EA007357B1

EA007357B1 - Способ и система связи с параллельным расширенным спектром

Info

Publication number: EA007357B1
Application number: EA200300903A
Authority: EA
Inventors: Кеннет О'Хейген
Original assignee: Кейп Рэндж Уайэлесс, Инк.
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2006-10-27
Also published as: US20020191676A1; WO2002067479A2; CN1502182A; WO2002067479A3; EA200300903A1

Abstract

Изобретение использует средство расширения ортогональных закодированных данных с помощью параллельного расширенного спектра (ПРС). В преимущественном варианте осуществления изобретения способ и система для передачи данных включают операции кодирования и расширения потоков данных с помощью схемы, применяющей ортогональные функции Уолша, и сегментирования потока данных на многочисленные битовые пакеты данных, представляя при этом один из числа истинных или инвертированных кодов Уолша. На следующем этапе поток данных дифференциально кодируется для ДМФ или КМФ модуляции и расширяется с помощью ПП-последовательности. Параллельно расширенный поток данных модулируется для передачи на приемник. На приемнике поток данных восстанавливается с помощью вычисления кросскорреляции между оцифрованным потоком данных и программированной последовательностью. Одним из преимуществ ПРС метода над обычными системами связи является то, что одновременно могут быть достигнуты дополнительный коэффициент расширения спектра и упреждающая коррекция ошибок.

Description

Настоящее изобретение истребует приоритет американской предварительной заявки на изобретение № 60/268,942, поданной 16 февраля 2001 года и включенной сюда полностью.

Предпосылки к изобретению Область изобретения

Представленное изобретение относится к цифровым коммуникационным средствам, в частности к системам и способам, обеспечивающим связь, которая имеет отношение к расширенному спектру.

Описание соответствующего уровня техники

Способы коммуникации с расширенным спектром находят широкое применение. Первоначально расширение спектра применялось в вооружении, где линии связи восприимчивы к выявлению/перехвату и уязвимы к умышленно введенным помехам/глушению. Однако при коммерческом характере использования основное применение расширенного спектра получило развитие в области беспроводной коммуникации, такой как сотовые мобильные коммуникации.

Основная концепция расширенного спектра противоречит давно устоявшейся практике осуществления связей. Общепринятая практика была сосредоточена, в частности, на минимизации частоты полосы пропускания сигнала, содержащего информацию, для согласования большего количества сигналов в коммуникационной цепи (канале). Задача же расширенного спектра заключается в обратном - в существенном увеличении полосы пропускания сигнала, содержащего информацию. В действительности, коммуникационная связь с расширенным спектром занимает значительно большую полосу пропускания, чем по минимальным требованиям необходимо для стандартной коммуникационной связи. Таким образом, сигнал с расширенным спектром занимает полосу пропускания, значительно превышающую полосу пропускания, необходимую для пересылки цифрового сигнала в соответствии с теоремой Найквиста. Ниже подробнее изложено, что указанное увеличение полосы пропускания помогает смягчить вредные эффекты, вызванные различного вида помехами.

В системе с расширенным спектром передатчик расширяет (увеличивает) полосу пропускания сигнала, содержащего информацию, до его передачи. Приемник, по мере получения сигнала, сжимает (уменьшает) полосу пропускания, по существу, в том же объеме. В идеальном случае полученный расширенный сигнал идентичен сигналу, переданному до расширения. Тем не менее, канал связи регулярно вводит некоторые формы узкочастотных (соответствующих расширенной полосе пропускания) помех.

Обычным типом системы с расширенным спектром является прямая последовательность с расширенным спектром («ППРС»). С помощью 1111РС систем расширение достигается перемножением цифровых данных с двоичной псевдопомеховой последовательностью («ПП-последовательность» или «НПкод»), которая дополнительно известна как псевдовыборочная последовательность или как код элементарного сигнала, скорость передачи символа которого многократна битовой скорости передачи двоичных данных. Скорость передачи символов последовательности расширения иногда зовется скоростью элементарного сигнала. Код элементарного сигнала не зависим от данных и включает избыточный битовый набор для каждого из пересылаемых битов. Код, по существу, увеличивает сопротивляемость передаваемых сигналов к помехам. Если во время передачи в наборе повреждается один или несколько битов, то исходные данные могут быть восстановлены благодаря существующей избыточности при передаче. Псевдопомеховая последовательность представляет собой последовательность элементарных сигналов, в значении -1 или 1 (полярная) или 0 и 1 (неполярная), которая обладает исключительными корреляционными свойствами.

На фиг. 1 представлен обычный способ расширения для системы с прямым последовательным расширенным спектром. Имеется несколько типов хорошо известных псевдопомеховых последовательностей, которые могут быть использованы в ННРС системах, например М-последовательности, коды Голда, коды Казами. Каждый тип используемой последовательности или кода имеют свои собственные индивидуальные характеристики. Количество элементов в одном коде называется периодом (Ν) этого кода. Например, если полная ПП-последовательность перемножается с единичным битом данных (как на фиг. 1, при N=7), то полоса пропускания сигнала множится за счет коэффициента Ν, на который ссылаются так же, как на коэффициент расширения спектра. Другими словами, в средствах связи с расширенным спектром коэффициент расширения спектра непосредственно связан с длиной последовательности. Ссылаясь на фиг. 2А, заметим, что эффект воздействия на спектр мощности является таким, что мощность спектральной плотности при использовании М-последовательного кода принимает вид функции Дпс²(х).

Преимущества применения расширенного спектра легко могут быть отмечены в контексте существующей необходимости подавления помех. В основном, существуют три категории помех, которые могут быть ощутимы для сигнала: преднамеренная помеха, множественный доступ и многолучевая помеха. Преднамеренная помеха имеет место, когда предполагается наличие другого сигнала (как в случае с военным перехватчиком) или когда он по небрежности налагается на сигнал. Помеха множественного доступа имеет место, когда сигнал разделяет с другим сигналом один и тот же частотный спектр. Многолучевая помеха имеет место в случае, когда сигнал сам по себе задерживается.

