CN1284339C - 解调由多路载波传送的信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

供通信系统中的多路载波系统用的解调装置可消除时间和频率偏移，解调装置包括解调电路用于在伴随数据的一个调制周期和防护时间中对由数据定义的特殊时间波形进行频率分解以产生解调的时间波形；检测电路用于检测相隔一个调制码周期的一个周期的信号间的相关值；一个积分电路用于积分所检测的信号的相关值；和一个峰值识别电路用于识别积分值的峰值位置。

Description

解调由多路载波传送的 信号的方法和装置

本发明涉及用于基地站和移动站之间通信的发送系统。

各种移动通信系统，例如在基地电台和移动电台之间实现通信的移动电话或便携电话，迄今已被用于实际，移动通信系统从根本上说就是固定电台间实现通信的相同通信系统。

在移动通信终端，例如移动电话或便携电话中，由于称之为多径衰落的影响，接收的信号趋于变形。特别是当出现多径衰落时，路径间的发送延迟增加从而造成了码间干扰。其结果是在前和在后的码相互重叠，致使发送特性变坏。

为了在发送特性变坏时能满意地接收信号，接收机必须应用自适应均衡器或PLL(锁相环)构成的同步检测电路，因而接收机的设置变得复杂，其成本也变得昂贵。

为了解决上述问题，本申请的受让人在先提出了一个通信系统的申请，该通信系统根据用于同时传输多个载波的所谓多路载波系统早在所述载波间相位差的基础上发送所述信息(参见日本专利申请第6-216311)。该在先申请的通信系统将在后面的实施例中描述。

上述多路载波通信系统在收到接收信号时会遇到下列问题：

1)解调接收波的定时(timing)很难与发射信号的调制周期精确地同步致使偏移在解调定时中发生。如果在解调定时中出现偏移，那么取决于载频的误差将在解调相位信息中发生。其结果是判断的误差率增加。如果为了使解调定时与发射信号的调制符号周期同步而向发射信号附加同步数据，那么将出现这样的缺点：减少要传送的信息量，降低发送效率。

2)消除接收波的频率偏移是很困难的，如果频率偏移存在，那么恒定值的误差将出现在解调的相位差信息中，其结果就是判断误差率增加。

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种具多路载波系统通信系统使用的解调装置，它可以容易地消除定时偏移和频率偏移。

本发明提供了接收和解调利用互相之间有频差的若干载波来发送的信号的信号解调装置，该解调装置包括：解调器，用于在伴随数据的一个调制码周期和防护时间内分解由数据确定的特殊时间波形的频率、以提供解调时间波形；检测器，用于检测在一个接收信号和与所述接收信号相隔相当于一个调制符号周期的信号之间的相关值；一个积分电路用于积分相关的检测后信号和峰值位置识别电路，用于识别积分电路提供的积分值的峰值位置。其特征在于根据由峰值位置识别电路识别的峰值位置信息完成解调处理中的校正。

根据由峰值位置识别电路识别的峰值位置校正采样电路采样要被解调的接收信号的采样定时。

解调装置进一步包括相位信息识别电路，用于识别由峰值位置识别电路识别的峰值位置，并根据相位信息识别电路识别的相位信息校正频率偏移。

而且，根据许多载波之间的相位差发送信息。

图1是显示本发明的多路载波系统的传输系统的方框图；

图2是载波的波形图；

图3是显示时间波形的示意图；

图4是本发明的解调装置的方框图；

图5A至图5D是用于说明检测偏移的方式的示意图；

图6是显示本发明的接收系统的方框图。

下面参照附图说明本发明。

本发明是适用于通信系统的接收系统的解调装置，它依据多路载波系统通过无线电波发送和接收数字数据。图1示出了多路载波系统的发送系统。

如图1所示，8比特数据被顺序地送入发送数据输入端1，解调装置处理将8比特数据处理成一个调制码。8比特数据被分成各自2比特数据，被分割的2比特数据送入发送数据/相位数据变换器2、3、4、5。发送数据/相位数据变换器2至5根据送入的2比特数据[X、Y]的状态产生相位数据。2比特数据[X，Y]的状态可以认为是表1中的四种状态。发送数据/相位数据变换器2至5在每四种状态下产生不同的相位数据Δφ。

