CN101015158A - 高数据速率解调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高数据速率解调系统。使用多级符号的无线数据传输系统的解调处理利用了与各个可能的符号转换相对应的模板，以使得先前解码的符号的信息可以用于解码下一个符号。估计和校正循环提供了多个连续符号的值的初始估计，并且为所述符号的估计初始值和一个或更多个另选值进行误差估计，确定最终的估计以使总估计误差最小化。

Description

高数据速率解调系统
技术领域
本发明涉及一种适用于无线链路(尤其是卫星链路)的调制系统。
背景技术
上述链路具有受限的功率和带宽，该受限的带宽设置了数据吞吐率的上限。带宽日益成为稀缺资源，因而通常存在功率余量(power margin)。现代工业的不断努力为卫星链路提供更高吞吐率以降低传输成本。研究进展包括8PSK网格编码调制解调器的使用。
在过去的三十年里，卫星通信已成为全球电信骨干的非常重要的部分。卫星运营商向互联网服务提供商(ISP)提供到互联网骨干的长距离点对点(中继)链路。目前，大约4％的卫星转发器(transponder)用于互联网中继服务。尽管在成熟的通信市场中越来越多地使用光纤连接，但是在其它不发达地区或偏远地区卫星仍然是唯一的选择(或者至少是节省成本的唯一选择)。卫星通信具有多种专门用途，尤其是新闻采集、军事、应急服务。
卫星新闻采集随着电视新闻，特别是诸如CNN、Sky News和BBCNews 24的“滚动新闻(rolling news)”频道的普及而变得越来越重要。对来自国际纠纷地区的最新报道的快速传输的需求已经急剧增长。然而，由于容量不足而导致带宽受限，广播图像和声音的质量通常较差。事实上，恰恰是在发生诸如重大世界冲突或自然灾害的有新闻价值的事件的地区，容量尤其可能受到限制，这既是由于基础设施的破坏，又由于军事或应急服务的需要。所提出的调制方案使容量增长了两到三倍，这种能力将显著提高来自偏远地区的新闻广播的质量。
由于“网络中心战(network-centric warfare)”的新战略，对军事地区中的带宽需求已出现巨大增长。这些战略的基本原则是能够通过确保军队的所有成员都有敌人和自己军队的完整和最新的信息而以数量较少的军队来指挥军事行动。这些战略的结果是情报资源(主要是飞行器和特种部队)会产生数量巨大的传感器数据(尤其是图像)，这些数据需要快速传输给指挥控制系统，然后传输给武器系统。通常，卫星通信满足总带宽需求的70％，其余由陆上无线网络和光纤网络提供。因此这是军方更有效使用卫星转发器的功用的重要激励。
预测从2005年到2010年，全球对卫星互联网中继的需求会大约加倍。一种改进的调制方案将使得能够更有效地利用卫星转发器以满足这种不断增长的通信需求。假定卫星系统的资金成本很高，这会是服务供应商非常有效地使用转发器的重要动机。
本发明涉及对频率调制(FM)方案的改进。国际专利说明书WO03/069867描述了多级高斯频移键控(MGFSK)调制方案，其中脉冲响应延续到相邻符号。在图1中示出了该系统的框图。
调制器部分11-14开始于将输入比特10映射到十六个符号的符号表(方框11)，该符号表等同于每符号四比特。这十六个符号由相对于零对称的不同的幅值来表示，例如，-7.5，-6.5，-5.5......-0.5，+0.5......+5.5，+6.5，+7.5。这些幅值乘以脉冲值1(方框12)以产生点“x”处的脉冲-7.5，-6.5......+6.5，+7.5。
