CN1681266B - 频率交错的频移键控调制方法、变频控制器和发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种频率调制方法，它可以实现将码元序列构成的数字消息调制在一个频带集上。由此为数字消息的每个码元指配定义的码元值集中的唯一一个码元值。根据该方法，至少定义两个码元传输信道，其中每个码元传输信道由所述频带集构成，并且码元传输信道的每个频带按一一对应的关系分配给码元值集中的一个码元值，使得所定义的码元传输信道在至少一个所选频带上和/或频带到码元值的分配上彼此不同。再者，根据各码元传输信道的信道分配方案，连续地用所述数字消息的单个码元值调制每个定义的码元传输信道。

Description

频率交错的频移键控调制方法、变频控制器和发射机

技术领域

本发明涉及多频带通信系统中的频移键控。 

背景技术

频移键控(FSK)是一种数字调制方案。在简单的二进制频移键控中，例如载波频率在两个频率之间切换，以调制二进制数字基带消息的两个码元值。术语码元表示消息的元素。码元可以仅具有某些值，即所说的码元值，它们是由底层数字系统定义的。消息是表示某信息的码元的集合。 

对FSK调制的信号解调由接收机执行，接收机随后检测收到的频率并将其解释为相应的原始码元值。解调可以以相干方式或非相干方式实现。 

图1显示了用于相干调制的典型二进制FSK接收机。天线接收的信号首先进行带通过滤，然后通过低噪声放大器(LNA)放大。放大的信号随后传递给下变频器，以将载波频率转换为较低频率。有多种形式的下变频器，在某些场合中可以省略下变频器。下变频器的输出随后加以拆分，将每个分量与不同的振荡器频率混频。对于图1的二进制FSK接收机，可能下变频的信号被分成两个分量，一个与振荡器频率F1混频，另一个与振荡器频率F2混频。每个混频的分量被提供给相应的积分器，然后比较各积分器的输出，以在正确的取样时间实现对码元值的判决。 

非相干FSK接收机采用基带滤波器而非图2所示的相位相干振荡器。与相干检测相反，对码元值的判决基于检测到的基带包络，而非相干接收机的积分器输出。 

当有M个频率而非仅两个频率用于传输数字消息时，调制方案是已知的M进制FSK，并且有M个可能的传输信号。用于调制数字消息的频率的数量M定义了允许由M进制FSk系统调制的数字消息的可能的码元值最大数量。但是通过仅调制二进制数字消息，传输数据率因传输频率数量增加所致的带宽增加而提高。 

目前已知各种不同的FSK调制技术，例如WO 03/0288255中描述的连续相位FSK(CFSK)、Sunde的FSK和M进制正交FSK。CFSK是一种FSK方式，其中，传输信号中没有相位连续性。因此发射机可以实现为由数据流调制的单个振荡器。依据用于表示各码元值的频率间隔，将相应的系统称为窄带或宽带系统。Sunde的FSK采用两个频率来表示两个码元值，由此频率间隔为数据率的倒数。在M进制正交FSK中，采用了M个频率，其中频率间隔为数据率的倒数。 

已知的FSK通信系统采用将传输频率固定地指配给码元值的指配方式，这可能导致信号干扰，尤其是在载波的多径传播的条件下，并且可能导致较高的误码率。 

发明概述 

因此，本发明目的在于提供一种可降低误码率的FSK调制技术。 

上述目的可以通过独立权利要求所定义的本发明来实现。本发明的其他有利实施例是其他权利要求的主题。 

根据本发明，公开了一种频率调制方法，这种方法允许将一个码元序列构成的数字消息调制到一个频带集上。由此为数字消息的每个码元指配定义的码元值集中的仅一个码元值。根据该方法，至少定义两个码元传输信道，其中每个码元传输信道由所述频带集中的一个频带子集构成，码元传输信道的每个频带按一一对应的关系分配给码元值集中的一个码元值，使得所定义的码元传输信道在至少一个所选频带上和/或频带到码元值的分配上彼此不同。再者，根据相应码元传输信道的信道分配方案，连续地用所述数字消息的单 个码元值调制每个定义的码元传输信道。 

本发明还表现为一种用于频移键控发射机和频移键控接收机的变频控制器，它配备有码元传输信道定义装置、分配装置、以及输出装置。码元传输信道定义装置适于定义至少两个码元传输信道，其中每个码元传输信道由频带集中的一个频带子集构成。分配装置允许以一一对应的关系将码元传输信道的每个频带分配给码元值集中的一个码元值，使得所定义的码元传输信道在至少一个所选频带上和/或频带到码元值的分配上彼此不同。所述输出装置向振荡器输出控制信号，所述控制信号适于将振荡器频率调节到用于调制相应码元传输信道的频带的中心频率。 

