CN101167261A - 用于利用等幅均衡的波形传输数据的系统和方法 - Google Patents

用于利用等幅均衡的波形传输数据的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的系统用于传输数据，并且包括用于以前向纠错码编码通信数据的编码器。以随机位序列随机化所述通信数据的数据随机化器，以及将所述通信数据与已知的符号组合成帧的组合电路。基于特定映射算法将通信数据映射成最小移位键控或高斯最小移位键控(MSK或GMSK)符号，以形成具有MSK或GMSK波形的通信信号的调制器，其中所述通信数据可以经由所述通信信号传输。

Description

用于利用等幅均衡的波形传输数据的系统和方法
技术领域
本发明涉及通信系统，更具体地，本发明涉及利用最小移位键控或高斯最小移位键控调制的通信系统。
背景技术
一些多频带或者其它战术无线电设备以高频(HF)、甚高频(VHF)(用于卫星通信)以及超高频(UHF)频带工作。这些多频带战术无线电设备的范围可以在大约2MHz到大约512MHz的频率范围上工作。下一代无线电设备将可能覆盖大约2.0MHz到大约2000MHz(或更高)以适应高数据率波形和不太拥塞的频带。这种高频传送模式受到诸如MIL-STD-188-141B的标准支配，而数据调制/解调受到诸如MIL-STD-188-110B的标准的支配，其公开内容整体上作为参考包含于此。
另一方面，UHF标准提供了225到大约512MHz频率范围上的不同挑战，包括短距视线(LOS)通信和卫星通信(SATCOM)和电缆通信。可以穿过不同的气候条件、植物和其它障碍物获得这种类型的传播，使得UHF SATCOM对于许多代理商是不可缺少的通信媒体。可以使用不同方向的天线来提高天线增益并提高传送和接收链路上的数据率。在一个实例中，这种类型的通信典型地受到MIL-STD-188-181B的支配，其公开内容整体上作为参考包含于此。这种标准指定了用于卫星链路上的一系列等幅和非等幅波形。
联合战术无线电设备系统(JTRS)实现了这些标准中的一些，并且具有使用振荡器、混频器、交换机、分路器、组合器和功率放大器设备以覆盖不同频率范围的不同设计。用于这些类型的系统的调制方案可以占用固定载频处的固定带宽信道或者可以是跳频。这些系统通常利用无记忆的调制，比如相移键控(PSK)、幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、正交幅度调制(QAM)，或者带记忆的调制，诸如连续相位调制(CPM)以及以卷积或者其它类型的前向纠错码将它们组合。
最小移位键控(MSK)和高斯最小移位键控(GSMK)一起被称为MSK或GMSK，是全球移动通信系统(GSM)中使用的一种频移键控(FSK)的形式。用于实现这种波形的电路可以包括连续相位频移键控(FSK)调制器。
简言之，MSK调制信号可以被认为是两个组合的正交信号或者相互90度异相的信道。典型地，每个倒相被键控以表示要被传送的二进制信号的交替比特。每个键控的脉冲周期可以具有由一比特周期交错的两比特周期的持续时间，并且当每个信道为相移键控时，其可以用二分之一正弦调幅并且加起来组合。因为两个信道的正弦形包络是相互90度异相的，两个信道的总和产生了具有恒定包络幅度的信号，其可以由非线性C级放大器放大并传送。具有高斯脉冲响应的高斯过滤器可以被用于在任何连续相位调制之前预过滤符号，因此得以产生高斯最小移位键控。
用于具有MSK或GMSK调制的这些通信系统中的许多射频(RF)功率放大器是峰值功率受限的。例如，因为波形峰值-平均值比所需的抵消(back-off)，所传送的平均功率可以低于RF放大器的峰值功率能力若干分贝(dB)。结果，等幅波形是解决这种问题所必需的。
使用MSK或GMSK调制的通信系统中所遇到的问题是当遭遇的多路径通过多个符号扩展时，系统如何应付多路径衰落环境。衰落通常是由反射和由信号传播中的变化引起的波形失真效应引起的。MSK或GMSK系统典型地利用最大似然性序列估计器(MLSE)，也一般地被称为维特比均衡器，以处理多路径。不幸的是，这种类型的均衡器的计算复杂性与信道的长度成指数地增长。在产业中存在这样一种需求，即设计和开发具有比维特比或MSLE均衡器提供更多路径能力的等幅波形。
发明内容
针对前述背景技术，因此本发明的目的是提供具有另外的多路径能力的等幅波形，其还能够为利用最小移位键控/高斯最小移位键控(MSK或GMSK)调制的通信系统追踪更有效的多路径/衰落环境。
