CN101262468B - 利用导频信号传送技术的数字通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用导频信号传送技术的数字通信系统和方法，尤其是无线电发送方法和装置。本发明在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元规则地插入所述第1码元流，生成第2码元流；并且发送所述第2码元流。

Description

利用导频信号传送技术的数字通信系统和方法

本发明是申请号为“99105209.9”、申请日为“1999年4月16日”、发明名称为“导频信号传送技术和采用这种技术的数字通信系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种数字通信系统，尤其是采用导频信号进行准同步检测而便于进行衰落失真补偿的调制方法。

背景技术

数字通信系统中，尤其是在数字移动无线电系统中，由于衰落会使信息信号或码元的包络出现失真(即，信息信号的相位和幅度中含有相位误差和幅度误差)。接收信号的相位误差引起接收机中本地振荡器中出现频率误差。本文中，本地振荡器频率相对于载波频率的误差称为“频率偏移”。并且必须在接收机中估算和补偿接收信号的相位误差(或频率偏移)和幅度误差。

EP 0668664揭示一种方法，将导频信号规则地插入到信息信号中，导频信号的幅度大于任何一个信息信号的幅度，通过无线发射上述信息流。

US 5712877揭示了在不同的时刻估计导频符号中的幅度和相位失真的估计器。

采用导频信号的衰落失真补偿技术见S.Sampei的论文：“Rayleigh FadingCompensation Method for 16-QAM MODEM in Digital Land Mobil Radio System”(Trans.IEICE(The Institute of Electronics，Information and CommunicationEngineers)Japan，Vol.J72-B-II，No.1，January 1989，pp.7-15)。该论文在此引述供参考。图1是该16-QAM系统中使用的信号星座(signal constellation)图。图1中，涂黑的小圆圈代表同相(I)和正交相位(Q)平面中的16个信号点。具有最大幅度的信号点之一，即信号点A、B、C、D中的任意一个被指定为导频信号。(由于信号星座图中16个信号点中的一个信号点用于导频信号，所以其余的15个点用于信息信号。)将导频信号插入发射机中的每一个帧中或每N-1个信息码元内(设N个码元构成一帧)。用导频信号通过内插实现信息信号或码元的(因衰落而产生的)失真估算和补偿。

在这样一种所描述的准同步检测中，更大幅度的导频码元使得频率偏移和信息信号的幅度的估算具有更高的精度，而改进了误码率，而误码率是每一码元的载波信号功率与噪声功率密度之比的函数。但是，在不采取任何措施的情况下对导频信号的幅度进行放大使得发射机系统的功率放大器的功率效率因峰值与平均发射功率之比的增大而下降。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种对接收信号的衰落失真进行更高精度补偿的方法和系统，从而提供一种接收时误码率减小的数字通信系统。

依照本发明的一个方面，提供了一种无线电发送方法，所述方法包括以下步骤：

在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流的步骤，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流的步骤，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅；

发送所述第2码元流的步骤。

在本发明的上述方法中，所述第1调制方式可以为QPSK、或者为16QAM。

依照本发明的另一方面，提供了一种无线发送装置，所述装置包括：

第1调制信号发生器，在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

导频信号插入器，在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅；

发送单元，发送所述第2码元流的步骤。

在本发明的上述装置中，所述第1调制方式可以为QPSK、或者为16QAM。

依照本发明的又一方面，提供了一种调制信号生成电路，所述电路包括：

第1调制信号发生器，在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

导频信号插入器，在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅。

在本发明的上述调制信号成电路中，所述第1调制方式可以为QPSK、或者为16QAM。

本发明提供一种数字无线通信系统中的通过无线发射数字数据的方法，包含步骤：通过大于3个信号点的调制方案，将数字数据转换成信息信号的第一流；在所述信息信号的所述第一流中规则地插入导频信号以产生第二流，所述导频信号在同相和正交相平面上的点在相位上不同于任何所述信息信号，并且所述导频信号的幅度大于所述信息信号的任何一个信号的幅度；以及通过无线发射所述第二流。

