專利名稱：數(shù)字信號的發(fā)送方法及相應的發(fā)送機和接收機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域為數(shù)字信號的發(fā)送。更確切地說，本發(fā)明涉及數(shù)字信號的發(fā)送方法，其中要發(fā)送到接收機的每個信號組的發(fā)送在于向該接收機發(fā)送一個或多個給定的頻率，這些給定的特性包含在該信號組中。
本發(fā)明還涉及這些信號的發(fā)送機和接收機以及在具有強烈散射信道中發(fā)送非相干調(diào)制信號的特殊應用。
在一個應用M-FSK(M-Ary移頻鍵控)模式的調(diào)制的發(fā)送系統(tǒng)中，發(fā)送的數(shù)字數(shù)據(jù)(位)被分組，每個組包括n個位，而M=2n。這些組的發(fā)送在于為每個組指定在M中選取的給定頻率并該頻率發(fā)送給接收機。例如，對于M=8，每個組包括3個位并且每個被發(fā)送的碼組對應M個頻率的集合中的一個且僅一個頻率。因此人們定義了這些組與頻率之間的一個單值關系。發(fā)送在一個符號周期間Ts，也稱為時間符號內(nèi)，被實現(xiàn)。
圖1示出一個BFSK信號(n=1)的頻譜。振幅為A且頻率為f。被發(fā)送的這些信號的中心頻率記為f0和f1。每個信道在為每一頻率的發(fā)送而實現(xiàn)的時間平臺上具有一定的帶寬。差值f1-f0等于1/Ts，也就是說頻率f0和f1為正交的(缺乏關聯(lián))。這確保這些信道不會重疊并且這些信道之間不存在干擾(串擾)。一般地說，這種正交在M-FSK型調(diào)制的M個頻率之間同樣得到重視。
這種公知的解決方法的缺點在于頻譜的效率(發(fā)送量與整個占據(jù)的帶寬的比率)是受限制的。更確切地說，能夠發(fā)送的最大流量按照所分配的整個帶寬限制在一個給定值上。流量的增加由Ts的限制來表示，因而更重要的是由頻率f0和f1之間的間隔來表示。
本發(fā)明的目的尤其在于減小這個缺點。
更確切地說，本發(fā)明的一個目的是提供一種與前述技術情況相比具有改進的頻譜效率的數(shù)字信號發(fā)送方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供使用該方法的數(shù)字信號的發(fā)送機和接收機。
上述目的，還有下面描述的其它目的都由以碼組的形式表示的數(shù)字信號的發(fā)送方法來獲得，每個組包括至少一個位并與一個發(fā)送的符號相對應，每個符號的發(fā)送在于發(fā)送至少一個構成與該組單一對應的分量的頻率，不同符號的分量之間相互有關聯(lián)。
因此，在被發(fā)送的符號分量之間存在有非零的關聯(lián)。可能的頻率接近能夠很大地增加頻譜效率。
更優(yōu)先地，該方法在于為每個符號發(fā)送N個分量，不同符號的各分量之間相互有關聯(lián)。
上述分量可能通過時間分割和/或頻率分集被發(fā)送。
本發(fā)明還涉及以碼組的形式表現(xiàn)的數(shù)字信號的發(fā)送機，每個組包括至少一個位并與發(fā)送的信號相對應，發(fā)送機包括單一的為每個符號分配至少一個組成符號分量的頻率的裝置，被分配給不同符號的分量之間相互關聯(lián)。
本發(fā)明還涉及由上述發(fā)送機發(fā)送的數(shù)字信號的接收機，其特征在于它包括一組對準每個分量中心的調(diào)諧的濾波器，上述各濾波器的輸出信號的采樣組成由下面所給出的矢量Z的各分量
