通過互補序列來改進信噪比的設備和方法

2023-06-12 10:17:06 2

專利名稱：通過互補序列來改進信噪比的設備和方法
技術領域：
本發明適用於電信行業。
背景技術：
依照克勞德·艾爾伍德·申農(Claud Elwood Shannon)在1948年所給出的公式，通信系統的效率基本上由接收器中所使用的帶寬和信噪比來確定C＝Blog2(1+Ps/Ns)(位/秒) (1)增加帶寬需要使用資源，而由於社會上需要大量的電信服務，所以資源變得越來越稀缺。我們可以改變的唯一因素是接收中的信噪比，Ps/Ns。由於設備功耗必須儘可能被降低，特別是在行動裝置中，所以不希望增加傳輸功率Ps。因此，唯一可以被降低的要素是接收器中的噪聲功率。大多數降噪技術利用所考慮噪聲的統計特性。
通常，儘管並不總是如此，用來建模通信系統的噪聲是高斯白噪聲(Gaussian white noise)，其光譜功率密度沿著所關注的整個頻譜是恆定的。高斯白噪聲通常與接收中所使用的電子設備的噪聲溫度或噪聲係數相關聯。通常，所述噪聲被建模為由等效噪聲電阻(R)在帶寬(B)和在工作溫度為絕對溫度(T)的情況下所生成的噪聲。換句話說N0＝kTBRwatts(2)其中K是玻耳茲曼常數(Boltzman constant)。
通常對於1歐姆電阻按每赫茲的瓦特數來使用項噪聲密度。
用於改進通信系統的信噪比(SNR)的最有效技術之一被稱為匹配濾波器。
假定所述噪聲是高斯噪聲，所述技術可優化SNR。最顯著情況是使用通過序列來發送的符號的數字編碼系統，所述序列的自相關函數與Krnecker增量(delta)儘可能類似。為此，在大多數當前應用中，使用Barker、Willard、Gold、Kasami和Walsh序列以及其它許多序列已經變得很普遍。這樣，所使用序列的長度N使得可增加信噪比或降低信號電平以便正確地檢測所接收的信號。這種改進的係數被稱作處理增益Gp，並且可以被表示為GP＝10log10(N)dB.(3)該技術的缺點在於，由於每個符號由長度N的序列來編碼，該序列的各位是按符號速度的N倍來發送的，因此隨著所使用序列長度的增加而降低了所述符號速度。如果有必要維持發送速度，那麼必須增加所發送的帶寬，這是由於系統的譜效率關於N降低。在噪聲不是高斯噪聲的情況下，匹配濾波不是最好的解決方案。用於降低不同類型噪聲的技術取決於應用，並且取決於通信系統的特點。
根據上面所述，可以推斷有必要存在這樣一種技術，能夠在既不降低發送速度也不增加所使用帶寬的情況下降低噪聲，同時維持發射功率，並且獨立於所使用的調製系統。
同樣，在許多應用中，需要一定程度的私秘度，互補序列由於其不可約序列性質而非常複雜，難於通過分析方法來進行解密，由於同時改進了信噪比，所以可以在發送或存儲信息之前加密所述信息，並且在以後的接收或讀取時解密該信息。
尚未發現存在任何具有本發明目的的特徵的專利或實用新型。

發明內容
這裡所提出的本發明使用M個互補序列組。通過互補，應當理解，它們自相關的求和導致Krnecker增量。該M的值還與其中各序列組彼此正交的互補序列組的數目相符。通過正交，應當理解，每組中互補序列的互相關的求和為零。在正交序列對(M＝2)的特定情況下，它們接收名稱為Golay的序列(為了紀念其發現者)。(這些概念在Tseng、C.-C.和Liu、C.L.的文章「Complementary Sets of Sequences」中論述，見IEEE Trans.Inform.Theory，卷IT-18，第5號，第644-652頁，1972年9月。)這裡的解釋將集中在Golay序列，因這是最簡單的情況，不過本專利可擴展到任何M值。
