CN1129264C - 相位域多路复用通信方法 - Google Patents

Abstract

相位域多路复用通信系统根据所选择的包含N个元素的正交矢量产生各具有唯一相位的N个载波频率。首先通过信号分离器(215，图6)分离用户信息信号。然后通过混频器(220)上变换每个分离的信号并根据选择的正交矢量对每个信号进行相移。然后通过求和单元(250)组合得到的信号并发射。在接收机，将输入信号耦合到信号分离器(315，图7)，在此将信号分离成N个信号分量。对每个信号分离下变换并进行相移以便可在求和单元(350)提取发射的用户信息。在求和单元(350)，所希望的用户信号分量同相相加，而与其它用户对应的信号分量异相相加。

Description

相位域多路复用通信方法

技术领域

本发明涉及通信方法，特别是采用多址联接技术的通信方法。

背景技术

在采用诸如频域或码分多路复用之类的多址联接技术的通信系统中，数个用户使用单独的通信资源。例如，在频分多路复用系统中，向每个用户单元分配特定的频率以供使用，同时该用户忙于与相同装配的另一个用户单元的呼叫中。当用户已完成发送时，可重新分配频率资源供另一个用户使用。然而，在典型的频域系统中，可供用户使用的频道数量有限。在已达到该容量限度时，通信系统不能容纳附加的用户。

码分多路复用系统优于频域系统的方面在于码分多路复用系统更有效地利用了为通信系统分配的频谱。在码分多路复用系统中，向忙于呼叫的用户单元中的每个用户单元分配唯一的伪噪声码。每个用户单元利用与其它用户单元相同的频谱，但被分配不同的伪噪声码。然而，在码分多路复用系统中，必须采用精密的硬件来捕获和跟踪各种用户单元使用的伪噪声码。另外，为使该通信系统可供更大数量的用户单元使用，必须使用严格定时结构以便发射站的代码发生器与接收站的代码发生器同步。该附加的额外开销降低了系统的灵活性并增加了与操作该通信系统相关的成本。

发明内容

因此，需要一种实现频谱有效使用的通信而不需要码分多路复用系统中所需的严格定时结构的方法和装置。

本发明提供了在通信系统中的一种用于在相位域中生成与其它多频通信信号基本正交的多频通信信号的方法，所述方法包括步骤：识别矢量空间中的正交矢量，其中所述正交矢量包括N个元素，其中所述N个元素中的每一个规定一个相移；在频域中产生以基本定期的间隔排列的N个载波信号；将所述N个载波信号中的每一个相移等于所述正交矢量的对应元素的量以形成N个相移的载波信号；将信息信号施加到所述N个相移载波信号中的每一个；和对所述N个相移载波信号求和。

附图说明

在所附权利要求书中特别指出了本发明。然而，在结合附图考虑时，参考详细描述和权利要求可更加全面地理解本发明，其中在整个说明书中相同的参考标号表示相同的元件，并且：

图1表示根据本发明优选实施例的三元素正交矢量空间的相图；

图2表示根据本发明优选实施例的三载波相位域多路复用发射机的方框图；

图3表示根据本发明优选实施例的三载波相位域多路复用接收机的方框图；

图4表示根据本发明优选实施例的求和单元输出的相图；

图5表示从使用与图3的例子中使用的矢量正交的矢量得到的相量的相图；

图6表示根据本发明优选实施例的N载波相位域多路复用发射机的方框图；

图7表示根据本发明优选实施例的N载波相位域多路复用接收机的方框图；

图8表示根据本发明优选实施例生成多频载波信号的方法，该信号基本上与相位域中的其它多频载波信号正交；

图9表示根据本发明优选实施例生成多频通信信号的方法，该信号基本上与相位域中的其它多频通信信号正交；和

图10表示根据本发明优选实施例解调多频通信信号的方法，该信号基本上与相位域中的其它多频通信信号正交。

具体实施方式

相位域多路复用通信系统的方法和装置允许多个用户单元共享共用频率资源，而不需要发射站与接收站之间的严格定时。另外，由于该系统中不使用伪噪声码，可取消跟踪和相关该系统使用的伪噪声码所需的必要硬件。相位域多路复用通信系统提供许多码分多路复用系统的优点，但不需要常规的码分多路复用通信系统中的复杂和精密的硬件。

