CN1531295A

CN1531295A - 用于偏置线性调频脉冲调制的方法和设备

Info

Publication number: CN1531295A
Application number: CNA2004100287031A
Authority: CN
Inventors: ��ס�ղ��˹; 艾伦·詹金斯
Original assignee: Pine Valley Investments Inc
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2004-09-22
Also published as: JP2004274769A; EP1458114A2; US20050058218A1; EP1458114A3; US6937108B2

Abstract

一种用于产生可结合通过诸如电磁波的波形的信息发送和接收来使用的调制方案的方法和设备。该调制方案通过使用随着时间频率发生变化而将信号扩展到较大带宽上的偏置信号(例如，线性调频脉冲信号)，可用于诸如解决距离模糊和克服衰落和干扰问题的目的。该方法包括将码元信号编码到包含施加了时延的参考信号(例如，线性调频脉冲)的分裂数据流上，然后重新组合分裂流来产生复合波形。该方法还可以包括通过将参考信号施加于复合接收波形来对该波形进行解调，然后将该波形带通滤波成离散码元数据。还提供了用于执行该方法的设备和系统。

Description

用于偏置线性调频脉冲调制的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于通过射频(RF)载波的调制来发送和接收信息的方法和设备，特别涉及使用偏置线性调频脉冲调制(offset chrip modulation)发送和接收用于通信应用的波形。

背景技术

电磁波和其他波可以用来通过调制波形发送和接收信息。例如，雷达可以使用所发送和反射的调制波形来确定对象位置。蜂窝电话和数字电视广播全都使用复合调制方案(例如分别为高斯最小移位键控(GMSK)和正交频分复用(OFDM))以可靠地发送各种形式的信息(例如，语音、图像、视频和数字数据)。然而，由于包括窄带和多径衰落、窄带干扰等在内的很多问题，可能难以实现例如在数字信号的环境下具有可接受比特差错率的可靠信息传输。

信息传输经常被分割成物理频道。某些特性对于给定信道可以是独立的，并且这些信道特性在根本上决定传输数据可以采用的速率以及保持通信的特定保真度(例如，比特差错率)所需的功率。因此，对于特定信道，可以微调调制方案，从而在该信道内更高效地传输信息。然而，再次，在信道内可能发生衰落和干扰，并且是不同信道特性下调制方案的特性和行为来决定调制方案的有效度。

因此，仍然需要最小化衰落和干扰问题的用于通过调制波形发送和接收信息的方法和设备。

另外，还存在特定军事应用，其中，秘密传输和既难以检测又难以解码/解调的传输波形是一个优点，并且对此仍然存在未满足的需要。

发明内容

本发明的优点是通过提供如下方法和设备来满足这些和其他需要，这些方法和设备用于产生可用于诸如解决距离模糊(range ambiguity)和克服衰落和干扰问题的目的的调制方案。在优选实施例中，使用随着时间发生频率变化的偏置信号(在此称作线性调频脉冲信号(chirp signal))，从而将信号扩展到较大带宽上。如此产生的调制方案可结合通过调制波形如调频(FM)电磁波的信息发送和接收来使用，并且用于诸如确定对象位置和在无线或电视设备之间传输数据的用途。

优选实施例的调制方案可以通过包含参考信号(例如，线性调频脉冲)的分裂输入数据流来构成以产生复合波形，其中，将可变时延和编码码元比特施加于每一个数据流。在一个实施例中，接收复合波形还可以通过将参考信号施加于该波形然后将该波形带通滤波成离散码元数据来解调。

优选设备实施例包括：调制器，用于将时延施加于输入数据流的每个分裂部分以进行重新组合并且例如用于作为复合波形传输；以及解调器，用于接收复合波形，将参考信号施加于该波形，并且将该波形带通滤波成离散数据。

在一个实施例中，通过发送具有时间偏置并且向其施加了码元数据的多个参考信号(例如，线性调频脉冲或其他副载波)，在调制器中实现多个低比特速率子信道。在解调器中，通过相乘(例如，所接收的复合信号与单个线性调频脉冲的混频)将这些时间偏置变换成频率偏置。通过以例如可以与参考信号速率相关的码元速率对副载波进行调制来产生发送信号。在一个实施例中，例如，以与参考信号(例如，线性调频脉冲)速率相等的速率使用幅度移位键控(ASK)副载波调制。在另一个实施例中，以与参考信号速率不同的速率使用ASK副载波调制。

