CN1222142C - 利用格雷互补序列调制的扩频数字通信的方法、通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的方法、发射器和接收器。在发射器(1)中，通过用Golay互补序列对来对所述信息位进行编码，从而扩展发射系统的频谱。在所述接收器(2)中接收所述频谱，其中，所述频谱通过适于所述序列的特征的滤波器，使得可能检测对应于原始发射信息的数字电平。如果有η个正交序列对，就用A幅度调制所述数据和N-PSK调制，这样就可以获得如下发射速率(c)：C＝(1/2)·η·log₂A·log₂N·(B/2) 比特/秒式中，B是扩展了的空对空的带宽，单位为赫兹。这可以相对于使用扩频技术和CDMA的其它数字通信系统而言，提高了通信质量，并且获得与发射速率无关的处理增益。

Description

利用格雷互补序列调制的扩频 数字通信的方法、通信系统

发明领域

本发明涉及调制和解调技术，具体地说本发明涉及一种通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统和方法。

背景技术

由于其对噪音和干扰的抗扰性特性，扩频概念被开发来用于军事通信。它的原理是基于使用具有类似于噪音的某种特性的某个二进制序列，和能识别所述序列的，能够将其作为信号来检测的接收器。同样的，由于它在检测物体时有较好的分辨率，通过二进制序列对信号的压缩也可用于雷达、声纳和回声深度记录器的应用中。然而。近年来，它广泛地应用于空间技术和民用(civil)通信中，诸如移动电话、DS-CDMA(直扩码分多址)、无线电话接入回路、因特网接入、无线局域网、外层空间通信，等等。因为序列的自相关性(auto-correlation)和互相关性(cross-correlation)适于这种类型的应用，所以所有这些都是基于通过使用适于这种类型应用的序列的数字调制的。因此，国际性组织(IEEE、UIT等等)已经开始规范化和标准化调制体系，这种调制系统能够方便地使用某种序列来调制所发射的二进制数据，并因此获得使其能够使用(除了别的以外)某种用于工业、科学和医学应用(ISM波段)的，且对其使用和开发不需要任何类型的管理许可的保留频率的特性。对在同样的带宽上尽可能多地发送这种信息的需要，使得电信工业开发使用发射信息的IEEE 802.11标准来开发商业应用，商业应用通过使用诸如11比特Barker(为获得10.4dB的最小处理增益)或5比特Walsh，和使其能达到11Mbps的传输速率的不同的调制技术(BPSK、QPSK、MBOK、QMBOK等等)的二进制序列，获得速度日益增高的无线和局域网来传送信息。这个标准使其能在所谓的2.4GHz波段中的，三个具有22MHz空对空(null-to-null)的带宽的频带中工作。

同样，需要可靠的发射方法来用于在宇宙飞船和地球上的基地之间进行称为外层空间的通信，允许由于需要限制飞船的发射设备的发射强度，和由于在接收所述信号的时候的降低了的信噪比的大的处理增益通信。

在本发明的应用中(见图1)，编码序列(Barker，PN，Walsh，等等)的长度既决定了处理增益，又决定了使用的带宽。一般来说，如果我们要尝试增加处理增益，发射速率就将降低，这就是为什么总是对这两个参数进行折衷的原因。可以通过增加调制相位的数量来增加发射速率，然而，在接收期间，随着信噪比的降低，对这种技术的限制也就增加了。

根据上面的说明，可以得出如下结论：需要一种扩频数字调制技术，它一方面能够增加发射速率，另一方面可以获得更大的处理增益，从而可能降低所需的发射功率，或在接收期间改善信噪比，并同时降低现有调制表的复杂度。

没有任何已知的专利和实用新型的特征与本发明的目的相同。

发明内容

本发明使用成对的格雷(Golay)互补序列，以通过扩频和调幅二进制数据的DS-CDMA，结合数字通信系统中广泛使用的N-PSK调制来进行调制。

本发明中使用的序列的特征是：与具有副瓣的Barker序列比较而言，Golay序列具有理想的自相关的特点，也就是说，它们对应于完美的Kronecker增量，因此它们满足：

$C_A\left[n\right]+C_n\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}2M,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.$

式中，C_A和C_n是所选Golay互补序列对中的A和B序列的单独的自相关，长度为M；且其值属于双值集合(bi-value set)(1，-1)。

这些序列的生成(generation)基于迄今已知的称为2，10和26比特的核基(kemel basics)(在M.J.E.Golay所写的，发表于IRE信息交换理论，1961年四月刊，卷IT-7，82-82页的，名为“互补序列”的文章中，讨论了Golay序列生成的规则)。

