱：用于使用基于符號(hào)的隨機(jī)化正交頻分多路復(fù)用(ofdm)傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)，且更明確地說(shuō)，本發(fā)明涉及多重載波通信系統(tǒng)，包括但不限于
正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在OFDM通信系統(tǒng)中，頻分多路復(fù)用(FDM)通信信號(hào)的頻率和調(diào)制經(jīng)布置為彼此 正交，以便消除每一頻率上的信號(hào)之間的干擾。在此系統(tǒng)中，與信道時(shí)間特征相比具有相 對(duì)較長(zhǎng)符號(hào)的低速率調(diào)制對(duì)多路徑傳播問(wèn)題較不敏感。因此，OFDM使用多重頻率在單獨(dú) 的窄頻率子帶上同時(shí)傳輸若干個(gè)低符號(hào)速率數(shù)據(jù)流，而非以單個(gè)頻率在一個(gè)寬頻帶上傳輸 單個(gè)高符號(hào)速率流。這些多個(gè)子帶具有以下優(yōu)點(diǎn)經(jīng)由給定子帶的信道傳播效應(yīng)通常比經(jīng) 由作為整體的整個(gè)信道的信道傳播效應(yīng)更恒定?？山?jīng)由個(gè)別子帶傳輸?shù)湫偷耐?正交 (I/Q)調(diào)制。而且，OFDM通常結(jié)合前向錯(cuò)誤校正方案來(lái)使用，這在此實(shí)例中有時(shí)被稱作 經(jīng)編碼的正交FDM或COFDM。
可將OFDM信號(hào)視為若干個(gè)正交副載波信號(hào)的總和，其中例如通過(guò)正交調(diào)幅(QAM) 或相移鍵控(PSK)來(lái)獨(dú)立地調(diào)制每一個(gè)別副載波上的基帶數(shù)據(jù)。此基帶信號(hào)還可調(diào)制主 RF載波。
OFDM通信系統(tǒng)具有高頻譜效率(每赫茲帶寬每秒大量位)、輕易減輕多路徑干擾且 易于對(duì)噪聲進(jìn)行濾波。然而，OFDM通信系統(tǒng)遭受信道中的時(shí)間變化，尤其是引起載波頻 率偏移的時(shí)間變化。因?yàn)镺FDM信號(hào)是大量副載波信號(hào)的總和，所以其可具有高峰均 (peak-to-average)振幅或功率比。還有必要最小化副載波信號(hào)之間的相互調(diào)制，所述相互 調(diào)制可形成帶內(nèi)自干擾且形成鄰近信道干擾。載波相位噪聲、多普勒(Doppler)頻移和 時(shí)鐘抖動(dòng)可對(duì)頻率上間隔很近的副載波形成載波間干擾(ICI)。通常在傳輸頻譜內(nèi)的經(jīng)指 派的頻率位置處傳輸所述副載波。在OFDM信號(hào)的傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間內(nèi)，平均的每副載波 功率是顯著的且可容易地被檢測(cè)和截獲，這對(duì)于要求低檢測(cè)概率(LPD)和低截獲概率 (LPI)特征的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不合需要的。用以接收OFDM信號(hào)的接收器要求最小的每副載 波信噪比(SNR)，以便以可接受的低位錯(cuò)誤率(BER)來(lái)解調(diào)并解碼信號(hào)。如果在傳輸頻譜內(nèi)存在其它有害能量，則SNR可能減小，從而導(dǎo)致BER增加。所述有害能量可為來(lái) 自其它來(lái)源的不期望的噪聲。在此情況下，噪聲被稱作"干擾(interference)"且所述來(lái) 源被稱作"干擾體(interferer)"。如果稱作干擾臺(tái)(jammer)的某第三方來(lái)源有意地傳輸 破壞傳輸?shù)挠泻δ芰浚瑒t所述有害能量被稱作干擾信號(hào)。由于用于獲得可接受的低BER 所需要的最小每副載波SNR的緣故，常規(guī)OFDM信號(hào)易受此類干擾體和干擾臺(tái)的影響。 此外，信道中的頻率選擇性衰減導(dǎo)致在OFDM信號(hào)的傳輸頻譜內(nèi)存在傳輸空值，這依據(jù) 所述空值的頻率位置而選擇性地減小了那些空值內(nèi)的某些副載波上的SNR，從而導(dǎo)致BER 不合需要地增加。

發(fā)明內(nèi)容
一種系統(tǒng)和裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。調(diào)制與映射電路基于固定或可變的OFDM符號(hào)速 率而對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行調(diào)制并將其映射成彼此正交的多個(gè)多重副載波頻率以形成正交頻分 多路復(fù)用(OFDM)通信信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器與所述調(diào)制與映射電路一起操作以基于 加密算法而向調(diào)制與映射電路產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，以用于以O(shè)FDM符號(hào)速率對(duì)每一副載波 進(jìn)行跳頻，以便降低任何截獲和檢測(cè)概率、減少每頻率功率(分貝/赫茲/秒)且降低任何 所需的傳輸功率，同時(shí)維持瞬時(shí)信噪比。
偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器可操作以基于加密算法而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，使得連續(xù)的OFDM符 號(hào)不會(huì)在同一頻率上傳輸副載波。所述偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器還可操作以基于加密算法而產(chǎn)生 偽隨機(jī)信號(hào)，使得保護(hù)間隔得以減小或消除?？焖俑盗⑷~逆變換(IFFT)電路應(yīng)用快速傅 立葉逆變換且將所述副載波調(diào)制為彼此正交。調(diào)制與映射電路還可包括基于加密算法而將 副載波映射到IFFT電路的副載波映射電路。調(diào)制與映射電路還可操作以插入信號(hào)以降低 峰均功率比(PAPR)。調(diào)制器可基于特定映射算法而將通信數(shù)據(jù)映射成經(jīng)調(diào)制符號(hào)。
在另一方面中，偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器可以操作方式連接到調(diào)制器以用于使用加密算法來(lái) 改變振幅和相位值。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，作為編碼器的前向錯(cuò)誤校正電路可添加FEC 碼。所述裝置可被包括作為傳輸器的一部分，且接收器可接收通信信號(hào)并包括解映射與解 調(diào)電路以用于處理通信信號(hào)以便獲得通信數(shù)據(jù)。此傳輸器可操作以調(diào)制主載波信號(hào)。偽隨 機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器還可操作以基于加密算法而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，使得OFDM符號(hào)不會(huì)在鄰近 頻率上傳輸副載波以獲得減少的載波間干擾(ICI)。本發(fā)明還陳述方法方面。


通過(guò)結(jié)合附圖考慮對(duì)本發(fā)明的以下詳細(xì)描述將容易明白本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
圖1A和圖IB為展示通過(guò)無(wú)線電傳輸信道連接的用于IEEE 802.11a OFDM調(diào)制解調(diào)器的相應(yīng)傳輸器和接收器電路的現(xiàn)有技術(shù)高級(jí)框圖。
圖2A到圖2C為表示a)單載波信號(hào)、b)頻分多路復(fù)用(FDM)信號(hào)和c)正交頻分多路復(fù)用(OFDM)信號(hào)的頻譜圖。
圖3A為展示常規(guī)OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖3B為展示例如圖3A所示的常規(guī)OFDM信號(hào)的實(shí)例的功率分布的頻譜圖。
圖3C為展示例如圖3A所示的典型OFDM頻譜的二維表示的圖。
圖3D為例如圖3A所示的常規(guī)OFDM信號(hào)的64-QAM群集的圖。
圖4a到圖4d為頻譜密度圖，其中每一圖展示一OFDM頻譜，其中一個(gè)圖展示52個(gè)
副載波開(kāi)啟(ON)，且將此圖與其中相應(yīng)26個(gè)副載波開(kāi)啟、13個(gè)副載波開(kāi)啟且6個(gè)副載
波開(kāi)啟從而產(chǎn)生減小的載波間干擾(ICI)的頻譜圖進(jìn)行比較。圖4e為根據(jù)頻譜密度函數(shù)
表示總傳輸功率的闡釋和方程式。
圖5為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的用于跳頻OFDM信號(hào)的基于符號(hào)的和頻率
隨機(jī)化的副載波的三維頻譜圖(功率對(duì)頻率對(duì)時(shí)間)且還展示經(jīng)重疊以進(jìn)行比較的常規(guī)單
載波信號(hào)的圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的可用于產(chǎn)生跳頻OFDM信號(hào)的傳輸器的高級(jí)框圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的可用于接收并處理所傳輸?shù)奶lOFDM信號(hào)的接收器的高級(jí)框圖。
圖8A和圖8B為展示跳頻OFDM信號(hào)的頻譜比較且展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的LPD改進(jìn)的圖。
圖9為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的跳頻OFDM信號(hào)與經(jīng)修改以減小其可檢測(cè)性的信號(hào)的噪聲頻譜比較的圖。
圖10為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在沃爾什(Walsh)變換之前的跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖11為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在沃爾什變換之后的跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖12為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的向跳頻OFDM信號(hào)的副載波添加沃爾什變換的功率對(duì)頻率圖，其中副載波是基于符號(hào)的且經(jīng)隨機(jī)化。
圖13為展示沃爾什逆變換之前的所接收跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。圖14為展示沃爾什逆變換之后的所接收跳頻OFDM信號(hào)的三維表示且還展示所接收信號(hào)群集的圖。
圖15A和圖15B為展示沃爾什變換之前和之后的跳頻OFDM信號(hào)的三維表示且出于說(shuō)明和比較的目的而展示位亍頻帶中部的單個(gè)載波的圖。
