CN1946072B - 具二位阶差分式振幅位移调制解调之通讯系统 - Google Patents

Abstract

利用简易的加法运算来解调二位阶差分式振幅位移调制接收信号之架构与方法。在反应通道效应的变化下，动态调整门限值，该门限值可用于判断输入信号之振幅是否变化。另外，仅需判断输入信号之振幅是否变化，而无需确切地侦测其振幅变化率。如此，即可简化硬件复杂度与提高调解器性能。

Description

具二位阶差分式振幅位移调制解调之通讯系统

技术领域

本发明涉及一种通讯系统之解调机制，且特别涉及一种利用二位阶差分式振幅位移调制之解调机制与使用其之通讯系统。

背景技术

在现代人的生活中，通讯技术与通讯系统所扮演的角色已愈来愈重要，其中影响人类最深与最常用的通讯系统包括移动电话与有线/无线网际网络等。近年来，在有线/无线通讯与数字地面广播应用中，基于多载波(multi-carrier)调变的正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)传输技术能特别有效处理多重路径反射效应。多重路径反射效应来自于，比如，在数字通讯或广播应用，传送端通过物理通道(例如空气等介质)将传送信息(information signal)以电磁波形态传输到接收端时，由于该物理通道之特性为非理想，此时将发生多重路径反射与衰减，使得接收信号产生失真。

根据所应用的调变(modulate)技术，OFDM系统可分为同调(coherent)OFDM系统与非同调(non-coherent)OFDM系统。在同调OFDM系统中，为让接收端执行同调解调，传送端会一起传送导频信号(Pilot)与传送信息，接收端便可以利用导频信号进行通道估计与等化，补偿因通道效应造成的失真。常见的同调OFDM系统包括：采用正交振幅调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)的数字电视地面广播(DVB-T，DigitalVideo Broadcasting-Terrestrial)、非对称式数字用户回路(ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line)、超高速数字用户回路(VDSL，Very-high-speed Digital Subscriber Line)和无线局域网络(WLAN，WirelessLocal Area Network)802.11a/g/n等。

在非同调OFDM系统中，传送端则利用差分调变将相邻传送信息的差分量(亦即相对量而非绝对量)发射，接收端利用对应的差分解调方式即可还原传送信息，通道效应的补偿已隐含在差分解调过程中。非同调OFDM系统包括：采用差分式正交相位位移调制(DifferentialQuadrature-Phase-Shift-Keying，D-QPSK)的数字音频广播(DAB，DigitalAudio Broadcasting)、电力线上网系统(Home Plug)以及综合数字广播服务系统(ISDB-T，Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial)。

比较同调与非同调OFDM系统之优缺点，非同调OFDM系统具有两个优点：第一，传送端不需要牺牲频宽来传送导频信号；第二，接收机的设计复杂度较低，这是因为无须执行通道估计与等化的关系。然而，非同调OFDM系统仍有其固有缺点，在于非同调解调的理论性能会较同调解调略差。

上述非同调OFDM系统皆采用D-QPSK调变技术，其对应的解调仅需要简单的乘法运算。利用差分式相位位移调制(D-PSK，Differential PhaseShift Keying)来在相同频宽条件下增加相位上的位数，进一步提高非同调OFDM系统的频谱效益。如此做法虽然依旧能享有前述的两项优点，但较高的信噪比(SNR，Signal-to-Noise Ratio)的要求会使系统变得非常没有效率。因此，差分式振幅与相位位移调制(D-APSK，Differential Amplitude andPhase Shift-Keying)调变技术已被提出用于非同调OFDM系统以提高频谱效益，而D-APSK调变技术由差分式相位位移调制(D-PSK，DifferentialPhase Shift-Keying)以及差分式振幅位移调制(D-ASK，DifferentialAmplitude Shift-Keying)两种技术所组合而成。

以下简介几种D-ASK信号解调的相关公知技术。

第一种公知技术可见于美国专利公开号US200400366471，其名称为“分集接收的差分振幅侦测器(Differential amplitude detection diversityreceiver)”。第一种公知技术为利用除法器作为D-ASK信号解调之天线分集接收机。

在第一种公知技术中，利用取绝对值单元、延迟单元以及除法单元等这三个元件作差分式振幅信号的解调，再将所有的分集接收的结果送入振幅选择元件来作振幅的大小决定。其中侦测差分振幅的方式需要用到除法，故而在硬件实现上较为复杂。

第二种公知技术可见于美国专利号US5818875，其名称为“调变与解调方法，调变器与解调器(Modulation and demodulation method，modulatorand demodulator”。

第二种公知技术利用指数-线性转换实现D-ASK信号之解调。在第二种公知技术中，接收信号之振幅利用指数转换，如此可在指数域执行减法以取代在线性域的除法，得到差值之后再将转换回线性数值则可得到差分量。以此方式作为除法的替代方案较适用于模拟电路设计，若是以数字电路实现，则仍需要以查表方式完成指数域-线性域之间的转换，同样有硬件实现上较为复杂的缺点。

