CN1165114C - 信号产生方法和发送方法以及信号解码方法和解码装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于单边带扩频信号的信号发生器和解码器。本发明提供一种单边带扩频信号发生器和解码器，其中实现了使用复数扩展码的单边带调制，并改善了相关性质，从而减小了用户之间的干扰。

Description

信号产生方法和发送方法以及信号解码方法和解码装置

技术领域

本发明涉及用于提供单边带(SSB)扩频信号的信号发生器。

背景技术

当前，所有蜂窝网络都使用双边带调制来把一个基带信号上变换为射频。因此，在两个边带中传送相同信息，并且信号使用的带宽是绝对必须带宽的两倍。单边带调制允许使用双边带调制的一半带宽来发送相同数量的信息，或者在相同带宽中发送两倍数量的信息。

下一代蜂窝网络被称为通用移动电信系统(UMTS)。宽带码分多址(W-CDMA)将被用于成对频谱的60MHz频带，即两个分离的60MHz频带，其中低频带用于上行链路，高频带用于下行链路。W-CDMA的使用促进了移动用户的高比特率。

由每码元的码片数(称为处理增益)/(每比特的能量/噪声功率谱密度(Eb/No))来确定码分多址(CDMA)系统的容量。如果可以增加每码元的码片数，那么就可以提高容量。最大码片率(chipping rate)受可用带宽限制。单边带调制使一个调制信号所需的带宽减半。因此，如果可以产生一个单边带调制信号，那么就可以提高码片率，或者是可以采用两个单边带信号(上边带和下边带)以便提高CDMA系统的容量。

但是，用于产生单边带信号的传统技术(例如带通滤波或已知的定相方法)无法用于其频谱向下扩展到DC的数据。

图1示出了一种用于产生单边带信号的已知方法。但是，这种复数调制器无法用于传统扩展码(例如PN码，沃尔什码，歌德码等等)以产生SSB，这是因为这些代码是二进制码并且不能提供一个适当的复数扩频信号。这些信号的自相关和互相关性质良好。但是，如果对信号进行变换(例如通过希尔伯特变换)以产生一个正交信号，那么会导致不连续性和不良相关性质。不良相关性质会导致其他用户经受的干扰增加，并因此降低系统的容量。因此，在使用一个诸如图1所示的调制器时，如果要实现容量的相应增加，需要一个在实域和虚域都具有良好相关性质的扩展码。

具有期望性质的复数扩展码是已知的，例如R.L.Frank在IEEE信息理论学报，vol.IT-9，pp.43-45，Jan.1963的“具有良好非周期性相关性质的多相码”中描述的Frank-Zadoff-Chu(FZC)码。但是，如下面将要说明的，使用这种码所产生的扩频信号没有频带限制，这使得无论使用什么调制，所得的信号都将占用无限带宽。在M.P.Lotter和L.P.Linde在ISSSTA 95会刊，22-25 Sept.1996的“一种具有分析性质的限带复数扩展序列”中说明，通过把序列的连续抽样之间的移相限制为小于π弧度，可以获得一个限带信号，并导出被称为分析限带复数序列的代码组。该滤波过程所付出的代价是，代码的自相关和互相关函数都不再是理想的，因此减少了可支持的用户数量。因此，尽管在该已知系统中增加了每码元的码片数，但导致的不良相关性质不能实现容量的相应增加。

发明内容

本发明试图通过提供单边带扩频信号发生器来减轻上述问题，其中实现了使用复数扩展码的单边带调制，并具有改进的相关性质，使得用户之间的干扰减少。

根据本发明，提供一种产生单边带扩频信号的方法，包括以下步骤：

根据希尔伯特变换对一个复数扩展信号进行移相以产生一个移相复数扩展信号；

把该复数扩展信号和该移相复数扩展信号上变换到一个较高频率以产生单边带扩频信号，

对复数扩展信号或单边带扩频信号中的至少一个进行限带；和

利用一个接收信号调制复数扩展信号或单边带扩频信号中的一个，

其中，移相步骤必须在上变换步骤之前执行。

在本发明的一个优选实施例中，上变换步骤包括以下子步骤：根据与移相复数信号的虚部组合的复数信号的实部调制上变换复数信号的一个信号；根据与移相复数信号的实部组合的复数信号的虚部调制上变换复数信号的一个正交信号。

