CN1308808A - 通过遭受脉冲串干扰的传输信道传输数字数据的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过遭受脉冲串干扰的传输信道(2)传输数字数据的方法,其中在接收机(3)中,在解调(7)之后通过考虑估测的信号品质来进行软判定解码(9)。为确定信号品质,可对一定数量的接收符号进行检测,看它们是否位于到构象点的预定距离之内。位于该预定距离之内的符号数可作为品质值被用于随后的解码。利用此方法生成带有突起(17.1到17.3)的特性曲线(16.1到16.3)。具有低干扰噪声电平的符号相对被高估,相反,具有高干扰噪声电平的符号相对被低估。

Description

通过遭受脉 冲串干扰的传输信 道传输数字数据的方法

技术背景

本发明涉及通过遭受脉冲串干扰的传输信道传输数字数据的方法，其中在接收机中，在解调之后通过考虑估测的信号品质来进行软判定解码。此外，本发明还涉及实现该方法的接收电路。

现有技术

电信的自由发展趋向于探寻是否有可能实现通过现有的线路和介质进行宽带传输，而这些线路和介质最初并不是为数据传输而设计的。特别是对供电网的利用引起了人们的兴趣，因为可以说所有的家庭都已经在该网上连接起来。换句话说：传输介质是现成的，只是还要采用适当的方法。

电力线的问题在于现有的强脉冲干扰(典型的是来自于开关操作过程)。其它干扰(回波、输入耦合等等)也阻碍了宽带信号的传输。强变化干扰也可能出现在无线信道中。

发明叙述

本发明的任务是，陈述一种开头所述类型的方法，它在有脉冲或脉冲串干扰时提供一种改进的检测。

该任务的实现方法通过权利要求1的特征部分进行定义。根据本发明，对接收质量的估测用一种特征曲线上有突起(或S形特征曲线)的电路来实现，该突起在低信噪比情况下能相对于线性特征产生过估测，而在高信噪比情况下能为信号品质产生相对的欠估测。

利用这种方法，在脉冲干扰情况下要考虑到如下事实，即干扰噪声电平可能在短时间内上升很多，而且符号估测的可靠性由此就相对很低。理论上为了进行解码，短而强的有错信号段被有选择地标示为“坏的”。

信号品质或信噪比是基于干扰过程在预定窗口内的方差而估测的。根据优选实施方案，该窗口的长度位于最短的预期干扰脉冲范围之内。由此可以实现，在出现干扰脉冲串时信号品质估测能尽快地产生反应。

经测量表明，在供电线上出现的干扰脉冲长度为从几百纳秒到几十微秒。在这种干扰环境中，已证明典型的窗口长度优选为3μs以下(如1μs)。在符号速率为15Ms/s时，最佳窗口长度至少约为N=15。太短的窗口长度会使信号品质估测的可靠性变坏。相反地，譬如在长度N=50时，则对短干扰脉冲的反应是令人不满意的。所以窗口长度应在N=3到N=25范围内，尤其是在N=5到N=15之间。

根据一个特别优选的实施方案，为了确定预定数量(与窗口长度相对应)的接收符号的信号品质，要检测它们是否位于到已有构象点(Konstellationspunkt)的预定距离之内。位于上述距离之内的符号数作为品质值被用于随后的软判定解码。

被用作阈值的距离的选择取决于调制方法和干扰脉冲的统计，在特殊情况下还取决于其它参数。在第一种近似法中可如此地选择该距离，使得在信噪比至少约为5dB时，从统计来看，每个窗口的大多数符号都位于到构象点的预定距离内。实验已表明，特性曲线的突起应在大约5dB以下。因此在0dB或其下所产生的符号估测被评定为“坏”的。相反地，在信噪比大于10dB时可进行可靠的符号估测。

对于BPSK调制方法(BPSK=二进制移相键控)，距离D=0.5为特别优选值。总的来说，使用该值可达到最佳的系统性能。当然其它值在原则上不是不适用的。

本发明的方法只对接收机产生影响。发射电路可用已知的方法实现。

在接收机中，在解调级和软判定解码之间插入一种根据上述方法估测符号品质的模块。估测出的品质值与符号估测值一起在随后的解码中被用来测定传输的符号。本发明的该模块用软件实现还是用硬件实现对本发明来说并不重要。