所述的方法和变频控制器实现了一种新形式的频移键控，其可改善频率分集和改善干扰分集。 

为了实现具有情形相关的优化频率分集的跳频，定义用于调制所定义的码元传输信道的使用顺序，并且最好根据所定义的使用顺序连续地调制每个码元传输信道。 

最好在数字消息中码元数量超过定义的码元传输信道的数量时，重用所定义的码元传输信道，以实现使用所述数字消息的码元值的调制。因此通常以利用数字消息的第一码元值调制所定义的码元传输信道所采用的顺序来重用所定义的码元传输信道，但对于共处一地的使用相同频带集的通信系统，有时可能发生冲突，所以还可以以与利用数字消息的第一码元值来调制所定义的码元传输信道所采用的顺序不同的顺序来重用所述定义的码元传输信道。 

具体而言，在超宽带通信系统中实施本发明时，用单个码元值对定义的码元传输信道的调制通过将基带整形脉冲信号上变频到分配给所述相应单个码元值的相应码元传输信道的频带来有效地实现。由此所述基带整形脉冲信号的带宽最好对应于其上变频到的频带的定义带宽。 

为了能够使用恒定带宽的基带信号，最好将频带集中的任何两 个频带的带宽设为基本相同。如果重点放在对所有频带获得恒定的自相干特性，则有效地使所述频带集中的任何两个频带的相对带宽保持基本相同。 

还可以通过对应频带集中的一个频带进一步定义至少两个子信道来提高调制的可能性，使得对应一个频带定义的任何两个子信道的相位角不同。这是采用变频控制器的码元传输信道定义装置以及输出装置来有效实现的，所述码元传输信道定义装置包括子信道定义装置，用于对应每个频带定义至少两个具有不同相位角的子信道，而所述输出装置适于根据为子信道定义的相位角来控制振荡器的相位。 

附图描述 

在以下说明中，将参考具体实施例并结合附图来更详细地解释本发明，附图中： 

图1显示用于频移键控的典型相干接收机的示意框图； 

图2显示用于频移键控的非相干接收机的示意框图； 

图3显示多频带的超宽带(UWB)发射机； 

图4显示具有不同中心频移的UWB系统的脉冲； 

图5显示根据现有技术的脉冲传输顺序； 

图6显示根据本发明，对应七个频带组成的频带集的码元传输信道定义示例；以及 

图7显示根据本发明的码元传输信道定义的另一个示例，其中对应该频带集的每个频带定义了子信道。 

在多频带调制系统中，将一个以上的载波频率用于将数字消息调制到信号载波上。下表1中给出了用在使用两个载波频率F1和F2的二进制频移键控调制(BFSK)中的现有技术频率分配方案的一个示例。这里假定数字消息是逐帧组织的，每个帧包含具有码元周期T_s 的定义数量的码元。 

表1：常规二进制FSK调制的分配方案 

不同于常规技术，本发明改变了码元周期之间码元值到特定频带的指配关系。这是通过定义一个n元组集合，其中每个n元组将一定数量的n个不同频带以唯一的方式与n个允许的码元值相关联。然后连续地使用该集合中的不同n元组来调制数字消息的码元。该集合中的n元组的数量最好对应于帧的大小，即对应于一帧中所含码元的数量。当调制数字消息时，对每个帧重用定义的n元组集合，这样，这些频带实际以交错方式排列。相应的频移键控调制因此称为频率交错频移键控(FS-FSK)。 

每个n元组中的频带集表示完全可用于数字消息调制的频带集中的一个子集。由一个频带子集构成的n元组以及这些频带到一个码元值的一种分配称为一个码元传输信道。 

表2给出了根据本发明的FS-FSK频率分配方案的一个示例。该方案采用二进制FSK，由此‘M’＝2指定码元传输信道的频带数，而不是用于调制的频带总数。在本例中，帧大小‘N’等于4个码元，用于调制的频带总数‘C’总计为8，因此遵循关系式C＝M·N。每个码元周期为T_s秒，8个不同的频带表示为F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7和F8。 