将这些结果提供给高斯滤波器13以产生一组具有高斯形状的脉冲，即，不具有负值或振荡特性的光滑波形，该波形被提供给频率调制器14。该调制方法与GSM空中接口(air interface)使用的方案相似，区别在于GSM仅使用2级(+/-1)。高斯滤波器13的带宽是一个关键参数，如果它设置得较小，则所占用的带宽减少，但是由于它设置了脉冲响应的宽度(在时间方面)，所以码间干扰增加。根据该方案，带宽b和符号周期t的乘积被设置为0.35作为合理的折衷。作为比较，GSM移动电话标准使用乘积bt＝0.3。
FM调制器的调制指数保持在β＝1，其符合Carson规则，意味着占用带宽可以认为是2*fm，其中fm是通过高斯滤波器的带宽设置的调制(基带)信号的最大频率分量。在这种条件下，占用带宽BW可以计算为
BW＝符号速率*bt*2＝符号速率*0.7(Hz)
并且(未编码的)带宽效率E是E＝4(比特/符号)/0.7＝5.71(比特/秒)/Hz。由于这是一种窄带FM方案，所以它具有恒定的包络，并且它因此适用于低成本的发射机(其中可以使输出放大器饱和)，也适用于卫星信道(其中可以使卫星转发器饱和)。在该系统中，解调器基于查找表，这些查找表根据信道特性来训练其自身，这些信道特性是通过将单位脉冲发送到该信道中并测量接收机处的响应来确定的。与先前的8PSK(8级相移键控)系统相比，该系统提供了显著提高的带宽效率，并且可与64QAM相比。对卫星使用64QAM是不实际的，因为为了支持它，信道则必须是高度线性和良好均衡的。
与GSM所使用的类似，用于卫星应用的MGFSK的典型参数使用了16级(假定每符号4比特(因为16＝24))和部分响应信令，其中，由延续到相邻符号的低通高斯滤波器的脉冲响应形成这些符号。这使得能够以一些符号间干扰(ISI)和正交性损失为代价而减少占用带宽。多级和部分响应信令的组合导致几乎6(比特每秒)/Hz的带宽效率。
使用低调制指数(β)将经滤波的波形频率调制(方框14)到载波15上，以使占用带宽保持为窄带级别。由于其使用了频率调制(FM)而不是更普通的PSK，所以该信号可以容忍RF放大器中的均衡误差和非线性。这些参数被设计成使得带宽效率最大化，并且同时保持恒定的包络并使用FM使对非线性和均衡误差的容差最大化。
图2示出了仿真的16-GFSK频谱。在图2中，出于在2KHz下进行仿真的目的，载频保持较低，并且符号速率为10波特。该频谱的3dB带宽(如水平虚线所示)正好为7Hz。当放大到400Mbit/s时，符号速率为100兆波特并且带宽为70MHz。
如图1所示，解调器16至19包括FM解调器16、滤波器17、符号检测器18、以及比特恢复处理器19。滤波器17被设计成对噪声进行频带限制，并且同时保持性能良好的脉冲响应，以保证它不会明显增加符号间干扰。在不同抽样率的两个阶段中执行实际滤波功能。在图1中的“y”处的波形应该尽可能接近调制器中的高斯滤波器13的输出处的波形。
将符号检测器18设计成使用存储了所期望波形的查找模板以实现每一个可能的符号转换(256个模板)，并且其操作如图3所示。读入(31)来自解调器16、17的输入，并将其与预先加载(步骤35)的模板进行比较(步骤32)。选择(步骤33)并产生与模板最精确一致的符号作为输出36。根据前一符号的输出36选择要加载的模板(步骤36)。因此，要进行比较的模板的数量与可能的符号的数量“n”相同，但是从与从一个符号到下一个符号之间的所有可能的转换相对应的较大全集n2中选择模板。
在该现有技术的系统中，相对直接地考虑了前半个符号的符号间干扰，这是因为这半个符号更容易受到前一符号的影响，这已经得到了确定并可以被校正。虽然，可能需要能够使用该符号的任何部分，因为符号的后半部分为什么不如符号的前半部分更容易受到符号间干扰没有任何特殊理由。
由于对信道使用FM，所以由于即使信道高度非线性也可以假定本方案满足线性，因此可以根据信道的单位脉冲响应来建立整个模板组。如果需要，可以根据脉冲响应或根据训练序列以规则的间隔重建模板。
