CN1159268A - 使用具有调相器和倍频器的发射机的发送系统 - Google Patents

使用具有调相器和倍频器的发射机的发送系统 Download PDF

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Abstract

在根据相位构象发送数字码元的发送系统中，发射机(2)装备一个调相器(8)和一个倍频器(18)，以便得到已调的载波信号。为了避免已调载波信号的降级，倍频器(18)的输入构象相对于该倍频器的输出构象至少有一个附加的相位状态。有利地，在倍频器(18)的输入上的构象的相位状态数是倍频器(18)的输出上的构象的相位状态数的N倍。

Description

使用具有调相器和倍频器 的发射机的发送系统
本发明涉及一种发送系统，该系统包括用于经过传输媒介发送根据具有预定数量的相位状态的输出构象(constellation)以数字码元序列调制的一个载波到接收机的一个发射机，所述发射机包括级联连接的一个调相器和一个倍频器。
本发明还涉及发送已调制在载波上的数字码元的发射机。
根据序言的系统从53-110355号的日本专利申请公开中已经公开了。
根据具有预定数量的相位状态的构象发送已调制在载波上的数字码元的发送系统被用于大量的应用中。这些应用的例子是移动无线电设备、无线中继系统和类似微波视频分配系统(MVDS)的广播系统。所用的构象可从BPSK(二进制相移键控)、QPSK(四相相移键控)到1664甚至256QAM(四相调幅)而变化。
产生这样的已调载波的通常方法是根据希望的构象调制具有相当低中频的载波。频率可能为GHz范围(例如27GHz，40GHz)的希望的RF信号通过混频已调载波与具有合适频率的本机振荡器信号得到的。如果希望的频率实质上高于中频，则要求复数滤波器抑制混频器输出信号中的不需要的边带。如果希望的频率大于20GHz，则要求能够处理这些高频的类似放大器和混频器的基础部件。这样的基础部件难以制造，因此相当贵。
在根据前述日本专利申请的发送系统中，使用级联连接的调相器和倍频器。调相器根据具有分开π/2弧度的两个相位状态的构象调制载波。通过使用倍频器，得到根据具有分开π弧度的两个相位状态的构象调制的信号。这个信号是一个普通的BPSK信号。通过使用倍频器得到希望的RF信号，仅有倍频器必须能够在希望的频率上工作。类似放大器和混频器的剩余基础部件只要工作在希望频率的分频上，因此可能不昂贵。
根据日本专利申请的原理的发送系统的模拟表明与不使用用于得到最后构象的倍频器的系统比较，该误码率显著地降低了。
本发明的目的是提供根据其中误码率没有显著的降低的序言中的发送系统。
因此本发明的特征在于调相器被安排用于根据具有大于预定数量的相位状态的多个相位状态的进一步的信号构象在载波上调制该数字码元序列。
本发明是基于这样的认识，误码率的降低是由该进一步的信号构象的不对称引起的。通过给该进一步的信号构象引入至少一个附加相位状态，可恢复该对称。现在使用一个简单的例子进一步说明。考虑使用一个调相器和一个倍频器产生QPSK信号的情况。假定输出构象中的相位状态为0、π/2、π、3π/2。在另外构象中相应的相位状态是0、π/4、π/2、3π/2。
如果在输出构象中要求从相位状态3π/2变化为相位状态为0，这只能通过从另外构象相应相位状态3π/4变化为另外构象的相位状态0实现。这样的变化导致在另外的构象中从3π/4经过π/2、π/4到0的相位轨迹。在输出构象中得到从3π/2经过π、π/2到0的相应相位轨迹，而不是从3π/2到0的直接变化。由于较长的相位轨迹，将出现附加的码元间干扰，导致降低的误码率。也可期望该频谱比需要的更宽。
如果在根据本发明概念的这个情况下，一个附加的相位状态π被加到该另外构象，输出构象从3π/2到0的变化可通过该另外构象中从3π/4到π的变化得到。该另外构象的相位状态的这种变化导致该输出构象从3π/2到0的直接变化。因此将改善传输系统的性能。
本发明一个实施例的特征在于：该另外构象的相位状态数至少是倍频器的频率倍数和输出构象的相位状态数的乘积。
使用具有这个相位状态数的另外构象将产生一个输出构象，其中可得到相位状态所有可想象到的变化，无需传送该输出构象中的其它相位状态。
本发明的另一个实施例的特征在于：调相器包括选择装置，以另外构象中相位变化是最小的方式选择相应于输出构象的相位状态的另外构象的相位状态。
通过选择该另外构象中的相位状态使该另外构象中的相移最小，导致发射机输出信号的码元间干扰最小。
本发明另一个实施例的特征在于：该发射机包括第一奈奎斯特滤波器(Nyquist filter)，用于滤波倍频器的输入信号，该接收机包括第二奈奎斯特滤波器，用于滤波接收的信号，以及第一奈奎斯特滤波器和第二奈奎斯特滤波器的转移函数的形状是不同的。
在数字发送系统中，其中数字码元被调制在载波上，待发送的码元以方波信号表示。如果这些方波信号直接地调制在载波上，则已调信号的带宽将超出。为了限定已调信号的带宽，代表数字码元的信号由滤波器滤波。它也能够对已调的信号滤波。为了避免该滤波器引起的码间干扰，该滤波器的转移函数必须满足所谓的奈奎斯特1准则。
一般地奈奎斯特滤波是由发射机中的第一奈奎斯特滤波器和接收机中的第二奈奎斯特滤波器进行的。这时奈奎斯特滤波器的级联必须满足奈奎斯特1准则。在这样的滤波器操作的分离中，第一奈奎斯特滤波器和第二奈奎斯特滤波器的形状是相同的。模拟试验已表明，如果调相器与倍频器级联连接，则对于第一和第二奈奎斯特滤波器使用相同的形状不会导致最小的码间干扰。对于两个奈奎斯特滤波器使用不同的形状可得到较好的性能。一般地是期望第一奈奎斯特滤波器的带宽低于第二奈奎斯特滤波器的带宽。
本发明的另一个实施例的特征在于：第一奈奎斯特滤波器是具有滚降系数(roll off factor)在0.9与1之间的一个升余弦滤波器，和第二奈奎斯特滤波器是具有滚降系数在0.3与0.4之间的一个升余弦滤波器。