表2：二进制FS-FSK调制的分配方案第一示例 

根据表2所示的分配方案，如果第一数据帧“帧1”中码元周期T_s上的第一码元值为“0”，则激活频带F1，即信号仅在该时间周期内仅存在于该频带上。在码元值为1的其它情况中，激活频带F2。在第二码元周期2T_s，对应码元值“0”激活F3，而对应码元值“1”相应激活F4。在码元周期3T_s中，激活的相应频带为F5或F6，在下一个码元周期中则为F7或F8。所述分配方案对下一个以及后续数据帧重复。 

虽然所示示例中满足条件C＝M·N，但FS-FSK同样可以在C＜M·N以及C＞M·N条件下实现。表3显示了C＜M·N的一个示例。因为本例中频带数C为四少于可用M＝2码元值和帧大小N＝4个码元的乘积，所以四个频带在一个帧内使用两次。因此频带到某个码元值的分配方式不是固定的，而是随频带在不同码元传输信道中的使用情况变化，即主要随用于调制帧中码元的顺序而变化。在表3所示的示例中，例如将频带F1用于表示帧中第一码元的“0”码元值，以及用于表示帧中最后一个码元的“1”码元值。 

表3：二进制FS-FSK调制的第二分配方案示例 

表4给出基于三个码元的帧大小的4进制FS-FSK调制的示例。总共有十二个频带F1至F12用于调制。每个码元的码元周期同样设为t＝T_s，对每个帧以相同的顺序重复频带选择。 

[0043] 表4：4进制FS-FSK调制的分配方案示例 

不同于对每个帧采用固定的频带顺序，频带顺序可随帧变化。这可通过例如逐帧循环使用频带顺序来实现，最好使当前帧中码元传输信道的频带与前一帧对应码元传输信道中所用对应频带之间的频偏固定。但也可采用其它映射方案，即逐帧针对各码元传输信道改变频率信道到码元值的指配方式的方案。因此，所采用的映射方案最好适于在采用由所用频带总数确定的相同信号传输信道或其中一部分的不同通信系统之间取得最小的相邻信道干扰和/或串扰。相应的FS-FSK调制结合了频移键控与跳频的优点，并通过逐帧修改码元传输信道集，逐码元周期修改每个码元传输信道集中频带之间的间隔。 

要注意的是，可以将所提出的频率交错FSK调制与任何形式的常规频移键控方法，例如连续FSK、Sunde的FSK、正交FSK等结合起来使用。因此，数字消息所需的总带宽与频带数C成比例，并且还取决于所用单个频带的间隔。 

FS-FSK调制最好在超宽带(UWB)通信系统中使用。UWB系统是使用极大带宽的系统。过去，此类系统只用于军事应用领域。但是在2002年，美国联邦通信委员会(FCC)允许将3.1-10.6GHz的频带用于商业超宽带应用。此外，FCC规定超宽带信号必须占用至少500MHz带宽或者具有大于0.25的相对带宽。UWB通信系统为宽带无线电应用(包括无线多媒体流或无线视频连接)提供极高的数据率，可在约至10m的短距离范围上提供110Mbps以上的数据率。存在产生这种高达7.5GHz的大带宽的各种方法，包括短脉冲、线性调频调制、以及跳频等。 

典型脉冲生成超宽带系统在发送一个短脉冲后要隔一个间隙才发送下一个脉冲。脉冲之间含后续时间间隔的脉冲的发送速率称为脉冲重复频率(PRF)。如果此类UWB系统的脉冲占用一个非常宽的频带(从500MHz到7.5GHz)，则这些系统称为单频带UWB系 统。如果脉冲占用几个大于500MHz的较小频带，则这些系统称为多频带UWB系统。 

图3的框图显示一个多频带UWB发射机的示例。脉冲发生器将脉冲提供给脉冲整形滤波器，该滤波器采用例如低通或带通滤波器实现施。脉冲整形滤波器的输出是整形脉冲信号。混频器将整形脉冲信号上变频到具有相应工作中心频率的期望频带。混频器输出的UWB信号的带宽由脉冲整形滤波器的带宽确定。可以通过振荡器控制来控制UWB信号的中心频率及瞬时相位。在混频器的输出端用RF带通滤波器来抑制不需要的频率或带外频率和/或混频器积项，然后才通过天线发射。对UWB发射机的更详细的描述参见例如美国专利6026125。 

图3所示的振荡器的可调中心频率可用于实现采用跳频的UWB通信系统。图3中的脉冲整形滤波器的示例脉冲响应特征类似于高斯窗口。高斯窗口w(t)以数学方式定义为： 

$w\left(t\right)=e^{-\frac{t^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}---\left(1\right)$