本发明的其他优点和新颖特性将在下面描述中部分得到阐述，并且对于本领域的技术人员而言，通过阅读下文或者通过实施本发明来了解，部分将会变得更加清楚。

附图说明

在附图中：

图1示出根据本发明一个实施例的调制方案的一个例子的各个部件的代表性方框图；

图2包含根据本发明一个实施例的多路复用到N个子信道中的输入流的代表性方框图；

图3示出根据本发明一个实施例的示例线性调频脉冲的两个码元周期的图形表示；

图4是根据本发明一个实施例的图3的参考信号的频率响应的图形表示；

图5示出根据本发明一个实施例的示例偏置线性调频脉冲调制(OCM)调制器的代表性方框图；

图6是根据本发明一个实施例的子信道的时间输出的图形表示；

图7是根据本发明一个实施例的将多个子信道多路复用在一起之后的包括在时间上均具有偏置的一系列线性调频脉冲的组合输出；

图8示出根据本发明实施例的用于实现解调器的一个示例设备的方框图；以及

图9-15示出根据本发明实施例产生的样本模拟结果的各种图形结果和其他特性。

具体实施方式

本发明包括用于提供调制方案的方法和系统，特别是包括在此所称的偏置线性调频脉冲调制(OCM)的调制方案。

对于根据本发明一个实施例的调制方案，使用输入数据流、调制器、物理信道或传输介质以及解调器。图1示出根据本发明一个实施例的调制方案的一个例子的各个部件的代表性方框图。这些部件包括输入数据流1，其中，该数据流又传到调制器2，调制器2产生特定信道中的传输3如射频(RF)传输；解调器4；以及基带数据流输出5，如对应于接收波信息的数据。

在本发明的一个实施例中，工作中，首先将高数据速率输入流(例如，IP比特/秒)多路复用到N个子信道中(例如，每个子信道具有新数据速率IP/N)。图2包含根据本发明一个实施例的多路复用到N个副载波11、12、13(在本例中，N＝3)中的输入流1的代表性方框图。作为该多路复用的结果，每个子信道中的比特速率大大低于原始输入数据流。

与数据流的输入和该流的多路复用并行，产生频域参考信号如原始线性调频脉冲“载波”。图3示出根据本发明一个实施例的示例参考信号的两个码元周期30、31的图形表示。如图3的例子所示，产生频率斜坡34、35。例如，在起始频率(f_start)36和终止频率(f_stop)37之间产生频率斜坡35，并且频率变化(f_start-f_stop＝Δf)以在本例中称作“线性调频脉冲速率”的速率是周期性的。在图3所示的例子中，码元速率38近似等于线性调频脉冲速率。

其他“线性调频脉冲”波形也是可能的。例如，可以使用其中频率与时间不成正比的非线性调频脉冲以及其中“线性调频脉冲”的幅度还可以作为时间函数(例如，将时域窗口函数施加于“线性调频脉冲”波形)以某预定方式变化的波形。

图4是根据本发明一个实施例的图3的参考信号的频率响应的图形表示。

图5示出根据本发明一个实施例的示例OCM调制器的代表性方框图。图5的实施例的调制器50接收如上所述产生的两个输入51、52(例如，输入51是并行子信道格式化数据，如图2所示，并且输入52是参考信号，如图3所示的线性调频脉冲，它类似于载频)。如同输入数据流51一样，参考信号输入52分成数据的N个子信道53。在每个副载波上引入不同时延55、56、57。在本发明的一个实施例中，在解调器上，时延量决定信道的频率分隔。

然后，将码元比特编码到每个延迟副载波上。在图5所示的例子中，使用以所示开关58(用于编码码元信号的器件，合成装置)表示的ASK(例如，简单开关键控)在每个延迟副载波上对每副载波的一个码元比特进行编码。副载波因此变成子信道，并且子信道通过求和装置59求和成复合波形。虽然图1-5所示的例子针对数字式数据格式，但是本发明的调制方案同样可以应用于模拟副载波调制。另外，如果适于特定应用的话，还可以向OCM提供OCM副载波调制。

在本发明的一个实施例中，可以通过进一步适当地对每个子信道进行编码来获得纠错或其他优点。例如，每个子信道可以采用Reed-Solomon码编码以用于纠错。此外，可以对每个子信道上的码元模式(symbol pattern)进行选择从而对于特定应用可以以适当的方式影响复合发送频谱(composite transmitspectrum)的包络特性。例如，码元模式可以选成最小化传输波形的峰值平均比率，从而最小化用于设备中以产生该方案的功率放大器(PA)上的线性要求。

另外，根据本发明，典型地用于传统线性调频雷达应用中的其他技术如脉冲整形可以直接应用于OCM。

根据使用图5所示的实施例的设备，所得到的复合信号较复杂，包括N个重叠延迟调制参考信号(例如，线性调频脉冲)。图6是根据本发明一个实施例的子信道的时间输出的图形表示。在图6的例子中，使用了ASK来产生输出。然而，也可以使用本技术领域内公知的其他设备和方法来产生输出。