在本發明中所使用序列的主要特性在於它們具有理想的自相關特徵，即它對應於完美的Krnecker增量以致它們符合11[n]+22[n]++MM[n]=MN,n=00,n0---(4)]]>其中φii是每個所選長度為N的M個互補序列的各個自相關。特別是對Golay互補序列對的情況是II[n]++QQ[n]=2N,n=00,n0---(5)]]>根據迄今所知的所謂基本2、10和26位內核來執行這種序列的生成(產生Golay序列的規則在M.J.E.Golay的論文「ComplementarySequences」中論述，該文章發表在IRE Transaction on InformationTheory，Vol.IT-7，第82-87頁，1961年4月)。
當插入常規的通信設備中時，本發明的編碼和解碼系統目標使得可根據所使用的互補序列長度來改進信噪比(SNR)。因而，它允許通過控制所述序列的長度來控制系統質量。
它由兩個裝置或設備組成編碼器和解碼器。
編碼設備負責執行以下任務●使用至少兩個相位來採樣由調製系統所產生的發射器基帶信號。
●利用與其餘的相位正交的所選互補序列組來卷積每個相位。
●執行不同相位的求和來形成每個新的編碼相位。
●向發射器發送合成信號，這樣例如通過RF臺和天線把所述合成信號發射到傳輸裝置。
解碼設備負責執行以下任務●使用至少兩個相位來採樣由解調系統產生的接收器基帶信號。
●不同的相位與對應於每個相位的互補序列組做相關來進行恢復。
●執行所提取的不同流的求和，以形成每個新的解碼相位。
為了能夠解釋本發明的理論基礎，適於使用過程框圖(圖1)。為了簡單起見，假定使用具有兩個基帶相位I1和Q1以及兩個長度N的Golay正交互補序列對(A1/B1-A2/B2)。如同所述，編碼過程開始於塊2.1和2.2(參見圖2)，其中執行以下操作I21[n]=k=-I1[n-k]A1[k];]]>Q21[n]=k=-I1[n-k]B1[k]]]>I22[n]=k=-Q1[n-k]A2[k];]]>Q22[n]=k=-Q1[n-k]B2[k]---(6)]]>
最終的處理包括把所有相位(在這種情況下為兩個)的I和Q分量相加以得到下列表達式I2[n]＝I21[n]+I22[n]Q2[n]＝Q21[n]+Q22[n] (7)用(6)來替換，I2[n]=k=-I1[n-k]A1[k]+k=-Q1[n-k]A2[k]]]>Q2[n]=k=-I1[n-k]B1[k]+k=-Q1[n-k]B2[k]---(8)]]>所獲得的信號I2[n]和Q2[n]被調製並通過裝置h[n]發送並且到達具有添加噪聲的接收器。因此，一旦被解調，那麼在接收中所獲得信號如下I2[n]=k=-I2[n-k]h[k]+n[n]]]>Q2[n]=k=-Q2[n-k]h[k]+n[n]---(9)]]>假定輸入過程是遍歷性的，則解碼塊處理輸入信號I2′[n]和Q2′[n]，以依照以下表達式通過相關操作來獲得原始估算信號I1[n]=I2A1[n]+Q2B1[n]=1Nj=0N-1I2[j]A1[j-n]+1Nj=0N-1Q2[j]B1[j-n]]]>=I2[j]A1[j-n]N+Q2[j]B1[j-n]N]]>Q1[n]=I2A2[n]+Q2B2[n]=1Nj=0N-1I2[j]A2[j-n]+1Nj=0N-1Q2[j]B2[j-n]]]>=I2[j]A2[j-n]N+Q2[j]B2[j-n]N]]>(10)
其中x[j]N=1Nj=0N-1x[j]]]>是被擴展到N個採樣的臨時平均數。進行替換，I1[n]=(k=-I2[n-k]h[k]+n[j])A1[j-n]N+(k=-Q2[n-k]h[k]+n[n])B1[j-n]N]]>Q1[n]=(k=-I2[n-k]h[k]+n[j])A2[j-n]N+(k=-Q2[n-k]h[k]+n[n])B2[j-n]N]]>(11)替換I2，I1[n]=(k=-[k=-I1[j-k]A1[k]+k=-Q1[j-k]A2[k]]h[k]+n[j])A1[j-n]N+]]>(k=-[k=-I1[j-k]B1[k]+k=-Q1[j-k]B2[k]]h[k]+n[n])B1[j-n]N]]>(12)和Q2