本发明还提供一种系统，包括：转换装置，通过大于3个信号点的调制方案将数字数据转换成信息信号的第一流；插入装置，在所述信息信号的所述第一流中规则地插入导频信号以产生第二流；以及发送装置，通过无线发送所述第二流。所述导频信号在同相和正交相平面中的点在相位上不同于任何所述信息信号，并且所述导频信号的幅度大于任何所述信息信号的幅度。

本发明还提供一种以减小的误码率传送数字数据的移动电话，包含：发射系统以及接收器系统。发射系统包括：转换装置，通过大于3个信号点的调制技术将所述数字数据转换成第一信息信号流；插入装置，在所述第一信息信号中规则地插入导频信号以产生第二信息信号流；以及发送装置，发送所述第二信息信号流。所述导频信号在同相和正交相平面中的点在相位上不同于任何所述信息信号，并且所述导频信号的幅度大于任何所述信息信号的幅度。

按照本发明的原理，对于信号星座图(或同相或正交相位平面图上绘制的信号点图)中的导频信号点，选择这样一个点，这一点在相位上与其他任何可能用于信息码元的信号点不同且幅度大于任何信号点。在每一帧或在预定数量的信息信号中插入导频信号。

在接收机中，确定接收信号中规则插入的每一导频信号的衰落失真。采用确定的导频信号衰落失真，通过插值估算信息信号的衰落失真，并随后进行补偿。

在一种较佳实施例中，将导频信号的幅度设置成不大于信息信号最大可能幅度的1.6倍。

最好用一个频响滚降(roll-off)系数在0.1到0.4范围内的频响滚降滤波器来限制每一信息信号的频带。

通过下文中结合附图对本发明典型实施例的描述，读者将会清楚地理解本发明的特征和优点。

附图说明

图1是16QAM系统中所使用的信号构成图；

图2是含有按照本发明的原理的衰落失真补偿系统的移动电话终端实施例的一部分示意方框图；

图3是第一个例子中使用的16-APSK(幅度相移键控)的典型信号构成图；

图4是用于图1所示移动电话终端的数字通信系统中发射的码元流的图；

图5至图8是按照本发明的原理的2^mQAM、16-QAM、8-PSK和QPSK的信号星座图。

图中，相同的标记表示相同的元件。

具体实施方式

图2是含有按照本发明的原理的衰落失真补偿系统的移动电话终端1实施例的一部分示意方框图。移动电话终端1的发射系统(图2的上面部分)包括串-并(S/P)转换器10；输入与转换器10输出相连的基带信号发生器20；同相(I)输入端和正交(Q)输入端与基带信号发生器20相连的导频(或帧)信号插入器；输入端与导频信号插入器110相连的低通滤波器(LPF)30；I输入端和Q输入端分别与I和Q LPF30输出端相连的无线电发射器部分；发射输入端与发射器部分40输出端相连的天线双工器50；以及同时用于发射和接收的天线60。移动电话终端1的接收系统(图2中的下面部分)包括：输入端与双工器50接收输出端相连的无线电接收器部分70；输入端与无线电接收器部分70的I和Q输出端相连的LPF 80；I和Q输入端与各个LPF 80输出端相连的衰落失真补偿器100；以及输入端与补偿器100输出端相连用来提供接收数据的判断器(decision maker)90。衰落失真补偿器100包括：相位误差估算器120、幅度误差估算器130和相位及幅度补偿器140。移动电话终端1还包括控制终端1的整个操作过程的控制器170。

发射操作过程中，将二进制数据以位流的形式提供到S/P转换器10。S/P转换器10将串行二进制数据转换成具有预定位数的并行数据。基带信号发生器20产生与并行数据相关的码元的同相(I)和正交相(Q)分量或信号。

