波形带宽压缩方法与流程

本申请请求2016年5月23日申请的，题为“波形带宽压缩方法”，申请号为62/340,104的美国临时专利申请的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。

背景技术：

申请人先前的题为“使用非线性函数的电信信号”的专利us8,472,534和题为“用于通信的方法和系统”的专利us8,861,327，其内容以引用方式全部并入本文中，其介绍了基于螺旋式的信号调制。基于螺旋式的信号调制可以基于复数螺旋式的信号调制，而不是标准信号调制技术(例如正交幅度调制(qam)和相移键控(psk))所使用的传统复杂圆。

申请人先前的若干临时和非临时专利申请，题为“螺旋多项式分割复用”的美国临时专利申请62/213,418，题为“螺旋多项式分割复用”的美国专利申请15/255,944，以及题为“确定瞬时光谱使用的方法”的美国临时专利申请62/256,532，其内容通过引用方式全部并入本文中，介绍了一种称为“瞬时光谱分析”(isa)的新方法。isa是一种可用于将可表示信号的任意多项式分解为复数螺旋式之和的方法，该和可能具有作为正弦波之和的实值表示，每个正弦波可具有连续变化的振幅。isa介绍了一种识别和分组同一频率的正弦波的方法，如此，在特定多项式的螺旋式表示中，在每一时刻与每个正弦频率相关联的振幅和功率就可以很容易地显示出来。

从振幅的时域序列确定频谱使用的传统技术，包括最显著的傅里叶变换(ft)，通常通过在一段时间内平均频谱信息来实现，从而使用等幅正弦波来表示时域。然而，与使用ft相比，isa允许使用更小的正弦频率范围(“带宽”)来表示相同的时域。由于数字通信可能被认为是基于使用带宽的振幅值的时域序列的传输，并且由于带宽可能是非常宝贵的资源，因此可能需要一种可以允许更高频谱效率的信号传输的方法。此外，可能需要一种方法来实现更高的频谱效率，同时尽可能少地改变现有的无线电架构设计。

技术实现要素：

上面提到的申请人的先前专利申请公开了使用多项式来描述信号，以及使用isa以复数螺旋式之和表示这些多项式。虽然isa技术可具有普遍的适用性，但先前的专利特别关注在申请人引入的一种新的信号调制方法(称为“螺旋多项式分复用”(spdm))的背景下使用isa。然而，isa也可用于信息或数据的带宽压缩，与传统的信号调制方法结合使用，这些方法可能包括相移键控(psk)、频移键控(fsk)、正交幅度调制(qam)、正交频分复用(ofdm)，以及所有或几乎所有其他传统调制格式。

根据一种波形带宽压缩方法的一个示例性实施例，传统的调制方法可生成信号时域振幅序列，该序列可以用多项式表示，该多项式具有普遍适用性。isa可通过本文公开的“波形带宽压缩”(wbc)方法应用于传统调制方法的传输带宽压缩中。

wbc可能包括isa的一种新应用，其中，利用isa分析了可能由psk或其他传统调制方法生成的时域振幅序列，这种振幅序列可能发生在发送器的数模转换(dac)步骤之前。wbc可允许使用具有由isa产生的连续变化振幅的正弦波以更高的频谱效率传输振幅值的相同时域序列，而不使用具有恒定系数的正弦波来传输特定传输时间间隔(tti)的时域序列。wbc方法可能不需要改变传统发送器产生的振幅序列，也几乎不需要对传统接收器进行修改。因此，wbc可以提供一种方法来显著提高现有传输系统的频谱效率，同时仅需对传统的无线电架构设计进行极小的修改。

特别地，所述方法可包括以下步骤。首先，接收实值振幅信号的输入序列，或者处理信息以产生实值振幅信号的输入序列。其次，在至少一个传输时间间隔的范围上将多项式拟合到所述输入序列。其次，将所述多项式转换为一个传输信号，所述输入信号可由具有连续时变振幅的多个正弦波的总和形成。然后所述传输信号可被发送，并且可作为时间-振幅序列来被接收。

将所述多项式转换为传输信号的步骤可采用瞬时光谱分析，如上文所述，可在通过引用并入的专利申请中进行更详细的讨论。具体地，瞬时频谱分析可能需要将所述多项式投影到在多项式系数空间中正交的凯恩斯级数函数上，将所述多项式从凯恩斯级数函数描述的函数转换为凯恩斯指数函数描述的函数，并将包含在由凯恩斯指数函数描述的函数中的频率信息组合到正弦波的总和(例如传输信号)中。