Q1[n]=(k=-[k=-I1[j-k]A1[k]+k=-Q1[j-k]A2[k]]h[k]+n[j])A2[j-n]N+]]>(k=-[k=-I1[j-k]B1[k]+k=-Q1[j-k]B2[k]]h[k]+n[n])B2[j-n]N]]>(13)並且標識各項I1[n]=xI[n]A1A1N+xQ[n]A2A1N+xI[n]B1B1N+xQ[n]B2B1N+]]>n[n]A1[n]N+n[n]B1[n]N]]>Q1[n]=xI[n]A1A2N+xQ[n]A2A2N+xI[n]B1B1N+xQ[n]B2B2N+]]>n[n]A2[n]N+n[n]B2[n]N]]>(14)
其中xI[n]和xQ[n]是在沒有噪聲的情況下所接收的信號xI[n]=k=-I1[n-k]h[k]]]>xQ[n]=k=-Q1[n-k]h[k]---(15)]]>並且相關表達式為KiLj[n]=1Nk=0N-1Ki[k+n]Lj[n],/K,LA,B]]>(16)已知各互相關的求和為零，獲得以下表達式I1[n]=xI[n]A1A1N+xI[n]B1B1N+n[n]A1[n]N+n[n]B1[n]N]]>Q1[n]=xQ[n]A2A2N+xQ[n]B2B2N+n[n]A2[n]N+n[n]B2[n]N]]>(17)因此，替換N的平均數的定義，並且已知各自相關的求和為Krnecker增量2N[n]=AiAi[n]+BiBi[n],]]>得到以下表達式I1[n]=2xI[n]+1Nj=0N-1n[n](A1[j-n]+B1[j-n])]]>Q1[n]=2xQ[n]+1Nj=0N-1n[n](A2[j-n]+B2[j-n])---(18)]]>把前面表達式與常規通信系統的表達式相比較，所述系統除噪聲表達式之外完全相同，該表達式現在對應於噪聲與互補序列的互相關求和。通過應用傅立葉變換和互補序列的屬性，假定信號為真實的，那麼按頻率來表示前面的表達式I1=2I1H+NN[A1+B1]]]>Q1=2Q1H+NN[A2+B2]---(19)]]>在前面的表達式中，可以理解，所述系統的結果由對脈衝H(ω)的響應加上噪聲項組成。通過分析表達式(18)的第二項可發現該方法的主要優點。已知對於具有零平均數的過程(通常就是這樣)來說，平均功率等於零自相關xI2=xIxI
]]>xQ2=xQxQ
---(20)]]>通過計算表達式(17)的平均功率並且規範化所發送的功率，可以寫成下述方式I12=II
=xIxI
+n24N2[A1A1
+B1B1
]]]>Q12=Q1Q1
=xQxQ
+n24N2[A2A2
+B2B2
]---(21)]]>通過應用自相關屬性，產生總平均功率I12=II
=xIIxI
+n22N]]>Q12=Q1Q1
=xQIxQ
+n22N---(22)]]>其中σn2是在系統輸入端的噪聲功率。通過除以係數2N來降低此功率。因此，信噪比按等於序列長度兩倍的係數來進行改進。這可以被轉化為以下表達式ΔN＝2-Δ(S/N)/3(23)其中Δ(S/N)對應於期望信噪比按分貝(dB)的增加量，並且ΔN對應於用來獲得所述改進的序列長度的增加量。換句話說，如果序列長度被加倍，那麼獲得3dB的噪聲降低。反之，為了獲得確定dB的信噪比，必須根據表達式(22)來增加序列長度。
此方法的優點在於可按需要來獲得信噪比改進，而不考慮發送速度，並且只增加所選擇互補序列的長度，這是由於為獲得接收中的高信噪比不需要大的傳輸功率。
在互補序列組的通常情況下，這種改進對應於處理增益(按分貝衡量)，在這種情況下被定義為GP＝10log10(NM)dB (24)其中N對應於在調製中使用的互補序列長度，並且M對應於構成每個正交組的序列數目，並且還與正交組的數目相符。這種特徵對於在應用中確定通信的安全和質量是非常重要的，包括希望低傳輸功率的應用(可攜式終端、航天飛船和通信衛星)，執行長距離通信的應用(在外層空間中發送)，以及軍事應用，其中由敵人所引起的幹擾或加密發送的需要。
