专利名称：Cpm信号的相干调制的制作方法
技术领域：
本发明一般而言，涉及数字通信的领域，更具体地说，涉及对数字通信信号相干调制与解调的一种方法和系统。
传统的连续相位调制(CPM)线路原本是应用差分编码来实现调制线路的连续相位性质，这样的线路已有描述，例如在下文中T.Aulin,J.B.Anderson and C.E.W Sundbery,Digital Phase Modulation,Applications of Communications Theory,Plenum Press,Newyork,New York 1986，典型的做法是，CPM信号采用相干解调器解调，然后用差分方式检波取得数据符号，差分检波过程的一个缺点是由解调器解调出的每个符号输出中的一个差错引起两个输出数据符号出差错，这种差错率是相干调制信号相干解调达到的差错率的两倍。
在一个高斯通道上，这种符号差错率加倍并不在性能上引起重大的损失，可是，在一个衰落的通道上，位差错率(BER)是与信噪比线性变化的；因此，符号差错率加倍意味着3dB性能损失，为了避免这种损失，相干编码CPM线路是所希望的。
对于大多数需要在非线性和/或衰落通道上传输数字数据的应用来说，恒定包络数字调制是所希望的。因为它们简单，恒定包络调制线路，如相移键控(PSK)和频移键控(FSK)是经常被采用的，对于更好的频谱利用的不断需求导致探索更高效率带宽利用的调制线路。大家知道，恒定包络数字调制线路的带宽可通过采用模拟滤波器将传送信息的相位的变化加以平滑而被减少，这样的一种调制线路被称为连续相位调制(CPM)。
除了改善谱的利用效率以外，CPM线路对于PSK线路来说，提供了一种编码增益。编码增益是相位形成模拟滤波器所引入的存贮器提供的，该滤波器可由格状解码器用来对所发送的数据符号解码。
在下文中描述一种相干调制CPM系统，例如，Rimo1di,“ADecomposition Approach to CPM”,IEEE Transactions on InformationTheory,34(2)260-270(1988),Rimeld，公开了一种CPM系统，包括一种线性的，时不变连续相位编码器和一种线性的，时不变无存贮器调制器，Rimoldi所透露的时不变的倾斜的相位格子结构导致一种降低复杂性的无存贮器调制器，连续相位编码器与解码器也比以前的MSK系统简单，对于实际信噪比(SNR)的位差错概率被降低一个2的因子，可是，Rimoldi系统讲授了一种复杂的实施方案，并未进一步讲授如何将一种传统的CPM线路变换成一种数据符号在其中被相干编码的恒定包络调制线路。
采用Nyquist-3脉冲形成的CPM线路已被建议用于移动通信系统中，如在下文中Sayar and Pasupathy,“Nyquist 3 Pulse Shaping inContinuous Phase Modulation”,IEEE Transactions on CommunicationsCOM-35(1):57-67(1987)。Sayar等透露了在CPM线路中的Nyquist-3脉冲形成,一般来说，是如何提供被改善的谱的质量，可是，Sayar等并未透露对于相干调制数据符号，Nyquist-3脉冲形成是如何能被实际地实施，而且，Sayar等并未认识在实际应用带有传统的接收机滤波器的Nyquist-3脉冲形成中固有的性能限制。
采用一种连续相位调制线路来实现相干调制及数据符号的相干编码，并在衰落通道上保持低的差错率是所希望的。
对于这样的CPM信号采用一种简单的解调器来解调也是所希望的。
本发明克服了以上指出的问题，并提供一些其它的优点，这是通过提供一种相干调制CPM信号的方法来实现，依据本发明的示范性实施方案，以数据符号形式的数字信息被编码；被编码的信息通过一个相干CPM调制器。接收机在符号的间隔或其它预先规定的间隔上对所发送的信息信号采样，并对被采样的信息解调与解码。
阅读以下结合附图对最佳实施方案的详细描述，可对本发明的特性，操作及优点有更完全的了解，其中，同样的标号表明同样的部件，其中
图1是依据本发明的实施方案的一种示范性的通信系统的方框图；图2A-B是示出了依据本发明的另一示范性通信系统方法的流程图；图3A-B分别是用于本发明的系统和方法中的一种示范性相位脉冲图以及完全响应和Nyquist-3 CPM线路的谱的图形比较；图4A-B分别是用窄带IF滤波器接收到的符号的散射图与眼图；和图5是依据本发明的实施方案，采用一种补偿滤波器接收到的散射图。
