多码元差分侦测的算法的制作方法

专利名称：多码元差分侦测的算法的制作方法
技术领域：
本发明是有关于通信系统的多重相移键控(MPSK)调制。特别是，本发明是有关于数字通信系统，其包括、但不限于码分多址(CDMA)系统。
背景技术：
在习知技术中，通信接收器会使用两种类型的多重相移键控(MPSK)调制信号侦测，即相干侦测(coherent detection)及差分侦测(differentialdetection)。在相干侦测中，这个接收器会侦测一载波相位参考值，并与后续码元相位比较以预测实际信息的相位。在差分侦测中，两连续码元的接收相位差则会进行处理以决定实际信息的相位。这个载波相位参考值即是两连续码元的第一个码元相位，藉此，两连续码元的接收相位差便可以计算出来。虽然差分侦测可以省略这个接收器的载波相位参考值处理，但是，在一给定码元误差率的情况下，差分侦测却需要一较高的信号噪声比(SNR)。
在一相加性白高斯噪声(AWGN)信道中，当实施简易性及坚固性的考量胜过接收器灵敏度效能的考量时，差分侦测是优于相干侦测。另外，当一相干解调参考信号难以产生时，差分侦测亦会优于相干侦测。在多重相移键控(MPSK)调制的差分侦测中，这个传输器首先会差分编码输入相位信息，随后再比较连续码元间隔的接收相位以实施解调。因此，为适当操作，这个接收载波相位参考值，至少在两码元间隔中，应该要维持一致。
多码元差分侦测(MSDD)会使用不止两个连续码元，并且，相较于仅使用两个连续码元的习知差分侦测(DD)，可以提供较佳的误差率效能。如差分侦测(DD)所示，在处理的连续码元间隔中，多码元差分侦测(MSDD)的接收载波相位参考值亦应该要维持一致。
多码元差分侦测(MSDD)及多码元侦测(MSD)的详细说明可见于”Multiple-Symbol Differential Detection of MPSK”(Divsalar et al.，IEEETRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，Vol.38，No.3，March 1990)及”Multiple-Symbol Detection for Orthogonal Modulation in CDMA System”(Li et al.，IEEE TRANSACTIONS ON VEHICLULAR TECHNOLOGY，Vol.50，No.1，January 2001)。
习知的多重相移键控(MPSK)多码元差分侦测(MSDD)将配合图1及图2详细说明如下。图1是表示具有一多重相移键控(MPSK)信号序列r的一相加性白高斯噪声(AWGN)通信信道101，其中，这个多重相移键控(MPSK)信号序列r是具有一接收器110接收的N个连续码元r1，r2，...，rN。码元rk是表示这个长度N序列r的第k个成分，其中，1≤k≤N。
码元rk的数值是等式(1)表示的一向量，亦即rk=2EsTsejφk-jθk+nk]]>等式(1)其中，ES表示码元能量，TS表示码元间隔，φk表示传输相位，其中，j=-1.]]>数值nk表示经由具有零平均值的一固定复数白高斯噪声处理计算出来的一取样。数值θk表示这个信道加入的一任意随机信道相移，并且，这个信道相移θk，在这个间隔(-π，π)内，会假设为均匀分布。虽然这个信道相移θk为未知数，但是，习知技术的差分侦测通常会假设这个信道相移θk，在观察码元r1至rN之间隔中，应该要维持一致。在差分多重相移键控(DMPSK)中，这个传输器会差分编码相位信息，并且，这个传输相位中φk可以表示为φk＝φk-1+Δφk等式(2)其中，Δφk表示围绕单位圆的集合Ω＝{2πm/M，m＝0，1，...，M-1}中，第k个传输间隔(发生在M个均匀分布数值的某一均匀分布数值)的对应传输信息相差，诸如Gray映射方法。举例来说，在四等分相移键控(QPSK)中，M＝4且Δφk＝0，π/2，π，3π/2(1≤k≤N)。
为简化问题，在观察序列的长度N中，任意信道相移θk均假设为一致。
接着，这个接收器会选择一预测相位差序列{dφ^1，dφ^2，...，dφ^N-1}，其是最大化下列决定统计数值，藉以达成多码元差分侦测(MSDD)的最佳侦测。
η=maxdφ^1,dφ^2,...,dφ^N-1∈Ω|r1+∑m=2Nrme-jdφ^m-1|2]]>等式(3)利用等式(3)，接收信号便可以在N个码元时间间隔中观察，并且，最佳预相相位差序列{dφ^1，dφ^2，...，dφ^N-1}亦可以同时选择。