В отношении преднамеренных помех злоумышленная сторона или «глушитель» испытывает трудности, локализуя сигнал с расширенным спектром. В действительности, сигнал с расширенным спектром

- 1 007357 смешивается после расширения с шумами (см. фиг. 2В), и сигнал глушения ограничивается лишь малой частью спектра; после сжатия сигнала глушение уменьшается до уровня шума (см. фиг. 2С) и информация может быть восстановлена (см. фиг. 2И). Основное преимущество связи с расширенным спектром при его использовании в коммерческих целях заключается в устранении направленных преднамеренных помех с другого передатчика.

Преимущество применения расширенного спектра по отношению к помехам с множественным доступом состоит в получении значительной коммерческой выгоды. Исходя из перспектив коммерческого применения линии связи с расширенным спектром позволяют многим пользователям связываться на одной и той же частотной полосе. Используемый подобным образом, он становится альтернативным либо для множественного доступа с частотным разделением («МДЧР»), либо для множественного доступа с разделением времени («МДРВ») и обычно относящимся либо к множественному доступу с кодовым разделением («МДКР»), либо к множественному доступу с расширенным спектром («МДРС»). Используя МДКР, каждый сигнал в наборе представлен своей собственной последовательностью расширения. МДЧР требует, чтобы все пользователи занимали разные полосы частот, но сообщались одновременно в каждом отрезке времени. МДВР требует, чтобы все пользователи занимали одну и ту же полосу частот, распределяя временные интервалы для каждого пользователя внутри каждого канала. В случае с МДКР разные формы сигналов отличаются друг от друга на приемнике с помощью используемых ими специфических кодов расширения.

МДКР был, в частности, интересен при его применения в беспроводных каналах связи. Они находят применение в сотовых средствах связи, в обслуживании личной связи («ОЛС») и в беспроводных локальных сетях. Причина этой популярности обусловлена преимущественно воспроизведением форм сигналов с расширенным спектром во время их передачи через многолучевой затухающий канал. Для иллюстрации приведенной концепции рассмотрим передачу сигнала прямой последовательности. До тех пор, пока длительность единичного элементарного сигнала последовательности расширения меньше многолучевой задержки расширения, использование форм сигналов с прямой последовательностью предоставляет проектировщику системы одну из двух возможностей. Многолучевые помехи могут быть рассмотрены как формы помех, означающие, что приемник должен пытаться ослабить их по мере возможности. В действительности, в этих условиях все многолучевые обратные посылки, которые поступают на приемник с задержкой во времени, большей чем длительность элементарного сигнала с многолучевой посылкой, по отношению к которой и синхронизируется приемник (обычно первая обратная посылка), будут ослабляться из-за расширения спектра системы. Многолучевые обратные посылки, которые выделяются от основной траектории следования большей длительностью, чем длительность элементарного сигнала, дополнительно представляют независимое «выражение» на принятый сигнал и могут быть конструктивно использованы для общих эксплуатационных характеристик приемника. Это происходит по причине того, что все многолучевые обратные посылки содержат информацию, относящуюся к пересланным данным, и информация может быть извлечена соответствующим образом сконструированным приемником.

Таким образом, преимущества средств связи с расширенным спектром заключаются в том, что могут использоваться разные коды расширения с тем, чтобы одновременно могли быть задействованы многочисленные связи на одних и тех же частотах. Другое преимущество, предоставляемое этой технологией, заключается в том, что коэффициент расширения спектра позволяет устройствам обеспечения связи с расширенным спектром работать на более низких уровнях сигналов, чем в обычных радиосвязях.

Устройства связи с расширенным спектром описаны, например, в работе А.Т УйегЬг СИМА Ргше1р1е8 о£ 8ргеаб 8рес1гиш СошшишсаНоп, Аббщоп-^еНеу Кеабшд, Ма§8., 1995.

Обычные системы с расширенным спектром имеют, тем не менее, некоторые недостатки. Одним из недостатков обычных беспроводных систем является то, что они имеют большую номинальную мощность радиочастотного (РЧ) передатчика. В частности, считается, что в портативных ручных сотовых устройствах эти номинальные мощности и вызванные ими сильные электромагнитные сигналы устройства могут негативно влиять на физиологию человека. Другой недостаток, относящийся к особым случаям использования обычных систем, заключается в недолговечности батарей портативных устройств. Дополнительно заметим, что обычные системы с расширенным спектром требуют широкого диапазона частот связи, и число пользователей каждой полосы частот ограничивается количеством кодов расширения.

Другим недостатком является то, что расширенный спектр подвержен эффекту Ближний-Дальний. Эта проблема обусловлена тем, что приемник может принимать с многочисленных передатчиков сигналы неравных мощностей. Мощность переданного сигнала от нестандартного передатчика в основных случаях подавляется на приемнике кросскорреляционными свойствами эталонного кода. Тем не менее, если нестандартный передатчик находится намного ближе, чем стандартный передатчик, то вполне возможно, что сигнал, поступивший с нестандартного передатчика, будет поставлять существенно больше мощности, чем сигнал со стандартного передатчика. В этом случае ПП коррелятор на приемнике будет не способен обнаружить и расширить стандартную передачу.

Еще одним существенным недостатком является то, что обычные системы практически не могут эффективно обеспечить качественное расширение спектра. Существующая в настоящее время техноло

- 2 007357 гия расширенного спектра не поддерживает большие длины ПП-последовательности, за счет которых и происходит усовершенствование расширения спектра. В дополнение надо отметить, что обычные системы не в состоянии использовать оптимальный режим расширения спектра одновременно с упреждающей коррекцией ошибок.

