CN1820477A - 用于多用户通信的标准化的相干振幅和差动相位调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的特征在于：以相位差调制的信息属于一个按所用的并列模式的相数而定的可能的信息集，执行在该信息集和对应于具有最大相数的并列模式的要被调制的可能信息集之间的注入操作。这使比特数能随载波而改变，无需发送新的相位基准，使帧内信息的符号数达到最大，实现低复杂性的调制器和解调器。适用于需要在单一数据帧内比特数由并列模式的载波改变的多用户数字通信，从而适应信道的最大传输容量，跟随信道振幅变化，让信息从一个用户发射到多个用户。

Description

用于多用户通信的标准化的相干振幅和差动相位调制方法

如本文的标题所示，本发明涉及用于多用户通信的标准化的差分同相与相干振幅调制方法。

本发明的方法适用于与用于通信的物理介质无关的通信系统，其主要特性包括能适应信道所提供的最大传输容量，实现对其振幅变化的跟随和容许以有效率的方式从一个用户传输到几个用户，容易实现复杂性低的调制器和解调器。

背景技术

在电信系统中为了通过通信信道发送信息，通常需要调制所述信息，换言之，要使该信息恰当并适应信道。

数字通信接收机遇到的一些主要问题是必然伴有信道估算的均衡和接收机相对发射机的时钟频率偏移。当使用相干QAM调制(正交调幅)时，为了要克服上述问题，必须极大地增加解调器的复杂程度。一个解决方案包括使用差动调制即DAPSK(差分振幅相位调制)集，其中信息以振幅和相位的增量编码。这种差分编码不再需要接收信道估算，并且很大程度上减小接收机和发射机时钟之间的频率偏移的影响。但是对于与QAM调制性能相应的相同SNR(信噪比)值，当完全使用差动调制时接收机复杂性的降低必然伴有比特差错概率的增加。

另一方面，ADPSK调制(振幅差动相位调制)在先有技术中己经公知，正如在以下文献中提及的：“在衰落信道上差分编码发射的比较和优化”，L.Lampe和R.Fisher，Proceedings ISPLC’99；“在电力线上非相干发射的性能评价”，L.Lampe，R.Fisher和R.Schober，Proceedings ISPLC’00；“用于在衰落信道上发射的差分编码的战略”，R.Fisher，L.Lampe和S.Calabro，International Journal on E1ectronicsand Communications。

所述调制是在前述两种调制(QAM和DAPSK)之间混合的调制，就接收机性能和复杂性而言，所述调制代表一个介于两者之间的中间点。换言之，所述调制消除数字通信系统中接收机和发射机时钟之间的频率偏移引起的问题，减小信道估算的复杂性，因为它只需要在振幅上估算信道。因此，就实用角度而言，ADPSK调制表示在接收机的性能和复杂性之间最好的折衷方案。

另一方面，假如要求始终获得最大数据传输率，必须使调制的每载波比特数适应信道所提供的容量。换言之，在给定目标比特差错概率的条件下，寻求使用最大的每载波比特数，以确保误差概率等于或者小于这个值。而且，在多点对点或多点对多点的多用户通信中，发射机可以单一数据帧通过不同信道向几个接收机发送信息。因此，在单一帧中将使用不同的并列模式(constellation)。要达到最大数据传输率的另一重要因素是要减小开销(系统进行正确的数据接收所需的、与信息一起发送的控制信息)。假如使用基于例如OFDM(orthogonal frequency division multiplexity：正交频分多路通信)的使用多载波的发射战略，在这情况要比在使用单一频率信息载波的数字通信中，符号的时间(times of symbols)要长得多，包含更多的信息，则这个开销尤为重要。

ADPSK调制有二个重要要求。第一个要求是由于该信息的一部分以相位增量编码，它必须预先发送建立接收机的相位基准的符号。同样，信息的其余部分以所接收的符号的振幅值编码。因此，第二个要求是必须估算信道响应的振幅值，以在接收机上校正其效用。此外，真实信道总是会随时间有一定的特性改变，这迫使接收机要进行对初次估算的跟随和更新。

