TWI324463B - Improving hierarchical 8psk performance - Google Patents

Description

1324463 玖、發明說明： 本專利申請案要求以下美國臨時專利申請案之優先權， 其揭示内容以引用方式併入本文中：

Ernest C.Chen等人於2002年7月1曰提出申請的標題為，， 改良階層8相移鍵控法性能（IMPROVING HIERARCHICAL 8PSK PERFORMANCE)"的第60/392,861號美國臨時專利申 請案。 本發明係關於Ernest C_Chen於200 1年4月27日提出申請 的標題為”數位信號的分層調變（LAYERED MODULATION FOR DIGITAL SIGNALS)，’的第 09/844,401 號美國專利申請 案’其揭示内容以引用方式併入本文中。 【發明所屬之技術領域】 本發明概言之係關於用於發送和接收數位信號之系統， 詳言之’係關於利用階層調變技術廣播和接收數位信號之 系統。 【先前技術】 數位號通信系統業已應用於包括數位電視信號之地面 或衛星傳輸在内的各種領域中。 隨著各種數位信號通信系統和服務的發展演變，萌發出

及新的服務變得更加困難。新系統和服務若可利用現有舊 ‘宁，該原則因電磁 不可能（或至少不實 型硬體則更具有優勢。在無線通信領域中 波譜的有限可用性而愈顯突出。因此，不 86310 1324463 用）僅以一新的頻率來發射增強的或額外的資料。 增大頻譜容量之傳統方法係上移至一更高階調變，例如 自四相移鏈控（QPSK)移至八相移鏈控（8PSK)或16正交幅度 調變（16QAM)。令人遺憾的是，QPSK接收器不能解調變傳 統的8PSK或16QAM信號。因此，使用QPSK接收器的傳統 客戶必須升級其接收器，才能夠繼續接收藉由一 8PSK或 16QAM調變發射的任何信號。 目前已鑒定出若干可將基礎調變QPSK信號修改至更高 階調變技術（例如8PSK)之技術，以容許已升級接收器或第 二代接收器發射並接收額外資料。此等技術亦可回溯相容 。亦即’其容許舊型接收器接收並處理相同的基本(^”反信 號儼若根本不存在額外資料。一項此種技術為階層調變。 階層調變係一種可修改標準8PSK星座圖以產生一”非一致 "8PSK星座圖之技術，該，，非一致"8pSK星座圖發射兩種信 號·（ 1)一可組態用於回溯相容現有接收器的qpsk信號及 ⑺-通常具有更高功率效率的非回溯相容信號。回溯相容 QPSK信號可用於發射高優先序（Hp)資料而非回溯相容信 號則可用於發射低優先序（LP)資料。當册信號局限為舊型 信號時，LP信號具有更大的自由度且可使用—先進的前向 錯誤校正（FEC)編碼方案（例如加瞒）更有效地編碼。 傳統階層解調變技術之應用會在Lpf料信號中產生過多

的符號錯誤。發生此等錯誤沾A 哥錯誤的原因為，解調變ΉΡ資料信號 中使用的時序/載波還原迴路中屮 y出現過多追蹤錯誤及已解 調變HP資料信號中存在過多符號錯誤。 86310 1324463 因此’需要一種用於在（例如）非—致8PSK中接收階層調 變符號並可減小LP資料信號錯誤及提供改良性能的系統和 方法。本發明可滿足該需要。 【發明内容】 為了改良解調變器性能’本發明之具體實施例利用可自 HP解調變獲得準無錯誤（QEF)上層（UL)符號之事實。此等 實質上無錯誤的符號可用於徹底抵消接收信號中的u l信 號以得到-更清潔的下層(LL)信號。此等實質上無錯誤的 符號亦可用於一第二淨化追蹤迴路中以降低迴路雜訊，藉 以進-步改良其性能。其結果為：利用本發明可改良认信 號品質並因此獲得更佳的BER性能。分層調變十所使用^ 語UL和LL分別與階層調變中所用Hl^n Lp同義。 ^本發明之具體實施例可降低上述非—致8咖技術所需 訊雜比（SNR)’藉此減小必要的衛星放大器輸出功率。舉例 而言，在本發明之具體實施例中’可針對一給定接收：線 尺寸降低所需衛星放大器輸出功率；或者可針對—給定衛 星放大器輸出功率減小接收器天線尺寸等。 ▲本發明一典型方法包括下列步驟：解調變並處理一階居 調變信號以從第一階層的第一調變中產生符號；應用 忒第一階層之該第一調變的複數個符號之資訊以自該已 調變階層調變信號減去該等複數個符號，以在該第二階涔 獲侍該第二調變；及在第二階層處理該第 9

