CN1983838B - 产生高速信道的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种产生由一组较低速率的信道组成的减小峰值幅度的高数据速率信道的新的、改进的方法和装置。该组较低速率的信道(90，92)在相加和传送前经相位旋转。相位的旋转量取决于用来形成更高速率信道(102)的信道数。在一种采用较低速率的信道(90，92)的实施例中，两个信道的同相和正交相分量在用同相和正交相正弦信号上变频之前进行复数乘。对于由两个以上的较低速率的信道组成的高速信道，每一个信道的同相和正交相分量用相位相互偏移的一组正弦信号上变频。

Description

产生高速信道的方法和系统
本申请是申请日为1998年6月16日申请号为第98806192.9号发明名称为“减小峰值对平均幅度比率的多信道链路”的中国专利申请的分案申请。 
发明背景 
I.发明领域 
本发明涉及无线通信。本发明尤其涉及采用一组较低速率的信道产生减小峰值对平均幅度比率的高数据速率信道的新的和改进的方法和装置。 
II.相关领域的描述 
IS-95标准定义了一种空中接口，它采用码分多址(CDMA)技术提供更有效、坚实的蜂窝电话服务。CDMA技术通过用一个或多个伪随机噪声(PN)码来调制要传送的数据，使得能在相同的射频(RF)电磁频谱中建立起多个信道。图1是一个按照用IS-95构成的蜂窝电话系统的高度简化的图。移动电话10(也称为无线终端)通过CDMA调制的RF信号，与基站12进行通信，而基站控制器14提供使得移动电话能够进行的呼叫控制功能。移动交换中心(MSC)16向公共交换交换网(PSTN)18提供呼叫路由和交换功能。 
在相同RF带中进行通信使邻近的基站能够使用同一RF谱，它提高了所使用的现有带宽的效率。其他的蜂窝标准通常要求相邻的基站使用不同的RF频谱。使用相同的RF频带还方便了“软切换”的进行，这是一种在两个或更多个基站的覆盖区之间转换无线终端(一般是蜂窝电话)的更有效的方法。软切换是使无线终端与两个或更多个基站12同时相连的状态，它提高了转换期间所有时刻内将至少保持一个接口的似然性。软切换的情况与大多数其他蜂窝电话系统所采用的硬切换时的情况不同，硬切换时，在建立起与第二个基站的接口连接之前，与第一个基站的接口连接是断开的。 
采用相同的RF频带进行通信的另一个优点是，可以用相同的RF设备来发送一组更低速率的信道。这就使得可以用同一RF设备来产生通过在一组更低速率的信道上更高多路复用而形成的更高速率的信道。用相同的RF设备来 传送信道的情况与频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)的情况不同，后者通常因信道频率划分的程度比CDMA系统中的更大而不能用相同的RF设备同时发送多个信道。这种用相同的RF设备发送更高速率的信道的能力已经成为IS-95的另一个重要的优点，这与全球通信网、电视会议一样，并且其他的网络技术也产生了对这样的更高速率的信道的需求。 
尽管可以更容易地通过信道的组合成束(channel bundling)在CDMA系统中形成更高速率的信道，但由该信道组合而产生的整个系统的性能却不是最佳的。其原因是，将多个信道相加产生比较低速率的串行信道的更高的峰-均幅度的波形。例如，对于串行信道来说，按照IS-95所采用的BPSK数据调制，数据波形的幅度或者是+1，或者是-1。所以，峰-均比基本上是一个正弦波。对于将4个较低速率的信道相加的更高速率的信道，波形的幅度可以是+4、-4、+2、-2和0。所以，组合成束的信道的峰-均幅度会明显大于正弦波，所以也就明显高于非组合成束的信道。 
增加了的峰-均幅度使得对系统的发送放大器提出了更高的要求，并且可以减小系统运行的最大数据速率或最大范围。其原因有几个，最重要的原因是平均数据速率是取决于平均发射和接收功率的，并且，更高的峰-均幅度波形要求有更高的最大发射功率，以保持给定的平均发射功率。所以，对于在更高的峰-均波形情况下提供相同的性能，要求采用发射放大器。然而，人们强烈地要求通过将一组较低速率的信道组合成束在CDMA中产生更高的数据速率信道。所以，需要有一种方法和装置，来减小用于一组组合成束的较低速率CDMA信道的峰-均发射幅度比。 
发明概述 