上述的文献描述了ADPSK调制器和解调器的运行和性能，而没有描述在单一数据帧中使用不同并列模式的可能性。在后一场合，为了改变并列模式，需要发送新的相位基准，即很大程度地增加调制器的复杂性，这妨碍这种调制的实际实施，不能得到最佳的多用户通信。本发明的方法可解决这个问题，允许在帧的开始发送单一相位基准，容易实际实施低复杂性调制器。

同样，本发明允许以这样的方式在帧中插入数据符号：使得发射机数据不将送往的用户可以监测信道并跟随其变化。

发明内容

为了达到上述目的和避免上述缺点，本发明涉及适用于执行用户多路设备的双向通信的任何通信系统的标准化差分同相与相干振幅调制的方法。在这种调制中信息以振幅和相位的增量被调制，正如前文提及的，需要在发送信息符号之前发送相位基准符号。本发明的特征在于：以相位差调制的信息属于按照所用的并列模式的相数而定的可能的信息集，在该信息集和对应于具有最大相数的并列模式的被调制的可能信息集之间进行单射(injective)操作。该操作包括将与第二集元素数量相同的第一集的元素投射，产生由具有最大相数的并列模式形成的各点的以弧度测量的最大间隔。这样，输入相位差动调制器的信息属于该第二集。

在接收中进行的信道均衡分二步进行，其中第一步是获得信道衰减的初次估算，而第二步借助于自适应算法跟随并减小初次估算的剩余误差。

在接收中，为了执行信道衰减的初次估算，要使用相位基准符号和接收一定数量的随后符号。由基准构成的该集符号和在该基准集后的一系列符号集具有一预知的振幅值。通过将构成该集的符号的振幅累加并除以组成所述集的符号数求平均来进行估算。

此外，由于本发明的方法，在这些跟随在基准符号后的符号中，以相位差编码的信息被发送，由此，这些符号用于发送信息，并用于进行信道衰减的初次估算。

另一方面，该信道衰减的初次估算被用作自适应算法的初始输入，该算法根据所接收的调制信息使信道振幅变化被跟随并使初始估算的误差减小。

为了改善信道的跟随，并使得不是信息接收方的用户可执行所述跟随，在由发射机向接收机指示的某些瞬间具有已知相位与振幅的编码信息的符号被插入帧中。

本发明所述的方法使得优化多用户通信系统的实现成为可能，通过允许在单一帧中并列模式即用户能被改变，将开销减至最小并减少调制器和解调器的复杂性。而且，它便于以用于振幅或信道衰减估算的符号来发送信息。同样，它允许对不是信息接收方的用户更新信道的初始估算。这样，除了用相位增量的信息，还可通过将符号插入所述已知的振幅帧中来使信道的变化可被及时跟随。

下文，为了更好地理解本说明，作为其组成部分提供了一些附图，它们以图示但非限定的方式描述本发明。

附图说明

图1是表示组成本发明方法的ADPSK调制器的实施例的框图。

图2表示按本发明运行的ADPSK解调器的框图。

图3表示在实现本发明方法的系统中使用的帧结构。

具体实施方式

在下文结合附图中所用标号，详细说明本发明实施例。

正如在背景技术中己经评论的，ADPSK调制是一种在DAPSK(差分)调制和QAM(相干)调制之间的混合调制。因此，要被调制的比特变换为振幅a_k(要被调制的信息变换为振幅)和Δb_k相位增量(要被调制的信息以相位增量表示)，假定M个并列模式(constellation)点以R个圆环和P个相位分布，按照下列公式：

{(a_k，Δb_k，)，k＝...，0，1，2，...}，

式中：

a_k∈{0，1，...，R-1}

Δb_k∈{0，1，...，P-1}

调制值的低通等效表达式为：

$S_k=\mathrm{\λ}(A+{\mathrm{\μa}}_k)e^{i(2\mathrm{\π}/P)b_k}$

式中A是第一环相对于中心的位移，μ是修改圆间间隔的系数，以及

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{A^2+\mathrm{\μ}(R-1)(A+\frac{\mathrm{\μ}(2R-1)}{6})}}$

