Tdma突發通信系統內的比特檢測門限的製作方法
2023-06-03 20:34:26
專利名稱：Tdma突發通信系統內的比特檢測門限的製作方法
技術領域：
本發明涉及改善時分多址(TDMA)突發通信系統的方法和系統，具體地說，涉及最佳調整TDMA通信系統內的比特檢測門限的方法和系統。
背景技術：
在數字通信系統中，關鍵性的一項任務是使發送和接收臺之間的數據定時同步，以便獲得高效率的數據鏈路性能。通常，在這樣的系統內的接收機利用恢復數據時鐘定時的電路對信號連續進行監視。一旦在一個信號內檢測到時鐘，就將數據分離出來予以分析，確定數據消息的同步，使接收機可以對信號解碼。在採用始終有發送的調製信號或者長時間發送的系統中，可以用諸如Costas環和Kalman濾波之類的技術來獲得和保持精確的數據定時同步。
然而，在TDMA通信系統中，特別是在發送持續時間極短和以高比特率發送時，許多用於獲得精確的數據定時同步的現有技術都是不可行的，會產生不可接受的不良結果和/或效率很低。例如，可以連續地對接收機的輸出採樣，將數據存儲起來並實時予以統計分析，力圖分離和確定短持續時間(即突發)TDMA通信的定時。這種方案通常用傳統的強力DSP技術實現。這種數據定時同步的缺點是通常效率很低，實現起來也很不經濟。
為了在TDMA突發通信系統內正確地進行數據定時同步，必需消除接收機偏壓對模擬基帶輸出信號的影響。鑑頻器用來將接收信號的頻率偏移變換成有一個偏壓的電壓相對時間的變化。這個偏壓可能會由於溫度、元件老化和其他因素而改變。偏壓的這些改變或偏移對數據檢測電路精確地將時變的電壓變換成檢測到的比特的能力有不利的影響。具體地說，隨著偏壓的改變，鑑頻器的理想接收比特檢測門限發生漂移，離開中心值，從而可能引起誤碼率增大。由於這樣的系統以1兆比特的數據率工作，鑑頻器的數據比特門限即使稍漂離中心一點也會導致丟失數據。
因此，需要有一種系統和方法可以最佳地調整TDMA突發通信系統內的接收比特檢測門限。在這樣的通信系統中，一旦接收比特檢測門限得到調整，確定時間同步就成為一個容易得多的任務，因為用經校正的偏置採樣使接收機的同步過程可以只解決時間的不確定性。這樣的系統和方法會導致可以不用對模擬基帶輸出信號進行採樣和/或後處理的簡化處理過程。
發明概要本發明是對短持續時間的TDMA突發通信系統的一種改進。概括地說，本發明監視自生成的發送信號，通常是由運載工具生成的自有(ownship)信號，確定發送信號中心，用來為接收機所獲取的停播(offair)信號設置比特檢測門限。本發明通過用上述發送信號校準鑑頻器，解決了鑑頻器漂移的問題。按照本發明設計的系統根據發送信號檢測出偏差後進行補償。
在本發明的一個實施例中，提供了一種調整數字通信系統內接收比特檢測門限的方法。這種方法包括接收一個自生成(即「自有」)廣播信號，確定這個自生成廣播信號的中值頻率，以及根據這個中間值調整比特檢測門限。
確定自生成廣播信號的中間值通常涉及檢測自生成廣播信號的正峰值和負峰值，以及確定自生成廣播信號的峰—峰偏移值。通過發送自生成廣播信號同時估計所述正、負峰值。在大多數應用中，在峰—峰偏移值確定後包括一個濾波處理，用來減小短期抖動，進一步確定比特檢測門限值。通常，通過收發單元內發送信號電平反饋通道的中間電平頻率反饋通道接收自生成廣播信號。
在本發明的另一個實施例中，給出了在TDMA通信系統中實現的一種比特檢測門限調整電路。這種電路包括一個通過以預定數據率對信號採樣將模擬基帶輸入信號數位化的模數(A/D)變換器以及與A/D變換器電連接、接收來自A/D變換器的信號並確定正/負峰值的正、負峰值檢測器。此外，這種電路還包括一個與正、負峰值檢測器進行數據通信的計算任務單元，用來計算峰—峰偏移值，以確定比特檢測門限值。比特檢測門限值與來自A/D變換器的採樣信號一起傳送給比特檢測器，以便將採樣信號變換成數位化的數據比特流。通常，這種電路可以包括一個與計算任務單元進行數據通信的濾波器，用來對峰—峰偏移值濾波，以減小短期抖動，進一步確定比特檢測門限值。