圖16為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在頻域解擴(kuò)展之后的具有干擾信號(hào)的所接收跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖17為展示在添加噪聲的沃爾什變換之前的跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖18為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在沃爾什逆變換之前的具有干擾體的所接收跳頻OFDM信號(hào)的三維表示的圖。
圖19為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的當(dāng)開(kāi)啟和關(guān)閉沃爾什變換時(shí)的具有干擾體的跳頻OFDM信號(hào)的頻譜比較的圖，其用圖形表示說(shuō)明頻譜。
圖20為展示沃爾什逆變換之前的具有干擾體的所接收跳頻OFDM信號(hào)的功率譜的圖。
圖21為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的具有干擾體的跳頻OFDM信號(hào)的頻域解擴(kuò)展的圖。
圖22為展示具有頻域解擴(kuò)展且具有干擾體的跳頻OFDM信號(hào)的三維表示且還展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的所接收信號(hào)群集的圖。
圖23為可根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例使用的通信系統(tǒng)的實(shí)例的框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將在下文中參看附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中展示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以多種不同形式體現(xiàn)且不應(yīng)理解為限于本文中所陳述的實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例以使得本發(fā)明將為詳盡且完整的，并且將向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的范圍。相同數(shù)字始終指代相同元件。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的系統(tǒng)、設(shè)備和方法使用基于符號(hào)的隨機(jī)化(SBR)、正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信信號(hào)來(lái)增強(qiáng)低截獲概率(LPI)和低檢測(cè)概率(LPD)。此信號(hào)還允許通過(guò)減少每秒每赫茲平均功率同時(shí)維持相同瞬時(shí)信噪比(SNR)來(lái)增加聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)頻譜屏蔽內(nèi)的傳輸功率。還可將例如沃爾什變換等頻域擴(kuò)展函數(shù)應(yīng)用于頻域中以增強(qiáng)性能。
正交頻分多路復(fù)用(OFDM)還稱作多載波調(diào)制(MCM)，因?yàn)樾盘?hào)使用以不同頻率傳輸?shù)亩嘀剌d波信號(hào)。通常在一個(gè)信道或載波上傳輸?shù)囊恍┪换蚍?hào)現(xiàn)在通過(guò)此系統(tǒng)在所述信道中在多重載波上傳輸。高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)以預(yù)定頻率將數(shù)據(jù)分布在多重載波(副載波)上。舉例來(lái)說(shuō)，如果最低頻率副載波使用基本頻率，則其它副載波可為所述基本頻率的整數(shù)倍。副載波之間的特定關(guān)系被視為是正交的，使得來(lái)自一個(gè)副載波的能量可出現(xiàn)在所有其它副載波的能量均等于零的頻率處。在同一頻率范圍內(nèi)可能存在頻率重疊。這導(dǎo)致每一副載波上的較低的符號(hào)速率，其具有較少的由于多路徑的負(fù)面效應(yīng)而造成的符號(hào)間干擾(ISI)。在許多OFDM通信系統(tǒng)中，將保護(hù)間隔(GI)或循環(huán)前綴(CP)置于OFDM符號(hào)之前或附加到OFDM符號(hào)以減輕ISI的效應(yīng)。
圖1A和圖1B為展示IEEE 802.11a OFDM調(diào)制解調(diào)器的基本電路組件的高級(jí)框圖，且在圖1A中展示傳輸器電路30并在圖IB中展示接收器電路32。傳輸器電路30 (出于清楚起見(jiàn)還稱作"傳輸器")傳輸如圖2C所示的OFDM信號(hào)。比較起來(lái)，圖2A展示單載波信號(hào)的頻譜，且圖2B對(duì)比圖2A的單載波信號(hào)而展示典型頻分多路復(fù)用(FDM)信號(hào)的頻譜。圖2C展示OFDM信號(hào)的頻譜。
圖2A到圖2C中的圖式展示OFDM基于頻分多路復(fù)用(FDM)系統(tǒng)，其中對(duì)每一頻率信道進(jìn)行調(diào)制。FDM系統(tǒng)的頻率和調(diào)制現(xiàn)在為彼此正交以消除信道之間的干擾。因?yàn)榕c信道時(shí)間特征相比具有相對(duì)較長(zhǎng)符號(hào)的低速率調(diào)制對(duì)多路徑較不敏感，所以O(shè)FDM通信系統(tǒng)允許在多重載波上同時(shí)傳輸若干個(gè)低速率符號(hào)流而非在單個(gè)載波上傳輸一個(gè)高速率符號(hào)流。因此，OFDM通信系統(tǒng)中的頻譜被劃分為多個(gè)低帶寬子帶。由于每一子帶覆蓋所述頻譜的相對(duì)較窄的區(qū)段，所以與整個(gè)被占用頻譜上的信道變化相比，給定子帶上的信道傳播效應(yīng)更加恒定或"平坦"?？墒褂萌魏晤愋偷耐嗯c正交(I/Q)調(diào)制來(lái)對(duì)任何副載波進(jìn)行調(diào)制，例如二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、正交相移鍵控(QPSK)或正交調(diào)幅(QAM)，或這些調(diào)制方案的眾多且不同的導(dǎo)出形式中的任一者?？上蛞粋€(gè)或一個(gè)以上子帶應(yīng)用不同的信號(hào)處理技術(shù)，例如信道編碼、功率分配、自適應(yīng)性調(diào)制編碼和類似方案。例如通過(guò)使用時(shí)間、編碼或頻率分離，多用戶分配也是有可能的。
在使用例如圖IA和圖IB中所示的傳輸器和接收器的OFDM通信系統(tǒng)中， 一個(gè)傳輸器將在數(shù)十或數(shù)千個(gè)不同正交頻率上傳輸信號(hào)，所述頻率相對(duì)于頻率之間的相對(duì)振幅與相位關(guān)系來(lái)說(shuō)是獨(dú)立的。每一副載波信號(hào)通常將具有僅用于單個(gè)窄帶信號(hào)的空間，因?yàn)樗鲂盘?hào)間隔很近且防止鄰近副載波上的信號(hào)相互干擾是至關(guān)重要的。在OFDM系統(tǒng)中，每一副載波上的符號(hào)經(jīng)構(gòu)造以使得來(lái)自其頻率分量的能量在每隔一個(gè)副載波的中心處為零，從而使得OFDM符號(hào)能夠具有比典型FDM中所可能達(dá)到的頻譜效率高的頻譜效率。
如圖IA和圖IB中所示的OFDM系統(tǒng)包括如前向錯(cuò)誤校正(FEC)技術(shù)的信道編碼，其使用前向錯(cuò)誤校正編碼器來(lái)創(chuàng)建經(jīng)編碼的正交FDM (COFDM)信號(hào)。還可采用信道狀態(tài)信息(CSI)技術(shù)，其包括連續(xù)波(CW)干擾體和/或選擇性信道系統(tǒng)。
OFDM信號(hào)通常為正交副載波中的每一者的總和。使用某一類型的調(diào)制(例如之前論述的正交調(diào)幅(QAM)或相移鍵控(PSK)方案)將基帶數(shù)據(jù)獨(dú)立地調(diào)制到正交副載波中的每一者上。因?yàn)槊恳桓陛d波的頻譜重疊，所以其可顯著寬于倘若不允許重疊的情形。因此，OFDM提供高頻譜效率。因?yàn)槊恳桓陛d波以低符號(hào)速率進(jìn)行操作，所以副載波中的每一符號(hào)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。(出于清楚起見(jiàn)，"符號(hào)速率"等于"符號(hào)持續(xù)時(shí)間"的倒數(shù))。通過(guò)使用前向錯(cuò)誤校正(FEC)均衡和調(diào)制，可存在增強(qiáng)的對(duì)以下各項(xiàng)的抵抗性a)鏈路分散；b)緩慢改變相位失真和衰減；C)頻率響應(yīng)空值；d)恒定干擾；以及e)突發(fā)噪聲。此外，保護(hù)間隔(GI)或循環(huán)前綴的使用在傳輸信道中提供增強(qiáng)的對(duì)多路徑的抵抗性。通常，在OFDM通信系統(tǒng)中，可通過(guò)在傳輸器內(nèi)使用快速傅立葉逆變換(IFFT)電路進(jìn)行離散傅立葉逆變換(IDFT)來(lái)采用副載波和略呈矩形的脈沖且其可操作。在接收器處，快速傅立葉變換(FFT)電路顛倒此操作。矩形脈沖形狀在副載波中產(chǎn)生Sin(x)/x頻譜。
副載波的間距可經(jīng)選擇以使得當(dāng)接收器與傳輸器同步時(shí)、所接收的副載波可引起零或可接受的低的載波間干擾(ICI)。通常，OFDM通信系統(tǒng)將可用帶寬分裂為許多窄帶子帶，從少到數(shù)十個(gè)到多達(dá)八千個(gè)至一萬(wàn)個(gè)。不同于圖2b中的使用典型FDM來(lái)提供多個(gè)信道的通信系統(tǒng)，OFDM中的每一子帶的副載波彼此正交且具有較近的間距和極少開(kāi)銷。在OFDM通信系統(tǒng)中，還存在極少的與任何可能發(fā)生在用戶之間的切換相關(guān)聯(lián)的開(kāi)銷，這如同在時(shí)分多路復(fù)用接入(TDMA)通信系統(tǒng)中一樣。通常，OFDM通信系統(tǒng)中的副載波的正交性允許每一載波在一符號(hào)周期中具有整數(shù)數(shù)目的循環(huán)。因而， 一副載波的頻譜在其鄰近副載波的中心頻率處具有空值。
通常，在OFDM通信系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)所需的頻譜是基于輸入數(shù)據(jù)和待與被分派有待傳輸數(shù)據(jù)的每一載波一起使用的所要調(diào)制方案而選擇的。載波的任何振幅與相位均是基于調(diào)制(例如，之前提及的BPSK、 QPSK或QAM)而計(jì)算的。使用IFFT電路來(lái)轉(zhuǎn)換任何所需頻譜以確保載波信號(hào)為正交的。
應(yīng)理解，F(xiàn)FT電路通過(guò)找出經(jīng)產(chǎn)生為正交正弦分量的總和的等效波形來(lái)將循環(huán)時(shí)域信號(hào)變換為等效頻譜。時(shí)域信號(hào)的頻譜通常由振幅與相位正弦分量來(lái)表示。IFFT電路執(zhí)行相反處理且將振幅與相位的頻譜變換為時(shí)域信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，IFFT電路可將一組復(fù)合數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為具有相同數(shù)目的點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)。每一復(fù)合輸入點(diǎn)將產(chǎn)生由與曾輸入到IFFT的相同數(shù)目的點(diǎn)來(lái)表示的整數(shù)數(shù)目的正弦波和余弦波循環(huán)。稱作同相分量的每一正弦波和稱作正交分量的余弦波將與由IFFT產(chǎn)生的所有其它分量正交。因此，可通過(guò)為每一頻率點(diǎn)說(shuō)明書(shū)第7/21頁(yè)
