CN101164270B - 使用天线场型调制/解调制数据的通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信系统包括：一传输器，该传输器包括：一序列至并列转换器，用以将序列数据位转换成并列位串流；一信号映像器，耦接至该序列至并列转换器；以及一天线选择器，耦接至该序列至并列转换器。该信号映像器经由并列位串流接收第一位群组以做为输入、并映像第一位群组至一信道信号。该天线选择器经由并列位串流接收第二位群组以做为输入。一传输天线阵列耦接至该天线选择器及该信号映像器。该传输天线阵列产生多个传输天线场型，其中，选择所述传输天线场型其中之一，进而基于该天线选择器的第二位群组以传输信道符号。

Description

使用天线场型调制/解调制数据的通信系统及其方法

技术领域

本发明是有关于无线通信系统的领域。特别是，本发明是有关于无线数据通信系统的调制及解调制技术。

背景技术

在无线数据通信系统中，重要位是于传输以前进行调制。传统调制方法包括：振幅调制(AM)、频率调制(FM)、及相移键控(PSK)调制。

在这些调制手段中，信息位列是映像以产生具有独特振幅、相位、及/或频率的信号。有鉴于此，接收器可以实施解调制，进而将接收信号转换回到原始信息位序列。

图1表示一种范例传输器10。信道编码器12提供信息位14至序列至并列转换器(serial to parallel converter)16。序列至并列转换器16的输出提供五个信道位18(1)至18(5)至信号映像器20。信号映像器20映像五个信道位18(1)至18(5)以产生信道符号22。基于信号映像器20所实施的调制，随后，调制通道符号22经由传输天线24以传输于空气。

各种调制手段具有位错误率(BER)，并且，位错误率经由两个不同调制通道符号间的最小欧几里德(Euclidean)距离以渐近地(asymptotically)决定。为达成发展无线标准的高数据率，高阶调制手段，诸如：十六分正交振幅调制(16QAM)及六十四分正交振幅调制(64QAM)，加以利用。

然而，这些高阶调制手段需要较高的信号噪声比(SNR)，以达成特定位错误率。需要高信号噪声比以达成特定位错误率的调制手段承受多重路径衰减环境的负面影响，进而造成不可靠的无线连结。

发明内容

有鉴于先前所述的发明背景，因此，本发明之一个目的是提供一种调制/解调制手段，利用降低的信号噪声比而达成想要的位错误率。

根据本发明的上述及其它目的、特征、及优点是经由一种无线通信系统提供，并且，这种无线通信系统包括：一传输器，该传输器包括：一序列至并列转换器，用于将序列数据位转换成并列位串流；一信号映像器，耦接至该序列至并列转换器；以及一天线选择器，耦接至该序列至并列转换器。该信号映像器是经由并列位串流接收第一位群组以做为输入、并映像第一位群组以产生信道信号。该天线选择器经由并列位串流接收第二位群组以做为输入。

该传输器更包括：一传输天线阵列，耦接至该天线选择器及该信号映像器。该传输天线阵列产生多个传输天线场型，其中，某一所述传输天线场型加以选择，进而基于该天线选择器的第二位群组以传输信道符号。

由于信息位是利用传输天线场型进行调制，不同信息位序列可以利用不同传输天线场型传输。基于各个传输天线场型所关连的独特射频(RF)特征，一接收器能够解调制传输位。传输天线场型调制亦可以组合传统调制技术。相较于仅利用传统调制技术，这种组合可以有效地利用较小信号群集(signal constellation)、并可以同时达成相同数据转移率。有鉴于此，相同位错误率的达成可以利用较少传输功率。

该传输天线阵列产生的多个传输天线场型可以包括：多个全向性或方向性天线场型。该传输天线阵列可以包括：多个主动天线组件，用于形成一相位阵列。或者，该传输天线阵列亦可以包括：至少一主动天线组件及多个被动天线组件，用于形成一切换波束天线。

该传输器周期性地传输该传输天线阵列产生的各个传输天线场型的参考信号。这种无线通信系统更包括：一接收天线阵列；以及一接收器，耦接至该接收天线阵列。该接收器可以包括：一信道预测器，用于接收周期性地传输的各个传输天线场型的参考信号、并预测个别传输天线场型及该接收天线阵列间的射频特征。