按照本發明的一個實施例設計的系統運用一個射頻(RF)接收機鑑頻器，在它可能漂移的整個動態範圍內充分呈線性。最好，有一個溫度補償電路將鑑頻器保持在線性範圍內。接收機在發送期間保持激活，在收發開關處建立一個反饋通道來監視發送的RF信號，發送的RF信號是一個非常乾淨的信號，正和負峰值由頻率的偏移確定。模擬基帶發送信號變換成數位訊號後，由數字處理測量峰值，確定中心，將該中心設置為TDMA比特檢測門限。該中心可以取為峰值的平均值。
按照本發明的另一個實施例，建立一個中頻電平反饋通道。在這個實施例中，可以在飛行器的無線電波內發送一個短的調製模式，用來代替自有信號校準鑑頻器。該技術適用於只接收工作模式，此時不啟用RF功率放大器，因此不發送短突發通信信號。
附圖簡要說明從以下結合附圖所作的說明中可以看到本發明的以上說明的一些優點以及其他一些優點。這些附圖不一定是按比例繪製的，其中
圖1為按照本發明的一個實施例用於調整數字通信系統內的接收比特檢測門限的一種方法的流程圖；圖2為在數字通信網內一個典型的RF收發機(即數據機)的高級示意性框圖，其中示出了按照本發明的一個實施例設計的反饋通道；圖3為按照本發明的一個實施例設計的適合與圖2所示電路配合使用的比特檢測門限處理電路的高級示意性框圖。
發明詳細說明下面將結合示出本發明的優選實施例的附圖對本發明進行更為詳細的說明。然而本發明可以用許多不同的形式實現，不應該認為只局限於在這裡所提出的各實施例；提供這些實施例可以使所述內容更為透徹和全面，向熟悉該技術領域的人員充分表達本發明的範圍。同樣的標號始終指的是同樣的單元。
參見圖1，所示出的是按照本發明一個實施例調整數字通信系統內的接收比特檢測門限的一種方法的流程圖。所考慮的這種數字通信系統通常包括時分多址(TDMA)突發通信系統，其特徵是以高數據率進行短持續時間(即突發)通信。可以想像和在這裡所揭示的這種獨創性的構思內，本發明的比特檢測門限調整方案也可與其他數字通信系統配合運用。在本發明的一個實施例中，TDMA突發通信系統被應用於自動相關監視廣播(ADS-B)業務，這種業務通常例如用於傳輸空載和地面通信的消息。然而，可以理解，本發明並不局限於這種應用，本發明在其他TDMA突發通信系統中也有廣泛的應用。
在步驟10，比特檢測門限調整過程接收一個自生成廣播信號，諸如由一個飛行器或者任何其他運載工具發送的「自有」廣播消息。舉例來說，在ADS-B業務中，每個所配備的飛行器一般每秒廣播一個包括各自狀態向量信息諸如位置和速度之類的消息。如熟悉該技術領域的人員所知，所謂「自有廣播消息」(即自生成廣播信號)是指飛行器發送的信號，而「停播廣播消息」是指「自有」飛行器接收的由通信系統內其他實體發送的信號。
為了在接收機比特檢測電路監視或接收「自有」發送消息，通常需要在通信系統的收發單元內配置一個反饋通道。在本發明的一個實施例中，用一個半雙工無線電數據機作為收發單元，而在這個數據機內可以實現一個反饋通道，以將發送信號從發送通道中吸取到接收機通道。可以配置各種裝置向接收機提供反饋信號，因此都是在這裡所揭示的本發明的範圍之內。舉例來說，將在詳細說明中稍後說明的圖2例示了在一個諸如數據機之類的通信鏈路內提供反饋通道的兩種實施例。
此外，對於接收或監視自生成廣播信號的比特檢測門限調整過程來說，接收機檢測電路必需在發送「自有」消息時保持激活(即接通)，而在「自有」消息發送完成時去激活(即斷開)。這樣就確保比特檢測調整過程限於只對「自有」廣播消息執行，而在接收機接收停播信號(即來自其他實體的廣播消息)時不執行。