設(shè)定表示所要副載波頻率的振幅與相位且執(zhí)行IFFT來(lái)產(chǎn)生正交載波。
應(yīng)理解，經(jīng)常向OFDM符號(hào)添加保護(hù)間隔(GI)(還稱作循環(huán)前綴)。保護(hù)間隔減小了無(wú)線信道對(duì)符號(hào)間干擾(ISI)的效應(yīng)且含有冗余傳輸信息。參看作為非限制性實(shí)例的IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，如果載波間距為312.5 KHz且在3.2微秒內(nèi)執(zhí)行傅立葉變換，則可應(yīng)用0.8微秒的保護(hù)間隔以用于ISI抑制。保護(hù)"間隔"可為有效符號(hào)周期中的最后Tg秒，其被置于OFDM符號(hào)之前，從而使其成為循環(huán)前綴。保持"T"的對(duì)應(yīng)于有效符號(hào)的總長(zhǎng)度的部分較短，但仍長(zhǎng)于信道脈沖響應(yīng)。這有助于減小ISI和載波間干擾(ICI)且維持副載波正交性。在此實(shí)例中，時(shí)間波形在FFT的持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)接收器表現(xiàn)為周期性的。
為了減小ICI,OFDM符號(hào)可在保護(hù)時(shí)間內(nèi)以循環(huán)方式延伸以確保OFDM符號(hào)的延遲復(fù)本可在FFT間隔內(nèi)具有整數(shù)數(shù)目的循環(huán)，只要延遲小于保護(hù)時(shí)間即可。因而，具有小于保護(hù)時(shí)間的延遲的多路徑信號(hào)將不會(huì)產(chǎn)生ICI。
當(dāng)所傳輸信號(hào)的多個(gè)復(fù)本在不同時(shí)間到達(dá)接收器時(shí)造成多路徑干擾。應(yīng)理解，OFDM通信系統(tǒng)通過(guò)提供借助使用各種編碼算法在頻率和時(shí)間兩者中添加信號(hào)冗余的能力來(lái)減小多路徑干擾效應(yīng)。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用OFDM的IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)傳輸48個(gè)載波?？墒褂脗鬏斊魈幍亩种?(1/2)巻積編碼器且稍后使用維特比(Viterbi)解碼器來(lái)提供編碼增益。數(shù)據(jù)位可在多個(gè)符號(hào)和載波上交錯(cuò)。由于在頻率和時(shí)間空間上交錯(cuò)的緣故，丟失的數(shù)據(jù)常?？傻靡曰謴?fù)。
對(duì)于固定數(shù)目的載波、固定調(diào)制方案和固定取樣速率，增加數(shù)據(jù)速率需要增加符號(hào)速率。對(duì)于單載波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在接收器處需要復(fù)合均衡器和自適應(yīng)性濾波器以補(bǔ)償由信道造成的量值和時(shí)間失真。隨著符號(hào)時(shí)間減少，此類均衡器和濾波器所需的精確度和動(dòng)態(tài)范圍顯著增加。然而，在OFDM系統(tǒng)中，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)同時(shí)傳輸48個(gè)副載波時(shí)，符號(hào)速率有效地降低了48倍，從而顯著降低了對(duì)信道均衡器和濾波器的要求。OFDM系統(tǒng)的經(jīng)降低的符號(hào)速率實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)固的抵抗ISI的通信鏈路。
應(yīng)理解，OFDM接收器接收作為副載波的不同信號(hào)的總和。保護(hù)間隔的添加可通過(guò)確保在每一所接收符號(hào)時(shí)間期間不發(fā)生符號(hào)轉(zhuǎn)變來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)OFDM系統(tǒng)的性能。舉例來(lái)說(shuō)，如果OFDM副載波經(jīng)BPSK調(diào)制，則將在符號(hào)邊界處存在180度相位跳躍。通過(guò)選擇長(zhǎng)于第一多路徑信號(hào)與最后一個(gè)多路徑信號(hào)之間的最大預(yù)期時(shí)間差的保護(hù)間隔，此類相位轉(zhuǎn)變可僅在保護(hù)時(shí)間期間發(fā)生，這意味著在FFT間隔期間不存在相位轉(zhuǎn)變。如果在接收器的FFT間隔內(nèi)發(fā)生延遲路徑的相位轉(zhuǎn)變，則第一路徑的副載波與延遲路徑的相位調(diào)制波的總和將不再會(huì)產(chǎn)生一組正交副載波，從而導(dǎo)致某一級(jí)的干擾。
圖1A說(shuō)明用于上文所描述的IEEE 802.11a OFDM調(diào)制解調(diào)器的現(xiàn)有技術(shù)傳輸器30的高級(jí)框圖，且包括前向錯(cuò)誤校正(FEC)編碼器電路34,其接收表示待傳送的數(shù)據(jù)33的信號(hào)且如上文所述用前向錯(cuò)誤校正碼來(lái)對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行編碼。所述信號(hào)傳遞到交錯(cuò)與映射電路36，在所述交錯(cuò)與映射電路36中發(fā)生交錯(cuò)和頻率映射。IFFT電路38接收經(jīng)交錯(cuò)且經(jīng)頻率映射的信號(hào)且創(chuàng)建歸總于稱作符號(hào)的單個(gè)同相/正交時(shí)域序列中的多重時(shí)域載
波。保護(hù)間隔電路40添加保護(hù)間隔。符號(hào)波整形電路42 (例如，上升余弦濾波器)對(duì)符號(hào)波形進(jìn)行整形以限制其頻譜內(nèi)容。隨后，同相/正交(I/Q)調(diào)制器44對(duì)基帶I/Q信號(hào)進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生I/Q調(diào)制，且還接收來(lái)自本機(jī)振蕩器(LO)信號(hào)產(chǎn)生器46的LO信號(hào)。在混合器48處發(fā)生信號(hào)的向最終傳輸載波頻率的上變頻轉(zhuǎn)換，所述混合器48接收由LO信號(hào)產(chǎn)生器50產(chǎn)生的本機(jī)振蕩器信號(hào)。隨后，所述信號(hào)經(jīng)高功率放大器(HPA) 52放大，且OFDM信號(hào)在其載波上通過(guò)天線54傳輸?shù)絉F信道31中。例如在I/Q調(diào)制器44與混合器48之間和在混合器48與HPA 52之間以及在HPA 52的輸出處的各種頻率濾波級(jí)未在所述框圖中展示。
圖1B展示在示范性IEEE 802.1 la OFDM調(diào)制解調(diào)器中使用的現(xiàn)有技術(shù)接收器電路32的高級(jí)框圖。天線60在載波上從RF信道31接收OFDM信號(hào)。所述OFDM信號(hào)在低噪聲放大器(LNA) 62內(nèi)被放大。在混合器64內(nèi)發(fā)生信號(hào)下變頻轉(zhuǎn)換，所述混合器64還接收由LO信號(hào)產(chǎn)生器66產(chǎn)生的本機(jī)振蕩器信號(hào)。自動(dòng)增益控制(AGC)放大器68向經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換的信號(hào)提供自動(dòng)增益控制，以確保將適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平應(yīng)用到后續(xù)電路。AGC電路使用反饋技術(shù)且為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知。如所說(shuō)明，在I/Q檢測(cè)電路70內(nèi)發(fā)生同相和正交信號(hào)檢測(cè)，所述I/Q檢測(cè)電路70還接收從LO信號(hào)產(chǎn)生器72產(chǎn)生的本機(jī)振蕩器信號(hào)，所述LO信號(hào)產(chǎn)生器72還與自動(dòng)頻率控制(AFC)時(shí)鐘恢復(fù)電路74—起操作。AFC電路對(duì)本機(jī)振蕩器72頻率進(jìn)行調(diào)整以保持I/Q檢測(cè)器被適當(dāng)?shù)卣{(diào)諧。I/Q檢測(cè)電路70、 AFC時(shí)鐘恢復(fù)電路74和LO信號(hào)產(chǎn)生器72形成如所說(shuō)明且為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的反饋回路。在GI電路76內(nèi)移除保護(hù)間隔。在快速傅立葉變換(FFT)電路78內(nèi)對(duì)副載波應(yīng)用作為IFFT的相反形式的快速傅立葉變換(FFT)。在解映射與解交錯(cuò)電路80內(nèi)發(fā)生解映射和解交錯(cuò)。在FEC解碼器82內(nèi)發(fā)生前向錯(cuò)誤校正解碼，所述FEC解碼器82結(jié)束信號(hào)處理且將原始數(shù)據(jù)恢復(fù)為所接收的通信數(shù)據(jù)83。因此顯而易見(jiàn)，圖1B中所示的接收器電路32的功能以功能上與圖1A所示的傳輸器電路30相反的方式進(jìn)行操作。
如上文所論述，OFDM通信系統(tǒng)可如圖1A所示在進(jìn)行IFFT處理之前使用FEC技術(shù)和已知的交錯(cuò)與映射技術(shù)，且可如圖IB中所示在進(jìn)行FFT處理之后使用解映射與解交錯(cuò)技術(shù)，接著進(jìn)行FEC解碼。
這些交錯(cuò)、編碼(例如巻積碼，包括穿孔)和解交錯(cuò)與解碼以及相關(guān)技術(shù)通常是OFDM通信系統(tǒng)的整體部分。作為實(shí)例，可在編碼期間使用速率為1/2且&=7的巻積碼作為用于 前向錯(cuò)誤校正(FEC)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碼。出于理解本發(fā)明的目的，現(xiàn)在下文中給出對(duì)這些基 本系統(tǒng)組件的更詳細(xì)描述。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，巻積碼為錯(cuò)誤校正碼且通常具有三個(gè) 參數(shù)(n、 k、 m)，其中n等于輸出位的數(shù)目，k等于輸入位的數(shù)目且m等于存儲(chǔ)器寄存 器的數(shù)目。通過(guò)此定義，量k/n可稱作碼速率，且是對(duì)碼效率的測(cè)量。在非限制性實(shí)例中， k和n參數(shù)通常在1到8的范圍內(nèi)，m通常在2到10的范圍內(nèi)，且碼速率通常在1/8到 7/8的范圍內(nèi)。有時(shí)，通過(guò)參數(shù)(n,k，L)來(lái)指定巻積碼碼片，其中L等于碼的約束長(zhǎng)度。 因此，約束長(zhǎng)度可表示編碼器存儲(chǔ)器中的位數(shù)目，其將影響n個(gè)輸出位的產(chǎn)生。有時(shí)可依 據(jù)所使用的定義而切換所述字母。
對(duì)經(jīng)編碼數(shù)據(jù)的變換依據(jù)信息符號(hào)和碼的約束長(zhǎng)度而變。單個(gè)位的輸入碼可產(chǎn)生給出 不同碼速率的經(jīng)穿孔碼。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用速率為1/2的碼時(shí)，對(duì)編碼器的輸出位的子集 的傳輸可將速率為1/2的碼轉(zhuǎn)換為速率為2/3的碼。因此， 一個(gè)硬件電路或模塊可產(chǎn)生具 有不同速率的碼。還可使用經(jīng)穿孔碼，這允許依據(jù)例如下雨或其它信道削弱條件等信道條 件而通過(guò)軟件或硬件來(lái)動(dòng)態(tài)地改變速率。
