CN102893570A

CN102893570A - 用于差分编码广播的比特信号结构

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Publication number: CN102893570A
Application number: CN2011800239981A
Authority: CN
Inventors: G·M·格特
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: US20150288415A1; JP6132874B2; SG184810A1; KR101773642B1; KR20130084217A; AU2011253438B2; EP2569912A1; JP2015208020A; AU2011253438A1; JP2013534073A; WO2011142872A1; JP5840678B2; CN102893570B; US9294321B2

Abstract

本发明涉及一种通信设备。在一个实施例中，通信设备包括接收传输数据的差分编码器，使用一组代码对所述传输数据编码,其中当所述组代码由所述差分编码器处理时，将差分编码器置于已知状态并生成不相关输出序列。

Description

用于差分编码广播的比特信号结构

技术领域

本文所述主题涉及电子通信，尤其是涉及可用于无线通信系统，例如卫星通信系统的信号编码技术。此外，本文所述主题涉及利用低地轨道（LEO）卫星信号完成几何定位的技术。

背景技术

全球定位系统（GPS）是基于空间的、世界范围内的导航系统，其包括空间，地面和用户部分。使用卫星的位置作为计算GPS用户接收器方位的参考点。其通常精确到米，甚至有时候在分米内。卫星、地面站以及GPS用户接收器中的每个具有在精确时间启动的预编程定时信号。为了锁定到由卫星广播的信号，地面站和GPS用户接收器旋转他们相应内部生成信号到其相应内部时钟预测的时间。当信号被锁定时，GPS用户接收器对每个卫星做出称为伪距的范围测量。这些伪距测量除了包括与相对于GPS时间接收器时钟时间偏移关联的误差加上其他更小误差之外，还包括到卫星的实际范围。包括在GPS控制网段中的地面站提供用于生成卫星时钟和轨道预测的范围测量。这些预测定期上传到卫星，并且卫星向用户接收器广播这个数据以支持用户接收器的定位功能。

部分由于GPS信号堵塞和GPS信号的功率限制的关切，已经促成低地轨道（LEO）卫星群，例如铱星系统作为允许没有使用GPS的导航机制，或允许其连同GPS系统一起导航。铱卫星群是在高度大约为485英里（781公里），具有6个近极地轨道、倾角为86.4°并保持大约17000mph（27000km/h）轨道速度的低地轨道卫星群。该卫星群用于提供包括语音和数据的全球卫星通信服务，其中所述语音和数据覆盖卫星电话，寻呼机，以及在地球周围的集成收发器。该星群包括轨道中的66个有源卫星，其以超过100分钟的轨道周期从南极到北极绕轨道运行。该轨道设计产生卫星相对于以相反方向运行的毗邻下一个卫星的相反旋转平面。此外，卫星使用交叉链接技术贯穿整个星群中继数据。每个铱卫星具有映射到地球表面的，作为整个星群唯一识别波束几何学一部分的48个点波束。

使用LEO卫星标准时间以扩大GPS系统功能的各种技术包括，例如由Cohen等人提交、标题为“ystem and Method For Generating PrecisePosition Determinations；”的美国专利RE37256，Enge等人提交、标题为“Method And Receiver Using A Low Earth Orbiting Satellite SignalTo Augment The Global Positioning System；”的美国专利5812961，Enge等人提交、标题为“Method And Receiver Using A Low Earth OrbitingSatellite Signal To Augment The Global Positioning System；”的美国专利5944770，以及Rabinowitz,等人提交、标题为“System Using LEOSatellites For Centimeter-Level Navigation.”的美国专利6373432。这些专利的相关全部公开内容合并于此，仅供参考。

铱星系统使用称为差分编码的信号处理方案对正交相移键控（QPSK）调制广播编码和传输。在差分编码过程中，广播的同相和正交调制比特（Is和Qs）被重新编码，使得差分编码器的输出状态是差分编码器当前（I，Q）输入和差分编码器之前（I，Q）状态两者的函数。当使用伪随机编码序列和关联的相关性检测方法时，这个差分编码方案提出了问题，因为对于打算传输的每个期望代码，其属于多个可能的广播。这使用户接收器中的相关性处理变得复杂。代替搜索和关联一组可能的代码消息，接收器必须以若干消息广播的倍数来搜索。这增加了用户接收器存储器、处理以及功率的需求。而且，它弱化了代码之间的分割并增加了相关性过程中一个代码被误认为另一个的可能性。