如图7进一步所示，一旦多个子信道多路复用在一起，所得到的组合输出(例如，要由发射机发送的信号)包括在时间上均具有偏置的一系列参考信号(例如，线性调频脉冲)。在图7的例子中，有效码元周期70限定为通过第一和最后线性调频脉冲的覆盖来划界的周期，这小于所用线性调频脉冲速率。因此在子信道数、容量和码元速率之间存在折衷。

根据本发明的一个实施例，OCM解调器根据所需输出可以采用不同形式。通常，解调器所采用的处理包括接收复合波形与未调制参考信号(例如，线性调频脉冲)在频域内的相乘(或混频)。在一个实施例中，未调制参考信号具有与由发射机产生的参考信号相同的信号速率。参考信号(R_x)与接收信号之间的时延决定输出子信道频率。在一个实施例中，该处理在中频(IF)以使用RF线性调频脉冲的RF发射频率直接发生，或者在本技术领域内公知的数字信号处理/现场可编程门阵列(DSP/FPGA)硬件或某其他适合信号处理设备内经过模数转换(ADC)之后以数字方式发生。

采用使用ASK的例子，图8示出根据本发明实施例的用于实现解调器的一个样例设备的方框图。如图8所示，示例复合接收波形80包括N个具有时间偏置的线性调频脉冲。在混频器81，在频域内与参考线性调频脉冲82相乘将波形的时间偏置变换成频率偏置波形，然后对它进行分裂83。该变换将提取每个子信道的问题简化成非常简单的滤波问题，其中，如同所有通信系统一样，同步是一个问题。为了解决滤波问题，本地产生的参考线性调频脉冲82的时间偏置必须设成使它将各个信道变换成每个频率“仓(bin)”。

在图8所示的实施例中，所分裂的频率偏置波形并行传到一系列子信道解调器85、86、87，其中每个解调器均包括带通滤波器88、89、90，带通滤波器88、89、90各自以不同子信道频率滤波。分别位于各个子信道解调器85、86、87内的各个带通滤波器88、89、90的输出分别传到包络检测器91、92、93。各个子信道解调器85、86、87的结果输出分别作为滤波码元数据95、96、97来接收。

注意，与其中执行快速傅立叶变换(FFT)从而集中于各个载波的编码正交频分复用(COFDM)不同，采用本发明的实施例，与频率斜坡的简单相乘可以完成相同的结果。因此，在某种意义上，本发明的这些实施例在计算上比COFDM高效。

根据本发明的实施例，使用OCM的另外一个优点包括对窄带和多径衰落的高容忍度，以及良好的抗窄带干扰性。例如，由于OCM是一种扩展频谱调制，因此本发明的实施例可以提供良好的抗窄带干扰性。

对窄带和多径衰落的高容忍度至少部分是由于子信道码元速率非常低。因此，由多径传播引起的码元间干扰的统计概率非常小。但是，高比特速率能够通过使用多个子信道以低子信道码元速率实现。

通过在每一个信道上传输相同信息内容，本发明实施例因此有效地提供扩展频谱的另一种变体。例如，在解调器，可以对梳状的多个偏置未调制参考信号(线性调频脉冲)与多个并行信道执行混频，然后将其折叠成单个信道。因此，本例中的处理增益将是并行信道数的函数。

图9-15示出根据本发明实施例产生的样本模拟结果的各种图形结果和其他特性。如图9所示，OCM的简单实现是在高级设计系统(ADS)系统模拟器，一个由Agilent Technologies，Palo Alto，California生产的模拟器中实现的。在图9中，针对在OCM解调器上使用ASK副载波调制、简单升余弦码元滤波以及包络检测的简单四子信道系统，示出模拟结果。在图9的例子中，码元周期为64μs，这等同于在本例中所用的线性调频脉冲速率。子信道间隔为32kHz(解压缩之后)。作为演示，将不同数据码元编码到各个信道上。

另外，在图9的例子中，信道1包含16个“1”和16个“0”的重复，信道2包括以码元速率的交替“1”和“0”，信道3包括连续“1”，并且信道4包含以码元速率的伪随机比特序列(PRBS)。参考线性调频脉冲的频率图如图9所示。起始频率(f_start)和终止频率(f_stop)分别为2.048MHz和4.096MHz。线性调频脉冲速率为Δf/128。载波频率为2GHz。

图10示出图9的示例模拟的调制发送频谱。在图9中，模拟是针对128个码元来运行的。如图所示，频谱形状是码元数以及每个信道上的数据形式的函数。如果所有数据都是伪随机的，并且模拟是针对大量码元和大量副载波来运行的，则频谱形状看上去更平坦些，并且更像原始参考信号。