长度N信号序列rk的最大向量会提供最可能侦测，其中，预测相位差dφ^m即是预测相位φ^m+1及第一个相位预测φ^1的差异。
dφ^m＝φ^m+1-φ^1等式(4)利用等式(5)，传输信息相位序列预测{Δφ^1，Δφ^2，...，Δφ^N-1}便可以经由预测相位差序列{dφ^1，dφ^2，...，dφ^N-1}得到。
dφ^m=∑k=1mΔφ^k]]>等式(5)其中，数值Δφ^k表示传输相位差Δφk的一预测。由于dφ^k(1≤k≤N-1)会发生在M个均匀分布Ω数值{2πm/M，m＝0，1，...，M-1}的一个均匀分布数值，习知多码元差分侦测(MSDD)将会搜寻所有可能相位差序列，并且，这类相位差序列数目总共有MN-1个。已知，误差率效能可以增加观察序列长度N以改善，其最好选择为N＝4或N＝5。举例来说，在N＝5的十六等分相移键控(16PSK)调制中，欲搜寻的相位差序列数目为164＝65536。有鉴于这个极大的序列数目，搜寻序列的简易性便不得不牺牲，藉以达到一理想误差率效能。
图2是表示习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的流程图。这种算法200首先会由步骤201开始，藉以观察N个连续码元(k＝1，...，N)。接着，如步骤202所示，决定相位差序列{dφ^1，dφ^2，...，dφ^N-1}的可能集合，其中，各个dφ^k(k＝1，...，N-1)分别为这个集合Q＝{2πm/M，m＝0，1，...，M-1}中，M个均匀分布相位数值的一个均匀分布相位数值。可能集合的数目有MN-1个。图5是表示这类集合的一数组，其中，N＝4且M＝4，因此，相位差序列的可能集合数目有44-1＝64个。在步骤203中，各个可能序列会尝试于表示式|r1+∑m=2Nrme-jdφ^m-1|2,]]>进而得到总共MN-1个数值。接着，在步骤204中，找出步骤203的最大数值，藉以表示最佳预测相位差序列。最后，在步骤205中，利用等式(5)，根据{dφ^1，dφ^2，...，dφ^N-1}预测最终信息相位差序列{Δφ^1，Δφ^2，...，Δφ^N-1}，并且，根据相位及位间的Gray解映射得到这些信息位。
相较于习知差分侦测(DD)，虽然多码元差分侦测(MSDD)可以提供较佳的误差率效能，但是多码元差分侦测(MSDD)的复杂性亦明显较高。因此，本发明的主要目的便是提供一种具有较低复杂性的改良多码元差分侦测(MSDD)方法及系统。

发明内容
一种多码元差分侦测相位评估M阶通信数据的方法，其中，这个通信数据具有N个连续码元r1，...，rN，其分别具有M个传输相位的某个相位。N-1组件的选择序列，其表示可能相位差序列，会利用多码元差分侦测进行评估。接着，利用r1做为各个相位差预测的参考值，sN-1个相位差序列(P2i，P3i，...，PNi)，其中，i＝1至s，是进行选择，藉以评估这个码元集合，其中，s是预定数值且1＜s＜M。相对于将M个可能相位差数值分别尝试于预测步骤，s个相位差预测数值的子集合是基于最靠近实际传输相位差数值的程度进行选择。另外，s个相位差预测亦可以利用数学方式决定，亦即能够使差分侦测表示式|r1+∑m=2Nrme-jβm-1|2]]>得到最大结果的s个相位差预测。
随后，sN-1个相位差序列会分别利用多码元差分侦测(MSDD)进行评估，藉以决定最可能的相位序列。另外，最终得到的相位序列则可以利用Gray解映射方法，藉以决定信息相位预测及相位信息位。


图1是表示一接收器的一信道码元串流；图2是表示习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的流程图；图3A是表示降低复杂性的多码元差分侦测(MSDD)算法300的流程图；图3B是表示图3A步骤302的详细流程图；图4A、4B、4C是表示降低复杂性的多码元差分侦测(MSDD)算法300的实施框图；图5是表示习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的可能相位序列表格；以及图6是表示习知及简化多码元差分侦测(MSDD)算法的码元误差率效能的比较图。
具体实施例方式