因此，用于LEO卫星系统，例如铱星系统的附加代码技术有其功效。

发明内容

本文描述的是利用差分编码器对用于传输的数据编码的方法。还描述了适于实施这种传输的发射机和使用差分编码器的通信系统。

在一些实施例中，通信设备包括用于接收传输的数据和利用一组代码对用于传输的数据编码的差分编码器，其中当所述一组代码由差分编码器处理时，将差分编码器置于已知状态并生成非相关输出序列。

在一些其他实施例中，利用差分编码器对用于传输数据编码的方法包括，在差分编码器中接收用于传输的数据，以及利用一组代码对用于传输的数据编码，其中当所述一组代码由差分编码器处理时，将差分编码器置于已知状态并生成非相关输出序列。

附图说明

本公开的详细描述参考了随附的绘图。

图1示出根据一些实施例的低地轨道（LEO）卫星通信系统示意图。

图2示出根据一些实施例的发送设备和接收设备组件示意图。

图3示出根据一些实施例的在实施差分编码广播比特信号结构方法中操作的流程图。

图4示出根据一些实施例的在生成差分编码操作方法中操作的流程图。

具体实施方式

在下列描述中，阐述了很多具体细节以便提供各种实施例的透彻理解。不过，本领域的技术人员应当理解，没有这些具体细节也可以实践各种实施例。在其他实例中，没有详细说明或描述已知方法、步骤、组件以及元件，从而不至于掩盖特定实施例。

在由铱卫星实施的QPSK调制方案的差分编码的上下文中描述了本申请的主题。不过，本领域的技术人员应该意识到本文所述技术业已适用以QPSK调制方案或BPSK调制方案使用差分编码的其他系统。这样的系统可以包括其他移动通信系统，例如机载通信系统或其类似物，以及包括但不限于轮船或蜂窝电话塔的固定通信平台。

本文所述是可以用于与低地轨道（LEO）卫星系统关联发射机的差分编码技术。在一些实施例中，差分编码技术使用预选代码，其展示将发射机差分编码器设置在已知逻辑状态的特性。例如，一些预选代码在发射机处于传输之前，将其设置在相同逻辑状态。这导致用于差分编码器的输入数据与输出数据之间的1:1映射，其方便信号关联和在接收器的选择。

图1示出根据实施例的低地轨道（LEO）卫星通信系统100的示意图。参考图1，在一些实施例中，系统100包括与一个或更多接收设备120a、120b通信的一个或更多LEO卫星110，接收设备由参考标号120表示。

在一些实施例中，LEO卫星110可以体现为铱卫星群中的卫星。例如铱星系统的传统卫星通信系统设计在卫星信号具有高于环境本底噪声（noise floor）的接收功率条件下工作。

接收设备120可以实施为通信设备，例如卫星或蜂窝电话或实施为通信设备或计算设备的组件，计算设备包括例如个人计算机，膝上型计算机，个人数字终端或其类似物。可选地，接收设备120可以实施为类似于连接全球定位系统（GPS）设备的定位或导航设备。GPS系统使用即使在接收的广播低于本底噪声时，也能使接收器拾取信号的扩频存取技术。在例如GPS的系统中，由卫星广播伪随机码，并且相关技术用于将信号从噪音提取出来。

由于不足的信号功率导致GPS系统在衰减环境130中具有相对差的性能，从而产生其他系统能够在这些环境中表现得更好的需要。铱卫星以比GPS传输明显更多的功率广播。在例子中，经配置与从LEO卫星，例如铱卫星接收信号一起工作的接收器单元可以工作在接收设备120的天线衰减少于大约45dB的信号水平，因此，通过影响基于LEO的铱卫星，铱配置接收器单元可以操作在大约15-20dB，其低于传统GPS配置接收器单元会停止工作信号水平。