该接收器更包括：一解调制器，耦接至该信道预测器，用于接收传输信道符号、并决定传输哪个信道符号及哪个传输天线场型是用来传输信道符号。该解调制器比较信道符号及各个传输天线场型传输的预测信道符号，以决定传输哪个信道符号及哪个传输天线场型是用来传输信道符号。

附图说明

图1是表示根据现有现有技术之一种传输器的方块图；

图2是表示根据本发明之一种传输器的方块图；

图3是表示根据本发明之一种接收器的方块图；

图4是表示根据本发明的叠加四分相移键控(QPSK)信号群集的映像；

图5A是表示根据本发明的八分相移键控(8PSK)信号群集的位映像；

图5B是表示根据本发明的四分相移键控信号群集的位映像；以及

图6是表示根据现有技术的无线通信系统及根据本发明的无线通信系统间的效能比较。

具体实施方式

现在，本发明将会参考表示较佳实施例的所附图式详细说明如下。然而，本发明可以具有不同形式的较佳实施例，并且，本发明亦不应局限于本发明说明书所呈现的较佳实施例。相对于此，提供本发明说明书所呈现的较佳实施例，从而使本发明说明书所呈现的详细说明能够充份且完整，以及，使本发明说明书所呈现的详细说明能够向熟悉此项技术的人士完全传递本发明的范围。

根据本发明之一种无线数据通信系统是组合传输天线场型调制及传统调制技术。相较于仅利用传统调制技术，这种组合有效地利用较小信号群集，从而达成相同数据转移率。除此以外，这种组合仅需要较低传输功率，从而达成相同位错误率。

现在，请参考图2，其表示的传输器50具有一信道编码器52，以提供信息位54至一序列至并列转换器56。该序列至并列转换器56的输出分割为两个群组。

基于比较目的，该序列至并列转换器56输出相同数目的位58(1)至58(5)，相较于图1所示的序列至并列转换器16。五个信息位仅为范围，并且，信息位的实际数目端基于各种预期应用而产生变动，诚如熟悉此项技术的人士所能预见。

在图2中，该序列至并列转换器56的五个信息位58(1)至58(5)分割为第一群组信息位及第二群组信息位。第一群组信息位具有三个信道位58(3)、58(4)、及58(5)，其输入至一信号映像器60。第二群组信息位输入至一天线选择器64。

该信号映像器60调制三个信道位58(3)、58(4)、及58(5)以产生一信道符号62。由于总共具有三个信息位，这种调制可以是八分相移键控。相对于此，在图1中，该信号映像器20是三十二分正交振幅调制(32QAM)，因为各个信道符号是由高达五个信息字节成。

诚如熟悉此项技术的人士所能轻易了解，在图1中，该信号映像器20产生在x-y平面具有三十二个可能信道符号点之一信号群集。相对于此，在图2中，该信号映像器60仅产生在x-y平面具有八个可能信道符号点之一信号群集。

该传输器50为在x-y平面产生同等三十二个信道符号点，传输天线场型调制利用。该天线选择器64选择四个天线组件81、82、83、84之一者，以传输该信道符号62。这四个天线组件81、82、83、84不具关连，以产生四个不同的传输天线场型。由于八个不同信道符号点分别可以利用不同传输天线场型进行传输，因此，三十二个可能信道符号可以利用一接收器90侦测。

天线调制并不局限于本发明说明书所呈现的较佳实施例。在另一种较佳实施例中，举例来说，具有两个组件之一天线阵列亦可以应用不同权值于该天线阵列的各个组件，进而产生不止两个传输天线场型。有鉴于此，举例来说，该天线阵列可以是一相位阵列天线，或者，该天线阵列可以是一切换波束天线。

除此以外，该天线阵列的可应用传输天线场型可以是方向性的，或者，该天线阵列的可应用传输天线场型可以是全方性的。当总共具有不止一个全方性天线时，基于多重路径衰减，各个全方性天线仍将会被该接收器视为不同。