第三种公知技术可见于美国专利号US6148007，其名称为“数字音频广播系统之数据传输方法(Method for data transmission in a digital audiobroadcasting system)”。

其解调D-ASK信号的方式如下所示

|R[n]|＜|R[n-1]|*((1+a/b)/2)→u[n]＝1

|R[n]|＞|R[n-1]|*((1+b/a)/2)→u[n]＝1

否则，u[n]＝0

其中在上述算式中，R[n]与R[n-1]为传送端中发出之发射信号，a与b代表发射信号之振幅，u[n]则为接收端所判别出之振幅位。

事实上，若将上式不等号右边的|R[n-1]|移项到左边可以发现这种做法等效于除法。

第四种公知技术可见于美国专利号US6046629，其名称为“在振幅相位位移调制系统之振幅调变信号解调装置之方法(Method of an apparatusfor demodulating amplitude-modulated signals in an amplitude phase shiftkeying(APSK)system)”。

第四种公知技术可视为使用第三种公知技术的方法设计对应之解调装置。其中，门限值取得电路与振幅变化判定电路为其主要的元件。

于D-APSK解调技术中，D-PSK技术的信号解调仅需要简单的乘法运算，相较之下，D-ASK的信号解调较为复杂。现有D-ASK的信号解调技术皆基于除法，但除法在硬件实现上较为复杂。此外，基于除法的解调会造成解调信号中噪声功率的放大因而导致解调性能下降。故如何有效地解调D-ASK信号便成为此系统中接收端设计之关键技术。

发明内容

综上所述，本发明之观点之一是提出利用简易的加法运算来解调二位阶(Two-level)D-APSK信号之电路与方法。如此可避免使用除法，与公知技术相比不但可以简化硬件实现的复杂度，还可提高解调器之性能表现。

本发明之另一观点是使用合并二位阶差分式振幅和差分式相位所组成之二位阶D-APSK解调架构，以维持差分式解调技术的沿用并可以增加系统的容量以及频谱效益。除了可以节省电路成本，还可以获得较佳的接收机性能，又能增加系统容量。

为此，在本发明之一较佳实施例中，提供一种二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，可解调出二位阶差分式振幅位移调制信号。该解调器包括：第一振幅检测器，检测接收信号之振幅，以提供接收信号之振幅信号；第一延迟单元，延迟该接收信号之该振幅信号，以产生延迟后振幅信号；第一减法器，将该接收信号之该振幅信号减去该延迟后振幅信号；第二振幅检测器，检测该第一减法器之输出信号之振幅信号；门限值产生器，接收该振幅信号以动态产生门限值；以及比较器，比较该第二振幅检测器之该输出与该门限值产生器所产生的该门限值，以判断连续之该接收信号之振幅是否有变化，并输出比较结果当成该接收信号之振幅位。

另外，在本发明之又一较佳实施例，披露一种解调二位阶差分式振幅位移调制信号之方法，包括：接收并侦测该接收信号之振幅，以产生振幅信号；延迟振幅信号，以产生延迟后振幅信号；根据振幅信号动态地产生门限值，其中该门限值可反应一通道强度；计算该振幅信号与该延迟后振幅信号间之差值；侦测该差值之振幅大小；以及比较该差值之振幅大小与该门限值，该比较结果可用于判断该接收信号之振幅位。如此，可通过前后之接收信号之振幅差值与门限值之比较结果来判定接收信号之振幅位。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明之较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明一较佳实施例之二位阶差分式振幅侦测器之电路方框图。

图2为根据本发明另一较佳实施例之门限值产生器之电路方框图。

图3为根据本发明又一较佳实施例之解调器之示意图。

图4显示比较本发明之较佳实施例与公知技术所得之模拟结果。

主要元件标记说明

10：二位阶差分式振幅侦测器

12，15：振幅检测器

14，23：减法器

16，29：延迟单元

18，20：门限值产生器

19：比较器

21，25：位移位器

27：加法器

具体实施方式

在解调“二位阶(two-level)”D-ASK信号时，仅需要判断接收信号的振幅是否变化，而不需要确切地侦测其振幅变化的比率。这是因为振幅变化的比率只有在大于“二位阶”的D-ASK调变信号中才会夹带有用信息。据此原理，针对“二位阶”D-ASK信号，本发明之较佳实施例提出能以低成本实现且同时具备较佳性能之解调器。解调器利用电路复杂度较低之加/减法器以与门限值产生器来作为设计。门限值产生器能反应通道效应的变化以动态调整门限值，所谓的门限值可用来判断接收信号的振幅是否变化。如此可以简化公知之除法式解调器的电路复杂度，又可以避免噪声放大因而得到较佳的解调性能。