用来将并列模式标准化为幂(power)单位。

Y：

       b_k＝(b_k-1+Δb_k)modP

该式表示相位的差分特征。R、P、A和μ的值确定并列模式的几何结构，因此确定其性能。通过使接收中的比特差错概率为最小来获得最佳值。对于每一个μ值有使所述误差概率最小的A值，因此，为了简化本发明方法实施例中的计算，μ值设定为1，因此前述方程变为如下：

$S_k=\mathrm{\λ}(A+a_k)e^{j(2\mathrm{\π}/P)b_k}$

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{A^2+(R-1)(A+\frac{2R-1}{6})}}$

在本实施例中，对于每一个并列模式的最佳值列出如下：

比特	点	构形(P×R)	A	μ
					2	4	4×1	1	1
3	8	4×2	0.8	1
					4	16	8×2	1.7	1
5	32	8×4	1.7	1
					6	64	16×4	2.5	1

在给定调制特性的条件下，解调器需要一个相位基准来开始解调相位增量中的编码比特，并需要估算信道的衰减以均衡振幅并能解调在振幅中的编码比特。在本实施例中，为了实现点对多点通信，使用多个载波(OFDM)，每个载波被以ADPSK方式调制。在OFDM通信中，相位基准是一种开销(overhead)符号，就如在进行信道振幅初始估算所需要的符号一样。此外，在点对多点通信中(由一个节点发送的信息帧可以载送给几个节点的信息)，其中，为了使数据传输率最大，每个用户会使用一些不同的每载波比特数，每个用户所需的每载波比特数的变化会要求新的增量相位，并伴随开销的增加，否则就需要一种更为复杂的调制器，这意味着严重的问题。

包含本发明所述方法的调制器(图1)可用本发明的方法解决所述多用户通信问题。

在给定并列模式对于各每载波比特数的并列模式的最佳构形的条件下，可能的相位值始终是具有最密集点的并列模式的可能相位值的子集。由于调制的特性，调制器将发送不能含有信息的相位基准作为帧的第一符号。此后，为了允许并列模式即用户被改变而不必发送另一相位基准，在对应于要被使用的并列模式的Δb_k∈{0，1，...，P-1}和具有最大相数的并列模式的Δb′_k∈{0，1，...，P_max-1}之间以下列方式进行单射操作：

Δb′_k＝Δb_k·P_max/P

图1示出调制器的框图，其中，该调制器处接收的是：输入a_k(2)、Δb_k(1)、要被调制的载波的比特数(3)以及指示相位基准符号是否正被处理的输入(17)。

调制器的输出是Re{S_k}即相位分量(12)和Im{S_k}即求积分量(13)。以上阐明的单射操作由框(4)进行，从而得到Δb_k(11)。对于上述的最佳并列模式，商P_max/P是2的幂。因此，只有输入值(1)须按每载波比特数(3)被替换。通过框(5)，差动相位调制以下列方式实现：

b′_k＝(b′_k-1+Δb′_k)modP

$S_k=\mathrm{\λ}(A+{\mathrm{\μa}}_k)e^{j(2\mathrm{\π}/P)b_k^{\′}}$

式中b′_k-1(16)是从存储器(9)取出的前一符号的相位值，相位增量Δb′_k(11)与其相加而得到绝对相位值b′_k(15)。如上所述，在帧的开始必须发送相位基准。为此目的，指示发送相位基准的信号(17)控制开关(14)，以在输入值Δb′_k(11)或增量的结果b′_k(15)之间作出选择。该输出值(18)被保存在存储器(9)中，以在随后的符号中使用。因此，s_k以基准相位表示如下：

