通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法

2023-11-05 07:55:22 1

專利名稱：通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種調製解調設備及方法，以及發送器和接收器，可使得通過使用互補序列來估算任何傳輸介質的時間特性和頻率。
背景技術：
通信系統、頻譜分析、RADAR(雷達)和SONAR(聲納)發送信號，無論是否經過反射，所述信號在穿越傳輸介質之後到達接收器。這種介質的表現如同線性濾波器，對頻率H(ω)或時間h[n]脈衝具有響應。為了能夠進行所發射信息的恢復處理，大部分通信系統必須消除由傳輸介質對所發射信號s[n]所造成的影響。這種處理就是公知的均衡(equalization)。還可以使用頻率中的響應來執行介質的頻譜分析並因而獲得有關其物理屬性的信息。
信道具有濾波器的作用並使信號失真。必須考慮信道中擾動所產生的噪聲n[n]、熱噪聲或幹擾所發射信號的其它信號。最後，所接收的信號r[n]可以被建模為r[n]＝s[n]*h[n]+n[n] (1)其中*表示卷積運算。需要具有脈衝響應f[n]的濾波器來消除由介質在信號中所引入的失真，以使得r[n]*f[n]≈s[n] (2)換句話說，所接收的信號應該儘可能地類似於所發射的信號。因為既不可能完全消除噪聲n[n]，也不可能完全消除失真，所以這樣的要求是不可能完全得到滿足的。
為了使均衡是可能的最好均衡，必須事先了解介質。換句話說，必須分析能夠抵消失真效應的介質的h[n]。為了實現這種目的，有兩種方法·靜態均衡器它們的屬性不隨時間改變。
·自適應均衡器它們適於介質隨時間改變的失真。
第一種均衡器的主要問題在於它們儘管更為通用卻並不解決每種情況的特定問題。自適應均衡器對介質改變能更好地做出響應，但是它們的實現方式更為複雜並且它們對噪聲非常敏感。
對於這兩種均衡器來說，仍然必須知道傳輸介質。傳輸介質的調製越好，在恢復所發射信號時所獲得的精確性越高。用於分析介質的理想方法包括發送增量(delta)以及分析所接收的信號，即獲得脈衝響應。這通過發射Krnecker增量δ[n]在數字級實現s[n]＝δ[n]r[n]＝h[n]+n[n] (3)可以看出，所接收的信號具有關於被附加噪聲所汙染的脈衝響應h[n]的信息。
根據上文可以知道需要一種技術，使得一方面能高效地發射Krnecker增量並且另一方面可降低所接收信號的噪聲的技術。直接發送Krnecker增量非常複雜，這是因為它要求很高的峰值功率。如將看到的，通過維持這兩個前提，可以獲得傳輸介質的精確模型及它所引起的失真。
可以使用從該介質的模型所提取的特性來均衡通信應用中相同的特性，或者用於分析其物理特性，如同在SONAR和RADAR系統中區分不同類型的對象的情況，或如在光譜學中所用來執行頻譜分析以便提取物理-化學性質。
尚不知道具有與本發明目的相同特徵的任何發明或實用新型。
發明目的這裡所描述的本發明使用M個互補序列集。根據互補，應當理解，各個自相關的求和產生Krnecker增量。該M的值還與其中彼此正交的互補序列集的數目相一致。根據正交，應當理解，每個集的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，為了紀念其發現者，它們被稱作為Golay序列。(在Tseng、C.C.和Liu、C.L.於1972年9月所發表的論文「Complementary Sets of Sequences」中論述了這些概念，見IEEE Trans.Inform.Theory，卷IT-18，第5號，第644-652頁)。這裡的解釋將集中於Golay序列，因為它是最簡單的情形，不過本發明可以被擴展到任何M值。
在本發明所使用的序列的主要屬性在於它們具有理想的自相關特性，即，它對應於精確的Krnecker增量，因此11[n]+22[n]++MM[n]=i=1Mii[n]=ML,n=00,n0---(5)]]>其中φii[n]是每個所選M個互補序列的各個相關，所述序列具有長度L。特別對於Golay互補序列對的情況是A1A1[n]+B1B1[n]=2,n=00,n0---(5)]]>其中φA1A1[n]和φB1B1[n]分別是序列A1和B1的自相關，被定義為A1A1[n]=1Lk=1LA1[k]A1{k+n]]]>