图1为根据本发明一较佳实施例之差分式振幅侦测器之电路方框图。如图1所示，此差分式振幅侦测器10包括：振幅检测器(envelopedetector)12，减法器14，振幅检测器15，延迟单元(delay)16，门限值产生器(threshold generator)18，以及比较器19。

当接收到之接收信号R[n]送入差分式振幅侦测器10后，振幅检测器12会先侦测出接收信号R[n]之振幅|R[n]|。在此假设通讯系统中的之通道效应为H[n]，其通道强度为|H[n]|，H[n]为未知，因为在此实施例中未进行通道估计之缘故。振幅|R[n]|＝S[n]*|H[n]|+W[n]，其中W[n]代表自色噪声(white noise)，S[n]是振幅值(amplitude value)。通常通道效应主导信号的衰减变化大于白色噪声，因此W[n]可被忽略不计。故而，振幅检测器12所侦测出之振幅

延迟单元16用以将接收信号R[n]延迟为R[n-1]，或者说，延迟单元16可为一个栓锁器，栓锁住前一个接收信号R[n-1]。由前述式子可推出

减法器14则将振幅检测器12之输出与延迟单元16之输出相减。亦即，减法器14之输出为(S[n]-S[n-1])*|H[n]|。

振幅检测器15接收减法器14之输出，并产生其振幅值，也就是减法器输出之绝对值。

门限值产生器18接收振幅检测器12所侦测出之振幅，以产生门限值T[n]。

接着，将门限值产生器18所产生之门限值T[n]与振幅检测器15之输出一同送入比较器19中，可判断两个连续接收信号R[n]与R[n-1]的振幅是否变化，用以判定所传送的传送信号(information signal)或者是振幅位amp_bit。如果振幅检测器15之输出(其为一种差分值)大于门限值T[n]，则代表振幅有所改变，amp_bit为‘1’。若差分值小于门限值，amp_bit为‘0’。

|(S[n]-S[n-1])*|H[n]||＞T[n]，amp_bit＝1

|(S[n]-S[n-1])*|H[n]||＜T[n]，amp_bit＝0

门限值产生器18的功能如下：

T[0]＝α*|R[0]|

T[n]＝(1-μ)*T[n-1]+μ*α*|R[n]|

其中μ为一个很小的常数(例如：2^-K，K为正整数)，其代表步阶值(stepvalue)。α为一常数值。门限值产生器18是根据所接收到的信号动态地调整所需要的门限值。

假设在传送信号的bit‘0’and‘1’均等出现的假设下，根据检测理论(detection theory)可以推导出α的最佳选择应为α＝(b-a)/(a+b)，其中a与b代表振幅(b＞a)。

必须强调的是α的选择是离线运算，故门限值产生器18的实现仅需一常数乘法，甚至可以用2的幂次方数值近似上述α之最佳选择值，如此便可以完全不需要乘法元件实现门限值产生器，可更进一步减少解调器之电路结构并降低电路成本.

关于门限值产生器18之架构，基本上只要能达到上述功能即可。图2显示出根据本发明又一实施例之门限值产生器18之架构方框图。

如图2所示，门限值产生器包括：位移位器21，减法器23，位移位器25，加法器27与延迟单元29。

位移位器21将输入信号之振幅|R[n]|位移位，如果用数学式表示，则位移位器21之输出为α*|R[n]|，其中α之定义如上。

减法器23则是将位移位器21之输出减去延迟单元29之输出T[n-1]。如果用数学式表示，则减法器23之输出为(α|R[n]|-T[n-1])。

位移位器25将减法器23之输出移位，如果用数学式表示，则位移位器25之输出为μ*(α|R[n]|-T[n-1])，其中μ之定义如上。

加法器27则是将位移位器25之输出加上延迟单元29之输出T[n-1]。如果用数学式表示，则加法器27之输出为μ*(α|R[n]|-T[n-1])+T[n-1]。

最后，令加法器27之输出等同于T[n]。亦即，可得到T[n]＝μ*(α|R[n]|-T[n-1])+T[n-1]。

再将之整理可得，T[n]＝(1-μ)*T[n-1]+μα|R[n]|。

针对所提之D-ASK信号解调方法进行性能(BER versus SNR)模拟，并与公知技术(基于除法原理)的性能模拟结果作一比较，结果如图4所示，其中BER代表bit error rate(位错误率)。在图4之各子图分别对应不同位阶a与b值的选择。各子图之A曲线是本实施例在考虑多普勒效应(Doppler effect)下所得之模拟结果。各子图之B曲线是公知技术在考虑都卜勒效应下所得之模拟结果。各子图之C曲线是本实施例在平坦通道(亦即不考虑都卜勒效应)下所得之模拟结果。各子图之D曲线是公知技术在平坦通道(亦即不考虑都卜勒效应)下所得之模拟结果。由模拟结果可观察出本发明之方法比起公知技术具有较佳的BER性能表现。比如，当BER＝0.01约有1～3dB改善。