本发明进一步的优选实施方案和特征组合将由下面的详述和全部权利要求给出。

附图简述

为解释实施例而使用的附图示出了：

图1为解释本发明的方框图；

图2为本发明一个优选实施方案的示意图；

图3为不同距离D的特性曲线例子；

图4a到d为不同类型的干扰噪声脉冲情况下的性能描述；

原则上附图中相同的部分设有相同的标记。

本发明的实施方法

图1示出了发射机1和接收机3之间使用FEC编码(FEC=前向纠错)的传输示意图。数据源4的数字数据在编码器5中按一种已知方法被编码成符号，以便可在接收侧纠正传输错误。调制器6进行适应于传输信道2的调制。

传输信道2譬如由无线传输链路或配电网线路构成。我们的出发点是所述传输信道2附加有时变的干扰(干扰脉冲、干扰、回波等等)。在下面进一步的实施例中假定，最短的预期干扰脉冲长度在1μs(或更小)的范围之内。没有干扰脉冲时信噪比设定至少约为10dB。

在接收机3中，接收信号在解调器7(也可包括一个均衡器)中进行解调，并在解码器9中解码成为向信宿10发送的数据。解码器9涉及一种按已知原理工作的软判定解码器。本发明中最重要的是信号品质估测器8，它可确定从解调器7中估测出的符号的可靠性，并为软判定解码提供相应的可靠值。

附图2示出了信号品质估测器8的方框图。此处的前提是，在发射机1中产生一种构象已被固定预置的符号。这些符号通常是依次被传输的，但也可同时(譬如使用不同的频率)传输。在下面实施例的范围内是基于时间顺序的。

干扰噪声过程(也可称为干扰)在接收机中可看作是随机的。这种干扰被认为是脉冲串式或脉冲式的。由此，认为存在一种“普通”干扰噪声功率，且该干扰噪声功率不时地在短时间内上升到很高的值，此后再降回到所述的“普通”值。不仅干扰噪声功率的增加，而且其升高的持续时间都是随机的。

根据本发明，对每个传输的符号都测定干扰噪声功率。不失一般性，可认为信号功率是已知的(譬如在开始接收数据块时根据测量得出)。当然，寻求的不是干扰的瞬时功率，而是干扰噪声过程在给定时间上的方差。

干扰噪声功率估测基于的是一块或一窗口的N个相继的符号。窗口长度N是根据预期的干扰噪声过程而进行选择的。在信号品质恒定的情况下，更大的窗口长度带来更大的精确度，但对信号品质变化的反应却变慢了。在使用譬如符号速率(符号/秒)为15Ms/s的PLC(PLC=电力线通信)时，长度N=15被证明为优选长度。也就是说，最短的预期干扰脉冲在1μs的范围之内。若符号速率选择为譬如5Ms/s，则优选长度为N=5到N=7。

利用窗口测得的干扰噪声电平是为位于窗口中心位置的符号而使用的。当N是奇数时，信号品质估测的结果取决于(N-1)/2之前和(N-1)/2之后的解调符号以及取决于其品质适合于估测的符号。(长度N也可是偶数；但其估测方法由此是不对称的。但这对于本发明方法的性能没有负面影响。)

本发明最初是针对如下情况确定的，即信号功率基本恒定，而干扰噪声功率是变化的。当信号功率也是时变的，但比干扰噪声功率变化慢时，也可使用本发明，但需要在其中增加附加的计算费用以跟踪信号功率。

附图2中所示的确定品质值的方法可描述为非线性的FIR滤波器(FIR=有限脉冲响应)：

把被估测的符号si输入带有N个延迟元件11.1到11.N的写寄存器内。每个延迟元件11.1到11.N的输出传送到各个计算器12.1到12.N。计算器12.1到12.N确定每个符号到下一个构象点的距离。譬如在具有两个构象点+1和-1的BPSK调制情况下，首先要确定数值是大于还是小于0。在上述第一种情况下算出到构象点+1的欧几里德距离Di，在上述第二种情况下算出相应的到构象点-1的距离。