利用该信号映像器60(如图2所示)的优点在于：相对于该信号映像器20(如图1所示)，利用该信号映像器60(如图2所示)具有一较小信号群集。该信号映像器60(如图2所示)利用的八分相移键控调制的该信号群集62显著小于该信号映像器20(如图1所示)利用的三十二分正交振幅调制的该信号群集22。有鉴于此，在相同传输功率的情况中，八分相移键控群集(constellation)的两个不同信号点间的最小距离远大于三十二分正交振幅调制群集的两个不同信号点间的最小距离。有鉴于此，为达成相同位错误率，相对于利用三十二分正交振幅调制调制的情况，利用八分相移键控调制的情况将会需要较少传输功率。

在这种特定范例中，该信号映像器60(如图2所示)的信号群集大小是四分之一于该信号映像器20(如图1所示)的信号群集大小。然而，该传输器10(如图1所示)传输数据及该传输器50(如图2所示)传输数据的数据率却仍然相同。在特定条件下，根据本发明的传输器50需要较少传输功率，用来达成相同服务品质(QoS)，或者，用来覆盖相同服务品质(QoS)的较广范围。

一接收器90为量测各个天线81、82、83、84的射频特征，已知参考位是周期性地利用该传输器50加以传输。举例来说，这些参考位称为导引位(pilot bit)。

图3是表示提供接收天线调制通道符号的该接收器90的方块图。一接收天线阵列92接收一信号，并且，该信号具有所述天线调制通道符号。该接收天线阵列92可以包括单一或多个天线组件，用于产生单一或多个接收天线场型。

该接收信号是应用以做为一解调制器94及一信道预测器96的输入。该信道预测器96由该接收信号中抽取已知参考位。这些参考位，举例来说，其可以是导引位，是用来预测关连于各对传输天线及接收天线的该接收信号的射频特征。该信道预测器96预测射频特征。

关连于各对传输天线及接收天线的该接收信号的射频特征可以包括：诸如振幅、相位、延迟伸展(delay spread)、及频率响应的属性。随后，各对传输天线及接收天线的预测射频特征传送至该解调制器94。

该解调制器94计算该接收信号及关连于各对传输天线及接收天线的预测信号间的欧几里德距离(ED)。该解调制器94选择关连于最小欧几里德距离的位以做为最后输出。

现在，该解调制器94将会详细说明如下，并且，该解调制器94的详细说明将会参照图4所示的叠加群集。假设四分相移键控调制是用于所述信道符号。随后，该接收器可以观察到包括四分相移键控群集的两个子集合的叠加群集。外环群集是利用参考符号120指示，并且，内环群集是利用参考符号122指示。

内环122表示四个可能接收信号，若该信道符号是传输于某一个天线(举例来说，天线0)。外环120表示四个可能接收信号，若该信道符号是传输于另一个天线(举例来说，天线1)。当该接收器接收一信号124时，该解调制器94计算该接收信号及八个候选信号点(假设天线0是利用，四个候选信号点是位于内环122，以及，假设天线1是利用，四个候选信号点是位于外环120)间的个别距离。随后，该解调制器94选择最接近该接收信号124的信号点。在这种范例中，信号点126是对应于选择信道位00。每次当选择信号点以后，随后，该接收器可以得知信道位为00且天线选择位为1，因为选择信号点是位于外环120。

欧几里德距离的计算可以取决于射频特征。以下提供一种范例，用以证明如何计算欧几里德距离，以及，用以证明这种计算如何提供较佳效能。

在这种范例中，一种窄频带系统是考量，其中，各对传输天线及接收天线间的射频特征表示为一多个信道增益。这种范例亦假设一种不具关连的瑞利信道模型(Rayleigh channel model)，其表示：各个信道增益是每一维具有变异数0.5的多个高斯(Gaussian)随机变量。两对不同传输天线及接收天线的信道增益不具关连。除此以外，在这种范例中，多个接收天线是考量。

图5A及图5B分别表示将对应信息位至八分相移键控信道符号及四分相移键控信道符号的映像。假设各个信息位具有单位能量，则八分相移键控信号群集的欧几里德距离平方可以表示为：

$d_8^2=3(2-\sqrt{2})\≈1.76$

除此以外，四分相移键控信号群集的欧几里德距离平方可以表示为：

$d_Q^2=6$

四分相移键控信号群集的信号分离为6，相对于此，八分相移键控信号群集的信号分离大约为1.76。诚如以下发明说明将会进一步详细说明，各个不同信道符号间的信号分离愈大，位置想要信号点以进行解调制的难度亦会愈低。