又以從P 調變的第二信號中產生第二符號。該階層調變信號包 -非一致8PSK信號。應用來自該第—調變的該等^:符 86310 號之資訊可藉由應用來自第Μ辯认0 成，該錯誤校正可採m 誤校正符號而達 _ 知用（例如）前向錯誤校正（FEC)或某歧 匕可改良來自第-調變的輪出符號準確度之技術。…、 種典型接收器可包括· 结 階…… 了匕括…弟-解調變器，用於解調變 ^^之第—調變；-符號解碼器，其以通信方式 —解調變器，並用於從該已調變之第-信號中 „ 、， 、馬 其以通信方式耦合至符號解碼 益’亚且用於從來自該已調變之第一信號的該等符號中產 生。已錯誤校正符號流；一重編碼器，用於重新編碼該已 ’曰〈杈正符唬机，_重調變器，用於將該已錯誤校正符號 流重對應至一基帶信號；一減法器，其以通信方式輕合： 邊重調變器和該第-解調變器，並且用於自該第一信號令 減去該已重調變符笋·* 太 ]爻付琨抓，以產生一第二信號；及一第二符 號解碼态’其以通信方式耦合至該減法器’並且用於從爷 已調變第二信號中產生第二符號。若該階層調變信號為相 干信號（例如，階層非一致8psK)，則可於該減法器與該第 二符號解碼器之間以通信方式麵合一大幅減小的第二層級 解調變器’以解調變來自該減法器的該第二信號，並:將 該已解調變第二信號提供至該第二符號解碼器。 【實施方式】 下文說明書中將參照附圖闡釋本發明，該等附圖為本說 明書之-部分並舉例展示本發明若干具體實施例。應瞭解 ，可使用其它具體實施例並可改變本發明之結構且岣未背 離本發明之範疇。 86310 丄 階層調變/解調變 圖1A為一闡釋一 QPSK Hp資料信號的信號星座圖之圖 M L號生座圖包括八和B的四個可能的信號結果值102 —、中（Α ’ Β} = {〇 ’ 〇Κ第一象限中的點 102Α) ; {1，0}( 第二象限中的點1〇2Β); {1，1}(第三象限中的點i〇2C);及 { 1}(第四象限中的點102D)。一進入且已解調變的信號 對應至其中一象限（I_ Iv)並據此決定{A，B}之數值（並進 而決定HP資料流相關部分之數值）。 圖1B為一闡釋藉由增加一Lp資料流（由，，c"表示）所建置 的8PSK星座圖之圖式。該階層調變之應用將„c"的兩個可 能資料值（C= {卜〇})加入至每一結果值1〇2A_ 1〇2D。舉例 而言，結果值102A({A，B} ={〇,〇})分別展開為一結果值 對 l〇4#1〇4A，（{A，b，C}={〇, 〇, 1}和{八，B，C}={〇 ，〇 , 〇})，該結果值對之成員以距, B}的一角度0相互 分開。此方法將展開該信號星座圖，而得以包括8個節點 104A— 104D(圖中以實點標示每一節點）。 若該角度Θ充分小，則當{Α，Β}={0,0}時，一舊型QPSK 信號將同時接收{A ’ B，C} = {〇，〇，1}和{A，B，C} = {〇 ’ 〇 ’ 〇}。僅能夠實施第二階層調變（LP)的接收器方可將用 於{ C }之數值擷取為{ 〇 }或{ 1 }。此階層信號結構已習稱為，， 非一致"8PSK。 該變數Θ之選擇依賴於各項因素。舉例而言，圖1B展示 無雜訊的理想化資料點。信號發射及/或接收中之雜訊和錯 誤可改變圖1B中節點104A - 104D及104A，一 104D，之實 86310 -10- 1324463 位置。每一節點周圍的雜訊區域1 06表明星座旦、 1:4 丁匕I測之 資料可貫際存在之區域。接收器偵測並準確表， ▲ 1、付观的能 力依賴於角度β、用％表示的信號功率（例如載波）及雜訊（ 可用rn表示）。