图3是第一例中使用的16-APSK(幅度相移键控)典型的信号构成图。图4是图3所示导频信号插入器110的运行图。图3中和图4以及后面的信号通信图中，涂黑的小圆圈表示信息码元，而小白圆圈表示导频(或帧)码元。

本例中，基带信号发生器20产生与提供到发生器20的每一并行数据相关的16个可能的信息码元IS₁，IS₂，…，IS_P中的一个(IS_i)的I分量和Q分量。这里，i＝1，2，…，P，而P是被调制方法中可能的信息码元数(本例中为16)。从基带信号发生器20提供的信息码元流如图4的上面部分所示。

导频信号插入器110在预定个数的信息码元(比方说是N-1个码元S₁，…，S_N-1)中插入一个导频信号PS，而形成如图4所示一个含N个码元S₀，S₁…，S_N-1的帧。在从导频信号插入器110输出的每一帧码元流中，

从图3看到，最好配置导频信号，使得与相邻的信息信号点形成π/8的角度。因此，最好在下面任何一点处设置导频信号PS＝(PS_I，PS_Q)：

${\mathrm{PS}}_I=R*\cos (\frac{\mathrm{i\π}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{8})$

${\mathrm{PS}}_Q=R*\sin (\frac{\mathrm{i\π}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{8})$

式中，i＝1，2，…，16，并且R是导频信号PS的幅度。

如图3所示，按照本发明，将导频信号PS的幅度R设置成大于任何一个信息信号Sj(＝ISi)。具体说来，最好将导频信号的幅度设置在大于信息码元最大幅度Rmax而不大于1.6乘以最大幅度Rmax的范围内，即，

Rmax＞R≤1.6*Rmax                        (2)

要注意的是，每一信号Sj是以相应的I和Q分量Sj_I和Sj_Q的形式进行处理的。来自导频信号插入器110的信号Sj由LPS 30限制在频带内LPF 30最好是具有下述特征的频响滚降滤波器(或Nyquist滤波器)：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\ω}\≤{\mathrm{\ω}}_0(1-\mathrm{\α})\\ \sqrt{\frac{1}{2}[1-\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2{\mathrm{\α\ω}}_0}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0\right)]}& {\mathrm{\ω}}_0(1-\mathrm{\α})\≤\mathrm{\ω}\≤{\mathrm{\ω}}_0(1+\mathrm{\α})\\ 0& \mathrm{\ω}\≥{\mathrm{\ω}}_0(1+\mathrm{\α})\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，H(ω)是频响滚降滤波器30的幅度特征，ω是角频率，ω₀是Nyquist角频率，而α是频响滚降系数。最好将频响滚降系数α设置在0.1到0.4的范围内。

经滤波的信号由无线电发射器部分40调制和放大，并最终通过双工器50和天线60发送出去。

接收操作时，天线50、双工器60和无线电接收器部分70接收的接收信号的I分量和Q分量由LPF 80滤波并提供到相位误差估算器120、幅度误差估算器130和相位及幅度补偿器140。相位误差估算器120将经估算的相位误差信号提供到补偿器140。幅度误差估算器130采用导频信号S₀通过内插向补偿器140提供每一信息信号Sj(j＝1，2，…，N-1)的估算幅度误差信号。相位和幅度补偿器140用估算的相位和幅度误差信号分别补偿每一信息信号，以提供经补偿的I和Q分量。判决器90提供与经补偿的I和Q分量相关的数据。

这样，因为提高了信息信号的频率和幅度误差估算的精度，因而本发明使得能够在不影响无线电发射部分40中放大器(AMP)44处峰值与平均功率之比的情况下，使误码率减小。

修改形式

尽管上文中是结合16-APSK对实施例进行描述的，但本发明也适用于7个信号点以上的调制方案。例如下文中的2^m-QAM(quadrature amplitude modulation，正交幅度调制)(m≤3)、16-QAM、8-PSK(phase shift keying)和QPSK(quadraturephase shift keying，正交相移键控)。