其中Q為各不同分量值的數(shù)目，接收機包括各計算裝置，它們在相對于一個給定符號的可能性變量計算中，根據(jù)對準其中每個分量都被發(fā)送的頻率的中心的調(diào)諧濾波器的各輸出使下面的判定變量Λj=Σk=1NzK,jk---j=1,...,M]]>達到最大值。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將通過后面參照附圖對非限制性的最佳實施例的描述中顯示出來，并且在附圖中圖1示出現(xiàn)有技術中的一個BFSK信號的頻譜；圖2示出在本發(fā)明中發(fā)送的頻率的時間頻率分布，例如Q=8；
圖3示出對于N=4，根據(jù)信噪比具有相關分量的信號在Rayleigh信道上成對誤差的概率；圖4示出對于N=4，根據(jù)信噪比具有相關分量的信號在Rayleigh信道上誤差的概率；圖5示出對于N=8，根據(jù)信噪比具有相關分量的信號在Rayleigh信道上誤差的概率；圖6為利用本發(fā)明的方法的數(shù)字信號發(fā)送機實例的方框圖；圖7為由圖6所示的發(fā)送機發(fā)送的數(shù)字信號的接收機實例的方框圖。
圖1前面已參照技術狀況描述。
本發(fā)明是建立在以分量發(fā)送的Q個頻率之間具有關聯(lián)的事實基礎上的，也就是說這些頻率的間隔小于1/Ts。因此在被發(fā)送的符號的分量之間并非毫無關聯(lián)。發(fā)送頻率接近能較大地增強頻譜效率。
圖2示出了本發(fā)明中被發(fā)送的頻率的時間-頻率分布，例子為Q=8。時間軸t以小格細分為周期Ts的基本時間單元，并且頻率軸f為兩兩間隔1/4Ts的8個信道。這些頻率的間隔最好小于確保正交的距離1/Ts。所占據(jù)的整個帶寬等于W=2/Ts，與通常的一個BFSK調(diào)制(圖1)的帶寬相同。
在第一個時間中人們考慮僅一維的信號，也就是說符號的發(fā)送只占用一個時間格Ts。在給定的一個格中，在每個符號時間Ts，僅一個頻率被發(fā)送?？紤]到在帶寬W中的兩個以上的頻率增加了同樣分割的時間-頻率圖的單位頻譜效率這一情況。我們考慮在一個頻率上發(fā)送與一個符號相關聯(lián)的8個不同符號的可能性。每個符號的位的數(shù)目為3。由此得到一個1.5bit/s/Hz的頻譜效率。比較此例與在同樣基本帶寬W中僅利用兩個頻率的BFSK的情況，可以發(fā)現(xiàn)頻譜效率的增益為系數(shù)3。換句話說，多于3倍的位能夠在同一頻帶中被發(fā)送。
在一個基本的格子中由于不同頻率之間的非零關聯(lián)，頻譜效率的增加引起性能微小的降低。然而，當高頻譜效率的電碼(多維的信號)被使用時，該降低得到補償，如下所描述。
下面所考慮的信號一直使用一個頻率并且同時僅用一個時間-頻率格子。發(fā)送的每個符號具有同樣的能量。由N個分量組成的一個符號具有如下結構
下面將要描述的接收機裝有一個為每個可能的頻率調(diào)諧的濾波器。接收機的能量探測器的各輸出組成一個矢量Z，并且
假設在相鄰的各時間-頻率格子之間不存在任何關聯(lián)(發(fā)送信道沒有記憶)，矢量Z的各分量的相關概率密度被寫為(關系1)p(Z|Si)=Πk=1Np(zk,l,zk,z,...,zk,Q|sK,ik)]]>根據(jù)經(jīng)驗最大值標準的最佳接收機為選擇了使該相關概率密度達到最大值的符號Sj的接收機。人們?nèi)菀椎貙懗鲫P系1的表達式達到最大值是使表達式Λj=Πk=1Np(zK,jk|sK,jk)---j=1,...,M]]>達到最大限度。
換句話說，在關于一個給定符號Sj的可能性的變量計算中，只需建立在邏輯狀態(tài)1已發(fā)送的頻率上的調(diào)諧濾波器的各輸出基礎之上。從這一點出發(fā)，人們能夠證明最佳的接收機使標量積{Z,Sj)達到最大值。該最大值在于計算由Λj=Σk=1NzK,jk---j=1,...,M]]>給定的判定變量∧j。
