CN1437364B - 传输二进制信号的方法和接收该信号的装置 - Google Patents

Abstract

为了传输非等时、二进制源信号应用相位调制，在该调制中传输信号可以具有不同相位的四种状态。在源信号的每个变换时根据二个可能的运行顺序(1、2)之一传输信号变换为下一个和先前的状态。如果源信号在预定时间期间没有变换，则在下一个变换时根据源信号的当前值选择运行顺序，如此接收即可以确定当前值用于同步。该方法改善了传输的带宽效率。

Description

传输二进制信号的方法和接收该信号的装置

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前叙部分、传输或者接收二进制信号、也就是说具有二种可能状态的信号、特别是非等时信号的方法和装置。

背景技术

频移键控(FSK＝Frequency Shift Keying)是一个长期已知的异步调制方法，其具有大约0.7bps/Hz的描述的带宽效率，对此以现代的同步QAM或MC调制方法在同样抗干扰性的情况下达到大约3bps/Hz的效率。尽管FSK目前还用于特殊的应用，可是适合于非等时二进制数据、也就是说适合于不束缚于已有时钟的二进制信号。此外适合于点-多点传输，在较短符号长度数量级内有短的信号延迟时间以及在中断之后有短的恢复时间。

等时的、也就是说束缚于时钟的格式也可以用于传输非等时的数据。在ITU-T推荐标准R.111中记录一个适当的转换方法。可是通过该转换必须传输的数据传输率四倍冗余，以致再度降低带宽效率。

具有点-多点传输的系统包括一个总站和多个远程终端站，所有站经过同样传输信道连接。总站周期性与所有远程终端站彼此交换数据，其中数据包通常较小(例如仅仅10Bits)。在如此系统中一个重要的量是循环周期，也就是说总站需要的时间，以便与所有远程终端站交换一次数据。在数据包较小的情况下循环时间首先依赖于信号延迟时间和在从一个远程终端站变换到下一个远程终端站的情况下撤销与建立连接的时间。这些时间在已知的同步调制方法中显著低于在异步方法中、比如FSK。

发明内容

因此提出这个任务，提供一种开始所述形式的方法或者装置，该装置具有比FSK调制方法更好的带宽效率，尽可能不显著丧失该调制方法的上面提到的优点。

通过根据独立权利要求的方法和装置解决该任务。根据本发明也预先规定不同相位的至少三个状态，传输信号可以采用这些状态。此外通过这些状态预先规定至少一个运行顺序，其中在源信号的每个变换时传输信号的状态通常根据各自运行顺序变换到下一个状态。因此在状态的每个变换时接收机可以得出，信号从0变换为1或从1变换为0，其中借助于应用至少三个状态可以降低应用的带宽。因此接收机可以确定，是否信号变为当前的0或1，也就是说发射机和接收机同步，如果源信号在预定的最低时间期间没有变换状态，根据预先规定的规则在源信号的下一个变换时依赖于源信号的当前值或者变换为根据运行顺序的下一个状态或者变换为另一个状态。

对此利用，如果信号保持恒定长度，则提供自由带宽使用，以便传输源信号的当前值。接收机因此可以通过应用规则确定当前值。

如果预先确定n＞2个状态Z₀至Z_n-1，其相位拥有值0、2*pi/n、4*pi/n、...、(n-1)*2*pi/n，则得出提供使用的带宽的特别好的应用。如此在这种情况下运行顺序是，随着增加或随着下降的下标i循环运行这些状态Z_i。再度考虑带宽效率、主要如此选择规则，即以具有下标i的状态为出发点在源信号的下一个变换时依赖于源信号的当前值或者变换位具有下标(i+1)模n的状态或者变换为具有下标(i-1)模n的状态，其中运行顺序的运行意义例如也可以相反。

