結合脈衝位置和相位調製且每個時段允許一個以上的脈衝有效的傳輸方法
2023-07-12 22:51:01 2
專利名稱：結合脈衝位置和相位調製且每個時段允許一個以上的脈衝有效的傳輸方法
技術領域：
一般而言，本發明涉及傳播信號，具體來說，涉及通過將每個組多個脈衝調製與同時相移和時移調製相結合來進行調製的傳播信號。
背景技術：
電子數據傳輸需要進行某種形式的信號調製，該調製將數據編碼到信息承載信號中，以便信號可以通過傳輸介質進行傳播，並進行解調以準確地恢復最初編碼的數據。調製可以被視為這樣的過程數字數據、語音、音樂、及其他「智力信號」被添加到由發射器產生的無線電波中，以便智力信號處於適於傳播的形式。調製還可以被視為按照允許編碼數據被可靠地解碼的方式將信息添加到電子或光信號載波中。調製可以應用於直流(主要通過打開和關斷)、交流以及光信號中。甚至可以將毯子波(blanket waving)視為在煙幕信號傳輸中使用的調製的一種形式(載波是穩定的煙霧流)。為電報發明的並且在業餘無線電中仍在使用的莫爾斯電碼是一種調製方法，它使用類似於現代計算機所使用的代碼的二進位(雙態)數字代碼。
調製意味著佔用帶寬，帶寬是一種寶貴的資源，節省該資源對於大家都十分重要，但是，對於數據和信號傳輸行業尤其重要。隨著技術的允許，節省帶寬的要求增大了用戶最有效地使用帶寬的壓力。提高帶寬效率的一種方法是利用能夠使在有限的時間間隔內傳輸的數據或信息量最大化的傳輸技術。提高在有限的時間間隔內傳輸的數據量的一種方式是利用能夠使在分配的時間間隔內傳輸的編碼數據最大化的那些調製方法。
目前用於調製電子信號以傳輸數字數據的方法有許多種。對於大多數無線電和電信用途，調製的載波是給定頻率範圍內的交流(AC)。一些比較常見的調製方法包括調幅(AM)，其中載波信號的振幅隨著時間的變化而變化；調頻(FM)，其中，載波信號的頻率改變；以及相位調製(PM)，其中，載波信號的相位隨著時間的變化而變化。這些調製方法都被歸類為連續波調製方法，以便將它們與用於以二進位方式對數字和模擬信息進行編碼的脈碼調製(PCM)方法區別開來。還有更複雜的調製形式，如相移鍵控(PSK)和正交調幅(QAM)，以及通過施加改變雷射束強度的電磁電流來對光信號進行調製的方法。
依據所預期的用途，前述的所有調製方法都可以在較長的一段距離內對電子數據進行相對可靠的傳輸。然而，由於要傳輸的數據量不斷地增加，越來越多的帶寬被使用，因此，需要更有效的數據傳輸能力。由於有更多的信息被數位化，對傳輸系統和帶寬需求施加了更大的壓力。雖然改進的設備和技術對於解決由增大的帶寬需求所引起的問題有某些幫助，但是，也需要其他解決方案。
部分地解決有限帶寬問題的一種方式是在載波上對更多數據進行編碼。如果在有限的時間間隔內傳輸的數據量增大，則基礎結構和支持這樣的基礎結構所需的設備可以顯著減少。
如此，當前技術中所需要的是調製電子信號的新的和新穎的方法，以增大可以傳輸的數字數據量並提高進行這樣的傳輸的速率。
發明內容
為解決現有技術的上文所討論的不足，本發明提供這樣的傳播信號(1)分為一組時隙的時間間隔，每一個時隙都具有唯一的相位/時間位置；(2)在各時隙中分布的多個脈衝根據這樣的唯一相位/時間位置來對數據元素進行編碼。
因此，本發明引入了傳播信號的廣泛的概念，所述的傳播信號具有通過一組時隙中的一個以上的脈衝編碼的數據，所述的時隙在一個時間間隔具有唯一的相位/時間位置。與使用現有技術的編碼方法相比，這種新而新穎的對信號進行編碼的方法可以顯著地增大傳播信號在特定時間間隔所能攜帶的數據量。
在一個實施例中，傳播信號具有通過映射可確定的數據元素。在本發明的另一個實施例中，傳播信號在組中具有相鄰的時隙，而在另一個實施例中，各時隙是不相鄰的。在本發明的再一個實施例中，傳播信號具有的時隙的間隔是不均勻的。