為了用數(shù)量表示由本發(fā)明引起的增益，應當按照發(fā)送了一個符號S1的假設計算成對誤差概率。不良的探測概率在于判定一個接收的符號為S2≠S1。該概率正是概率P(∧1＜∧2)，也就是(關系式2)P(S1→S2)=P(Σk=1Nz1,k≤Σk=1Nz2,k)]]>=P(Σk=1N|γ1,k|2≤Σk=1N|γ2,k|2)]]>在前面的表達式中省略了下標jk并且下標“1”和“2”分別作為符號S1和S2的附注。
在轉換先前的2次的厄米特式(Hermetian)的概率的表達式時，人們定下了向量ρ如下ρ=(T1,1,T2,1,T1,2,T2,2，…,T1,N,T2,N)關系式2的表達式意味著P(S1→S2)=P(f=ρtFρ*≤0)其中f=ρtFρ*為研究的厄米特形式，且F=100-1...100-1]]>已知一個這樣厄米特式的工作特性為(關系式3)ψf(jξ)=1det(I-j2ξR*F)]]>其中R=E[ρtρ*]表示矢量ρ的關聯(lián)矩陣。
各變量rk為調(diào)諧的濾波器的輸出采樣。符號S1被發(fā)送，變量由如下給出T1,k=hk+b1,kT2,k=μkhk+b2,k其中μk表示存在于該兩個符號的兩個k序列分量之間的一個關聯(lián)。若人們利用周期為Ts的矩形濾波器，該關聯(lián)被表達為(關系式4)μk=∫-Ts/2Ts/2ej(2πf1,kt+φ1,k)e-j(2πf2,kt+φ2,k)dt=sin(πΔfkTs)πΔfkTSejφk]]>且Δfk=f1,k-f2,k為兩個分量頻率之間的差值，而φk=φ1,k-φ2,k為考慮用于接收機的每個頻率的振蕩器的不相關性的相位差。我們在后面假設各關聯(lián)全部是不相同的。
隨機變量r1,k遵循使方差對準中心的高斯定律12E[|γ1,k|2]=σh2+σb2]]>另外，隨機變量r2,k也遵循使方差對準中心的高斯定律12E[|γ2,k|2]=|μk|2σh2+σb2]]>另一方面，值得注意的是噪聲取樣b1,k和b2,k也同樣相關。實際上有12E[b1,kb2,k*]=μk*σb2]]>由前述可知r1,k和r2,k這樣相互關聯(lián)(關系式8)12E[γ1,kγ2,k*]=μk*(σh2+σb2)]]>注意到關于兩個不同的分量的各隨機變量毫無關聯(lián)，關系5至8的各表達式可以寫為矢量ρ的關聯(lián)矩陣如下R=R10...00R2...0...0...0RN]]>其中Rk是一個2×2矩陣，給定如下Rk=σh2+σb2μk*(σh2+σb2)μk(σh2+σb2)|μk|2σh2+σb2]]>在這種情況下，關系3的特征函數(shù)表達式變?yōu)?amp;psi;f(jξ)=1Πk=1Ndet(I-j2ξRk*Fk)]]>det(1-j2ξR*kFk)的直接計算為det(I-j2ξR*kFk)=(1-j2ξuk)(1+j2ξvk)并且uk=σb2(γ+2N)2N[(1-|μk|2)Γ+(1-|μk|2)(1-|μk|2Γ2)]≥0]]>且νk=-σb2(γ+2N)2N[(1-|μk|2)Γ-(1-|μk|2)(1-|μk|2Γ2)]≥0]]>在前面的表達式中我們定義γ=Nσh2σb2]]>為每個符號的信噪比。
現(xiàn)在f的特征函數(shù)被寫為ψf(jξ)=1Πk=1N(1-j2ξuk)(1+j2ξvk)]]>對ψf(jξ)進行簡單元素分解，可以得到ψf(jξ)=Σk=1Nak1-j2ξuk+Σk=1Nbk1+j2ξvk]]>考慮到對于i≠j，有ui≠uj。
