CN1926797A - 在低信噪比下发送和接收qam信号的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于电信网络对任何数据率在0dB以下SNR(信噪比)下发送和接收QAM信号的系统包括两个装置。第一个装置可以用于发送。单元(1)－(4)把具有时钟频率f_t(18)的输入位信息序列(17)变换成两个并行的具有时钟频率(a)的m级序列，形成第一和第二信道，其中k＝log₂(m)。单元(5)形成附加信号(b)、(c)，其中ω_t＝2πf_t。单元(6)、(7)将第一和第二信道的m级序列与信号(b)相乘以便消除在接收端的相位模糊，而单元(8)、(9)把它们与信号(c)相加，限定输出频谱中的附加导频信号的电平。滤波器(10)、(11)形成基带QAM信号频谱，而单元(12)－(16)移动在中频或载频的频谱。第二个装置可以用于接收。使用的两个PLL(锁相环)系统进行的在接收端的载频和时钟频率的恢复利用信号频谱附加导频信号的有效性。这允许对0dB以下信噪比建立同步。在这种情况下，附加损耗共达0.3－0.7dB。

Description

在低信噪比下发送和接收QAM信号的系统和方法

已知一些在现代电信系统中应用的发送和接收QAM(正交振幅调制)信号[1]的方法。这种QAM信号在解调时的功率损耗由以下几方面限定：

-载频的恢复方法；

-时钟频率的恢复方法；

-相邻信道的选择性；

-通信信道的干扰性质或脉冲特性。

由此，在其载频停止被提取的解调门限，即S/N比，受信号的形成方法和从该形成信号提取载波的方法限定。

对于如QPSK的现代型调制，在其提取载频的S/N比的门限达到3-6dB或按照E_b/N_o达到4.5-5dB(对于3/4的维特比的干扰稳定编码率)，而对于8PSK型的调制，解调门限更大-约10dB。由此，在这点上接收是不稳定的，因为信号可能降低，然后再被捕获。

为了达到香农(shannon)门限，对于QPSK调制在非编码信号上的解调已经在S/N＝4.8dB下进行，并且在编码时S/N的门限值要更小(对于1/2的编码率为0dB，对于1/3的编码率为-2.3dB，以及对于1/4的编码率为-3.8dB)。

目前，已知允许达到香农门限的干扰稳定编码，例如涡轮编码的系统。障碍因素是缺少因为缺少同步而能够在如此低的S/N比下工作的解调，这与信号形成和从该信号提取载波的方法有关。在利用如QPSK、8PSK、16QAM等这样类型调制的信号频谱中没有载波残余，所以，通过非线性变换和随后的滤波从接收的信号中提取相干波动。这样的变换是频率倍增的方法，频率倍增能够通过把输入信号提升成M级(对于QPSK提升成第4级，对于8PSK提升成第8级，如此等等)来实现。但是，不仅信号而且噪声也被提升到限制载波恢复门限的级数，由此形成相位模糊。消除该相位模糊需要把相对编码引入到信号中，而这引入了附加的功率损耗。

在应用提供的数据发送和接收方法时，实现解调门限的显著减小。

权利要求书的第1项和第2项表征提供的方法。

在本发明的权利要求书的第3项中披露了根据在第1项中提供的第一个方法制作的系统；在本发明的权利要求书的第4项中披露了根据在第2项中提供的第二个方法制作的系统。

在接着的借助附图举例说明的详细描述中将详细地表示出本发明的特征和优点。这些附图有：

图1为按第一个方法形成发送信号的示意图；

图2为按第一个方法处理接收信号的示意图；

图3为按第二个方法形成发送信号的示意图；

图4为按第二个方法处理接收信号的示意图；

图5为按第一个方法形成信号时在示意图的若干特征点上的信号波形图。

图1和图2分别表示按本描述过程中披露的由第一个数据发送方法实现的装置系统的发送和接收部分。

图1表示输入位序列19形成用于发送的信号21的装置。

具有等于f_t的时钟频率20(图5a)的信息位序列19(图5b)来到单元1的输入端。在该单元，该信息位序列变换成具有时钟频率f_t/k的m级序列(在图5c中m＝2，)，其中k＝log₂m(m＝2，k＝1)，借助单元2被接收。在单元4，m级序列变换成短脉冲的m级序列(图5d)，借助单元6(图5e)和单元7(图5d)分别地分离成偶数和奇数短脉冲序列，分别形成第一和第二信道。为此，利用互相相对移动180°的来自单元3的输出端的时钟频率f_t/k的信号。然后，借助单元8从时钟频率f_t/k的信号中形成信号 (图5g)和

