CN1211969C - 用于双正交码跳变多址通信系统的设备和方法 - Google Patents
用于双正交码跳变多址通信系统的设备和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种使用双正交码跳变多址(bi-orthogonal code hopping multiple access，BOCHMA)的通信设备。在本设备中，发射机为了使信道彼此区别开，根据每个信道预定的跳变图案跳变从一组双正交码中选出的双正交码，把跳变的双正交码与相应信道的数字信号混频，把各信道的混频信号相加。接收机从发射机接收相加信号，跳变与相应信道的发射机中同样的双正交码，并恢复各信道的数字信号。
Description
本发明涉及一种扩频多址通信系统中的发射机/接收机和发射/接收的方法，特别涉及一种在扩频多址通信系统中使用双向正交码跳变(bi-directionalorthogonal code hopping，BDOCH)的发射机/接收机和发射/接收的方法。
图1和图2是在多址通信系统中使用传统正交码的发射机和接收机的方框图。图3给出了多址通信系统中图1和图2的发射机和接收机的信号波形图。
参照图1，发射机包括：正交码发生器(Orthogonal Code Generators，OCGs)10，它和信道一样多，用于对各信道上的信息数据输入0-m提供不同的正交码。这里，正交码可以是Walsh、Hadamard或Gold码。和信息数据输入一样多的混频器11中的每个把相应的信息数据与一个相应OCG 10产生的正交码混频。加法器12把从各混频器11接收的混频数据相加。伪噪声序列发生器(pseudo noise sequence generator，PNSG)13产生PN(伪噪声)序列，用于产生扩频信号。混频器14将加法器12的输出与PN序列混频，从而产生扩频信号。调制器15将从混频器14接收的信号调制为RF(Radio Frequency，射频)信号。功率放大器16放大从调制器15接收的RF信号的功率，经过天线17输出被放大的信号。
参照图2，接收机具有接收放大器21，用于放大从天线20接收的RF信号。解调器22解调从接收放大器21接收的信号。PNSG 23产生PN序列，用于解扩(despread)扩频信号。混频器24把解调器22的输出和PN序列混频，从而产生解扩信号。与信道一样多的OCGs 28产生不同的正交码。正交码可以是Walsh、Hadamard或Gold码。混频器25和信道一样多，每一个都用来混频相应信道的数据和相应的OCG 28产生的正交码。积分器26积分从混频器25接收的数据，以输出各信道信息数据0-m。
图1和图2的发射机和接收机如图3显示的那样被操作。假定输入信息数据是两个信道ch1和ch2，并且正交码是表1所给的Walsh正交码。
(表1)
| W(0) | +1 +1 +1 +1 |
| W(1) | +1 -1 +1 -1 |
| W(2) | +1 +1 -1 -1 |
| W(3) | +1 -1 -1 +1 |
参照图1、图3和表1，信道ch1和ch2上的信息数据0和1分别是信号311和312。混频器11混频信息数据0和Walsh码W(0)，产生信号313(ch1xW(0))，混频器11混频信息数据1和Walsh码W(1)，产生信号314(ch2xW(1))。加法器12把信号313和314相加，并产生信号315(ch1xW(0)+ch2xW(1))。混频器14用PN序列扩展信号315，调制器15将扩展信号调制为RF信号。
参照图2和图3和表1，混频器24把经过接收放大器21和解调器22从发射机接收的RF信号和PN序列混频，输出解扩信号315(ch1xW(0)+ch2xW(1))。然后用于恢复信道ch1输出的混频器25把信号315与Walsh码W(0)混频，输出信号321({ch1xW(0)+ch2xW(1)}xW(0))，信道ch1的积分器26对信号321积分，恢复出信道1的信息数据0，即信号322。用于恢复信道ch2输出的混频器25把信号315与Walsh码W(1)混频，产生信号323({ch1xW(0)+ch2xW(1)}xW(1))，信道ch2的积分器26对信号323积分，恢复出信道ch2的信息数据1，即信号324。
