CN1146200C - 八相移相键控调制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八相移相键控调制方法及装置，该方法将所有经过成形滤波后的八相移相键控调制状态全部存在数据表格中，并根据三角函数规律和电平分集对应关系将存储在表格中的调制状态数据进行压缩，码元输入后，进行查表操作，通过查表操作后直接输出调制数据的同相和正交信号。本发明的装置与GSM系统完全兼容，能够提供足够的数据业务能力，可以充分延长现有GSM体系的生命周期。对运营商而言，既节省了投资，又可以提供有竞争力的业务服务。

Description

八相移相键控调制方法及其装置

技术领域

本发明涉及数字移动通信，更具体地指用于增强数据率型GSM(EDGE，下同)的八相移相键控调制方法及其装置。

背景技术

以GSM为代表的第二代移动通信系统以话音为主流业务。但随着互联网(Internet)的高速崛起，移动接入互联网、电子商务、移动计算等技术日益发展引起业界的广泛重视，通过无线空中接口的数据通信的需求飞速发展，移动网的数据业务被普遍看好。但以目前GSM的标准数据率为9.6kbps/时隙，不能满足上述技术对移动数据通信日益增长的需求。

为此，国际电信联盟(ITU)正在组织能够提供高速数据传输的第三代移动通信系统的标准制定。鉴于第二代GSM已建立起庞大的基础网络并拥有巨量用户，今后的发展趋势是两者将会在相当长时间内共存。为向第三代移动通信系统过渡，欧洲电信标准协会(ETSI)在保留GSM空中接口的时隙结构和频段的基础上，采取分阶段演进步骤：第一阶段提出了高速电路交换数据(High-Speed Circuit SwitchData HSCSD)和通用分级无线业务(General Packet Radio Service GPRS)两种工作模式，以提高数据通信容量；第二阶段，增强数据率型GSM(Enhanced Datarates for Global/GSM Evolution)，其采用高效调制技术(八相移相键控)使传输速率提高至3倍。

增强数据率型GSM(EDGE，下同)是基于GSM发展起来的。仍然采用原有的频谱和200K的频率划分，能够非常容易地与GSM实现兼容。它主要通过改变调制方式，实现高达384kbps的数据业务。同时，增强数据率型GSM也获得了北美IS-136TDMA的支持。在分组域，增强数据率型GSM与IS-136的空中接口完全兼容，使之成为全球统一的TDMA标准。

数字调制技术是数字蜂窝移动通信系统空中接口的关键技术之一。不同的数字移动通信系统采用的数字调制技术也不同。目前数字移动通信中的调制方式，大致可分为两类。一类为恒包络连续相位调制，较为成熟的为时间量化频率调制(TFM)和高斯最小移频键控(GMSK)调制。另一类为线性调制方式，如四相移相键控(QPSK)、八相移相键控(8PSK)调制。向第三代移动通信系统演进过渡阶段的增强数据率型GSM(Enhanced Datarate for GSM Evolution)是基于GSM发展起来的无线接入体制。它采用两种调制模式：8PSK和高斯最小移频键控(GMSK)调制。

实现线性调制的一般方法是，先使用一个信号星座将二进制输入数字信号映射成为具有相同幅度、不同相位的矢量，再使该矢量通过成型滤波器输出，图1示意了线性调制的过程。实现成形滤波目前常采用的方法，一是用乘法器实现有限冲击响应(FIR)滤波器，另一是把所有可能的调制信号状态存储为查找表。

通常实现线性调制都采用成形滤波或者查表。成形滤波方法需要采用定点乘法器，乘法器实现电路较复杂，占用资源较大，且功耗比较大，经过定点乘法运算得到的信号质量也比直接查表的差；此外，还需将调制信号的采样值存贮在表格中。能否有一种采用完全的查找表，使全部的调制信号的采样值存贮在表格中，而省却电路复杂的乘法器，资源耗费少，利用全查表法在现有的基站硬件上的基础上并与GSM系统完全兼容。

发明内容

本发明的目的是针对传统的八相移相键控调制方法存在的不足，提供一种实现简便、耗费资源较少的八相移相键控调制方法及装置，以作增强数据率型GSM的技术支撑。

为了实现上述目的，

本发明采用如下方法，该调制方法将所有经过成形滤波后的八相移相键控调制状态全部存在数据表格中，并根据三角函数规律和电平分集对应关系将存储在表格中的调制状态数据进行压缩；码元输入后，依次进行符号映射、查表地址生成、查表操作；通过查表操作后直接输出调制数据的同相和正交信号。