Краткое описание изобретения

В настоящем изобретении представлены способы и системы с двухпоследовательным параллельным расширенным спектром. Изобретение выгодно объединяет серии кодовых последовательностей для получения улучшенных и надежных методов связи, которые могут найти широкое применение, включая двухточечные или многоточечные системы связи.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения беспроводная система связи содержит передающую и приемную станции. Используется способ двухпоследовательного параллельного расширенного спектра, включающий комбинацию первичных и вторичных последовательностей. В соответствии с изобретением передающая станция предпринимает следующие шаги: кодирование цифровых сигналов данных с помощью схемы первичного кодирования, такой как схема ортогонального кодирования Уолша; расширение закодированного сигнала с помощью вторичной последовательности, такой как ПП-последовательность; модуляция расширенного закодированного сигнала с использованием, например, ДДМФ модуляции; и передача модулированного сигнала. Приемная станция в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления изобретения предпринимает следующие шаги: сжатие полученного сигнала с использованием хранящейся вторичной последовательности; демодуляция сжатого сигнала; и декодирование демодулированного сигнала с использованием первичной схемы кодирования.

Использование на параллельных уровнях многочисленных кратких кодов расширения радикально повышает коэффициент расширения спектра и параметры множественного доступа.

Изобретение предусматривает также повышение коэффициента расширения спектра при одновременной упреждающей коррекции ошибок.

Другим важным преимуществом изобретения является то, что повышенный коэффициент расширения спектра позволяет уменьшить передаваемые номинальные мощности. Теоретически это означает, что, например, при коэффициенте расширения спектра в 18 дБ для устройства коммуникационной связи необходима всего лишь 1/8-ая номинальной мощности радиофазового передатчика. Использование более низких номинальных мощностей, приведенных в изобретении, может снизить проблемы, связанные со здоровьем, а также позволит продлить срок службы батарей.

Дополнительным преимуществом изобретения является то, что эти независимые последовательности расширения могут быть использованы в обоих синфазных и квадратурных каналах, обеспечивая при этом защищенность связи.

Дальнейшим преимуществом изобретения является повышение эффективности полосы пропускания. Изобретение обычно обеспечивает более чем в пять (5) раз большую эффективность полосы пропускания по сравнению с обычными существующими средствами с расширенным спектром с идентичными параметрами коэффициента расширения спектра.

Следующим преимуществом изобретения является то, что для усовершенствования процесса устранения битовых ошибок на приемнике могут быть применены алгоритмы упреждающей коррекции ошибок.

Дальнейшим преимуществом изобретения является использование сокращенного периода накопления данных благодаря использованию коротких ПП-последовательностей.

Вышеизложенное и другие выгоды и преимущества изобретения станут явными из последующего более детального описания предпочтительного варианта осуществления изобретения в сопровождении чертежей и формулы.

Краткое описание чертежей

Для более детального понимания изобретения, целей и преимуществ, вытекающих из него, сошлемся на нижеприведенное описание к чертежам.

Фиг. 1 - обычная технология расширения с прямым последовательным расширенным спектром.

Фиг. 2Ά-2Ό - спектр частот в обычной системе связи с прямым последовательным расширенным спектром.

Фиг. 3 - система связи с параллельным расширенным спектром, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 4 - процесс передачи сигнала с параллельным расширенным спектром, соответствующий варианту осуществления изобретения.

Фиг. 5 - процесс получения сигнала с параллельным расширенным спектром, соответствующий варианту осуществления изобретения.

Фиг. 6 - диаграмма сигнала параллельного расширения данных, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 7 - одноканальная система передачи с параллельным расширенным спектром, соответствующая варианту осуществления изобретения.

- 3 007357

Фиг. 8 - схема компоновки аппаратуры дифференциального КМФ кодера, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 9 - система приема с параллельным расширенным спектром, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 10 - схема корреляции и декодирования кода Уолша, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 11 - схема аппаратурной компоновки дифференциального МФ демодулятора, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Фиг. 12 - двухканальная система с параллельным расширением, соответствующая варианту осуществления изобретения.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Предпочтительные варианты осуществления изобретения поясняются ссылками на фиг. 3-12, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями, а крайние левые цифры указывают на фигуру, на которой эта позиция была впервые использована.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения обсуждаются применительно к системам радиотелефонной связи. Изобретение, однако, может найти широкую область применения, например, в беспроводной точечной и многоточечной цифровых системах связи; в маломощных беспроводных системах; в телеметрии; в системах, использующих МДКР; в беспроволочных локальных вычислительных сетях, а также в секретных каналах связи. Предпочтительные варианты осуществления затрагивают технологию параллельного двухпоследовательного расширения спектра («ПДРС») для расширения закодированных данных с помощью заданной последовательности, представленную в соответствии с изобретением. Посредством этого изобретение одновременно обеспечивает дополнительную эффективность расширения спектра, упреждающую коррекцию ошибок («УКО») данных и другие преимущества.

По существу, изобретение может быть применено к любым существующим цифровым каналам связи для создания псевдокоммуникационной связи с прямым последовательным расширенным спектром с использованием побайтового [ВхВ] или многобайтового [МВхМВ] параллельного расширения поступающей цифровой информации. При его совмещении с ППРС каналом связи происходит двухуровневое параллельное расширение информации. Изобретение расширяет свойства полосы пропускания и увеличивает коэффициент расширения спектра на линиях связи.

Ссылаясь на фиг. 3, отметим, что система связи с расширенным спектром 300 описана в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Система 300 содержит передающую станцию 310 и приемную станцию 320. Передающая станция 310 передает сигнал 330 с параллельным расширенным спектром приемной станции 320. Для обеспечения двухсторонней связи приемная станция 320, действуя в качестве передатчика, посылает сигнал 340 с параллельным расширенным спектром передающей станции 310, действующей в качестве приемника. Специалист в этой области признает, что сигналы 330 и 340 с параллельным расширенным спектром могут быть переданы через беспроводные сети (не показано), такие как сеть обслуживания сотовых телефонов или сеть обслуживания личной связи («ОЛС»). Например, передающая станция 310 и приемная станция 320 могли бы быть в одной и той же ячейке, или в разных ячейках сотовой сети, или же в ячейках двух разных сетей. Сотовая сеть может содержать одну или более базовых станций, каждая из которых действует в соответствующей ячейке, и центральный офис, на который ссылаются как на офис коммутации мобильных телефонов («ОКМТ»). Каждая базовая станция может содержать один или более передатчиков и/или приемников, которые передают сигналы 330 и 340 с параллельным расширенным спектром, делая сотовую сеть доступной для связи с передающей станцией 310 и/или приемной станцией 320. В этом исполнении ОКМТ обслуживает все телефонные линии связи с наземными системами телефонной связи или другими сотовыми сетями и контролирует все базовые станции в конкретном регионе. Сигналы 330 и 340 с параллельным расширенным спектром могут быть преобразованы на базовой станции или ОКМТ в сигнал, который форматируется по-разному в зависимости от формата, требуемого наземной системой связи или другой сотовой сетью.