本发明的通信系统的目标是，根据所用设备和可用带宽以及可接受的差错率，能够建立物理的端对端或端对多点的发射速率连接。

这由两个装备或设备组成：一个是发射器，另一个是接收器。

发射器装备用于执行下述任务：

●接收数据，并生成对应于每个(m)比特组的信号，(m)比特组是所选长度(M)的Golay序数(η)、每码元幅度(A)、用于调制的相位数(N)和满足系统所需质量的处理增益的函数。

●执行对不同相位的相加，以生成N-PSK调制，并由此生成发射信号。

●例如通过RF级和天线，向发射器装置发射复合信号。

接收器装备用于执行下述操作：

●解调N-PSK信息，并抽取每个不同相位的成分。

●将抽取出的成分与和与它们相应的互补对或Golay码进行适配、滤波和相关。

●计算出相关性，并因而获得数字电平的原始数据流。

●执行电平解码，以获得原始数据。

这种方法的第一优点是，能够获得将在后面看到的、与发射速率无关的、所希望的尽可能大的处理增益，而仅需通过增加所选Golay序列的长度，由于这种原因，在接收时就不需要用高的发射功率来获得高的信噪比。在这种情况下，处理增益(单位为分贝)如下式定义：

GP＝10log₁₀(2M)dB    (1.1)

式中，M对应于在调制中使用的Golay序列的长度。在希望低发射功率(便携终端、宇宙飞船和通信卫星)、在长距离(外层空间发射)上进行通信的应用中，和在敌人进行干扰或需要对发射信号进行加密，以保证通信的安全和质量的军事应用中，这个特征是非常重要的。

此外，使用这种方法，还能够通过使用η个不同的低互相关Golay序列，在信道上的相同波段中同时发射信息流，因此，这使得η个通信子网能在相同波段中工作，或使发射速率增大与η成比例的倍数。

同样地，如果通过在对入口数据调幅之前执行A幅度放大，发射速率可能增加的更多。

因此，通过前面的描述可以得出，在使用这种方法的扩频通信系统中，可以获得的发射速率，或容量(C)为：

C＝η·log₂A·(1/2)·log₂N·(B/2)η比特/秒    (1.2)

式中，B(赫兹)是使用的空对空的带宽，N是在调制中使用的相位数(4的幂)，A是在二进制数据编码中使用的放大倍数，和η是所使用的Golay互补序列对的数量。在前面的表达式中，可以看到，C与M无关。

因此，所描述的发明制定了一种用于当存在对发射功率的约束，或仅仅是希望在不降低发射功率的情况下改善通信质量时用于扩频应用(如DS-CDMA，敌对环境)强有力的通信系统。

附图说明

图1显示了本发明扩频系统的基本发射技术，具体地说，是11比特Barker序列，其通过异或功能执行对原始数据信号的频谱扩展。可以看到，比特频率比用于Barker序列的低11倍，这就使得可以获得10·log₁₀(11)≈10.4dB的处理增益。

图2显示了发射方法的基本构成图，和使用N＝4的这种方法的发射器的可能的应用。二进制数据(1)以ηxm比特组进入发射器。每i个m比特组在标记(3)处乘以对应于BMB i的Golay序列A和B(2)。每个乘法器的结果在移位寄存器(4)内，在每个相位和每个元素中独立地累加，并右移，以等待下一个信号。

对每个BMB的移位寄存器的输出值进行求和，通过将其结果与(例如)正弦和余弦码元(6)进行相位和正交调制。其结果发送到常规的发射级(7)。

图3显示了接收方法的基本构成图，具体地说，是使用N＝4的这种方法的接收器的一个例子。通过4-PSK解调来减少相位，获得一个同相信号和另一个正交信号(在1中)。对所获得的模拟同相(I)和正交(Q)信号进行量化，并引入所有的BDB中，再将两者的结果与相应的原始序列(2)进行相关，两个流的和为我们提供了与解调了的各个m个原始比特的子组数据相应的幅度编码信号。多路复用器模块(4)管理对比特的解码和安排过程，以复原原始的数据流。

图4对应于调制过程的可能的实施例。为了简单起见，只显示了实施例的第1个相位。相位Q是完全相同的，但是用互补序列来调制。因此，只显示了一个Golay寄存器(1)、一个累加器和移位寄存器(2)和一个乘法器(3)。