$S_k=\mathrm{\λ}(A+\mathrm{ak})e^{j(2\mathrm{\π}/P\max ){\mathrm{\Δb}}_k^{\′}}$

调制器的有效执行要求2个具有包含下列值的Pmax位置的存储器(7)：

$\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{P_{\max }}j\right),j=0...P_{\max }-1---\left(19\right)$

$\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{P_{\max }}j\right),j=0...P_{\max }-1---\left(20\right)$

但是考虑到以下三角比，存储器(7)的容量可以减小到Pmax/4+1：

cos(-φ)＝cosφ

cos(π-φ)＝-cosφ

sin(φ)＝cos(φ-π/2)

仅包含

$\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{P_{\max }}j\right),$ $j=0...\frac{P_{\max }}{4}$

框(8)将信号(18)变换为二个适当的用来索引存储器(7)的变趾，以获得(19)和(20)。

要被以振幅a_k调制的信息(2)和每载波比特数(3)确定在存储器(6)得到的振幅值。存储器(6)包含值λ(A+a_j)(21)，因此，它具有与所使用的全部并列模式的可能数量之总和一样多的位置。若信号(17)指示必须发送相位基准，则只是对应于每载波2比特的并列模式的(相位中含有信息且具有己知振幅)振幅被选择。该相位基准符号是接收中为了估算信道而使用的符号中的一个。最后，调制器通过若干乘法器(10)得到相位分量(12)和求积分量(13)。

图3表示在本发明实施例中用于多用户的帧结构。第一符号(44)是相位基准，后面跟随的是用每载波2比特调制的并且可以送往所有可能的接收用户的一系列符号(45)。由所述符号(45)和相位基准(44)组成的该集也同样被用在各用户的接收机中，用于信道的初始估算。符号(45)载有经相位调制的信息，因而可减小信道估算的开销。此后，用一定的每载波用比特数调制的数据符号(46)被发送，可送往一个特定用户或一组用户。并且，己知振幅符号(47)(在本实施例中它是用每载波2比特调制的)被插入该帧中。这种调制为所有实现本发明方法的设备所知，使得还不是上述数据符号(46)的接收方的用户可以更新它们对信道振幅的估算，从而跟随信道振幅的变化。这些符号再次载有相位调制的信息。

图2是表示本发明方法的实施例的用于多用户通信系统的解调器的框图。被接收的经调制低通信号(21)在框(22)中变换为极信号，得到相位Φ_k(24)和接收振幅A_k(23)。相位增量

是通过用减法器(27)将接收的相位Φ_k(24)减去前一符号的相位Φ_k-1(26)而得到的，相位Φ_k-1(26)从它原先被存储的存储器(25)取出：

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\Φ}}={\mathrm{\Φ}}_k-{\mathrm{\Φ}}_{k-1}$

在该运算后，接收的相位Φ_k(24)总是存放在存储器(25)中Φ_k-1原先存放的位置。该相位增量 伴随有噪声，为此要确定它对应于被发射的可能增量中哪一个。相位检测器(29)通过从接收的相位增量

中选择(就欧几里德距离而言)最接近的一个作为被发射增量(43)来执行此任务。并列模式(31)的比特数确定可能被发射相位增量的集。

另一方面，借助信号(30)使检测器(29)在相位基准符号上无能力。

接收的振幅A_k(23)被以不同方式处理，因为它不具有差分性质。首先必须进行信道衰减估算，以能将接收的振幅均衡并检测它。信道的估算由框(36)执行。

信道估算器(36)通过最初的s个符号((44)和(45))计算平均值，再以下列方式计算为均衡振幅所需的权重

$\mathrm{attn}=\frac{\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i}{S}$