在本發明的一個特別有用的實施例中，傳播信號具有至少十五位長的數據元素。正如那些精通相關技術的普通人員所理解的，十五位長的數據元素允許在其上對大量的特定代碼進行編碼。
在本發明的再一個實施例中，數據元素是從包括標頭、錯誤檢測消息和數據消息的組中選擇的。正如那些精通相關技術的普通人員所理解的，傳播信號最有可能包含許多數據元素，當這些數據元素結合在一起時，構成離散的信息體。這樣的傳播信號有可能包含不同類型的數據元素，以便離散的信息體具有標頭數據、數據消息、同步元素和錯誤檢測元素的某些組合。
本發明的一個實施例提供了具有多個時間間隔的傳播信號。此實施例的另一個方面提供其中的各組具有不同數量的多個脈衝的傳播信號。在此實施例的再一個方面，時隙的數量在各時間間隔中是不同的。
前面的內容概述了本發明的優選和備選的功能，以便那些精通本技術的人員可以更好地理解隨後的本發明的具體實施方式
。下文將描述本發明的其他特點，這些特點構成了本發明的權利要求的主題。那些精通本技術的人員應該理解，他們可以輕鬆地使用所說明的概念和特定的實施例作為基礎，設計或修改執行本發明的相同用途的其他結構。那些精通本技術的人員還應該認識到，這樣的等同的結構不會偏離本發明的精神和範圍。
為對本發明有一個比較完整的理解，現在將參考下面結合附圖進行的詳細說明，其中
圖1A-1D顯示了常規現有技術的數字脈衝位置調製(PPM)方法的脈衝位置的圖形，其中，數據是由位於四個脈衝位置中的某一個脈衝位置的脈衝進行編碼的；圖2顯示了在圖1A-1D中單獨顯示的四個時隙的組，示出了每一個脈衝的正確的常規PPM脈衝位置；圖3顯示了在相鄰的脈衝位置之間具有大的邊緣重疊的多個脈衝的波形的示例；圖4顯示了一個圖形，示出相鄰的時隙位置之間的有限的檢測餘量，其中信號具有強烈的重疊脈衝；圖5A-5B顯示了在每一個相鄰的脈衝之間添加了+90°相位的情況下允許的脈衝的實部和虛部；圖6顯示了一個圖形，示出相鄰允許的狀態之間的相位差為78.5的本發明的一個實施例的波形；以及圖7顯示了允許每組多個脈衝與同時的相移和時移調製一起使用的最小間隔規則的應用的示例。
具體實施例方式
首先請參看圖1A-1D，它們顯示了常規現有技術的數字脈衝位置調製(PPM)方法的脈衝位置110的圖形100，其中，數據是由位於四個脈衝位置110中的某一個脈衝位置的脈衝120進行編碼的。為幫助更好地理解本發明，對PPM作簡要介紹是有幫助的。
常規的PPM提供要被分成單獨的樣本值的數據流，然後使用單脈衝120傳輸一個樣本值。圖1A-1D顯示了一個離散的時間跨度內脈衝120的四個可能的值，或脈衝位置110。這四個脈衝位置110還可以被視為位於包含四個時隙的一組中。
通過改變離散的時間跨度內時隙組中的脈衝120的位置，樣本中的數據或信息被傳輸。使用一系列脈衝位置110傳輸來對整個數據流進行傳輸。連續的時間跨度中的單個脈衝120類似地傳輸連續的樣本值中包含的信息。
現在請看圖2，該圖顯示了在圖1A-1D中單獨顯示的四個時隙的組，其中示出每一個脈衝120的正確的常規PPM脈衝位置110。常規的PPM只傳輸組中的一個脈衝120。當在組中的每一個允許的峰值脈衝位置110執行解調採樣時，三個樣本的值基本上為零，且正確的樣本將具有為「1」的值或振幅。然而，如果在解調過程中採樣不能正確地與這些峰值脈衝位置同步，那麼，「正確的」脈衝位置110處的脈衝120振幅將開始縮小，而相鄰位置處的振幅將大於零。