(图5h)，其中ω_t＝2πf_t。

来自单元6输出端的第一信道的序列在单元9与由单元5形成的一个固定分量相加。然后，第一信道的信号在单元10(图5i)与信号 相乘，来自单元7输出端的第二信道的信号在单元11(图5j)与信号 相乘。如此接收的信号分别在单元12(图5k)和单元13(图51)经受具有通带边缘f_t/4k的滤波。在单元12输出端的第一信道的信号中除了由信息序列形成的分量外，还有

型的信号，其电平由单元5形成的引入的固定分量的电平限定。然后，来自单元12输出端的信号在单元15与信号Cosω₀t相乘，其中：

-在单元14形成的载频的频率；来自单元13输出端的信号在单元16与由单元17从信号Cosω₀t形成的信号Sinω₀t相乘。作为相乘结果而接收的信号在单元18相加，于是形成用于发送的输出信号21。

 在这个信号中除了由信息序列形成的分量外还有频率为 和 的附加分量，其电平将限定附加的功率损耗。如果它们的功率是主信号功率的5-7％，与这些附加分量相关的损耗将等于0.2-0.3dB。

图2表示在接收和恢复信息序列45时用于处理接收信号22的装置。

在接收端，借助单元23，信息信号22被放大、预滤波和转换到中频

来自单元23输出端的中频信息信号分别通过在单元33和34其乘以信号Cos(ω_IFt)和Sin(ω_IFt)来经受解调，分别形成第一和第二信道。第一和第二信道的信号在单元35和36中被滤波，提取从0到

的频率分量。在单元12、35中和13、36中的滤波相互间有关联，并以如此方式进行，使得单元12和35的通过脉冲特性与单元13、36一样能提供最小符号间畸变，即例如能满足奈奎斯特准则[2]，以及能考虑到由m级信息序列的短脉冲的最终持续时间引起的信号频谱的畸变。

然后，第一信道的信号用于由单元24、25、26、27、28组成的用于提取时钟频率f_t/k的信号和信号

和

的第一PLL(锁相环)系统。为此，在单元27中，借助形成器24的信号

的-π/2相移接收的信号 与来自滤波器35输出端的第一信道的信号相乘。由滤波器28处理的单元27的输出信号用于调整时钟频率f_t/k的发生器24，借助形成器25从该时钟频率形成信号

借助由单元29、30、31、32、34和36组成的第二PLL系统提取信号Cos(ω_IFt)和Sin(ω_IFt)。为此，在单元36输出端的第二信道的信号在单元31中与形成器25的信号 相乘。由滤波器32处理的单元31的输出信号用于调整发生器29。

为同步第一和第二PLL系统两者，使用在发送端引入的频谱分量

和 借助单元38信号

按被赋予的比例从在单元37中的第一信道的信号中减去，并由在发送端加到偶数m级短脉冲序列的信道的固定分量值限定。然后，第一信道的信号在单元39中与信号

相乘，而第二信道的信号在单元40中与信号

相乘。相乘的结果在单元41中相加。接收的信号在单元42中经受具有时钟频率f_t/k的模数转换，在输出端接收m级信息序列。借助在单元43中形成的时钟频率f_t的信号，m级信息序列借助转换器44转换成为输出信号的位信息序列45。

上面披露的方法能应用于偏置QAM(O-QAM)信号。在使用的情况下，它是非偏置QAM信号，其中，在发送时一个信号少量的形成在另一个信号上。来自单元6(图1)的输出端的第一信道的序列在单元10中与信号