图1表示根据本发明优选实施例的三元素正交矢量空间的相图。在图1中，频率分量F₁至F₃表示各具有与前一个相位逐渐偏移的相对相位的离散频率。每个频率相量作为时间的函数绕频率轴旋转，并随该旋转进程取实和虚值。因此，作为例子，F₁所具有的相对相位为0，F₂所具有的相对相位为2π/3弧度。同样，F₃所具有的相对弧度为4π/3弧度。虽然每个载波相位随时间改变，总可以确定载波初始相位之间的相对差值。另外，虽然该例子表示三载波相位域多路复用系统，该概念可扩展到利用任何数量载波的系统。在优选实施例中，唯一的限制是载波的数量应等于系统中使用的正交相位的数量。

图2表示根据本发明优选实施例的三载波域多路复用发射机的方框图。图2的相位域多路复用发射机最好是诸如与卫星或其它通信节点通信的用户单元之类的通信设备。在图2中，处理器3在包括三个元素的矢量空间中选择一个正交矢量，这三个元素中的每一个规定一个相移。作为例子而不是限制，选择0、2π/3、和4π/3度的正交矢量。可由处理器3选择的其它可能的正交矢量(例如由另一个用户使用)包括0、-2π/3、和-4π/3度、以及0、0、和0度。可由使用通信系统的第二通信设备选择这些其它正交矢量中的一个。

处理器3把这些相移传送到下面将讨论的移相单元40、41、和42。在该例子中，使用三个载波以及三个元素矢量空间。然而，根据具体应用的要求，可使用或多或少的矢量空间。三个载波的使用支持三个独立的用户单元。

在图2中，信息信号5输入到滤波器10。信息信号5可传送适合于在通信系统中使用的模拟或数字信息。因此，信息信号5可包括数字数据、数字化话音、传真数据、或其它二进制信息。另外，信息信号5也可传送模拟语音、视频、或其它类型的信息。

信息信号5输入到滤波器10，在滤波器10中按照常规技术对其进行滤波。在优选实施例中，滤波器10实现根升余弦(root raisedcosine)响应。根升余弦因其提供低码元间干扰而因此是所希望的。可按照特定应用的需要使用诸如高斯滤波响应之类的其它滤波响应。滤波器10耦合到信号分离器15。信号分离器15起到将信息信号分成三个基本相等的信号分量的作用。在其它应用中，人们可能希望更多或更少的载波信号，那么信号分离器15根据载波信号的数量分离来自滤波器10的信号。

在信号分离器15的输出端，每个信号分量输入到混频器20-22中的一个。混频器20-22可以是本领域技术人员熟知的在常规通信频率使用的任何适合的混频器。信号发生器30-32还通过相移单元40-42耦合到混频器20-22。在优选实施例中，信号发生器30-32中的每一个在频率域中产生基本以周期间隔排列的载波信号。仅需要按基本上等于信息信号5的数据速率的倒数的数量分离每个信号发生器30-32。因此，例如，在三载波相位域多路复用通信系统中，信号发生器30可在100MHz工作。同时，信号发生器31和32分别在101和102MHz工作。给出1MHz的间隔，信息信号5的最大数据速率是500Kbit/秒。

每个信号发生器30-32耦合到相移单元40-42。响应由特定的用户单元使用的处理器3选择的正交矢量，每个相移单元40-42提供唯一的相移。在该实例中，相移单元40提供零相移。相移单元42提供4π/3弧度的相移。这样，每个相位渐进偏移一个常量。处理器3可选择其它正交相移，以便由相位域多路复用通信系统的其它用户使用。

混频器20-22使用相移单元40-42的输出对来自信号分离器15的信号分量进行混频处理。因此，将每个信号分量转换成各具有唯一相移的三个载波频率中的一个。混频处理用来施加信号分量中包括的信息并将信号分量上变换成载波频率。在该实例中，相移单元40的输出可表示为e^j(2πF1T+0)。相移单元41的输出可表示为e^{j(2πF2T+2π/3)}。相移单元42的输出可表示为e^{j(2πF3T+4π/3)}。将这些相移载波信号中的每一个传送到求和元件50。在优选实施例中，求和元件50是本领域技术人员熟知的电压求和设备。对于该实例，对三个相移载波信号求和并传送到发射天线60。

天线60可以是任何类型或结构，例如双极子，接地面上的单极子，曲面(patch)，或任何作为辐射元件表面上出现的电流的函数发射电磁波的元件。在替换实施例中，天线60是如波导槽，喇叭，或作为开口内出现的电场的函数接收电磁波的任何类型的元件的开口类型。天线60希望提供允许将包括由三载波相位域多路复用发射机产生的多个频率(F₁-F₃)的辐射信号跨越通信信道传送所需的增益。

图3表示根据本发明优选实施例的三载波相位域多路复用接收机的方框图。在图3中，通过天线160接收例如由图2的三载波相位域多路复用发射机广播的相位域多路复用信号。天线160可拥有与天线60类似的特性。把来自天线160的接收信号传送给将信号分离成三个信号分量的信号分离器115。