下一步在比较器13.1到13.N中为每个距离Di确定是否各自的距离Di都小于固定的预定距离D。如果比较器结果为肯定，即距离Di较小，那么在各自的比较器13.1到1 3.N的输出端输出值xi=1。

最后加法器14.1到14.N-1计算出所有值xi的和值。根据上述的实施可看出，作为结果的可靠值x的值域为[0,1,...,N]。

参数D是通过考虑调制和编码方法以及考虑预期的出错率来确定的。D应定义为与接收信号的振幅成正比。对单位振幅的实值双极性调制(BPSK)和1/2速率的卷积编码来说，优选值是D=0.5。

计算品质值带来了(N-1)/2的延迟。据此直接在解调器7和解码器9之间装入一个相应大小的延迟元件15。

在符号流的开头和结尾有必要采取特殊的措施。譬如，第一个符号没有先导。如果以0初始化丢失的xi，则第一对符号的品质估测值会偏低，相反，如果将它们初始化为第一个符号值，则该符号会偏高。

因此，根据一种优选实施方案，通过如下方法在符号流的开头和结尾缩短窗口长度，譬如对第一个符号只考虑它及其后的(N+1)/2个符号。对于第二个或倒数第二个符号，品质譬如是基于(N+3)/2个符号的值(也就是说，基于第一或倒数第一、第二或倒数第二个符号以及其后的(N+1)/2个符号)。在此要注意，品质估测器的结果应使用因子A/N进行标度(A代表写寄存器(延迟元件11.1到11.N)中有效符号的个数)。

另一种可能是，忽略品质估测器8的所有不基于N个有效符号的输出值。在这种情况下，最先和最后(N+1)/2个符号没有干扰过程的方差估测值。空位可譬如通过重复最先或最后的有效估测值来填满。

附图2的一般方框图可根据情况进行简化(譬如，当解调符号是实值且是双极性时)。但此处不再详细讲述该简化过程(因为它们对结果没有本质影响)。

在附图3中举例画出了本发明的三条不同的特性曲线(16.1到16.3)。在此需指出的是，三条特性曲线都是单调的。横坐标绘出信号品质估测器8的输出值，纵坐标绘出信噪比(SNR)。此处基于的是窗口长度N=15和BPSK方法。特性曲线16.1到16.3对应于不同的预定距离：D=0.25,D=0.50,D=0.75。每条特性曲线都带有一个本发明的突起17.1到17.3，该突起总是位于-5到+5dB的SNR之内。(该突起或S特征曲线使得输出信号的灵敏度在一定范围内对SNR的变化反应不太灵敏，这样的益处在于，测量干扰过程方差时的不准确性-亦即相对较短的窗口长度-并不紧要。)

S形特征曲线在低信噪比情况下(与工作点有关)相对于线性参考曲线(譬如，参照与特性曲线16.1相交的虚线18)将产生对信号品质的过估测，而在高信噪比情况下将产生对信号品质的欠估测。

在此需指出的是，本发明的方法尤其适用于信噪比在大约5dB到15dB的情况。应通过适当地选择距离参数D来安插特性曲线，使突起位于关键的SNR值范围内(调制和编码方法通常有一个小的关键SNR范围：在该范围之上性能很好，相反，在该范围之下性能不好)。若干扰噪声电平在短时间内上升很多，则“工作点”暂时地移到突起的下边或下侧。在根据附图3的边界条件下，特性曲线16.2是最适用的。

附图4a到4d示出了通过电力供电线并使用BPSK方法进行面向信息包的数据传输的仿真结果。数据速率确定为15Ms/s。为克服信道干扰采用了均衡器和卷积码。图中示出了有脉冲式(脉冲串式)干扰噪声时的信息包出错率。对带有本发明的品质估测和没有该品质估测时的性能进行了比较。滤波器长度N=15，且预定距离确定为D=0.5。