优选地，复数扩展信号从由下式定义的一个序列导出

$a_m=W_N^{m^2/2+\mathrm{qm}}$ N为偶数

$=W_N^{m(m+1)/2+\mathrm{qm}}$ N为奇数

其中

W_N＝e^-i2πr/N

m＝0，1，2，...，N-1，q是任何整数，具有给定长度的序列的数量是N。可以在移相步骤之前执行限带步骤，或者可以在上变换步骤之后执行限带步骤。

在本发明的某些实施例中，在上变换步骤之后执行调制步骤。

根据本发明的第二方面，提供一种用于发送单边带扩频信号的装置，包括：复数扩展信号发生器(1)，用于产生一个复数扩展信号；

移相器(3)，被耦合以通过复数扩展信号发生器接收该复数扩展信号，并用于根据希尔伯特变换对该复数扩展信号进行移相以提供一个移相复数扩展信号；

复数调制器(6)，被耦合以接收该复数扩展信号和该移相复数扩展信号进行它们的上变换，从而产生一个单边带扩频信号；

限带滤波器(2；2’，2”；8)，用于对该复数扩展信号或该单边带扩频信号中的至少一个进行限带；和

数据调制器(4，5；9)，被连接以接收一个输入信号，用于利用输入信号调制该复数扩展信号或该单边带扩频信号中的一个。

在本发明的某些实施例中，限带滤波器是一个被连接以接收复数扩展信号发生器的输出的低通滤波器。在本发明的其他实施例中，限带滤波器是一个被连接以接收复数调制器的输出的带通滤波器。

在本发明的某些实施例中，数据调制器被耦合以通过复数调制器接收一个第二信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于对单边带信号解码的方法，包括以下步骤：根据希尔伯特变换对一个复数扩展信号进行移相；把该复数扩展信号和该移相复数扩展信号上变换到较高频率；根据上变换的复数扩展信号和上变换的该移相复数扩展信号解调一个接收信号。

优选地，复数扩展信号从由下式定义的一个序列导出

$a_m=W_N^{m^2/2+\mathrm{qm}}$ N为偶数

$=W_N^{m(m+1)/2+\mathrm{qm}}$ N为奇数

其中

W_N＝e^-i2πr/N

m＝0，1，2，...，N-1，q是任何整数，具有给定长度的序列的数量是N。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于对一个发送信号解码的装置，包括：复数扩展信号发生器；移相器，被连接以从复数扩展信号发生器接收复数扩展信号；复数调制器，被连接以从复数扩展信号发生器接收复数扩展信号，被连接以从移相器接收移相复数扩展信号，并上变换该复数扩展信号；数据调制器，被连接以接收该发送信号和该上变换复数扩展信号，并解调该发送信号以提供一个解码的发送信号。

附图说明

下面将参照附图以举例方式对根据本发明用于产生和解码信号的方法和装置进行说明。

图1示出一个用于从任意信息源产生一个单边带发送信号的已知调制器；

图2示出一个用于从复数输入数据产生一个单边带发送信号的已知复数调制器；

图3a到3e示出根据本发明的信号发生器的实施例；

图4示出用于长度为49码片的扩展信号的理想自相关和互相关函数；

图5示出根据本发明的信号发生器中使用的复数扩展信号；

图6示意性示出如何以不同方式使用根据本发明的信号发生器来提高系统容量；

图7是在几种系统中的随用户数目变化的比特差错率(BER)的曲线图，一种系统是使用根据本发明的信号发生器的系统，一种系统是使用双边带调制的标准UMTS系统，一种系统是使用二者技术的组合的系统，其中SSB和DSB系统同时存在于相同频谱中，代表了本发明的演变过程；