審視圖1Β可看到，隨著信號功率的遞增或β 的遞減，LP進入HP的干擾會減。此階層調變系統之性铲可 用載波干擾比（C/Ι)表示。 倘使採用本發明的一分層類型解調變，可避免因ul符號 錯誤而將雜訊引入所擷取的LL信號。在一分層調變對應中° ’ 8個節點的LP位元值環繞該圓圈在〇與1之間交替取值，即 {〇 ’ 1 ’ 〇 ’ 1，〇，1 ’ 0，丨}。其與圖1B中所示用於傳統階 層調變之{0，0，1，1，〇，〇，丨，1}指派形成對照。分層 解調變首先利用一準無錯誤（QEF)性能對上層符號實施 FEC解碼’然後利用該等QEF符號擷取低層信號。因此，不 會因未編碼低層符號錯誤而引入錯誤。獲得用於此廯用的 QEF上層符號所需的延遲記憶體僅為接收器一小的額外成 本’尤其考慮到隨時間不斷降低的固態記憶體成本。 在一種使用非一致8PSK的傳統階層接收器中，該Lp信號 性能受HP解調變器之性能影響。該解調變器通常包括一時 序和載波還原迴路。多數傳統還原迴路中包括一決策引導 回饋迴路。未編碼符號決策用於在還原迴路的每一符號時 間預測追蹤錯誤。每當一符號決策有錯誤時，該追蹤迴路 可獲得-錯誤向量。在許多舊型系統中，該未編碼符號錯 誤率（SER)會高達6%，一種本發明的FEC校正解調變器可避 免此種降級。 86310 11 1324463 圖2為肖用於解調變一具有分層調變之階層非—致 8PSK信號的實例性系統圖示，如圖ΐβ所示，該信號具有上 述（〇, 1，〇,卜〇, 1，〇,叫位元指派。該輸入信號202 被提供至—第~解調變器崩，其解調變該傳人的信號以產 生HP貝料仏號。然後，該已解調變Hp資料信號被提供至— 符號解瑪器，其將該已解調變信號值對應成m在圖 iB所示之實例性非—致8psK信號中，其通常藉由決定該已 解調變資料信號位於四個星座象限(ι-ηο中哪一象限來實 施。，後，該等輸出信號被提供至一前向錯誤校正㈣） 解碼益21G ’其至少校正部分來自符號解碼器的潛在錯 誤信號。舉例而言，當加性雜訊或資料失真使量測充分接 近於：不正確的象限時.，就會發生此等錯誤信號。此程序 之功能類似於圖1A所示承擔QpsK信號解碼工作的舊型 Qpsk接收器所執行之功能。 。、該LP :貝料k 5虎222由圖2所示剩餘元件獲得。一減法器（ 或差分器）214計算介於已解調變信號咖與符號解瑪器2〇8 提供的HP資料符號224之間的差。此方法可有效移除则 枓容許第二解調變器216解調變該㈣料信號並容許 第二符號解碼器218解碼該Lp資料信號。然後，該已解調變 且已^媽信號被提供至-第二FEC錯誤解竭器22〇以提供 =資料222信號。若為階層非—致8pSK信號（其在 Γ Ϊ之間具有相干性），解調變器216無需包括—完整解調 邊器的時序和載波還原功能。 儘管上文依據分開的（例如，第一和第二）解調變器、符號 86310 •12- 角y石庄· 〇〇 > 益及錯誤解碼器來概念闡釋實例性系統200，然而亦可 藉由可執行多個單獨裝置功能的多個適當的單一功能元件 來實如系統200。進一步’圖2描述對階層8pSK的直觀處理 。再者，可使用I-Q計算改良其性能。 在解碼一回溯相容階層調變信號過程中，包括一項兩步 驟式程序。在第一步驟中，處理"舊型"信號。（處理該階層 ^ 5虎以彳于到其LP信號分量作為雜訊被忽略的HP資料符號 。）在第二步驟中，處理該LP信號（例如，新服務信號）。在 傳統方法中’首先根據已解調變複值所在的象限對HP信 5虎做出符號決策。當以載波雜訊比（CNR)臨限值運算時，此 等未編碼”符號決策之符號錯誤率（SER)可高達0°/。。然後， 按照與該未編碼信號有關的數值，從該已解調變複合信號 擷取LP>f§號。結果，每當一 Hp符號決策有錯誤時，該1?信 號將獲得一錯誤向量。因此，該錯誤將以增大位元錯誤率 的形式而使後續的LP解碼性能降級。 