用于巻積碼的編碼器通常使用線性反饋移位寄存器(LFSR)或査找表(LUT)來(lái)進(jìn) 行編碼，其通常包括一輸入位以及若干個(gè)先前輸入位(稱作編碼器的狀態(tài))，表值是編碼 器的輸出位。有可能將編碼器函數(shù)看作狀態(tài)圖、樹(shù)形圖或網(wǎng)格圖。
用于巻積碼的解碼系統(tǒng)可使用1)順序解碼；或2)最大可能性解碼，例如在一個(gè) 非限制性實(shí)例中為維特比解碼，這通常是較合乎需要的。順序解碼允許向前和向后移動(dòng)通 過(guò)網(wǎng)格。作為最大可能性解碼的維特比解碼檢査具有給定長(zhǎng)度的接收序列，計(jì)算每--路徑 的量度且基于所述量度而做出決策。渦輪碼是可使用的前向錯(cuò)誤校正方案的另一實(shí)例。
對(duì)巻積碼進(jìn)行穿孔在一些OFDM系統(tǒng)中是常見(jiàn)做法，且可根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí) 例來(lái)使用。應(yīng)理解，在一些實(shí)例中，經(jīng)穿孔的巻積碼是通過(guò)從低速率編碼器的輸出周期性 消除特定邏輯位或符號(hào)而獲得的較高速率碼。與原始碼相比，經(jīng)穿孔的巻積碼性能可能被 降級(jí)，但通常數(shù)據(jù)速率增加。
可用作本發(fā)明的非限制性實(shí)例的一些基本組件包括之前所描述的并入有巻積編碼器 的傳輸器，所述巻積編碼器對(duì)二進(jìn)制輸入向量序列進(jìn)行編碼以產(chǎn)生二進(jìn)制輸出向量序列且 可使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)界定。交錯(cuò)器(例如，塊交錯(cuò)器)可對(duì)輸出向量的位進(jìn)行置換。經(jīng)交錯(cuò) 的數(shù)據(jù)還將在傳輸器處經(jīng)調(diào)制(通過(guò)映射成傳輸符號(hào))并被傳輸。在接收器處，解調(diào)器對(duì) 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
塊解交錯(cuò)器恢復(fù)已交錯(cuò)的位。維特比解碼器可對(duì)經(jīng)解交錯(cuò)的位軟決策進(jìn)行解碼以產(chǎn)生二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)。
常常使用維特比前向錯(cuò)誤校正模塊或核心，其將如上文所述包括巻積編碼器和維特比 解碼器作為無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器或收發(fā)器的一部分。舉例來(lái)說(shuō)，如果巻積碼的約束長(zhǎng)度為7， 則編碼器和維特比解碼器可使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)穿孔算法來(lái)支持為1/2、 2/3、 3/4、 4/5、 5/6、 6/7、 7/8的可選碼速率。
不同設(shè)計(jì)和塊系統(tǒng)參數(shù)可包括約束長(zhǎng)度作為用以計(jì)算巻積碼的輸入位的數(shù)目和巻積 碼速率作為巻積編碼器的輸入位與輸出位的比率。穿孔速率可包括使用穿孔處理的巻積編 碼器的輸入位與輸出位的比率(例如，從速率為1/2的碼導(dǎo)出)。
維特比解碼器參數(shù)可包括巻積碼速率作為巻積編碼器的輸入位與輸出位的比率。穿孔 速率可為使用穿孔處理的巻積編碼器的輸入位與輸出位的比率且可從速率為1/2的母碼導(dǎo) 出。輸入位可為用于解碼器的處理位的數(shù)目。維特比輸入寬度可為到維特比解碼器的輸入 數(shù)據(jù)(即，軟決策)的寬度。量度寄存器長(zhǎng)度可為存儲(chǔ)量度的寄存器的寬度?；厮萆疃瓤?為維特比解碼器用以計(jì)算最可能經(jīng)解碼位值所需的路徑長(zhǎng)度。存儲(chǔ)用于解碼處理的路徑量 度信息的存儲(chǔ)器的大小可為存儲(chǔ)器大小。在一些實(shí)例中，維特比解碼器可包括位于去穿孔 與維特比功能塊或模塊之間的先進(jìn)/先出(FIFO)緩沖器。維特比輸出寬度可為到維特比 解碼器的輸入數(shù)據(jù)的寬度。
編碼器可如上文所提及包括穿孔塊電路或模塊。巻積編碼器通?？删哂袨?的約束長(zhǎng) 度且采用具有若干個(gè)(例如，6個(gè))元件的移位寄存器的形式?？舍槍?duì)每一時(shí)鐘循環(huán)輸入 一個(gè)位。因此，可通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生器碼的移位寄存器元件的組合來(lái)界定輸出位且可將所 述輸出位級(jí)聯(lián)以形成經(jīng)編碼輸出序列。在輸入處可能存在串聯(lián)或并聯(lián)的字節(jié)數(shù)據(jù)接口。輸 出寬度可依據(jù)應(yīng)用的經(jīng)穿孔碼速率而編程。
非限制性實(shí)例中的維特比解碼器可將輸入數(shù)據(jù)流劃分為數(shù)個(gè)塊，且估計(jì)最可能的數(shù)據(jù) 序列?？梢酝话l(fā)形式輸出每一經(jīng)解碼數(shù)據(jù)序列。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，輸入與計(jì)算可連 續(xù)進(jìn)行且對(duì)于每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)位需要四個(gè)時(shí)鐘循環(huán)。輸入FIFO可依據(jù)去穿孔輸入數(shù)據(jù)速率而 定。
還可使用渦輪碼作為高性能錯(cuò)誤校正碼或低密度奇偶校驗(yàn)碼，其接近作為有噪聲信道 上的最大信息傳送速率的理論極限的香農(nóng)(Shannon)極限。因此，在無(wú)需增加傳輸功率 的情況下便可增加一些可用帶寬。代替從信號(hào)產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)字，解碼器的前端可經(jīng)設(shè)計(jì)以 針對(duì)每一位產(chǎn)生可能性測(cè)量。
圖3A到圖3D為展示常規(guī)OFDM信號(hào)的不同表示的圖，所述OFDM信號(hào)例如由圖 1A所示的現(xiàn)有技術(shù)OFDM調(diào)制解調(diào)器傳輸器30產(chǎn)生。圖3A為展示所述OFDM信號(hào)的三維表示的圖，其中沿一個(gè)軸為頻率，沿另一軸為以 秒為單位的時(shí)間，且垂直軸上為"量值"或功率，從而形成指示量值對(duì)頻率對(duì)時(shí)間表示的 圖。從圖3A中顯而易見(jiàn)，可在頻域中檢測(cè)到OFDM信號(hào)。圖3B為展示圖3A中所示的 OFDM信號(hào)的頻譜圖或功率分布的圖。圖3C為表示圖3A中所示的三維OFDM信號(hào)的二 維OFDM頻譜的圖。圖3D展示圖3A中所示的OFDM信號(hào)的64-QAM群集。這些圖共 同描繪分布于多重副載波上的功率。圖4E為根據(jù)頻譜密度函數(shù)表示總傳輸功率的闡釋和 方程式。
圖4A到圖4D為展示對(duì)OFDM信號(hào)頻譜的表示的圖，其中開(kāi)啟和關(guān)閉不同的頻率副 載波。在左上方圖(圖4A)中，OFDM信號(hào)頻譜展示所有52個(gè)載波均開(kāi)啟，這指示在此 非限制性實(shí)例中，IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)使用52個(gè)載波。在右上方(圖4B)中，開(kāi)啟26個(gè) 副載波，這展示由于關(guān)閉了 26個(gè)載波(副載波)的緣故，傳輸功率比圖4a的52個(gè)載波 的情形增加了三分貝。應(yīng)理解，總傳輸功率等于功率譜密度函數(shù)的曲線下方的面積。左下 方圖和右下方圖(圖4C和圖4D)分別展示開(kāi)啟十三個(gè)副載波和開(kāi)啟六個(gè)副載波。在開(kāi)啟 13個(gè)載波的情況下，傳輸功率增加了6分貝(6dB)，且在開(kāi)啟6個(gè)副載波的情況下，傳 輸功率增加了9分貝(9dB)。因?yàn)樵?3個(gè)副載波的情形中峰值功率高出6dB，所以其中 信號(hào)將可用的距離(對(duì)于自由空間信道來(lái)說(shuō))將加倍。隨著峰值功率增加，可實(shí)現(xiàn)范圍的 進(jìn)一步增加。圖4d說(shuō)明由于副載波的寬間距而造成的降低的載波間干擾(ICI)。
應(yīng)理解，非預(yù)期接收方可能通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)副載波和導(dǎo)頻音調(diào)而容易地檢測(cè)并接收到 OFDM編碼傳輸。向波形添加具有隨機(jī)振幅和相位的多重正弦波或載波將由于中心極限定 理而致使其接近高斯(Gaussian)分布。內(nèi)在具有高斯隨機(jī)分布的信號(hào)具有增強(qiáng)的低截獲 概率(LPD和低檢測(cè)概率(LPD)，因?yàn)槠湎蚪邮掌鞒尸F(xiàn)為類似于加性白高斯噪聲(AWGN)。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，如在下文中詳細(xì)闡釋的經(jīng)修改的傳輸器使用IFFT來(lái)創(chuàng) 建位于特定頻率處的多重副載波。在任一時(shí)間僅需使用可能載波的較小子集來(lái)增強(qiáng)功率、 降低ICI且增強(qiáng)LPI和LPD?？筛鶕?jù)加密算法在OFDM符號(hào)時(shí)間改變副載波中心頻率。 根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，此算法可產(chǎn)生偽隨機(jī)跳頻序列和跳頻副載波。因此，快速跳 頻可改變用于每一OFDM符號(hào)的副載波頻率，且提供比藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)快一千(1,000)倍的跳 頻以及十倍的數(shù)據(jù)速率。額外益處可包括由于保護(hù)間隔而降低了 ICI、降低了 ISI且降低 了傳輸器開(kāi)銷。根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的系統(tǒng)、設(shè)備和方法允許對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行 基于符號(hào)的隨機(jī)化。
可應(yīng)用沃爾什變換以在頻域上擴(kuò)展副載波，這與常規(guī)CDMA系統(tǒng)在時(shí)域上進(jìn)行擴(kuò)展 形成對(duì)比。在任何IFFT電路之前應(yīng)用沃爾什變換可降低平均功率以獲得增強(qiáng)的LPI/LPD。
13可容易地改變通信系統(tǒng)的各種方面以獲得經(jīng)改進(jìn)的性能。通過(guò)與IFFT大小和擴(kuò)展序列長(zhǎng) 度相比較少的副載波，可通過(guò)頻域擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)較多的處理增益。此外，可增強(qiáng)LPI/LPD 和抗擾(AJ)性能，且可存在較高的每副載波SNR。
增加取樣速率還增加了帶寬、數(shù)據(jù)速率且改進(jìn)LPI/LPD/AJ性能。
