相移和时移键控调制及其使用方法.pdf

本发明介绍了由相移和时移键控调制的传播信号和使用所述的传播信号的方法，在一个实施例中，传播信号包括：(1)脉冲所跨越的时间间隔，该时间间隔被分为一组时隙，每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置；(2)根据相位/时间位置对数据元素进行编码的脉冲。

1.  一种传播信号，包括：
脉冲所跨越的时间间隔，所述的时间间隔被分为一组时隙，每一个所述时隙都具有唯一的相位/时间位置；以及
所述脉冲按所述的相位/时间位置对数据元素进行编码。

2.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述数据元素是通过映射可确定的。

3.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述的组中的所述时隙是相邻的。

4.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述的组中的所述时隙是不相邻的。

5.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述时隙具有不均匀的间隔。

6.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，一个以上的脉冲位于所述的时隙组内。

7.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述的组对长十五位以上的数据进行编码。

8.  根据权利要求1所述的传播信号，其中，所述数据元素是从下列组中选择的：
标头；
错误检测消息；
同步元素；以及
数据消息。

9.  根据权利要求8所述的传播信号，进一步包括多个所述的组。

10.  根据权利要求8所述的传播信号，其中，所述的各组具有不同数量的时隙。

11.  一种传播信号的方法，包括：
指定脉冲所跨越的时间间隔，所述时间间隔被分为一组时隙，每一个所述时隙都具有唯一的相位/时间位置；以及
使所述脉冲按所述相位/时间位置对数据元素进行编码。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述数据是通过映射可确定的。

13.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述的组中的所述时隙是相邻的。

14.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述的组中的所述时隙是不相邻的。

15.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述时隙具有不均匀的间隔。

16.  根据权利要求11所述的方法，其中，一个以上的脉冲位于所述的时隙组内。

17.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述的组对长十五位以上的数据进行编码。

18.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述数据元素是从下列组中选择的：
标头；
错误检测消息；
同步元素；以及
数据消息。