附图描述

从附属权利要求中和从根据图的如下说明中得出本发明的进一步扩展、优点和应用。

图1指出了必须传输的源信号和二个从中推倒出的分信号，

图2指出了必须传递传输信号的状态，

图3指出了发射机的第一部分，

图4指出了发射机的第二部分，

图5指出了接收机的第一部分，

图6指出了接收机的第二部分，

图7接收机中的信号曲线，

图8指出了必须传递的传输信号的八种可能状态。

具体实施方式

在第一步骤中根据图1描述根据本发明方法的实施。

图1的上面部分指出了必须传输的二进制源信号D。对此可能涉及等时或非等时信号，具有唯一的预定参数，即其符号时间不允许不超过预定的分辨周期T，也就是说在一个状态变换之后至少在分辨时间T期间源信号必须保持恒定。

在该方法的可能考虑方式中发射机的源信号D划分为具有一半数据传速率的二个分信号D_I和D_Q，其例如可能拥有值1或-1。为了产生分信号按照下面的规定进行：

1.如果在预定的最短时间T_M≥2·T内在状态变换之后源信号D重新改变，则在分信号D_I、D_Q之一的再度状态改变的情况下变换其值，也就是说这样的分信号，其在源信号的最后状态变换中保持不便。在这种情况下分信号交替改变其值。

2.如果在预定的最短时间T_M内在状态变换之后源信号D没有改变，则在源信号的下一个状态变换时始终改变同样的分信号、例如D_Q、独立于分信号D_I、D_Q的当前值并且独立于在最后状态变换时改变的分信号改变其值。

通过规定1保障，分信号D_I、D_Q的最高数据传输率至多为源信号D的数据传输率的一半。规定2允许发射机和接收机同步，这在另外的实施中阐述，否则分信号的数据传输率超过源信号D的最大数据传输率1/T的一半。

在发射机中分信号D_I和D_Q用于产生具有载波角频率ω的传输信号，其中

$s\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}*(D_I*\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-D_Q*\sin \mathrm{\ω}).---\left(1\right)$

在复数的表达方式中为

$s\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}*\mathrm{Re}\left[(D_I+j{D}_Q)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)\right],---\left(2\right)$

也就是说根据复数信号的的实数和虚数部分的分信号D_I、D_Q。

以另外的方式也可以通过在复述平面内的状态描述该调制方法。在这种考虑方式中根据等式(2)的传输信号s占有四个状态P₀、P₁、P₂和P₃，正如在图2中描述的，这些状态拥有相位π/4、3π/4、5π/4和7π/4。根据在图2中所画的运行顺序1或2，在源信号的每个状态变换时传输信号s从各自状态P_i过渡为下一个状态P_(i-1)模4或P_(i+1)模4。如果源信号D在预定最小时间T_M内在状态变换之后没有改变，则通过规定2确定运行顺序：如果源信号D的当前值为0，则下面以反时针方向选择运行顺序2一如果值为1，则下面在顺时针方向选择运行顺序1。

图3和4指出了一个产生传输信号的发射机。一个延迟节10和一个异或门11从源信号D的边缘中产生长度τ＜＜T的短脉冲。如果在二个相继脉冲之间的时间间隔大于T_M，则计时器12每次激活其输出端。由于计时器12的输出信号与触发器13的时钟输入端连接并且触发器13的数据输入端与延迟了τ的数据信号D连接，如果在T_M的时间间隔期间该信号没有改变，则该触发器存储源信号D的值。在13中存储的信号预先确定在触发器14和15中存储的分信号D_I和D_Q的时间顺序。触发器14和15的与异或门16和17的组合电路引起，如果激活触发器13的Q输出端，则D_Q的曲线跟随信号D_I。如果没有激活触发器13的Q输出端，则D_I的曲线跟随信号D_Q。

正如在图4中指出的能够从分信号D_I和D_Q中产生传输信号s(t)：二个转换器20和21把具有值1和0的逻辑信号转变为具有幅度A和-A的模拟信号，以低通滤波器22和23限制模拟信号的带宽。当二个信号在调制器26和27中与在振荡器24和25中产生的载频信号cos(ωt)和sin(ωt)调制之后，通过叠加带宽限制的信号产生传输信号s(t)。在经过传输信道传递时传输信号s(t)被延迟、干扰和失真并且到达接收机作为接收信号r(t)。