其中t＝0定义脉冲窗口的中心，σ定义标准差。 

为了准备基带信号以便将其上变频到特定频带，通常将该基带信号乘以一个频率对应于相应频带的中心频率的正弦波。在多频带UWB通信系统中，该正弦波与根据公式(1)的高斯窗口相乘，得到对应频带上的脉冲信号。此种混频通过如下公式以数学方式描述为： 

x(t)＝s(t)·w(t)    (2) 

其中s(t)＝sin(2πft)， $w\left(t\right)=e^{-\frac{t^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}$ 。x(t)表示混频器的输出信号，s(t)是可调正弦波振荡器频率，w(t)表示如公式(1)所定义的高斯窗口。 

在固定带宽的情况下，高斯窗口的标准差对所有频带而言都是相同的。在图4中，显示了三种上变频后的脉冲，它们具有不同的 中心频率f_低、f_中和f_高。这些脉冲可以在图3的混频器与带通滤波器之间观察到。因为所有这三个脉冲具有相同的时长，所以它们在不同频率上占用相同的带宽。等长的那些脉冲用于采用固定带宽的子频带的系统。 

或者，可以采用具有不同带宽但是相对带宽恒定不变的频带。频带的相对带宽由规格化为其中心频率的频带的带宽定义。保持频带的相对带宽不变导致具有较高中心频率的频带的带宽较高，这样，频带上传送的信号的自相关特性不会随所用频带变化。 

在典型的现有技术多频带通信系统中，每次仅一个脉冲在一个频带上进行上变频，如对应图5中的7频带传输信道所示的那样。数字消息的码元通常以双极性方式调制，这意味着一个码元传输信道包含两个不同的频带，一个用于调制第一码元值，另一个用于调制第二码元值，如图6中对应采用总共7个频带的2进制FS-FSK调制所示的那样。 

根据图6的示例，对于携带码元值“1”的第一帧第一码元，激活第一码元传输信道的频带F7；而对于携带码元值“0”的该码元激活频带F2。表5中概括了根据图6的频率激活方案的分配方案。 

表5：基于7个码元的帧大小和7个不同频带的2进制FS-FSK调制的分配方案示例(M＝2，N＝7，C＝7) 

参考图6和表5的示例所述的原理所对应的FS-FSK系统的调制可能性还可以通过如下方式加以扩展：进一步引入相移键控(PSK)以传送信息内容，即数字消息的连续码元值。图7显示了采用了2-PSK 扩展的根据图6的2进制FS-FSK方案。在所示示例中，对应于每个频带，两个定相或相位角分别相差π/2度，从而定义一个同相信道和一个正交信道。相应的调制方案称为π/2FS-FSK。 

表6：图7的π/2 FS-FSK的分配方案示例 

在所示示例中，码元值“1”总是激活频带的同相信道，码元值“0”总是激活频带的正交信道。根据图7的帧中码元值的映射已在表6的分配方案中作了概括，其中Q-ch.表示正交信道，I-Ch.表示同相信道。 

信道的频率间隔因此得到改善，因为每个频带的每个信道在一个数据帧内只使用一次。类似于以上的FS-FSK调制方案，可以逐帧重复或修改分配方案。当以确定方式组织修改时，一旦接收机与发射机同步，则码元传输信道的定义及其连续顺序是接收机侧已知的。如果码元传输方案的修改以非确定方式进行，例如为了对两个共处一地的UWB通信系统之间的串扰作出反应，则单个传输信道的新顺序和/或定义可以作为数字消息本身的一部分进行交换。 

为了实现FS-FSK或π/2 FS-FSK，提出一种变频控制器，用于控制FSK发射机中上变频振荡器的上变频频率，以及π/2 FS-FSK情况下的振荡器相位。在接收机侧，变频控制器控制用于对基带信号进行下变频的振荡器的混频频率和相位。在非相干接收机的情况中，变频控制器根据用于当前码元传输的码元传输信道来切换频带通路特性。 

变频控制器包括码元传输信道定义装置，此装置定义要利用数字消息的码元值调制的码元传输信道。每个码元传输信道由从可用 频带的总集合中选出的一个频带子集构成。码元传输信道定义装置定义至少两个不同的码元传输信道。 

变频控制器还包括分配装置，用于定义码元传输信道中每个频带到码元值集中的一个码元值的一一对应的分配关系。分配按分配方案进行，分配方案确保所定义的码元传输信道至少在一个所选频带和/或一个频带到一个码元值的分配中彼此不同。 