相乘，然后与信号

相叠加，其中：A-由单元5产生再由单元12滤波的固定分量值。在这种情况下，附加信号与在接收端上的信息抽样合并，不需要在单元37中(图2)减去它。

图3和图4分别表示按第二个数据发送方法实现的装置系统的发送和接收部分。

图3表示输入位序列17形成用于发送的信号19的的装置。

具有等于f_t的时钟频率18(图5a)的信息位序列17(图5b)来到单元1的输入端。在单元1中，它被转换成具有时钟频率f_t/k的m级序列(在图5c中m＝2，)，其中k＝log₂m(m＝2，k＝1)，借助单元2被接收。在单元4中，m级序列转换成2个并行的具有时钟频率f_t/2k的m级序列，形成第一和第二信道。

然后，借助单元5从时钟频率信号

中形成信号 $\mathrm{Cos}\frac{{\mathrm{\ω}}_t}{4k}t({\mathrm{\ω}}_t=2\mathrm{\π}{f}_t),$ 它是短脉冲1、0、-1、0、...的序列，以及形成

它是短脉冲0、A、0、-A、...的序列。幅度A限定用于发送的输出信号中的附加分量的电平。

第一和第二信道的M级序列分别在单元6和7中与信号

相乘，接收M级短脉冲的序列。在单元8和9中的两个信道的信号与信号 相加。如此接收的信号分别在单元10和11中经受具有边缘频率 的滤波。在滤波器10、11输出端的两个信道的信号中除了由信息序列形成的分量外，也存在信号

其电平由赋值A的电平限定。

然后，来自滤波器10输出端的信号在单元13中与信号Cosω₀t相乘，其中：

-在单元14中形成的载波波动的频率。来自滤波器11输出端的信号在单元14中与由单元15从信号Cosω₀t形成的信号Sinω₀t相乘。作为相乘结果被接收的信号在单元16中相加，于是形成用于发送的输出信号19。

这个信号除了由信息序列形成的分量外，还有频率为 和

的附加分量，其电平将限定附加功率损耗。

图4表示在接收和恢复信息序列48时用于处理接受信号20的装置。

在接收端，信息信号20借助单元21被放大、预滤波和变换到中频

来自单元21输出端的中频信息信号分别在单元36和37中通过其与信号Cosω_IFt和Sinω_IFt相乘来经受解调，分别形成第一和第二信道。第一和第二信号借助具有频率边缘

的低通频滤波器38、39被预滤波并在单元40、41中进行具有时钟频率

的模数转换。然后，两个信道的信号借助滤波器42和43以最佳方式被滤波，以便提取从0到

的频率分量。在单元10(图3)、42和11(图3)、43中的滤波在它们本身之间有关联，并且以这样方式进行，使得单元10和42的通过脉冲特性与单元11和43的一样能提供最小的符号间畸变(intersimboldistortions)，即例如满足奈奎斯特准则[2]，以及考虑到由m级信息序列的短脉冲的最终持续时间引起的信号频谱的畸变。

为了在PLL系统中的使用，第一和第二信道的信号分别在单元26和32中被滤波。滤波器26和32是高通频率滤波器或通过滤波器(pass filters)，它们对频率

被调整，并为提取信号 和减少信息频谱的影响而被需要。

为提取时钟频率信号f_t、

和信号

使用由单元22-29、32、40-43形成的第一PLL系统。为此，滤波器26和32的输出信号在单元27中相加并在单元28中与形成器24的信号

相乘。由环路滤波器29处理的单元28的输出信号用于调整时钟频率f_t的发生器22。借助分频器23从f_t接收时钟频率

再借助形成器24接收信号

为提取信号Cosω_IFt和Sinω_IFt，使用由单元26、30-43形成的第二PLL系统。为此，滤波器32的输出信号在单元中从滤波器26的输出信号中减去并在单元34中与借助形成器24的信号 的-π/2相移接收的信号

相乘。由环路滤波器35处理的单元34的输出信号用于调整形成信号Cosω_IFt的发生器30并借助信号Sinω_IFt的转相器31移相-π/2。

然后，来自滤波器42和43的输出端的第一和第二信道的信号分别在单元44中和45中与信号

相乘，这是具有时钟频率 的序列1、0、-1、0、...，用于消除载波提取时的相位模糊。如此接收的两个m级序列借助变换器46合成一个具有时钟频率 的m级序列，它又利用单元47变换成具有时钟频率f_t的位信息序列48，这是输出信号。