$\hat{w}=\frac{1}{\mathrm{attn}}$

为了增加A_k(23)的值并为了保持将加在第s+1个符号上的所计算的权重 使用存储器(37)，其相同位置可被重复使用。信道估算信号(33)指示在哪些符号期间须计算其平均值。此外，在正在计算为均衡振幅所需的权重的条件下，通过更新权重 的装置和振幅检测器(32)使框(35)无能力。接收的振幅值A_k(23)经乘法器(38)均衡，以获得输入振幅值 并将它加到振幅检测器(32)上。被输入检测器的振幅 伴随有噪声，为此检测器(32)须确定它对应所发射的可能振幅中哪一个振幅。并列模式(31)的每载波比特数确定所发射的可能振幅的集。被检测的振幅A_k(42)是(就欧几里德距离而言)离经均衡的被接收振幅 最近的一个。同样，振幅检测器(32)以下列方式计算振幅误差即噪声e_k(40)：

$e_k={\stackrel{\‾}{A}}_k-{\hat{A}}_k$

当用户是信息的目的方时，且因此知道并列模式的每载波比特数，用户可以借助于使e_k(40)为最小的自适应算法更新其对信道的初始估算，更新权重 该算法在权重更新框(35)中执行，权重更新框(35)在信道的初始估算时(信号(33))和当接收的并列模式不是己知时无能力信号(34)产生时成为无能力，如图所示。自适应算法(作为接收的振幅输入)需要：A_k(23)、经计算的误差e_k(40)和已加到接收的振幅上并从存储器(37)取出的权重值

框(35)计算新的权重值，新的权重值被保存在存储器(37)中，并且将被加到从下一符号起接收的振幅上。因此，不是信息目的方的用户或者不知道所用的并列模式的用户可以跟随信道的变化，完善他们的初始估算。已知振幅(47)的符号在本发明实施例中用2比特调制，用来更新权重值

被插入帧中，更好地按信道调节。这样，所有用户都能保持他们对被更新信道的初始估算。信号(34)使更新框(35)在这些符号期间有能力。通过基于被检测符号的框(35)的迭代处理，这些符号(47)也允许对信道估算中可能产生的偏差进行校正。

Claims (6)

1.一种用于多用户通信的标准化的差分同相与相干振幅调制的方法，适用于用户多路设备双向通信，其中使用了需要在信息发送前发送一相位基准符号的差分同相与相干振幅调制，其特征在于：要用相差调制的信息属于根据要使用的并列模式的相数而定的可能的信息集，在该信息集和对应于具有最大相数的并列模式的可能被调制的信息集之间进行单射操作，该操作包括将第一集的元素投射到数量相同的第二集元素中，产生由具有最大相数的并列模式产生的各点的以弧度测量的最大间隔；以使被输入相差调制器的信息属于该第二集，因而减小了开销(为正确的数据接收所必需的、与数据一起发送的控制系统的信息)，并且优化了在单一帧内并列模式或用户的变化。

2.权利要求1所述的用于多用户通信的标准化的差分同相与相干振幅调制的方法，其中进行接收中的信道均衡，其特征在于：所述信道均衡分两步进行，其中第一步进行信道衰减的初始估算，而第二步通过自适应算法跟随和减小所述估算的剩余误差。

3.权利要求2所述的用于多用户通信的标准化差分同相与相干振幅调制的方法，其特征在于：所述信道衰减的初始估算通过使用相位基准符号和一定数量的随后接收的符号进行，其中由基准符号和随后符号构成的集的符号具有一预知的振幅值；通过将从所述集的符号接收的振幅累加，并在构成所述集的符号数之间求平均而进行所述估算。

4.权利要求3所述的用于多用户通信的标准化差分同相与相干振幅调制的方法，其特征在于：在相位基准之后以用于所述信道衰减初始估算的符号中的相位差来发送编码信息。

5.权利要求3所述的用于多用户通信的标准化差分同相与相干振幅的调制的方法，其特征在于：所述信道衰减的估算被用作自适应算法的初始输入，以根据所接收的调制信息跟随信道振幅的变化并减小在第一次估算中的误差。

6.权利要求1所述的用于多用户通信的标准化差分同相与相干振幅的调制的方法，其特征在于：在由发射机向接收机指示的某些瞬间已知的振幅符号与同相编码信息一起发送，以有选择地改善振幅估算、信噪比或同时改善二者。

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