本发明有利地克服了上面指出的问题并且组合了利用特定映射生成的已知和未知的最小移位键控或高斯最小移位键控符号。这就允许利用标准的块或符号均衡器解调波形。最小移位键控或高斯最小移位键控调制提供频谱效率和等幅，并且已知的符号允许追踪信道变化。这种特定的映射允许在接收器处使用标准的均衡器技术以解调波形。
根据本发明，可以用特定数据映射生成已知和未知最小移位键控或高斯最小移位键控符号，并且产生以标准的块或符号均衡器处理的等幅波形。已知的符号允许追踪多路径/衰落环境中的信道变化。最小移位键控或高斯最小移位键控调制提供频谱效率和等幅。特定映射算法映射数据位为最小移位键控或高斯最小移位键控符号，并且允许利用增强的解调技术，比如在接收器处的块或符号均衡器。
根据本发明的一方面，所述系统包括用于传送携带通信数据的通信信号的发射器，以及包括用于以前向纠错码，比如1/2速率的卷积码编码通信数据的编码器。调制器将通信数据映射为最小移位键控/高斯最小移位键控(MSK或GMSK)符号以形成具有MSK或GMSK波形的通信符号，其中所述通信数据可以经由所述通信信号传输。接收器接收来自发射器的通信信号，并包括与MSK或GMSK波形的主脉冲匹配的过滤器。块或符号均衡器均衡所述信号。
在本发明的一个方面，所述块或符号均衡器可操作地用于将通信数据符号箝位成实(+/-1)或虚符号(+/-j)。块或符号均衡器可操作地用于将奇通信数据符号箝位成实符号以及将偶通信数据符号箝位成虚符号，或者相反。发射器还可以包括用于在编码后交织通信数据的块交织器。数据随机化器能够以随机位序列随机化通信数据并在块交织器占满之后提取通信数据。组合电路能够将通信数据与已知的符号组合成帧。这种组合电路可操作地用于将通信数据与未知的符号组合成帧。
还阐明了本发明的一种方法。
附图说明
当根据附图考虑时，通过下面本发明的详细描述，本发明的其它目的、特性和优势是显而易见的，其中：
图1是可以在本发明中被用作非限制性实例的通信系统的框图；
图2是示意了用于实践本发明的实例的基本步骤的高级流程图；
图3是根据本发明用于产生等幅均衡波形的发射器电路的框图；
图4是示意了根据本发明用于映射数据位以生成MSK/GMSK符号的结果的实例图；
图5示意了根据本发明的实例被用于接收和处理等幅均衡波形的接收器电路的基本组件的框图；
图6示意了根据本发明的实例计算用于标准PSK、MSK和GMSK正交调制的传送功率频谱的实例图；
图7是示意了在本发明的3KHz的实例中与信噪比相对的MSK误码率性能图；
图8是类似于图6但是示意了在本发明的3KHz的实例中与信噪比相对的GMSK误码率性能图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更加详细地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。然而本发明可以以多种不同的形式体现并且不应被解释为受限于在此阐明的实施例。相反，提供这些实施例以便该公开内容将是彻底和完全的，并且将向本领域的技术人员传达本发明的范围。全文中相同的附图标记代表相同的元素，并且使用主符号以指示可选实施例中的类似元素。
本发明有利地提供了产生等幅波形的系统和方法，当利用以特定数据到MSK或GMSK符号的映射生成的已知的和未知的最小移位键控(MSK)或高斯最小移位键控(GMSK)符号时，可以用标准的块或符号均衡器解调等幅波形。MSK或GMSK调制系统提供了频谱效率和等幅。已知的符号允许追踪多路径/衰落环境中的信道变化。这种特定的映射可以获取数据位并将它们映射为MSK或GMSK符号，允许在接收器处使用诸如块或符号均衡器的标准的解调技术。
本发明还克服了在利用过滤的2-PSK调制的通信系统中，当RF功率放大器是峰值功率受限时产生的问题(在此过滤被用于抑制2-PSK波形的带宽到期望值)。在这些情况中，由于波形峰值平均率所需的补偿(back-off)，所传送的平均功率可以低于RF放大器的峰值功率能力若干dB。使用诸如本发明的MSK或GMSK的等幅波形可以理想的解决这种问题。
本发明还克服了当多路径遇到以许多符号扩展时，在通信系统试图应付多路径/衰落环境时，在产业中遇到的问题。MSK或GMSK调制系统通常利用最大似然性序列估计器，也被称为维特比均衡器来处理多路径。然而这种方法的计算的复杂度随着信道的长度成指数地增长。本发明的系统和方法实现了具有更有效的多路径能力的等幅波形，其能够有效地追踪多路径/衰落环境。
为了说明的目的，现在参照图1阐明可以用于本发明的编码、交织以及示例性的无线电系统的背景信息。