此外，为了提高既有非同调OFDM系统的频谱效益，可以采用同时利用振幅与相位自由度的D-APSK调变技术取代D-QPSK调变。增加DQPSK的容量以及传输率。除了可以在DQPSK的星云图上增加一个相位上的位外还可以增加振幅上的一个位变化，但是如果仍维持D-QPSK所拥有的差分式解调器功能，就必须连同振幅也要使用差分式解调器。

图3为利用本实施例应用于D-APSK解调器之设计。该解调器包括：差分式振幅侦测器31与差分式相位侦测器33。差分式振幅侦测器31之架构可利用图1之架构来实施例。而差分式相位侦测器33之架构则在此不做特殊限定。利用图3之侦测器31与33可分别解调出振幅位amp_bit与相位位phase_bit。

综上所述可知，根据本发明之较佳实施例提出用于二位阶D-ASK信号解调之方法与架构，其通过前后接收信号振幅的差值与门限值比较之结果判定所传送之信号位，其中门限值的产生是根据接收信号的振幅动态地调整。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，可解调出接收信号之振幅位，其特征是包括：

第一振幅检测器，检测该接收信号之振幅，以提供接收信号之振幅信号；

第一延迟单元，延迟该接收信号之该振幅信号，以产生延迟后振幅信号；

第一减法器，将该接收信号之该振幅信号减去该延迟后振幅信号；

第二振幅检测器，检测该第一减法器之输出信号之振幅信号；

门限值产生器，包括：

第一位移位器，接收该接收信号之该振幅信号，并将该接收信号之该振幅信号进行第一位移位；

第二减法器；

第二位移位器，接收该第二减法器之输出，并将该第二减法器之输出进行第二位移位；

加法器，产生该门限值；以及

第二延迟单元，将该加法器所产生之该门限值延迟成延迟后门限值；

其中，初始状态下将该第一位移位器之输出设为门限值；非初始状态下该第二减法器将该第一位移位器之输出与该第二延迟单元所产生之该延迟后门限值进行相减，并将相减后结果输入至该第二位移位器，该加法器将该第二位移位器之输出与该延迟后门限值进行相加，以产生该门限值；以及

比较器，比较该第二振幅检测器之该输出与该门限值产生器所产生的该门限值，以判断连续之该接收信号之振幅是否有变化，并输出比较结果当成该接收信号之振幅位。

2.根据权利要求1所述之二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，其特征是该第一延迟单元之该输出信号代表前一个该接收信号之振幅信号。

3.根据权利要求1所述之二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，其特征是该第一减法器之输出代表连续之该接收信号之振幅差。

4.根据权利要求1所述之二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，其特征是该接收信号为二位阶差分式振幅位移调制信号经过通道效应所产生之信号。

5.根据权利要求1所述之二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，其特征是该接收信号之振幅信号近似于二位阶差分式振幅位移调制信号之振幅值乘上通道强度。

6.根据权利要求1所述之二位阶差分式振幅位移调制信号解调器，其特征是该第二振幅检测器之输出结果为第一减法器输出结果之绝对值。

7.一种解调二位阶差分式振幅位移调制信号之方法，其特征是包括：

接收二位阶差分式振幅位移调制信号经过通道效应所产生之接收信号；

侦测该接收信号之振幅，以产生振幅信号；

延迟该振幅信号，以产生延迟后振幅信号；

初始状态下对该振幅信号进行一第一位移，以产生一第一位移后振幅信号，将该第一位移后振幅信号设为门限值；

非初始状态下对该振幅信号进行该第一位移，以产生该第一位移后振幅信号；

将该第一位移后振幅信号减去延迟后门限值，以产生减法结果；

对该减法结果进行第二位移，以产生第二位移后振幅信号；

将该第二位移后振幅信号加上该延迟后门限值，以产生该门限值；其中，将该门限值延迟后可得到该延迟后门限值，该门限值可反应一通道强度；

计算该振幅信号与该延迟后振幅信号间之差值；

侦测该差值之振幅大小；以及

比较该差值之振幅大小与该门限值，该比较结果可用于判断该接收信号之振幅位。

8.根据权利要求7所述之方法，其特征是该接收信号为二位阶差分式振幅位移调制信号经过通道效应所产生之信号。

9.根据权利要求7所述之方法，其特征是该接收信号之振幅信号近似于二位阶差分式振幅位移调制信号之振幅值乘上通道强度。

10.根据权利要求7所述之方法，其特征是该差值之振幅大小为取该差值之绝对值。

11.根据权利要求7所述之方法，其特征是该接收信号包括振幅位，该比较结果可用于判断该接收信号振幅位。

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