在步驟20，比特檢測門限調整過程確定自生成廣播信號的中間值。在本發明的一個實施例中，確定中間值還要檢測自生成廣播信號的正、負頻率值和確定自生成廣播信號的峰—峰偏移值。例如，ADS-B業務中的發送信號通常是一個非常乾淨的信號，具有由頻率偏移確定的清晰的正、負頻率峰值。比特檢測門限調整過程將在發送信號中檢測出這兩個頻率峰值，再計算出峰—峰偏移值，從而得到中間值。
在步驟30，比特檢測門限調整過程根據中間值調整接收機比特檢測門限。在本發明的一個實施例中，還對峰—峰偏移進行濾波，以減小測量中的短期抖動。濾波處理的輸出就是比特檢測門限，限定為邏輯1與0狀態之間的中間點。這個比特檢測門限傳送給將採樣數據變換成數字比特流的比特檢測器。
圖2為按照本發明的一個實施例設計的在半雙工調製解調電路100內的傳輸反饋通路的例示圖。在本發明的數字通信系統內也可以實現其他的發送和接收信號的裝置，因此與其他收發方案有關的其他反饋通道也是在這種獨創性構思的範圍內。在所示的這個實施例中，用二元頻移鍵控(BFSK)調製作為射頻(RF)調製方法。在BFSK調製中，二元邏輯值「1」通過RF載波的頻率移到一個較高的頻率來表示，而二元邏輯值「0」通過RF載波的頻率移到一個較低的頻率來表示。
通過激活用來啟動電路和激活FM調製器120開始對發送的數據比特流進行調製的發送控制信號110，開始通過發送通道發送自有數據。
在標準的ADS-B業務中，每個飛行器每秒廣播一次含有它的狀態向量信息(位置和速度)的消息。這個廣播消息的格式包括一個最前面的36比特串，該比特串規定了一個獨特的同步模式。在ADS-B業務以只接收模式開展時，該業務不廣播消息，然而由於系統仍然接收消息，因此仍需要用一個自生成信號來校準系統。因此，在只接收模式中，發送一個空閒模式，這個模式通常不包括同步模式，因此其他飛行器或基站檢測不到。為在此討論方便，標準的ADS-B業務廣播消息和只接收模式的空閒模式一起稱為「自有」消息/發送，用於本發明的校準過程。
通過激活用來啟動電路和激活FM調製器120開始對發送的數據比特流進行調製的發送控制信號110，開始通過發送通道發送自有消息。該FM調製器將發送的比特流變換成一個調頻(FM)信號。按照本發明，通過「自有」發送來確定FM鑑頻器130的DC偏置，從而可以相應調整比特檢測門限。為了將「自有」發送傳送給FM調製器，配置了一個反饋通道，使發送信號可以吸至接收機通路。在本發明的一個實施例中，在RF功率放大器150前的反饋通道140執行中頻電平環回功能。有益的是，本實施例使門限調整可以在不通過天線160發送任何RF信號的情況下(諸如設備配置成用於只接收業務之類)進行。在這種情況下，空閒模式用作門限調整的「自有」消息。雖然沒有示出，在反饋通道140內可以包括一個由發射機電路驅動的開關，以有選擇地使發送通道與接收通道耦合。
一旦自有發送信號已通過反饋通道140饋給接收通道，該信號將通過使信號的信道變窄的IF濾波器170後加到FM鑑頻器130上。FM鑑頻器負責將所接收的信號的頻率偏移變換成隨時間的電壓變化。作為一個例子，一個比特的持續時間大約為1微秒，而頻移大約為+/-300千赫(kHz)。對於典型的FM鑑頻器來說，在接收到一個表示邏輯1頻率的信號時可以有大約2.0伏特的輸出，而在接收到一個表示邏輯0頻率的信號時有大約1.0伏特的輸出。