所以，在提供的数据发送和接受方法中，借助普通PLL，利用线性方法在接收端提取具有频率 的载频，这使用具有频率f_IF和 的调整的发生器，这总是将用于QPSK信号的解调门限减小到最小，为6dB，而对8PSK信号减小的更多。在这种条件下的解调器具有不大于0.5dB的损耗，这与现有的解调器的损耗不相上下，并允许在-3dB和更小的信噪比下工作。以这样方式制造发送部分，使得在接收端不需要为提取载频而利用第4、第8和第16级的非线性变换，在现有的解调器中这是需要的。所提供的方法中的解调器成为通用的，适于任何QAM信号的解调。此外，它去掉了在解调时的相位模糊，这意味着无需为消除相位模糊而引入相对编码，并因此额外地减少了功率损耗。

所有在所提供的发送和接收QAM信号的方法中应用的单元实际上是可行的。所以，它能够以调制解调器形式与例如涡轮编码结合而迅速实行，该调制解调器能容易地放在已经存在的无线电通信基础结构中，而且，在维持现有数据发送率的条件下，它的技术特性使功率和频率资源有可能节约。

文献：

1.Webb W.，Hanzo L.Modem Quadrature Amplitude Modulation.Principlesand Applications Fixed and Wireless Communications.-London：PentechPress，IEEE PRESS-1994.p.115-128.

2.Webb W.，Hanzo L.Modem Quadrature Amplitude Modulation.Principlesand Applications Fixed and Wireless Communications.-London：PentechPress，IEEE PRESS-1994.p.101-115.

Claims (4)