模拟实验已表明，在发射机和接收机中使用这样的滤波器对误码率产生可忽略的码间干扰的不利影响。
现在对照附图说明本发明，其中：
图1是根据本发明的发送系统；
图2是与二倍频器一起使用以便得到QPSK信号的另外构象的第一实施例；
图3是与二倍频器一起使用以便得到QPSK信号的另一个构象的第二实施例；
图4是与三倍频器一起使用以便得到QPSK信号的另外构象的第一实施例；
图5是与三倍频器一起使用以便得到QPSK信号的另外构象的第二实施例；
图6是与三倍频器一起使用以便得到16-QAM信号的另外构象的实例。
在根据图1的发送系统中，携带输入码元ak的发射机的输入接到调相器8的第一输入，具有输出频率1.5GHz的振荡器6的输出接到调相器8的第二输入。调相器8的一个输出接到带通滤波器10的输入，带通滤波器10的输出接到混频器12的第一输入。具有输出频率12GHz的振荡器14的输出接到混频器12的第二输入。
混频器12的输出接到带通滤波器14的输入。带通滤波器14的输出接到放大器16的输入。放大器16的输出接到倍频器的输入，该倍频器在这里是一个三倍频器18。三倍频器18的输出经过带通滤波器20接到天线22。
天线24接到接收机26的输入。在接收机26的输出可得到重建的数字码āk。
由振荡器6产生的载波信号根据本发明的另一个构象由调相器8进行相位调制。调相器的输出信号由带通滤波器10滤波，以便限定调相信号的带宽。
带通滤波器10的转移函数(transfer function)是所谓的平方根奈奎斯特滤波器。这种滤波器的转移函数满足以下要求：
Figure A9619082500071
在(1)中C是一个常数，T是码元周期，α是所谓的滚降系数，f是频率，而fa是由本机振荡器6产生的信号频率。使用这类的滤波器减少调相器8输出信号的带宽，如果接收机使用类似的滤波器则在t＝nT瞬时不引入码间干扰，这是公知的。对于发射机中具有α＝1的滤波器和接收机中具有α＝0.35的滤波器，码间的不利影响基本上为0。一般地发射机中的滤波器在0.9与1之间的α值和接收机中滤波器α的值是好的选择。
带通滤波器10的输出信号与振荡器14的输出信号由混频器12进行混频。这时混频器12的输出信号的频率为13.5GHz。带通滤波器14滤去10.5GHz的不需要边带，而只通过频率为13.5GHz的需要信号。这个13.5GHz信号在放大器16中放大然后在三倍频器18中三倍频。三倍频器18的输出信号利用带通滤波器20滤波，去除需要的40.5GHz输出信号之外的所有输出分量。该40.5GHz信号由天线22辐射出去。
天线24接收由发射机2发射的信号。天线24的输出信号在接收机中解调和检波。在接收机26的输出可得到重建的码元āk。
在根据图2的调相器中，码元ak被加到有限状态机160的输入。携带指示实际要发送的相位状态的输出信号的有限状态机S的输出接到只读存储器162的地址输入和只读存储器164的地址输入。
只读存储器162的输出接到数字乘法器166的第一输入。数字余弦发生器170的输出接到数字乘法器166的第二输入。只读存储器164的输出接到数字乘法器168的第一输入。数字正弦发生器172的输出接到数字乘法器168的第二输入。
数字乘法器166的输出接到数模变换器176的输入，和数字乘法器168的输出接到数模变换器174的输入。
数模变换器176的输出接到混频器178的第一输入。数模变换器174的输出接到混频器180的第一输入。
图1中的振荡器6输出的信号加到混频器178的第二输入和π/2移相器184的输入。π/2移相器的输出接到混频器180的第二输入。
混频器178的输出接到加法器182的第一输入和混频器180的输出接到加法器182的第二输入。在加法器182的输出可得到已调的信号。
在根据图2的调制器中，有限状态机160响应码元ak提供代表与要发送的码元ak相关的本发明的另一个构象中的相位状态的输出信号。有限状态机160的输出信号用于寻址只读存储器162和163。只读存储器162提供该另外构象中导出的相位状态的实部，而只读存储器164提供该另外构象中需要的相位状态的虚部。只读存储器162的输出信号乘以由余弦发生器170产生的余弦信号。为了简化乘法器，该余弦信号可用序列+1，-，-1，+1…代表。使用这样的表示显著地降低了乘法器166的复杂性，因为它只要提供容易实现的与+1、-1及0的相乘。
只读存储器164的输出信号乘以由正弦发生器172产生的正弦信号。正弦发生器172产生相对余弦发生器170的输出信号相位相差90°的序列0、+1、0、-1、0、+1…。因此在乘法器166和168的输出可得到代表根据该另外构象的已调载波的正交信号。利用数模变换器176和174，数字的正交信号被变换为模拟的正交信号。以数模变换器174和176的输出信号代表的正交信号利用由混频器178与180、加法器182和移相器184构成的正交混频器变换为1.5GHz的频率。
安排图3的构象以便在二倍频器的输出得到正交相移键控信号。根据本发明的想法，一个附加的相位状态28加到相位状态30、32、34和36。相位状态30、32、34和36相应于相对正实轴的相位3π/8、π/8、-π/8和-3π/8。在二倍频之后，根据QPSK信号分别得到相位状态3π/4、-π/4和-3π/4。
为了避免从相位状态30转变为相位状态36时误码率的降低，引入该附加的相位状态28，以便能够得到输出QPSK构象中的相同的相位状态而在另外构象中没有大的相位跳跃。
在图4中，另外构象是所有可想象到可能的相位状态变化。对于该输出构象中的每个相位状态，在该另外构象中有两个相应的状态，例如对于输入序列00有相位状态32和40，这两相位状态导致相应于该输出构象中的π/4的一个相位状态。选择该另外构象中的相位状态取决于该另外构象中的前一个相位状态。所选择的该另外构象中的相位状态是最接近随机地选择的该另外构象中的前一个相位状态的那个相位状态。这可通过根据(二进制)随机发生器的输出信号进行选择来实现。上述规则可在有限状态机中实现，其新的(相位)状态依赖于前一个(相位)状态和输入信号，该随机信号列于下表中。在所述的表中逻辑值“X”表示“不关心”。