如在發明背景中所說明的那樣，FM鑑頻器的一個特徵是它們非常容易受到由於溫度和校準以及其他因素而引起的DC偏置漂移的影響。消除這種漂移的電路補償不但有問題，而且很不經濟。FM鑑頻器的另一個特徵是在沒有RF輸入信號的情況下，輸出中有電平很高的噪聲。在有RF信號時，噪聲電平大大降低(FM「靜噪」效應)，從而在鑑頻器的輸出信號中所希望的調製佔優勢。與BFSK調製的RF載波的正常偏差相比，可能影響FM鑑頻器的DC偏置的其他因素(諸如由於飛行器相對運動而引起的都卜勒頻移之類)影響很小，就減小DC偏置漂移來說可以不予考慮。
可選地，可以實現反饋通道180，以用發送的RF信號如在ADS-B業務期間執行環回的功能。在這個實施例中，發送信號通過收/發開關190寄生地漏入接收通道。正如先前所說明的那樣，通過激活用來啟動電路和激活FM調製器120開始對發送的數據比特流進行調製的發送控制信號110，開始發送自有數據。來自本地振蕩器200的頻率在混頻器210加給發送信號，經混頻的信號由RF發射功率放大器150放大到足夠的發射功率。在信號傳送到收/發開關190和天線160前，信號可以寄生地通過開關漏入接收通道。
一旦發送信號漏至接收通道，它將遇到用來將信號限制到所希望的帶寬內的前端濾波器220和用來將信號放大到足夠的接收機功率的RF接收機功率放大器230。來自本地振蕩器200的頻率在混頻器240加到接收信號上，所得到的信號傳送給上面所說明的IF濾波器170和FM鑑頻器130。有益的是，發送信號漏過開關190的這個實施例不需要對調製解調電路100作任何物理修改，可以在數據機的正常發送操作期間實現。
參見圖3，圖中例示性地示出了按照本發明的一個實施例設計的比特檢測電路300。熟悉該技術領域的人員可以理解，在這裡所說明的比特檢測電路各單元可以用硬體、軟體或硬體軟體結合實現。在這個比特檢測電路中，來自圖2的數據機或任何其他收發單元的模擬基帶信號得到處理。無論反饋通道是怎樣實現的，最初，A/D變換器310以為數據率若干倍的採樣率對模擬基帶信號進行採樣。正峰值檢測電路320和負峰值檢測電路330用來對來自A/D變換器310的數位化信號進行處理。峰值檢測電路320、330在發射機啟動後就被接通，使得檢測器不會飽和在FM靜噪效應出現前存在的高噪聲電平。在檢測電路320、330被接通時，它們清除還保留著的先前的值，開始分別跟蹤輸入的高、低峰值。
傳輸一完成，就斷開正、負峰值檢測器320、330，它們所測得的值由計算任務單元340讀取。計算任務單元340得出正、負峰值之間的平均值(例如通過平均)，再由濾波器350進行濾波處理，減小測量中的短期抖動。濾波器350的輸出為信號的表示在邏輯1和0狀態之間的中間點的值，這就是比特檢測門限。所得到的比特檢測門限傳送給比特檢測器360。
在這方面，每廣播一次自有消息就更新比特檢測門限，使得短期和長期漂移兩者都得到自動補償。比特檢測器360用這個門限值將數位化基帶輸出變換成一個二元數據流。在這個ADS-B業務實施例中，消息接收過程用這個數據比特流來獲得理想的用於接收其他飛行器發送的ADS-B消息的時間同步。
在一個優選實施例中，A/D變換器310、正、負峰值檢測器320、330和比特檢測器360可以用硬體實現，而計算任務單元340和濾波器350可以用軟體實現。
本發明針對需要，提出了一種最佳調整在TDMA突發通信系統內的接收比特檢測門限的系統和方法。同樣，在採用本發明的檢測門限調整方案的系統中，確定時間同步成為一個容易得多的任務。在這裡所揭示的系統和方法提供了一個簡化的過程，可以不用對模擬基帶輸出信號進行採樣和/或後處理。
受益於上述說明和附圖中所述的本發明的原理，熟悉該技術領域的人員可以想出本發明的許多變型和其他的一些實施方式。因此，可以理解，本發明並不局限於所公開的這些特定實施例，各種變型和其他實施方式都被包括在所附權利要求書給出的本發明的範圍之內。雖然在這裡用了一些具體術語，但它們是在一般和描述意義上使用的，並沒有限制意義。