当发射机在传统的扩频多址通信系统中同步发射多个信道时，每个信道应通过不同的正交码加以区分。即从一组正交码中选出一个唯一的正交码，分配给每个信道，以区分各个信道。这种扩频多址要求与信道一样多的正交码，并在频谱上的功率密度分布不均匀。
本发明的目的是提供一种扩频多址通信设备和方法，其中，为了区分各个信道，在发射机/接收机中，每个信道被指定一个正交码序列的跳变图案(hopping pattern)。
本发明的另一个目的是提供一种扩频多址通信设备和方法，其中，每个信道由双正交码的跳变图案来区分，该双正交码跳变图案是通过乘以根据预定的规则从一组双正交码中选择的双正交码而形成的，以便保证加密通信。
为了实现上述目的，提供一种使用正交码跳变多址(BOCHMA)的通信设备。在该设备中，为区分各个信道，发射机根据每个信道预定的跳变图案，跳变从一组双正交码中选出的双正交码，将跳变的双正交码与相应信道的数字信号进行混频，并把各信道的混频信号相加。接收机从发射机接收相加的信号，并跳变与相应信道的发射机中同样的双正交码，恢复各信道的数字信号。
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是传统使用正交码的扩频多址通信系统中的发射机的方框图；
图2是传统使用正交码的扩频多址通信系统中的接收机的方框图；
图3示出信号波形，用于在描述传统使用正交码的扩频多址通信系统的特性时参考；
图4是根据本发明的实施例使用双正交码的扩频多址通信系统中的发射机的方框图；
图5是根据本发明的实施例使用双正交码跳变的扩频多址通信系统中的接收机的方框图；
图6示出Walsh码作为用于双正交码跳变的正交码；
图7示出Hadamard码作为用于双正交码跳变的正交码；以及
图8示出根据本发明的实施例使用双正交码跳变的扩频多址通信系统中的信号波形。
使用正交码跳变多址(OCHMA)允许每个信道不是乘以固定的正交码，而是根据跳变图案乘以不同的正交码，并保持彼此的正交性。如果一个通过正交码跳变扩展的信号没有乘以PN序列，或一个线路窃听器(wiretapper)获得一个基站的PN序列，并从通过正交码跳变扩展并乘以PN序列的信号中除去PN序列，则OCHMA会有下面的问题。
当线路窃听器知道发射机使用的正交码长度和种类、以及每个正交码的起始和终止点，则虽然正交码跳变图案不知道，只要窃听者能将每个正交码精确解密为码片(chip)，尽管经过正交码跳变，窃听者可以通过检查正交码的多个特定码片，查找到乘以正交码前的被编码的信道数据。
Walsh和Hadmard码各自的结构分别在表2和表3中列出。
(表2)
| W0 | +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 |
| W1 | +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 |
| W2 | +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 |
| W3 | +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 |
| W4 | +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 |
| W5 | +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 |
| W6 | +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 |
| W7 | +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 |
(表3)
| H0 | +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 |
| H1 | +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 |
| H2 | +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 |
| H3 | +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 |