优选实施例

下面显示了应用于端对端的开放空中无线通信系统的，使用这种方法的可能的实施例。为了清楚起见，在图2中给出了QPSK发射器(N＝4)，其通过η个Golay序列执行数据调制，通过A幅度进行调幅。因此，通过应用公式(1.2)，发射速率为：

C＝η·log₂A·(B/2)比特/秒     (1.3)

根据上面的解释，起点是一般通过我们用A幅度和4 Q PSK相位(4-PSK)进行调幅的2xη个二进制寄存器(值为1和-1)在发射器中生成和存储M比特的一系列η对Golay序列。同样在图2中，详细地显示了组成发射器的一个基本调制器模块(BMB)。

发射器执行下述操作，其中R是码元发射速率：

(1)编码：以ηxmxR比特/秒接收NRZ数字数据。对接收到的数据编码，并分成η个m＝log₂A的比特组。每个BMB并行处理一个m比特组，因此，系统将每个码元发射ηxm比特。每组中权重最高的位对应于符号位，权重较低的m-1比特对应于模数(module)。

(2)Golay寄存器：由两个长度为M的二进制寄存器组成，其存储值属于集合(1，-1)的A和B互补序列对，它将调制由相应的BMB处理的数据。

(3)乘法器：包括两个乘法器，具有带有输入码元组集合中的相应组的算术值的BMB的Golay序列A和B对的符号(最高权重位)。

(4)双重累加器和移位寄存器：执行对乘法器的运算结果与双重移位寄存器(上路径用A，内路径用B)的内容的求和运算，并且在每个码元循环中进行寄存器右移，更新寄存器，将最左端用相同的零值填充。移位寄存器由存储信号值的基本元件构成，因此，必须标出(demension)在所述寄存器的每个元件中使用的比特数(η)，以避免在累加操作中产生溢出。因此，对路径A和B中的每一个来说，移位寄存器中的元件数必须等于或大于M。

(5)加法器：对对应于每个BMB的每个移位寄存器的输出数据进行求和运算，从而获得之后进行调制的全部I_T和Q_T信号。

(6)QPSK调制器：通过将加法器的退出信号(exit signal)与两个正交信号(例如，相位为φ0(经I_T)的正弦信号和另一个正交φ0-∏/2(经Q_T))相乘，并每个相位相加，来调制加法器的输出信号，从而获得QPSK的发射信号。

(7)输出级：包括D/A转换器和常规射频级，例如，向发射装置发送信号。

图3显示了N＝4的接收器的例子的构成图，它由η个在同一图中详细显示的基本解调模块(BDB)构成，接收器的结构包括下述模块：

(1)QPSK接收器：放大RF输入信号，并且如果需要，将信号转换成中频(IF)信号，获得相位信息，并使其能够解调和复原到对应于相位φ0和φ0-∏/2的不同的同相I和正交相Q流。对I和Q信号进行数字化，并将它们的输出传到相关器模块。这个模块对于所有的BDB是通用的。

(2)Golay相关器：使接收到的不同流能够与和它们相应的Golay序列进行相关。通过将序列归一化在+1到-1之间，简化相关性操作为执行加法和减法运算。

(3)加法器和减法器：对相关进行两两加法运算，因此，其结果就是原始的调幅数据。它们被设限(thresholded)，并且被转换成以每个模块的输出的码元速率生成的二进制数据。

(4)解码器：对应于以ηxmxR比特/秒的速率发射的有序数据，对数据流中接收到的η个组进行分组。

这两种装置共同组成了发射系统。

Claims (12)

1.一种用于通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，所述通信系统允许通过通信信道进行发射信息，且利用N-PSK调制的Golay互补序列对调制的二进制数据和它的在幅度上的扩展频谱进行编码，所述通信系统由如下部件组成：

发射器装置，其至少包括如下器件：

编码器，用于接收数字数据，以m个比特为一组将所述数据分成η组，并且利用A＝2^m的幅度数进行编码，从而形成单一幅度调制码元；

由两个长度为M的寄存器组成的Golay寄存器，用于存储Golay序列集；

乘法器，将每一个幅度调制的码元乘以所述存储的Golay序列；

双重累加器，用于对所述乘法器的结果进行算术求和；

移位寄存器，其由存储信号值的基本元件组成，用于在每个码元循环中进行寄存器右移，将最左端用相同的零值填充；

加法器，将对应于每一个移位寄存器的输出的数据单独地累加；

QPSK调制器，用于对所述加法器的输出信号进行调制，获得传输信号和QPSK信号；

输出级，其由两个子级形成，包括D/A转换器和常规射频级；和

接收器装置，其至少包括如下器件：

QPSK接收器，用于放大来自所述输出级的RF和IF信号；

解调器，用于复原处于I相和Q相的不同数字化流；

Golay相关器，用于将接收到的不同数字流与它们相应的Golay序列进行相关；

加法器，用于对应于每一个Golay相关器的输出，独立地对所述数据进行相加；和

解码器，将接收到的η个组进行分组。

2.如权利要求1中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，所述通信系统生成η个低互相关的二进制Golay序列，它对入口数据进行编码，然后编码数据又被通过A幅度进行幅度调制。

