专利名称：基于fft的多频音dpsk调制解调器的制作方法
技术领域：
本发明属通信技术领域。具体地说，本发明与利用基于FFT的多频音概念进行数字调制和解调的系统和方法有关。
码间干扰使所发送的信号内容失真，可能会导致严重的信息传输差错。由于信道畸变、多路径传播和/或采样偏移而引起的码间干扰对发送和接收滤波器设计加了相当大的限制。码间干扰的影响随着传输速度的增加而增加，从而为宽带高速传输的主要障碍，特别是对于经常会产生多路径信号分量的无线多媒体情况来说更为严重。
各多路径分量在无线通信用的码分多址(CDMA)瑞克接收机中合并在一起，然而多路径分量的扩展往往与码元间隔差不多，甚至更大一些，从而引起相当大的码间干扰。使码间干扰大大降低的另一种方法是采用复杂的信道均衡技术。
因此，有必要在高速宽带网内开发一种不用信道均衡而能避免码间干扰的技术。
本发明提出了一种不用信道均衡器实现无码间干扰通信的系统和方法。这样，本发明就放宽了对发送和接收滤波器以及对接收机定时精度的设计限制。本发明能有效地分离由于例如在有线媒体中发生的信道畸变和由于例如在无线环境中发生的多路径扩展而引起交叠的各码元。编码信息由一组单音(tone)承载，减轻了频率选择性衰落。本发明消除了基带滤波器引起的码间干扰，从而提供了诸如带外溢漏小和尾降快这样的所需信号特性。由于发送和接收滤波器的脉冲响应可以以多种形式长跨几个码元，放宽了相应滤波器的设计限制，也降低了接收机对定时的敏感性。不需要进行载波相位估计和/或信道响应估计，因为本发明所用的是差分相位检测。此外，由于多频音调制和解调通过快速付立叶变换实现，因此硬件配置较为简单。本发明对于受到上述有害影响最为严重的分组式宽带高速传输来说特别有利。
本发明的这些优点是由于采用了用多频音技术发送编码信息的系统和方法。按照本发明，编码信息比特是逐帧发送的。每个编码信息比特帧划分成N个各由预定个数的编码信息比特组成的比特组，再映射成相应的N个差分相位。每个帧的绝对相位集根据这个帧的差分相位集和上一个帧的绝对相位集产生。每个帧的N个复数码元的串行流根据这个帧的N个绝对相位的序列产生。然后，通过对每个帧的N个复数码元进行付立叶反变换产生每个帧的N个时间域复样值。再在每个帧的N个时间域复样值前后分别加上一个循环前缀和一个循环后缀。最好循环前缀的长度等于循环后缀的长度再加上与多频音调制解调器连接的数字信道的扩散(dispersion)。循环后缀的长度可以是一个或两个样本。每个帧的经增添的复样值然后分离为第一和第二两个数据序列。第一数据序列是一个实样值序列，与帧中各复样值的实部相应。第二数据序列也是一个实样值序列，与帧中各复样值的虚部相应。第一和第二数据序列由一对相同的D/A变换器分别变换成相应的第一和第二基带信号。用第一和第二基带信号进行正交调制形成两个相互正交的信号。然后，将这两个正交信号合并成一个RF信号后进行传输。
为了接收编码信息比特，所接收的RF信号经非相干正交解调变换成第一和第二两个正交基带信号。通过对第一和第二正交基带信号并行采样，产生第一和第二两个正交样值序列。每个帧中附在第一和第二正交样值序列上的任何前缀和后缀除去后，将剩下的第一和第二正交样值序列的相应样值配对，从而产生每个帧的N个复数。通过对每个帧的N个复样值进行离散付立叶变换，产生每个帧的N个受到信道加权的单音。根据将每个帧的N个受到信道加权的单音与上一帧的进行比较的结果产生每个帧的由N个相位差信号组成的信号流。然后，按照预定的相位信号空间(phase constellation)，对相位差信号流进行解映射，形成编码信息比特。
本发明例示于(但并不局限于)下列附图，在这些附图中相同的标号表示相同的单元，其中
图1示出了按照本发明配置为发射机的基于FFT的多频音DPSK调制解调器的基本功能件的方框图；以及图2示出了按照本发明配置为接收机的基于FFT的多频音DPSK调制解调器的基本功能件的方框图。