CPM信号以频率脉冲g(t)，或相应的相位脉冲f(t)来表征，两者之间的关系如下f(t)=∫-∞′g(u)du---(1)]]>典型情况下，g(t)是时间限于某个区间(0,LT)的。另外，在f(t)上归一化为f(∞)=1/2 (2)通过数据符号序列αk和调制指数h，被发送的CPM信号可由下式给(4)s(t)=ej2πh∫-∞′Σk=-∞∞a,g(t-kT)dt---(3)]]>通过f(t)，等式(3)可被改写为s(t)=ej2πhΣk=-∞∞a,f(t-kT).]]>CPM线路的恒包络性质从以上的等式中可看得很清楚。
可以理解，等式(3)和(4)应用了CPM线路中的固有差分解码。
频率脉冲g(t)是仅在区间(0,LT)上非零值，其中T是符号周期，这意味着φ(τ)={0.5tτ≥L&Tgr;.0,τ≤0---(5)]]>利用以上的信息，等式(4)对于被发送的CPM信号可改写如下，对于mT≤t≤(m+1)T，s(t)=ej2πh(Σk=-∞m-La,12+Σk=1Lam-L+1f(τ+LT-kT))---(6)]]>其中 τ=t-mT. (7)例如，带在调制指数0.25的四电平CPM线路中，符号序列αk∈{-3,-1,1,3}，和编码符号序列k可被定义为k∈{0,1,2,3}，在符号αk与编码符号k可被定义为ak=2k-3.(8)因此，在本例中的CPM信号由下式给出s(t)=ejπ2(Σk=-∞m-L(2a.,-3)12+Σk=(1)L(2a.m=L+1-3)f(τ+LT-kT))---(9)]]>=ejπ2(Σk=-∞m-La.,-Σk=lL2am-L+1f(τ+LT-kT).)ejπ2(Σk=-∞m-L-32+Σk=lL(-3)f(τ+LT-kT))---(10)]]>从等式(10)，很明显，被调制的信号可被分为由下式给出的数据独立项Si(t)si(t)=ejπ2(Σk=-∞m-L-32-Σk=lL(-3)f(τ+LT-kT))---(11)]]>和由下式给出的数据有关项Sφ(t)sd(t)=ejπ2(Σk=-∞m-La1.+Σk=1L2am-L+1.f(τ+LT-kT))]]>可以理解，在等式(12)中Sd(t)的表达式中的第一个求和式，按复指数运算的性质，仅是唯一的模数4。
现在，考虑第二符号序列bk，由下式定义bk=(Σl=-∞kal^)mod4---(13)]]>其中mod N意思是余数被N除，可以理解，在一般情况下，N可由24表示。
在此例中，因为bk∈{0,1,2,3}(14)和k=(bk-bk-1)mod 4 (15)那末，通过第二符号序列bk,Sd(t)的表达式可被改写为sd(t)=ejπ2(bm-L+Σk=1L2[(bm-L+1-bm-L=1-1)mod4]f(τ+LT-kT))]]>Si(t)的表达式仍然不变。
传统的相干解调器通过评估第二符号序列bk检出第一符号序列αk，然后执行等式(15)中所示的差分检波运算来确定第一序列αk。依据本发明，第二符号序列bk包含传送符号的全部信息，因此差分检波是不需要的，因而bk信号就是相干调制CPM信号。
现在参照图1，示出了依据本发明的一种实施方案的一种示范性通信系统的方框图，该系统包括一台发射机，其中有一个编码器10，用于对包含许多数据符号的数字信息信号编码，有一个调制器14，用于对数据符号调制并发射已滤波和已编码的数字信号。调制器14包括一个用于脉冲形成的滤波器，该系统还包括一台接收机16，用于接收被发送的信号。接收机16包括一个解码器18，用于对被发送的信号解码，解码器18可以由Viterbi解码器来实现，该解码器模拟按等式(16)被用公式表示的有限状态机制，或者可包括任何其它合适的解码器，接收机16也包括一个滤波器(未示出)，譬如窄带IF接收滤波器或将在以下作更详细描述的多抽头补偿滤波器用于对接收到的发送信号滤波。
现在参看图2A-B，示出了依据本发明发送数据通信信号从发射机到接收机两种另外的示范性通信方法的流程图，首先参看图2A，在步骤100中，发射机从源获得数据位，在步骤102中，将多组q数据位安排在数据符号bk之中，其中符号bk具有值(0,1,……2q-1)之一，K是时间指数，可以理解，数据位可以在步骤102中执行安排以前通过通道编码器。
在步骤104中，发射机产生以下形式的数据有关信号sd(t)=ej2πh(bm-L+Σk=1L2[bm-L+1-bm-L+1-1mod2′])f(τ+LT-kT)]]>其中h是调制指数，形式为k/2q,k是整数，f(τ)是一个归一化的相位脉冲。