包括铱星系统的各种卫星通信系统使用差分编码信号处理方案对正交相移键控（QPSK）调制广播进行编码和传输。在差分编码过程期间，广播的同相（in-phrase，即I）和正交（Quadrature，即Q）调制比特被重新编码，使得差分编码器的输出是当前I/Q状态和之前I/Q状态的函数。表格I是用于QPSK系统的传统编码方案。任何给出的消息（由比特串表示）在其广播之前被差分编码。

表格I差分编码方案

差分编码过程的当前输出是当前I/Q状态和之前I/Q状态的函数。通过例子的方式，根据差分编码器的之前状态（C），输入到差分编码器的比特编码消息（A）实际上是具有四个不同版本（B1，B2，B3，B4）形式（B）的广播。表格II展示了这种情况，下面是示范性例子：

情况1：

A=00000000 预编码消息

C=00

B1=00000000 广播消息

情况2：

A=00000000 预编码消息

C=01 差分编码器的之前状态

B2=01010101 广播消息

情况3：

A=00000000 预编码消息

C=10 差分编码器的之前状态

B3=10101010 广播消息

情况4：

A=00000000 预编码消息

C=11 差分编码器的之前状态

B4=11111111 广播消息

表格II：编码器变换

因此，对于随后给出的消息A，存在从差分编码器出现的消息B的4种可能差分编码版本。消息B根据之前的编码器状态C，产生1:4的代码（A）到潜在输出（B）的代码比。

用于铱星和其他通信卫星的差分编码方案利用伪随机代码顺序和关联的相关性检测方法出现问题，这是因为输入到差分编码器的每个期望代码，消息A可以生成4个可能的广播。这1:4的代码比使用户接收器中的相关性处理明显复杂化。取代搜索和对单组可能代码消息的相互关联，取而代之的是接收器必须搜索4倍的消息数量。这增加了用户接收器的存储器、处理以及功率需求。而且，它弱化了代码之间的分割并增加了相关性过程中一个代码被误认为另一个的可能性。

在一个方面，本文描述了差分编码器使用一组代码差分编码的系统和方法，其中当差分编码器处理一组代码时，将差分编码器置于已知状态。已知状态可以是预先确定的逻辑状态。例如，在各种实施例中，差分编码器可以保持在初始逻辑状态，当接收到传输数据并且由差分编码器使用一组代码对数据编码时，可以使差分编码器复位到初始逻辑状态。在各种实施例中，在已经处理输入数据流后，已知状态可以是已知（I，Q）状态。将差分编码器置于已知（I，Q）状态消除了输入对输出的1:4代码比。

在一些实施例中，本公开的方法可以在例如图1所示卫星110的LEO卫星发射机的发射设备中实施。图2示出根据实施例的发射设备和接收设备组件的示意图。参考图2，在一个实施例中，发射设备210包括差分编码器212，调制器214，以及放大器216。发射设备210耦合于天线218。接收设备230包括一个或更多信号处理器232，解调器234，以及带通滤波器236。接收设备230耦合于天线238。

参考图2和图3解释发射设备210和接收设备230的操作，其中图3示出根据实施例的在实施差分编码广播比特信号结构的方法中的操作流程图。参考图2和3，在操作310，在发射设备210的差分编码器212中接收用于传输的数据。

在操作315，利用选择代码差分编码数据。在一些实施例中，差分编码器212利用一组代码差分编码数据，所述一组代码具有当他们被传输时，他们总是将差分编码器212设置在例如（00）已知（I，Q）状态的特性。这确保在差分编码器212的输入代码（A）与输出代码（B）之间的1:1相互关联，其不管系统的差分编码器，依次确保之前消息不向当前消息呈现不明确性。因此在上述例子中，代码字总是将差分编码器2 12转回其初始相位（00）。

在操作320，从差分编码器输出的数据信号由调制器214调制。调制信号由放大器216放大（操作325）并经过天线218传输（操作330）。

在耦合于接收设备230的天线238接收（操作335）广播信号。该信号经过天线238到达带通滤波器，其过滤（操作340）掉不良频率范围，接着，由解调器234解调（操作345），接着传递到信号处理器232。在相关部分，信号处理器232可以解码（操作350）信号以便恢复原来消息，接着原来消息可以用于定位过程。

在另一方面，差分编码器212可以实施本文称为超比特编码（SBE）的编码技术，其改善在噪音环境中消息的信号检测。在一些实施例中，差分编码器212以等于下列方程式的处理增益对消息编码：