图3A是表示一种多码元差分侦测(MSDD)算法300，这种算法300是利用子集合搜寻观念，进而降低习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的搜寻复杂性。首先，在步骤301中，观察N个连续码元rk，其中，1≤k≤N-1。接着，在步骤302中，由习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的MN-1个相位预测的完整集合中，选择SN-1个相位差预测序列{β1，β2，...，βN-1}集合以做为最佳预测。请参考图3B，步骤302是进一步详细说明如下。在步骤302A中，启始接收信号r1会选择为一参考值，藉以决定这个信号r1及后续信号rk间的相位差。在步骤302B中，经由M个可能相位{2π/M，m＝0，1，...，M-1}，选择s个相位差预测{βk1，βk2，...，βks}(1≤k≤N-1)的一小候选子集合，其中，1＜s＜M，且s是预定的。这s个选择的相位差预测数值是最靠近实际相位差Δk。为了得到相位差预测的最靠近数值，各个相位差预测βk会施加于习知差分侦测(DD)表示式|r1+rk+1e-jβk|2，藉此，产生最大数值的s个相位差预测{βk1，βk2，...，βks}便可以进行选择。加入这个码元-码元的差分侦测(DD)处理步骤(步骤302B)，这种算法300可以视为多码元差分侦测(MSDD)及差分侦测(DD)处理的组合。在步骤302C中，现在总共有SN-1个集合的最佳相位差序列，其中，Pk＝{βk1，βk2，...，βks}。再回到图3A，步骤302的结果为SN-1个序列的相位{P1，P2，...，PN-1}。这些是最可能的候选相位差。也就是说，P1的S数值是最靠近实际相位差Δ1，P2的S数值是最靠近实际相位差Δ2，以此类推。
在步骤303中，SN-1个可能相位差序列{P1，P2，...，PN-1}均会尝试于表示式|r1+∑m=2Nrme-jβm-1|2.]]>这些集合的候逸相位，相较于习知多码元差分侦测(MSDD)算法200，会具有较少数目，因为S＜M且SN-1＜MN-1。当S非常小时，欲搜寻相位差序列的数目亦会变得非常小，进而大幅节省其复杂性。举例来说，当S＝2，N＝4，M＝4时，总共会有八个集合的相位差序列。这个数目会远小于习知多码元差分侦测(MSDD)算法200的六十四个相位差序列子集合，如图5所示。
在步骤304中，步骤303得到的最大向量会决定最佳相位差序列{β1，β2，...，βN-1}。步骤303及304可以利用下列统计数值表示ηnew=maxβ1∈P1,...,βN-1∈PN-1|r1+∑m=2Nrme-jβm-1|2]]>等式(6)当S＝M时，这个统计数值ηnew＝η。
在步骤305中，最终信息相位序列{Δφ^1，Δφ^2，...，Δφ^N-1}是利用等式(7)，经由最佳相位差序列{β1，β2，...，βN-1}预测，并且，相位信息位是利用Gray解映射方法得到。
βm=∑k=1mΔφ^k]]>等式(7)图4是表示多码元差分侦测(MSDD)实施系统400的框图，其中，N＝4且S＝2。由于N＝4，这个系统400总共具有N-1＝3个并联选择电路401，402，403，藉以决定SN-1＝8个子集合的相位候选｛P1，P2，P3}。选择电路401是具有延迟方块410，411；共轭器412；乘法器413；乘法器415k(k＝0，...，N-1)；振幅方块416k(k＝0，...，N-1)；决定方块417；乘法器418，419；及开关450。输入码元rk+3是穿过延迟组件410，411，藉以将rk建立为参考码元，并将rk+1建立为连续码元以预测相位差。共轭器412的输出是产生共轭结果rk*，这个共轭结果rk*，当利用乘法器413乘以连续码元rk+1时，将会产生一相位差数值。接着，这个相位差会利用乘法器415k乘以这个集合βk的各个相位，其中，βk＝{2πk/M，k＝0，1，...，M-1}。接着，这些乘积会穿过振幅方块416k，并输入至决定方去417，进而选择这个子集合P1＝{βk1，βk2}的最大S＝2个输入。方块401的输出是乘法器418，419输出的乘积rk+1e-jβk1及rk+1e-jβk2。
决定电路402及403具有与方决401类似组件的并联集合。决定电路402具有延迟方块420，421，其容许参考码元rk及码元rk+2的处理，藉此，决定方块427便可以选择候选相位差P2＝{βk3，βk4}。同样地，方块403具有延迟方块431，藉以容许决定方块437选择参考码元rk及码元rk+3的候选相位差P3＝{βk5，βk6}。加法器404是相加方块401，402，403输出(利用开关450，451，452交替)及参考码元rk的组合。因为s＝2，开关450，451，452产生的相位差序列{P1，P2，P3}总共有23＝8个组合。决定方块405则是选择最佳相位差序列{β1，β2，β3}，亦即产生最大总和的相位差序列{P1，P2，P3}。