1.适用于任何数据率的电信网络的在0dB以下信噪比下发送和接收QAM(正交振幅调制)信号的方法，具有以下步骤：

--对于发送：

-把具有时钟频率f_t的初始信息位序列转换成具有时钟频率f_t/k的m级序列，其中k＝log₂(m)，

-把m级序列转换成m级短(具有备用系数＞＞2)脉冲的序列，

-分成具有时钟频率f_t/2k的偶数和奇数m级短脉冲的序列，分别形成第一和第二信道，

-把第一信道的信号与固定分量相加，

-分别把第一信道的信号与信号 相乘和把第二信道的信号与信号

相乘，

-把每个信道的信号滤波，提取从0到 的频率分量，

-把第一信道的信号与信号Cosω₀t相乘并把第二信道的信号与信号Sinω₀t相乘，其中：

-载频的频率，

-把两个信道的结果信号相加，形成发送信号；

--对于接收：

-转换到中频

-从出现在输入频谱中的信号

和

中借助第一PLL(锁相环)系统提取时钟频率

的信号和信号 借助第二PLL系统提取信号Cosω_IFt、Sinω_IFt，

-通过将中频信号乘以信号Cosω_IFt和Sinω_IFt来解调中频信号，分别形成第一和第二信道，

-把每个信道的信号滤波，提取从0到

的频率分量，

-从第一信道的信号按加到对第一信道的发送端的固定分量值限定的比例提取信号

-把第一信道的信号与信号

相乘并把第二信道的信号与信号

相乘，

-把两个信道的结果信号相加，

-把该信号转换成具有时钟频率 的数字形式，以接收m级信息序列，

-把具有时钟频率

的m级信息序列转换成具有时钟频率f_t的位信息序列，这是输出信号。

2.适用于任何数据率的电信网络的在0dB以下信噪比下发送和接收QAM(正交振幅调制)信号的方法，具有以下步骤：

--对于发送：

-把具有时钟频率f_t的初始信息位序列转换成具有时钟频率

的m级序列，其中：k＝log₂(m)，

-把具有时钟频率

的m级序列转换成2个具有时钟频率

的并行序列，分别形成第一和第二信道，

-把第一和第二信道的信号与信号

相乘，这是具有时钟频率 的短脉冲1、0、-1、0、...的序列，

-把第一和第二信道的信号与信号

相加，这是具有时钟频率

的短脉冲0、A、0、-A、...的序列，

-把每个信道的信号滤波，提取从0到

的频率分量，

-把第一信道的信号与信号Cosω₀t相乘并把第二信道的信号与信号Sinω₀t相乘，其中：

-载波波动的频率，

-把两个信道的结果信号相加，形成发送信号；

--对于接收：

-转换到中频

-利用在频率

和

的输入信号频谱中的分量，借助第一PLL系统提取时钟频率f_t、 的信号和信号

并借助第二PLL系统提取信号Cosω_IFt、Sinω_IFt，

-通过将中频信号乘以信号Cosω_IFt和Sinω_IFt来解调中频信号，分别形成第一和第二信道，

-把第一和第二信道的信号转换成具有时钟频率

的数字形式，

-把每个信道的信号滤波，提取从0到 的频率分量，

-把第一和第二信道的信号与信号

相乘，这是具有时钟频率

的序列1、0、-1、0、...，用于消除恢复信息的模糊，

-把具有时钟频率 的第一和第二信道的两个m级信号转换成一个m级信息序列，

-把具有时钟频率

的m级信息序列转换成具有时钟频率f_t的位信息序列，这是输出信号。

3.用于任何数据率的电信网络的在0dB以下信噪比下发送和接收QAM(正交振幅调制)信号的系统，由以下部分组成：

--形成用于发送的信号的第一装置，包括：

-把具有时钟频率f_t的信息位序列转换成具有时钟频率f_t/k的m级序列的转换器(1)，其中：k＝log₂(m)，

-从时钟频率f_t的信号接收时钟频率f_t/k的信号的k分频器(2)，

-两个时钟频率f_t/2k的信号的形成器(3)，第一个具有相位0，第二个具有相位π，分别控制单元(6)和(7)，

-把m级序列转换成m级短(具有备用系数＞＞2)脉冲的序列的转换器(4)，

-固定分量的形成器(5)，

-分别提取具有时钟频率f_t/2k的偶数和奇数抽样的序列并形成第一和第二信道的开关(6)和(7)，

-从时钟频率f_t/2k的信号形成信号 和

的形成器(8)，

-将第一信道的信号与固定分量相加的加法器(9)，

-分别用于将第一和第二信道的信号与信号

和 相乘的乘法器(10)和(11)，

-分别用于第一和第二信道的滤波、提取从0到 的频率分量和形成最佳发送频谱的滤波器(12)和(13)，

-把第一信道的信号与信号Cosω₀t相乘的乘法器(15)，其中：

-载波频率，

-把第二信道的信号与信号Sinω₀t相乘的乘法器(16)，其中：

-载波频率，

-载波信号Cosω₀t的发生器(14)，

-形成信号Sinω₀t的-π/2的转相器(17)，

-把第一和第二信道的结果信号相加并形成用于发送的信号(21)的加法器(18)；

--接收时处理信号的第二装置，包括：

-放大、预滤波和将输入信号的频谱变换到中频 的预选器(23)，

-信号Cosω_IFt的由频率控制的发生器(29)，

-从信号Cosω_IFt接收信号Sinω_IFt的-π/2转相器(31)，

-把信号Cosω_IFt与在中频处的输入信号相乘并形成第一信道的乘法器(33)，