因此，當對傳輸功率有限制的情況下或就是希望不降低發送速度的前提下改進通信質量時，所描述的本發明構成了用於改進現在和將來通信系統的強有力的系統。


為了補充所做的描述並且為了有助於更好地理解本發明的特徵，在本說明書中給出一組附圖作為其組成部分，其中用說明性和非限制性符號示出了以下內容圖1示出了待傳輸的數據，所述數據是通過任何通信系統(1)來調製的基帶。
圖2示出了在圖1的塊(2)內所包括的編碼方法的基本圖。
圖3示出了在圖1中所示出的塊(5)的內部解碼方法的基本圖。
圖4示出了用於實現編碼器2.1的圖。
圖5示出了用於實現解碼器5.1的圖。
具體實施例方式
考慮到這些附圖，可以觀察到以下內容圖1示出了待傳輸的數據D(ω)；它是通過任意通信系統(1)來調製的基帶，在(2)中通過長度N的正交互補序列來編碼，以獲得新的基帶信號。所述信號可以被調製(3)以便發送到任意發送裝置H(ω)。在接收器(4)中，具有添加噪聲N(ω)的信號被解調(4)並且提取基帶信號連同噪聲。使用相同的正交互補序列來解碼所述信號(5)，從而在該過程的輸出端，根據所使用的序列長度N來恢復具有降低噪聲功率的相同原始信號，並因此在(6)中按降低的錯誤率來恢復數據D′(ω)。
圖2示出了在圖1的塊(2)內的編碼方法的基本圖。它由兩個完全相同的塊2.1和2.2組成，所述塊2.1和2.2分別利用輸入信號I1和Q1來實現前述的卷積。兩個塊獲得兩個相位I21/Q21和I22/Q22，所述相位被加在一起以在其輸出端獲得信號I2和Q2，所述信號I2和Q2隨後被發送到傳輸階段。
圖3示出了圖1的塊5的內部解碼方法的基本圖。有兩個完全相同的塊來執行輸入信號與分配給該傳輸信號的正交互補序列的相關，在輸出端獲得按改進信噪比傳輸的信號的估計。
圖4示出了用於實現編碼器2.1的圖，該圖示出了輸入信號與相應的序列A和B的同時卷積過程，用以獲得輸出信號I2i/Q2i，i為相應塊號。兩個塊是完全相同的，而且如在整個該文所解釋的，所使用的序列組都符合彼此正交的屬性。
圖5示出了用於實現解碼器5.1的圖；其中可以看到通過在各採樣之間內插(fs/R)-1個零來使輸入信號與相應序列A和B相關的處理。兩個相位的結果被加在一起以獲得每個恢復相位I1′/Q1′。
下面詳細描述應用於自由空間無線電點對點通信系統的該方法的可能實施例。為了清楚起見，該實現是圖1中圖示的正交發射器的情況，該正交發射器使用兩個相位I/Q來執行數據的調製，因此需要兩個互補序列組，並且在這種情況下，為了簡明使用Golay互補序列。
根據前面的解釋，這開始於兩個長度為n位的Golay互補序列對(A1/B1-A2/B2)，所述序列在以前通過4個二進位登記項(registration)(值1和-1)來產生並存儲在發射器中，要分別與輸入信號I1和Q1的採樣做卷積。在相同的圖4中，還可以詳細地看到用來構成編碼器的一個基本編碼塊(BCB)。
編碼器執行以下任務，其中R是原始系統按符號/秒的傳輸速度至少按尼奎斯特(Nyquist)頻率(2R)來超採樣(oversample)的相位I/Q的數字數據被同時轉換並且與序列A和B做卷積，並且把結果發送至對應於該採樣頻率的兩個輸出端。卷積器按該採樣頻率執行卷積操作，但是利用m-1個零來內插用來做卷積的互補序列的樣本，其中m是每個符號的採樣數目，並且它依賴於採樣頻率fs，具有關係m＝fs/R。
圖3示出了解碼器的詳細圖，所述解碼器也由兩個在圖5中所詳述的基本解碼塊(BDB)形成。所述完全相同的塊執行以下任務所接收的數據I2′/Q2′與在編碼中所使用的相同序列相關，具有相同零內插級(m-1)，以使得相關器的輸出按逐個採樣被加在一起，並因而重構原始傳輸信號I1′/Q1′的複製品。
兩個設備組成了編碼和解碼系統。
權利要求
