结合脉冲位置和相位调制且每个时段允许一个以上的脉冲有效的传输方法

专利名称：结合脉冲位置和相位调制且每个时段允许一个以上的脉冲有效的传输方法
技术领域：
一般而言，本发明涉及传播信号，具体来说，涉及通过将每个组多个脉冲调制与同时相移和时移调制相结合来进行调制的传播信号。
背景技术：
电子数据传输需要进行某种形式的信号调制，该调制将数据编码到信息承载信号中，以便信号可以通过传输介质进行传播，并进行解调以准确地恢复最初编码的数据。调制可以被视为这样的过程数字数据、语音、音乐、及其他“智力信号”被添加到由发射器产生的无线电波中，以便智力信号处于适于传播的形式。调制还可以被视为按照允许编码数据被可靠地解码的方式将信息添加到电子或光信号载波中。调制可以应用于直流(主要通过打开和关断)、交流以及光信号中。甚至可以将毯子波(blanket waving)视为在烟幕信号传输中使用的调制的一种形式(载波是稳定的烟雾流)。为电报发明的并且在业余无线电中仍在使用的莫尔斯电码是一种调制方法，它使用类似于现代计算机所使用的代码的二进制(双态)数字代码。
调制意味着占用带宽，带宽是一种宝贵的资源，节省该资源对于大家都十分重要，但是，对于数据和信号传输行业尤其重要。随着技术的允许，节省带宽的要求增大了用户最有效地使用带宽的压力。提高带宽效率的一种方法是利用能够使在有限的时间间隔内传输的数据或信息量最大化的传输技术。提高在有限的时间间隔内传输的数据量的一种方式是利用能够使在分配的时间间隔内传输的编码数据最大化的那些调制方法。
目前用于调制电子信号以传输数字数据的方法有许多种。对于大多数无线电和电信用途，调制的载波是给定频率范围内的交流(AC)。一些比较常见的调制方法包括调幅(AM)，其中载波信号的振幅随着时间的变化而变化；调频(FM)，其中，载波信号的频率改变；以及相位调制(PM)，其中，载波信号的相位随着时间的变化而变化。这些调制方法都被归类为连续波调制方法，以便将它们与用于以二进制方式对数字和模拟信息进行编码的脉码调制(PCM)方法区别开来。还有更复杂的调制形式，如相移键控(PSK)和正交调幅(QAM)，以及通过施加改变激光束强度的电磁电流来对光信号进行调制的方法。
依据所预期的用途，前述的所有调制方法都可以在较长的一段距离内对电子数据进行相对可靠的传输。然而，由于要传输的数据量不断地增加，越来越多的带宽被使用，因此，需要更有效的数据传输能力。由于有更多的信息被数字化，对传输系统和带宽需求施加了更大的压力。虽然改进的设备和技术对于解决由增大的带宽需求所引起的问题有某些帮助，但是，也需要其他解决方案。
部分地解决有限带宽问题的一种方式是在载波上对更多数据进行编码。如果在有限的时间间隔内传输的数据量增大，则基础结构和支持这样的基础结构所需的设备可以显著减少。
如此，当前技术中所需要的是调制电子信号的新的和新颖的方法，以增大可以传输的数字数据量并提高进行这样的传输的速率。

发明内容
为解决现有技术的上文所讨论的不足，本发明提供这样的传播信号(1)分为一组时隙的时间间隔，每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置；(2)在各时隙中分布的多个脉冲根据这样的唯一相位/时间位置来对数据元素进行编码。
因此，本发明引入了传播信号的广泛的概念，所述的传播信号具有通过一组时隙中的一个以上的脉冲编码的数据，所述的时隙在一个时间间隔具有唯一的相位/时间位置。与使用现有技术的编码方法相比，这种新而新颖的对信号进行编码的方法可以显著地增大传播信号在特定时间间隔所能携带的数据量。
在一个实施例中，传播信号具有通过映射可确定的数据元素。在本发明的另一个实施例中，传播信号在组中具有相邻的时隙，而在另一个实施例中，各时隙是不相邻的。在本发明的再一个实施例中，传播信号具有的时隙的间隔是不均匀的。