B1B1[n]=1Lk=1LB1[k]B1{k+n]---(6)]]>此外，總是存在一對正交互補序列(A2，B2)，使得對任意的n互相關的求和都等於零，即φA1A2[n]+φB1B2[n]＝0n (7)其中φA1A2[n]和φB2B2[n]分別是這兩對的序列A和B的互相關，被定義為A1A2[n]=1Lk=1LA1[k]A2{k+n]]]>B1B2[n]=1Lk=1LB1[k]B2{k+n]---(8)]]>進一步滿足以下輔助屬性φA1A1[n]+φA21A2[n]＝2δ[n]φB1B1[n]+φB2B2[n]＝2δ[n]φA1A1[n]-φB2B2[n]＝0nφA2A2[n]-φB1B1[n]＝0n (9)根據目前所知的2、10和26比特的所謂基本內核來產生這種序列(在M.J.E.Golay的論文「Complementary Sequences」中論述了用於產生Golay序列的規則，參見IRE Transactions on Information Theory，卷IT-7，第82-87頁，1961年4月)。
該系統由兩個主要塊組成編碼器和解碼器。編碼系統負責按次序和圖2所定義的步驟來產生要與相應的互補序列一起發射的均衡前導碼。相比之下，如下面所解釋，解碼器負責使所接收的信號與在發射中所使用的互補序列相關並且按下述來合計(total)結果。
不同的M-QAM調製/解調過程(及其數字和模擬導出M-PSK、QPSK、ASK、QASK等)使用兩個正交I和Q相位(除在通常只使用一個相位的PSK和ASK中之外)，其在穿越傳輸介質時經歷由介質按不同方式影響的相位和模數失真，導致相互的中間相位幹擾。解調處理並非是本文的目的，因此所解調的基帶I和Q相位會一起工作。為了能夠在理論上利用信號工作，建議使用用於示出該過程的框圖(圖1)。
已經知道，通過使用所發送互補序列的屬性，可以估算使所接收數據失真的傳遞函數(transfer function)。該圖還示出了在解調兩個基帶相位之後所接收的信號在頻域中對應於以下方程式。為了清楚，表達式中省略了ωAHI+BiQI+NI＝IBHQ+AiIQ+NQ＝Q (10)其中A和B是分別通過每個正交相位I和Q所發送的序列，HQ和HI分別對應於由於信道的振幅失真而在Q和I相位上信道失真函數，並且iIQ和iQI是由於所述信道的相位失真而導致的信道I對Q的幹涉函數以及反過來信道Q對I的幹涉函數，在兩個相位中所接收的噪聲是不同的，並在項NI和NQ中反映。由信道對數據所引起的相位失真導致在兩個相位之間的幹擾。如果發送圖2中所定義的前導碼，那麼可以消除相互幹擾並且可以從B分離I並且從A分離Q，執行以下濾波操作(假定沒有噪聲項)，這在圖3中描述(AHI+BiQI)HQ-(BHQ+AiIQ)iQI＝A(HIHQ-iIQiQI)＝AH＝I2(BHQ+AiIQ)HI-(AHI+BiQI)iIQ＝B(HIHQ-iIQiQI)＝BH＝Q2 (11)其中H=1Heq=HIHQ-iIQiQI---(12)]]>對應於待均衡的濾波器，並且Heq是對兩個相位通用的均衡濾波器，且可以利用任何當前的信道均衡方法來實現。因而獲得兩個新的獨立的信號I2和Q2並且它們只依賴於待接收的序列。通過兩個相同的濾波器，因而可以均衡兩個相位，在沒有失真的情況下恢復所發送的信息。
很明顯，需要確定濾波器HI、HQ、iIQ和iQI。可以容易地證明，根據所接收的基帶I和Q信號(圖4)，通過方程式(6)和(8)中利用序列A、B和Ac、Bc所定義的相關操作符，並且如下應用所定義的互補序列的屬性來獲得所述濾波器HI＝IA1+IA2+NI/2LHQ＝QB1+QB2+NQ/2LiIQ＝QA1+QA2+NQ/2LiQI＝IB1+IB2+NI/2L (13)使用圖4作為參考，IA1對應於I相位與由IA1所定義的間隔中A1序列的相關，IA2對應於相位I的採樣與由IA2所定義的間隔中的A2序列的相關，QB1對應於Q相位與由QB1所定義的間隔中的B1序列的相關，QB2對應於Q相位的採樣與由QB2所定義的間隔中的B2序列的相關，QA1對應於Q相位與由QA1所定義的間隔中的A1序列的相關，QA2對應於Q相位與由QA2所定義的間隔中的A2序列的相關，IB1對應於I相位與由IB1所定義的間隔中的B1序列的相關，並且IB2對應於I相位的採樣與由IB2所定義的間隔中的B2序列的相關。還可看到噪聲被平均，因此其功率根據相關函數按2L減少，其中L是互補序列的長度。此結果獨立於用於識別的序列長度。