G=N/n；其中G=处理增益，

N=代码消息中比特的数量，

n=消息中信息比特的数量。

通过例子的方式，若10个消息比特用于表示1个信息比特，那么处理增益等于10（或10dB）。其中dB换算因子是：10 log 10(G)。可以利用N个伪随机比特的串构建超比特序列，其中每个代码具有之前所述的相互关联特性。N可以实施为整数，使得差分编码器212的输出序列在可能范围彼此不相互关联，以便保持代码字之中的区别。

在各种实施例中，超比特编码方案可以用于之前所述的方法中，在该方法中，差分编码器使用一组代码，当差分编码器处理该组代码时，将差分编码器置于已知状态。在一个实施例中，超比特编码方案将多比特序列附加到N个伪随机比特的串，其中多比特序列将差分编码器复位到已知状态。例如，下面阐述两SBE比特序列。每个比特序列使用10比特序列分别表示0或1。作为这个实施例的例子，在下面表格III中呈现情况1到情况4的比特代码示出在附加4个零（0000）作为测试序列，A后的20比特输入代码。附加在20比特序列末端的4个零有助于识别差分编码器212的状态C。此外，D识别差分编码器212编码后的状态。优选的代码结果是C＝D，意味着差分代码212编码后的状态包括在消息末端的4个零，表明编码器的状态已经复位到差分编码器212的初始状态。相反，在情况5到情况8中示出例子不会导致将差分编码器212编码后的状态复位到差分编码器212的初始预编码状态。

情况1：

情况2：

情况3：

情况4：

情况5：

情况6：

情况7：

情况8：

表格III:比特代码例子

在一些实施例中，超比特编码概念可以延伸到单个通信卫星消息脉冲串（burst）之内，例如铱卫星消息脉冲串之内，表示几个格雷码（Gray code）的想法。脉冲串数据结构包括提供识别信息以及被差分编码的有效载荷数据的信息比特。在一些实施例中，消息脉冲串中有256个数据比特（N），其中多个消息将要传输，其中n=8或256个可能的消息。对于用于通信卫星差分编码器的SBE序列，在n=1的情况下，利用两个10比特序列表示0或1可以定义SBE序列。在N=10和n=1的这种情况下，信号增益G=10。

图4示出根据实施例的在生成差分编码操作代码的方法中操作的流程图。参考图4，在操作410，生成候选的伪随机代码。在一些实施例中，可以利用产生0和1候选比特序列的随机号码生成器生成伪随机代码。

在操作415，确定伪随机代码是否满足差分编码标准。对于编码伪随机代码的QPSK，比特数必须是偶数并且具有值为1的所有比特总数必须是4的偶数倍。对于编码的BPSK，比特数必须是偶数并且具有值为1的所有比特中的部分必须是2的偶数倍。

伪随机代码可以输入到差分编码器212中，其差分编码数据（操作420）并从输入的伪随机代码生成输出。对0和1的长随机序列差分编码通常会产生具有类似于输入代码统计特性的新代码。因此，存在差分编码器212生成的输出代码具有类似输入代码特性的高可能性。

在操作425，差分编码器212生成输出代码的相关特性由与输出代码相关的输入代码测试。大体上，好的一组代码字会产生该组中代码字之间的低交叉相关性。可以重复图4的操作直至确定合适的一组代码字。接着，该组代码可以用于图3所示差分编码过程。

总之，因为用于传输的每个输入代码导致4个可能输出代码的广播，由卫星通信系统实施的被迫差分编码方案表现出在消息编码中利用伪随机代码序列的困难。这通过增加用户接收器的存储器、处理以及功率需求，从而使得在用户接收器中相关性处理变得明显复杂。而且，它弱化了代码之间的分割并增加了相关性过程中一个代码被误认为另一个的可能性。根据本文所述的实施例，利用设置差分编码器212在已知输出状态的代码，在差分编码器212中编码数据对经由通信卫星将伪随机代码消息传递给用户是有用的。利用这些技术，通过从例如铱星系统的卫星向位于结构内的用户发送伪随机消息，定时和频率信息可以传递给衰减环境（例如，室内）中的用户。接收消息的用户获得好处，这是因为通信卫星的广播比GPS功率更为强大，并且伪随机编码技术提供允许信号从噪音中提取出来的附加增益。一旦接收，这些消息可以提供适于用户自我定位的信息。不过，不失一般性，传递给用户代码的消息可用于任何用途。