誤差概率等于P(S1→S2)=Σk=1Nbk]]>或進一步P(S1→S2)=12Σk=1N{[1-Γ1-|μk|21-|μk|2Γ2](1-|μk|2)N-1Πi=1,i≠kN(|μi|2-|μk|2)}]]>其中Γ定義為Γ=γγ+2N]]>誤差概率更簡單的表達式，以及對于更大的信噪比的漸近表達式，為如下所示P(S1→S2)=12[1-Σk=1NΓ1-|μk|21-|μk|2Γ2(1-|μk|)N-1Πi=1,i≠kN(|μi|2-|μk|2)]]]>和(關系式9)P(γ→∞)=12(2N)!(N!)2NNγNΠk=1N(1-|μk|2)]]>成對誤差概率的漸近表達式表明若無論k為何值|μk|2都等于|μ|2，則無論各符號的維數(shù)N為何值，每個符號的信噪比γ都相同。
對于特殊情況N=1，人們得到Rayleigh信道上相關的兩個二進制符號的誤差概率表達式給出如下Pb=12[1-Γ1-|μk|21-|μk|2Γ2]]]>另一方面，如果各分量之間的關聯(lián)都相同(μk=μk)，人們能夠計算成對誤差概率等于(關系式10)P(S1→S2)={12[1-Γ1-|μ|21-|μ|2Γ2]}N]]>×Σk=0N-1{Ck2N-12N-1[1+Γ1-|μ|21-|μ|2Γ2]k[1-Γ1-|μ|21-|μ|2Γ2]N-l-k}]]>圖3示出對于維數(shù)N=4，根據(jù)以dB表示的信噪比γ，有相關分量的信號在Rayleigh信道上的成對誤差概率P(S1→S2)。
所選定的相關值|μ|2=0，|μ|2=0.09，|μ|2=0.4和|μ|2=0.8分別對應于間膈1/Ts(背景技術，參照30)，1/4Ts(參照31)，1/2Ts(參照32)，和3/4Ts(參照33)的各頻率。性能的漸近下降與關系式8完全一致，該式表示出一個信噪比的下降因數(shù)1-|μ|2。
借助于相關分量的信號所獲得的頻譜效率增益能夠通過實施例被描述如下首先考慮具有一個指令分集N=4的兩個信號的電碼(BFSK)，該電碼的兩個符號為S1=(1,0,1,0,1,0,1,0)S2=(0,1,0,1,0,1,0,1)該有兩個符號的電碼的性能通過關系式10且N=4，μ=0得到。頻譜效率為1/8bit/s/Hz(頻譜擴展系數(shù)與1bit/s/Hz相比為Be=8)。這與背景技術相對應。
對于Q=8,本發(fā)明提出也使用帶有具有相關分量的信號的指令分集N=4。在為在時間-頻率格子1至8中可用的各頻率編號時，M=8個可能的符號由下面在各不同分量中使用各頻率的編號給定如下S1→1,2,1,2S2→2,4,3,4S3→3,1,5,6S4→4,3,7,8S5→5,6,4,1S6→6,8,6,3S7→7,5,8,7S8→8,7,2,5作為例子，符號S1的發(fā)送在于連續(xù)(時間分割)或同時(在整個頻帶K*W上頻率分布)發(fā)送頻率1,2,1和2。時間和頻率的發(fā)送組合也是可以考慮的。
對于一個符號的發(fā)送所必需的全部頻帶K*W與BFSK(NQ/4Ts=8/Ts)的相同，而目前我們在該頻帶上安排M=8個符號和超過3/8bit/s/Hz(Be=2.66)的頻譜效率。
作為比較，一個通常的BFSK調(diào)制占用2/Ts的頻帶寬度。當發(fā)送的各頻率不再間隔Ts/4時，對于發(fā)送同樣的流量頻帶增益為系數(shù)3。從所有可能在占用與一個BFSK同樣的頻帶情況下，為發(fā)送各分量一共安排4個支譜帶。因此發(fā)送能夠以頻率分集實現(xiàn)。
我們注意到所有符號對具有4個完全不同的頻率。因而我們還得到了指令分集4。另一方面，在研究所提供的8個符號時，人們導出最相關的各符號(例如S4和S7)含有兩個頻率相鄰(1/4Ts)的分量，一個頻率間隔為1/2Ts的第三個分量和間隔為3/4Ts的最后一個分量。由此產(chǎn)生的相關為|μ1|2=|μ2|2=0.8,|μ3|2=0.4和|μ4|2=0.09(我們假設所使用的濾波器為矩形的，并且這些相關由關系式4給出)。
具有相關分量的系統(tǒng)性能由結合的邊界提高。它表明符號誤差的概率小于最大的一對的誤差概率的(M-1)倍。換句話說，Pe≤(M-1)P(S4→S7)