| H4 | +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 |
| H5 | -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 |
| H6 | +1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 |
| H7 | +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 |
| H8 | -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 |
| H9 | +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 +1 -1 |
| H10 | +1 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 -1 |
| H11 | -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 -1 +1 -1 |
参照表2和表3，可以产生一个长度为N的正交码，使得在正交码中编号相同的码片有相同的值，如在表2中第一个码片标记为黑体的各个+1。在表3中标记为黑体的第一个码片的符号不同的情况下，通过将带下划线的正交码的码片乘以-1，符号可以变成相等的，从而改变了每个码片的符号，同时保持下式给出的码的相互正交性。
在上面的例子中，通过决定第一个码片的符号，正交码可以被解密。因此期望形成正交码对(pairs)，其中在任何码片中，每个正交码与该对(pair)的另外一个码有不同的值。
在本发明的一个实施例中，提供使用双正交码跳变的通信设备和方法，在任何情况下将可以提供通信安全性。
图4是根据本发明的实施例使用双正交码跳变的通信设备中的发射机的方框图。
参照图4，跳变控制器400产生跳变控制信号，用于根据相应信道预定的图案，跳变从一组正交码中选出的正交码。跳变控制信号和发射信道一样多，它由跳码(hopping code)产生信号和跳码选择信号组成，用于根据每个信道预定的图案，跳变从一组双正交码中选出的双正交码。数字信号源(digitalsignal sources)410的数目也与信道的数目相等。
在和数字信号源一样多的跳码器(code hoppers)420的每个中，OCG 421产生正交码OC(Hx)(x是信道号)，该OC(Hx)对应于一个从跳变控制器400接收的信道的跳码产生信号。乘法器422将正交码OC(Hx)乘以-1，产生码/OC(Hx)作为OC(Hx)的补码。切换开关423根据从跳变控制器400接收的跳码选择信号，有选择地输出正交码OC(Hx)或/OC(Hx)。混频器424把数字信号源410与从切换开关423接收的正交码混频。
加法器430把从跳码器420接收的各信号相加。扩展器(spreader)440包括用于产生扩展发射信号的PN序列的PNSG 441、和用于将加法器430的输出和PN序列混频的混频器442。发射单元450包括调制器、滤波器和放大器，用于把要发射的信号作为RF信号输出。
图5是根据本发明的实施例使用双正交码跳变的通信系统的接收机的方框图。
参照图5，接收机单元510包括解调器、滤波器、放大器，用于把输入的RF信号作为基带信号输出。解扩器(despreader)520具有：PNSG 521，用于产生解扩接收到的扩展信号的PN序列；和混频器522，用于把接收单元510的输出与PN序列混频，并产生解扩信号。
跳变控制器500根据预定的跳变规则，产生用于提供正交码的跳变控制信号，来恢复数字信号的信道。跳变控制信号与发射信道一样多，由跳码产生信号和跳码选择信号组成，用于根据每个信道预定的图案，跳变从一组双正交码中选出的双正交码。跳变控制信号与在发射机中由跳变控制器400产生的信号是一样的。即对一个特定的信道，跳变控制器400和500产生相同的跳变控制信号。