图8表示较高的码片率如何降低由多径传播引起的衰落(相消性干扰)；

图9示出BER如何随着一个视线信号和一个随机相位的同幅信号之间的时延变化，其中该随机相位的同幅信号代表通过不同路径接收的同一信号；

图10示出一个典型的微蜂窝环境中的信道声音测量得到的结果，示出了一个密集城市环境中的多径之间的小到达间延迟(inter-arrival delay)；和

图11示出用于解码根据本发明发送的信号的解码器。

具体实施方式

图1示出一个用于产生SSB的已知调制器。在调制器10和13利用调制频率的余弦波调制一个数据信号I和它的对应正交信号Q。还在调制器12和11利用调制频率的正弦波调制数据信号I和Q。调制器10和11的输出被馈送到加法器14以提供一个SSB信号16，调制器12和13的输出被馈送到加法器15以提供一个SSB输出信号17。16处的输出与17处的输出相位相差90度。图1的调制器提供一个上边带信号，通过改变加法器14和15的输入之一的符号可以产生一个下边带信号。应该理解，可以同等地使用一个仅产生输出信号16或17中的一个或另一个的调制器。

图2示出一个用于从复数输入信号产生SSB信号的复数调制器。复数信号B是复数信号A的正交复本。在加法器20把复数信号B的虚部从复数信号A的实部中减去(通过一个反相器，未示出)，然后在调制器23利用调制频率的余弦波调制所得的加和信号。同样，在加法器21把复数信号A的虚部加到复数信号B的实部，然后在调制器22利用调制频率的正弦波调制该加和信号。在加法器24把两个调制信号相加以产生一个SSB信号。图2的复数调制器产生一个上边带信号，通过改变加法器20和21的输入之一的符号可以产生一个下边带信号。

图3a示出根据本发明的SSB扩频信号发生器的第一实施例，其包括一个复数扩展信号发生器1，该复数扩展信号发生器1产生表示为Re(ss)和Im(ss)的复数扩展信号。稍后将参考图5说明复数扩展信号的性质。低通滤波器2接收该复数扩展信号，并输出一个滤波后的复数扩展信号，该信号的实部表示为Re(F(ss))，该信号的虚部表示为Im(F(ss))。滤波器2被实施为一个根升余弦滤波器，尽管可以使用任何类型的低通滤波器。一个数据信号在调制器4和5调制实部和虚部复数扩展信号以产生一个调制复数信号。然后使用希尔伯特变换滤波器3把该调制复数信号移相90度，以产生该复数信号的一个正交复本。然后由一个复数调制器6把这些复数信号上变换到期望频率，以提供一个SSB扩展信号作为输出。期望频率的正弦和余弦波由信号发生器7提供。

图3b示出本发明的一个实施例，其中在利用输入数据进行调制后对复数信号滤波。如图3c的实施例所示，可以同等地在希尔伯特变换之后执行滤波。该实施例需要使用两个低通滤波器2’和2”。图3d示出本发明的一个实施例，其中利用一个带通滤波器8对上变换的SSB信号进行限带。

图3e示出本发明的一个实施例，其中在调制器9数据调制上变换的SSB信号。应该理解，可以以与图3b，3c和3d所示实施例相似的各种方式对信号进行限带。

对于扩频通信，需要一组扩展信号，其中每个扩展信号具有一个在除了每个周期的单个最大值以外的地方都接近零的自相关函数，并且还具有最小互相关函数。在D.V.Sarwate在IEEE信息理论学报，vol IT-25，pp720-724发表的“序列的互相关和自相关的约束”中已经描述，周期性互相关函数的最大幅值和周期性自相关的最大幅值是有关的，并且如果一组信号具有良好的自相关性质，那么互相关性质不是很好，反之亦然。图4a和4b示出完全自相关和理想互相关函数(用于长度为49码片的扩展信号)。

复数扩展信号发生器1产生具有良好相关性质的一族复数扩展信号中的一个。在本发明该实施例中使用的代码称为Frank-Zadoff-Chu(FZC)序列或代码。它们基于下面的复数单位根：