本发明提出了一种能克服由于信道畸变和/或多路径效应而引起的，或者是为了获得其他所要求的信号特性通过设计发送和接收滤波器有意引入的码间干扰调制解调系统和方法。与为了防止性能恶化而使用的传统调制解调技术不同，本发明并不采用信道均衡。此外，本发明采用非相干正交载波解调，将载波信号变换成基带信号，而不需要对载波的相位进行估计。
本发明所提出的基于FFT的多频音DPSK调制解调顺逐帧发送各编码信息序列。每个帧分成N个比特组，这N个比特组经差分相位编码后分别变换成一个复信号平面上的N个相应的复码元。由于通过对这N个码元进行离散付立叶反变换(IDFT)产生N个复(时间域)样值，因此实现了用N个离散单音承载这N个码元加到信道上。在N个时间域样值前附加上一些循环前缀样值，以允许总通信信道的时间扩散，包括由发送滤波器、接收滤波器和传输媒体引起的任何时间扩散，同时又获得无码间干扰的信号特性。前缀和后缀样值也允许在接收机中的帧同步和采样的定时不那么精确。这些复样值分离成实部和虚部，分别加到两个正交的载波分量上，进行RF传输。
对于所接收的信号受到的是相反的处理。也就是说，所接收的信号用非相干正交解调下变换成基带信号，再用正交基带采样对扩展的帧进行再处理。再处理除去了循环前缀和后缀样值，而剩下的正交样值重组成N个复数。利用离散付立叶变换(DFT)恢复由于相位非相干、信道响应和噪声而受到畸变的N个多频音。这些畸变通过比较两个相继帧之间的相应单音的差分相位基本上可加以消除。然后，利用所提取的差分相位信息对所发送的编码信息解码。最好，DFT和IDFT都用一个N点快速付立叶变换(FFT)算法实现。
图1示出了本发明所提出的配置成单比特流发射机的基于FFT的多频音DPSK调制解调器的基本功能件的方框图。在图1中，(网格)编码信息比特序列10送至MPSK映射器11。MPSK映射器11将各组数据比特分别映射成MPSK(多相移相键控)信号空间中的相应点。具体地说，编码信息比特分成一系列各有M个比特的帧。(在这种情况下，信号空间的大小(M)和每帧的比特数(M)一致使用相同的符号M。对于本发明来说，信号空间的大小M可以不同于每帧的比特数M。)每个具有M个比特的帧分成N个组，其中第k组配有m(k)个比特，因此M＝m(0)+m(1)+…m(N-1)。每个组按预定的PSK信号空间分别映射为一个差分相位Δφ，(k)，其中，k＝0，0，…，N-1。
差分相位编码器12对两个相继帧，即当前帧和当前帧的上一帧，进行操作，产生当前帧中每个组的绝对相位φ1(k)。码元(单音)编码器13利用每个绝对相位φ1(k)产生复信号平面上的一个复码元X1(k)，或一个离散单音。复码元X1(k)等于X1(k)epx[jφ1(k)]。X1(k)的振幅选择成使总信道容量最大或满足各单音的所需信噪比。然后，每帧中的N个复码元通过串并行(S/p)变换器14送至离散付立叶反变换(IDFT)的离散多频音调制器15。经FFT，每帧中的N个复码元被离散付立叶反变换成时间域内的N个复样值。
每帧中的N个并行样值由并串行(P/S)变换器16变换成一个串行序列。P/S变换器16还在每帧前后分别附上一个循环前缀和一个循环后缀，再通过将每个复样值分离为一个实部和一个虚部(R/I)进一步将扩展了的复样值序列变换成两个实数据序列。循环后缀的长度为一个或两个样值，而循环前缀的长度等于循环后缀的长度再加上整个数字信道(包括发送和接收滤波器以及在发送和接收滤波器之间的传输媒体)的单位采样响应。对前缀和后缀增加一个或两个样值允许接收机的同步和采样可以有较大的定时偏差，而附在前缀上的其他样值可以免除码间干扰，因此免除了时间扩散信道引起的码间干扰。
两个实序列分别经两个相同的低通滤波器17a和17b数模(D/A)变换，形成两个基带信号，加到混频器18a和18b上对两个正交载波进行调制。在19经正交多路复用、适当功率放大和带通滤波后，相继各(扩展)帧就被发送出去。图1所示的调制解调器可以处理多个各以类似的方式与不同的单音集对应的比特流。