圖5為表示基于符號(hào)的經(jīng)頻率隨機(jī)化的副載波的三維頻譜圖且以對(duì)數(shù)標(biāo)度展示與量 值對(duì)頻率對(duì)時(shí)間表示501的比較的圖。常規(guī)的單頻率載波信號(hào)502經(jīng)重疊以進(jìn)行比較且被 說(shuō)明為朝向帶的較低頻率端的單個(gè)載波。此單載波信號(hào)類似于干擾臺(tái)或干擾體來(lái)起作用。 通過(guò)增加的頻率載波間距來(lái)展示降低的載波間干擾(ICI)。通過(guò)增加的每頻率符號(hào)間距來(lái) 展示降低的符號(hào)間干擾(ISI)。這確保了連續(xù)的OFDM符號(hào)副載波不會(huì)使用相同頻率且避 免了來(lái)自多路徑延遲擴(kuò)展的負(fù)面效應(yīng)。還說(shuō)明與單個(gè)載波相同的瞬時(shí)信噪比(SNR)。
現(xiàn)參看圖6和圖7，其說(shuō)明可根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例來(lái)使用的傳輸器100 (圖6) 和接收器200 (圖7)的相應(yīng)功能框圖。所說(shuō)明的傳輸器100在IFFT電路之前對(duì)OFDM 副載波應(yīng)用跳頻算法且應(yīng)用頻域擴(kuò)展器(例如，沃爾什變換)。
所說(shuō)明的傳輸器100和接收器200的許多高級(jí)組件在功能上類似于圖1A和圖1B的 現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制解調(diào)器中所示的組件，但圖6和圖7中展示了進(jìn)一步細(xì)節(jié)和添加到傳輸器和 接收器框圖的功能塊組件。出于參考的目的，對(duì)傳輸器的描述以100系列的參考數(shù)字開(kāi)始， 且對(duì)接收器的描述以200系列的參考數(shù)字開(kāi)始。
所添加的有助于產(chǎn)生可根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例經(jīng)沃爾什變換的跳頻OFDM信號(hào) 的功能組件包括偽隨機(jī)振幅與相位產(chǎn)生器102和偽隨機(jī)副載波位置電路104。產(chǎn)生器102 和電路104兩者與加密算法106和密碼與密鑰產(chǎn)生器電路(密碼密鑰)108以及主時(shí)鐘110 一起操作。這些組件可大體上稱作加密偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器。如所說(shuō)明，頻域擴(kuò)展器電路 112位于IFFT電路之前且可操作以用于例如通過(guò)應(yīng)用沃爾什變換來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率擴(kuò)展。 而且，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器可接收來(lái)自帶寬調(diào)整DAC取樣速率電路114的信號(hào)以用于移除頻 譜線。下文中進(jìn)一步詳細(xì)闡釋這些組件。
如圖6所說(shuō)明，信號(hào)接收于數(shù)據(jù)緩沖器120內(nèi)且穿過(guò)CRC產(chǎn)生器121和數(shù)據(jù)擾碼器 122。在124處以虛線展示的FEC編碼器電路可包括前向錯(cuò)誤校正編碼器126 (例如，巻 積編碼器)和穿孔器電路128。經(jīng)編碼信號(hào)在交錯(cuò)器電路130內(nèi)被交錯(cuò)。信號(hào)進(jìn)入在132 處大體上以虛線展示的調(diào)制與符號(hào)映射電路中。此調(diào)制與符號(hào)映射電路132包括 QAM/PSK調(diào)制器134和插入導(dǎo)頻載波與PAPR減小載波電路136，所述電路136將導(dǎo)頻 載波與PAPR減小載波插入到信號(hào)中。此實(shí)例中的PAPR對(duì)應(yīng)于峰均功率比。在副載波映 射器電路138中在矩陣運(yùn)算中將載波映射到IFFT。
14加密算法106不僅與密碼密鑰電路108和主時(shí)鐘IIO—起操作，而且還與偽隨機(jī)振幅 與相位產(chǎn)生器102 —起操作，所述產(chǎn)生器102根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例向QAM/PSK調(diào) 制器134產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)。偽隨機(jī)副載波位置電路104還與副載波映射器電路138 —起操 作且接收來(lái)自加密算法106的信號(hào)。OFDM副載波借助于所述電路而快速跳頻。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，頻域擴(kuò)展器電路112位于IFFT電路140之前且在頻域 中應(yīng)用沃爾什變換。如果頻域擴(kuò)展器電路112位于IFFT電路140之后，則沃爾什或其它 函數(shù)將強(qiáng)制進(jìn)行時(shí)域擴(kuò)展。應(yīng)理解，通?？蓪㈩l域擴(kuò)展器電路112和IFFT電路140連同 調(diào)制與映射電路132—起視為OFDM調(diào)制電路或OFDM調(diào)制與映射電路。根據(jù)本發(fā)明的 非限制性實(shí)例，在頻域中發(fā)生由應(yīng)用沃爾什變換而產(chǎn)生的擴(kuò)展?？稍谘h(huán)延伸電路142內(nèi) 添加作為保護(hù)間隔的循環(huán)延伸。例如有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器、余弦濾波器或上升余 弦濾波器等符號(hào)整形濾波器144可作為"時(shí)窗"來(lái)操作以用于結(jié)合循環(huán)延伸進(jìn)行符號(hào)整形。 包緩沖器146接收信號(hào)，且在緩沖之后，在數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器148中將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信 號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換器148還從帶寬調(diào)整DAC取樣速率電路114接收信號(hào)以進(jìn)行移除頻譜線的 進(jìn)一步處理。D/A轉(zhuǎn)換器148將信號(hào)傳遞到無(wú)線電集成電路(IC)寬帶緩慢跳頻電路150。 如所說(shuō)明，RF載波可經(jīng)受偽隨機(jī)跳頻算法以獲得增強(qiáng)的帶寬，且還作為上變頻轉(zhuǎn)換器來(lái) 操作。
上變頻轉(zhuǎn)換器電路150的基本組件可包括傳輸鏈電路152，其將信號(hào)接收到混合器154 中。信號(hào)穿過(guò)帶通濾波器156、 一系列放大器158且通過(guò)單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)160。在 切換之后，低通濾波器162對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。射頻信號(hào)經(jīng)功率放大器164放大以用于隨后 通過(guò)天線166進(jìn)行傳輸。電路150中的其它組件包括鎖相回路電路170、作為非限制性實(shí) 例的40 MHz信號(hào)產(chǎn)生器172、低通濾波器174、放大器176、合成器170、另一放大器180、 帶通濾波器182、加法器電路184和連接到混合器154的另一放大器186。上變頻轉(zhuǎn)換器 電路150的組件部分可用以影響低速率跳頻方案，其中整個(gè)OFDM基帶波形被頻率變換 為不同中心頻率。此緩慢跳頻可進(jìn)一步防備干擾且提供額外的加密水平(如果緩慢跳頻序 列如此設(shè)計(jì)的話)。
所描述的傳輸器100是非限制性實(shí)例且可使用許多其它類型的傳輸器。應(yīng)理解，隨著 DSP和其它電路功能的進(jìn)步，處理有可能直接在基帶處發(fā)生。
還應(yīng)理解，副載波映射器電路138將載波映射到IFFT電路140。舉例來(lái)說(shuō)，如果IFFT 電路140具有在頻域中具有64樣本信號(hào)的輸入，則其將在時(shí)域中給出64樣本信號(hào)作為矩 陣運(yùn)算。副載波映射器電路138可改變向量的次序以將符號(hào)定位于任意副載波上且對(duì)其它 副載波應(yīng)用零。舉例來(lái)說(shuō)，64樣本向量中的一些樣本將為零，這意味著如果其關(guān)閉，則其將不會(huì)在頻域中展現(xiàn)。任何開(kāi)啟或非零者將隨每個(gè)IFFT循環(huán)(每符號(hào)一次)改變位置 以產(chǎn)生跳頻OFDM信號(hào)。用于OFDM信號(hào)的跳頻的性質(zhì)由加密算法106和偽隨機(jī)副載波 位置電路104以及偽隨機(jī)振幅與相位產(chǎn)生器102產(chǎn)生。QAM/PSK調(diào)制器134有助于產(chǎn)生 群集振幅與相位。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及向非預(yù)期接收器掩飾數(shù)據(jù)已被加密。為了掩飾加密，傳輸器產(chǎn) 生三個(gè)未知。舉例來(lái)說(shuō)，存在a)對(duì)所傳輸振幅與相位的未知；b)對(duì)偽隨機(jī)振幅與相位 的未知；以及c)對(duì)信道振幅與相位的未知。因?yàn)榇嬖谌齻€(gè)未知，所以不可能獲知哪個(gè)信 號(hào)是基于密碼密鑰和主時(shí)鐘用加密算法來(lái)傳輸?shù)摹?br> 頻域擴(kuò)展器電路112作為矩陣運(yùn)算來(lái)操作。舉例來(lái)說(shuō)，如果采用64 IFFT電路140， 則可使用64x64沃爾什矩陣(作為非限制性實(shí)例)來(lái)對(duì)副載波進(jìn)行頻率擴(kuò)展且提供處理增 益?？蓪⑤斎胂蛄砍艘晕譅柺簿仃?。應(yīng)理解，沃爾什矩陣為正方形矩陣，其具有可為"二" 的冪的尺寸。條目為正一或負(fù)一 (+ 1、 -1)。沃爾什矩陣可從哈達(dá)瑪(Hadamard)矩陣獲 得，所述哈達(dá)瑪矩陣以具有相同尺寸的遞歸公式通過(guò)布置行以使得符號(hào)改變的數(shù)目呈遞增 次序(即，順序排序)來(lái)界定。沃爾什矩陣中的每一行對(duì)應(yīng)于一沃爾什函數(shù)。沃爾什矩陣 中的行排序可從通過(guò)應(yīng)用位顛倒置換和格雷碼置換對(duì)哈達(dá)瑪矩陣進(jìn)行排序而導(dǎo)出。沃爾什 函數(shù)形成可整合到單位間隔上的正方形的正交基礎(chǔ)。因此，其可產(chǎn)生適合在加密時(shí)使用的 統(tǒng)計(jì)上唯一的數(shù)字集合，還稱作"偽隨機(jī)和噪聲碼"?？蓪⒊朔ㄓ行У貙?shí)施為一系列加法 和減法。
帶寬調(diào)整DAC取樣速率電路114與D/A轉(zhuǎn)換器148—起操作且可調(diào)整取樣速率并移 除頻譜線。因而，更難以通過(guò)頻譜圖來(lái)檢測(cè)波形。應(yīng)理解，所描述的傳輸器ioo操作以形 成具有沃爾什變換的跳頻OFDM信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，如果以每符號(hào)64個(gè)樣本來(lái)使用IFFT， 則每一副載波的頻率位置可每64個(gè)樣本改變一次。作為實(shí)例，如果每四微秒計(jì)算一次 IFFT，則可每四微秒發(fā)生所有64個(gè)載波上的跳頻以賦予快速跳躍速率。因?yàn)檫@可逐個(gè)符 號(hào)地完成，所以所描述的跳頻OFDM通信系統(tǒng)還可稱作基于符號(hào)的隨機(jī)化OFDM，這是 由于副載波頻率位置隨機(jī)改變。另一接收器將不能夠在沒(méi)有加密算法和相關(guān)電路以及完全 同步的情況下確定副載波位置。