本发明是一种采用一组较低速率的信道产生减小峰-均幅度的高数据速率信道的新的、改进的方法和装置。较低速率信道组在经相加和传送以前经相位旋转。相位旋转的量取决于用来形成更高速率信道的信道数量。在采用两个较低速率信道的实施例中，两个信道的同相和正交相位分量在用同相和正交相位正弦波作上变频前经复数乘。对于由比两个较低速率信道更多的较低速率信道组成的高速信道来说，每一信道的同相和正交相分量用相位相互偏离的一组正弦波作上变频。 
附图简述 
在参照附图详细描述了本发明以后，读者将会更清楚地理解本发明的特征、目的和优点，图中，相同的标号所表示的意义相同。其中： 
图1是蜂窝电话系统的方框图； 
图2是用来产生反向链路信号的发射系统的方框图； 
图3是高速发射系统的方框图； 
图4是按照本发明的一个实施例构成的高速发射系统的方框图； 
图5是用来描述本发明的优点的信号图； 
图6是按照本发明的另一个实施例构成的高速发射系统的方框图； 
图7是按照本发明另一个实施例构成的高速发射系统的方框图； 
图8是描述本发明的优点的信号图。 
较佳实施例的详细描述 
下面描述用一组较低速率的信道产生减小峰-均幅度的高速数据信道的方法和装置。在下面的描述，本发明是按照IS-95反向链路波形产生的信号来描述。尽管本发明特别适合用于这样的波形，本发明还适用于按照其他协议产生的信号。例如，本发明可以用于按照IS-95前向链路波形产生信号的系统中。按照用IS-95标准产生信号的系统和方法见美国专利5,103,459，其标题为“在CDMA蜂窝电话系统中产生信号波形的系统和方法(System andMethod for Generating Signal Waveforms in a CDMACellular TelephoneSystem)”，该专利已转让给本发明的受让人，在此引述共参考。 
图2是由无线终端10用来按照IS-95标准产生单个的反向链路业务信道的发射系统的方框图。以20毫秒为一段，称为一个帧，在“全速率”、“二分之一速率”、“四分之一速率”和“八分之一速率”中的一种速率下，将所传送的数据48提供到卷积编码器50，每一个帧含有先前二分之一的数据，因此在二分之一的速率下传送数据。数据48通常从数据源如声码器系统得到的可变速率编码的声频信息，这时的较低速率的帧是用在出现较少信息(例如谈话停顿)的时候的。卷积编码器50对数据48进行卷积编码产生编码码元51，而码元重复器52通过足以产生与全速率帧等效的数据量的码元重复编码码元51，产生重复的码元53。例如，产生四分之一速率帧的三种另外的复制形式，用于总共的四种复制形式。不再另外产生其他复制形式的全速率帧。 
块交错器54随后使重复的码元53交错，以产生交错的码元55。调制器56对经交错的码元55进行64阵列的调制，以产生沃尔什码元57。即，64个可能的正交沃尔什码中的一个被传送，并由每6个交错码元55索引。每一个正交沃尔什码由64个调制子码组成。数据突发随机发生器58用帧速率信息对以伪随机突发形式出现的沃尔什码元57进行选通，从而仅传送一个完整的数据列(instance)。 
随后，对每一个沃尔什子码在四个长信道码子码的速率下，用一个伪随机(PN)长信道码59，对选通的沃尔什子码进行直接序列调制，以产生调制数据61。长信道码形成用于反向链路的信道化函数，是每一移动电话10特有的，并且是每一个基站12知道的。对于本发明也适用的前向链路，采用较短的沃尔什码进行信道化处理。经调制的数据61被复制成两种形式，第一种形式通过用同相伪随机开展码(PNI)调制而被“扩展”形成I-信道数据，而第二种形式在由延迟器60延迟了一个扩展码子码时间的二分之一时间以后，通过用正交相扩展码(PNQ)的调制而被扩展，产生Q信道的数据。I信道数据和Q信道数据在被分别用来对同相和正交相载波信号进行相移键控调制之前，都经过低通滤波。经调制的同相和正交相载波信号在被传送到基站或其他的接收系统(未示出)之前被加在一起。 
虚线100表示本发明一种结构中第一集成电路(左面)与RF系统(右面)中进行处理之间的界限。所以，对用于单个信道的分隔线100左面和上方进行处理的集成电路已被广泛采用。同时，应当理解，载波信号的任何一个标号只是说明将信号上变频为载波频率的系统，它可以包含采用一系列的载波频率、混合步骤和正弦信号。另外，尽管本发明的描述是针对偏移QPSK扩展进行的，但其基本原理也可以用于其他众所周知的调制技术，包括QPSK和BPSK调制。 