顯而易見，為確保進行可靠的數據傳輸，有許多因素必須考慮。其中一個是脈衝位置110之間的最小時間間隔。按一般規律，PPM要求脈衝位置110之間的最小時間間隔足夠大，以確保相鄰脈衝120的邊緣在相鄰的脈衝120峰值處基本上為零。圖1A和圖2中還顯示了Tmin，這是通常所公認的PPM所需的允許的峰值脈衝120之間的最小時間間隔。此Tmin被設計用於改進解調採樣過程中準確地識別特定脈衝120並將它從由靠近的或相鄰的脈衝120所引起的「符號之間」的幹擾(如果有的話)分開的能力。
進行可靠的數據傳輸要考慮的另一個因素是採樣的時間與潛在脈衝位置110的同步。如果這樣的採樣不能正確地與脈衝位置110同步，或者如果脈衝120不能正確地在其預定的時隙內，那麼，「正確的」脈衝位置110處的振幅將小於「1」，而相鄰位置處的振幅將大於零。然而，即使發生這種情況，信號最有可能仍被正確地解調，因為PPM通常在構成一組時隙的指定的時間間隔內只提供要傳輸的單個脈衝120。此因素通常可使脈衝120的位置沒有太大困難地正確地確定。
如果系統中存在嚴重的噪聲，則定時誤差變成比較嚴重的問題。當系統噪聲與嚴重的定時誤差結合時，就增大了不正確解調採樣的概率。另一方面，如果定時誤差小，則信號通常可以被解調，即使存在嚴重的噪聲。按一般規律，除非信噪比非常差(小)，否則，只要定時誤差小於Tmin/2，則信號仍可以成功地被解調。
雖然PPM被廣泛使用，但在離散的時間間隔內可以編碼的數據量嚴重地受限。本發明提供了一種新的調製方法，其允許多個脈衝120包括在一組時隙中。此特徵可以使多得多的數據在給定的離散時間增量內被編碼和傳輸。再次請參看圖1A-1D和圖2，當使用常規PPM技術時，包含四個時隙的一個組只允許傳輸2個二進位位的數據。如果在PPM中使用其中每一組都具有四個時隙的四個組，則有256個可以傳輸的可能的數據組合(4個狀態×4個狀態×4個狀態×4個狀態＝256個狀態)。這對應於8位數據，或者為在單個組中可以編碼的數據的四倍的數據。這256個狀態將總共佔用十六個時隙。如果十六個時隙合併成單個組，並且使用常規PPM方法來對數據進行編碼，則十六個時隙中只有一個時隙被脈衝120佔用，16個狀態將只對4位數據進行編碼。這顯然大大地少於當相同的十六個時隙分為其中每一組都具有四個時隙的四個組時可以容納的256個狀態。
利用單個時隙中的組中的多個脈衝120所產生的優點是顯而易見的。例如，可以表明，如果四個脈衝120被允許佔用包括16個時隙的一組中的任何四個位置，則存在1,820個可能的狀態，這比使用其中每一組都具有四個時隙的四個組的常規PPM時可用的256個狀態編碼的數據多得多。此外，如果在包含十六個時隙的組中使用八個脈衝120，則有12,870個可能的狀態可用來對數據進行編碼，這表明數據承載能力更進一步地增加。如果進一步延伸該概念，並允許在包含十六個時隙的組中有7、8或9個脈衝，則至少會有35,750個狀態可以用來對數據進行編碼數據，這對應於15位以上的數據，與此相比，在使用常規PPM的情況下，在相同的空間中，只可以對八位數據進行編碼。
在序列號為No.10/066,173，Hartmann，Clinton S.共同轉讓的標題為「Modulation by Multiple Pulse Per Group Keying and Methodof Using the Same」的美國專利申請中，詳細描述了利用一組時隙中多個脈衝對數據編碼的方法，這裡引用該發明的內容作為參考。所描述的發明在一組時隙中提供多個脈衝，但仍要求脈衝位置由Tmin分開。本發明允許在一組時隙中使用多個脈衝，而沒有Hartmann-One的發明中所存在的局限性。這是通過結合用於藉助同時相移和時移調製對數據進行編碼的某些原理來實現的，所述的同時相移和時移調製在序列號為No.10/062,833，Hartmann，Clinton S.共同轉讓的標題為「Modulation by Phase and Time Shift Keying and Method of Usingthe Same」的美國專利申請中進行了詳細描述，這裡對該發明進行引用作為參考。