最後，可以認為該技術的優點是，一方面能夠依照最優且獨立的方式為每個相位估算用於使傳輸介質失真的傳遞函數，並且另一方面按L來降低噪聲效應。因此，所描述的本發明是用於估算在均衡應用中介質失真或簡單地用於分析給定介質的頻率或電磁波譜特性的強有力系統。


圖1示出了用於估算介質的系統的框圖。構成所述系統的不同部分祥述如下1.待發射的前導碼的數位訊號s[n]。為了估算介質，發送按至少一個長度的L個符號或序列碼片所分隔的至少4個增量(δ[n])。
2.具有互補序列的編碼器。具有利用各互補序列卷積s[n]的濾波器。
3.依照其中獲得兩個I和Q相位的圖2中的時序圖待與互補序列發射的數位訊號卷積的結果，。
4.在其中合計兩個相位的正交調製器。
5.正交調製信號。
6.用於按期望的帶向介質發送的頻率轉換器(上變頻器)。
7.被分析的傳輸介質h[n]該塊包括為調製/解調所必須的電子設備、換能器或天線和物理傳輸介質。
8.接收器輸入端的信號這些是同樣發射的互補序列但是失真並受到信道噪聲的影響。
9.用於把信號返回其原始帶以便處理的頻率轉換器(下變頻器)。
10.所接收的正交信號。
11.正交解調器。它提取失真的基帶I和Q信號。
12.解調的基帶信號13.圖3的幹擾消除濾波器。最初依照旁路模式來編程並且當在15中識別它們時加載係數。
14.濾波後所獲得的相位。
15.解碼器用於使所接收的相位與相同的互補序列相關的濾波器，所述互補序列用於編碼並依照相同的次序在13中獲得關於所述濾波器係數的信息。
16.所計算係數的加載處理。
17.在識別和濾波過程結束所均衡的接收信號。
圖2示出了用於描述發送前導碼和通過兩個I/Q正交相位所發送的序列的時序圖，所述正交相位通過被正交調製併合計，會形成QAM(正交幅度調製)或一般為QASK(正交移幅鍵控)。
圖3示出了用於一旦獲得係數就獲得單個均衡濾波器的標識的濾波過程的框圖，所述均衡濾波器對於兩個I/Q相位來說相同。一旦獲得係數，此濾波器就被插入到圖1的塊15的輸入端。
圖4示出用於描述接收前導碼和通過兩個正交解調I/O相位中的每個所接收的信號的時序圖，據此獲得所述數據以獲得均衡濾波器。
具體實施例方式
下面將描述在無線電波發送器和接收器中被用來獲得並消除幹擾的該技術的可能實現方式。為了清楚起見，圖1示意地示出了所述實現方式。如上所述，此實現方式是基於把該方法應用於射頻系統的。為了簡化解釋的目的，使用QASK調製互補Golay序列對的特定情況。所述系統由兩個恰當區分的塊組成發送系統和接收系統。
發送系統負責·按圖2的前導碼中所定義的次序和相位，利用形成Golay對的長度為L的每個序列來卷積輸入信號(至少四個Krnecker增量)。
·通過合計兩個相位來正交調製由編碼所產生的兩個信號。
·頻率轉換(上變頻器)正交調製信號以便能夠把它發送到無線電頻譜的相應區域中。
·向天線發送所述信號。
接收系統負責·頻率同步以及轉換(下變頻器)由天線所接收的信號。
·通過正交解調來獲得相位I[n]和正交Q[n]分量。
·按發送中所定義的次序和相位根據原始序列來相關兩個相位並且提取如先前已經定義的係數。
·更新輸入濾波器的係數。
·如果需要，通過每個相位相同的Heq濾波器來均衡信號。
該處理所產生的信號包含有關該介質所引起失真的信息，經該介質按其所應用的帶寬傳播了電磁波，並且降低了熱噪聲以及由該處理不同步驟所引入的、與所使用的互補序列的長度L成正比的噪聲。
權利要求
1.一種用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於基於被順序發送到物理介質並按時間分隔的互補序列的使用，所述互補序列的解調和隨後的相關使得當接收時可提取該介質的頻譜和時間特性，使噪聲效應最小化。