为了实现FS-FSK调制或解调，变频控制器还包括输出装置，用于输出控制信号到振荡器，所述控制信号适于将振荡器频率调节到用于调制相应码元传输信道的频带的中心频率。 

在FS-FSK与相移键控相结合的情况(如上述的π/2 FS-FSK调制/解调方案)中，码元传输信道定义装置还配备有子信道定义装置，用于在每个频带上定义两个或两个以上的子信道，且使为这些子信道定义的相位角不同。最好只为一个二进制数字信号定义两个子信道，其相位角对应于π/2，这些子信道是对应于每个频带，以与该频带在不同码元传输信道中的用法无关的方式定义的。于是，输出相应配备有相位控制，以便不但控制振荡器的频率，还相对于调制或解调码元值所用子信道控制其相位。 

所提出的FS-FSK及其扩展实施例π/2 FS-FSK提供了一种简单的调制方案，它易于在UWB通信系统中实现。仅需要振荡器的频率和/或相位控制器来控制根据本发明的分配方案。虽然FS-FSK接收机可以实现为相干和非相干接收机，但对π/2 FS-FSK调制系统而言，必须采用相干接收机。根据本发明的两种调制方法的主要优点在于：通过引入跳频，取得了增加的频率分集和增加的干扰分集。由此，可以显著降低蜂窝和多网络操作的干扰易感性。 

Claims (10)

1.一种频率调制方法，用于将码元序列构成的数字消息调制在一个频带集上，由此为每个码元指配定义的码元值集中的一个码元值；所述方法包括如下步骤：

-定义至少两个码元传输信道，每个码元传输信道由所述频带集中的一个频带子集构成，并且所述码元传输信道的每个频带按一一对应的关系在一时间帧内分配给所述码元值集中的一个码元值，使得所定义的码元传输信道在一时间帧内在至少一个所选频带上和/或频带到码元值的分配上彼此不同；

-根据为各个码元传输信道的频带定义的分配方案连续地用所述数字消息的单个码元值调制每个所述定义的码元传输信道，

-旋转各时间帧的到码元值的频带的分配，及

-逐帧旋转频带的顺序，使得能够获得当前时间帧中的码元传输信道的频带和前一帧的相应码元传输信道中使用的相应频带间的固定频偏，

其中，对应所述频带集的一个频带定义至少两个子信道，使得为一个频带定义的任何两个子信道的相位角不同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述方法还包括如下步骤：

-定义调制所述定义的码元传输信道的使用顺序；以及

-根据所定义的使用顺序连续地调制每个码元传输信道。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

当所述数字消息中码元的数量超过定义的频带的数量时，重用所述定义的频带，以实现使用所述数字消息的码元值的调制。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

以利用所述数字消息的第一码元值来调制所述定义的频带所采用的顺序来重用所述定义的频带。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

以与利用所述数字消息的第一码元值来调制所述定义的频带所采用的顺序不同的顺序来重用所述定义的频带。

6.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于：

用单个码元值对定义的码元传输信道的调制是通过将基带整形脉冲信号上变频到分配给所述单个码元值的频带来实现的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述基带整形脉冲信号的带宽对应于其上变频到的频带的定义带宽。

8.一种用于频移键控发射机和频移键控接收机的变频控制器，所述控制器包括：

码元传输信道定义装置，用于定义至少两个码元传输信道，其中每个码元传输信道由一个频带集中选出的一个频带子集构成；

分配装置，用于以一一对应的关系在一时间帧内将码元传输信道的每个频带分配给码元值集中的码元值，使得所定义的码元传输信道在一时间帧内在至少一个所选频带上和/或频带到码元值的分配上彼此不同；

输出装置，用于输出控制信号到振荡器，所述控制信号适于将所述振荡器频率调节到用于调制相应码元传输信道的频带的中心频率，

其中，所述分配装置设置为旋转各时间帧的到码元值的频带的分配，

其中，所述分配装置适于逐帧旋转频带的顺序，使得能够获得当前时间帧中的码元传输信道的频带和前一时间帧的相应码元传输信道中使用的相应频带间的固定频偏，及

其中，所述码元传输信道定义装置还包括子信道定义装置，用于对应每个频带定义至少两个具有不同相位角的子信道。

9.如权利要求8所述的变频控制器，其特征在于

所述输出装置还适于根据为子信道定义的相位角控制振荡器的相位。

10.一种发射机，具有如权利要求8至9中任意一项所述的变频控制器。

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