下面根据图5和6阐述，在接收机中从接收的传输信号r(t)中可以确定一个接收数据信号E，其中E理想应当与包括时间延迟在内与发射数据信号D刚好一致，由于传输信道和在发射机与接收机中的信号处理引起该时间延迟。为了解释清楚在图7中描述了接收机中最重要信号的信号曲线。

以传输信号r(t)为出发点，在图4中借助于载波发生器30以及调制器31首先从接收信号中清除载波频率ω。通过借助于二个低通滤波器32的频带限制获得基带信号x_B、y_B或者当前相位。后面的部件33例如通过估算公式

$w_i\left(t\right)=\frac{\∂}{\∂t}\arctan \left(\frac{y_B\left(t\right)}{x_B\left(t\right)}\right)=\frac{x_B*\frac{{\∂y}_B}{\∂t}-y_B*\frac{{\∂x}_B}{\∂t}}{{x_B}^2+{y_B}^2}.---\left(3\right)$

产生基带信号的当前值w_i(t)。

绝对值发生器34确定当前频率的绝对值|w_i|，其在比较电路35中与一个阈值Δw＜＜1/T比较。只要|w_i|＜Δw，借助于“采样和保持”存储器36取样基带信号x_B、y_B。如果超过阈值Δw，则在存储器36中保持已取样的值并且对于在接收机中的另外处理步骤作为参考信号x_R、y_R提供使用。

与传统的相位同步方法不同x_R、y_R的产生需要不长的同步序列并且因此特别适合于点-多点工作。

图6指出，怎样从基带信号x_B、y_B、参考信号x_R、y_R、取样控制信号sp和当前频率w_i中可以获得接收数据信号E。在计算器40中相对于参考信号校正基带信号的相位，其中按照下面的公式计算相位校正的信号x、y：

x＝x_B*x_R+y_B*y_R

y＝y_B*x_R-x_B*y_R

在绝对值发生器41和42中形成相位校正信号的绝对值|x|、|y|，并且在比较电路43中彼此比较。在|x|＝|y|的时刻相位正切(y/x)通过值±π/4或±3π/4并且比较器43形成的比较信号变换其状态，也就是说在当前相位值或者基带信号和参考信号之间的角度与阈值±π/4或者±3π/4比较。(在实际中在比较器43中实施的比较运算具有滞后，以便对传输的干扰运算。)

借助于延迟节44和异或门45比较信号的状态变换转换为长度为τ＜＜T的短脉冲，其经过与门46置于触发器47的脉冲输入端上和计时器48的输入端。只要该脉冲时间上小于修改的最小时间T_M`＞T<sub>M</sub>分开，则不激活计时器的输出端并且如此调整转换开关49，触发器47的数据输入端和反向数据输出端彼此连接并且因此触发器47在每个脉冲的情况下变换其状态。可是如果脉冲大于最低时间T<sub>M</sub>`分开，则计时器48的输出端变换为激活状态，并且转换开关49使比较器50的输出端与触发器47的数据输入端连接，如此在下一个脉冲时触发器存储比较器50的输出端的状态。如果跟踪参考信号x_R、y_R，也就是说只要激活信号sp，则可能在门电路45的输出端上的信号cp中出现不希望的脉冲。在信号eq中不再出现该脉冲，因为借助于倒相器51和与门46抑制该脉冲。

在比较器50中当前频率w_i与0比较，也就是说确定w_i的符号。接收的数据信号E是触发器47的输出信号，并且如果脉冲具有从至少T_M`到其模本的时间间隔，则因此与w<sub>i</sub>的符号一致。如果该间隔小于T<sub>M</sub>`，则数据信号变换其状态不必考虑w_i的极性。

在确定值T_M`时必须考虑，在传输干扰的情况下数据信号的边缘位置与未干扰的情况相比随机偏移。只要根据经验方法该偏移处于-0.3至+0.3T的范围内，则传输质量可以考虑为够用。必须传输的数据信号的二个边缘的时间间隔可以在足够传输质量的情况下通过传输扩大或缩小直到0.6T，如此对于T<sub>M</sub>`应当选择至少T_M+0.6T。