權利要求
1.一種調整數字通信系統內的接收比特檢測門限的方法，所述方法包括下列步驟接收一個自生成廣播信號；確定該自生成廣播信號的中間值；以及根據該中間值調整比特檢測門限。
2.權利要求1的方法，還包括在確定自生成廣播信號的中間值前對所接收的自生成廣播信號進行數位化的步驟。
3.權利要求1的方法，其中，所述接收自生成廣播信號的步驟還包括接收一個自有廣播信號的步驟，而所述確定自生成廣播信號的中間值的步驟還包括確定該自有廣播信號的中間值的步驟。
4.權利要求1的方法，其中所述確定自生成廣播信號的中間值的步驟還包括下列步驟檢測自生成廣播信號的一個正頻率峰值和一個負頻率峰值；以及確定自生成廣播信號的峰—峰偏移值。
5.權利要求4的方法，所述方法還包括對峰—峰偏移值進行濾波的步驟，以充分減小短期抖動和確定比特檢測門限值。
6.權利要求4的方法，其中所述檢測自生成廣播信號的正頻率峰值和負頻率峰值的步驟還包括基本上與發送自生成廣播信號同時檢測正頻率峰值和負頻率峰值的步驟。
7.權利要求1的方法，其中所述接收自生成廣播信號的步驟還包括通過一個中間電平頻率反饋通道接收自生成廣播信號的步驟。
8.權利要求1的方法，其中所述接收自生成廣播信號的步驟還包括通過一個發送信號電平頻率反饋通道接收自生成廣播信號的步驟。
9.一種調整TDMA通信系統內的接收比特檢測門限的方法，所述方法包括下列步驟接收一個模擬自有廣播信號；以預定數據率對模擬自有廣播信號進行數位化；從數位化自有信號中檢測一個正頻率峰值和一個負頻率峰值；根據正、負頻率峰值計算數位化自有信號的峰—峰偏移值；以及根據峰—峰偏移值調整比特檢測門限。
10.權利要求9的方法，所述方法還包括對所計算出的峰—峰偏移值進行濾波以減小短期抖動的步驟。
11.一種在TDMA通信設備內實現的比特檢測門限調整電路，所述電路包括一個模數(A/D)變換器，通過以預定數據率對信號採樣將模擬基帶輸入信號數位化；一個與A/D變換器電連接的正峰值檢測器，用來接收來自A/D變換器的信號，確定一個正峰值；一個與A/D變換器電連接的負頻率峰值檢測器，用來接收來自A/D變換器的信號，確定一個負頻率峰值；一個與正、負峰值檢測器數據通信的計算任務單元，用來計算峰—峰偏移值，確定比特檢測門限值；以及一個與計算任務單元數據通信和與A/D變換器電連接的比特檢測器，用來接收來自A/D變換器的數位化信號和來自計算任務單元的比特檢測門限值，以將數位化信號變換成一個數位化的數據比特流。
12.權利要求11的比特檢測門限調整電路，其中，所述正頻率峰值檢測器和負頻率峰值檢測器在TDMA通信設備開始發送信號時被激活以檢測頻率峰值，而在TDMA通信設備完成發送信號時去激活。
13.權利要求11的比特檢測門限調整電路，所述電路還包括一個與計算任務單元數據通信的濾波器，用來對峰—峰偏移值進行濾波，以減小短期抖動。
全文摘要
本發明揭示了在諸如以非常短的持續時間進行突發傳輸為特徵的TDMA系統之類的數字通信系統內，一種最佳調整接收比特檢測門限的方法。在本發明的一個實施例中，用半雙工無線電數據機來發送和接收消息，用於空載和地面自動相關監視廣播(ADS－B)業務。在收發單元內提供了一個反饋通道，用來將發送信號提供給接收機通道。比特檢測門限調整電路接收發送信號，將模擬基帶信號數位化，檢測正、負峰值並計算出峰－峰偏移值，從而確定比特檢測門限值。
文檔編號H04J3/00GK1442010SQ01812617
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月9日 優先權日2000年7月10日
發明者史蒂芬·A·羅斯, 託馬斯·李·莫斯赫爾 申請人:美國聯合包裹服務公司