在步骤106中，发射机产生以下形式的数据无关信号si(t)=ej2πjn(Σk=-∞m-L-(2′-1)2+Σk=1L(-2′-1))f(τ+LT-kT)]]>在步骤108中，发射机产生乘积信号，是数据有关信号与数据无关信号的乘积，在步骤110中，乘积信号被在一个通信通道上从发射机发送到接收机。
在步骤112中，接收机接收被发送的积信号并通过从接收到信号中评估数据符号bk及从数据符号的评估中确定数据位来对接收到的信号解调和/或解码。接收机在预先规定的采样间隔上优先检出接收到信号的相位角。对于源数据位已经在步骤102中执行安排以前通过通道编码器的情况，接收到的信号被通过解调器，输出由通道编码器产生的代表已编码的源数据位的软信息，该软信息通过通道解码器以评估源数据位。
现在参看图2B示出了一种依据本发明的另一通信方法，步骤100与102是与图2A中所示的方法中的相同，图2B的方法与图2A的方法的区别在步骤103中，发射机从在步骤102中产生的符号bk中产生数据符号K，其中k=(bk-bk-1)mod2q然后产生αk，其中ak=2k-(2q-1)在步骤105中，数据符号αk被通过在发射机的CPM调制器以形成连续相位调制数据信号，CPM调制器包括一个带有相位脉冲f(τ)的滤波器。
在步骤107中，发射机在通信通道上发送连续相位调制信号，如以上关于图2A所描述的那样，在步骤112中，被发送的信号被接收。采样和解调和/或解码。
可以理解，结合本发明原理的其它合适的方法对本领域的技术人员是很清楚的。
用于相干CPM的解码器/解调器18可以是，例如，Viterbi解码器，模拟了对于CPM信号的有限状态机制，一种示范性的状态机制可通过采用等式(16)中的描述被公式化，一种状态可由值{bm-L…,bm-1}的L-tuple集来表示，在以上状态中对有限状态机制的输入bm在发出由等式(16)和(1)给出的输出信号时，引起转变为状态{bm-L…,bm-1}，在4电平CPM线路中，状态数等于4L。
一种完全响应的CPM方案，在其中频率脉冲g(t)仅在(0,T)的范围内有支持。在这样的一种线路中，调制符号的完全响应可在一个符号间隔中实现，依据本发明的一种示范性实施方案，当滤波器12采用Nyquist-3脉冲作为频率脉冲时，Nyquist-3 CPM线路可通过采用Nyquist-3滤波器来实现。Nyquist-3脉冲支持多重符号间隔；然而，如果CPM信号在符号间隔上被观察到，其特性类似于一种完全响应的CPM信号。
Nyquist-3相位脉冲被定义为f(kT)=0,k≤n=0.5,k≥n+1.(17)
这样的脉冲可让一个有零ISI(即Nyquist脉冲)的脉冲通过一种频率响应基本上等于Sinc函数的倒数的滤波器而被产生。现在参看图3A,Nyquist-3相位脉冲的图形作为例子被示出，虽然，完全响应脉冲满足等式(19)，一种Nyquist-3 CPM线路在完全响应CPM线路上提供改进的谱质量，尤其是，在谱中的旁瓣电平可通过采用Nyquist-3 CPM代替完全响应CPM而被大大地降低。现在参看图3B，示出了采用完全响应矩形脉冲作为频率脉冲的四电平CPFSK的谱与采用图3A的相位脉冲的Nyquist-3 CPM线路的谱的比较。
在数学上，考虑相干调制CPM信号关于数据有关部分的等式，也就是sd(t)=ejπ2(bm-L+Σk=1L2[(bm-L-1-bm-L+1-1mod4])f(τ+LT-lkT))---(18)]]>可被表示在上式中采用整数乘上符号周期，等式(19)可得sd((N+n)T)=ejπ2(bN-L+Σk=1L[(bm-L+1-bN-L+1-1mod4))---(19)]]>或者等效于sd((N+n)T)=ej0.5πby---(20)]]>因此，从接收到的信号中除去数据无关部分，信号在采样点上通过简单的观察就可被解调，这种CPM解调器18大大地降低了复杂性。
如果一种窄带接收IF滤波器被用于接收机16中，信号畸变可能发生，如果IF滤波器的通带比包含大多数CPM信号能量的频带宽，这种畸变是小的，但正如图4A中接收到的符号的散射图，和图4B中的眼图中说明的，可能导致性能降低，畸变引起关于PSK系统的功率损失；然而，这种损失被这样的事实抵销了，即CPM信号的峰值与平均功率之比是较低的。