图3是通过将不涉及本发明的某些方面的两个较低速率的信道组合成束而用来产生一个高速链路的发射系统的方框图。“信道A”最好是在第一个集成电路80中产生，而“信道B”最好是在第二个集成电路82中产生。然而，这样一种结构不是实现本发明所必须的。同时，“信道A”和“信道B”最好是按照单个信道的处理来编码的，就象上文中参照图2所描述的那样(未示出编码)。在集成电路80中，“信道A”是用信道A长码(长码A)调制的，并且是用同相扩展码PNI扩展的，在二分之一的子码延迟以后，用正交 相扩展码PNQ扩展。类似地，在集成电路82中，“信道B”用信道B长码(长码B)调制，并用同相扩展码PNI扩展，而在二分之一个子码延迟以后，用正交相扩展码PNQ扩展。 
长码A和B应当是能够使信道能够独立地被解调，并且最好是相互正交的。产生信道码组的各种方法和系统是人们已知，并且是可以容易地发展的。一种方法见美国专利5,442,625中的描述，其标题是“向用户提供可变数据速率访问的码分多址系统(Code Division Multiple Access SystemProviding Variable Data Rate Access to a User)”，该专利在此引述共参考。其他的系统和方法见共同待批的美国专利申请08/654,443，其标题为“高数据速率CDMA无线通信系统(High Data Rate CDMA WirelessCommunication System)”；以及序号为08/847,231的美国专利申请，其标题为“在CDMA无线通信系统中传送和接收高速数据的系统和方法(System andMethod for Transmitting and Receiving High Speed Data in a CDMAWireless Communication System)”，其申请日为1997年5月1日，二者都转让给本转让人并在此引述供参考。 
在集成电路80和82外面，将经PNI扩展的“信道A”数据与经PNI扩展的“信道B”数据相加，产生相加的同相数据120。另外，将经PNQ扩展的“信道A”数据与经PNQ扩展的“信道B”数据相加，产生相加的正交相数据122。应当理解，相加的同相数据120和相加的正交相数据122可以具有+2、0和-2的值，其中，-1值用来代表逻辑“0”，而+1值用来代表逻辑“1”。相加的同相数据120用同相载波信号上变频，而相加的正交相数据122用正交相载波信号上变频，并且将合成的上变频信号相加，产生传送信号128。 
图4是通过将按照本发明的一个实施例构成时将两个较低速率的信道组合成束而产生高速链路的发射系统的方框图。“信道A”是在第一个集成电路90中产生的，而“信道B”是在第二个集成电路92中产生的。“信道A”和“信道B”最好按照单个信道的处理编码，就象上文中参照图2所描述的那样(图中未示出编码)。集成电路90中，“信道A”用长码A调制，并用同相扩展码PNI扩展，产生同相“信道A”数据94，并且在二分之一的子码延迟以后，用正交相扩展码PNQ扩展，产生正交相“信道A”数据96。类似地，在集成电路92内，“信道B”用长码B调制，并用同相扩展码PNI扩展，产生同相“信道B”数据，并且在二分之一子码延迟以后，用正交相扩展码 PNQ扩展，产生正交相“信道B”数据99。 
在集成电路90和92外，同相“信道A”数据94用0°相位载波信号(COS(ωct))调制，而正交相“信道A”数据96用90°相位载波信号(SIN(ωct))调制。另外，同相“信道B”数据98用90°相位载波信号(COS(ωct+90°))调制，而正交相“信道B”数据99用180°相位载波信号(SIN(ωct+90°))调制。合成的上变频信号由加法器100相加，产生由两个组合成束的较低速率的链路组成的信号102。如图4中所示，“信道B”用相对于用来对“信道A”进行上变频的同相和正交相载波信号旋转90°的同相和正交相载波信号上变频。所以，“信道B”被称为是相对于“信道A”相位旋转了90°。如下所述，在相加前使“信道B”相对于“信道A”旋转90°减小了峰值发射幅度，这是因为相位发生了偏移，并且因此不会象矢量那样成为直线。峰值幅度的减小，使得RF发送放大器的使用效率提高。 
图5是各种正弦信号的幅度的图，它描绘了本发明的优点。信号114是图2中所示非旋转的高速系统的同相信道上产生的发射信号。信号116是图3中所示的相位旋转的高速系统的同相信道产生的发射信号，这里，“信道B”是通过相对于“信道A”旋转了90°的正弦信号来调制的。为了简化本发明的描述，图中仅示出了同相信道，但是，所描述的原理也适用于正交相信道以及同相和正交相信道的和。时间A、B和C表示数据过渡，因此它们定义了三组数据。在三个周期时间内，通过“信道A”和“信道B”传送的数据分别是(+1，+1)、(+1，-1)和(-1，-1)。 