表1

Δφ₀、Δφ₁、Δφ₂、Δφ₃设定为四个发送数据/相位数据变换器2、3、4、5输出的相位数据。

基准相位数据产生器6产生基准初始相位数据φ₀并向相位乘法器7和载波乘法器11提供初始相位数据φ₀。从发送数据/相位数据变换器2输出的相位数据Δφ₀送入相位乘法器7，使初始相位数据φ₀与所送入的相位数据Δφ₀相乘，以产生相位数据φ₁。产生的相位数据φ₁送入相位乘法器8和载波乘法器12。

发送数据/相位数据乘法器3输出的相位数据Δφ₁送入相位乘法器8，使相位数据φ₁与所送入的相位数据Δφ₁相乘以产生相位数据φ₂。产生的相位数据φ₂送入相位乘法器9和载波乘法器13。

发送数据/相位数据变换器4输出的相位数据Δφ₂送入相位乘法器9，使相位数据φ₂与所输出的相位数据Δφ₂相乘以产生相位数据φ₃。产生的相位数据φ₃送入相位乘法器10和载波乘法器14。

发送数据/相位数据变换器5输出的相位数据Δφ₃送入相位乘法器10，使相位数据φ₃与送入的相位数据Δφ₃相乘以产生相位数据φ₄。产生的相位数据φ₄送入载波乘法器15。

所以，乘法器7、8、9、10使相位数据Δφ₀至Δφ₃与初始相位数据φ₀相乘以便形成相位数据φ₁至φ₄。

具有不同频率的载波信号分别送入第一、第二、第三、第四和第五载波输入端16、17、18、19和20。送入输入端16、17、18、19、20的载波信号的频率彼此相差一个恒定的角频率ωS。特别是所述第一、第二、第三、第四和第五载波信号的变化如图2中A、B、C、D和E所示。实际上每个载波信号都是复合信号。

再参见图1，载波乘法器11把送入第一载波输入端16的载波信号与(初始)相位数据φ₀相乘。载波乘法器12把送入第二载波输入端17的载波信号与相位数据φ₁相乘。载波乘法器13把送入第三载波输入端18的载波信号与相位数据φ₂相乘。载波乘法器14把送入第四载波输入端19的载波信号与相位数据φ₃相乘。载波乘法器15把送入第五载波输入端20的载波信号与相位数据φ₄相乘。其结果是各自的乘法器使所述载波信号的相位增加了由所选相位数据所指示的量。

载波乘法器11至15输出的相乘的信号被送给混频器21并由其进行混频，从混频器21输出的混频信号送入乘法器24。

乘法器24把发送信号与时间波形产生器23输出的时间波形信号相乘，时间波形产生器将在后面描述。与时间波形相乘的发送信号送入发送信号输出端22。时间波形将在后面详细说明。

在载波乘法器11至15的每一个中由相乘实现的调制中，假定T是所述角频率ω_S(载波之间的频差)被提高2π所需的时间，那么一个调制码的周期由下列公式表示：

Tm＝(1+α)T    …(1)

这就是说，一个调制码周期被认为是所述角频率ω_S被提高2π所需时间T与备用时间αT相加的时间。图2显示了在一个调制码周期内获得的载波的示意图。如图2所示，尽管相位差可以仅由设置在一个调制码周期中心部分上的周期T表示，但实际上，相同的调制器也在设置在中心周期T的前、后(α/2)T周期内完成。

图3示出了从时间波形产生器23输出的时间波形。该时间波形在每一个调制码周期上与发送信号相乘。一个调制码周期的数据格式将在下面说明。

如上所述公式(1)所示，一个调制码周期Tm具有备用时间αT，该备用时间αT被分割为2半(α/2)T并设置在中心数据部分T之前和之后。

在图3所示的时间波形中，中心数据部分T保持将恒定值，在置于数据段T前边和后边的备用时间(α/2)T中，邻近数据段T的预定区间(从-T_G至0的区间范围和从T至T+T_G的区间范围)被分配给防护时间段。防护时间段有与所述数据部分恒等电平相同的波形。剩余的备用时间分配给斜坡段(从-T_G-T_R到-T_G的区间范围和从T+T_G到T+T_G+T_R的区间范围)，斜坡段有上升到恒定值的波形。上升的波形是由第一级正弦(或余弦)函数的奇函数(上升沿和下降沿是奇对称曲线)表示的曲线。

发送信号输出端22(在此，所述发送信号与时间波形相乘)的输出信号被变频为预定发送信道(发送频率)的信号并输入天线(未示出)，从天线通过无线电波发射。

本发明的接收和解调发送信号的解调装置将参照图4进行说明。

如图4所示，接收信号被送入输入端101，送入输入端101的接收信号又被送入作为混频器的变频器102，在变频器中，接收信号与频率产生器103送入的频率信号混合以解调信号，它对发送信道的信号进行频率变换以形成基带信号。