附图说明

本发明实施例的优点将从以下对其示例性实施例的详细描述中变得显而易见，该描述应结合附图来考虑，附图中相同的数字表示相同的元件。

图1a示出了wbc在降低正交相移键控(qpsk)带宽要求方面的示例性应用，并具体地示出了基带上四个qpsk符号波形的随机序列。

图1b示出了wbc在降低正交相移键控(qpsk)带宽要求方面的示例性应用，并具体地示出了拟合到一个完整的qpsk四符号波形序列的一个多项式。

图1c示出了wbc在降低正交相移键控(qpsk)带宽要求方面的示例性应用，并具体地示出了一组具有正频率且具有变化振幅的isa生成的正弦波。

图1d示出了wbc在降低正交相移键控(qpsk)带宽要求方面的示例性应用，并具体地示出了qpsk时域的傅里叶变换，该时域包括图1a所示类型的符号波形序列。

图1e示出了wbc在降低正交相移键控(qpsk)带宽要求方面的示例性应用，并具体地示出了图1a所示的qpsk时域的表示。

图2示例性地示出了可配置为包括wbc技术的发送器和接收器对。

图3示例性地示出了包括多个发送器和接收器对的系统或网络，其中一些可配置为包括wbc技术。

具体实施方式

在以下针对本发明具体实施例的描述和相关附图中公开了本发明的各方面。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以设计替代实施例。另外，本发明的示例性实施例的习知元件将不会被详细描述或者将会被省略，以免掩盖本发明的相关细节。此外，为了便于理解，一些术语的描述讨论如下。

本文中使用“示例性”一词来表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其他实施例优选或更有利。同样，术语“本发明实施例”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作方式。

此外，许多实施例是根据由例如计算设备的元件执行的动作序列来描述。应认识到，本文描述的各种操作可由特定电路(例如，专用集成电路(asic))、现场可编程门阵列、由一个或多个处理器执行的程序指令或其组合来执行。另外，本文描述的这些操作序列可被视为完全体现在任何形式的计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质中存储了一组相应的计算机指令，这些计算机指令在执行时将使相关的处理器执行本文所述的功能。因此，本发明的各个方面可以多种不同的形式体现，其中所有这些形式都被认为是在所要求保护的主题的范围内。另外，对于本文描述的每一实施例，任何这样的实施例的相应形式可在本文中描述为，例如，“逻辑配置为”执行所描述的操作。

根据示例性实施例，一种修改传统信号调制方法的信号传输的方法可以被考虑。这种方法可以称为“波形带宽压缩”(wbc)，因为与传统信号调制相比，它降低了传输特定时域波形的带宽要求。

根据示例性实施例，wbc可将可能在采用传统信号调制方法(例如但不限于psk，fsk，qam或ofdm)的发送器中生成的时域振幅序列作为输入。wbc可以与许多不同类型的传统信号调制兼容，并且可能不需要关于这种信号调制的性质的进一步假设。

作为输出，wbc可以返回一组不同频率(“频域”)的正弦波，每一正弦波具有连续时变振幅。将每个正弦波与其振幅的乘积相加，可使psk或其他调制技术生成的时域振幅序列在每个时间点被精确地重建。

根据一些示例性实施例，wbc可包括以下步骤。首先，多项式可被拟合到由传统发送器生成的实值振幅的输入序列。所述输入序列可以是具有代表要发送的数据或信息或数据和时钟的实值振幅的数字波形。所述多项式可以覆盖一个或多个传输时间间隔(ttt)。其次，可以使用申请人的在先专利申请中公开的isa方法将所述多项式转换为具有连续时变振幅的正弦波的总和。第三，所得到的isa表示(“传输信号”)可以由传统发送器发送。第四，与传统发送器配对的传统接收器可以接收所述传输信号。第五，如果传统接收器仅需要传统发送器所设计的时间-振幅序列，就可以像采用传统的等幅正弦波方法那样对所述传输信号进行处理。第六，如果传统接收器需要根据传统调制提供的等幅正弦波来表示信号，则接收器可能能够从传输信号的傅里叶变换获得该表示。这可以利用以下事实：时域振幅序列在isa和ft方面可以具有相同的表示。因此，当使用isa表示传输振幅序列时，传统接收器可以像使用传统表示传输一样对其进行重构。