图2示出了按本发明配置成接收机的基于FFT的多频音DPSK调制解调器的基本功能件的方框图。所接收的RF信号20在21经带通滤波、功率放大后分裂成两个分量，由混频器22a、22b和低通滤波器23a和23b进行非相干正交解调(即下变频)。所得到的正交基带分量由模数(A/D)变换器24a和24b并行采样。A/D变换器24a和24b的输出送至S/P&R/I变换器25，两个实样值序列通过将每对实样值处理成一个复样值的实部和虚部变换成一个复样值序列，再弃去每个扩展帧两端与附加的前缀和后缀对应的样值，所得到的每个帧内的N个复样值由串并行(S/P)变换器组织成并行格式。
然后，每帧内的N个并行复数由离散多频音解调器26进行离散付立叶变换，通过FFT得出N个复码元。这N个复码元就是所发送的各个单音，但受到了本地产生和接收的载波相位差的指数的加权和受到了总信道在相应音处的频率响应的加权，还受到了噪声的污染。N个复码元经并串行(P/S)变换器27串行输出，送至帧延迟装置28和差动相位比较器29。帧延迟装置28的输出就是延迟了一个帧的输入。两个相继帧(即当前帧和当前帧的上一帧)的相应码元之间的差分相位由差动相位比较器29以众所周知的方式进行估计，而不需要确定所接收的载波的相位或信道的频率响应。所提取的差分相位值由MPSK解映射器30映射回相应的编码比特，以便馈至下级进行信道解码(未示出)。或者，MPSK解映射器和信道解码器(如维托比解码器)可以合在一起进行软判决解码。
虽然本发明结合所示实施例作了说明，但可以理解，根据本发明的精神实质可以进行种种修改，所有这些应该都属于本发明的专利保护范围。
权利要求
1.一种多频音调制解调器，包括一个MPSK映射器，用来将一个当前的编码信息比特帧映射为N个差分相位信号，所述当前比特帧划分为N个各有预定数量的编码信息比特的比特组；一个差分相位编码器，用来根据当前帧的差分相位信号和当前帧的上一帧的相应绝对相位信号产生当前帧的绝对相位信号；一个码元编码器，用来根据每个帧的N个绝对相位信号产生每个帧的N个复码元；一个离散多频音调制器，用来根据每个帧的N个复码元产生每个帧的N个各有一个实部和一虚部的时间域复样值；一个实虚部分离器，用来将每个帧内的复样值分离为每个帧的第一和第二两个数据序列，第一数据序列是一个由每个帧内各复样值的实部构成的实样值序列，而第二数据序列是一个由每个帧内各复样值的虚部构成的实样值序列；一个数模变换器，用来将第一和第二数据序列分别变换成第一和第二两个基带信号；一个正交调制器，用来将第一和第二基带信号分别加到正交的载波分量上，形成同相和正交两个信号分量；以及一个合并器，用来将同相和正交信号分量合并成一个RF信号。
2.按权利要求1所述的多频音调制解调器，还包括一个发射机，用来发射RF信号。
3.按权利要求1所述的多频音调制解调器，其中由码元编码器产生的每个帧的N个复码元是一个串行流，所述多频音调制解调器还包括一个串并行变换器，用来将每个帧内N个复码元的串行流变换成一个N个复码元的并行流。
4.按权利要求1所述的多频音调制解调器，其中离散多频音调制器通过对帧内N个复码元执行离散付立叶反变换产生N个时间域复样值。
5.按权利要求1所述的多频音调制解调器，其中离散多频音调制器产生并行的每个帧N个时间域复样值，所述多频音调制解调器还包括一个并串行变换器，用来将每个帧内N个时间域复样值的并行流变换成一个N个时间域复样值的串行流。
6.按权利要求1所述的多频音调制解调器，其中实虚部分离器在每个帧的N个复样值前后分别增添一个循环前缀和一个循环后缀，再将增添了循环前缀和循环后缀的N个复样值分离为第一和第二数据序列。
7.按权利要求6所述的多频音调制解调器，其中循环前缀的长度等于循环后缀的长度加上与所述多频音调制解调器连接的数字信道的扩散。
8.按权利要求6所述的多频音调制解调器，其中循环后缀的长度为一个或两个样本的长度。
9.按权利要求1所述的多频音调制解调器，其中数模变换器包括一对低通滤波器。