儘管前述系統200能夠解碼HP資料流和lp資料流，但其 並未充分利用可衍生自HP資料流的資訊來解調變該Lp資 料流。其結果為輸出LP資料流222受到某些可校正錯誤之處 理。 圖3為一闡述用於解調變一階層調變信號的另一系統3〇〇 之方塊圖。不同於圖2所示系統2〇〇，該圖3所述系統可在解 調變LP信號中充分利用已解碼Hp資料。不同於圖2所示系 統200，差分器214可計算介於已解調變信號2〇6與已由重編 碼器302重編碼的一 HP符號流版本之間的差。在圖2所示之 86310 -13 - 1324463 系統200中，一次僅使用一個符號，從已解調變信號2〇6中 移除HP資料枱號’不同於圖2所示該系統2 〇〇，圖3所示系統 3 00可利用來自複數個符號的資訊來移除Hp資料。此一程序 可使用HP付號/’il 304的一 FEC解碼和重編瑪版本達成。 亦如前所述，若為階層非一致信號8PSK信號（在]^1}與Lp 信號之間具有相干性）’則解調變器216無需包含完整解調 變器之時序和載波還原功能。相應地，圖3中將該第二解調 變器216和第二符號解碼器220描繪成一單一方塊。 儘营使用FEC闡釋前述系統3〇〇，亦可使用其它編碼和降 低錯誤方案來實施本發明。所需做到的僅為系統3〇〇中實施 的解碼和重編碼須相容於輸入信號2〇2中所使用的編碼。階 層解。周變系統中之現行工作尚未闡釋該減錯技術可應用於 HP資料2 1 2中來改良LP資料222的解調變。 圖4為一闡釋本發明另一具體實施例之方塊圖。該具體實 施例使用已解調變且已解碼Hp資料信號改良用於還SLp 資料L唬的輸入信號202之解調變性能特徵。在該實施例中 ，來自HP資料212的FEC解碼Hp符號流3〇4被提供至

一 FEC 才X正解調變器402。該重編碼信號容許校正解調變器4〇2使 用已改良的載波/追蹤還原功能來解調變該輸入信號2〇2 ^ 此方法可減少錯誤並改良Lp資料222之BER。如同圖3所示 /、體實施例，由於會在錯誤校正後應用該Hp符號，因此圖4 所示具體實施例亦可使用纟自複數個符號的資㉝來移除該 HP資料。 方塊204、216和402可採用的典型解調變器闡述於Edward 86310 14 1324463

Lee 和 David G. Messerschmidt 在 1994 年所著，，數位通信 (Digital Communications)，，論文第 725 __ 736 頁（載波還原）和 第7)7 764頁（fl^·序還原）及He inrich Mayer等人在1 998年所 著數位通信接收器（Digital c〇mmunication Receivers)"論 文第79 — 88頁中，該兩篇論文皆以引用方式併入本文。 在圖4所示一分離的FEC校正解調變器402中，可藉由將 重編碼器302輸出的該FEC校正和重編碼HP符號流提供至 信號406(此時無信號決策錯誤）來實施系統4〇〇。進一步，圖 2到圖4闡釋若干可接收並解調變相干和非相干]^1>與Lp資 料信號之具體實施例。如同階層非一致8PSK之情形，若該 HP和LP信號為相干信號，圖2至圖4所示系統可藉由大幅減 小或去除LP#號解調變器216而簡化。相應的，該第二解調 變器216和第二符號解碼器220作為一單一方塊示於圖4中。 圖5為本發明一用於解調變一階層非一致8PSK信號之實 例性方法5 0 0之流程圖。方法5 〇 〇開始於步驟5 〇 2，在該步驟 申，解調變並處理一階層調變信號以自第一階層的第一調 變中產生符號。在步驟504中，應用來自第一階層的第一調 變的複數個符號來減少該已解調變階層調變信號，以在第 二階層獲得一第二調變。最後，在步驟506中，處理該第二 階層的第二調變以從該已解調變的第二信號中產生第二符 號。該階層調變信號包括一非一致8PSK信號。所應用的來 自第一調變的複數個符號之資訊可藉由應用來自第一調變 的錯誤校正後的符號而達成，例如該錯誤校正可為前向錯 誤校正（FEC)或某些其它可改良來自第一調變的輸出符號 86310.doc -15- 以4463 準確度的技術。