图5至图8是按照本发明原理用于2^m-QAM(m≤3)、16-QAM、8-PSK和QPSK的信号星座图。

对于图5所示的2^m-QAM，如果用I-Q坐标将信息信号点ISi(i＝1，2，…，2^m)写成(ISi_I，ISi_Q)，则这些点写成：

ISi_I＝s(2^m-1a₁+2^m-2a₂+…+2⁰a_m)

ISi_Q＝s(2^m-1b₁+2^m-2b₂+…+2⁰b_m)                    ……………(4)

其中，s是常数，而a_k和b_k(k＝1，2，…，m)代表1和-1，即，(a_k，b_k)，代表四个点(1，1)、(1，-1)、(-1，1)和(-1，-1)。这时，导频信号PS或者在I轴上，或者在Q轴上，从而PS的幅度(R)大于任何可能的码元点的(Ri)。在图5的具体例子中，导频信号处在I轴的正范围内。

在16-QAM的情况下，可能的码元点表述成如下的形式：

ISi_I＝s(2¹a₁+2⁰a₂)

ISi_Q＝s(2¹b₁+2⁰b₂)                                ……………(5)

这时，导频信号PS最好位于I轴上和Q轴上，从而PS的幅度(R)大于图6中所示的任何可能的码元点ISi。

在图7所示的8-PSK的情况下，可能的信号点表示成：

ISi_I＝r*cos(iπ/4)

ISi_Q＝r*sin(iπ/4)                                ……………(6)

这时，由于最好使导频信号PS的分布与相邻的信息点成π/4的角度，所以，最好将导频信号PS＝(PS_I，PS_Q)设置在下面的点处：

${\mathrm{PS}}_I=R*\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+i)\right)$

${\mathrm{PS}}_Q=R*\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+i)\right)$

在不偏离本发明的精神和原理的情况下，还可以构成本发明的许多不同的实施例。应当理解的是，本发明并非仅限于由权利要求书所限定的上述实施例。

Claims (9)

1.无线电发送方法，所述方法包括以下步骤：

在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流的步骤，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流的步骤，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅；

发送所述第2码元流的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，所述第1调制方式为QPSK、或者为16QAM。

3.如权利要求1所述的方法，在所述生成第2码元流的步骤中，将所述导频码元信号的振幅设置成在所述第1调制方式的最大信号点振幅的1.6倍以下。

4.无线发送装置，所述装置包括：

第1调制信号发生器，在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

导频信号插入器，在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅；

发送单元，发送所述第2码元流的步骤。

5.如权利要求4所述的装置，所述第1调制方式为QPSK、或者为16QAM。

6.如权利要求4所述的装置，所述导频信号插入器将所述导频码元信号的振幅设置成在所述第1调制方式的最大信号点振幅的1.6倍以下。

7.调制信号生成电路，所述电路包括：

第1调制信号发生器，在IQ平面上，用第1调制方式调制信息数据并生成第1码元流，所述第1调制方式是包括配置在I＝Q的直线上或者配置在I＝-Q的直线上的信号点的调制方式，所述信号点中包括具有最大信号点振幅的信号点；

导频信号插入器，在IQ平面上，将配置在I轴或者Q轴上、具有比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点导频码元按一定的规则插入所述第1码元流，生成第2码元流，所述导频码元的振幅为所述IQ平面上的原点与所述导频码元的配置点之间的距离，与具有所述最大信号点振幅的信号点的相位差为±45度的导频码元，根据所述规则每隔N个码元插入所述第1码元流，并具有总是比所述第1调制方式的最大信号点振幅大的信号点振幅。

8.如权利要求7所述的电路，所述第1调制方式为QPSK、或者为16QAM。

9.如权利要求7所述的电路，所述导频信号插入器将所述导频码元信号的振幅设置成在所述第1调制方式的最大信号点振幅的1.6倍以下。

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