10.按权利要求1所述的多频音调制解调器，还包括一个非相干正交解调器，用来将一个所接收的RF信号解调成第一和第二两个正交基带信号，所接收的RF信号包括一系列相继的编码信息比特帧，每个帧包括N个编码信息比特组加上一个前缀和一个后缀，每个比特组包括预定数量的编码信息比特；第一和第二两个模数变换器，用来并行地分别对第一和第二正交基带信号进行采样，产生第一和第二两个正交样值序列；一个实虚部合并器，用来根据第一和第二正交样值序列产生每个编码信息比特帧的N个复数；一个离散多频音解调器，用来根据每个帧的N个复数产生每个帧的N个经信道加权的单音；一个差动相位比较器，用来根据对当前帧的N个经信道加权的单音与当前帧的上一帧的比较产生每个帧的一个由N个相位差信号组成的信号流；以及一个MPSK解映射器，用来按照预定的相位信号空间将每个帧内由N个相位差信号组成的信号流解映射为编码信息比特。
11.按权利要求10所述的多频音调制解调器，其中实虚部合并器除去附在每个帧的第一和第二正交样值序列上的前缀和后缀，通过将剩下的帧内第一和第二正交样值序列的相应样值配对，产生每个帧的N个复数。
12.按权利要求10所述的多频音调制解调器，其中离散多频音解调器通过对每个帧的N个复数执行离散付立叶变换产生每个帧的N个经信道加权的单音。
13.按权利要求10所述的多频音调制解调器，还包括一个帧延迟器，用来将每个帧的N个经信道加权的单音延迟一个帧。
14.一种多频音调制解调器，包括一个非相干正交解调器，用来将一个所接收的RF信号解调成第一和第二两个正交基带信号，所接收的RF信号包括一系列相继的编码信息比特帧，每个帧包括N个编码信息比特组加上一个前缀和一个后缀，每个组包括预定数量的编码信息比特；第一和第二两个模数变换器，用来并行地分别对第一和第二正交基带信号进行采样，产生第一和第二两个正交样值序列；一个实虚部合并器，用来根据第一和第二正交样值序列产生每个编码信息比特帧的N个复数；一个离散多频音解调器，用来根据每个帧的N个复数产生每个帧的N个经信道加权的单音；一个差动相位比较器，用来根据对当前帧的N个经信道加权的单音与当前帧的上一帧的比较产生每个帧的一个由N个相位差信号组成的信号流；以及一个MPSK解映射器，用来按照预定的相位信号空间将由N个相位差信号组成的信号流解映射为编码信息比特。
15.按权利要求14所述的多频音调制解调器，其中实虚部合并器除去附在每个帧的第一和第二正交样值序列上的前缀和后缀，通过将剩下的帧内第一和第二正交样值序列的相应样值配对，产生每个帧的N个复数。
16.按权利要求14所述的多频音调制解调器，其中离散多频音解调器通过对每个帧的N个复数执行离散付立叶变换产生每个帧的N个经信道加权的单音。
17.按权利要求14所述的多频音调制解调器，还包括一个帧延迟器，用来将每个帧的N个经信道加权的单音延迟一个帧。
18.一种发送编码信息比特的方法，包括下列步骤将一个当前的编码信息比特帧映射为N个差分相位信号，所述当前比特帧划分为N个各有预定数量的编码信息比特的比特组；根据当前帧的差分相位信号和当前帧的上一帧的相应绝对相位信号产生当前帧的绝对相位信号；根据每个帧的N个绝对相位信号产生每个帧的N个复码元；根据每个帧的N个复码元产生N个各有一个实部和一个虚部的时间域复样值；将每个帧内的复样值分离为每个帧的第一和第二两个数据序列，第一数据序列是一个由每个帧内各复样值的实部构成的实样值序列，而第二数据序列是一个由每个帧内各复样值的虚部构成的实样值序列；将第一和第二数据序列分别变换成第一和第二两个基带信号；将第一和第二基带信号分别加到正交的载波分量上，形成同相和正交两个信号分量，以及将同相和正交信号分量合并成一个RF信号。
19.按权利要求18所述的方法，还包括发射RF信号的步骤。
20.按权利要求18所述的方法，其中每个帧的N个复码元是一个串行流，所述方法还包括在产生N个时间域复样值的步骤前将每个帧内N个复码元的串行流变换成一个N个复码元的并行流的步骤。
21.按权利要求18所述的方法，其中产生每个帧的N个时间域复样值的步骤包括对这个帧的N个复码元执行离散付立叶反变换的步骤。