该方案提供了比当前可通过正交幅值调制(QAM)方案在商业上得到的带宽增加了两到三倍的带宽。当在占用整个转发器的高带宽链路中使用时该系统提供了最大优势。这提供了通过传统的72MHz转发器的高于400Mbit/s的潜在吞吐量。该调制系统特别适于在互联网主干连接和卫星新闻采集中使用的5米或更大的大型接收天线的点到点高带宽服务。它也适合于诸如电视广播的较小碟型天线服务并为例如在数字视频广播中使用的传统QAM方案提供了可行和更好的替代方案。在图5中绘出了具有一个符号的存储器的这种检测器的性能的仿真，以及QPSK和64-QAM的理论曲线，以便于比较。该误差模式对于那些熟悉QAM方案的人而言是完全不同的，因为当符号检测器由于噪声而出错时，检测到的符号仅会错+/-1个符号并且出错的符号常常出现在互补对中。
发明内容
本发明为该系统提供了改进，本发明为噪声和干扰的存在提供了更可靠的检测。
根据本发明，提供了一种用于解调信号的解调处理，该信号包括具有两种以上调制状态的一系列符号，其中各个符号的脉冲响应延续到相邻符号，通过从沿各个符号的长度取得的样本测量该符号的形状来识别该符号，
其中，估计和校正循环提供了多个连续符号的值的初始估计，并且对符号的估计初始值和一个或更多个另选值进行误差估计，确定最终的估计以使总估计误差最小化。
通过使单独的符号值变化为次最优的(也许仅或多或少地是这样)，相邻符号的影响可以使得它们的总误差由此减小。可以发现，实际上，虽然对于每个符号可能有16个可能的值，但是大多数误差仅是一级的(正确值＝估计值+/-1)，所以实际上仅需要测试相邻级。此外，这种误差趋向于在互补对中产生，所以实际上，测试集中在以下序列，在该序列中，通过一个符号的下一个相邻符号的与该符号的校正相等且相反的校正来平衡对该符号的校正。
在一优选实施例中，将各个符号和随后符号之间的转换与用于符号值的最初估计和用于最接近该符号值的最初估计的值的模板进行比较。
本发明还涉及一种接收机，该接收机具有对规定类型的适合信号执行本发明的解调处理的装置。
附图说明
现将参照附图通过示例的方式来描述本发明的实施例。该实施例还包含了本申请人在与本申请相同的申请日提交的且申请人索引为A30536和A30542的共同未决申请的发明。
图1是MGFSK系统的框图，并且已参照现有技术进行了讨论；
图2是16-GFSK仿真频谱的示意图；
图3是图1的检测器单元的框图；
图4是包含了本发明的经改进的检测器的框图；
图5表示了检测器在噪声方面的性能如何随抽样权重的优化而变化。
具体实施方式
参照图4，其中与图3相同的单元具有相同的附图标记，比较功能32产生代表所选择的模板和从读取器31实际接收的样本之间的差异的附加输出。该输出被提供给误差校正处理器40，该误差校正处理器40对多个样本生成误差校正算法，该误差校正算法用于修正模板42以应用于后续样本。通过这种方式，所存储的模板趋向于随着时间而形成与实际接收的样本的更接近的匹配，并提高了该处理的可靠性。
所产生的误差通常是用于传输符号的信道的特性，例如由靠近接收机的物体引起的多径干扰、来自其它发射机的共信道干扰、大气效应、和其它因素。误差校正处理使得检测器能够补偿这些影响，并适应它们的变化。
对相对大的样本执行误差校正算法以使得由已经错误识别的少数单独的符号导致的伪错误值的影响最小化。因此，该符号估计处理不仅确定最可能已被传输的符号，而且还测量对该符号的形状的干扰的影响并且在后续符号的估计中对它进行校正。
误差校正处理40考虑各个给定的符号的估计的确定度。因此，如果比较器32识别出输入符号具有99％的可能性取值为“A”，则所选择的符号将为“A”，并且所抽样的符号与符号“A”的模板之间的(小)差异被用于误差校正处理中以更好地识别符号“A”的未来示例。然而，比较器32可以识别出输入符号仅具有40％的可能性取值为“A”，(其它的两种候选为35％和25％的可能性)。在这种情况下，由于其实际代表哪种符号的不确定性，在误差校正处理中，对所抽样的符号和符号“A”的模板之间的(大)差异赋予小权重。然而，符号选择处理33仍然必须选择一个符号，并选择“A”，因为其或多或少地比其它候选更有可能。