在本发明的一个特别有用的实施例中，传播信号具有至少十五位长的数据元素。正如那些精通相关技术的普通人员所理解的，十五位长的数据元素允许在其上对大量的特定代码进行编码。
在本发明的再一个实施例中，数据元素是从包括标头、错误检测消息和数据消息的组中选择的。正如那些精通相关技术的普通人员所理解的，传播信号最有可能包含许多数据元素，当这些数据元素结合在一起时，构成离散的信息体。这样的传播信号有可能包含不同类型的数据元素，以便离散的信息体具有标头数据、数据消息、同步元素和错误检测元素的某些组合。
本发明的一个实施例提供了具有多个时间间隔的传播信号。此实施例的另一个方面提供其中的各组具有不同数量的多个脉冲的传播信号。在此实施例的再一个方面，时隙的数量在各时间间隔中是不同的。
前面的内容概述了本发明的优选和备选的功能，以便那些精通本技术的人员可以更好地理解随后的本发明的具体实施方式
。下文将描述本发明的其他特点，这些特点构成了本发明的权利要求的主题。那些精通本技术的人员应该理解，他们可以轻松地使用所说明的概念和特定的实施例作为基础，设计或修改执行本发明的相同用途的其他结构。那些精通本技术的人员还应该认识到，这样的等同的结构不会偏离本发明的精神和范围。


为对本发明有一个比较完整的理解，现在将参考下面结合附图进行的详细说明，其中
图1A-1D显示了常规现有技术的数字脉冲位置调制(PPM)方法的脉冲位置的图形，其中，数据是由位于四个脉冲位置中的某一个脉冲位置的脉冲进行编码的；图2显示了在图1A-1D中单独显示的四个时隙的组，示出了每一个脉冲的正确的常规PPM脉冲位置；图3显示了在相邻的脉冲位置之间具有大的边缘重叠的多个脉冲的波形的示例；图4显示了一个图形，示出相邻的时隙位置之间的有限的检测余量，其中信号具有强烈的重叠脉冲；图5A-5B显示了在每一个相邻的脉冲之间添加了+90°相位的情况下允许的脉冲的实部和虚部；图6显示了一个图形，示出相邻允许的状态之间的相位差为78.5的本发明的一个实施例的波形；以及图7显示了允许每组多个脉冲与同时的相移和时移调制一起使用的最小间隔规则的应用的示例。
具体实施例方式
首先请参看图1A-1D，它们显示了常规现有技术的数字脉冲位置调制(PPM)方法的脉冲位置110的图形100，其中，数据是由位于四个脉冲位置110中的某一个脉冲位置的脉冲120进行编码的。为帮助更好地理解本发明，对PPM作简要介绍是有帮助的。
常规的PPM提供要被分成单独的样本值的数据流，然后使用单脉冲120传输一个样本值。图1A-1D显示了一个离散的时间跨度内脉冲120的四个可能的值，或脉冲位置110。这四个脉冲位置110还可以被视为位于包含四个时隙的一组中。
通过改变离散的时间跨度内时隙组中的脉冲120的位置，样本中的数据或信息被传输。使用一系列脉冲位置110传输来对整个数据流进行传输。连续的时间跨度中的单个脉冲120类似地传输连续的样本值中包含的信息。
现在请看图2，该图显示了在图1A-1D中单独显示的四个时隙的组，其中示出每一个脉冲120的正确的常规PPM脉冲位置110。常规的PPM只传输组中的一个脉冲120。当在组中的每一个允许的峰值脉冲位置110执行解调采样时，三个样本的值基本上为零，且正确的样本将具有为“1”的值或振幅。然而，如果在解调过程中采样不能正确地与这些峰值脉冲位置同步，那么，“正确的”脉冲位置110处的脉冲120振幅将开始缩小，而相邻位置处的振幅将大于零。
显而易见，为确保进行可靠的数据传输，有许多因素必须考虑。其中一个是脉冲位置110之间的最小时间间隔。按一般规律，PPM要求脉冲位置110之间的最小时间间隔足够大，以确保相邻脉冲120的边缘在相邻的脉冲120峰值处基本上为零。图1A和图2中还显示了Tmin，这是通常所公认的PPM所需的允许的峰值脉冲120之间的最小时间间隔。此Tmin被设计用于改进解调采样过程中准确地识别特定脉冲120并将它从由靠近的或相邻的脉冲120所引起的“符号之间”的干扰(如果有的话)分开的能力。