现在，具有M个接收天线之一系统将会考量，其中，第n个传输天线及第m个接收天线间之一信道增益是α_nm。在传统之一传输器中，我们假设：天线0是利用。该接收器计算该接收信号及各个可能信道符号间的欧几里德距离之一最大可能(ML)接收器。可能的各对传输天线及接收天线间是利用一已知参考信号以计算可能信道符号。接着，一决定是基于计算的欧几里德距离以形成。这种最大可能接收器的效能是取决于该接收器90所接收的两个不同信道符号间的最小欧几里德距离平方。

若位序列S0得到信道符号x0及天线选择命令p，并且，位序列S1得到信道符号x1及天线选择命令q，则两个接收信道符号间的欧几里德距离平方可以计算为：

$d^2=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{pm}}{x}_0-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{qm}}{x}_1|}^2$

对于传统方法而言，两个不同信道符号间的最小欧几里德距离平方可以表示为：

$d_C^2=d_8^2\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\α}}_{0m}\right|}^2$ 等式

(1)

相对于此，对于调整的传输器50而言，两个不同信道符号间的最小欧几里德距离平方可以表示为：

$d_I^2=\min (d_4^2\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nm}}\right|}^2,\underset{k=0}{\overset{3}{\min }}(3\·\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\α}}_{0m}-{\mathrm{\α}}_{1m}{e}^{\mathrm{jk\π}/2}|}^2))$ 等式

(2)

外括号的第一项是对应于两个信道符号经由相同天线传输的情况。下标n可以是0或1。外括号的第二项是对应于两个信道符号经由不同天线传输的情况。

当接收天线组件的数目M变得较大时，我们可以直觉得推导得到：

$\underset{k=0}{\overset{3}{\min }}(3\·\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\α}}_{0m}-{\mathrm{\α}}_{1m}{e}^{\mathrm{jk\π}/2}|}^2)\≈3\·\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\α}}_{0m}-{\mathrm{\α}}_{1m}|}^2$ 等式

(3)

利用等式(3)及基于多个信道衰减以平均等式(1)及等式(2)，我们可以得到传统传输器及调整传输器50的平均最小欧几里德距离平方，其可以表示如下：

$d_{C,\mathrm{avg}}^2=d_8^{2}M=1.76M$

$d_{I,\mathrm{avg}}^2\≈d_Q^{2}M=6M$

相较于传统方法，该调整传输器50无疑地提供两个不同信道符号间之一较大信号分离。当接收天线组件的数目M较大时，这种改良可以对应于大约5dB的增益。

图6是提供根据传统方法的仿真结果及根据本发明调整方法的仿真结果间的比较示意图，其中，接收天线组件的数目M是分别对应于2、3、及4。当接收天线组件的数目增加时，根据传统方法的效能及根据本发明调整方法的效能均可以改善。

直线130是对应于传统传输器的M＝2且没有传输天线场型调制，并且，直线132是对应于本发明调整传输器的M＝2且具有传输天线场型调制。为达成相同的信号噪声比，具有传输天线场型调制的本发明调整传输器的位错误率较低。为达成相同位错误率，具有传输天线场型调制的本发明调整传输器需要较低信号噪声比，相较于不具传输天线场型调制的传统传输器。举例来说，为达成0.1％的位错误率，不具输天线场型调制的传统手段需要14dB的信号噪声比，相对于此，具有输天线场型调制的本发明手段仅需要12dB的信号噪声比。在这种情况中，本发明调整手段具有2dB的优势。

类似地，直线134是对应于传统传输器的M＝3且没有传输天线场型调制，并且，直线136是对应于本发明调整传输器的M＝3且具有传输天线场型调制。除此以外，类似地，直线137是对应于传统传输器的M＝4且没有传输天线场型调制，并且，直线139是对应于本发明调整传输器的M＝4且具有传输天线场型调制。