比较处理器32也产生输出，该输出用于识别符号的哪些部分产生与各个符号值最不相同的样本，并且哪些部分产生较相同的输出。出现这些部分的位置取决于多个因素：如果检测到的符号在时域中是完全对称的，则各个在前的或后续的符号干扰效应通常将至少朝向符号的中点。然而，如果目标符号的任意一侧的符号之间的干扰程度很显著，则由于目标符号的相邻符号的组合效应，目标符号的中点会受到更大的总干扰，使得此处的样本比一侧或另一侧的样本更不可靠(更不明确)。其它因素可以包括非对称的脉冲响应、以及考虑来自在前符号的干扰的能力，在前符号是已知量，并且因此比来自其本身还要被识别的后续符号的干扰更容易考虑在前符号。
加权处理41识别每个样本位置对符号识别处理32的贡献，并通过增大作出更显著贡献的抽样点的权重来产生控制数据以修正符号识别处理32和模板43。对不能清楚区分不同符号的抽样点赋予较低的权重。它们实际上可以被完全忽略，(权重调整为0)，允许通过对从被识别为能够较好地区分符号的符号区中选择的时间进行抽样来替换它们。这种变化需要对样本读取处理31以及模板进行修正。
通过在bt＝0.35时对样本权重优化了大约1dB，实验在存在噪声的情况下在符号检测方面已经取得了进展。图5示出了具有带宽“b”和符号周期“t”的乘积为0.35的简单16GFSK检测器的相对于噪声绘制的比特误差率(最上面的曲线)。(下面的曲线表示64QAM和QPSK的理论值)。垂直线上的数据点表示在存在15dB的噪声的情况下具有经优化的样本加权的16GFSK系统的BER值。可以看到，在该简单检测器中使用了相同的带宽一符号周期乘积0.35，噪声性能提高了大约1dB，(对于该简单检测器在16dB处可实现相同的BER)。作为另选方案，在噪声性能下降1dB的代价下，可以通过将带宽一符号周期乘积减小到0.3来节省带宽。
可以通过与不时地在通信链路上传输的预定测试序列进行比较，或者通过分析在实时传输中使用的实际符号来确定该性能。干扰的特性根据信道而变化，或者在单个信道中随时间而变化，所以该处理优选地是动态的，从而适应于传输信号的信道的特性。
该优选实施例包含前向误差校正处理，该前向误差校正处理包括估计和校正循环43-46。由于符号携带有来自未来符号的某些未知的恶化，所以后续的过程是对该符号(也就是x)进行初始估计。然后估计一个或更多个后续符号，并且在时间上前向和/或后向地对一个或更多个符号的误差量级应用数学处理，从而使得可以检查符号x，并且如果有必要，则对其进行校正。这使用估计处理33为多个连续的符号提供了值的初始估计。
对于从36处的初始估计处理输出的各个符号值，选择(43)并存储(44)一个或更多个另选值。对每个符号重复该处理，并且随后对所存储的候选值的各种组合来确定(45)符号序列的总误差。通过使单独的符号值为次最优(也许仅或多或少地是这样)，对相邻符号的影响可以使得它们的总误差由此减小。已经发现，实际上，尽管对于每个符号可能有十六个可能的值，但是大多数误差仅为一级(初始估计+/-1)，因此实际上仅需要测试相邻级。此外，这种误差趋向于出现在互补对中，所以实际上，测试可以集中以下的序列，在这些序列中，通过一个符号的下一个后续符号中的与该符号的误差相等且相反的误差来平衡该符号中的误差。然后选择产生最低总误差的样本序列，并随后在输出46处产生适当的符号或多个符号。
该方法利用了以下的事实：当符号检测器由于噪声而产生错误时，所估计的符号通常刚好是正确符号的任意一侧的一个符号。已在仿真中说明了估计一校正循环以提高在噪声方面的检测精度。