旧的相位状态   输入   随机   新的相位状态
    28     00     0     32
    00     1     40
    01     X     42
    10     X     30
    11     X     28
    30     00     X     32
    01     0     34
    01     1     42
    10     X     30
    11     X     28
    32     00     X     32
    01     X     34
    10     X     30
    11     0     36
    11     1     28
    34     00     X     32
    01     X     34
    10     0     38
    10     1     30
    11     X     36
    36     00     0     40
    00     X     32
    01     X     34
    10     X     38
    11     X     36
    38     00     X     40
    01     0     42
    01     1     34
    10     X     38
    11     X     36
    40     00    X     40
    01    X     42
    10    X     38
    11    0     28
    11    1     36
    42     00    X     40
    01    X     42
    10    0     30
    10    1     38
    11    X     28
这样的有限状态机的实现是本领域技术人员所熟悉的。因为有8个输出状态，所以有限状态机的输出信号可由3比特表示。
在图5中示出另外构象，通过该构象使用一个三倍频器可得到QPSK信号。在这里相位状态相隔π/12。一般是φ/n，其中n是频率倍数因子和φ是输出构象中希望的相移。在图5的另外构象中引入一个附加的相位状态43，以便处理该输出构象中从3π/4到5π/4的转变，而无需通过该输出构象中的其它相位状态。
在图6中示出与三倍频器一起使用的另外构象，它导致一个输出构象，其中所有可想象到的相位变化都是可能的。因为这个另外构象得于三倍频器一起使用，所以该另外构象中的相位状态数是12而不是8，8是与二倍频器一起使用的类似构象中的相位状态数。
对于该输出构象中的每个相位状态，这时在图5的另外构象中有三个相应的状态，例如对于一个输入序列00，在该另外构象中有相位状态46、54和62，所有这些相位状态都导致该输出构象中的相位状态π/4。选择该另外构象中的相位状态的准则与根据图4的该另外构象一起使用的准则一样。下面给出初始状态42的状态转换表。
旧的相位状态   输入   随机   新的相位状态
    42     00     X     46
    00     1     62
    01     X     64
    10     X     44
    11     X     42
使用上面说明的准则说明对于所有初始相位状态可以容易地扩展相位状态转换表。
根据图7的输出构象是一个16QAM构象。括号中的二进制是相应于相位-幅度状态的四个相连比特的值。
图8表示相应于输出构象的与三倍频器一起使用的另外构象。一般在该另外构象中的相位-幅度状态可写成： I f = a · r 0 n - - - - - - ( 2 )
Figure A9619082500122
在(2)中rf是相应于该另外构象中的各个相位-幅度状态的幅度，a是比例常数，n是频率倍数因子，而r0是相应于该输出构象中的相位-幅度状态的幅度。
在(3)中f是相应于该另外构象的各个状态的相位，0是相应于该输出构象的各个相位的相位，而k是1和k之间的一个整数。
根据图8的另外构象是使用n＝2代入(2)和(3)中从图7的输出构象导出的，在第一和第4象限中的相位-幅度状态是具有k值等于0的相位-幅度状态，而在第二和第三象限中的相位-幅度状态相应于k等于1。如从图8可看到的，对于该输出构象中的每个相位-幅度状态存在两个相应的相位-幅度状态。这些相位-幅度状态相对于原点是对称地放置的。该另外构象中两个可能的相位-幅度状态之间的选择可根据上述准则进行。下面示出初始相位-幅度状态106的状态转换表。对于整个构象该状态转换表可以容易地根据上述准则说明进行扩展。
初始状态   输入   随机   新状态
    100     0000     X     160
    0001     X     156
    0010     X     150
    0011     X     152
    0100     X     158
    0101     X     154
    0110     X     146
    0111     0     116
    0111     1     148
    1000     X     100
    1001     X     104
    1010     X     112
    1011     X     110
    1100     X     98
    1101     X     102
    1110     X     106
    1111     X     108