1.一種通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，基本上其特徵在於所述設備包括-任意通信系統(1)-編碼器(2)-調製器(3)-接收器(4)-解碼器(5)，由兩個相同的基本解碼器塊構成，其使用互補序列組來編碼基帶調製信號及其頻譜，從而在不改變傳輸速度的情況下顯著改進接收中的信噪比。
2.如權利要求1的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於所述編碼器(2)至少包括-通過通信信道傳輸信息，包括產生互補的正交或低互相關序列組，用於編碼該基帶調製信號；-並且其中在編碼中使用的二進位序列產生器使用互補的正交或低互相關序列組來編碼任何常規的正交調製系統的至少兩個低頻段相位；-至少兩個互補序列組與待編碼的兩個可能相位做卷積以獲得兩個編碼的輸出相位；-M個互補序列組與待編碼的M個可能相位做卷積以獲得M個編碼的輸出相位；-並且其中通過卷積M個互補序列組所產生的各相位使用M個加法器來逐個相加該M個相位並因而獲得構成M個編碼信號的M個相位。
3.如前述兩個權利要求的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於在編碼處理中所獲得的M個信號被發送到發射器，以使得可通過允許同時發送M個相位的調製把它們發送到傳輸或存儲裝置。
4.如前述各權利要求的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於編碼所調製信息流的信息並且將所編碼的信息發送到任意傳輸或存儲裝置，使用了序列組或組合，並且其至少包括-M個基帶輸入相位採樣；-把長度為N的M個互補序列組存儲在N位的二進位登記項中；-M個相位採樣與各位之間內插了m-1個零的M個互補序列組做卷積，其中m＝fs/R，其中fs是輸入信號採樣頻率並且R是按符號/秒的傳輸速度；-對應於M個基帶輸入相位採樣的卷積結果來產生M個輸出相位；-逐個相位地相加M個卷積塊中的每個來獲得M個編碼的輸出相位；-向傳輸或存儲裝置發送所獲得的相位。
5.如前述各權利要求的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於為了解碼或加密待通過任意傳輸或存儲裝置來發送的信息，所述編碼器(2)根據權利要求4來編碼基帶中的信息。
6.如前述各權利要求的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於根據相關或不相關的解調器來執行通過通信信道或存儲系統來接收信息的設備，它提取相應M個相位並且至少包括-匹配濾波器，適合於在傳輸(相關器或卷積器)中所使用的互補序列組及它們的求和；-用於使所述匹配濾波器的輸出適應於該基帶接收器的裝置。
7.如前述各權利要求的通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，其特徵還在於所述解調器至少包括-用於適應並同步在接收或讀取階段中所得到的重新調製的M個相位的裝置，所述重新調製的M個相位由所接收的信號組成，並且把它們中的全部引入到M個基本解碼塊(BDB)中的每個；-對應於不同的恢復相位，通過適合於該M個互補序列組的相關、卷積或匹配濾波器來進行過濾；-對應於該相同互補序列組的每個M相關的結果做M個求和來獲得原始的調製信息流。
全文摘要
一種通過互補序列來改進信噪比的設備和方法，包括使用M個互補序列組，把互補理解為它們自相關的求和，結果為Krnecker增量，M值與彼此正交的互補序列組的數目相符，正交被理解為每組互補序列的互相關求和為零。
文檔編號H04L27/00GK1993950SQ200580013064
公開日2007年7月4日 申請日期2005年4月22日 優先權日2004年4月26日
發明者維桑特·迪亞斯·富恩特, 丹尼爾·埃爾南斯·奇洛埃切斯, 赫蘇斯·貝裡安·穆希卡 申請人:維桑特·迪亞斯·富恩特