2.如權利要求1所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於所述設備至少包括A.發送系統，包括具有互補序列的編碼器(2)和卷積濾波器，正交調製器(4)，頻率轉換器(上變頻器)(6)，發送器(7)，包括天線；B.接收系統，包括頻率轉換器(下變頻器)(9)，正交解調器(11)，幹擾消除濾波器(13)，解碼器(15)。
3.如權利要求1和2所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於該發送系統A負責經物理介質所發射的數字前導碼信號(1)由至少4個按至少每個形成Golay對的具有長度L的序列來分隔的Krnecker增量(d(n))組成，其中使用具有任何幅度和任何過採樣級的任何寬度T。
4.如前述權利要求中任何一個所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於根據前述權利要求的數位訊號(1)作為I和Q相位(3)傳遞到正交調製器(4)，一旦所述相位被正交調製併合計，將形成QAM(正交幅度調製)或一般為QASK(正交移幅鍵控)，並且通過轉換器(6)把正交調製信號轉換為頻率，以使得可通過發送器和天線(7)把它發送到無線電頻譜的相應區域中。
5.如前述權利要求中任何一個所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於在接收系統B中，從天線(7)發射的信號由天線(8)來收集並且發送到頻率轉換器(下變頻器)(9)，在那裡頻率被同步並且被轉換以將其返回到其原始帶以通過正交解調器(11)來進行處理，所述正交解調器(11)提取基帶I和Q失真信號，這些信號傳遞到幹擾消除濾波器(13)並且從那裡傳遞到解碼器(15)，在那裡存在用於使所接收的相位與互補序列相關的濾波器，該互補序列與編碼時所使用的相同並且依照相同的次序，從所述解碼器(15)的濾波器獲得此信息，所述解碼器(15)把它們重新發送到所述幹擾消除濾波器(13)，所述信號在適時地均衡標識和濾波處理之後被最終接收。
6.如前述權利要求中任何一個所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於一種用於產生具有至少兩個互補序列的編碼前導碼的方法包括a.通過一個相位來發射第一對序列中的一個，在不發射的情況下維持正交相位，b.通過一個相位來發射第二對的另一互補序列，在不發射的情況下維持正交相位，c.通過在(a)中所使用的正交相位來發射第一對的另一個序列，在不發射的情況下維持另一相位，d.通過在(b)中所使用的正交相位來發射第二對的另一序列，在不發射的情況下維持另一相位，e.正交調製所述結果並且把它發射到傳輸介質。
7.如前述權利要求中任何一個所述的用於通過順序發射正交互補序列對來最優估算傳輸介質所引起失真的設備和方法，其特徵在於一種用於獲得利用互補序列的解碼以便向介質發送信號從而獲得其時間或頻率特性的方法可以包括f.在編碼器的輸入端進行所解調正交相位的相關或適應性濾波，所述互補序列的每個按它們被發送的相同次序和相位形成發射中所使用的集，g.通過以下方程式合計所產生相關的結果HI＝IA1+IA2+NI/2LHQ＝QB1+QB2+NQ/2LiIQ＝QA1+QA2+NQ/2LiQI＝IB1+IB2+NI/2L用於獲得濾波器的係數，h.使用從以下方程式所獲得的信息H=1Heq=HIHQ-iIQiQI]]>以識別或消除信道的失真。
全文摘要
本發明涉及一種最優估算傳輸介質的失真的設備和方法，包括順序發射正交互補序列。本發明包括產生使用互補序列的傳輸前導碼，並且當接收時其使得可識別在正交調製系統的每個I/Q相位中對於所發送符號所產生的失真，因此可消除由所述介質所引起的相位失真效應並且把信道的均衡減少至對於兩個I2/Q2相位來說完全相同的單個均衡基帶濾波器。在接收時，提取該介質所產生失真的時間和/或頻率特性，其精確性取決於在編碼中所使用序列的長度。
文檔編號H04L25/02GK1961553SQ200580017182
公開日2007年5月9日 申請日期2005年4月29日 優先權日2004年5月28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