对于非旋转信号114，在时间A内传送的信号是(+1)COS(ωct)+(+1)COS(ωct)，它等于(2)COS(ωct)。在时间B中，信号114(+1)COS(ωct)+(+1)COS(ωct)，其和为零，就象图中示出的那样。在时间C内，传送的信号是(-1)COS(ωct)+(-1)COS(ωct)，它等于(-2)COS(ωct)。所以，信号114通常由幅度为2的正弦波或幅度为零的信号组成。 
对于旋转信号116，在时间A中传送的信号是(+1)COS(ωct)+(+1)COS(ωct+90°)，它等于(1.4)COS(ωct+45°)。很明显，相对于同一时间内的信号114，幅度减小了约30％。信道118表示时间A中信号114与116的峰值幅度差。在幅度B中，信号116是(+1)COS(ωct)+(-1)COS(ωct+90°)，它等于(1.4)COS(ωct-45°)。在时间C内，信号116是(-1)COS(ωct)+(-1)COS(ωct+90°)，它等于(1.4)COS(ωct+215°)。所以，信号116由一系 列幅度为1.4的正弦波组成，而不是幅度为2的正弦波或零幅度的信号114组成，所以，具有比信号114更低的峰-均比。峰-均幅度上相同的减小会出现在组合信号的正交相位分量上的，所以，也会减小整个峰-均发射幅度的减小，从而使发射放大器的利用率更高。 
图6是按照本发明的第二个实施例构成的发射系统的方框图，其中，将两个信道组合成束，形成更高速率的信道。以与参照图4中描述相似的方式，集成电路90产生同相“信道A”数据154和正交相“信道A”数据156，集成电路92产生同相“信道B”数据158和正交相“信道B”数据160。 
在集成电路90和92的外面，将同相“信道A”数据154与正交相“信道B”数据160的负值相加，产生相加的同相数据162，并且将正交相“信道A”数据156与同相“信道B”数据158相加，产生相加的正交相数据164。相加后得到的同相数据162用同相载波信号上变频，而相加后得到的正交相数据164与正交相载波信号相加，将合成的上变频信号相加并传送，作为信号166。 
本领域中的技术人员将会理解，将同相“信道A”和“信道B”复数相乘，产生由同相(实数)和正交相(虚部)分量组成的结果，它们分别用同相和正交相的载波信号上变频。通过进行复数乘，产生相位旋转的波形，而无需附加的相位偏移正弦信号，从而简化了必要的发送处理。 
图7是按照本发明的另一个实施例构成的发射系统的方框图，其中，将N个信道组合成束，形成更高速率的信道，按照本发明的一个实施例，N＝5。在集成电路180中，信道i＝0，…，4的同相和正交相分量是如上所述相对于集成电路90和92产生的。在集成电路180外，每一个信道的同相分量用正弦波COS(ωct+i/N·180°)上变频，这里，i等于所分配的信道号，N等于5，它是用来在所示的例子中形成更高速率的信道而组合成束的总的信道数。类似地，每一信道的正交相分量用SIN(ωct+i/N·180°)上变频。产生的上变频信号相加，并传送出去，作为信号190。 
通过使用于一组N个信道中的每一个信道i＝0到N-1的载波信号的相位旋转i/N·180°，由相加波形产生的峰值发射幅度，相对于用非旋转的正弦载波上变频得到的相加信号形成的信号峰值幅度减小。这是因为对一组正弦波信号进行相位旋转取消了相干性，从而一组信号的幅度同时达到峰值。所以，一个给定的发射放大器可以用来更有效地发射更高速率的信号。尽管也 可以采用其他相位偏移间隔，但最好采用上述相位偏移间隔，这是因为它给出最大、相等距离的相位偏差。 
图8是各种正弦信号幅度的图，它进一步给出了本发明用于图7所示高速信道的优点，高速信道由5个组合成束的较低速率的信道组成。信号130对应于通过将5个非旋转的较低速率的信道相加而产生的高速信道的同相部分，称为“信道A”到“信道E”。如图7所示，信号132对应于通过将5个相位旋转的较低速率的信道相加而产生的高速信道的同相部分。图中仅示出了同相信道，以简化本发明的描述。但是，本发明的原理也适用于正交相信道以及同相和正交相信道的和。时间D、E和F表示数据转移，因此定义了三组数据。在三个时间周期内，通过“信道A”到“信道E”传送的数据分别是(+1，+1，+1，+1，+1)、(+1，-1，-1，-1，+1)以及(-1，-1，-1，-1，-1)。 