解调电路包括一个快速傅里叶变换电路105和一个差分解调器106。具有从变频器102输出的多路载波的基带信号被送入采样电路(采样器)104，基带信号在预定时间被采样，被采样的接收信号送入快速傅里叶变换电路(以下称为FFT电路)105，FFT电路105完成快速傅里叶变换的计算以便利用预定采样点的数据在每一个解调码周期中的每个载波上获得相位信息。该相位信息从多个载波解调并叠加在载波上。每个载波的相位信息送入一个微分介调器106，而后，由所述微分解调器106检测所述载波中的相位差。接着，每个被检测的相位差根据表1上的转换规则被介调成2比特数据，从五个载波的四个相位差中获取四个2比特数据被合成为8比特数据，接着来自微分解调器106的被解调的8比特数据送入输出端107。

由采样电路104采样的接收信号送入数据保持单元111，信号在这里被保持相当于一个调制码周期内的数据段发送时间T的时间。保持和被延迟时间T的信号与实时信号送入相关值检测器112。相关值检测器112检测在被延迟了时间T的信号与实时信号之间的相关性。在本发明的发送系统中，由于载波是复合信号，在检测相关性时，延迟时间T的信号与实时信号以复共轭方式相乘。

来自相关值检测器112的相关值检测信号送入区间积分器113。区间积分器113积分相关值检测信号并将积分值送入峰值位置识别器114。峰值位置识别器114识别积分值的峰值位置。

特别是，峰值位置识别器114根据识别的峰值的位置定时来识别在发送信号的数据段与防护时间段间的边界。如果采样电路104采样定时从识别位置移动，那么峰值位置识别器114就将指令信号送入采样电路104，从而使采样电路104校正采样定时和定时偏移。

以由峰值识别器114识别的积分值的峰值位置表示的数据送入相位识别器115。相位识别器115识别从区间积分器113输出的峰值位置积分值的相位。接着，识别的相位值送入除法器116，除法器通过把提供给它的所述相位值除以所述数据段时间T完成规格化处理。接着除法以后的数值送入频率产生器103，使其响应由除后值表示的相位值来校正频率偏移。

校正频率偏移的方式将参照图5A至图5D进行说明。

由于本发明的发送系统发送的信号在每一个调制码周期上与图5A所示的时间波形相乘，因而在每一个调制码周期都能检测出这样接收电平的变化。

图5B示出了一个被所述数据保持单元111延迟了一段相当于在一个调制时间内所述数据段发送时间的时间的信号，如果从延时信号的数据段的启始部分0为参考，那么相关值检测器112检测的相关值检测信号成为图5C所示信号。具体说就是，如果接收频率与发送频率一致，那么数据段启始部分的数据沿与数据段结束部分T的数据沿相一致。其结果是只有防护时间段T_G和斜坡段T_R留下作为相关检测信号。

然后在防护时间段T_G和斜坡段T_R的区间(如图5C所示的从-[T_G+T_R]至T_G+T_R的周期范围)通过积分相关检测信号，可以获得图5D所示的延迟数据的启始段0变成峰值位置的积分信号。如果检测的峰值位置的定时与被判断为数据段的启始段0的定时之间的差值比时间T大或比时间T小，那么采样时间和时间偏移可以由合成差值校正。使发送数据以精确定时被采样。

由于时间偏移利用叠加在发送信号上的时间波形来校正，甚至当像同步信号那样的定时检测数据未叠加在发送信号上时，解调接收波的定时也可以相互精确同步。因此，也可以通过没有像同步信号那样的定时检测数据的简单安排，接收具有高速发送效率的发送数据。

如果在图4中从变频器102输出的基带信号具有频率偏移，那么数据段的启始段0的数据沿和数据段T的数据沿相互不一致，而且在数据段的结束段T上的数据相位按照频率的偏段量滚动。因此相位识别器115识别峰值位置的积分值的相位，除法器116将所识别的相位值除以所述时间T，借此，以规格化所述相位信息，从而频率的偏移量被检测的作为相位信息，并使频率偏移可以被消除。所以通过简单的设置可以容易地同步接收频率和可以精确地完成接收信号的处理。

本发明的电路校正时间偏移和频率偏移的方式将参照下列公式进行说明。

首先，假设δ是定时偏移值，σ是频率偏移值，那么接收信号由下列公式(2)表示：

y′(t)＝u(t+δ)x′(t+δ)

x′(t)≡x(t)e^-jσt

                            …(2)