當在一組時隙中使用多個脈衝時，成功地區別單個脈衝的兩個可能的位置的能力是非常關鍵的。在脈衝部分地重疊，以使一個允許的脈衝位置的邊緣與相鄰的脈衝位置重疊的情況下(如圖2中的波形所示)，就更難以對信號進行解調以便可以檢測最初編碼的脈衝位置。隨著重疊變大，檢測就越來越成問題。
現在請看圖3，該圖顯示了在相鄰的脈衝位置之間具有大的邊緣重疊的多個脈衝的波形的示例。由於存在嚴重的邊緣重疊，顯而易見，對於相鄰的脈衝位置，解析度特別差。儘管增大一個時隙組中的脈衝數量可以增大數據密度，但是，它是很少在PPM中使用的方法，因為檢測餘量會明顯降低。
現在請看圖4，該圖顯示了一個圖形，示出相鄰的時隙位置之間的有限的檢測餘量，其中信號具有強烈的重疊脈衝。為解調具有這樣的強烈重疊脈衝的信號，需要極好的同步，這就意味著，在所有可能的脈衝位置的峰值位置(即，在水平軸上的所有整數位置)對接收到的信號進行採樣是很關鍵的。信噪比也必須非常強(即，甚至小的噪聲量也可以大於小的檢測餘量)。
為在脈衝之間實現更有效的和正的解析度，本發明規定允許的脈衝可以被修改，以便每一個脈衝不僅具有不同的時間位置，而且還相對於其相鄰的脈衝具有不同的相位。例如，如果在每一個相鄰的脈衝之間添加了±90°的相位跳躍(phase step)，那麼，t＝0(時間等於零)時的脈衝可能具有0°的相位角，t＝1時的脈衝具有±90°，t＝2時的脈衝具有±180°，t＝3時的脈衝具有±270°，t＝4時的脈衝將具有±360°，等等。
現在請看圖5A-5E，它們顯示了在每一個相鄰的脈衝之間添加了+90°相位的情況下允許的脈衝的實部和虛部。使用90°的倍數，如圖所示，所有奇數號碼的脈衝具有等於零的實部，而所有偶數號碼的脈衝具有等於零的虛部。然而，正如對於那些精通相關技術的普通人員顯而易見的，可以表明，一般而言，可以使用各種各樣的角度，其中許多能夠提供與所顯示的90°的情況相同或更好的性能。例如，相位角差可以改變+20°以上，而不會對解調過程中檢測脈衝的能力造成嚴重的下降。
為解調所顯示的信號，在適當的峰值位置(t＝0、1、2，等等)將對接收到的信號的實部進行採樣。此外，採樣信號的相位也從一個時隙移到下一個時隙，以便採樣信號與該時隙位置的脈衝的預期相位一致(如果脈衝應該在這樣的位置發生)。
現在請看圖6，該圖顯示了一個圖形，示出相鄰的允許的狀態之間的相位差為78.5°的本發明的一個實施例的波形。顯示了不同於90°的相位增量，以便說明與圖3中顯示的沒有相移的相同的允許的脈衝間隔相比，在允許的脈衝間隔為Tmin/5的情況下，正確的狀態及其相鄰的狀態之間存在的解析度顯著改進之處。此圖形還顯示了在相角位移不是90°的情況下，在正確的狀態及其相鄰狀態之間存在的解析度的顯著改進。可以看出，當與允許的脈衝間隔為Tmin而沒有相移的常規PPM相比時，在解析度方面有顯著的改進。在沒有相移的情況下，檢測最低餘量為0.067，而在有相移的情況下，到相鄰狀態的檢測餘量為0.81，這非常靠近接近於1的常規PPM檢測餘量。
如此，本發明的特徵在於，使用一組時隙中的多個脈衝，並按已知的方式同時移動相鄰的脈衝位置的脈衝信號的相位和時間位置兩者。通過對編碼進行映射，可以發送和解碼的數據量相當大。映射構成預先確定的布局，由此編碼信號具有基於這樣的信號的特定含義，當對這樣的信號進行解碼或解調時可以確定該信號。此布局可以呈現協議的形式，如商定的代碼表，或其他當解碼時使編碼信號具有可靠和可確定的含義的布局。使用本發明對數據消息進行編碼的優點是顯而易見的。要在傳播信號內的數據元素上編碼的大量的信息允許在非常短的時間間隔內傳輸大量的數據，從而節省帶寬。在本發明的一個實施例中，可以在單個組中對十五位以上的數據進行編碼，並且通過映射所使用的代碼能可靠地進行解碼。