При этом в предпочтительном варианте осуществления изобретения сигнал 330 с параллельным расширенным спектром генерируется в соответствии с процедурой 400, изображенной на фиг. 4. В варианте осуществления изобретения передающая станция 310 кодирует (этап 410) цифровой сигнал информации по первичной схеме кодирования. Первичная схема кодирования использует ортогональные коды, такие как функции Уолша длиной 2^П. Например, первичные коды могут быть четырех- (4)-, восьми- (8)или шестнадцати- (16)-битовыми кодами Уолша. Вторичное кодирование осуществляется (этап 420) с помощью вторичного кода для расширения первично закодированной информации. Вторичный код может быть любым из равномерно упорядоченных кодов и представлять собой, например, Мпоследовательность, код Баркера, код Казами и им подобные коды. Предпочтительно, однако, использование ПП-последовательности. Вторичный код перемножается синхронизированно с полной первичной последовательностью при условии, что вторичная последовательность будет кратна длине первичных последовательностей. Например, если первичными кодами являются восьми- (8)-битовые коды Уолша, то вторичный код должен быть кратным восьми и составлять, например, шестнадцати- (16)-, двадцатичетырех- (24)-, тридцатидвух- (32)-, сорокавосьми- (48)- или шестидесятичетырех- (64)-битовую и т.п. ПП

- 4 007357 последовательность. По мере завершения вторичного кодирования сигнал модулируется (этап 430) и затем пересылается (этап 440) на получающую станцию 320.

На фиг. 5 иллюстрируется процедура 500 получения сигнала 330 с параллельным расширенным спектром в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Сигнал 330 с параллельным расширенным спектром поступает первым (этап 510) на приемную станцию 320. Сигнал 330 с параллельным расширенным спектром дискретизируется (этап 520) и затем сжимается (этап 530) с использованием для этого хранящейся вторичной последовательности, ранее использованной передающей станцией 310. По мере завершения сжатия, сигнал демодулируется (этап 540) и затем декодируется (этап 550) с использованием схемы, которая была применена на передающей станции 310.

В этом варианте осуществления изобретения может быть достигнут потенциальный коэффициент расширения спектра величиной в 18,4 дБ (как это будет показано из нижеследующего) в случае, если восьми- (8)-битовый код Уолша используется в качестве первичной последовательности, а сорокавосьми- (48)-битовая ПП-последовательность используется как вторичная последовательность. Более высокие уровни коэффициента расширения спектра могут быть достигнуты использованием первичных и/или вторичных кодов больших длин. Практическое использование более больших кодов ограничивается вследствие того, что уровень сложности электронной схемы получающих станций 320 прямо пропорционален длине кодов. Для получения коэффициента расширения спектра в 18,4 дБ в ППРС системе будет необходим более чем шестидесятидевяти- (69)-битовый код расширения, что является неосуществимым при использовании высокоскоростной обработки данных с применением передовой технологии.

На фиг. 6 представлена диаграмма сигнала 600 с параллельными расширенными данными, соответствующая варианту осуществления изобретения. Как показано на диаграмме, восьми- (8)-битовый ортогональный код 610 расширен сорокавосьми- (48)-битовой параллельной ПП-последовательностью 620, преобразуясь в сигнал данных с параллельным расширенным спектром 630. Как утверждалось ранее, параллельная последовательность должна быть кратной по отношению к выбранной длине ортогонального кода. Каждый символ данных 640 расширен шестью (6) битами 650 параллельной последовательности расширения, образуя потенциальный коэффициент расширения спектра в 7,78 дБ (10 1од 6). Как только выбираются предпочтительные ортогональные и параллельные ПП-последовательности, они сразу же фиксируются на протяжении всего сеанса связи. МДКР системы связи могут быть обеспечены, когда каждый приемник предназначается для разных ортогональных ПП-последовательностей с переменными длинами или без них.

По существу, большая параллельная последовательность расширения используется при чрезмерно большом количестве передаваемых байтов данных. Используемыми последовательностями расширения могут быть, например, М-последовательность, код Баркера, код Голда, код Казами или любой вид ППпоследовательности. Параллельное расширение в соответствии с изобретением может использовать дифференциальное кодирование потока данных в пересылаемом потоке для упрощения восстановления информации на приемнике. Если схема параллельного расширения применяется к М-ичной модуляционной связи, тогда синфазный (I) и квадратурный (ζ)) каналы могут быть расширены с использованием разных ПП-последовательностей для улучшения защищенности канала.

М-ичные системы модуляции посылают больше информации о преобразовании предаваемого сигнала (символа), чем бинарные системы. Ввиду того, что для выбора одной из М возможностей требуется 1о§2 (М) битов, каждый сигнал переносит 1о§2 (М) битов информации. Каждый переданный сигнал представляет 1о§2 (М)-битовый символ. Пример М-ичных схем представлен в табл. 1.

Таблица 1

М-ичные схемы

М-ичные	Схема модуляции
4	КМФ
8	8 МФ
16	16 КАМ
64	64 КАМ

При этом варианте осуществления изобретения кодирование первичных данных кодом Уолша обеспечивает исходные коэффициенты расширения спектра и кодирования. 8-битовый кодер Уолша будет обеспечивать потенциальный коэффициент расширения спектра в 9 дБ и коэффициент кодирования в 1,6 дБ. Связь использует усовершенствованный протокол, а данные выражаются в форме пакета. Преамбула означает начало пересылки для инициализации синхронизации на приемнике. Дифференциальная двоичная манипулированная по фазе («ДДМФ») модуляция используется в начале для преамбулы и ДКМФ с целью последующей передачи пакета данных. Термин «дифференциальное» относится к факту пересылки данных в форме дискретных фазовых сдвигов ΔΘ, при этом фазовый эталон представляет со бой фазу предварительно переданного сигнала. Этот способ упрощает процесс демодуляции, так как не требует абсолютного фазового эталона.