另一方面，考慮到誤差概率大于最遠離的(即最小相關的)但彼此最相鄰的兩個符號的成對誤差概率即得到下邊界。兩符號S1和S2滿足該條件。因此我們有Pe≥P(S1→S2)不同的成對誤差概率由前面給出的關系式P(S1→S2)得出?？傊M制的誤差概率近似為Pb=Pe/2。
圖4中對兩個系統(tǒng)的性能進行比較，圖4示出按照以dB表示的信噪比在Rayleigh信道中具有相關分量的信號的誤差概率，N=4。實線表示的特性對應于一個通常的BFSK系統(tǒng)(n=1),Be=8，而虛線表示的下界和上界的特性已在上面描述。
可以看到，相關信號具有非常好的特性，而相關信號的下界和上界處具有至少與作為參考的傳統(tǒng)系統(tǒng)的相同的特性。從具有相關分量的信號具有一個系數(shù)為3的頻譜效率增益，我們推斷它比傳統(tǒng)的FSK信號更可取。
對于指令分集8(見圖5)可作同樣的評注。
增加維數(shù)N能夠更加容易地吸收越來越相關的分量。事實上，信噪比的下降由系數(shù)Πk=1N(1-|μk|2)1/N]]>給出。
如果N=1，符號唯一分量上的相關|μ|2=0.95導致信噪比一個-13dB的下降。相反地，對于N=8，具有同樣相關|μ|2=0.95的一個分量k的所下降的份額下降到-1.6dB，而對于N=32，它只為-0.4dB。當我們知道該相關值與間隔為1/8Ts的各頻率相對應時，我們就會非常懂得大維數(shù)與發(fā)送頻率的最大密度的相組合的積極效應。
所獲得的特性還能夠在根據(jù)各分量與頻譜占用之間的距離，利用最佳分集電碼得以改進。
圖6為利用本發(fā)明方法的數(shù)字信號發(fā)送機的一個實施例的方框圖。
圖6的發(fā)送機包括一個確保它所應用的一個二進制串以碼組的形態(tài)的映象單元。每個組含有n個位。各個組都應用于為每個要處理的碼組提供N個電壓電平的轉換裝置61。每個電壓電平與一個組的一個分量相對應。各電壓電平隨后應用于一個隔行掃描單元62，該隔行掃描單元62接著一個電壓控制振蕩器(VCO)63，該振蕩器在其輸出具有與發(fā)送的組的分量相對應的被隔行掃描的頻率。在發(fā)送應該在許多支譜帶中被執(zhí)行的情況下，這些頻率串聯(lián)地來到一個任選的串-并聯(lián)變換器64，支譜帶的概念描述在具有兩個支譜帶SB1和SB2的圖2中。支譜帶分量的發(fā)送允許(在相同時間Ts間隔中)同時發(fā)送(不同頻率的)多個分量。
不同的分量隨后應用于一組K個混頻器651至65K中，K為準備的支譜帶的數(shù)目?；祛l器保證要發(fā)送的分量在支譜帶上的分布。頻率移位的各分量隨后由加法器66求和。一個接收本機振蕩器68的一個信號的混頻器67保證將和信號傳送到一個載波頻率上。而被調(diào)制的信號被應用于一個發(fā)送天線69上。
隔行掃描單元62具有與發(fā)送信道的選擇衰落競爭的功能。這樣，發(fā)送信道分別在不同分量上工作。
如果發(fā)送由唯一的時間分割來實現(xiàn)，被發(fā)送的各符號的不同分量在不同的時間/頻率格子中被發(fā)送并且具有4個分量(前面給出的例子)的符號的發(fā)送持續(xù)4Ts。
當然，該發(fā)送機的實現(xiàn)方式只作為象征的給出，其它可能的方法也存在。
圖7為圖6的發(fā)送機發(fā)送的數(shù)字信號的接收機的一個實施例的方框圖。
由天線70接收的信號應用于一個混頻器71中，它接收一個本機振蕩器72的頻率的傳送信號?；祛l器的輸出信號應用于支譜帶731至73K的K個濾波器中，這些濾波器為中心對準支譜帶中央頻率的通頻帶濾波器。被濾波的信號隨后應用于一組調(diào)諧的濾波器741至74K*Q，Q為由支譜帶規(guī)定的分量數(shù)目。各頻率f1至fQ對應于各分量并且各頻率F1至FK對應于支譜帶的中央頻率。為提供采樣Zi,j，各濾波器的輸出信號以符號頻率1/Ts被采樣，i為對應于所考慮的支譜帶的下標；且j為對應于被檢波的分量的下標。這些采樣被應用于用來形成前面給出的矢量Z