本发明的八相移相键控调制装置包括依次连接的码元输入单元、符号映射单元、查表地址生成单元以及全查表输出单元，其中，

符号映射单元对码元输入单元输入的信号完成符号映射功能；

查表地址生成单元将符号映射单元输出的符号矢量转换为符号地址，并用符号地址与本单元产生的系数地址共同构成查表地址；

查表输出单元按查表地址生成单元产生的查表地址对表格进行查表和数据处理后输出线性数字调制的同相和正交信号。

由于本发明针对增强数据率型GSM规定，采用上述的八相移相键控调制方法和装置，提出了全查表方案，极大地降低了复杂度，在经过压缩后，得到准确性很高的调制信号；而且其调制装置可在现有的基站硬件上预留了对增强数据率型GSM的支持。与第三低移动通讯相比，本发明的方法和装置，对GSM中的系统改造量极小，与目前正在运行的GSM系统完全兼容，同时又能够提供足够的数据业务能力，可以充分延长现有GSM体系的生命周期。对运营商而言，既节省了投资，又可以提供有竞争力的业务服务。

附图说明

图1是现有的线性数字调制原理框图。

图2是本发明方法调制原理图。

图3是本发明方法框图。

图4是利用本发明方法调制后同相、正交信号矢量图。

图5是本发明的应用于数字上变频器后的方框图。

图6是利用本发明方法调制后的信号频谱特性图。

具体实施方式

根据GSM05.04(V8.0.0)协议，对增强数据率型GSM中八相移相键控调制方式的规定，可将基带调制过程分为三个步骤，即：1.简单8相位调制；2.符号旋转；3.成形滤波器C0(t)滤波。因此，经过8相位调制和符号旋转得到的新调制矢量被冲击响应为C0(t)的成形滤波器滤波后，就可得到八相移相键控的基带调制信号y(t)： $Y\left(t^{\′}\right)=\mathrm{\Σ}\hat{S}i*C_0(t^{\′}-\mathrm{iTs}+\frac{5}{2}\mathrm{Ts}).$ 其中，Ts表示一个符号周期。

根据上述的协议规定，请参照图2所示，本发明的八相移相键控调制方法核心构思是将所有经过成形滤波后的八相移相键控调制状态全部存在数据表格中，并根据三角函数规律和电平分集对应关系将存储在表格中的调制状态数据进行压缩，码元输入后，进行查表操作，通过查表操作后直接输出调制数据的同相和正交信号I和Q。

具体来说，该方法进一步依次包括符号映射、查表地址生成、查表输出步骤(见图3)。

所述的符号映射步骤是使用一个格雷码映射和3π/8相位旋转的信号星座，将二进制数字信号映射成为具有相同幅度、不同相位的调制矢量。

所述的查表地址生成步骤包括产生符号地址和系数地址，即，将符号矢量映射为符号地址，另由系数地址生成器产生一个系数地址，当基带调制信号的插值率为R、数据位宽为Wbits时，查表地址包括4位符号地址和ceil(log₂(5*R))位系数地址，表格容量则为4*5*R*Wbits。

所述的查表输出步骤是由查表地址查找经过七倍压缩的表格，查找出的查表数据再根据压缩规律恢复数据，再由地址位控制，进行包括正、负符号操作和同相、正交信号交换操作，最终输出同相和正交(I和Q)两个信号。

根据上述GSM05.04(V8.0.0)协议，所述根据电平分集对应关系压缩是在符号旋转后，成形滤波前，基带信号的电平共有9种电平值，按照电平正负又分为两个子集，其中之一包含5种电平，另一种包含4种电平。再根据该两个电平是有规律地轮流出现。又由于基带成形滤波器的冲激响应有效长度为5Ts，所以将未滤波的基带信号经过基带滤波器后，对应基带信号电平值的两个子集，其电平组合有两类：一类是5*4*5*4*5＝2000种电平组合，另一类是4*5*4*5＝1600种电平组合，两类共有3600种电平组合。也就是说，可能有3600种最终的基带信号。假设采样率＝R，数据位宽＝W时，基带调制信号需数据表两张，每张表格容量为3600*R*W(bit)。

通过进一步研究发现，这9种有限电平之间具有一定的相互关系，即9种电平可压缩用5个电平值表示。因此采用压缩算法，可将原两张大容量表格从3600*R*W(bit)，最后将该两张表格压缩为一张同相和正交信号复用且容量为1008*R*W(bit)的表格。该表格的压缩比可达到7∶1。

图4示意了利用本发明的调制方法后的基带I和Q信号的矢量，该图说明了利用本发明的调制方法后的基带I和Q信号的矢量符合GSM05.04(V8.0.0)协议规定的要求。

