通过顺序发射正交互补序列对来最优估算传输介质所引起失真的设备和方法

摘要

本发明涉及一种最优估算传输介质的失真的设备和方法，包括顺序发射正交互补序列。本发明包括产生使用互补序列的传输前导码，并且当接收时其使得可识别在正交调制系统的每个I/Q相位中对于所发送符号所产生的失真，因此可消除由所述介质所引起的相位失真效应并且把信道的均衡减少至对于两个I2/Q2相位来说完全相同的单个均衡基带滤波器。在接收时，提取该介质所产生失真的时间和/或频率特性，其精确性取决于在编码中所使用序列的长度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种调制解调设备及方法，以及发送器和接收器，可使得通过使用互补序列来估算任何传输介质的时间特性和频率。

背景技术

通信系统、频谱分析、RADAR(雷达)和SONAR(声纳)发送信号，无论是否经过反射，所述信号在穿越传输介质之后到达接收器。这种介质的表现如同线性滤波器，对频率H(ω)或时间h[n]脉冲具有响应。为了能够进行所发射信息的恢复处理，大部分通信系统必须消除由传输介质对所发射信号s[n]所造成的影响。这种处理就是公知的均衡(equalization)。还可以使用频率中的响应来执行介质的频谱分析并因而获得有关其物理属性的信息。

信道具有滤波器的作用并使信号失真。必须考虑信道中扰动所产生的噪声n[n]、热噪声或干扰所发射信号的其它信号。最后，所接收的信号r[n]可以被建模为：

r[n]＝s[n]*h[n]+n[n]                      (1)

其中*表示卷积运算。需要具有脉冲响应f[n]的滤波器来消除由介质在信号中所引入的失真，以使得：

r[n]*f[n]≈s[n]                           (2)

换句话说，所接收的信号应该尽可能地类似于所发射的信号。因为既不可能完全消除噪声n[n]，也不可能完全消除失真，所以这样的要求是不可能完全得到满足的。

为了使均衡是可能的最好均衡，必须事先了解介质。换句话说，必须分析能够抵消失真效应的介质的h[n]。为了实现这种目的，有两种方法：

·静态均衡器：它们的属性不随时间改变。

·自适应均衡器：它们适于介质随时间改变的失真。

第一种均衡器的主要问题在于它们尽管更为通用却并不解决每种情况的特定问题。自适应均衡器对介质改变能更好地做出响应，但是它们的实现方式更为复杂并且它们对噪声非常敏感。

对于这两种均衡器来说，仍然必须知道传输介质。传输介质的调制越好，在恢复所发射信号时所获得的精确性越高。用于分析介质的理想方法包括发送增量(delta)以及分析所接收的信号，即获得脉冲响应。这通过发射Krnecker增量δ[n]在数字级实现：

s[n]＝δ[n]

r[n]＝h[n]+n[n]                               (3)

可以看出，所接收的信号具有关于被附加噪声所污染的脉冲响应h[n]的信息。

根据上文可以知道需要一种技术，使得一方面能高效地发射Krnecker增量并且另一方面可降低所接收信号的噪声的技术。直接发送Krnecker增量非常复杂，这是因为它要求很高的峰值功率。如将看到的，通过维持这两个前提，可以获得传输介质的精确模型及它所引起的失真。

可以使用从该介质的模型所提取的特性来均衡通信应用中相同的特性，或者用于分析其物理特性，如同在SONAR和RADAR系统中区分不同类型的对象的情况，或如在光谱学中所用来执行频谱分析以便提取物理-化学性质。

尚不知道具有与本发明目的相同特征的任何发明或实用新型。

发明目的

这里所描述的本发明使用M个互补序列集。根据互补，应当理解，各个自相关的求和产生Krnecker增量。该M的值还与其中彼此正交的互补序列集的数目相一致。根据正交，应当理解，每个集的互补序列的互相关的求和为零。在正交序列对(M＝2)的特定情况下，为了纪念其发现者，它们被称作为Golay序列。(在Tseng、C.C.和Liu、C.L.于1972年9月所发表的论文“Complementary Sets of Sequences”中论述了这些概念，见IEEE Trans.Inform.Theory，卷IT-18，第5号，第644-652页)。这里的解释将集中于Golay序列，因为它是最简单的情形，不过本发明可以被扩展到任何M值。

在本发明所使用的序列的主要属性在于它们具有理想的自相关特性，即，它对应于精确的Krnecker增量，因此：

$>>>\phi >11>>[>n>]>+>>\phi >22>>[>n>]>+>·>·>·>+>>\phi >MM>>[>n>]>=>>\Sigma >>i>=>1>>M>>>\phi >ii>>[>n>]>=>\begin{array}{}>>ML>,>n>=>0>\; >>0>,>n>\ne >0>\; >\; >->->->>(>5>)>>>s>\end{array}$