3.如权利要求2中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置使用Golay互补序列和符号改变的相同序列来生成用于扩频应用的二进制序列，以表示和发送每个码元间隔的至少一比特信息。

4.如权利要求2中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置使用Golay互补序列和符号改变的相同序列来生成用于扩频应用的二进制序列，并且按照发射码元中的改变的或未变的符号和位置来增加它们。

5.如权利要求2中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置生成用于扩频应用的二进制序列，能够将幅度调制的Golay互补序列乘以A幅度值，其表示所述数字输入，使可以将幅度每个码元间隔中的所述信息比特数量乘以m＝log₂A。

6.如权利要求2中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置生成用于扩频应用的二进制序列，以生成分贝值等于10log₁₀(2M)dB的处理增益，其中，M是所述所选Golay序列的长度。

7.如权利要求6中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置的双重累加器和移位寄存器为了获得不同的相位而对生成的序列的模式进行累加和移位。

8.如权利要求2到7中任意之一的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中所述发射器装置的加法器将在所述前面的阶段中生成的所有所述元素全部或以任意组合的形式相加，并获得将由所述N-PSK调制来调制的信号，并且它们由常规射频级发送到所述发射介质。

9.如权利要求8中的通过Golay互补序列调制进行扩频数字通信的通信系统，其中，所述发射器装置调制和发射以发射速率为C＝η·log₂A·(1/2)·log₂N·(B/2)比特/秒的数据流的信息，其中，η是所使用的Golay对的数目，A是所使用的、用于调制所述输入数据的幅度的数目，N是4的幂数，也是在所述调制中使用的相位数目，B是在所述N-PSK调制中使用的空对空的带宽。

10.一种用于通过Golay序列进行调制的方法，其包括：

(a)对分成η个m＝log₂A比特组的所述二进制输入数据进行A幅度的幅度调制，将其引入η个基本调制器模块(BMB)中；

(b)在长度为M的二进制寄存器中存储所述η对长度为M的Golay互补序列，所述Golay互补序列的值范围在1和-1之中；

(c)产生带符号的每个m比特组，m比特组的符号对应于权重最高位，且其模数为余下的m-1比特，长度为M的每一个Golay互补序列对应于所述组，其将形成两个长度为M元素的I和Q相位；

(d)将包含在长度为M的双移位寄存器中的第一个实际的M值按照逐一元素与包含在前一级中的每一个相位的结果的相应的M个元素进行累加；

(e)在基本元素中的所述寄存器，向所述寄存器的所述M元素的移位-输出-在所述双寄存器的第一序位的所述基本元素中加入所述零值；

(f)为了获得所述全部I_T和Q_T相位，对在每个所述BMB的所述I和Q相位的输出处单独地获得的所述η值进行的所述求和运算；

(g)通过正交码元调制I_T和Q_T相位，和对两者进行求和运算以获得所述发射信号；

(h)向发射装置发射所述获得的信号。

11.如权利要求10中的通过Golay序列进行调制的方法，其中，在N-PSK接收的基础上进行相干或不相干的解调，其抽取出所述特殊的相位，并且将该相位与相应的每个相位的η个序列进行相关，并且累加它们，并通过幅度检测方法获得在始发处发射的二进制数据流。

12.如权利要求11中的通过Golay序列进行调制的所述方法，具有下列特征要素：

(a)适应和同步于所述接收到的信号，解调组成所述信号的所述正交相位，将所有这些插入到所述η个基本解调模块(BDB)中的每一个；

(b)通过相关、卷积或适应所述η对所述不同复原相位的Golay互补序列的过滤器的所述过滤过程；

(c)将对应于Golay互补序列的所述相同对的每两个相关性的结果求和η次，以获得用A幅度调制的信息流；

(d)解调所述η个用幅度调制的信息流e次，以获得η个m＝log₂A比特的组；

(e)多路复用所述组以生成所述原始数据流。

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