在所有的仿真中背景噪声是固定的(“普通”噪声)，并掺入预定长度的干扰噪声脉冲。横坐标均用dB给出干扰脉冲电平和背景噪声电平的比值。纵坐标绘出了信息包丢失率。用“+”标出的曲线示出了无本发明的品质估测时的性能，用“x”标出的曲线示出了使用本发明后的性能。

在附图4a中SNR为25dB，干扰脉冲长度为1μs。本发明的优点是明显的：在背景噪声上干扰脉冲电平超过35dB都是可忍受的。而在无本发明的品质估测时仅仅20dB的差另是可接受的。

附图4b同样基于的是SNR等于25dB。不过干扰脉冲长度为10μs。如预期的一样，带有和没有品质估测的性能都较差(相对于附图4a这时一共有更多的干扰)。但通过本发明还是达到了10dB的效果。

附图4c示出了SNR为25dB和干扰脉冲长度为50μs的情况。所有干扰噪声功率再次变得更大，且性能在两种情况下都变得更坏了。干扰脉冲太长以致于纠错编码不能补偿由干扰脉冲所产生的数据损失。在这种情况下通过本发明不能获得效果。

最后，在附图4d中基于的是SNR为15dB。干扰脉冲长度为1μs。使用本发明的品质估测又一次得到了更好的性能。(虽然，在干扰脉冲小到10dB和其以下时不能取得效果，但是在这种情况下数据传输的整体性能变好了，从而明显的差别不起作用。)

总之可以确定，通过本发明，可改进现有信号传输方法在传输信道有脉冲干扰时的性能。原则上本发明适用于任何采用FEC的线性调制方法，其中编码后的符号利用离散的、优选为少量的构象点来吻合。

Claims (10)

1．通过遭受脉冲串干扰的传输信道(2)传输数字数据的方法，其中在接收机(3)中，在解调(7)之后通过考虑估测的信号品质来进行软判定解码(9)，其特征在于，解调(7)之后的当前符号的信号品质由品质评估电路来实现，该电路的特性曲线(16.1)带有突起(17.1)或S特征曲线，该突起在低干扰噪声电平情况下能相对于线性特性曲线产生过估测，而在高干扰噪声电平情况下能产生欠估测。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于，信号品质是基于干扰过程在符号的预定窗口内的方差而估测的，其中该窗口的长度(N)位于统计上最短的预期干扰范围之内。

3．根据权利要求2的方法，其特征在于，对于通过供电线建立的传输信道，窗口长度(N)选择为3μs以下。

4．特别是根据权利要求1到3之一的方法，其特征在于，为了确定预定数量的接收符号的信号品质，检测它们是否位于到构象点的预定距离(D)之内，而且，位于预定距离之内的符号数作为品质值被用于随后的解码。

5．根据权利要求4的方法，其特征在于，如此地选择预定距离，使得在信噪比至少为5dB时，从统计学来看，多数符号都位于到构象点的所述距离之内。

6．根据权利要求2到5之一的方法，其特征在于，窗口长度为3到25个符号，尤其为约5到15个符号。

7．根据权利要求1到6之一的方法，其特征在于，选择BPSK作为调制方法，且在单位振幅方面把预定距离选择为0.5。

8．用于实施权利要求1所述方法的、带有解调器(7)和软判定解码器(9)的接收电路，其特征在于一种品质估测电路(8)，该电路的特性曲线(16.1)带有突起(17.1)，该突起在低干扰噪声电平情况下能相对于线性特性曲线产生过估测，而在高干扰噪声电平情况下能产生欠估测。

9．根据权利要求8的接收电路，其特征在于，所述品质估测电路(8)包括：用于确定预定数量的接收符号到各自下一个构象点的距离(Di)的装置，用于检测该距离是否小于预定距离(D)的装置，以及用于确定位于所述距离(D)之内的符号数的装置。

10．根据权利要求8和9之一的接收电路，其特征在于，解调器(7)构造为BPSK解调器的形式。

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