W_N＝e^-i2πr/N

其中 $i=\sqrt{-1},$ N表示FZC序列长度，r是一个与N互质的整数。然后把FZC序列定义为：

$a_m=W_N^{m^2/2+\mathrm{qm}}$ N为偶数

${=W}_N^{m(m+1)/2+\mathrm{qm}}$ N为奇数

其中m＝0，1，2，..，N-1，q是任何整数，具有给定长度的序列的数量是N。

当m＝N-1时序列{a_m}达到的最大瞬时频率可以写为：

${\mathrm{\ω}}_{a\max }=2\mathrm{\πr}(1-\frac{1}{2N})$

对于大N，

ω_αmax≈2πr

显然，最大瞬时频率没有被限带到该码片率的尼奎斯特值，并且取决于r。图5a示出了一个FZC序列的实部和虚部。希尔伯特变换滤波器3对由复数扩展序列发生器1产生的序列进行移相以产生一个被移相90度的信号。图5b中示出对应于图5a的复数序列的移相序列。复数扩展序列和变换后的序列都具有良好的自相关性质和良好的互相关性质。

限带、应用希尔伯特变换、和使用一个复数调制器上变换到一个广播频率的操作可以任何顺序执行，只要在上变换步骤之前应用希尔伯特变换既可。因此，在本发明的另选实施例中，对信号进行滤波、扩展和调制的顺序是不同的。例如，再次参见图3，来自扩展信号发生器1的复数扩展信号可以由希尔伯特变换滤波器3进行移相，然后分别对复数扩展信号和移相扩展信号进行滤波，尽管在此情况下需要两个低通滤波器。图3e示出本发明的另一个另选实施例，其中使用数据来调制上变换的扩频信号。

如图6中示意性示出的，因为可以在单个现有UMTS信道中使用两个SSB信号，或者可以采用具有两倍码片率的一个SSB信道，所以潜在地提高了系统容量。对于一个允许从一个使用双边带调制的标准到一个使用SSB调制的标准的平滑转换的实际系统来说，希望一个采用SSB调制的信号和一个采用双边带调制的信号之间造成的干扰最小。图7示出在几种系统中测量随用户数目变化的BER的实验结果，一种系统是使用根据本发明优选实施例的SSB调制的系统，一种系统是使用双边带调制的标准UMTS系统，一种系统是使用二者技术的组合的系统，这在图7中表示为“重叠”。

使用具有两倍码片率的SSB信道的优点是改善了多径解析。当一个信号可以采用一个发射机与一个接收机之间的多个路径时需要多径解析。如果改善了多径解析，则会由于减少的衰落和降低的干扰而使容量的潜在提高超过100％。图8表示有可能解析通过不同路径接收的信号，一个较高的码片率如何能够减小干扰。还可能相长地组合通过不同路径接收的信号，从而实际上可以把一个具有多径的线路的性能改善得好于一个完全信道(perfect channel)的性能。

图9示出BER如何随着一个视线信号和一个随机相位的同幅信号(代表通过一个不同路径接收的同一信号)之间的时延改变。在该示例中，码片率是4M码片/s，周期为0.25s，并且Eb/No是6.8dB，使得在没有多径干扰发生时BER是1×10^-3。在该示例中，抽样点是码片的中间，导致在延迟0.125s后出现下一个码片的开始。可以看出，在两个信号的间隔小于码片周期(chipping period)之前都保持低BER，然后发生显著衰落(相消性干扰)并且BER显著升高。

图10示出一个典型的微蜂窝环境中的信道声音测量得到的结果。一个有效(significant)多径被定义为具有与最强信号相差10dB以内的信号强度的路径。在图10的曲线图中，纵横坐标分别是特征宽度(profile width)和有效多径的数量。可以看出，在很多情况下，所有能量分布在一个0.5s窗口内，即使很多路径都在起作用。如果码片周期是0.25s，很多分离的多径将在每个码片间隔内到达，导致衰落和系统性能的降低。因此，在很多时间中，系统只能解析2个多径。提高码片率不仅减少了衰落而且产生了更多的可解析多径，可以有利地在接收机组合这些多径。