如图6所示，相较于传统方法，本发明调整方法效能改善更快。除此以外，当接收天线组件的数目M增加时，本发明调整方法及传统方法间的差距(gap)亦会增加。

在充分了解本发明的上述详细说明及其关连图式以后，熟悉此项技术的人士可以预见本发明的各种变动及其它较佳实施例。有鉴于此，应该了解的是，本发明的保护范围不应该仅局限于本发明说明书所呈现的较佳实施例，并且，在不违背本发明精神及范围的前提下，本发明的保护范围亦应该包括本发明的各种变动及其它较佳实施例。有鉴于此，本发明的保护范围当以下列申请专利范围为据。

Claims (22)

1.一种无线通信系统，其包括：

一传输器，其包括：

一序列至并列转换器，用以将序列数据位转换成一并列位串流；

一信号映像器，用以从该并列位串流接收一第一位群组以做为输入、并将该第一位群组映像至一信道符号；以及

一天线选择器，用以从该并列位串流接收一第二位群组以做为输入；

一传输天线阵列，耦接至该天线选择器及该信号映像器，该传输天线阵列用来产生多个传输天线场型，其中，选择所述传输天线场型其中之一，进而基于该天线选择器的该第二位群组以传输该信道符号。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述传输天线场型包括多个方向性天线场型。

3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述传输天线场型包括多个全向性天线场型。

4.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该传输器周期性地传输来自各传输天线场型的参考信号。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，更包括：

一接收天线阵列；以及

一接收器，耦接至该接收天线阵列，并且，该接收器包括：一信道预测器，用以接收所周期性地传输的来自各传输天线场型的参考信号、并预测个别传输天线场型及该接收天线阵列间的射频RF特征。

6.根据权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，更包括：

一解调制器，耦接至该信道预测器，用以接收所传输的信道符号、并决定所传输的信道符号是哪个信道符号及哪个传输天线场型是用来传输该信道符号。

7.根据权利要求6所述的无线通信系统，其特征在于，该解调制器比较该信道符号及从各传输天线场型所传输的所预测的射频RF特征，以决定哪个信道符号被传输及哪个传输天线场型是用来传输该信道符号。

8.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，更包括：

一信道编码器，用以提供所述序列数据位至该序列至并序转换器。 

9.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该传输天线阵列包括：多个主动天线组件，用以形成一相位阵列。

10.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，该传输天线阵列包括：至少一主动天线组件及多个被动天线组件，用以形成一切换波束天线。

11.根据权利要求5所述的无线通信系统，其特征在于，该接收天线阵列包括单一或多个天线组件，用以产生单一或多个接收天线场型。

12.一种用以在一无线通信系统之一传输器及一接收器间进行通信的方法，该方法包括下列步骤：

在该传输器中将序列数据位转换成一并列位串流；

在该传输器中将该并列位串流分割为一第一群组位及一第二群组位；

提供该第一群组位至一信号映像器，用以在该传输器中将该第一位群组映像至一信道符号；

提供该第二群组位至一传输天线选择器，该传输天线选择器耦接至一传输天线阵列，所述传输天线阵列用以产生多个传输天线场型；以及

选择所述传输天线场型其中之一，以基于来自该天线选择器的该第二位群组，而传输信道符号。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传输天线场型包括多个方向性天线场型。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传输天线场型包括多个全向性天线场型。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，更包括周期性地传输各传输天线场型的参考信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，更包括下列步骤：

在耦接至该接收器之一接收天线阵列中，从各传输天线场型接收所周期性地传输的参考信号；以及

在该接收器中，预测个别传输天线场型及该接收天线阵列间的射频特征。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，更包括下列步骤：

决定在所述接收天线阵列接收到的被传输的信道符号是哪个信道符号及哪个传输天线场型是用来传输该信道符号。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，决定传输哪个信道 符号及哪个传输天线场型是用来传输该信道符号包括下列步骤：

比较该信道符号及各个传输天线场型传输的所预测的射频RF特征。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传输器包括用于将所述序列数据位转换成并列位串流的序列至并列转换器以及与所述序列至并列转换器耦接的编码器，所述编码器用于编码所述序列数据位。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该传输天线阵列包括：多个主动天线组件，用以形成一相位阵列。

21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该传输天线数组包括：至少一主动天线组件及多个被动天线组件，用以形成一切换波束天线。

22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该接收天线阵列包括单一或多个天线组件，用以产生单一或多个接收天线场型。 

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