在与数字信号目的地(digital signal destinations)540一样多的解跳码器(code dehoppers)530的每一个中，OCG 531为从跳变控制器500接收的信道产生一个与跳码产生信号对应的正交码OC(Hx)。乘法器532把正交码OC(Hx)乘以-1，产生作为OC(Hx)补码的码/OC(Hx)。切换开关532根据从跳变控制器500接收的跳码选择信号，有选择地输出正交码OC(Hx)或/OC(Hx)。混频器534把解扩器520的输出与从切换开关533接收的正交码混频。积分器535积分混频器534的输出，从而恢复数字信号的信道，并将它们输出到各自的数字信号目的地540。
图4的发射机在单个通信信道上同步发射多个数字信号，图5的接收机从多个输入信号中选出期望的信号。在本发明的实施例中，发射机和接收机使用双正交码跳变图案来区分各个信道。给出使用在OCHMA中的一组正交码为{OC(1)，OC(2)，OC(3)，...，OC(N)}，与该正交码组对应的一组双正交码是{OC(1)，/OC(1)，OC(2)，/OC(2)，OC(3)，/OC(3)，...，OC(N)，/OC(N)}，这里/OC(N)代表OC(N)的补码，即对应于OC(N)的反相输出。
图4的发射机设有和信道一样多的跳码器420，每个跳码器420将相应信道的数字信号源乘以根据从跳变控制器400接收的跳变控制信号而产生和选择的正交码，从而区分开各个信道。解跳码器530产生的正交码和相应信道发射时所乘以的正交码是一样的。即跳变控制器400和500为同一信道产生相同的跳变控制信号。
图6和图7示出跳码器420中产生的示例性的正交码。从图6和图7给出的正交码看出，要被混频的正交码通过相同的跳变控制信号来选择，该跳变控制信号是根据发射机和接收机之间的预定从跳变控制器400和500输出的。这里，使用在发射机中的两个跳变图案在特定时间不应包括相同的正交码，以避免它们的冲突。
图8示出信号的波形，用于在描述使用BOCHMA的通信设备的工作特征时参考。假定输入信息数据是两个通道ch1和ch2，如下表4所示的Walsh码用作正交码。
(表4)
| W0 | +1 +1 +1 +1 | /W0 | -1 -1 -1 -1 |
| W1 | +1 -1 +1 -1 | /W1 | -1 +1 -1 +1 |
| W2 | +1 +1 -1 -1 | /W2 | -1 -1 +1 +1 |
| W3 | +1 -1 -1 +1 | /W3 | -1 +1 +1 -1 |
参照图4、图5和表4，信道ch1上的信息数据0和信道ch2上的信息数据1分别是信号811和812。信道ch1的正交码以W(0)、W(1)、/W(3)和W(2)的顺序跳变，信道ch2的正交码以W(1)、/W(2)、W(2)和W(1)的顺序跳变。这里，一个正交码可以在一个信道中出现2次。跳变控制器400输出用于产生和选择上面所指定的双正交码的跳变控制信号。
然后，信道ch1的跳码器420以W(0)、W(1)、W(3)和W(2)的顺序从跳变控制器400中接收跳码产生信号、和用于以1101的顺序切换的跳码选择信号。跳码器420中的OCG 421产生正交码W(0)、W(1)、W(3)和W(2)，切换开关423在正交码W(3)的位置选择乘法器422的输出。因此，混频器424接收到一个包括W(0)、W(1)、/W(3)和W(2)的跳变的正交码H0。另一方面，信道ch2的跳码器420以W(1)、W(2)、W(2)和W(1)的顺序从跳变控制器400中接收到跳码产生信号、和用于以1011的顺序切换的跳码选择信号。跳码器420中的OCG 421产生正交码W(1)、W(2)、W(2)和W(1)，开关423在前一正交码W(2)的位置选择乘法器422的输出。因此，混频器424接收到一个包括W(1)、/W(2)、/W(2)和W(1)的跳变的正交码H1。
然后，混频器424把信息数据0和跳变的正交码H0混频，产生信号813(ch1xH0)。它也把信息数据1与跳变的正交码H1混频，产生信号814(ch2xH1)。加法器430把信号813和814相加，产生信号815(ch1xH0+ch2xH1)。混频器442把信号815与PN序列混频，发射单元450把从混频器442接收的扩展信号转换为用于发射的RF信号。
频谱解扩器(spectrum despreader)520把从发射机通过接收单元510接收的RF信号与PN序列混频，产生解扩信号815(ch1xH0+ch2xH1)。应该注意的是，跳变控制器500应该产生与来自跳变控制器400同样的跳变控制信号。即发射机和接收机对一个信道使用同样的双正交码。