在Hartmann-One中，描述了使用一個組中的多個脈衝的新的調製方法。在Hartmann-Two中，描述了在脈衝位置之間進行同時相移和時移的新型調製，其中，可以使允許的脈衝位置具有小得多的時間間隔。本發明使用了這兩個特點，還加上了某些其他可以使這兩種方法同時使用的特點。
在Hartmann-One的每個時隙組多個脈衝的情況下，允許佔用兩個相鄰的時隙，因為如圖3所示，一個脈衝的邊緣不與其相鄰的脈衝的峰值重疊。然而，如果兩個相鄰的或緊密相鄰的時隙將被使用強烈重疊脈衝同時被佔用，則在脈衝之間將存在強烈的符號之間的幹擾的可能性，這可能導致兩個脈衝之間幾乎完全抵消(如果在脈衝之間存在足夠的相移或存在顯著的同步解調錯誤)。這種潛在的幹擾需要解決。
解決前述的潛在幹擾問題的一種方法是當每個組多個脈衝調製與同時相移和時移調製一起使用時採用最小脈衝間隔規則。一個通用的規則的示例是，儘管允許的脈衝位置可以具有比Tmin小得多的時間間隔，但是，在一個波形的一個特定相位中，該波形相位中包括的任何兩個脈衝都必須始終具有大於Tmin的最小間隔。
現在請看圖7，該圖顯示了允許每個組多個脈衝與同時的相移和時移調製一起使用的最小間隔規則的應用的示例。在此示例中，在t＝0處發生波形的選定相位中的一個脈衝。根據上面描述的最小脈衝間隔規則，該波形的該特定相位中的下一個脈衝從位置t＝1、2、3和4處排除，但允許在t＝5之後的任何位置發生。在此示例中，對於所顯示的波形，在Tmin等於五個時隙的情況下，在所選擇的脈衝之間至少有四個脈衝時隙必須被跳過。可以構建一個一般規則，以便如果時隙寬度等於Tmin/N，那麼，可以將跳過因素定義為N-1。顯然，也可以使用較大的跳過因素，這也落在本發明的範圍內，並且在某些情況下是有益的，例如，在具有強烈的外來幹擾的操作環境中。當然，稍小的跳過因素在其它情況下也是有益的。
當多個脈衝在一個組中與時移和相移調製一起使用時解決兩個相鄰的時隙之間的潛在幹擾問題的另一種方法是基於在時隙之間的相移為±90°的情況下相鄰的時隙之間的正交性。如果相移充分接近於±90°，那麼，任何給定時隙中的脈衝都不會與兩個相鄰的時隙中的任何一個相互幹擾。在此情況下，所有奇數號碼的時隙都完全獨立於所有偶數號碼的時隙。然而，如上文所指出的，在存在相同脈衝相位的情況下，脈衝仍然會與其鄰居相互幹擾，如果這些鄰居的間隔比Tmin還近的話。在此特殊的「正交最近鄰居」的情況下，一種分析各選項的有用方法是將時隙分為兩個交織的子組(如I組和Q組)。然後，在必要時，將這裡所說明的Tmin最小間隔規則單獨地應用於每一個這樣的子組。這裡所描述的新型調製的特徵在於，每個組的多個脈衝與時隙之間的同時的相移和時移一起結合使用，通常可以允許相鄰時隙中的脈衝之間有顯著的重疊。
儘管這裡所描述的本發明的實施例使用了間隔均勻的時移和間隔均勻的相移，但是，那些精通相關技術的普通人員將理解，間隔不均勻的時移或相移(或者兩者)都在本發明的範圍內。同樣，各組可以在時隙的數量和/或佔用的時隙的數量方面不同，並仍在本發明的範圍內。此外，可以這樣定義單個組，以便它只具有固定數量的佔用時隙，或者，它可以允許不同數量的佔用時隙。此外，單個數據消息可以包括一種以上類型的組(例如，標頭可以是一種類型的組，實際數據是第二種類型的組，錯誤檢測/校正字可以是第三種類型的組，而同步可以是第四種類型的組)。正如那些精通相關技術的普通人員所認識的，所有這些變種以及其它變種都在本發明的範圍內。