在图3中，处理器103希望选择由图2的三载波相位域多路复用发射机的处理器3使用的相同正交矢量。将处理器103选择的每个相移以与处理器3使用的相同的方式传送到相移单元140-142，以便控制相移单元40-42。信号处理器130-132同样耦合到相移单元140-142。每个信号处理器130-132在基本上与图2的信号发生器30-32产生的那些频率相同的频域中产生信号。由相移单元140-142中的一个逐渐移相每个信号发生器的输出并传送到混频器120-122中的一个。

在混频处理中，来自信号分离器115的每个信号分量与图2的相移元件40-42的输出的倒数相乘。因此，相移元件140、141、和142的输出可分别表示为e^-j(2πF1T+0)，e^{-j(2πF2T+2π/3)}，和e^{-j(2πF3T+4π/3)}。

在优选实施例中，混频器120-122的输出表示下变换的信号分量。这些信号分量输入到滤波器110以便消除从非线性混频处理得到的任何不希望的信号分量。滤波器110的每个输出耦合到求和单元150。在优选实施例中，求和单元150是与图2的求和单元50相似的电压求和装置。在求和单元150的输出端，可恢复原始信息信号而不需要附加处理。

图4表示根据本发明优选实施例的求和单元(例如图3的求和单元)的输出的相图。如参考图3描述的，由相移单元140-142和混频器120-122进行的混频和相移处理表示接收信号与用于产生发射信号的函数的倒数相乘。因此，三个信号分量中的每一个的结构组合如图4所示。为说明这一点，分别作为图2和3的三载波相位域多路复用发射机和接收机的例子提供下面的计算。

信号分量#1：e^j(2πF1T+0)×e^-j(2πF1T+0)＝1

信号分量#2：e^{j(2πF2T+2π/3)}×e^{-j(2πF2T+2π/3)}＝1

信号分量#3：e^{j(2πF3T+4π/3)}×e^{-j(2πF3T+4π/3)}＝1

当这些分量相加时，在图4的实轴上得到最大解调信号。

图5表示表明使用与图3的例子中使用的相量正交的矢量得到的相量的相图。如图5所示，由图3的三载波相位域多路复用接收机接收的正交信号产生零求和。为说明这一点，提供下面的计算分别作为图2和3的三载波相位域多路复用发射机和接收机的例子。

信号分量#1：e^j(2πF1T+0)×e^-j(2πF1T+0)=1

信号分量#2： $e^{j(2\mathrm{\πF}2T+2\mathrm{\π}/3)}\×e^{-j(2\mathrm{\πF}2T-2\mathrm{\π}/3)}=-1/2-\frac{\sqrt{3}}{2}$

信号分量#3： $e^{j(2\mathrm{\πF}3T+4\mathrm{\π}/3)}\×e^{-j(2\mathrm{\πF}3T-4\mathrm{\π}/3)}=-1/2+\frac{\sqrt{3}}{2}$

在对这些分量求和时，在图5的实轴上得到零求和。当三载波相位域多路复用接收机使用图3的相移单元140-142中的相位0、0、和0解调图2的三载波相位域多路复用发射机的输入信号时获得相同的结果。

图6表示根据本发明优选实施例的N载波相位域多路复用发射机的方框图。图6的单元执行的操作与由图2的三载波相位域多路复用发射机的对应单元执行的操作相同。在优选实施例中，N是可利用相位域多路复用通信系统的用户单元的数量。虽然本发明未限制用户单元的数量，N最好从24个用户到数十个用户变化。

在图6中，信息信号205首先输入到滤波器210。滤波器210根据具体应用的需要进行根升余弦或其它滤波。经滤波的信息输入到信号分离器215，信号分离器215将该信号分离成N个数量的信号分量。N个信号分量中的每一个输入到N个混频器220中的一个。

N个信号发生器230在频域中产生以基本上定期的间隔排列的载波频率。N个信号发生器230中的每一个的输出输入到N个相移单元240中对应的单元。相移单元240中的每一个根据处理器203选择的正交矢量对信号发生器230的输出移位。在优选实施例中，选择正交矢量，以使：φ_Li＝i·L·2π/N，其中L是信道频率的指数，且0≤L＜N，φ_I是正交矢量，0≤i＜N。应指出，如果F( φ)e^jφ，则F^T F=CI，其中″F^T ″表示矩阵″F″的转置，″c″表示常数，″I″表示单位矩阵。