这样，信道1的切换开关533输出跳变的正交码H0，信道2的切换开关533输出跳变的正交码H1。然后，信道ch1的混频器534把跳变的正交码H0与从解扩器520接收的信号815混频，产生信号821((ch1xH0+ch2xH1)xH0)。信道ch1的积分器535积分信号821，恢复信道ch1的信息数据822。信道ch2的混频器534把跳变的正交码H1与从解扩器520接收的信号815混频，产生信号823((ch1xH0+ch2xH1)xH1)。信道ch2的积分器535积分信号823，恢复信道ch2的信息数据824。
如上所述，在本发明的实施例中，BOCHMA对于每个正交码用同样的扩频增益产生两种可选择的码，因此可以防止线路窃听，并改善通信安全性。
尽管本发明是参照其特定的实施例来详细描述的，但它只是示例性的应用。因此，应该理解，在本发明的范围和精神内，本领域的技术人员可以作许多变更。
Claims (7)
1、一种使用双正交码跳变多址(BOCHMA)的通信设备，包括：
发射机，包括跳变控制器，用于为使各个信道彼此区别开，根据每个信道的预定跳变图案，产生从一组双正交码中选出的双正交码；
混频器，用于把跳变的双正交码与相应信道的数字信号混频；和
加法器，用于把各信道的已混频信号相加；以及
接收机，用于从发射机接收相加的信号，其包括跳变控制器，用于跳变与相应信道的发射机中同样的双正交码；和
用于恢复各信道的数字信号的装置。
2、如权利要求1所述的设备，其中发射机与发射信道的数目一样多，每个发射机还包括：
多个正交码发生器，用于为每个对应信道产生正交码，这些正交码是从一组正交码中选出、并根据预定跳变图案跳变的；
改变从正交码发生器接收的各比特的符号并产生双正交码的装置；
多个切换开关，用于根据预定选择信号选择正交码发生器的输出或符号改变的正交码；
多个混频器，用于把输入信号与切换开关的输出混频；以及
加法器，用于把各混频器的输出相加，并且
接收机与接收信道的数目一样多，每个接收机还包括：
多个正交码发生器，用于为每个对应信道产生正交码，这些正交码是从一组正交码中选出、并根据预定跳变图案跳变的；
改变从正交码发生器接收的各比特的符号并产生双正交码的装置；
多个切换开关，用于根据预定的选择信号，选择正交码发生器的输出或符号改变的正交码；
多个混频器，用于把输入信号与切换开关的输出混频；以及
多个积分器，用于通过对混频器输出进行积分来恢复输入信号。
3、如权利要求1或2所述的设备，其中
发射机中的每个还包括：
与发射信道数目一样多的多个跳码器，用于在跳变控制器的控制下产生双正交码；
扩展器，用于把各加法器的输出与伪噪声码混频；
所述接收机还包括：
解扩器，用于把输入信号与伪噪声码混频；以及
多个跳码器，用于在跳变控制器的控制下，产生以与跳变的双正交码和所接收信号混频的相同方式跳变的双正交码，并恢复数字信号。
4、一种使用双正交码跳变多址(BOCHMA)的通信方法，包括步骤：
(1)为使各个信道彼此区别开，根据各个信道的预定跳变图案产生从一组双正交码中选出的双正交码，把跳变的双正交码与各信道的数字信号混频，并在发射端输出所混频的信号；以及
(2)接收包括多个信道信号的信号，以与发射端中同样的方式跳变从一组双正交码中选出的双正交码，并在接收端恢复数字信号。
5、如权利要求4所述的方法，其中步骤(1)包括以下步骤：
(3)在发射端中，把各跳码的信号相加；
(4)在发射端中，把加法器的输出与伪噪声码混频；
(5)在接收端中，用伪噪声码解扩输入信号；以及
步骤(2)还包括下列步骤：
(6)把解扩信号与跳变的双正交码混频。
6、如权利要求4或5所述的方法，其中步骤(1)包括以下步骤：
根据相应信道的预定跳变图案，从一组正交码中产生正交码；
通过改变正交码的符号来产生双正交码；
有选择地输出正交码和符号改变的正交码；以及
把相应信道的输入信号与被选的正交码混频。
7、如权利要求5或6所述的方法，其中步骤(6)包括以下步骤：
根据相应信道的预定跳变图案，从一组正交码中产生正交码；
通过改变正交码的符号来产生双正交码；
有选择地输出正交码和符号改变的正交码；
把解扩信号与被选的正交码混频；以及
通过积分混频的信号来恢复输入信号。
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1998
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