进行可靠的数据传输要考虑的另一个因素是采样的时间与潜在脉冲位置110的同步。如果这样的采样不能正确地与脉冲位置110同步，或者如果脉冲120不能正确地在其预定的时隙内，那么，“正确的”脉冲位置110处的振幅将小于“1”，而相邻位置处的振幅将大于零。然而，即使发生这种情况，信号最有可能仍被正确地解调，因为PPM通常在构成一组时隙的指定的时间间隔内只提供要传输的单个脉冲120。此因素通常可使脉冲120的位置没有太大困难地正确地确定。
如果系统中存在严重的噪声，则定时误差变成比较严重的问题。当系统噪声与严重的定时误差结合时，就增大了不正确解调采样的概率。另一方面，如果定时误差小，则信号通常可以被解调，即使存在严重的噪声。按一般规律，除非信噪比非常差(小)，否则，只要定时误差小于Tmin/2，则信号仍可以成功地被解调。
虽然PPM被广泛使用，但在离散的时间间隔内可以编码的数据量严重地受限。本发明提供了一种新的调制方法，其允许多个脉冲120包括在一组时隙中。此特征可以使多得多的数据在给定的离散时间增量内被编码和传输。再次请参看图1A-1D和图2，当使用常规PPM技术时，包含四个时隙的一个组只允许传输2个二进制位的数据。如果在PPM中使用其中每一组都具有四个时隙的四个组，则有256个可以传输的可能的数据组合(4个状态×4个状态×4个状态×4个状态＝256个状态)。这对应于8位数据，或者为在单个组中可以编码的数据的四倍的数据。这256个状态将总共占用十六个时隙。如果十六个时隙合并成单个组，并且使用常规PPM方法来对数据进行编码，则十六个时隙中只有一个时隙被脉冲120占用，16个状态将只对4位数据进行编码。这显然大大地少于当相同的十六个时隙分为其中每一组都具有四个时隙的四个组时可以容纳的256个状态。
利用单个时隙中的组中的多个脉冲120所产生的优点是显而易见的。例如，可以表明，如果四个脉冲120被允许占用包括16个时隙的一组中的任何四个位置，则存在1,820个可能的状态，这比使用其中每一组都具有四个时隙的四个组的常规PPM时可用的256个状态编码的数据多得多。此外，如果在包含十六个时隙的组中使用八个脉冲120，则有12,870个可能的状态可用来对数据进行编码，这表明数据承载能力更进一步地增加。如果进一步延伸该概念，并允许在包含十六个时隙的组中有7、8或9个脉冲，则至少会有35,750个状态可以用来对数据进行编码数据，这对应于15位以上的数据，与此相比，在使用常规PPM的情况下，在相同的空间中，只可以对八位数据进行编码。
在序列号为No.10/066,173，Hartmann，Clinton S.共同转让的标题为“Modulation by Multiple Pulse Per Group Keying and Methodof Using the Same”的美国专利申请中，详细描述了利用一组时隙中多个脉冲对数据编码的方法，这里引用该发明的内容作为参考。所描述的发明在一组时隙中提供多个脉冲，但仍要求脉冲位置由Tmin分开。本发明允许在一组时隙中使用多个脉冲，而没有Hartmann-One的发明中所存在的局限性。这是通过结合用于借助同时相移和时移调制对数据进行编码的某些原理来实现的，所述的同时相移和时移调制在序列号为No.10/062,833，Hartmann，Clinton S.共同转让的标题为“Modulation by Phase and Time Shift Keying and Method of Usingthe Same”的美国专利申请中进行了详细描述，这里对该发明进行引用作为参考。
当在一组时隙中使用多个脉冲时，成功地区别单个脉冲的两个可能的位置的能力是非常关键的。在脉冲部分地重叠，以使一个允许的脉冲位置的边缘与相邻的脉冲位置重叠的情况下(如图2中的波形所示)，就更难以对信号进行解调以便可以检测最初编码的脉冲位置。随着重叠变大，检测就越来越成问题。