仅仅为了说明的目的，相对于图2所示的非限制性实例描述将从本发明受益的通信系统的实例的简要说明。通信系统50的这种高级框图包括基站部分52以及可以被修改用于本发明的无线消息终端。基站部分52包括通过无线链路通信和传送语音或数据到VHF网络64或HF网络66的VHF无线电设备60和HF无线电设备62，所述VHF网络64或HF网络66中的每一个包括多个对应的VHF无线电设备68和HF无线电设备70，以及与无线电设备68、70连接的个人计算机工作站72。HF无线电设备可以包括解调器电路62a和适当的卷积编码器电路62b、块交织器62c、数据随机化器电路62d、数据和成帧电路62e、调制电路62f、匹配的过滤器电路62g、具有适当的箝位设备的块或符号均衡器电路62h、去交织器和解码器电路62i以及调制解调器62j，作为非限制性实例。这些和其它电路操作用于执行本发明必需的功能。其它举例说明的无线电设备可以具有类似的电路。
基站部分52包括连接到与PABX82相连接的公共交换电话网(PSTN)80的陆线连接。诸如卫星地面站的卫星接口84与PABX82连接，PABX82与构成无线网关86a、86b的处理器相连接。它们分别地互连到VHF无线电设备60或HF无线电设备62。所述处理器通过局域网连接到PABX82和电子邮件客户90。所述无线电设备包括适当的信号生成器和调制器。
以太网/TCP-IP局域网可操作为“无线电”邮件服务器。可以利用作为第二代协议/波形的STANAG-5066通过无线电链路和本地空中网络发送电子邮件消息，其公开内容整体上作为参考包含于此，当然，优选地使用第三代互用性标准：STANAG-4538，其公开内容整体上作为参考包含于此。互用性标准FED-STD-1052，其公开内容整体上作为参考包含于此，可以与传统无线设备一起使用。可以用于本发明的设备的实例包括由佛罗里达州墨尔本的Harris公司制造的不同的无线网关和无线电。所述设备可以包括RF5800、5022、7210、5710、5285和PRC117和138系列装置和设备作为非限制性实例。
这些系统可以用RF-5710A高频(HF)调制解调器以及用被称为STANAG4539的NATO标准操作，其公开内容整体上作为参考包含于此，提供用于以达到9,600bps的速率传送长距离HF无线电电路。除了调制解调器技术之外，那些系统可以使用利用一套被设计和优化用于重点战术信道的数据链路协议的无线电子邮件产品，比如STANAG4538或STANAG5066，其公开内容整体上作为参考包含于此。还可能使用高为19,200bps的固定的、非适应的数据速率，使无线电设备被设置为ISB模式，而HF调制解调器被设置为固定数据速率。还可能使用编码组合技术和ARQ。
图2是可以用于本发明的系统和方法的步骤的实例的高级流程图。为了说明的目的，方框以100系列开始。该方框开始(方框100)并以前向纠错码，例如1/2比率的卷积码编码通信数据(方框102)。所述通信数据被块交织(方框104)并被随机化(方框106)。已知的数据和成帧被插入(方框108)并且数据位被映射为MSK或GMSK符号中(方框110)。在MSK和GMSK匹配的过滤器中传送(方框112)和接收(114)通信信号。帧取样被处理(方框116)并且发生均衡和箝位(方框118)。通信数据被去交织(方框120)和解码(方框122)。该过程结束(方框124)。
图3是可以根据本发明使用的发射器电路200的实例的框图。如同示出的，在1/2比率卷积编码器电路202内接收所传送的数据，例如利用前向纠错(FEC)码，并随后在块交织器电路204内交织。然而本发明可以使用任何前向纠错码。数据通过下一个处理数据在数据随机化器电路206内被随机化。已知的数据和成帧被插入到组合电路208内，并且随后被调制和处理，以在调制器电路210内MSK和GMSK映射。所传送的波形具有等幅。
如上所述，在本发明中已知的和未知的数据符号在映射或调制器电路210与MSK或GMSK调制相组合。在图3所示的实例系统中，利用1/2比率的卷积编码器202编码所传送的(用户)数据，随后在块交织器204内被块交织。当交织器204占满时，从交织器中提取数据位并传递到数据随机化器206。该逻辑和处理电路206以随机位序列“异或”输入的比特。在随机化之后，在组合器电路210将数据位与已知的符号组合成帧(例如，20个未知，即数据位，和20个已知比特以产生40比特的帧。所述信号被传递到特定调制电路210，在此比特被映射成MSK或GMSK符号。
图4是示意了在数据位上执行以生成MSK或GMSK符号的特定映射的图。举例说明了0和1的变换。1变为0的映射以及相反的映射也是允许的。
应当指出的是，使用1/2比率的前向纠错(FEC)码和在该非限制性实例中突出的特定帧格式仅仅被示意为解释的目的，并且可以根据期望的波形的多路径/衰落能力使用不同的帧尺寸。