-把信号Sinω_IFt与在中频处的输入信号相乘并形成第二信道的乘法器(34)，

-分别用于第一和第二信道的最佳滤波的具有通带边缘 的滤波器(35)、(36)，

-时钟频率f_t/k的控制发生器(24)，

-从时钟频率信号f_t/k形成信号

的形成器(25)，其中：ω_t＝2πf_t，

-从信号 接收信号 的-π/2转相器(26)，

-把来自滤波器输出端(35)的第一信道的信号与信号 相乘的乘法器(27)，

-提取时钟频率信号

和信号

和

的，与单元(24)、(25)、(26)、(27)联合组成第一PLL系统的环路滤波器(28)，

-把来自滤波器输出端(36)的第二信道的信号与信号 相乘的乘法器(31)，

-提取信号Cosω_IFt和Sinω_IFt的，与单元(29)、(30)、(31)、(34)、(36)联合组成第二PLL系统的环路滤波器(32)，

-补偿为发送而引入的由固定分量值限定的在第一信道的信号

的分量的加法器(37)，

-为在单元(37)中的补偿而为信号 的赋值的衰减器(38)，

-把第一信道的信号与信号

相乘的乘法器(39)，

-把第二信道的信号与信号

相乘的乘法器(40)，

-把第一和第二信道的结果信号相加的加法器(41)，

-模数转换器(42)，为形成m级信息序列而把模拟信号转换成具有时钟频率f_t/k的数字码，

-为接收时钟频率f_t而将时钟频率f_t/k乘以k的乘法器(43)，

-把具有时钟频率f_t/k的m级信息序列转换成具有时钟频率f_t的位信息序列(45)并接收该输出信号的转换器(44)。

4.用于任何数据率的电信网络的在0dB以下信噪比下发送和接收QAM(正交振幅调制)信号的系统，由以下组成：

--形成用于发送的信号的第一装置，它包括：

-把具有时钟频率f_t的信息位序列转换成具有时钟频率 的m级序列的转换器(1)，其中：k＝log₂(m)，

-用于从时钟频率信号f_t接收时钟频率

的信号的k分频器(2)，

-用于接收时钟频率信号 的2分频器(3)，

-第一和第二信道的两个具有时钟频率

的m级序列的形成器(4)，

-从时钟频率信号

形成信号

和

的形成器(5)，

-用于将第一和第二信道的信号与信号 相乘的乘法器(6)和(7)，

-将第一和第二信道的信号与信号 相加的加法器(8)和(9)，其中，值A-限定在发送信号的输出频谱中的附加分量的电平，

-分别用于第一和第二信道的滤波、提取从0到

的频率分量并形成最佳发送频谱的滤波器(10)和(11)，

-把第一信道的信号与信号Cosω₀t相乘的乘法器(13)，其中：

-载波波动的频率，

-把第二信道的信号与信号Sinω₀t相乘的乘法器(14)，其中： -载波波动的频率，

-载波信号Cosω₀t的发生器(12)，

-用于形成信号Sinω₀t的-π/2转相器(15)，

-把来自第一和第二信道的结果信号相加并形成用于发送的信号(19)的加法器(16)；

--用于在接收时处理信号的第二装置，包括：

-用于放大、预滤波和输入信号的频谱变换到中频

的预选器(21)，

-信号Cosω_IFt的由频率控制的发生器(30)，

-从信号Cosω_IFt接收信号Sinω_IFt的-π/2转相器(31)，

-把信号Cosω_IFt与在中频处的输入信号相乘并形成第一信道的乘法器(36)，

-把信号Sinω_IFt与在中频处的输入信号相乘并形成第二信道的乘法器(37)，

-用于模数转换前的用于预滤波的具有频率边缘

的低频滤波器(38)、(39)，

-用于把第一和第二信道的模拟信号转换成具有时钟频率

的数字信号的模数转换器(40)、(41)，

-分别用于第一和第二信道的最佳滤波的具有频率边缘

的滤波器(42)、(43)，

-时钟频率f_t的控制发生器(22)，

-接收时钟频率 的k分频器(23)，

-从时钟频率

的信号形成信号

的形成器(24)，其中：ω_t＝2πf_t，

-从信号

接收信号

的-π/2转相器(25)，

-用于分别从第一和第二信道的信号提取在频率

的信号分量的滤波器(26)、(32)，

-把来自滤波器(26)和(32)输出信号相加的加法器(27)，

-从来自滤波器(26)的输入端的信号减去来自滤波器(32)输出端的信号的加法器(33)，

-把来自加法器(27)输出端的信号与信号 相乘的乘法器(28)，

-用于提取时钟频率信号f_t、 和信号

和

的，与单元(22)-(28)、(32)一起组成第一PLL系统的环路滤波器(29)，

-把来自加法器(33)输出端的信号与信号

相乘的乘法器(34)，

-用于提取信号Cosω_IFt和Sinω_IFt的，与单元(30)、(31)、(36)-(43)、(26)、(32)-(34)一起组成第二PLL系统的环路滤波器(35)，

-把第一和第二信道的信号与信号

相乘的乘法器(44)、(45)，

-把具有时钟频率 的第一和第二信道的m级序列转换成一个m级信息序列的转换器(46)，

-把具有时钟频率

的m级信息序列转换成具有时钟频率f_t的位信息序列(48)并接收该输出信号的转换器(47)。

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