图6是表示十六等分相移键控(16PSK)的码元误差率(SER)效能，其中，S＝2，且，码元观察长度N＝3，4，5。如图6所示，降低复杂性的多码元差分侦测(MSDD)算法300(S＝2)与习知多码元差分侦测(MSDD)算法200(S＝M)会提供几乎相同的效能。这是因为多码元差分侦测(MSDD)算法300仅会在向量rk+1e-jβk(1≤k≤N-1)及r1间的两个最靠近相位中选择一个相位，藉以最大化等式(6)的统计数值。因此，当2＜S＜M时，多码元差分侦测(MSDD)算法300的效能基本上会与S＝2时的效能相同，亦即增加算法300的复杂性至S＞2当无实质帮助。因此，最佳结果将可以利用最简易的实施方式(S＝2)得到。
表1是表示算法300(S＝2且码元观察长度N＝5)与算法200的复杂性比较。其中，算法300的欲搜寻相位差序列数目将可以大幅降低，进而得到更有效的处理速度。
表1

权利要求
1.一种多码元差分侦测相位评估多重相移键控(MPSK)通信数据的方法，其包括下列步骤A)观察N个连续码元r1至rN的一接收集合，各对连续码元是具有M个相位中的一相位差，其中，M＞2；B)基于N-1组件的选择序列，其表示由该集合(2πk/M，k＝0，1，...，M-1)选择的可能相位差序列，评估N个连续码元r1至rN的该接收集合；以及C)选择SN-1个相位序列形式(P2i，P3i，...，PNi)，其中，i＝1至S，藉以评估该码元集合，其中，1＜S＜M。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤B)的评估更包括预测第一码元r1及各个其它码元rk(k＝2至N)间的一相位差；其中，步骤C)的选择更包括在该集合(2πk/M，k＝0，1，...，M-1)中，为每一k选择该M个相位的S个最靠近相位βk1至βks，其是利用表示式|r1+rk+1e-jβk|2产生S个最大数值，进而得到S个相位差的N-1个集合，该方法更包括D)尝试步骤(C)的SN-1个相位序列于表示式|r1+Σm=2Nrme-jβm-1|2]]>并选择产生最大结果的相位序列，藉以决定最佳相位差序列(β1，β2，...，βN-1)。
3.如权利要求2所述的方法，更包括E)经由步骤(D)的最佳相位差序列，决定一传输信息相位差序列的一预测；以及F)利用Gray解映射方法，决定相位信息位。
4.如权利要求3所述的方法，其中，步骤(E)的决定更包括利用关是式βm=Σk=1mΔφ^k,]]>其中，βm(m＝1至N-1)表示步骤(D)的最佳相位差序列，并且， 表示该传输信息相位差序列的该预测，藉以计算该预测。
5.如权利要求2所述的方法，其中，S＝2，且两最靠近相位是被决定。
6.如权利要求2所述的方法，其中，M＝4，N＝4，且S＝2，该S个相位βk1至βks是由该集合(0，π/2，π，3π/2)选择，藉以产生SN-1个相位集合{P21，P31，P41}{P21，P31，P42}{P21，P32，P41}{P21，P32，P42}{P22，P31，P41}{P22，P31，P42}{P22，P32，P41}{P22，P32，P42}
7.一种多码元差分侦测N个连续rk码元(r1至rN)的系统，适用于一通信接收器，各对连续码元是具有M个相位中的一相位差，其中，M＞2，该系统是包括N-1个并联选择电路，分别由该集合(βk＝2πk/M，k＝0，1，...，M-1)中，产生S个候选相位的一集合，其中，1＜S＜M，各个选择电路是包括延迟组件，容许该等连续码元的评估；M个乘法器，产生并联乘积(rk)(e-jβk)；一决定组件，选择S个候选相位，其是产生表示式|r1+rk+1e-jβk|2的S个最大数值；以及S个乘法器，产生乘积(rk+i)(e-jβ’k)，其中，i＝1至N-1，且，β’K表示S个选择候选相位之一；一加法器，相加该N-1个并联选择电路的乘积输出；以及一决定组件，评估该N-1个并联选择电路的SN-1个相位序列，以及，选择产生最大乘积数值的相位序列。
全文摘要
一种差分相位评估M阶通信数据的方法，其中，这个通信数据具有N个连续码元r
文档编号H04L25/03GK1706164SQ200380101848
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月7日 优先权日2002年10月24日
发明者黎彬, R·A·迪费奇欧, D·M·格利可, A·莱尔 申请人:美商内数位科技公司