在根据图5和6的接收机中元件30-32形成一个相位检波器用于接收的传输信号r(t)的相对当前相位的检波。元件33-45形成一个变化检测器用于在传输信号的状态变化的情况下在相位改变时产生一个时钟信号。触发器47形成一个双稳态电路用于产生输出信号E并且通过相位检波器可以转换。如果相位的最后改变落后已修改的最小时间T_M`，计时器48形成一个停留识别用于产生同步信号。元件49和50形成一个同步电路，其根据规定2在下一个时钟信号时在存在同步信号的情况下设置或复位双稳态电路。

下面阐述目前为止说明的方法的推广。

在上面阐述的方法中传输信号具有四种可能的状态P₀、P₁、P₂和P₃，正如在图2中描述的，这些状态具有相位π/4、3π/4、5π/4和7π/4。对此必须考虑，在相位中始终涉及与任意采用的零位比较的相对值，因为发射机和接收机的振荡器非相位相同地运行，并且状态P₀的相位例如也可以同样定义为0。在图2中状态Pi也可以同样好地分配相位πi/2。在下面的描述和要求中可以对所有相位加上任意常量(例如π/4)，没有偏离本发明的方案。

如果对于传输信号仅仅预先规定三种可能的状态，或也预先规定多于四种的可能状态，则一般也可以实施本发明。如果预先规定n个状态P₀至P_n-1，则这些状态主要具有相位0、2*pi/n、4*pi/n、...、(n-1)*2*pi/n。在图8中描述了n＝8的相应状态。

也可以考虑状态以另外的方式布置在圆上，也就是说例如可以附加通过其幅度区分这些状态。当然接收方面要求一个相应准确的幅度调节，其在点-多点工作中必须具有非常短的起振时间。

数目n越大，传输信号的带宽可以越低，可是其中信噪比更差。

在图8中描绘了优选的二个运行顺序1和2，在状态Pi之后是状态P_(i+1)模n或P_(i-1)模n。在这些运行顺序的情况下在相继状态之间的相位变换和因此使用的带宽最小。

在开始说明的实施中由此得到接收机的同步，在源信号的较长稳定期间依赖于源信号的当前值选择下面必须应用的运行顺序。可是也能够应用另外的规则。如果在最短时间期间源信号没有变换状态，则例如特别应用下面规则之一：

A)如果源信号的值为0，则保持当前的运行顺序，否则调换运行顺序。或，同样，如果源信号的值为1，则保持当前运行顺序，否则调换运行顺序。

B)如果源信号的值为0，则在下面选择运行状态1，否则选择运行状态2(参见上述实施例)。或，同样，如果源信号的值为1，则在下面选择运行顺序1，否则选择运行顺序2。

C)如果源信号的值为0，则在源信号的下一个变换时选择根据运行顺序的下一个状态，否则选择再下一个状态(或相反)。在这种情况下运行顺序始终保持不便。

D)如果源信号的值为0，则在源信号的下一个变换时一次选择根据运行顺序的下一个状态，否则选择先前的状态(或相反)。在这种情况下运行顺序也始终保持不便。

在所有情况中接收机可以确定，源信号的值是什么，并且因此实施同步。在源信号在恒定阶段后的第一变换的情况下进行同步，该恒定阶段至少表明时间T_M，因为在这个时刻提供附加的带宽用于传输同步信息。

在变体A、B和D中，如果源信号在至少时间T_M期间没有变换状态并且传输信号处于状态P_i中，在下一个变换时或者选择先前的状态P_(I-1)模n或者选择下一个状态P_(i+1)模n，也就是说依赖于源信号D的当前值。

对于这样的信号，其值很长时间没有改变，该方法导致，也许相对晚些实现首先在源信号变换时可以进行的同步。为了考虑如此的情况，附加例如通过一个独立的数据信道传输同步信息。或也可以考虑，在源信号的恒定值的情况下为了同步接收机和发射机附加实施依赖于源信号值的传输信号的幅度调制。如果源信号的值为1，如此例如以较小的幅度传输信号可以与远远小于1/T的频率进行幅度调制，而如果源信号值为0，则不实现幅度调制(或在另外的频率中的条幅)。在接收机中可以预先规定相应的检波器，其在源信号的较长时间稳定的情况下检波幅度调制并且同步接收机。由于实现与远远小于1/T的频率的幅度调制，因此传输信号的带宽不是不允许提高。