На фиг. 7 представлена одноканальная система 700 с параллельным расширением спектра, соответствующая варианту осуществления изобретения. Входные данные 772 скремблируются устройством скремблирования 720 для спектрального «отбеливания» и удаления из данных любого смещения КПД (канала передачи данных). При этом варианте осуществления изобретения используются ортогональные функции Уолша для кодирования и расширения потока данных с помощью кодера Уолша 720. Итоговые данные сегментируются на четырех- (4)-битовые полубайты по три (3) бита, определяя величину и разностный битовый указательный знак. Биты величин определяют один из восьми (8) битов кодов Уолша, а знак определяет, который из кодов Уолша избирается, истинный или инвертированный. Тем самым достигается выигрыш обработки системы в обеих формах - в расширении и кодировании. Коэффициент расширения составляет 9дБ (10 1о§ 8), в то время как использование высокоортогональных функций Уолша обеспечивает кодовый коэффициент в 1,6 дБ. Таким образом, использование кодов Уолша обеспечивает эффективность системы в 10, 6 дБ. Тем не менее, в изобретении могут быть использованы дополнительные схемы цифрового модулирования, содержащие синфазные (I) и квадратурные (ф) каналы. Соответственно во всех альтернативных исполнениях каждый канал использует отличающуюся последовательность с параллельным расширением для значительного повышения защищенности канала.

М-ичная биортогональная манипуляционная («МБМ») модуляция представляет собой метод, посредством которого данные кодируются по блокам с помощью ортогональных блоков и могут быть выполнены в бинарном («ДМБМ») или квадратурном («КМБМ») формате. Этот метод обуславливает коэффициент усиления кодирования, который улучшает коэффициент битовой ошибки («КБО») связи за счет применения на приемнике УКО алгоритмов. Поэтому МБМ модуляция является более эффективной, чем ДМФ модуляция, например Еь/Νο составляет 8 дБ по сравнению с 9,6 дБ при 1е10'⁵ КБО.

Надо отметить, что кодирование Уолша может быть использовано как часть предпочтительного исполнения с вышеопределенными преимуществами, однако, в дополнительном варинте осуществления оно может быть альтернативным кодированием, обуславливающим дополнительный коэффициент расширения спектра, который получен непосредственно через параллельное расширение. Кодирование Уолша является предпочтительным из-за ортогональности кодов и достижения свойств УКО. Коды Уолша выставляют нулевую кросс-корреляцию, когда имеет место нулевое фазовое смещение, или во время точной синхронизации. Во время смещения коды Уолша выставляют намного большие кросскорреляционные величины и намного худшую автокорреляцию, чем ПП-последовательности. Следовательно, наложенные параллельные ПП-последовательности расширения используются для извлечения фазовой и синхронизирующей информации, необходимой для когерентного декодирования последовательностей Уолша на приемнике. Незакодированные начальные посылки передаются для того, чтобы достичь исходного сброса на приемнике. Генератор 740 преамбулы вырабатывает исходное положение, и затем через сигнал 774 контроллер средней выборки («КСВ») (не показан) посылает сигналы для пересылки, оформленные в виде пакетов данных для кодирования Уолша. КСВ управляет потоком данных между базовой системой и радиоузлом.

Дифференциальное кодирование потока данных производится для упрощения условий определения фазы в процессе демодуляции. Дифференциальный кодер 730 использует предыдущий символ в качестве фазового эталона для принятия решения о текущем символе. Это отвергает предпосылки для передачи постоянного фазового эталона в системе когерентного обнаружения. Дифференциальное кодирование для ДМФ модуляции достигается сложением по модулю 2 величин текущего и предыдущего символов. Тем не менее, дифференциальное кодирование для КМФ является более комплексным, так как здесь присутствует 16 возможных состояний, как показано в табл. 2.

Таблица 2

Последовательность КМФ Дифференциального Кодера

Новые выходные данные ВХОД (I,(Эк	0	Ранее 0	закодированный	ВЫХОД (Ι,ζ))κ-1	1	0
0	1	1	1
0	0	0	0	0	1	1	1	1	0
0	1	0	1	1	1	1	0	0	0
1	1	1	1	1	0	0	0	0	1
1	0	1	0	0	0	0	1	1	1

На фиг. 8 представлена схема 800 КМФ дифференциального кодера, соответствующая варианту осуществления изобретения. Техническое устройство содержит учетверенные двухвходовые элементы

-6007357 исключающее ИЛИ 810 и 820, соединенные с двухбитовым сумматором 830. Специалисту в данной области техники должно быть понятно функционирование схемы 800.

Вновь ссылаясь на фиг. 7, отметим, что буфер данных 750 хранит байт (байты) данных до параллельного расширения и обеспечивает возможность синхронизации данных и ПП-последовательности. Например, кодер Уолша 720 обеспечивает синхронизатор 732 синхронизационными импульсами. Для большей гарантии того, что коды Уолша и ПП-последовательности выровнены по времени, синхронизатор 732 обеспечивает буфер данных 750, генератор ПП-последовательностей 760 и параллельный расширитель 770 синхронизирующей информацией. ИП генератор 760 запрограммирован для генерирования как коротких, так и очень длинных ПП-последовательностей. ПП-последовательность расширяет данные в параллельные через параллельный расширитель 770 с множественными ПП битами на каждый символ данных. Выходной поток данных 776 модулируется с использованием такой схемы цифровой модуляции, как ДМФ или КМФ.