可進-步修改該實例性方法5⑽使其與圖2 至圖4所示接收器相-致。舉例而言，可藉由提供來自一重 編碼器輸出的-FEC校正和重編碼_號流以解調變傳入 信號來實施步驟504,此時已無符號決策錯誤。 提供上述包括本發明較佳具體實施例的說明僅為舉例說 月和闡釋之目#。該說明並非意欲窮盡本發明或將本發明 限定為_揭示的仙形式。根據上述說明可對本發明做多 種修改和改變°本發明範圍由後时請專利制而非該詳 。兄明限疋。上洋说明、實例和資料提供一有關本發明製 作和使料完整闡釋。由於本發明可藉由多項具體實施例 而達成脫離本發明之範嘴，因此本發明屬於後附之申 請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 見>.、?、圖式，其中相同的參考編號表示相同的部分，圖 式中： 圖1A為—闡釋—QpsK信號星座圖之圖式； 圖1B為—闡釋—可藉由階層調變而達成的非一致8PSK 偽號星座圖之圖示； 圖2為閣釋一用於解調變如圖1所示階層非一致8PSK k號之系統之圖式； Κ 3為M釋-用於解調變- P皆層非-致8PSK信號之系 統之圖不，該备试& 厅、現所導致之錯誤數量少於圖2所述系統； 圖為用於解調變階層非一致8PSK信號之系統的另一 具體實施例方塊圖；及 86310 1324463 圖5為一本發明用於解調變一階層非一致8PSK信號的一 實例性方法之流程圖。 【圖式代表符號說明】 200 實例性系統 202 複合信號HP + LP 204 HP信號解調變器 206 HP信號 208 符號解碼器 210 FEC錯誤解碼器 212 HP資料 214 減法器（或差分器） 216 LP信號解調變器 218 符號解碼器 220 FEC錯誤解碼器 222 .LP資料 224 HP符號 300 另一系統 302 HP重編碼器 304 已減錯HP符號 400 系統 402 HP信號重解調變器 404 重解碼符號流 406 信號 86310 -17-

Claims (1)

1324463 系092117948號專利申請案 一 -- 中文申請專利範圍替換本(98年9月）％年f月尨Hi J止朁邊f 拾、申請專利範圍： 1· 種用於解調變和解碼一階層調變信號（202)之方法，今 階層調變信號（202)在第一階層具有一第一調變並在第二 階層具有一第二調變，該方法包括以下步驟： 解調變並處理（502)該階層調變信號（202)，以從該第一 階層的該第一調變中產生符號（212); 應用來自該第一階層（2 12)之該第一調變的複數個符號 之貧訊（504)以自該已解調變階層調變信號減去（214)該 等複數個符號’以在該第二階層獲得該第二調變；及 處理（506)該第二階層的該第二調變以從該已解調變的 第二信號中產生第二符號（222); 其中该階層調變信號包括一非一致8pSK信號。 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中應用來自該第—階 層的該第一調變的複數個符號之資訊包括應用來自該第 一階層的該第一調變的錯誤校正（3〇4)後的符號。 3. ^據中請專利範圍第2項之方法，其中應用來自該複數個 符號之貢訊包括對該階層調變信號（2〇2)實施一 fec校正 解調變（402)。 4. $據中請專利範圍第2項之方法，其中該錯誤校正包括一 前向錯誤校正（FEC)處理（21〇)。 5. 根據申請專利範圍第1之方法，其中處理該階層調變信 號（202)以從該第-階層（212)的該第—調變中產生符號 包括一決策引導載波還原處理。 6. 根據申請專利範圍第i項之 喟之方法，其中先將來自該第一階 86310-980918.doc 奸午uaf正替換頁I 層（304)的該第一調變的該複數個符號予以重編碼（搬） 之後才減^ (214)s亥已解調變階層調變信號⑽6，偷）。 