一种补偿滤波器可被用作接收机16中的接收滤波器用以改进性能，例如，一种在半符号间隔上有抽头的五抽头补偿滤波器被采用。这种补偿滤波器被优先设计使在输入及已知输出之间不一致误差为最小，因此，大大减少了传统接收滤波器的性能降低的影响，这正如上面描述的，实际上，一种算法，如像LMS算法或一种等效的算法可用于确定补偿滤波器的抽头。图5示出了接收到的符号的散射图，带与不带补偿滤波器两种情况，可以理解，补偿滤波器通过将远离中心的点带到靠近实际星座点上而改善了性能。
虽然前面的描述包括许多细节及特性，应该理解为它们仅仅是举的例子，不能被解释为对本发明的限制，对已公开的例子的许多修改对本领域的技术人员将是容易明白的，正如所附的权利要求及它们法律上的等价物所规定的那样，它们并不偏离本发明的精神及范围。
权利要求
1．一种发送与接收数字通信信号的方法，包括以下的步骤从源获得数据位；将q数据位的集安排到数据符号bk中，该符号取2q值之一{0,1,…2q-1}，其中k是时间指数；产生数据有关信号sd(t)=ej2πh(bm-l+Σk=1L2[(bm-L-1-bm-L+1-1mod2′])f(τ+LT-kT))]]>其中h是形式为k/2q的调制指数，k是整数，f(τ)是归一化的相位脉冲；产生数据无关信号Si(t)=ej2πh(Σk=-∞m-L-(2′-1)2·Σk=1L(-(2′-1))/(τ-LT-kT))]]>从数据无关信号及数据有关信号产生乘积信号；在通信通道上发送乘积信号；接收所发送的乘积信号；和通过从接收到的信号评估数据符号bk对接收到的信号解调，从数据符号的评估确定数据位。
2．根据权利要求1的方法，其中相位脉冲具有Nyquist脉冲形状。
3．根据权利要求1的方法，还包括在解调步骤以前通过补偿滤波器对接收到的信号进行滤波的步骤。
4．根据权利要求1的方法，其中解调步骤包括在预先规定的采样间隔上对接收到的信号的相位角采样。
5．根据权利要求3的方法，其中补偿滤波器是在半符号间隔上有抽头的五抽头补偿滤波器。
6．根据权利要求5的方法，其中补偿滤波器使接收到的信号与接收机已知的预定信号之间的均方误差值最小。
7．根据权利要求6的方法，其中补偿滤波器是一种多重抽头补偿滤波器，该抽头由LMS算法在预先规定的间隔上确定。
8．根据权利要求1的方法，还包括在安排步骤以前从源对数据位编码的步骤，其中解调步骤是这样实现的，让接收到的信号通过解调器产生代表已编码数据位的软信息，让软信息通过通道解码器评估来自源的数据位。
9．一种发送与接收数字通信信号的方法，包括以下步骤从源获得数据位；将q数据位安排到具有2q个值{0,1,…2q-1}之一的第二数据符号bk之中，其中k是时间指数；产生第一数据符号k，其中k=(bk-bk-1)mod2q产生新的数据符号αk，其中ak=2k-(2q-1)将新的数据符号αk通过具有调制指数h及相位脉冲f(τ)的CPM调制器，形成连续相位调制信号；在通信通道上发送连续相位调制信号；接收所发送的信号；和通过从接收到的信号中评估数据符号bk，对接收到的信号解调。
10．根据权利要求9的方法，其中相位脉冲具有Nyquist-3脉冲形状。
11．根据权利要求9的方法，还包括在解调步骤以前通过补偿滤波器对接收到的信号滤波的步骤。
12．根据权利要求9的方法，其中解调步骤包括在预定的采样间隔上对接收到的信号的相位角采样。
13．根据权利要求11的方法，其中补偿滤波器是在半符号间隔上有抽头的五抽头补偿滤波器。
14．根据权利要求13的方法，其中补偿滤波器使接收到的信号与接收机已知的预定信号之间的均方误差值最小。
15．根据权利要求14的方法，其中补偿滤波器是一种多重抽头补偿滤波器，该抽头在预定间隔上由LMS算法确定。
16．根据权利要求9的方法，还包括在安排步骤以前对来自源的数据位编码的步骤，其中解调步骤是这样进行的让接收到的信号通过解调器产生代表已编码数据位的软信息，让软信息通过通道解码器，评估来自源的数据位。
全文摘要
用于CPM信号的相干调制线路,所公开的线路通过采用相干编码器避免了由于差分编码引起的差错概率的增加。通过采用具有相干编码的Nyquist-3CPM线路可以实现一种简单的解调器,这样的一种线路可以与采用M－PSK调制的信号基本上相同的方式解调。
文档编号H04L27/20GK1215520SQ97193608
公开日1999年4月28日 申请日期1997年1月31日 优先权日1996年2月9日
发明者R·拉梅斯 申请人:艾利森公司