На фиг. 9 и 10 представлено большинство составных элементов системы 900 с параллельным расширенным спектром (приемник), соответствующей заявленному изобретению. На фиг. 9 показаны оба канала I 902 и О 904, в которых ДМФ представляет собой схему модуляции. На фиг. 10 представлены схемы кодовой корреляции Уолша и декодирования 1000 с УКО. Для большей ясности изображен только синфазный [I] канал, однако, и другие каналы могут быть использованы. Специалисту в данной области техники должно быть понятно функционирование схемы 1000.

Ссылаясь на фиг. 9, отметим, что приемник 900 сжимает параллельную расширенную последовательность в соответствии с заявленным изобретением. Конкретно, сигнал промежуточной частоты («ПЧ») тогда преобразуется обратно в полосу частот, когда он преобразуется в цифровую форму с помощью двойного четырех- (4)-битового аналого-цифрового преобразователя («АЦП») 910. Используется скорость выборки, равная четырехкратной максимальной скорости элементарного сигнала. Контур цифровой фазовой синхронизации («КЦФС») трассировки несущей обеспечивается с помощью фазового детектора несущей 930, фильтра опережение/задержка 940, численно управляемого осциллятора («ЧУО») и комплексного умножителя 920. ЧУО представляет собой осциллятор, который генерирует цифровые выборочные значения, соответствующие синусоидальным или другим формам сигналов. Назначением КЦФС является устранение любого смещения несущей, которое объяснялось бы допустимыми отклонениями, присутствующими в процессе обратного преобразования радиочастот. Для устранения этого смещения несущей квадратурный ЧУО до корреляции перемножает полученные выборки. Вторичный сигнал ошибок КЦФС выводится из секции демодуляции. На этом этапе выравниваются и синхронизируются выборки, поступившие на коррелятор 960 фильтра ПП согласования для оптимизации режима работы приемника.

Фильтр 960 ПП согласования включает в себя единожды запрограммированный многоступенчатый последовательный скользящий коррелятор. Во время работы фильтр 960 вычисляет кросскорреляцию между входным сигналом и запрограммированной максимальной ПП-последовательностью. Пик корреляции используется для инициализации параллельного накопителя, интегрирования и записи последовательности, которая, в свою очередь, извлекает многобайтовые выборки и информацию побайтовой синхронизации. Результаты данных каждого из побайтовых накопителей в фильтре 960 ИП согласования подаются параллельно на процессор 970 корреляции и отслеживания символов, где подтверждается корреляция каждого бита и символ синхронизирующей информации извлекается из извлеченных выборок данных. Корреляция достигается вычислением суммарной величины сумм корреляций I и О каналов, приближенно выраженной уравнением Мах[АВ§(1)*АВ8(О)]+1/2 Μίη[ΆΒ§(Ι)*ΆΒ§(0)]. Подсчитанная величина используется для генерирования многобитового эталонного тактового сигнала отслеживания.

Программируемые пороговые величины и интеллектуальное отслеживание используются для исключения ложных детектирований и автоматического включения пропущенных корреляционных импульсов. Эти многобайтовые импульсы обнаружения инициируют параллельную корреляцию, которая извлекает символ синхронизации вычислением величины корреляционной мощности символа, которая, в свою очередь, формирует эталон для процесса отслеживания символа. Извлеченные сжатые символьные выборки совместно с коррелированной синхронизированной информацией пересылаются затем из процессора символьного отслеживания в ДМФ демодулятор 980.

ДМФ демодуляция проводится для каждого символа вычислением скалярных и векторных произведений для каждого применения расширенной информации, полученной из текущей и предыдущей процедур параллельной корреляции. Для КМФ модуляции оба произведения - скалярное и векторное необходимы для определения фазового сдвига. Математически скалярное и векторное произведения выражаются с помощью уравнений бо!^(к) = ^Ικ · ^Ικ-1 ⁺ Ок · Ок-1 ^исго88⁽к⁾ = Ок · ^Ικ-1 ^{- Ι}κ · Ок-1 где Ι и О являются синфазными и квадратурными выборками для текущих К и предыдущих К-1 символов. Использование этих произведений в комплексе выявляет, что этот способ будет правильно демодулировать кодированные по-разному КМФ сигналы в формате, представленном в табл. 2.

- 7 007357

Осуществление технического обеспечения дифференциального МФ демодулятора 1100 в соответствии с представленным изобретением изображено на фиг. 11. Специалисту в данной области техники должно быть ясно функционирование демодулятора 1100.

Скалярное и векторное произведения могут быть также использованы для генерирования сигнала дополнительных ошибок для функционирования исходного КЦФС. Этот сигнал автоматического частотного контроля («АЧК») ошибок отображает синус фазовой разницы между настоящим и предыдущим символом после коррекции предполагаемой фазовой разницы между символами, возникшей в результате МФ модуляции. Результаты математического анализа выводят приближение, которое может быть применено с использованием скалярного и векторного произведений. Уравнения принимают вид АРС_Еггогд_МФ = Сго88 · 8ί§η[Όοΐ] и

ЛЕС_Еггог_кмф = (Сго88 · 8ί§η[Όοΐ]) - (Όοΐ · 81§п[Сго55]) соответственно для схем ДМФ и КМФ модуляций. Сигналы ошибок собираются с каждого из каналов параллельной обработки и усредняются до подачи через контурный фильтр на ЧКО. Это действие, по существу, убирает немногочисленные частотные ошибки и обеспечивает таким образом оптимальный режим работы приемника.

Восстановленные I и О данные подаются в последовательно-параллельный преобразователь. При другом варианте осуществления изобретения дополнительная обработка сигнала может быть истребована для приведения в соответствие интерфейсов с существующими декодерами Уолша. Эти выборки данных являются выходными на параллельных 1202 и 1204 шинах для УКО 1210 кода Уолша двухканальной системы 1200 с параллельным расширенным спектром, как показано на фиг. 12.

Процедуры корреляции Уолша, демодуляции и УКО находятся в зависимости от секций параллельного расширения для правильного устранения смещений несущей частоты и фазовых смещений. Процессор символьной синхронизации также выдает из секции параллельного расширения фазовый эталон, необходимый для когерентной корреляции и декодирования кодовых последовательностей Уолша.