现在请看图3，该图显示了在相邻的脉冲位置之间具有大的边缘重叠的多个脉冲的波形的示例。由于存在严重的边缘重叠，显而易见，对于相邻的脉冲位置，分辨率特别差。尽管增大一个时隙组中的脉冲数量可以增大数据密度，但是，它是很少在PPM中使用的方法，因为检测余量会明显降低。
现在请看图4，该图显示了一个图形，示出相邻的时隙位置之间的有限的检测余量，其中信号具有强烈的重叠脉冲。为解调具有这样的强烈重叠脉冲的信号，需要极好的同步，这就意味着，在所有可能的脉冲位置的峰值位置(即，在水平轴上的所有整数位置)对接收到的信号进行采样是很关键的。信噪比也必须非常强(即，甚至小的噪声量也可以大于小的检测余量)。
为在脉冲之间实现更有效的和正的分辨率，本发明规定允许的脉冲可以被修改，以便每一个脉冲不仅具有不同的时间位置，而且还相对于其相邻的脉冲具有不同的相位。例如，如果在每一个相邻的脉冲之间添加了±90°的相位跳跃(phase step)，那么，t＝0(时间等于零)时的脉冲可能具有0°的相位角，t＝1时的脉冲具有±90°，t＝2时的脉冲具有±180°，t＝3时的脉冲具有±270°，t＝4时的脉冲将具有±360°，等等。
现在请看图5A-5E，它们显示了在每一个相邻的脉冲之间添加了+90°相位的情况下允许的脉冲的实部和虚部。使用90°的倍数，如图所示，所有奇数号码的脉冲具有等于零的实部，而所有偶数号码的脉冲具有等于零的虚部。然而，正如对于那些精通相关技术的普通人员显而易见的，可以表明，一般而言，可以使用各种各样的角度，其中许多能够提供与所显示的90°的情况相同或更好的性能。例如，相位角差可以改变+20°以上，而不会对解调过程中检测脉冲的能力造成严重的下降。
为解调所显示的信号，在适当的峰值位置(t＝0、1、2，等等)将对接收到的信号的实部进行采样。此外，采样信号的相位也从一个时隙移到下一个时隙，以便采样信号与该时隙位置的脉冲的预期相位一致(如果脉冲应该在这样的位置发生)。
现在请看图6，该图显示了一个图形，示出相邻的允许的状态之间的相位差为78.5°的本发明的一个实施例的波形。显示了不同于90°的相位增量，以便说明与图3中显示的没有相移的相同的允许的脉冲间隔相比，在允许的脉冲间隔为Tmin/5的情况下，正确的状态及其相邻的状态之间存在的分辨率显著改进之处。此图形还显示了在相角位移不是90°的情况下，在正确的状态及其相邻状态之间存在的分辨率的显著改进。可以看出，当与允许的脉冲间隔为Tmin而没有相移的常规PPM相比时，在分辨率方面有显著的改进。在没有相移的情况下，检测最低余量为0.067，而在有相移的情况下，到相邻状态的检测余量为0.81，这非常靠近接近于1的常规PPM检测余量。
如此，本发明的特征在于，使用一组时隙中的多个脉冲，并按已知的方式同时移动相邻的脉冲位置的脉冲信号的相位和时间位置两者。通过对编码进行映射，可以发送和解码的数据量相当大。映射构成预先确定的布局，由此编码信号具有基于这样的信号的特定含义，当对这样的信号进行解码或解调时可以确定该信号。此布局可以呈现协议的形式，如商定的代码表，或其他当解码时使编码信号具有可靠和可确定的含义的布局。使用本发明对数据消息进行编码的优点是显而易见的。要在传播信号内的数据元素上编码的大量的信息允许在非常短的时间间隔内传输大量的数据，从而节省带宽。在本发明的一个实施例中，可以在单个组中对十五位以上的数据进行编码，并且通过映射所使用的代码能可靠地进行解码。
在Hartmann-One中，描述了使用一个组中的多个脉冲的新的调制方法。在Hartmann-Two中，描述了在脉冲位置之间进行同时相移和时移的新型调制，其中，可以使允许的脉冲位置具有小得多的时间间隔。本发明使用了这两个特点，还加上了某些其他可以使这两种方法同时使用的特点。