的計算單元75。
應注意，在矢量Z的該表達式中，被發(fā)送的符號的分量數(shù)目N不必等于K。這從支譜帶意義上說，我們能夠將一個分量時間發(fā)送與一個頻率分集相組合。
計算單元75根據(jù)前面給出的最大優(yōu)先準則優(yōu)先地工作，也就是說，它要考慮使該矢量Z的各分量的相關概率密度最大的那個碼組被發(fā)送。計算單元75提供了一個等于符號Sj的估計
，它使由下式給出的∧j達到最大值。Λj=Σk=1NzK,jk---j=1,...,M]]>估計
則應用于按位轉換估計的符號的映象單元76。
本發(fā)明能夠利用相關分量和可用頻率的最大密度。因此，我們擁有一個最大頻譜效率。
所獲得的相關信號的特性很好，并且在所給出的實施例中可以得到一個與傳統(tǒng)的占用同樣頻帶并利用同樣指令分集的系統(tǒng)相比系數(shù)為3的頻譜效率增益。二進制誤差概率的特性即使不算好，與公知的M-FSK系統(tǒng)也是可比較的。
本發(fā)明尤其應用于非相干調(diào)制。應用的發(fā)送環(huán)境為任意的。
權利要求
1．一種以碼組的形式存在的一個數(shù)字信號的發(fā)送方法，每個上述碼組包括至少一個位并且對應于一個被發(fā)送的符號，每個上述符號的發(fā)送在于發(fā)送至少一個組成以單值方式對應于該碼組的一個分量的頻率，其特征在于不同符號的各分量之間相關聯(lián)。
2．根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于它為每個上述符號發(fā)送數(shù)目為N的分量，不同符號的各分量之間相關。
3．根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于上述各分量都以時間分割發(fā)送。
4．根據(jù)權利要求2或3的方法，其特征在于上述各分量都通過頻率分集發(fā)送。
5．一種以碼組的形式存在的數(shù)字信號發(fā)送機，每個所述碼組包括至少一個位并且對應于一個被發(fā)送的符號，所述發(fā)送機包括以單值的方式分配給每個上述符號至少一個組成上述符號的一個分量的頻率的裝置(61,63)，其特征在于分配給不同符號的各分量之間相關。
6．一種根據(jù)權利要求5所述的發(fā)送機發(fā)送的數(shù)字信號的接收機，其特征在于它包括一組每個對準上述分量的中心的調(diào)諧濾波器(741至74K*Q)，上述濾波器的輸出信號的各采樣組成一個矢量Z的各分量
其中Q為所述分量的不同值的數(shù)目，所述接收機包括計算裝置(75)，它們使下面的判定變量Λj=Σk=1NzK,jk---j=1,...,M]]>達到最大值，其中關于一個給定符號的可能性的變量計算只基于對準在其上一個所述分量被發(fā)送的頻率的中心的調(diào)諧濾波器(741至74K*Q)的各輸出，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以碼組的形式表現(xiàn)的數(shù)字信號的發(fā)送方法,每個碼組包括至少一個位并且對應于一個被發(fā)送的符號,每個符號的發(fā)送在于發(fā)送至少一個組成以單值方式對應于該碼組的一個分量的頻率,不同符號的各分量之間相關。
文檔編號H04L27/30GK1216186SQ9880010
公開日1999年5月5日 申請日期1998年2月9日 優(yōu)先權日1997年2月7日
發(fā)明者埃列·貝加尼 申請人:阿爾卡塔爾公司