相隔时间T的相关值Z′(t)由下列公式(3)表示：

Z′(t)＝y′(t)×y′*(t+T)

      ＝u(t+δ)·u(t+T+δ)·x(t+δ)×x^φ(t+T+δ)×e^jσT

      ＝z(t+δ)e^jσT

                                      …(3)

获得Z(t)值的方式将在下面描述，首先由下列公式(4)定义ω(t)：

ω(t)≡u(t)×u(t+T)

$\mathrm{\&omega;}\left(t\right)\&equiv;\left\{\begin{array}{c}0,\left|t\right|>T_G+T_R\\ 1,\left|t\right|<T_G\\ \frac{1}{2}[1+\sin \{\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_R}(t+T_G+\frac{1}{2}{T}_R)\left\}\right],-(T_G+T_R)\&le;t\&le;-T_G\\ \frac{1}{2}[1-\sin \{\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T_R}(t-T_G-\frac{1}{2}{T}_R)\left\}\right],T_G\&le;t\&le;T_G+T_R\end{array}\right.----\left(4\right)$

由于ωST＝2π，下列公式(5)被定义为：

$x(t+T)=\underset{l=0}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}^{\mathrm{j\&phi;l}}{e}^{-\mathrm{jl\&omega;s}(t+T)}$

$=\underset{l=0}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}^{\mathrm{j\&phi;l}}{e}^{-\mathrm{jl\&omega;st}}$

$=x\left(t\right)---\left(5\right)$

因此，我们有下列公式(6)：

$Z\left(t\right)=u\left(t\right)u(t+T)x\left(t\right)x*(t+T)$

$=\mathrm{\&omega;}\left(t\right)\&times;{\left|x\left(t\right)\right|}^2---\left(6\right)$

由于期望值(E(1×(t)1²)＝1我们有下列公式(7)：

           E{Z(t)}＝ωT

                          …(7)

另一方面，在2(T_G+T_R)期间由积分相关值Z′(t)产生的期望值由下列公式(8)表示：

$V\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=E\{{\&Integral;}_{-(T_G+T_R)+\mathrm{\&gamma;}}^{T_G+T_R+\mathrm{\&gamma;}}{Z}^{\&prime;}\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=e^{\mathrm{j\&sigma;T}}{\&Integral;}_{-(T_G+T_R)+\mathrm{\&gamma;}}^{T_G+T_R+\mathrm{\&gamma;}}\mathrm{\&omega;}(t+\mathrm{\&delta;})\mathrm{dt}$

$=e^{\mathrm{j\&sigma;T}}\&times;S(\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&delta;})$

$(S(\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&delta;})\&equiv;{\&Integral;}_{-(T_G+T_R)+\mathrm{\&gamma;}}^{T_G+T_R}\mathrm{\&omega;}(t+\mathrm{\&delta;})\mathrm{dt})---\left(8\right)$

当γ＝0时S(γ)为最大值，所以如果上述函数处于峰值时，获取的γ作为γmax，则δ＝γmax。另外，相位信息不断地包含在所述的积分值γ(r)中，并可以通过下列公式(9)从积分值容易地分离出来：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{\mathrm{Arg}\left\{V\left(\mathrm{\&gamma;}\right)\right\}}{T}---\left(9\right)$

定时偏移值δ和频率偏移值σ根据上述说明获取，由于时间偏移值δ使用了期望值，如果采样电路采集更多的接收信号去解调，那么就可以改善检测精度。

尽管如上所述，通过直接校正频率信号来校正频率偏移，但本发明不局限于此，下面所述的解调也是可能的。

图6是显示改型的实施例的方框图。在图6中，与图4相同的电路单元采用相同的参考标记标注，因此不需要详细说明。如图6所示，除法器116输出的相位值送入频率产生器118，接着，频率产生器118的输出信号送入乘法器117与采样值相乘，以便校正频率偏移。

另外，尽管本发明适用于上述的根据要被发送的多个载波中的相位差来发送数据的多路载波系统，但本发明的原则也可以适于其它系统的通信系统的载波系统，只要该其它系统的通信系统利用叠加于其上的类似时间波形来发送数据。

根据本发明，接收信号的偏移信息可以根据识别的峰值位置检测，而且频率偏移可以被校正。因此，不需要叠加用于对发送数据的偏移进行检测的同步信号，精确地解调接收信号成为可能。