经过仿真研究验证，采用本发明方法得到的八相移相键控调制数字信号满足增强数据率型GSM协议指标要求，其频谱特性如图6所示，曲线A表示增强数据率型GSM协议指标，曲线B为本发明的八相移相键控调制方法所得到的信号频谱特性，纵坐标为功率谱密度，单位dB，横坐标为基带调制信号的频率偏移，单位kHz。

综上所述，本发明的方法只需将输入的待调制信号和输入顺序作为查表地址，通过内部寻址单元，就可直接从被压缩后的一张小容量表格中，得到经过增强数据率型GSM规定的八相移相键控调制后的基带I/Q信号，该方法具有以下优点：

1、不需要任何逻辑运算单元，大大降低了实现的复杂度和系统功耗，可以非常方便地在任何硬件系统中实现。

2、大大减少了对系统资源的占用，增强了该方法的可实现性。

3、直接将所有调制运算数据存储在表格中，没有定点乘法引入误差的环节，信号更精确。

4、采用了全数字方式，保证了该方式得到的调制数据具有很高的准确性。

5、利用本发明方法，对查找表内容加以改变，可实现其它线性调制方式。

6、可适用于任何支持增强数据率型GSM的硬件系统中。

7、适用于任何支持增强数据率型GSM的基站系统中。

请再参阅图3本发明的八相移相键控调制装置包括依次连接的码元输入单元、符号映射单元、查表地址生成单元以及查表输出单元，其中，

符号映射单元对码元输入单元输入的信号完成符号映射功能，符号映射单元是一个二进制数据发生器，该发生器可以是任何一种数字数据源，如语音编码器。

查表地址生成单元将符号映射单元输出的符号矢量转换为符号地址，并用符号地址与本单元产生的系数地址共同构成查表地址，用于查找表。

查表输出单元按查表地址生成单元产生的查表地址对表格进行查表和数据处理后输出线性数字调制的同相和正交信号。

请配合图5，本发明八相移相键控调制装置可用于增强数据率型GSM通信系统发射机中的数字上变频器，图中，201是本发明的调制装置。单元202是具有内插和低通滤波功能的级联积分梳状滤波器(CIC)；单元203是数控振荡器(NCO)，它产生复数(两路正交)的数字中频振荡信号；单元204是正交幅度调制单元(QAM)，实现数字乘法功能，单元205是缓冲输出单元(OUT)，实现数据缓冲输出。

Claims (6)

1、一种八相移相键控调制方法，其特征在于：该调制方法将所有经过成形滤波后的八相移相键控调制状态全部存在数据表格中，并根据三角函数规律和电平分集对应关系将存储在表格中的调制状态数据进行压缩；码元输入后，依次进行符号映射、查表地址生成、查表操作；通过查表操作后直接输出调制数据的同相和正交信号。

2、如权利要求1所述的八相移相键控调制方法，其特征在于：所述的符号映射步骤是使用一个格雷码映射和3π/8相位旋转的信号星座，将二进制数字信号映射成为具有相同幅度、不同相位的调制矢量。

3、如权利要求1所述的八相移相键控调制方法，其特征在于：所述的查表地址生成步骤包括产生符号地址和系数地址，将符号矢量映射为符号地址，另产生一个系数地址，当基带调制信号的插值率为R、数据位宽为Wbits时，查表地址包括4位符号地址和ceil(log₂(5*R))位系数地址，表格容量则为4*5*R*Wbits。

4、如权利要求1所述的八相移相键控调制方法，其特征在于：所述的查表输出步骤是由查表地址查找经过压缩的表格，查找出的查表数据再根据压缩规律恢复数据，再由地址位控制，进行包括正、负符号操作和同相、正交信号交换操作，最终输出同相和正交两个信号。

5、如权利要求1所述的八相移相键控调制方法，其特征在于：所述根据电平分集对应关系是将成形滤波前的基带信号的同相和正交信号的9种电平值，按照电平正负分为两个子集，其中一子集包含5种电平，另一子集包含4种电平；再根据该两个子集中的电平轮流出现的规律以及基带成形滤波器的冲激响应有效长度为5Ts，将经过滤波后的基带信号的两个子集中的电平按5*4*5*4*5和4*5*4*5进行电平组合，形成两张容量为3600*P*W(bit)的表格，最后将该两张表格压缩为一张同相和正交信号复用且容量为1008*R*W(bit)的表格。

7、一种八相移相键控调制的装置，其特征在于：该装置包括依次连接的码元输入单元、符号映射单元、查表地址生成单元以及全查表输出单元，其中，

符号映射单元对码元输入单元输入的信号完成符号映射功能；

查表地址生成单元将符号映射单元输出的符号矢量转换为符号地址，并用符号地址与本单元产生的系数地址共同构成查表地址；

查表输出单元按查表地址生成单元产生的查表地址对表格进行查表和数据处理后输出线性数字调制的同相和正交信号。

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