圖7展示可根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例而使用的接收器200的高級(jí)功能框圖。向例如 加密算法電路、密碼密鑰電路、主時(shí)鐘、偽隨機(jī)振幅與相位產(chǎn)生器、偽隨機(jī)副載波位置電 路和帶寬調(diào)整ADC取樣速率電路等在圖6的框圖中使用的相似組件給予與在圖6中使用 時(shí)相似的參考數(shù)字，不同之處只是所述組件現(xiàn)置于200系列中。此接收器電路200還包括 基于符號(hào)的副載波同步電路216的添加。其還使用頻域解擴(kuò)展器電路212而非如在圖6的傳輸器100中的頻域擴(kuò)展器電路112。
針對(duì)此接收器電路200而說(shuō)明的其它高級(jí)組件包括天線220、低噪聲放大器(LNA) 222和無(wú)線電集成電路下變頻轉(zhuǎn)換器224，其中如果跳頻載波信號(hào)已由圖6的傳輸器100 中所示的無(wú)線電IC寬帶緩慢跳頻電路150針對(duì)寬帶進(jìn)行了處理，則所述無(wú)線電集成電路 下變頻轉(zhuǎn)換器224可以相反方式對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行處理。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器226接收來(lái)自下 變頻轉(zhuǎn)換器224的IF或基帶信號(hào)和來(lái)自帶寬調(diào)整ADC取樣速率電路214的信號(hào)，且顛倒 在傳輸器100處所使用的處理。信號(hào)被轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)緩沖器228和基于符號(hào)的副載波同步電 路216 ，所述電路216使副載波同步以用于進(jìn) 一 步處理。保護(hù)間隔電路2 3 0移除保護(hù)間隔， 且在FFT電路232中以作為OFDM解調(diào)器的快速傅立葉變換來(lái)處理信號(hào)。在沃爾什逆變 換電路212中應(yīng)用沃爾什逆變換。在234處以虛線展示副載波解映射器與解調(diào)電路且在副 載波解映射器電路236中對(duì)副載波執(zhí)行反向映射操作，在導(dǎo)頻移除電路238中移除導(dǎo)頻音 調(diào)且在符號(hào)到數(shù)字(QAM/PSK)解調(diào)器電路240中對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。解交錯(cuò)器電路242 對(duì)信號(hào)進(jìn)行解交錯(cuò)。解碼電路在244處以虛線展示，且操作以在去穿孔電路246中進(jìn)行去 穿孔并在例如維特比解碼器等FEC解碼器248內(nèi)進(jìn)行例如維特比解碼等前向錯(cuò)誤校正 (FEC)解碼。在數(shù)據(jù)解擾碼器250處發(fā)生數(shù)據(jù)解擾碼，隨后在數(shù)據(jù)緩沖器252中進(jìn)行數(shù) 據(jù)緩沖，且由CRC電路254處理以進(jìn)行CRC校驗(yàn)。
圖6和圖7中所示的傳輸器100和接收器200可產(chǎn)生和接收作為快速載波跳頻信號(hào)的 信號(hào)。此跳躍可遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于常規(guī)藍(lán)牙系統(tǒng)，常規(guī)藍(lán)牙系統(tǒng)使用具有l(wèi) MHz帶寬的單個(gè)載波 在80 MHz射頻帶寬上以1600次跳躍/秒進(jìn)行跳頻。還應(yīng)理解，舉例來(lái)說(shuō)，如圖4的圖表 中所示，信噪比(S/N)的改變可基于副載波的數(shù)目，且可用作在自適應(yīng)性無(wú)線通信系統(tǒng) 中相對(duì)于所述數(shù)據(jù)速率來(lái)改變瞬時(shí)副載波信噪比的范圍的方法。
舉例來(lái)說(shuō)，接收器200可例如通過(guò)使用信道估計(jì)符號(hào)、前同步碼或特殊信道估計(jì)包來(lái) 測(cè)量所接收的每副載波的信噪比。信息可作為"信道屏蔽(channel mask)"被傳回到傳輸 器，從而指定待"關(guān)閉"的副載波的數(shù)目和作為信道削弱的干擾體的可能頻率位置，使得 傳輸器100可使用經(jīng)協(xié)商的信道屏蔽來(lái)避免在任何不合需要的頻率上進(jìn)行傳輸。在一個(gè)實(shí) 例中，在100 MHz帶寬上同時(shí)開(kāi)啟十個(gè)載波，且每一載波被傳輸持續(xù)640毫微秒(對(duì)應(yīng) 于1/FFT速率)，使得每一載波可每秒跳躍1,562,500次。這比藍(lán)牙協(xié)議跳躍快約一千倍且 可提供十倍以上的數(shù)據(jù)速率。
傳輸器IOO可創(chuàng)建位于特定頻率處的多重副載波，且可如之前所闡釋通過(guò)應(yīng)用跳頻算 法而針對(duì)每一副載波頻率產(chǎn)生偽隨機(jī)跳頻。IFFT電路140創(chuàng)建位于特定頻率處的多重副 載波。根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，在任一時(shí)間僅需要使用所有可能副載波中的一小子集，
17但在必要時(shí)可使用所有副載波。舉例來(lái)說(shuō)，如在上文所論述的實(shí)例中，在此非限制性實(shí)例 中可僅使用10個(gè)副載波而非64個(gè)副載波，從而在所述實(shí)例中給出每秒1,562,500次跳躍。
可通過(guò)使用用于偽隨機(jī)頻率的加密算法以O(shè)FDM符號(hào)速率改變副載波中心頻率。這 在調(diào)制與映射電路132處發(fā)生，在所述調(diào)制與映射電路132中將載波映射到IFFT。由于 跳頻算法的緣故，副載波的中心頻率可表現(xiàn)為隨機(jī)的。如上文所提及，符號(hào)時(shí)間持續(xù)時(shí)間 可能非常短，且因此，每一副載波將在任何特定頻率處出現(xiàn)持續(xù)較短時(shí)間。
可通過(guò)確保連續(xù)符號(hào)不會(huì)含有位于同一頻率位置的副載波來(lái)減少或消除保護(hù)時(shí)間。舉 例來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，如果兩個(gè)符號(hào)緊挨著位于同一頻率上，則多路徑信號(hào)可在不 同時(shí)間到達(dá)同一位置。通過(guò)使用圖6和圖7中所示的系統(tǒng)和電路，這些信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)在同 一頻率上且所述信號(hào)通常將不會(huì)受多路徑的影響，因此防止了符號(hào)間干擾(ISI)且大致 上減少了所需保護(hù)時(shí)間，減少了傳輸開(kāi)銷并增加了數(shù)據(jù)速率。
有可能使用圖6和圖7中所示的傳輸器100和接收器200來(lái)消除或大致上減少保護(hù)時(shí) 間，例如"保護(hù)間隔"。而且，應(yīng)理解，可通過(guò)如下操作來(lái)添加額外保護(hù)修改所述跳頻 算法以使得不會(huì)針對(duì)連續(xù)符號(hào)在一行中將任何頻率使用兩次，且進(jìn)而防止了由于多路徑信 道效應(yīng)而產(chǎn)生的符號(hào)間干擾(ISI)。如上文所提及，這消除或大致上減小了所需保護(hù)間隔、 減少了傳輸開(kāi)銷且增加了數(shù)據(jù)速率。
還有可能依據(jù)所需數(shù)據(jù)速率而動(dòng)態(tài)地添加和移除副載波。由于跳頻信號(hào)的緣故，最小 載波間距可增加以減小載波間干擾(ICI)且提供對(duì)干擾的穩(wěn)固性(即，抗擾(AJ)能力)。 只要不在頻域中彼此緊接地傳輸載波，便將減小載波間干擾。
還有可能使載波頻率偽隨機(jī)地跳躍且覆蓋寬帶寬。這可通過(guò)圖6所示且作為上變頻轉(zhuǎn) 換器電路來(lái)操作的無(wú)線電IC寬帶緩慢跳頻電路150來(lái)完成。
可將"空載時(shí)間"偽隨機(jī)產(chǎn)生器引入到系統(tǒng)中以減少"開(kāi)啟"時(shí)間，且可增加符號(hào)之 間的輸出間距。可使用偽隨機(jī)產(chǎn)生器來(lái)改變間距以防止頻譜線且減小信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng) 計(jì)?？稍跊](méi)有輸出樣本控制的情況下實(shí)施此類型的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可在傳輸之前等待一隨 機(jī)時(shí)間量。通過(guò)移除頻譜線，其它系統(tǒng)更難以檢測(cè)到所傳輸?shù)耐ㄐ?。術(shù)語(yǔ)"循環(huán)平穩(wěn)"可 指作為信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。輸出樣本控制可指D/A轉(zhuǎn)換器148處的控制。
還可使用與如圖6所示的調(diào)制器134—起操作的產(chǎn)生器102來(lái)偽隨機(jī)改變副載波群集 振幅與相位值。舉例來(lái)說(shuō)，可使用加密算法來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)振幅與相位值?？稍趥鬏斨皩?偽隨機(jī)振幅與相位值添加到所預(yù)期的振幅與相位值中。通過(guò)將偽隨機(jī)振幅與相位值添加到 每一副載波，符號(hào)群集不再是標(biāo)準(zhǔn)QAM/PSK。如果傳輸器信號(hào)被非預(yù)期接收器檢測(cè)到， 則所述接收器將不能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行解調(diào)，因?yàn)榇嬖谶^(guò)多未知。舉例來(lái)說(shuō)，所傳輸或預(yù)期的振幅與相位連同添加到信號(hào)的偽隨機(jī)振幅與相位將為未知，且另一未知是多路徑的信道振 幅與相位。這產(chǎn)生三個(gè)未知。偽隨機(jī)振幅與相位值將對(duì)未經(jīng)授權(quán)或非預(yù)期的接收器表現(xiàn)為 典型的隨機(jī)信道效應(yīng)。
應(yīng)理解，這些算法可添加到軟件定義無(wú)線電(SDR)且可用一些改變而加以實(shí)施以改 變數(shù)據(jù)速率和調(diào)制?？赏ㄟ^(guò)改變副載波調(diào)制方案、取樣速率、IFFT大小、IFFT持續(xù)時(shí)間 和每OFDM符號(hào)所使用的副載波的數(shù)目來(lái)改進(jìn)數(shù)據(jù)速率、帶寬、傳輸功率和LPI/LPD性 能。
如圖6中所示，可在頻域中應(yīng)用沃爾什變換以用于頻率擴(kuò)展，因?yàn)槠涫窃贗FFT電路 140之前使用頻域擴(kuò)展器電路112來(lái)應(yīng)用的。已知通常在例如CDMA等通信系統(tǒng)中使用 沃爾什變換以用于時(shí)域擴(kuò)展且用于創(chuàng)建正交碼以用于多址方案?？稍诒景l(fā)明的系統(tǒng)、設(shè)備 和方法中使用沃爾什變換以在頻域上擴(kuò)展副載波。這可提供顯著的平均功率降低(毫瓦分 貝/赫茲/秒)以獲得增強(qiáng)的LPI/LPD性能，從而允許在同一FCC頻譜屏蔽內(nèi)具有更多傳輸 功率且通過(guò)提供頻域處理增益來(lái)減小頻率選擇性衰減的效應(yīng)。其還提供額外的抗擾(AJ) 穩(wěn)固性。而且，由于沃爾什變換所造成的急劇"滾降"的緣故，可類似于開(kāi)時(shí)窗來(lái)減少帶 外噪聲(OBN)發(fā)射。作為矩陣的沃爾什變換僅由正一和負(fù)一 (+ 1、 -1)組成，且僅要求 進(jìn)行加法和減法而無(wú)需乘法。這將允許針對(duì)同一 FCC頻譜屏蔽的載波數(shù)目對(duì)數(shù)據(jù)速率對(duì) 傳輸功率與距離進(jìn)行折衷。在沃爾什變換中，矩陣行可彼此交換。所述變換在接收器200 處仍將為正交的?？蓤?zhí)行這些行置換以進(jìn)一步增加LPI。