从图8中可以看到，在时间D和F期间，非旋转信号130的幅度比旋转信号132的幅度大一个量134。这是因为在时间D和F内，有5个较低速率的信道相干相加，而5个旋转信号则不然。在时间E内，非旋转信号130的幅度小于旋转信号132。这是因为5个非旋转的较低速率的信号的相加比5个旋转的较低速率的信道更具危害性。所以，相位旋转的信号132在一定的时间内更均匀地传播能量，因此与非旋转的信号132相比，具有更低的峰一均幅度。所以，本发明使得发射放大器具有更高的使用效率，从而可以采用更低价格的放大器，或者说，使得给定的放大器可以在更宽的范围内使用。 
前述较佳实施例的描述使得本领域中的技术人员能够制造和使用本发明。很明显，本领域中的技术人员还可以对这些实施例作各种修改，所揭示的基本原理也可以应用于其他的实施例，而无需求助于发明专门人员。所以，本发明并非仅限于所描述的实施例，而应当从最宽的范围内来理解所揭示的原理和新特征。 

Claims (7)

1.一种用一组N个较低速率信道产生更高速率的信道的方法，其特征在于，它包含下述步骤：
a)产生第一组N个正弦信号和与所述第一组N个正弦信号有相位偏移的第二组N个正弦信号，所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号都具有预定的相位旋转，其中所述预定的相位旋转等于一组值i/N·180°，这里，i是从0到N一1的整数；
b)分别用所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号对所述一组N个较低速率信道的同相分量和正交相位分量进行上变频以产生一组上变频信号；
c)将所述一组上变频信号相加，产生一个相加的信号，其中，由于所述预定的相位旋转，减小了所述相加的信号的峰值对平均幅度比率；和
d)发送所述相加的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相加的信号是在RF频谱的重叠带上发送的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N个较低速率的信道组中的每一个较低速率的信道是通过下述步骤产生的：
对源数据进行编码；
使所述源数据交错；
用特有的信道码调制所述源数据；以及
用一同相码调制所述源数据的第一复制，用一正交相位码调制所述数据的第二复制。
4.一种产生高速信道的系统，其特征在于，它包含：
一组N个集成电路，用于产生一组相应N个较低速率的信道；
一组正弦信号发生器，用于产生第一组N个正弦信号和与所述第一组N个正弦信号有相位偏移的第二组N个正弦信号，所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号都具有预定相位旋转，其中所述预定相位旋转等于一组值i/N·180°，这里，i是从0到N-1的整数；
一组乘法器，分别用所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号对所述一组N个较低速率的信道的同相分量和正交相位分量进行上变频以产生一组上变频信号；以及
一组相加器，将所述一组上变频信号相加，产生一个相加的信号，其中由于所述预定的相位旋转，减小了所述相加的信号的峰值对平均幅度比率。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述相加的信号是在RF谱的重叠带上发送的。
6.一种产生高速信道的系统，其特征在于，它包含：
用于产生一组N个较低速率的信道的装置；
用于产生第一组N个正弦信号和与所述第一组N个正弦信号有相位偏移的第二组N个正弦信号的装置，所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号都具有预定相位旋转，其中所述预定相位旋转等于一组值i/N·180°，这里，i是从0到N一1的整数；
用于分别用所述第一组N个正弦信号和所述第二组N个正弦信号对所述一组N个较低速率的信道的同相分量和正交相位分量进行上变频以产生一组上变频信号的装置；以及
用于将所述一组上变频信号相加，产生一个相加的信号的装置，其中，由于所述预定的相位旋转，减小了所述相加的信号的峰值对平均幅度比率。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述相加的信号是在RF谱的重叠带上发送的。
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