УКО процессор 1210 опрашивает шины данных I 1202 и О 1204 и сравнивает полученные байты с одним из шестнадцати (16) возможных байтовых наборов. Интеллектуальная обработка используется для исправления битовых ошибок внутри полученных I и О символов. Для обеспечения оптимальной работы УКО 1210 действует совместно с декодером Уолша 1220. Свойство ортогональности кодов Уолша улучшает параметры УКО и таким образом минимизирует КБО вдоль линии связи.

Выходные данные УКО используются для блока, содержащего шестнадцать (16) корреляторов (не все показаны), по восьми для каждого I и О канала, которые перемножают эти входные данные с соответствующим кодом Уолша, накапливают, интегрируют и записывают их в течение байтового периода. «Сортировщик наибольших величин» 1230 I канала и «Сортировщик наибольших величин» 1235 О канала анализируют корреляционные пики из восьми соответствующих корреляторов и выход соответствующих данных для детерминированных кодов Уолша для знаковой коррекции и преобразования данных 1240 в последовательную форму. Декодированная по Уолшу информация направляется обратно в УКО процессор 1210 для поддержания декодера Уолша и УКО. Нерегулярность между процедурами будет приводить к вторичной переработке входных выборок. Нарушение этого процесса будет приводить к генерации сигнала ошибки, который может быть использован с протоколом линии связи для инициализации алгоритма пересылки. Единожды удачно закодированные коды Уолша, I и О данные определяются и комбинируются в сигнальный поток данных.

Поток данных дескремблируется с использованием полиномиального деления, а проверка избыточности цепи («ПИЦ») проводится на пакетах данных с помощью устройства дескремблирования данных и ПИЦ детектора 1250. Данные представляют собой последовательные выходные данные КСВ для завершения работы приемника.

Наиболее проблемной областью обработки являются требования, предъявляемые к параллельной обработке на приемнике. Типичный цикл обработки от 1111 поступлений до восстановления данных должен быть осуществлен в течение 0,4 х О. где О равно времени поступления. Для потока данных Е1, использующего на показанном примере сорокавосьми- (48)-битовое параллельное расширение, требуется полная обработка на приемнике в течение 1,5 μβ.

Настоящее изобретение представляет собой новую систему с параллельным расширенным спектром и способ, который включает в себя ортогональные свойства кодов Уолша с близкими корреляционными характеристиками ПП-последовательностей для получения прочного метода связи, которая может воплощаться в двухточечной или многоточечной линиях связи. Независимые последовательности параллельного расширения могут распределяться внутри сети для осуществления МДКР. В варианте осуществления изобретения параллельное расширение является динамическим, в котором кодер Уолша является программируемым и длительность кода с параллельным расширением может варьироваться. Пользователь может определить максимальный коэффициент расширения спектра для фиксированной скорости обработки данных в пределах выделенной полосы частот.

Пример, показанный в предшествующем описании, и фигуры используют восьми- (8)-битовый кодер Уолша и сорокавосьми- (48)-битовую ПП-последовательность для достижения коэффициента рас

- 8 007357 ширения спектра в 18,4 дБ (9 + 1,6 + 7,8), которая потенциально увеличивает диапазон эффективности линии связи ПРС в 8-кратном размере по сравнению с обычной линии связи. Вариант осуществления изобретения может содержать кодеры Уолша и ПП-последовательности разных размеров. Для достижения максимальной скорости поступления и минимальной сложности конструирования предпочтительно использовать коды с меньшей длиной.

В другом варианте осуществления изобретения последовательности с дальнейшим уровневым расширением могут быть осуществлены для улучшения эффективности обработки и МДКР характеристик. Например, в дополнение ко вторичной последовательности расширения может быть использована третья последовательность параллельно с первичным кодированием и вторичной последовательностью.

В другом варианте осуществления изобретения когерентная демодуляция используется для отрицания необходимости проведения дифференциального кодирования. В дополнительном варианте осуществления в качестве схемы модуляции используется мультиплексная технология, основанная на КАМ или закодированном ортогональном частотном делении.

Хотя изобретение было показано и пояснялось со ссылками на несколько его предпочтительных вариантов, специалистами этой области должно быть понято, что разные изменения в его форме и деталях могут производиться неотъемлемо от духа и объема изобретения, отраженных в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ кодирования данных для средств передачи данных с расширенным спектром, включающий кодирование данных и расширение закодированных данных, отличающийся тем, что кодирование данных осуществляют с помощью η-битовых ортогональных кодов, а расширение осуществляют путем умножения закодированных данных на т-битовую последовательность расширения, при условии, что т кратно η.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ортогональных кодов используют коды Уолша.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что η равно 8.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве последовательности расширения используют равномерный упорядоченный код.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что равномерный упорядоченный код выбирают из группы, которая включает М-последовательность, код Баркера, код Голда, код Казами, псевдопомеховую последовательность или их комбинацию.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве закодированных данных используют один или более ортогональных кодов.
7. Способ расширения данных в системе связи с расширенным спектром, включающий кодирование потока данных и расширение закодированных данных, отличающийся тем, что кодирование осуществляют соответственно схеме первичного кодирования с помощью первичных кодов, а расширение первичных закодированных данных производят вторичной последовательностью, при этом длина вторичной последовательности в битах является кратной длине первичных кодов в битах.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно до кодирования и расширения потока данных производят их дифференциальное кодирование и скремблирование.
9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве первичных кодов используют ортогональные коды Уолша.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что включает сегментацию потока данных на многобитовые пакеты данных, выявляя при этом один из числа истинных или инвертированных кодов Уолша.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что до расширения потока данных вторичной последовательностью включает обеспечение синхронизационными импульсами для синхронизации кодов Уолша и вторичной последовательности и хранение потока данных в буферной памяти данных.
12. Способ по п.8, отличающийся тем, что дифференциальное кодирование представляет собой дифференциальное кодирование для ДМФ (двоичной модулированной по фазе) модуляции.
13. Способ по п.8, отличающийся тем, что дифференциальное кодирование представляет собой дифференциальное кодирование для КМФ (квадратурной модулированной по фазе) модуляции.
14. Способ по п.7, отличающийся тем, что вторичную последовательность выбирают из группы, которая включает М последовательность, код Баркера, код Голда, код Казами, псевдопомеховую последовательность или их комбинацию.
15. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно включает модуляцию потока расширенных данных и передачу модулированного потока данных.
16. Способ передачи данных в системе связи с параллельным расширенным спектром, включающий получение сигнала связи с параллельным расширенным спектром и восстановление потока данных из сигнала связи с параллельным расширенным спектром, отличающийся тем, что сигнал связи с параллельным расширенным спектром генерируют путем кодирования данных с помощью η-битовых ортого