其中φ_ii[n]是每个所选M个互补序列的各个相关，所述序列具有长度L。特别对于Golay互补序列对的情况是：

$>>>\phi >>A>1>A>1>>>[>n>]>+>>\phi >>B>1>B>1>>>[>n>]>=>\begin{array}{}>>2>,>n>=>0>\; >>0>,>n>\ne >0>\; >\; >->->->>(>5>)>>>s>\end{array}$

其中φ_A1A1[n]和φ_B1B1[n]分别是序列A1和B1的自相关，被定义为：

$>>>\phi >>A>1>A>1>>>[>n>]>=>>1>L>>>\Sigma >>k>=>1>>L>>A>1>[>k>]>A>1>\{>k>+>n>]>>s>$

$>>>\phi >>B>1>B>1>>>[>n>]>=>>1>L>>>\Sigma >>k>=>1>>L>>B>1>[>k>]>B>1>\{>k>+>n>]>->->->>(>6>)>>>s>$

此外，总是存在一对正交互补序列(A2，B2)，使得对任意的n互相关的求和都等于零，即：

φ_A1A2[n]+φ_B1B2[n]＝0n                  (7)

其中φ_A1A2[n]和φ_B2B2[n]分别是这两对的序列A和B的互相关，被定义为：

$>>>\phi >>A>1>A>2>>>[>n>]>=>>1>L>>>\Sigma >>k>=>1>>L>>A>1>[>k>]>A>2>\{>k>+>n>]>>s>$

$>>>\phi >>B>1>B>2>>>[>n>]>=>>1>L>>>\Sigma >>k>=>1>>L>>B>1>[>k>]>B>2>\{>k>+>n>]>->->->>(>8>)>>>s>$

进一步满足以下辅助属性：

φ_A1A1[n]+φ_A21A2[n]＝2δ[n]

φ_B1B1[n]+φ_B2B2[n]＝2δ[n]

φ_A1A1[n]-φ_B2B2[n]＝0n

φ_A2A2[n]-φ_B1B1[n]＝0n           (9)

根据目前所知的2、10和26比特的所谓基本内核来产生这种序列(在M.J.E.Golay的论文“Complementary Sequences”中论述了用于产生Golay序列的规则，参见IRE Transactions on Information Theory，卷IT-7，第82-87页，1961年4月)。

该系统由两个主要块组成：编码器和解码器。编码系统负责按次序和图2所定义的步骤来产生要与相应的互补序列一起发射的均衡前导码。相比之下，如下面所解释，解码器负责使所接收的信号与在发射中所使用的互补序列相关并且按下述来合计(total)结果。

不同的M-QAM调制/解调过程(及其数字和模拟导出M-PSK、QPSK、ASK、QASK等)使用两个正交I和Q相位(除在通常只使用一个相位的PSK和ASK中之外)，其在穿越传输介质时经历由介质按不同方式影响的相位和模数失真，导致相互的中间相位干扰。解调处理并非是本文的目的，因此所解调的基带I和Q相位会一起工作。为了能够在理论上利用信号工作，建议使用用于示出该过程的框图(图1)。

已经知道，通过使用所发送互补序列的属性，可以估算使所接收数据失真的传递函数(transfer function)。该图还示出了在解调两个基带相位之后所接收的信号在频域中对应于以下方程式。为了清楚，表达式中省略了ω：

AH_I +Bi_QI+N_I＝I

BH_Q+Ai_IQ+N_Q＝Q                 (10)

其中A和B是分别通过每个正交相位I和Q所发送的序列，H_Q和H_I分别对应于由于信道的振幅失真而在Q和I相位上信道失真函数，并且i_IQ和i_QI是由于所述信道的相位失真而导致的信道I对Q的干涉函数以及反过来信道Q对I的干涉函数，在两个相位中所接收的噪声是不同的，并在项NI和NQ中反映。由信道对数据所引起的相位失真导致在两个相位之间的干扰。如果发送图2中所定义的前导码，那么可以消除相互干扰并且可以从B分离I并且从A分离Q，执行以下滤波操作(假定没有噪声项)，这在图3中描述：

(AH_I+Bi_QI)H_Q-(BH_Q+Ai_IQ)i_QI＝A(H_IH_Q-i_IQi_QI)＝AH＝I2

(BH_Q+Ai_IQ)H_I-(AH_I+Bi_QI)i_IQ＝B(H_IH_Q-i_IQi_QI)＝BH＝Q2   (11)

其中

$>>H>=>>1>>H>eq>>>=>>H>I>>>H>Q>>->>i>IQ>>>i>QI>>->->->>(>12>)>>>s>$

对应于待均衡的滤波器，并且H_eq是对两个相位通用的均衡滤波器，且可以利用任何当前的信道均衡方法来实现。因而获得两个新的独立的信号I2和Q2并且它们只依赖于待接收的序列。通过两个相同的滤波器，因而可以均衡两个相位，在没有失真的情况下恢复所发送的信息。