Claims (10)

1、包括用于经过传输媒介发送根据具有预定数量的相位状态的输出构象以数字码元序列调制的一个载波到接收机的一个发射机的发送系统，所述发射机包括级联连接的一个调相器和一个倍频器，其特征在于该调相器被安排用于根据具有大于预定数量的相位状态的多个相位状态的另外信号构象在载波上调制该数字码元序列。
2、根据权利要求1的发送系统，其特征在于：该另外构象的相位状态数至少是倍频器的频率倍数因子与输出构象的相位状态数的乘积。
3、根据权利要求1或2的发送系统，其特征在于：该调相器包括选择装置，以该另外构象中相位变化是最小的方式选择相应于该输出构象中的相位状态的该另外构象的相位状态。
4、根据权利要求3的发送系统，其特征在于：该选择装置被安排用于随机地从多个相位状态中选择该另外构象的相位状态，使得该另外构象中所有相位状态的相位变化是最小的。
5、根据前面任一个权利要求的发送系统，其特征在于：该发射机包括第一奈奎斯特滤波器，用于滤波倍频器的输入信号，该接收机包括第二奈奎斯特滤波器，用于滤波接收的信号，以及第一奈奎斯特滤波器和第二奈奎斯特滤波器的转移函数的形状是不同的。
6、根据权利要求5的发送系统，其特征在于：第一奈奎斯特滤波器是具有滚降系数在0.9与1之间的一个升余弦滤波器，和第二奈奎斯特滤波器是具有滚降系数在0.3与0.4之间的一个升余弦滤波器。
7、用于发送根据具有预定数量的相位状态的输出构象以一个数字码元序列调制的载波的发射机，所述发射机包括级联连接的一个调相器和一个倍频器，其特征在于：该调相器被安排用于根据具有大于预定数量的相位状态的多个相位状态的另外信号构象调制该数字码元序列到载波上。
8、根据权利要求7的发射机，其特征在于：该另外构象的相位状态数至少是倍频器的频率倍数因子与输出构象的相位状态数的乘积。
9、根据权利要求7或8的发射机，其特征在于该调相器包括选择装置，用于以该另外构象中相位变化是最小的方式选择相应于该输出构象中的相位状态的该另外构象的相位状态。
10、根据权利要求9的发射机，其特征在于：该选择装置被安排用于随机地从多个相位状态中选择该另外构象的相位状态，使得该另外构象中所有相位状态的相位变化是最小的。
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