由于对用于本系统的更为常规的接收器需要仅较小的修正以在领域中充分地操作和运行，本发明也是有利的。图5举例说明了对于可以实现的更为常规的接收器250的基本变化。一个变化将以具有与MSK或GMSK波形的主脉冲匹配的过滤器252取代标准的数字接收过滤器，其典型地为平方根尼奎斯特过滤器。在所接收的信号被处理之后，在匹配的过滤器252中，在电路254中处理帧取样并且在均衡器256内块或符号均衡所述信号，随后在通过功能块258说明的随后的电路去交织和解码。
图5示出的本发明的另外的接收器修正是对块或符号均衡器256中的箝位设备256a的修正以根据当前被处理的帧中的符号的位置，箝位任意一个纯实符号(+/-1)或箝位纯虚符号(+/-j)。可以通过不同的方法完成箝位。
在上面对于箝位设备256a所说明的实例中，假定对于MSK或GMSK调制器存在0度的起始相位以及甚至帧内的多个比特。可以利用下列参数模拟这种调制技术的实例：具有4.8秒交织器(每USMIL-STD-188-110B)的1/2比率的卷积FEC，帧尺寸20未知(即数据)比特，20未知比特，模拟2400符号/秒的符号速率，3000Hz的噪声带宽。
所传送的功率频谱被计算用于标准的PSK、MSK和GMSK并且在图6的图表中示出。
在该上述图表中示出的三种方法的99％的功率带宽和峰值功率/平均功率比率为：
-PSK1.17(2803Hz)-3.6dB PEP/AVE
-MSK1.27(3054Hz)-0dB PEP/AVE
-GMSK0.90(2180Hz)-0dB PEP/AVE
可以用多种不同的方法有利的产生由GMSK方法提供的相应的带宽降低。通过减少传送时间提供更快的吞吐量，可以增加符号速率。可选的，可以插入另外的已知的符号用于改进信道跟踪。
图7和图8是呈现与US-MIL-STD-188-110B的单载波过滤2-PSK600bps长交织器波形相比的新的等幅均衡波形(一个利用MSK而另一个利用GMSK)的性能。如同举例说明的，图7示出了相对于3KHz实例中信噪比(SNR)的MSK误码率(BER)性能，而图8示出了相对于另一个3KHz实例中的SNR的GMSK BER性能。
2路径信道是被2ms分离的2非衰落均等功率路径。3路径信道是在每个路径(0、1、2ms)之间具有1ms的间隔的3非衰落均等功率路径。不良信道是CCIR不良信道，其是由2ms分隔的两均等功率路径并且在1Hz速率处每个路径衰落是独立的。

Claims (10)

1.一种用于传输数据的系统，包括：
用于利用前向纠错码来编码通信数据的编码器；
以随机位序列来随机化所述通信数据的数据随机化器；
用于将所述通信数据与已知的符号组合成帧的组合电路；以及
用于基于特定映射算法，将来自所述组合电路的通信数据映射成最小移位键控或高斯最小移位键控(MSK或GMSK)符号，以形成具有MSK或GMSK波形的通信信号的调制器，其中所述通信数据可以经由所述通信信号传输。
2.根据权利要求1的系统，还包含用于在编码后交织所述通信数据的块交织器。
3.根据权利要求1的系统，其中所述数据随机化器可操作地用于在所述块交织器占满之后提取通信数据。
4.根据权利要求1的系统，还包括具有与MSK或GMSK波形的主脉冲相匹配的过滤器的接收器，用于接收所述通信信号，其中所述通信数据经由所述通信信号被传送。
5.根据权利要求1的系统，还包括具有块或符号均衡器以及箝位电路的接收器，用于接收和均衡所述通信信号，并箝位通信数据符号为纯实符号(+/-1)或纯虚符号(+/-j)。
6.根据权利要求1的系统，还包括具有块或符号均衡器以及箝位电路的接收器，用于接收和均衡所述通信信号，并基于基本上固定的旋转映射来箝位通信数据符号。
7.一种用于传输数据的方法，包括：
以前向纠错码来编码通信数据；
以随机位序列来随机化所述通信数据；
将所述通信数据和已知的符号组合成帧；以及
在组合之后，基于特定映射算法将所述通信数据映射成最小移位键控或高斯最小移位键控(MSK或GMSK)符号，以形成具有MSK或GMSK波形的通信信号，其中所述通信数据可以经由所述通信信号传输。
8.根据权利要求7的方法，还包括交织所述通信数据。
9.根据权利要求7的方法，还包括接收与MSK或GMSK波形的主脉冲相匹配的接收器的过滤器内的通信信号。
10.根据权利要求7的方法，还包括在块或符号均衡器内均衡所述通信信号，所述块或符号均衡器具有箝位电路，并箝位通信数据符号为纯实符号(+/-1)或纯虚符号(+/-j)。
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