- 9 007357 нальных кодов и умножения закодированных данных на т-битовую последовательность расширения, при условии, что т кратно п.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что восстановление потока данных из сигнала связи с параллельным расширенным спектром включает преобразование полученных сигналов в поток данных в цифровой форме, вычисление кросс-корреляции между оцифрованным потоком данных и запрограммированной последовательностью, использование кросс-корреляции для извлечения многобайтовых выборок и информации побайтовой синхронизации, выведение символов информации синхронизации из извлеченных многобайтовых выборок и демодуляцию извлеченных многобайтовых выборок.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве запрограммированной последовательности используется псевдопомеховая последовательность.
19. Способ коммуникации в сотовых сетях с помощью сигнала связи с параллельным расширенным спектром, включающий получение сигнала связи с параллельным расширенным спектром на первый приемник, передачу полученного сигнала связи с параллельным расширенным спектром на второй приемник, отличающийся тем, что сигнал связи с параллельным расширенным спектром генерируют путем кодирования данных с помощью п-битовых ортогональных кодов и умножения одного или более ортогональных кодов закодированных данных на т-битовую последовательность расширения, при условии, что т кратно п.
20. Способ по п.19, отличающийся тем, что в качестве первого приемника используют базовую станцию.
21. Способ по п.19, отличающийся тем, что в качестве первого приемника используют систему коммутации с помощью мобильных телефонов.
22. Способ по п.19, отличающийся тем, что операция передачи включает в себя передачу сигнала связи с параллельным расширенным спектром на второй передатчик.
23. Способ по п.21, отличающийся тем, что в качестве второго приемника используют сотовое устройство.
24. Способ по п.19, отличающийся тем, что операция передачи включает в себя преобразование сигнала связи с параллельным расширенным спектром в конвертированный сигнал связи и передачу конвертированного сигнала связи на второй приемник.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что в качестве второго приемника используют сотовое устройство, устройство наземной телефонной связи или сеть.
26. Устройство связи с параллельным расширенным спектром, содержащее устройство кодирования и устройство расширения потока закодированных данных, отличающееся тем, что устройство кодирования кодирует поток данных соответственно схеме первичного кодирования, а устройство расширения расширяет закодированный поток данных с помощью вторичной последовательности, при этом длина в битах вторичной последовательности является кратной длине в битах по крайней мере одному из первичных кодов схемы первичного кодирования.
27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что схема первичного кодирования выполнена для применения п-битовых ортогональных кодов Уолша.
28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что последовательность расширения представляет собой т-битовую псевдопомеховую последовательность.
29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что т кратно п.
30. Устройство по п.26, отличающееся тем, что дополнительно содержит модулятор по ключу со сдвигом по фазе и передатчик.
31. Устройство связи с параллельным расширенным спектром, содержащее устройство кодирования потока данных, генератор и устройство расширения потока закодированных данных, отличающееся тем, что устройство кодирования кодирует поток данных с помощью схемы ортогонального кодирования, генератор генерирует последовательности расширения, а устройство расширения расширяет поток ортогональных закодированных данных с помощью последовательности расширения.
32. Устройство по п.31, отличающееся тем, что дополнительно содержит модуль синхронизации для синхронизации потока ортогональных закодированных данных с помощью последовательности расширения, буфер данных для временного хранения потока ортогональных закодированных данных.
33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для генерирования преамбулы, содержащей информацию синхронизации для каждого пакета данных, и включения этой преамбулы в каждый пакет данных.
34. Устройство по п.31, отличающееся тем, что дополнительно содержит дифференциальный кодер для дифференциального кодирования потока ортогональных закодированных данных до расширения с помощью последовательности расширения.
35. Устройство по п.31, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство скремблирования для спектрального отбеливания и устранения из потока данных любого смещения канала передачи данных.

- 10 007357
36. Устройство по п.31, отличающееся тем, что последовательность расширения выбирают из группы, которая включает М последовательность, код Баркера, код Голда, код Казами, псевдопо меховую последовательность или их комбинацию.
37. Устройство по п.31, отличающееся тем, что схема ортогонального кодирования выполнена для применения ортогональных кодов Уолша.
38. Устройство связи с параллельным расширенным спектром, содержащее приемник для приема сигнала связи с параллельным расширенным спектром и средство для восстановления потока данных из сигнала связи с параллельным расширенным спектром, отличающееся тем, что содержит генератор сигнала связи с параллельным расширенным спектром, осуществляющий кодирование данных с помощью η-битовых ортогональных кодов и умножение одного или более ортогональных кодов закодированных данных на т-битовую последовательность расширения, при условии, что т кратно η.
39. Устройство по п.38, отличающееся тем, что средство для восстановления содержит средство оцифровывания для преобразования принятого сигнала в поток информации в цифровой форме, средство вычисления кросс-корелляции между оцифрованным потоком данных и запрограммированной последовательностью, средство использования кросс-корелляции для извлечения многобайтовых выборок и побайтовой синхронизации информации и средство извлечения символа синхронизации информации из извлеченных многобайтовых выборок и демодулятор для осуществления демодуляции многобайтовых выборок.
40. Устройство по п.39, отличающееся тем, что запрограммированная последовательность представляет собой псевдопомеховую последовательность.