此外，使用作为偏移的峰值位置信息可以校正采样定时，因此由采样定时的偏移造成的误码率可以减少。

更具体地说就是，由于频率偏移可以通过使用峰值位置的相位信息来校正，因此由频率偏移造成的误差率可以被减少。

由于有了参照附图描述的本发明的优选实施例，因此可以认为：本发明不局限于该严谨的实施例，在不背离权利要求书所定义的发明精神和范围的条件下，本领域的熟练技术人员可以完成该实施例的各种变化和变形。

Claims (8)

1.一种靠接收发送信号来解调发送数据的解调装置，其中所述发送数据的预定比特被用作调制码，调制具有不同频率的若干载波并将预定时间波形与其调制码由预定比特组成的调制信号相乘，所说的解调装置包括：

采样电路，用于在相应于调制码的定时处采样接收信号并输出一个经采样的接收信号；

解调电路，通过频率分析所述采样电路输出的所述采样的接收信号来解调数据；

数据保持电路，用于将所述采样电路输出的所述采样的接收信号延迟相当于一个调制码周期的预定时间；

相关值检测电路，用于检测在由所述采样电路输出的所述接收信号和所述数据保持电路输出的被延迟的接收信号之间的相关值；

积分电路，用于积分所述相关值检测电路输出的信号；

峰值位置识别电路，用于识别所述积分电路输出的信号的峰值位置，其中根据所述峰值位置识别电路识别的峰值位置信息来在解调所接收信号的过程中实施一个相关；

相位信息识别电路，用于识别峰值位置识别电路识别的峰值位置的相位，其中根据相位信息识别电路识别的相位来校正接收信号的频率偏移；

除法装置，通过将由所述相位信息识别电路所识别的相位除以相当于所述调制码周期的一个预定时间来规格化所述相位，并根据规格化的相位来控制所述频率振荡器的振荡频率；

频率产生器，用于响应由除法装置输出的经过相除所得到的值来校正频率偏移。

2.根据权利要求1所述解调装置，其特征在于根据峰值位置识别电路识别的峰值位置信息控制采样电路采样接收信号的采样定时。

3.根据权利要求1所述的解调装置，进一步包括接受来自相位信息识别电路的输出信号和输出具有相应于上述输出信号频率的信号的频率振荡器以及接受频率振荡器的输出信号和接收信号的混频器，通过向采样电路送入混频器的输出信号校正接收信号的频率偏移。

4.根据权利要求1所述的解调装置，进一步包括接受相位信息识别电路的输出信号和输出具有相应于上述输出信号频率的信号的频率振荡器以及接受频率振荡器的输出信号、采样电路的输出信号和接收信号的混频器，通过向解调电路送入混频器的输出信号校正接收信号的频率偏移。

5.根据接收的发送信号解调发送数据的方法，其中发送数据的预定比特被用作调制码，具有不同频率的若干载波被调制，预定时间波形与其调制码由预定比特组成的调制信号相乘，该方法包括以下步骤：

在相应于调制码的定时处采样接收信号；

响应调制码通过对采样步骤输出的接收信号进行频率分析解调数据；

将所述采样的接收信号延迟相当于一个调制码周期的预定时间；

检测在所述采样步骤输出的接收信号和所述被延迟的接收信号之间的相关值；

积分相关值检测步骤输出的信号；

识别相关值检测步骤输出的信号峰值位置，根据峰值位置识别步骤识别的峰值位置信息完成接收信号解调处理中的相关；

识别上述被识别的峰值位置的相位，并根据该识别的相位来校正接收信号的频率偏移；

通过将由被识别的相位除以相当于所述调制码周期的一个预定时间来规格化所述相位，并根据规格化的相位来控制所述频率振荡器的振荡频率；

响应所述经过相除的所得到的值来校正频率偏移。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于根据峰值识别步骤识别的峰值位置信息来控制采样电路采样接收信号的采样定时。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括接受来自相位信息识别步骤的输出信号和输出具有相应输出信号频率的信号的频率振荡步骤以及接收来自频率振荡步骤的输出信号和接收信号的混频步骤，通过向采样步骤送入混频步骤的输出信号校正接收信号的频率偏移。

8.根据权利要求5所述的方法，进一步包括接受来自相位信息识别步骤的输出信号和输出具有相应上述输出信号频率的信号的频率振荡步骤以及接受来自频率振荡步骤的输出信号、采样步骤的输出信号和接收信号的混频步骤，通过向解调步骤施加混频步骤的输出信号校正接收信号的频率偏移。