本發明還提供了傳播信號的方法的多個實施例。在一個這樣的實施例中，該方法要求指定分為一組時隙的時間間隔，每一個時隙都具有唯一的相位/時間位置。然後該方法在這樣的時隙中分布多個脈衝，以便通過唯一相位/時間位置對數據元素進行編碼。本發明還包括傳播信號的方法的多個其他實施例。這裡闡述了足夠的詳細信息，以使那些精通相關技術的普通人員理解和實施這樣的方法的各種實施例。
雖然詳細描述了本發明，但是那些精通本技術的人士應該理解，在不偏離本發明的最廣泛的形式的精神和範圍的情況下，可以進行各種更改、替換和變更。
權利要求
1.一種傳播信號，包括分為一組時隙的時間間隔，每一個時隙都具有唯一的相位/時間位置；以及在所述時隙中分布的多個脈衝，用於通過所述唯一的相位/時間位置對數據元素進行編碼。
2.根據權利要求2所述的傳播信號，其中，所述數據元素是通過映射可確定的。
3.根據權利要求1所述的傳播信號，其中，所述的組中的所述時隙是相鄰的。
4.根據權利要求1所述的傳播信號，其中，所述的組中的所述時隙是不相鄰的。
5.根據權利要求1所述的傳播信號，其中，所述時隙具有不均勻的間隔。
6.根據權利要求1所述的傳播信號，其中，所述數據元素至少為十五位長。
7.根據權利要求1所述的傳播信號，其中，所述數據元素是從下列組中選擇的標頭；錯誤檢測消息；同步元素；以及數據消息。
8.根據權利要求1所述的傳播信號，進一步包括多個所述時間間隔。
9.根據權利要求8所述的傳播信號，其中，所述的組具有不同數量的多個脈衝。
10.根據權利要求8所述的傳播信號，其中，所述多個時隙在所述的各時間間隔中是不同的。
11.一種用於傳播信號的方法，包括指定被分為一組時隙的時間間隔，每一個時隙都具有唯一的相位/時間位置；以及在所述時隙中分布多個脈衝，以便通過所述唯一的相位/時間位置對數據元素進行編碼。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述數據元素是通過映射可確定的。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述的組中的所述時隙是相鄰的。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述的組中的所述時隙是不相鄰的。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，所述時隙具有不均勻的間隔。
16.根據權利要求11所述的方法，其中，所述數據元素至少為十五位長。
17.根據權利要求11所述的方法，其中，所述數據元素是從下列組中選擇的標頭；錯誤檢測消息；同步元素；以及數據消息。
18.根據權利要求11所述的方法，進一步包括多個所述時間間隔。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述的組具有不同數量的多個脈衝。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，所述的多個時隙在所述的各時間間隔中是不同的。
全文摘要
提供了一種數據傳輸方法，其特徵在於，使用了脈衝位置調製的變種，其通過由於相鄰的脈衝位置中的脈衝之間引入了相移(這可以充當以減少的檢測餘量較好地區別兩個高度重疊的脈衝的參數)而允許脈衝之間有高度重疊，從而使得一方面，在每個時間間隔允許一個以上的脈衝位置有效，如此增大可能的組合的數量，因此也會增大每個時間間隔可以編碼的位數，另一方面，對於給定數量的脈衝位置縮短時間間隔。所提供的方法的實施例考慮了將可能同時有效的脈衝位置限制到具有可以是如前所述的相位差的函數的距離的非相鄰位置的可能性。
文檔編號H04L25/49GK1623305SQ02828355
公開日2005年6月1日 申請日期2002年12月26日 優先權日2002年1月30日
發明者柯林頓·S·哈特曼 申請人:射頻表面聲波元件公司