示例性图1a至图1e可示出wbc技术的示例性应用，以使用标准信号传输技术将正交相移键控(qpsk)的带宽要求降低至其频谱分布的约25％。换句话说，wbc可以将该应用中的频谱效率提高四倍。示例性图1a可示出基带处的四个qpsk符号波形的随机序列，其中每个qpsk符号波形具有模拟的1mhz带宽和1微秒的持续时间。示例性图1b可示出拟合到完整的qpsk四符号波形序列的一个多项式，其可以提供qpsk四符号时域的等效表示。示例性图1c可示出具有正频率的一组isa生成的正弦曲线，其可以具有连续变化的振幅。这些正弦曲线的总和以及匹配的负频率正弦曲线可以精确地重建图1a和图1b中的时域振幅序列。图1c中的波形可以不使用频率高于0.25mhz的正弦波。示例性图id可示出qpsk时域的傅里叶变换，其由图1a中所示类型的符号波形序列组成。具体地，图1d可示出至少1mhz的明显频谱分布。示例性图1e可示出图1a中所示的qpsk时域的表示，其可指示频率高于0.25mhz的正弦波中没有功率。这可以指示qpsk符号波形序列的isa表示所暗示的带宽使用远小于qpsk符号波形序列的ft表示所暗示的带宽使用。

图2可以示出在传输或通信系统(如图3所示)中使用的示例性发送器和接收器对。wbc技术可以在发送器的编码器部分中实现，其还可以包括传输的信息的传统信号调制编码。如此，编码信号可用于使用如图2所示的外部调制器来调制由载波源提供的载波，或者直接调制载波源以产生传输信号。虽然编码器和解码器在图2中被显示为单个块，但是应当理解，编码器和解码器可以包括用于处理通过系统的信息的一个或多个阶段/组件，如本领域技术人员所期望的。

在接收器处，接收器可以接收所述传输信号并向解码器提供所述传输信号，该解码器可以执行输出信息所需的任何解码，该信息可以是数据和时钟信号的形式。

图3示出了可部署在可能包括wbc技术的各种有线和无线传输和通信系统中的多个发送器和接收器。例如，这些系统可以包括各种电气和光学有线传输和通信网络，以及卫星和地面无线网络。在各种系统中，所述传输信号在传输之前可以被多路复用，并且在传输之后可能需要多路解复用，如通常在承载多个信道的有线系统中执行的那样。

本发明的wbc技术可在系统或网络中的所有发送器和接收器中实现，或者仅在系统或网络中的一部分发送器和接收器中实现。通过这种方式，本发明的wbc技术可以混入新的网络构建中，也可以改装到现有网络中，以在包括采用传统信号调制技术的发送器和接收器的现有网络中提供额外的容量。根据本发明示例性实施例，发送器和接收器可部署在现有网络中，以在具有未使用信道的网络中提供额外容量。另外，根据本发明示例性实施例，一个或多个发送器和接收器对可用于替换已经部署在现有网络中的传统发送器和接收器，以提供额外的容量。

在另一示例性实施例中，公开一种发送信息的方法。信息可被处理以产生实值振幅信号的输入序列。多项式可被拟合到覆盖至少一个传输时间间隔的输入序列。所述多项式可被转换为包括具有连续时变振幅的多个正弦波之和的传输信号。所述传输信号可被发送，并且可作为时间-振幅序列来被接收。接收的时间-振幅序列可以进一步被转换为至少一个等幅正弦波信号。例如，可通过将接收的时间-振幅序列的振幅调整为恒定振幅来实现，实际上，将时间-振幅序列调整为传输信号，例如可以使用传统的等幅正弦波方法构造传输信号。

在又一示例性实施例中，公开一种发送信息的方法。多项式可被拟合到覆盖至少一个传输时间间隔的输入序列。所述多项式可被转换为包括具有连续时变振幅的多个正弦波之和的传输信号。所述传输信号可被发送，并且可作为时间-振幅序列来被接收，其中接收包括对接收的传输信号执行傅里叶变换。

上述的描述和附图示出了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应被解释为限于上面讨论的特定实施例。上述实施例的其他变型将会被本领域技术人员所理解。

因此，上述实施例应被视为说明性实施例而非限制性实施例。因此，应当理解是，本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下对那些实施例进行修改。