應(yīng)理解，由于多路徑的緣故，OFDM容易遭受頻率選擇性衰減。沃爾什變換可向系統(tǒng) 提供處理增益且提供抵抗頻率選擇性衰減的穩(wěn)固性。
所描述的系統(tǒng)、設(shè)備和方法通過(guò)例如以O(shè)FDM符號(hào)速率改變副載波頻率位置來(lái)提供 非?？焖俚奶l。因此，其可提供隨時(shí)間而降低的頻譜密度(分貝/赫茲/秒)以便提供低 截獲概率(LPI)和低檢測(cè)概率(LPD)。所描述的系統(tǒng)比藍(lán)牙系統(tǒng)快得多，且使得有可能 在FCC頻譜屏蔽內(nèi)以更大的距離進(jìn)行傳輸。其還通過(guò)確保副載波對(duì)于連續(xù)OFDM符號(hào)不 會(huì)出現(xiàn)在同一頻率上來(lái)消除或大致上減小保護(hù)間隔。系統(tǒng)還提供抵抗由于多路徑引起的符 號(hào)間干擾(ISI)的穩(wěn)固性。可在頻域中應(yīng)用沃爾什變換以在頻譜上擴(kuò)展跳頻副載波且降 低功率譜密度(分貝/赫茲)以改進(jìn)LPI/LDP性能或有助于服從FCC頻譜屏蔽要求。其還 可提供抵抗頻率選擇性衰減的處理增益且提供抵抗干擾的穩(wěn)固性。
現(xiàn)參看圖8A和圖8B，其展示常規(guī)單載波波形與基于符號(hào)的隨機(jī)化跳頻副載波之間的 頻譜比較。如上方圖中所示，頻率位于水平軸上，且以分貝為單位的相對(duì)功率位于垂直軸 上。在基帶處展示頻譜，且連同優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)的30分貝LPD改進(jìn)一起說(shuō)明平均強(qiáng)度。現(xiàn)可在同一 FCC頻譜屏蔽內(nèi)傳輸更多功率。無(wú)線電臺(tái)或其它傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸器有可能 根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例對(duì)其OFDM信號(hào)進(jìn)行跳頻且減小平均功率。
圖9的圖展示例如緊鄰傳輸器處的噪聲頻譜比較。將單個(gè)載波與跳頻OFDM副載波 進(jìn)行比較。
圖10為以三維形式展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在沃爾什變換之前的所傳輸跳 頻OFDM信號(hào)的圖。其說(shuō)明跳頻OFDM信號(hào)。
圖11為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的在沃爾什變換之后的所傳輸跳頻OFDM信 號(hào)的三維圖，其中功率降低得更多。每一副載波具有應(yīng)用于頻域中的沃爾什變換。副載波 在頻率上"敷開(kāi)"或擴(kuò)展，以便以大于沃爾什變換之前的程度來(lái)減小每赫茲功率。
圖12為展示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的將沃爾什變換添加到基于符號(hào)的隨機(jī)化副 載波的圖。其展示了關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)的沃爾什變換，還展示了各種功率差異。
圖13為以三維形式展示在沃爾什逆變換之前的所接收跳頻OFDM信號(hào)且暗示在不知 道加密算法的情況下可解碼信號(hào)的困難程度的圖。
圖14A為展示來(lái)自圖13的所接收信號(hào)在應(yīng)用沃爾什逆變換之后的三維圖，其中信號(hào) "彈出"且可被解碼。在右下方于圖14B處展示沃爾什逆變換之后的所接收信號(hào)群集。
圖15A和圖15B展示沃爾什變換之前和沃爾什變換之后的跳頻OFDM信號(hào)，其中單 載波系統(tǒng)展示于帶中部的1501處。如圖15B的圖中所示，在沃爾什變換之后，單個(gè)載波 不應(yīng)用沃爾什變換，但經(jīng)受根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例的跳頻的另一 OFDM信號(hào)在頻率 上擴(kuò)展。
圖16為展示具有干擾體的頻域解擴(kuò)展的三維圖，其中所述干擾體在沃爾什逆變換之 后在頻率上擴(kuò)展。因此，存在具有干擾體的頻域解擴(kuò)展。
圖17展示在添加噪聲之前的相似模擬中在沃爾什變換之前的所傳輸OFDM信號(hào)。此
圖展示在應(yīng)用頻域擴(kuò)展和經(jīng)由有噪聲的信道傳輸之前的所傳輸信號(hào)。
圖18展示針對(duì)真實(shí)噪聲環(huán)境的在沃爾什逆變換之前具有干擾體且展示延伸的干擾體
信號(hào)的所接收OFDM信號(hào)。跳頻和擴(kuò)展OFDM信號(hào)展示于噪聲底層(noise floor)上方。 圖19為展示在沃爾什變換開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)具有干擾體的頻譜比較且展示干擾體和跳頻
OFDM信號(hào)以及經(jīng)沃爾什變換的信號(hào)的位置的圖。
圖20為沃爾什逆變換之前具有干擾體的所接收跳頻和擴(kuò)展OFDM信號(hào)的功率譜。 圖21為展示具有干擾體的頻域解擴(kuò)展的二維圖，其中所述干擾體在沃爾什逆變換之
后在頻率上擴(kuò)展。
圖22為展示頻域解擴(kuò)展(其中干擾體在沃爾什逆變換之后在頻率上擴(kuò)展)且展示所接收信號(hào)群集的圖。
現(xiàn)相對(duì)于圖23陳述可經(jīng)修改以與本發(fā)明一起使用的通信系統(tǒng)的實(shí)例。 可與所述系統(tǒng)和方法一起使用的無(wú)線電的實(shí)例為由佛羅里達(dá)州墨爾本的哈里斯公司 (Harris Corporation of Melbourne, Florida)制造并出售的獵鷹TM (Falcon ) III無(wú)線電。
獵鷹TM III可包括基本傳輸開(kāi)關(guān)以及所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它功能開(kāi)關(guān)和控制器。 應(yīng)理解，可使用不同無(wú)線電，包括但不限于軟件定義的無(wú)線電，其通?？捎孟鄬?duì)標(biāo)準(zhǔn)的處
理器和硬件組件來(lái)實(shí)施。 一個(gè)特定種類的軟件無(wú)線電為聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電(JTR)，其包括 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電和處理硬件，連同任何適當(dāng)?shù)牟ㄐ诬浖K以實(shí)施所要通信波形。JTR 無(wú)線電還使用符合軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)規(guī)范(見(jiàn)www.itrs.saalt.mil)的操作系統(tǒng)軟件， 所述規(guī)范的全文以引用的方式并入本文中。SCA為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)框架，其指定了硬件組件 和軟件組件將如何交互操作以使得不同制造商和開(kāi)發(fā)者可易于將相應(yīng)組件集成到單個(gè)裝 置中。
聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)(JTRS)軟件組件結(jié)構(gòu)(SCA)常常基于公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系 結(jié)構(gòu)(CORBA)而定義一組接口和協(xié)議，以用于實(shí)施軟件定義的無(wú)線電(SDR)。部分地， JTRS和其SCA與軟件可再編程無(wú)線電系列一起使用。如此，SCA為用于實(shí)施軟件可再編 程數(shù)字無(wú)線電的一組特定規(guī)則、方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
JTRS SCA規(guī)范由JTRS聯(lián)合計(jì)劃辦公室(JPO)公布。JTRS SCA已經(jīng)結(jié)構(gòu)化以提供 應(yīng)用軟件在不同JTRS SCA實(shí)施方案之間的可移植性、利用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以降低開(kāi)發(fā)成本、通 過(guò)再用設(shè)計(jì)模塊的能力來(lái)減少對(duì)新波形的開(kāi)發(fā)時(shí)間且基于不斷演進(jìn)的商業(yè)框架和結(jié)構(gòu)。
JTRS SCA不是系統(tǒng)規(guī)范(因?yàn)槠湟庥麨椴灰蕾囉趯?shí)施方案的)，而是對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加 以約束以實(shí)現(xiàn)所要的JTRS目標(biāo)的一組規(guī)則。JTRS SCA的軟件框架界定操作環(huán)境(OE) 且根據(jù)所述環(huán)境指定應(yīng)用所使用的服務(wù)和接口。 SCAOE包含核心框架(CF)、 CORBA中 間件和具有相關(guān)聯(lián)的板支持包(board s叩port package)的基于便攜式操作系統(tǒng)接口 (POSIX)的操作系統(tǒng)(OS)。 JTRS SCA還提供積木式結(jié)構(gòu)(在API附錄中定義)以用 于界定應(yīng)用軟件組件之間的應(yīng)用編程接口 (API)。
JTRS SCA核心框架(CF)是結(jié)構(gòu)概念，其定義在嵌入式分布計(jì)算通信系統(tǒng)中提供軟 件應(yīng)用組件的部署、管理、互連和相互通信的開(kāi)放式軟件接口和簡(jiǎn)檔的基本"核心"組。 可在JTRS SCA規(guī)范中定義若干接口。然而，開(kāi)發(fā)者可實(shí)施其中的一些， 一些可由非核心 應(yīng)用(即，波形等)來(lái)實(shí)施，且一些可由硬件裝置提供者來(lái)實(shí)施。
僅出于描述的目的，相對(duì)于圖23所示的非限制性實(shí)例來(lái)描述對(duì)將得益于本發(fā)明的通 信系統(tǒng)的實(shí)例的簡(jiǎn)要描述。通信系統(tǒng)350的此高級(jí)框圖包括基站區(qū)段352和可經(jīng)修改以與本發(fā)明一起使用的無(wú)線消息終端。基站區(qū)段352包括VHF無(wú)線電360和HF無(wú)線電362， 所述兩者經(jīng)由無(wú)線鏈路向VHF網(wǎng)364或HF網(wǎng)366通信并傳輸語(yǔ)音或數(shù)據(jù)，VHF網(wǎng)364 和HF網(wǎng)366每一者包括若干個(gè)相應(yīng)VHF無(wú)線電368和HF無(wú)線電370以及連接到無(wú)線電 368、 370的個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站372。 Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)373與所說(shuō)明的各種組件交互操作。 因此，應(yīng)理解，HF或VHF網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)且作為ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)操作的HF和VHF 網(wǎng)區(qū)段。雖然未說(shuō)明UHF無(wú)線電和網(wǎng)區(qū)段，但可包括這些。