图11示出图9的模拟的频域内解调器输出。每个子信道均使用了升余弦滤波器来滤波。图12-14是示出恢复数据的时域图的图形表示。在图13中，示出了信道4，其中源PRBS数据用作参考。在滤波之后在每个子信道上使用如图15代表性所示的简单包络检测器。

本发明的示例实施例是根据上述优点来描述的。应该理解，这些示例仅是为了说明本发明。很多变更和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

Claims

1.一种用于使用通信调制方案的方法，所述方法包括：

将参考信号传到多个信道，以产生多个副载波；

将可变时延施加于多个副载波中的每一个；

将码元信号编码到多个副载波中的每一个上；以及

组合多个副载波以产生复合波形。

2.如权利要求1所述的方法，其中，码元信号针对多个副载波中的每一个而不同。

3.如权利要求1所述的方法，其中，将参考信号传到多个信道以产生多个副载波包括：

将参考信号分裂成多个信号。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

发送复合波形；以及

接收所接收的复合波形。

5.如权利要求4所述的方法，还包括：

将接收复合波形解调成滤波码元数据。

6.如权利要求5所述的方法，其中，将接收复合波形解调成滤波码元数据还包括：

将第二参考信号施加于接收复合波形。

7.如权利要求6所述的方法，其中，参考信号具有一个参考信号线性调频脉冲速率，并且第二参考信号具有该参考信号线性调频脉冲速率。

8.如权利要求6所述的方法，其中，接收复合波形是在一个接收位置接收的，并且参考信号是在该接收位置产生的。

9.如权利要求6所述的方法，其中，将参考信号施加于接收复合波形产生多个频率偏置波形。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

将多个频率偏置波形传到多个子信道解调器。

11.如权利要求10所述的方法，其中，每一个子信道解调器包括一个带通滤波器，每一个带通滤波器均具有对应的滤波频带频率，每一个带通滤波器的滤波频带频率不同，以便多个子信道解调器中的每一个产生对应滤波频带频率的滤波数据。

12.如权利要求1所述的方法，其中，将参考信号传到多个信道以产生多个副载波包括：

将参考信号分裂成多个参考信号，其中，多个参考信号中的每一个被发送到多个信道之一。

13.如权利要求1所述的方法，其中，参考信号包括线性调频脉冲。

14.一种偏置线性调频脉冲调制发送和接收设备，包括：

调制器，通过多个数据输入产生所发送的复杂复合波形，该调制器包括多个子信道解调器，用于从多个数据输入至少之一接收多个分裂数据输入；以及

解调器，用于接收复杂复合波形输入，该解调器包括用于产生多个滤波码元数据的多个子信道解调器。

15.如权利要求14所述的设备，其中，多个数据输入包括参考信号。

16.如权利要求15所述的设备，其中，参考信号包括线性调频脉冲。

17.如权利要求15所述的设备，其中，调制器包括用于将参考信号子信道化成多个分裂数据输入的子信道化组件。

18.如权利要求17所述的设备，其中，多个分裂数据输入包括多个并行子信道化输入。

19.如权利要求14所述的设备，其中，多个子信道调制器中的每一个均包括时延组件。

20.如权利要求14所述的设备，其中，多个输入的每一个包括针对多个输入中的每一个而不同的码元数据信号。

21.如权利要求20所述的设备，其中，多个子信道调制器中的每一个均包括用于组合多个分裂输入输入之一与码元数据信号的组合装置。

22.如权利要求14所述的设备，其中，解调器包括：

混频器，用于对所接收的复杂复合波形与解调器参考输入进行混频以产生频率偏置复合波形。

23.如权利要求22所述的设备，其中，解调器参考输入包括时间偏置复合波形。

24.如权利要求23所述的设备，其中，时间偏置复合波形包括线性调频脉冲信号。

25.如权利要求22所述的设备，其中，在解调器产生解调器参考输入。

26.一种用于使用通信偏置线性调频脉冲调制的方法，该方法包括：

将参考线性调频脉冲信号发送到多个信道，以产生多个副载波；

将可变时延施加于多个副载波中的每一个；

将码元信号编码到多个副载波中的每一个上；

组合多个副载波，以产生复合波形；

发送复合波形；

接收复合波形；以及

将接收复合波形解调成滤波码元数据。

27.一种用于产生通信调制方案的系统，包括：

用于将参考信号传到多个信道以产生多个副载波的装置；

用于将可变时延施加于多个副载波中的每一个的装置；

用于将码元信号编码到多个副载波中的每一个上的装置；以及

用于组合多个副载波以产生复合波形的装置。