很明显，需要确定滤波器H_I、H_Q、i_IQ和i_QI。可以容易地证明，根据所接收的基带I和Q信号(图4)，通过方程式(6)和(8)中利用序列A、B和A_c、B_c所定义的相关操作符，并且如下应用所定义的互补序列的属性来获得所述滤波器：

H_I＝IA1+IA2+N_I/2L

H_Q＝QB1+QB2+N_Q/2L

i_IQ＝QA1+QA2+N_Q/2L

i_QI＝IB1+IB2+N_I/2L           (13)

使用图4作为参考，IA1对应于I相位与由IA1所定义的间隔中A1序列的相关，IA2对应于相位I的采样与由IA2所定义的间隔中的A2序列的相关，QB1对应于Q相位与由QB1所定义的间隔中的B1序列的相关，QB2对应于Q相位的采样与由QB2所定义的间隔中的B2序列的相关，QA1对应于Q相位与由QA1所定义的间隔中的A1序列的相关，QA2对应于Q相位与由QA2所定义的间隔中的A2序列的相关，IB1对应于I相位与由IB1所定义的间隔中的B1序列的相关，并且IB2对应于I相位的采样与由IB2所定义的间隔中的B2序列的相关。还可看到噪声被平均，因此其功率根据相关函数按2L减少，其中L是互补序列的长度。此结果独立于用于识别的序列长度。

最后，可以认为该技术的优点是，一方面能够依照最优且独立的方式为每个相位估算用于使传输介质失真的传递函数，并且另一方面按L来降低噪声效应。因此，所描述的本发明是用于估算在均衡应用中介质失真或简单地用于分析给定介质的频率或电磁波谱特性的强有力系统。

附图说明

图1示出了用于估算介质的系统的框图。构成所述系统的不同部分祥述如下：

1.待发射的前导码的数字信号s[n]。为了估算介质，发送按至少一个长度的L个符号或序列码片所分隔的至少4个增量(δ[n])。

2.具有互补序列的编码器。具有利用各互补序列卷积s[n]的滤波器。

3.依照其中获得两个I和Q相位的图2中的时序图待与互补序列发射的数字信号卷积的结果，。

4.在其中合计两个相位的正交调制器。

5.正交调制信号。

6.用于按期望的带向介质发送的频率转换器(上变频器)。

7.被分析的传输介质h[n]：该块包括为调制/解调所必须的电子设备、换能器或天线和物理传输介质。

8.接收器输入端的信号：这些是同样发射的互补序列但是失真并受到信道噪声的影响。

9.用于把信号返回其原始带以便处理的频率转换器(下变频器)。

10.所接收的正交信号。

11.正交解调器。它提取失真的基带I和Q信号。

12.解调的基带信号

13.图3的干扰消除滤波器。最初依照旁路模式来编程并且当在15中识别它们时加载系数。

14.滤波后所获得的相位。

15.解码器：用于使所接收的相位与相同的互补序列相关的滤波器，所述互补序列用于编码并依照相同的次序在13中获得关于所述滤波器系数的信息。

16.所计算系数的加载处理。

17.在识别和滤波过程结束所均衡的接收信号。

图2示出了用于描述发送前导码和通过两个I/Q正交相位所发送的序列的时序图，所述正交相位通过被正交调制并合计，会形成QAM(正交幅度调制)或一般为QASK(正交移幅键控)。

图3示出了用于一旦获得系数就获得单个均衡滤波器的标识的滤波过程的框图，所述均衡滤波器对于两个I/Q相位来说相同。一旦获得系数，此滤波器就被插入到图1的块15的输入端。

图4示出用于描述接收前导码和通过两个正交解调I/O相位中的每个所接收的信号的时序图，据此获得所述数据以获得均衡滤波器。

具体实施方式

下面将描述在无线电波发送器和接收器中被用来获得并消除干扰的该技术的可能实现方式。为了清楚起见，图1示意地示出了所述实现方式。如上所述，此实现方式是基于把该方法应用于射频系统的。为了简化解释的目的，使用QASK调制互补Golay序列对的特定情况。所述系统由两个恰当区分的块组成：发送系统和接收系统。

发送系统负责：

·按图2的前导码中所定义的次序和相位，利用形成Golay对的长度为L的每个序列来卷积输入信号(至少四个Krnecker增量)。

·通过合计两个相位来正交调制由编码所产生的两个信号。

·频率转换(上变频器)正交调制信号以便能够把它发送到无线电频谱的相应区域中。

·向天线发送所述信号。

接收系统负责：

·频率同步以及转换(下变频器)由天线所接收的信号。

·通过正交解调来获得相位I[n]和正交Q[n]分量。

·按发送中所定义的次序和相位根据原始序列来相关两个相位并且提取如先前已经定义的系数。

·更新输入滤波器的系数。

·如果需要，通过每个相位相同的H_eq滤波器来均衡信号。

该处理所产生的信号包含有关该介质所引起失真的信息，经该介质按其所应用的带宽传播了电磁波，并且降低了热噪声以及由该处理不同步骤所引入的、与所使用的互补序列的长度L成正比的噪声。