7·根據申請專利範圍第1項之方法，其中該階層調變信號 ⑽)具有相干性，及處理該第二階層的該第二調變以產 生第二符號（222)包括解碼（218)該第二調變信號。 8·根據申請專利範圍第7項之方法，其中該階層調變信號 (202)具有非相干性’及處理該第二階層的該第二調變以 9. 產生第二符號（222)包括解調變（216)該第二調變信號。 一種用於執行如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法 之接收器系統，包括： 一第一解調變器（204)，用於解調變該階層調變信號 (202)的該第一調變； :符號解碼器⑽），其以通信方式耗合至該第-解調 變器’並且用於從該已解調變的第一信號中產生符號； 錯誤解碼g (2 1 G)，其以通信方式輕合至該符號解碼 器（208)，並且用於從來自該已解調變第—信號的符號中 產生一已錯誤校正符號流（3〇4); 一重編碼器（302) ’用於重編碼該已錯誤校正符號流 (304)； 減法器（214) ’其一以通信方式耦合至該重編碼器（3〇2) 和該第一解調變器（204)，並且用於從該第一信號中減去 該重編碼符號流以產生一第二信號；及 一第二符號解碼器（218) ’其以通信方式耦合至該減法 器（214)’並且用於從該第二信號中產生第二符號。 86310-980918.doc 1324463 r一：----! 汴年7片β日修正替換叫 I in —- Mur» η»-二一Ί「_ ί ~|- — 一丨丨 1〇.根據申請專利範圍第9項之接收器系統，進一步包括一以， 通信方式輕合於該減法器（214)與該第二符號解碼器⑽） 之間的第二層級解調變器（216)，用於解調變來自該減法 . 器（214)的該第二信號並將該已解調變的第二信號提供至 該第二符號解碼器（218); 其中該階層調變信號具有非相干性。 η.根據中請專利範圍第9項之接收器系統，其中該階層調變 信號（202)具有相干性。 12. 根據申請專利範圍第9項之接收器系統，其中該錯誤解碼 器（210)包括一前向錯誤校正（fec)解碼器。 13. —種用於執行申請專利範圍第丨至8項中任一項之方法之 ' 接收器系統，其包括： . 一第一解調變器（204)，用於解調變該階層調變信號的 • 該第一調變； 一符號解碼器（208)，其以通信方式耦合至該第一解調 變器’並且用於從該已解調變的第一信號中產生符號； 一錯誤解碼器（210)，其以通信方式耦合至該符號解碼 · 器（208)，並且用於從來自該已解調變第一信號的符號中 產生一已錯誤校正符號流（3〇4); 一重編碼器（302) ’用於重編碼該已錯誤校正符號流 (304)； 一錯誤校正解調變器（402) ’其以通信方式耦合至該重 、為碼器（3 02)，並且用於使用來自該已解調變第一信號的 已錯誤校正且已重編碼符號來解調變該階層調變信號 86310-980918.doc JJ JJ w年^/ε ft瞭正替換頁 (202);及 減法斋（214) ’其以通信方式輕合至該重編碼器（如） 和該錯誤校正解調變器（402)，並且用於從該錯誤校正解 調變階層信號中減去該已重編碼符號流（撕）以產生 —信號；及 一第二符號解碼器（218)，其以通信方式輕合至該減法 盗（214)，並且用於從該第二信號中產生第二符號。 據申請專利範圍第13項之接收器系統，其進一步包括 二以通信方式耗合於該減法器（214)與該第二符號解碼器 :18)之間的第二層級解調.變器(216)，其用於解調變來自 "亥減法②（21 4)的第二信號並將該已解調變的第二信 供至該第二符號解碼器（2丨8); 〜 其中該階層調變信號具有非相干性。 15.根據申請專利範圍第13項之接收器系 變信號(202)具有相干性。 中^層調 16·㈣申請專利範圍第13項之接收器系統，其中該錯誤解 碼益（210)包括-前向錯誤校正（fec)解碼器。 86310-980918.doc