HF無(wú)線電可包括解調(diào)器電路362a和適當(dāng)?shù)膸喎e編碼器電路362b、塊交錯(cuò)器362c、 數(shù)據(jù)隨機(jī)化器電路362d、數(shù)據(jù)與成幀電路362e、調(diào)制電路362f、匹配濾波器電路362g、 具有適當(dāng)箝位裝置的塊或符號(hào)均衡器電路362h、解交錯(cuò)器與解碼器電路362i、調(diào)制解調(diào) 器362j以及功率自適應(yīng)電路362k，其作為非限制性實(shí)例。聲碼器(語(yǔ)音編碼器/解碼器) 電路3621可并入有編碼和解碼功能以及轉(zhuǎn)換單元，所述轉(zhuǎn)換單元可為所描述的各種電路 的組合或單獨(dú)電路。傳輸密鑰開(kāi)關(guān)362m如上文所闡釋進(jìn)行操作。這些和其它電路操作以 執(zhí)行本發(fā)明所必需的任何功能以及所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所建議的其它功能。本文中所參考 的電路可包括軟件和/或硬件元件的任何組合，包括但不限于通用微處理器和相關(guān)聯(lián)軟件、 用于數(shù)字信號(hào)處理的專用微處理器和其相關(guān)聯(lián)軟件、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程 門陣列(FPGA)、邏輯電路或所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它種類的裝置和/或軟件或固 件。其它所說(shuō)明的無(wú)線電(包括所有VHF移動(dòng)無(wú)線電以及傳輸和接收站)可具有類似的 功能電路。
基站區(qū)段352包括到公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN) 380的陸線連接，所述公共交換電 話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)380連接到PABX 382。例如衛(wèi)星地面站的衛(wèi)星接口 384連接到PABX 382， 所述PABX 382連接到形成無(wú)線網(wǎng)關(guān)386a、 386b的處理器。所述無(wú)線網(wǎng)關(guān)386a、 386b分 別互連到VHF無(wú)線電360或HF無(wú)線電362。處理器通過(guò)局域網(wǎng)連接到PABX 382和電子 郵件客戶端390。無(wú)線電包括適當(dāng)?shù)男盘?hào)產(chǎn)生器和調(diào)制器。使用本發(fā)明的技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳 輸?shù)陌蚍前瘮?shù)字語(yǔ)音信息可來(lái)源于或遞送到連接至所述無(wú)線電中的一者的手持機(jī)、 附接到例如RF-6010戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)集線器等無(wú)線網(wǎng)關(guān)裝置的電話或其它接口裝置或者連接到 PABX或位于公共交換電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的訂戶電話。
以太網(wǎng)/TCP-IP局域網(wǎng)可作為"無(wú)線電"郵件服務(wù)器而進(jìn)行操作?？墒褂米鳛榈诙?協(xié)議/波形的STANAG-5066 (其揭示內(nèi)容的全文以引用的方式并入本文中)且當(dāng)然優(yōu)選地 與第三代互操作性標(biāo)準(zhǔn)STANAG-4538 (其揭示內(nèi)容的全文以引用的方式并入本文中)一 起經(jīng)由無(wú)線電鏈路和局域空中網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電子郵件消息?；ゲ僮餍詷?biāo)準(zhǔn)FED-STD-1052 (其 揭示內(nèi)容的全文以引用的方式并入本文中)可與傳統(tǒng)無(wú)線裝置一起使用?？稍诒景l(fā)明中使
22用的裝備的實(shí)例包括不同的無(wú)線網(wǎng)關(guān)和由佛羅里達(dá)州墨爾本的哈里斯公司(Harris Corporation of Melbourne, Florida)制造的無(wú)線電。此裝備包括RF5800、 5022、 7210、 5710、 6010、 5285和PRC 117與138系列裝備和裝置，其作為非限制性實(shí)例。
這些系統(tǒng)可與RF-5710A高頻(HF)調(diào)制解調(diào)器一起操作且可與稱作STANAG 4539 的NATO標(biāo)準(zhǔn)(其揭示內(nèi)容的全文以引用的方式并入本文中) 一起操作，所述NATO標(biāo) 準(zhǔn)保證遠(yuǎn)程HF無(wú)線電電路以高達(dá)9,600 bps的速率來(lái)進(jìn)行傳輸。除了調(diào)制解調(diào)器技術(shù)之 外，那些系統(tǒng)還可使用無(wú)線郵件產(chǎn)品，所述無(wú)線郵件產(chǎn)品使用一套針對(duì)應(yīng)力戰(zhàn)術(shù)信道而設(shè) 計(jì)并完成的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，例如STANAG 4538或STANAG 5066，其揭示內(nèi)容的全文以引 用的方式并入本文中。還有可能與設(shè)定為ISB模式的無(wú)線電和設(shè)定為固定數(shù)據(jù)速率的HF 調(diào)制解調(diào)器一起使用高達(dá)19,200 bps或更高的固定非自適應(yīng)性數(shù)據(jù)速率。有可能使用碼組 合技術(shù)和ARQ。
權(quán)利要求
1.一種用于傳送數(shù)據(jù)的裝置，其包含調(diào)制與映射電路，其基于固定或可變的OFDM符號(hào)速率而對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行調(diào)制并將其映射成彼此正交的多個(gè)多重副載波頻率以形成正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信信號(hào)；以及偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器，其與所述調(diào)制與映射電路一起操作以基于加密算法而向所述調(diào)制與映射電路產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，以用于以O(shè)FDM符號(hào)速率對(duì)每一副載波進(jìn)行跳頻，以便降低任何截獲和檢測(cè)概率、減少每頻率功率(分貝/赫茲/秒)且降低任何所需傳輸功率，同時(shí)維持瞬時(shí)信噪比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器操作以基于所述加密算法 而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，使得連續(xù)的OFDM符號(hào)不會(huì)在同一頻率上傳輸副載波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器操作以基于所述加密算法 而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，使得保護(hù)間隔得以減小或消除。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，且進(jìn)一步包含快速傅立葉逆變換(IFFT)電路，所述 IFFT電路應(yīng)用快速傅立葉逆變換以用于調(diào)制彼此正交的副載波。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述調(diào)制與映射電路進(jìn)一步包含副載波映射電路， 所述副載波映射電路基于所述加密算法而將副載波映射到所述IFFT電路。
6. —種用于傳送數(shù)據(jù)的方法，其包含基于固定或可變的OFDM符號(hào)速率而將通信數(shù)據(jù)分布在彼此正交的多重副載波頻 率上以形成正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信信號(hào)；以O(shè)FDM符號(hào)速率對(duì)每一副載波進(jìn)行跳頻以降低任何截獲和檢測(cè)概率、減少每頻 率功率(分貝/赫茲/秒)且降低任何所需傳輸功率，同時(shí)維持瞬時(shí)信噪比；以及經(jīng)由包括所述跳頻副載波的通信信號(hào)而傳輸所述通信數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包含基于所述加密算法而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)， 使得連續(xù)的OFDM符號(hào)不會(huì)在同一頻率上傳輸副載波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包含基于所述加密算法而產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)， 使得保護(hù)間隔得以減小或消除。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包含插入信號(hào)以用于減小峰均功率比(PAPR)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包含調(diào)制在上面?zhèn)鬏斔龆嘀馗陛d波頻率的 主載波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和裝置。調(diào)制與映射電路基于固定或可變的OFDM符號(hào)速率而對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行調(diào)制并將其映射成彼此正交的多個(gè)多重副載波頻率以形成正交頻分多路復(fù)用(OFDM)通信信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器與所述調(diào)制與映射電路一起操作以基于加密算法而向所述調(diào)制與映射電路產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)，以用于以O(shè)FDM符號(hào)速率對(duì)每一副載波進(jìn)行跳頻，以便降低任何截獲和檢測(cè)概率、減少每頻率功率(分貝/赫茲/秒)且降低任何所需傳輸功率，同時(shí)維持瞬時(shí)信噪比。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101518008SQ200780035338
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2007年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者克里斯托佛·D·莫法特 申請(qǐng)人:賀利實(shí)公司