在Hartmann-One的每个时隙组多个脉冲的情况下，允许占用两个相邻的时隙，因为如图3所示，一个脉冲的边缘不与其相邻的脉冲的峰值重叠。然而，如果两个相邻的或紧密相邻的时隙将被使用强烈重叠脉冲同时被占用，则在脉冲之间将存在强烈的符号之间的干扰的可能性，这可能导致两个脉冲之间几乎完全抵消(如果在脉冲之间存在足够的相移或存在显著的同步解调错误)。这种潜在的干扰需要解决。
解决前述的潜在干扰问题的一种方法是当每个组多个脉冲调制与同时相移和时移调制一起使用时采用最小脉冲间隔规则。一个通用的规则的示例是，尽管允许的脉冲位置可以具有比Tmin小得多的时间间隔，但是，在一个波形的一个特定相位中，该波形相位中包括的任何两个脉冲都必须始终具有大于Tmin的最小间隔。
现在请看图7，该图显示了允许每个组多个脉冲与同时的相移和时移调制一起使用的最小间隔规则的应用的示例。在此示例中，在t＝0处发生波形的选定相位中的一个脉冲。根据上面描述的最小脉冲间隔规则，该波形的该特定相位中的下一个脉冲从位置t＝1、2、3和4处排除，但允许在t＝5之后的任何位置发生。在此示例中，对于所显示的波形，在Tmin等于五个时隙的情况下，在所选择的脉冲之间至少有四个脉冲时隙必须被跳过。可以构建一个一般规则，以便如果时隙宽度等于Tmin/N，那么，可以将跳过因素定义为N-1。显然，也可以使用较大的跳过因素，这也落在本发明的范围内，并且在某些情况下是有益的，例如，在具有强烈的外来干扰的操作环境中。当然，稍小的跳过因素在其它情况下也是有益的。
当多个脉冲在一个组中与时移和相移调制一起使用时解决两个相邻的时隙之间的潜在干扰问题的另一种方法是基于在时隙之间的相移为±90°的情况下相邻的时隙之间的正交性。如果相移充分接近于±90°，那么，任何给定时隙中的脉冲都不会与两个相邻的时隙中的任何一个相互干扰。在此情况下，所有奇数号码的时隙都完全独立于所有偶数号码的时隙。然而，如上文所指出的，在存在相同脉冲相位的情况下，脉冲仍然会与其邻居相互干扰，如果这些邻居的间隔比Tmin还近的话。在此特殊的“正交最近邻居”的情况下，一种分析各选项的有用方法是将时隙分为两个交织的子组(如I组和Q组)。然后，在必要时，将这里所说明的Tmin最小间隔规则单独地应用于每一个这样的子组。这里所描述的新型调制的特征在于，每个组的多个脉冲与时隙之间的同时的相移和时移一起结合使用，通常可以允许相邻时隙中的脉冲之间有显著的重叠。
尽管这里所描述的本发明的实施例使用了间隔均匀的时移和间隔均匀的相移，但是，那些精通相关技术的普通人员将理解，间隔不均匀的时移或相移(或者两者)都在本发明的范围内。同样，各组可以在时隙的数量和/或占用的时隙的数量方面不同，并仍在本发明的范围内。此外，可以这样定义单个组，以便它只具有固定数量的占用时隙，或者，它可以允许不同数量的占用时隙。此外，单个数据消息可以包括一种以上类型的组(例如，标头可以是一种类型的组，实际数据是第二种类型的组，错误检测/校正字可以是第三种类型的组，而同步可以是第四种类型的组)。正如那些精通相关技术的普通人员所认识的，所有这些变种以及其它变种都在本发明的范围内。
本发明还提供了传播信号的方法的多个实施例。在一个这样的实施例中，该方法要求指定分为一组时隙的时间间隔，每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置。然后该方法在这样的时隙中分布多个脉冲，以便通过唯一相位/时间位置对数据元素进行编码。本发明还包括传播信号的方法的多个其他实施例。这里阐述了足够的详细信息，以使那些精通相关技术的普通人员理解和实施这样的方法的各种实施例。
虽然详细描述了本发明，但是那些精通本技术的人士应该理解，在不偏离本发明的最广泛的形式的精神和范围的情况下，可以进行各种更改、替换和变更。
权利要求
1.一种传播信号，包括分为一组时隙的时间间隔，每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置；以及在所述时隙中分布的多个脉冲，用于通过所述唯一的相位/时间位置对数据元素进行编码。