22.按权利要求18所述的方法，其中每个帧的N个时间域复样值是一个N个时间域复样值的并行流；所述方法还包括将每个帧内N个时间域复样值的并行流变换成一个N个时间域复样值的串行流的步骤。
23.按权利要求18所述的方法，还包括下列步骤在每个帧的N个复样值前后分别增添一个循环前缀和一个循环后缀；以及将增添了循环前缀和循环后缀的N个复样值分离为第一和第二数据序列。
24.按权利要求23所述的方法，其中循环前缀的长度等于循环后缀的长度加上发送编码信息比特的数字信道的扩散。
25.按权利要求23所述的方法，其中循环后缀的长度为一个或两个样本的长度。
26.按权利要求18所述的方法，其中将第一和第二数据序列分别变换成第一和第二基带信号的步骤是由相同的第一和第二两个数模变换器完成的。
27.按权利要求18所述的方法，还包括下列步骤将一个所接收的RF信号非相干正交解调成第一和第二两个正交基带信号，所接收的RF信号包括一系列相继的编码信息比特帧，每个帧包括N个编码信息比特组加上一个前缀和一个后缀，每个比特组包括预定数量的编码信息比特；通过对第一和第二正交基带信号并行采样，产生第一和第二两个正交样值序列；根据第一和第二正交样值序列产生每个编码信息比特帧的N个复数；根据每个帧的N个复数产生每个帧的N个经信道加权的单音；根据对当前帧的N个经信道加权的单音与当前帧的上一帧的比较产生每个帧的一个由N个相位差信号组成的信号流；以及按照预定的相位信号空间将每个帧内由N个相位差信号组成的信号流解映射为编码信息比特。
28.按权利要求27所述的方法，还包括下列步骤除去附在每个帧的第一和第二正交样值序列上的前缀和后缀；以及通过将剩下的帧内第一和第二正交样值序列的相应样值配对，产生每个帧的N个复数。
29.按权利要求27所述的方法，其中产生每个帧的N个经信道加权的单音的步骤是通过对每个帧的N个复数执行离散付立叶变换来完成的。
30.按权利要求27所述的方法，还包括将每个帧的N个经信道加权的单音延迟一个帧的步骤。
31.一种接收编码信息比特的方法，包括下列步骤将一个所接收的RF信号非相干正交解调成第一和第二两个正交基带信号，所接收的RF信号包括一系列相继的编码信息比特帧，每个帧包括N个编码信息比特组加上一个前缀和一个后缀，每个比特组包括预定数量的编码信息比特；通过对第一和第二正交基带信号并行采样，产生第一和第二两个正交样值序列；根据第一和第二正交样值序列产生每个编码信息比特帧的N个复数；根据每个帧的N个复数产生每个帧的N个经信道加权的单音；根据对当前帧的N个经信道加权的单音与当前帧的上一帧的比较产生每个帧的一个由N个相位差信号组成的信号流；以及按照预定的相位信号空间将每个帧内由N个相位差信号组成的信号流解映射为编码信息比特。
32.按权利要求31所述的方法，还包括下列步骤除去附在每个帧的第一和第二正交样值序列上的前缀和后缀；以及通过将剩下的帧内第一和第二正交样值序列的相应样值配对，产生每个帧的N个复数。
33.按权利要求31所述的方法，其中产生每个帧的N个经信道加权的单音的步骤是通过对每个帧的N个复数执行离散付立叶变换来完成的。
34.按权利要求31所述的方法，还包括将每个帧的N个经信道加权的单音延迟一个帧的步骤。
全文摘要
一种利用多频音技术逐帧发送编码信息比特的方法。发送时,编码信息比特映射为差分相位信号,根据差分相位信号产生绝对相位信号。然后将所产生的N个复码元经离散付立叶反变换变换成N个时间域复样值,再增添上循环前缀和后缀。增添了前缀和后缀的N个时间域复样值分离为两列实样值后分别变换成第一和第二基带信号,再加到正交载波分量上形成同相和正交信号分量,然后合并成一个RF信号发送。接收时进行相反的处理。
文档编号H04B1/16GK1194506SQ9810539
公开日1998年9月30日 申请日期1998年3月2日 优先权日1998年3月2日
发明者何金萌, 戈帕尔·K·贾辛格 申请人:美国电报电话公司