对于图6的一般化的发射机，相移单元240将来自每个信号发生器的输入信号的相位移相等于CK2π/N的量，其中K表示假设值为0至N-1的指数，C表示规定相位进展从0至2π弧度的常数。对于N个混频单元中的每一个，每个相移单元240的输出可表示为 $e^{j(2\mathrm{\π}(F0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{FK}})t+\mathrm{CK}2\mathrm{\π}/N)},$ 其中F₀表示起始频率，Δ_FK表示每个载波频率的频率偏移。来自N个信号分量中的每一个的信息通过混频器220施加到每个相移单元240的输出上，并上变换。在求和单元250中组合承载载波信号的N个信息中的每一个并通过天线260发射。

图7表示根据本发明优选实施例的N载波相位域多路复用接收机的接收机方框图。图7的单元执行的操作与图3的对应单元执行的操作基本相同。在图7中，首先通过天线360接收包括N载波频率的相位域多路复用信号。把来自天线360的信号传送到信号分离器315，在此将其分成N个单元。来自信号分离器315的每个输出耦合到N个混频器320中的一个。

信号发生器330在频域中各以基本定期的间隔产生载波信号。这些信号传送到N个相移单元340中的一个。根据为解调相位域多路复用信号选择的具体正交矢量，通过来自处理器303的命令控制N个相移单元340的各个相移。每个相移单元340的输出传送到N个混频器320中的一个并输出到N个滤波器310中的一个。滤波器310消除由N个混频器320进行非线性混频处理产生的任何不希望的信号分量。通过可恢复信息信号205的内容的求和单元350对这些信号求和。

图8表示根据本发明优选实施例用于生成与相位域中的其它多频载波信号基本正交的多频载波信号的方法。参考图6描述的N载波相位域多路复用发射机适合于执行该方法。在步骤400，适当的处理单元在矢量空间中识别正交矢量。该正交矢量包括各具有N个元素，每个元素规定特定相移。在步骤405，在频域中产生以基本上定期的间隔排列的N个载波信号。在步骤410，N个载波信号中的每一个相移与步骤400中选择的正交矢量的对应元素相等的量。在步骤420，将N个移相的载波信号相加。

图9表示根据本发明优选实施例用于生成与相位域中的其它多频通信信号基本正交的多频通信信号的方法。在步骤450，通过适当的处理元素识别矢量空间中的正交矢量。选择的正交矢量包括N个元素，每个元素规定具体的相移。在步骤455，在频域中产生以基本上定期的间隔排列的N个载波信号。在步骤460，将信息信号施加到N个载波信号中的每一个，以生成承载载波信号的信息。在步骤465，将N个载波信号中的每一个相移与步骤450中选择的正交矢量的对应元素相等的量。在步骤470，将N个移相的载波信号相加。

图10表示根据本发明优选实施例用于解调与相位域中的其它多频通信信号基本正交的多频通信信号的方法。在步骤500，由适当的天线在频域中接收以基本上定期的间隔排列的N个载波信号。在步骤505，将N个载波信号中的每一个相移与正交矢量的对应元素基本相等的量。在步骤510，将N个移相的载波信号相加。

总之，相位域多路复用通信系统的方法和装置允许多个用户单元共享公用的频率资源，而不需要发射和接收站之间的严格定时。使用多个相位域多路复用通信信号通信的通信设备提供了许多码分多路复用系统的优点，但不象码分多路复用通信系统那样需要复杂和精密的硬件。

上述特定实施例的描述完全揭示了本发明的一般特性，其他技术人员在不脱离一般概念的情况下通过应用目前的知识可容易地改变和/或修改该特定实施例的各种应用，因此，在等同于所公开的实施例的含义和范围内应理解该修改和改进。

可以理解，在此采用的用词和术语是为了说明的目的而不是限制。因此，本发明意在包括落入所附权利要求的真实精神和广泛范围内的所有替换，改进，等同物和变化。

Claims (5)

1.在通信系统中，一种用于在相位域中生成与其它多频通信信号基本正交的多频通信信号的方法，所述方法包括步骤：

识别矢量空间中的正交矢量，其中所述正交矢量包括N个元素，其中所述N个元素中的每一个规定一个相移；

在频域中产生以基本定期的间隔排列的N个载波信号；

将所述N个载波信号中的每一个相移等于所述正交矢量的对应元素的量以形成N个相移的载波信号；

将信息信号施加到所述N个相移载波信号中的每一个；和

对所述N个相移载波信号求和。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相移步骤包括将所述N个载波信号中的每一个渐进偏移一个常量的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中该方法另外包括通过应用根升余弦滤波器对所述信息信号滤波的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述施加步骤包括将数字信息施加到所述N个载波信号中的每一个的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述施加步骤包括将模拟信息施加到所述N个载波信号中的每一个的步骤。

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