在一般说明的实施例中描述了包括分离功能组件的发射机和接收机。可是也可以以另外的方式实现这些功能组件、特别是以程序控制的数字信号处理电路的形式，其中在图3-6中指出的功能组件主要作为计算机程序的相应功能部分实现。

参考符号表：

1、2：运行方向

10：延迟节

11：异或门

12：计时器

13：触发器

14：触发器

15：触发器

16、17：异或门

20、21：转换器

22、23：低通滤波器

30：载频发生器

31：调制器

32：低通滤波器

33：部件

34：绝对值发生器

35：比较电路

36：存储器

40：计算器

41、42：绝对值发生器

43：比较电路

44：延迟节

45：异或门

46：与门

47：触发器

48：计时器

49：转换器

50：比较电路

51：倒相器

cp：时钟信号

de：同步信号

D：二进制源信号

D_i、D_Q：分信号

E：输出信号

P_i：传输信号的状态

r(t)：接收的传输信号

s(t)：传输信号

T：分辨时间

T_M：最低时间

T_M`：修改的最低时间

Claims (10)

1.在具有调制相位的传输信号(s)中传输具有二个状态的二进制源信号(D)的方法，其特征在于，对于传输信号(s)预先规定不同相位的至少三种状态并且通过这些状态(Pi)预先规定至少一个运行顺序(1、2)，其中在源信号(D)的每个变换时传输信号(s)的状态变换为下一个状态，其中为了同步发射机和接收机，如果源信号(D)在预定最短时间期间没有变换状态，则在源信号(D)的下一个变换时根据预定的、依赖于源信号(D)当前值的规则转换到根据运行顺序(1、2)的下一个状态或转换到另一个不同于根据运行顺序(1、2)的下一个状态的状态。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，预先确定n个状态P0至Pn-1，其相位具有值0、2*pi/n、4*pi/n、...、(n-1)*2*pi/n，并且运行顺序规定，随着增加的或随着减少的下标i循环运行状态Pi。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，规定这个规则，以具有下标i的状态为出发点在源信号(D)的下一个转换时依赖于源信号(D)的当前值变换到具有下标(i+1)模n的状态或具有下标(i-1)模n的状态。

4.按照权利要求2的方法，其特征在于，n＝4。

5.按照权利要求2的方法，其特征在于，规定这个规则，在源信号(D)的下一个变换时依赖于当前值保持或调换当前运行顺序(1、2)。

6.按照权利要求1至5之一的方法，其特征在于，源信号(D)在一个变换之后至少一个预定的分辨时间T是恒定的，并且最短时间大于双倍的分辨时间2*T。

7.按照权利要求1至5之一的方法，其特征在于，源信号(D)是一个非等时信号。

8.按照权利要求1至5之一的方法，其特征在于，在源信号(D)为恒定值的情况下为了同步发射机和接收机依赖于源信号(D)的值附加实施传输信号(s)的幅度调制。

9.用于接收根据按照上述权利要求之一的方法产生的传输信号(r)的装置，其特征在于，

一个相位检波器(30-32)，用于对接收的传输信号(r)的相对当前相位进行检波，

一个变化检测器(33-45)，用于在传输信号(r)的状态变换时在相位改变的情况下产生一个时钟信号(cp)，

一个双稳态电路(47)，用于产生输出信号(E)并且通过同步电路(49)转换，

一个停留识别器(48)，用于如果相位的最后变化落后最短时间则产生同步信号，

一个同步电路(49)，其根据规则在下一个时钟信号(cp)时在存在同步信号(de)的情况下设置或复位双稳态电路(47)。

10.按照权利要求9的装置，其特征在于，一个存储装置(36)，用于如果在至少一个预定的分辨时间期间相位是恒定的，则把接收传输信号(r)的当前相位(x_B、y_B)作为参考信号(x_R、y_R)存储，其中变化检测器(33-45)具有一个比较电路(40-43)用于把在当前相位和参考信号之间的差别与至少一个阈值比较。

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