在其最简单的形式中，可以对仅两个符号的序列执行该处理。进行(33)第一符号以及用于从该符号值转换到后续符号(还未抽样)可能采取的十六个可能的值中的每一个值的模板的估计并对其进行存储(44)。识别(43)与估计值相邻的两个符号值。对于这些符号值中的每一个，选择表示从该符号值到后续符号(还未抽样)可能采取的十六个可能的值中的每一个值的转换的十六个模板。因此一共要存储(44)四十八个模板。当读入(31)下一个样本时，将每一个转换模板与表示初始符号与新到达的符号之间的转换的样本进行比较(步骤45)，由此最佳匹配的模板提供了初始符号值的初始估计的确认或修正(输出46)。这种前向误差校正需要一个符号周期的延迟，以使得能够与后续符号进行比较。
然后当然可以重复该处理，将新抽样的符号按顺序与从解调器16、17到达读取器31的下一个符号进行比较。
为了确定该系统的最终可实现的性能，需要对各种参数进行优化、进行设计和工程约束。在下列情况下，对任何编码/解码方案进行优化：
一调整用于控制编码过程的参数，以使给定解码过程的误差率最小化；以及
一调整用于控制解码过程的参数，以使给定编码过程的误差率最小化。
理想地，可以对两个阶段进行单次优化。对于第二个阶段(优化解码器设计)，可以考虑两种方法。一种方法可以主张连续的模型。这在计算上较简单，但是不能精确地对真实的情况进行建模，因为该解决方案不是连续函数，其输出是离散符号中的一个，并且不是中间值。作为另选方案，可以考虑所有变量都是离散的(即，在数字级别有效工作)，这种方法将问题转换为非常大的线性编程(LP)问题。这在理论上是可解的，但是非常复杂(大约1百万个线性编程变量)。然而，随着计算机硬件的发展，现在可以使用该方法。

Claims (8)

1、一种解调处理，该解调处理用于解调包含具有两种以上调制状态的一系列符号的信号，其中各个符号的脉冲响应延续到相邻符号，通过从沿各个符号的长度取得的样本测量该符号的形状来识别该符号，其中估计和校正循环提供了多个连续符号的值的初始估计，并且对这些符号的估计初始值和一个或更多个另选值进行误差估计，确定最终的估计以使总估计误差最小化。
2、根据权利要求1所述的解调处理，其中，进行了测试的所述另选值对应于与所述估计初始值相邻的级。
3、根据权利要求1或2所述的解调处理，其中，进行了测试的所述序列使得通过一个符号的下一个后续符号中的与该符号的变化相等且相反的变化来平衡该符号中的变化。
4、根据以上任一权利要求所述的解调处理，其中，将各个符号与后续符号之间的转换与用于所述符号值的最初估计和最接近所述符号值的最初估计的值的模板进行比较。
5、一种接收机，该接收机用于接收和解调包含具有两种以上调制状态的一系列符号的信号，其中各个符号的脉冲响应延续到相邻符号，所述接收机包括符号检测器，其中通过从沿各个符号的长度取得的样本测量该符号的形状来识别该符号，其中包括估计和校正循环，所述接收机具有：用于对多个连续符号的值进行初始估计的装置；误差估计装置，用于对所述符号的估计初始值序列和其中所述值中的一个或更多个被另选值代替的多个序列确定误差值；用于识别这些值中的使总估计误差最小化的序列的装置；以及用于输出如此识别的序列的装置。
6、根据权利要求5所述的接收机，其中，进行了测试的所述另选值对应于与所述估计初始值相邻的级。
7、根据权利要求5或6所述的接收机，其中，进行了测试的所述序列使得通过一个符号的下一个后续符号中的与该符号的变化相等且相反的变化来平衡该符号中的变化。
8、根据权利要求5、6或7所述的接收机，该接收机包括：用于将各个符号与后续符号之间的转换与用于所述符号值的最初估计和最接近所述符号值的最初估计的值的模板进行比较的装置。
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