2.根据权利要求2所述的传播信号，其中，所述数据元素是通过映射可确定的。
3.根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述的组中的所述时隙是相邻的。
4.根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述的组中的所述时隙是不相邻的。
5.根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述时隙具有不均匀的间隔。
6.根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述数据元素至少为十五位长。
7.根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述数据元素是从下列组中选择的标头；错误检测消息；同步元素；以及数据消息。
8.根据权利要求1所述的传播信号，进一步包括多个所述时间间隔。
9.根据权利要求8所述的传播信号，其中，所述的组具有不同数量的多个脉冲。
10.根据权利要求8所述的传播信号，其中，所述多个时隙在所述的各时间间隔中是不同的。
11.一种用于传播信号的方法，包括指定被分为一组时隙的时间间隔，每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置；以及在所述时隙中分布多个脉冲，以便通过所述唯一的相位/时间位置对数据元素进行编码。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述数据元素是通过映射可确定的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的组中的所述时隙是相邻的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的组中的所述时隙是不相邻的。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述时隙具有不均匀的间隔。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述数据元素至少为十五位长。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述数据元素是从下列组中选择的标头；错误检测消息；同步元素；以及数据消息。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括多个所述时间间隔。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述的组具有不同数量的多个脉冲。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述的多个时隙在所述的各时间间隔中是不同的。
全文摘要
提供了一种数据传输方法，其特征在于，使用了脉冲位置调制的变种，其通过由于相邻的脉冲位置中的脉冲之间引入了相移(这可以充当以减少的检测余量较好地区别两个高度重叠的脉冲的参数)而允许脉冲之间有高度重叠，从而使得一方面，在每个时间间隔允许一个以上的脉冲位置有效，如此增大可能的组合的数量，因此也会增大每个时间间隔可以编码的位数，另一方面，对于给定数量的脉冲位置缩短时间间隔。所提供的方法的实施例考虑了将可能同时有效的脉冲位置限制到具有可以是如前所述的相位差的函数的距离的非相邻位置的可能性。
文档编号H04L25/49GK1623305SQ02828355
公开日2005年6月1日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年1月30日
发明者克林顿·S·哈特曼 申请人:射频表面声波元件公司