图11示出用于解码本发明的发送信号的解码器。以与图3e所示产生扩展信号相同的方式，使用扩展信号发生器1’，希尔伯特变换滤波器3’，正交信号发生器7’和复数调制器6’产生一个解扩信号。由调制器9对发送数据解调和解扩，然后由低通滤波器10低通滤波以获得解码信号。

Claims (13)

1.一种产生单边带扩频信号的方法，包括以下步骤：

根据希尔伯特变换对一个复数扩展信号进行移相以产生一个移相复数扩展信号；

把该复数扩展信号和该移相复数扩展信号上变换到一个较高频率以产生单边带扩频信号；

对复数扩展信号或单边带扩频信号中的至少一个进行限带；和

利用一个接收信号调制复数扩展信号或单边带扩频信号中的一个，

其中，移相步骤必须在上变换步骤之前执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

上变换步骤包括以下子步骤：

根据与移相复数信号的虚部组合的复数信号的实部调制上变换复数信号的一个信号；和

根据与移相复数信号的实部组合的复数信号的虚部调制上变换复数信号的一个正交信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中复数扩展信号从由下式定义的一个序列导出

$a_m=W_N^{m^2/2+\mathrm{qm}}$ N为偶数

$=W_N^{m+(m+1)/2+\mathrm{qm}}$ N为奇数

其中

    W_N＝e^-i2πr/N

m＝0，1，2，...，N-1，q是任何整数，具有给定长度的序列的数量是N。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在移相步骤之前执行限带步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在上变换步骤之后执行限带步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在上变换步骤之后执行调制步骤。

7.一种用于发送单边带扩频信号的装置，包括：复数扩展信号发生器(1)，用于产生一个复数扩展信号；

移相器(3)，被耦合以通过复数扩展信号发生器接收该复数扩展信号，并用于根据希尔伯特变换对该复数扩展信号进行移相以提供一个移相复数扩展信号；

复数调制器(6)，被耦合以接收该复数扩展信号和该移相复数扩展信号进行它们的上变换，从而产生一个单边带扩频信号；

限带滤波器(2；2’，2”；8)，用于对该复数扩展信号或该单边带扩频信号中的至少一个进行限带；和

数据调制器(4，5；9)，被连接以接收一个输入信号，用于利用输入信号调制该复数扩展信号或该单边带扩频信号中的一个。

8.根据权利要求7所述的装置，其中限带滤波器是一个被连接以接收复数扩展信号发生器的输出的低通滤波器。

9.根据权利要求7所述的装置，其中限带滤波器是一个被连接以接收复数调制器的输出的带通滤波器。

10.根据权利要求7到9中任何一个所述的装置，其中数据调制器被耦合以通过复数调制器接收一个第二信号。

11.一种对单边带信号解码的方法，包括以下步骤：

根据希尔伯特变换对一个复数扩展信号进行移相；

把复数扩展信号和该移相复数扩展信号上变换到较高频率；和

根据上变换的复数扩展信号和上变换的该移相复数扩展信号解调一个接收信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中复数扩展信号从由下式定义的一个序列导出

$a_m=W_N^{m^2/2+\mathrm{qm}}$ N为偶数

$=W_N^{m+(m+1)/2+\mathrm{qm}}$ N为奇数

其中

    W_N＝e^-i2πr/N

m＝0，1，2，...，N-1，q是任何整数，具有给定长度的序列的数量是N。

13.一种用于对发送信号解码的装置，包括：

复数扩展信号发生器；

移相器，被连接以从复数扩展信号发生器接收复数扩展信号；

复数调制器，被连接以从复数扩展信号发生器接收复数扩展信号，被连接以从移相器接收移相复数扩展信号，并上变换该复数扩展信号；和

数据调制器，被连接以接收该发送信号和该上变换复数扩展信号，并解调该发送信号以提供一个解码的发送信号。

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