在本规范中参考的“一个实施例”或“一些实施例”意思是结合实施例的特定特征、结构或特性包含在至少实施中。在本规范不同位置短语“在一个实施例中”的出现可以是指或不一定全部是指相同实施例。例如，各种实施例可以包括：

A1.包括差分编码器的通信设备用于：

接收传输数据；以及

利用一组代码对传输数据编码，其中当由差分编码器处理时，该组代码将差分编码器置于已知状态并生成不相关输出序列。

A2.所述A1的通信设备，其进一步包括：

对编码信号调制的调制器；

对编码信号放大的放大器；以及

传输编码信号的发射机。

A3.所述权利要求A1的通信设备进一步包括远离通信设备的接收设备，该接收设备包括：

接收编码信号的接收器；以及

对编码信号解码的解码器。

A4.所述A1的通信设备，其中所述编码信号包括全球定位系统（GPS）信号、格雷码信号或卫星信号中的至少一种。

A5.所述A3的通信设备，其中所述接收设备包括卫星电话，蜂窝电话个人计算机，便携式计算机或个人数字终端中的至少一个。

A6.所述A3的通信设备，其中所述接收设备在定位算法（positioningalgorithm）中使用编码信号。

B1.一种利用差分编码器对传输数据编码的方法，其包括：

在差分编码器中接收传输数据；以及

B2.所述B1的方法，其中所述差分编码器采用QPSK调制方案。

B3.所述B1方法，其中所述差分编码器采用BPSK调制方案。

B4.所述B2的方法，其中所述差分编码器在移动通信系统内。

B5.所述B2的方法，其中所述差分编码器在固定通信系统内。

虽然描述的实施例以具体结构特征和/或方法行为描述，不过应当理解本发明的要求主题应不限于所描述的具体特征或行为。而且，所公开的具体特征和行为仅作为实施本发明要求主题的样本形式。

Claims

1.一种利用差分编码器对传输数据编码的方法，其包括：

在差分编码器中接收传输数据；以及

使用一组代码对所述传输数据编码,其中当所述组代码由所述差分编码器处理时，将差分编码器置于已知状态并生成不相关输出序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

当接收到所述传输数据时，所述差分编码器驻留在初始逻辑状态；以及

由对所述数据编码的所述差分编码器使用的所述组代码将所述差分编码器复位到所述初始逻辑状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

由对所述数据编码的所述差分编码器使用的所述组代码将所述差分编码器复位到不同于所述初始逻辑状态的已知逻辑状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

调制所述编码信号；

放大所述编码信号；以及

传输所述编码信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：

接收所述编码信号；以及

解码所述编码信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括在定位算法中利用所述编码信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述编码信号包括全球定位系统（GPS）信号、格雷码信号或卫星信号中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述对传输数据编码包括使用超级比特编码方案，其中所述传输信息的每个比特由N个伪随机比特的串表示。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述超级比特编码方案用于增加允许室内用户获得稳固定时信息的信噪比。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述超级比特编码方案将多比特序列附加到N个伪随机比特的串，其中所述多比特序列将所述差分编码器复位到预先确定的逻辑状态。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述差分编码器位于作为定位系统的通信系统内。

12.根据权利要求5所述的方法，其中所述接收编码信号包括允许在衰减环境中的用户接收获得稳固定时信息的信号。

13.一种包括差分编码器的通信设备，其用于：

接收传输数据；以及

14.根据权利要求13所述的通信设备，其中：

由对所述数据编码的所述差分编码器使用的所述组代码将所述差分编码器复位到初始逻辑状态。

15.根据权利要求13所述的通信设备，其中：

16.根据权利要求13所述的通信设备，其中所述差分编码器实施超级比特编码方案，其中传输信息的每个比特由N个伪随机比特的串表示。

17.根据权利要求16所述的通信设备，其中所述超级比特编码方案将多比特序列附加到所述N个伪随机比特的串，其中所述多比特序列将所述差分编码器复位到预先确定的逻辑状态。