19.  根据权利要求11所述的方法，进一步包括指定多个所述的组。

20.  根据权利要求18所述的传播信号，其中，所述的各组具有不同数量的时隙。

相移和时移键控调制及其使用方法
技术领域
一般而言，本发明涉及传播信号，具体来说，涉及通过相移和时移调制进行调制的传播信号及其使用方法。
背景技术
电子数据传输需要进行某种形式的信号调制，该调制将数据编码到信息承载信号中，以便信号可以通过传输介质进行传播，并被解调以准确地恢复最初编码的数据。调制可以被视为这样的过程：数字数据、语音、音乐、及其他“智力信号”被添加到由发射器产生的无线电波中，以便智力信号处于适于传播的形式。调制还可以被视为按照允许编码数据被可靠地解码的方式将信息添加到电子或光信号载波中。调制可以应用于直流(主要通过打开和关断)、交流以及光信号中。甚至可以将毯子波(blanket waving)视为在烟幕信号传输中使用的一种调制形式(载波是稳定的烟雾流)。为电报发明的并且在业余无线电中仍在使用的莫尔斯电码是一种调制方法，它使用类似于现代计算机所使用的代码的二进制(双态)数字代码。
调制意味着带宽占用，带宽是一种宝贵的资源，节省该资源对于大家都十分重要，但是，对于数据和信号传输行业尤其重要。随着技术的允许，节省带宽的要求增大了用户最有效地使用带宽的压力。提高带宽效率的一种方法是利用能够使在有限的时间间隔内传输的数据或信息量最大化的传输技术。提高在有限的时间间隔内传输的数据量的一种方式是利用能够使在分配的时间间隔内传输的编码数据最大化的那些调制方法。
目前用于调制电子信号以传输数字数据的方法有许多种。对于大多数无线电和电信用途，调制的载波是给定频率范围内的交流(AC)。一些比较常见的调制方法包括：调幅(AM)，其中载波信号的振幅随着时间的变化而变化；调频(FM)，其中，载波信号的频率改变；以及相位调制(PM)，其中，载波信号的相位随着时间的变化而变化。这些调制方法都被归类为连续波调制方法，以便将它们与用于以二进制方式对数字和模拟信息进行编码的脉码调制(PCM)方法区别开来。还有更复杂的调制形式，如相移键控(PSK)和正交调幅(QAM)，以及通过施加改变激光束强度的电磁电流来对光信号进行调制的方法。
依据所预期的用途，前述的所有调制方法都可以在较长的一段距离内对电子数据进行相对可靠的传输。然而，由于要传输的数据量不断地增加，越来越多的带宽被使用，因此，需要更有效的数据传输能力。随着更多的信息被数字化，对传输系统和带宽需求施加了更大的压力。虽然改进的设备和技术对于解决由增大的带宽需求所引起的问题有某些帮助，但是，也需要其他解决方案。
部分地解决有限带宽问题的一种方式是在载波上对更多数据进行编码。如果在有限的时间间隔内传输的数据量增大，则基础结构和支持这样的基础结构所需的设备可以显著减少。
如此，现有技术中所需要的是调制电子信号的新的和新颖的方法，以增大可以传输的数字数据量并提高能进行这样的传输的速率。
发明内容
为解决上文所讨论的现有技术的不足，本发明提供了通过相移和时移键控调制的传播信号和使用所述的传播信号的方法。在一个实施例中，该传播信号包括：(1)脉冲跨越的时间间隔，该时间间隔分为一组时隙，每一个时隙都具有唯一地相位/时间位置；(2)根据相位/时间位置对数据元素进行编码的脉冲。
因此，本发明引入了通过按传播信号的一组时隙内的相位位置和时间位置两者定位脉冲而对数据进行编码的广泛的概念。与使用现有技术的编码方法相比，这种新颖的对信号进行编码的方法可以显著地增大传播信号在特定时间间隔所携带的数据量。
在本发明的一个实施例中，数据元素是通过映射编码和解码的。在另一个实施例中，一组中的时隙是相邻的，而在又一个实施例中，一组中的时隙是不相邻的。不论是哪一种情况，编码的信号都可以在其终点被映射和解码，而传输的数据不会有任何变化。
本发明足够通用，在一个实施例中，一个组内的时隙具有不均匀的间隔。进一步的通用性可以由下面的事实说明：另一个实施例可以规定一个以上的脉冲位于一组时隙内。
此新发明允许在非常短的时间间隔内对大量的数据进行编码。例如，在本发明的一个实施例中，单个组可以对十五位以上长度的数据进行编码。那些精通本技术的普通人员将认识到，十五位的数据是大量的。
本发明的一个特别有用的方面规定使用组来对各种不同类型的数据进行编码。在本发明的一个实施例中，一组中被编码的数据的元素是从包括标头、错误检测消息、同步元素和数据消息的不同类型的数据的组中选择的。那些精通相关技术的普通人员将认识到，大多数数据流将最可能包括所有三种不同类型的数据组。
在本发明的另一个实施例中，传播信号包括许多组。在再一个实施例中，各组具有不同数量的时隙。
前面的内容概述了本发明的优选和备选的功能，以便那些精通本技术的人员可以更好地理解随后的本发明的具体实施方式。下文将描述本发明的其他特点，这些特点构成了本发明要求的主题。那些精通本技术的人员应该理解，他们可以轻松地使用所说明的概念和特定的实施例作为基础，设计或修改执行本发明的相同用途的其他结构。那些精通本技术的人员还应该认识到，这样的等同的结构不会偏离本发明的精神和范围。
附图说明
为对本发明有一个比较完整的理解，现在将参考下面结合附图进行的详细说明，其中：
图1显示了一个图形，该图示出了使用数字脉冲位置调制(PPM)的常规现有技术的包含四个脉冲的组的允许位置；
图2显示了一个图形，示出了允许的脉冲位置，其被仔细地构建为具有比Tmin小得多的重叠间隔。
图3显示了一个信号的图形，其中，脉冲被Tmin/5的时隙宽度分开，与图1所示的情况相比，数据传输量将增加到五倍。
图4A和4B显示了本发明的一个实施例的实现方式，并显示了重叠脉冲的实部和虚部以及添加的+90°的相移；以及
图5显示了本发明的一个实施例的图形，其中，使用了不同于90°的相位增量，以演示正确的状态及其相邻的状态之间的分辨率的显著地改进，允许的脉冲间隔为Tmin/5，相邻的允许的状态之间的相位差为78.5°。
具体实施方式
首先请参看图1，该图显示了一个图形100，示出了使用数字脉冲位置调制(PPM)的包含四个脉冲110的常规现有技术中的组105的允许的位置。所显示的组可以被视为四个时隙120，Tmin是允许的脉冲110峰值位置之间的时间间隔。在PPM中，此组105中的这些脉冲110中只有一个被传输，以避免与相邻的或潜在地相邻的脉冲110产生符号间的干扰。如果在四个允许的峰值位置执行解调采样，三个样本基本上为零，正确的样本将具有振幅“1”。
如果在解调过程中采样不能正确地与峰值位置同步，那么，“正确的脉冲”位置的振幅将开始缩小，而相邻位置处的振幅将大于零。然而，信号仍可以被正确地解调，因为只有一个脉冲110被传输，并且可以没有太大困难地确定脉冲110的正确位置。如果系统中还存在噪声，那么，由于定时误差，不能正确地进行解调的概率将增大。然而，如果定时误差小，则性能下降是可以忽略的，且信号可以被解调。按一般规律，如果信噪比足够小，只要定时误差小于Tmin/2，则信号仍可以成功地解调。
甚至在各脉冲110部分地重叠的情况下这种成功地区别单个脉冲110的两个可能的位置的能力也可以被用来增大数据密度，不过要以降低信噪比灵敏度作为代价。这种数据密度的提高是这样取得的：移动允许的脉冲110使其相互更靠近，以便一个允许的脉冲110的边缘115与相邻的脉冲110的边缘115重叠。
现在请看图2，显示了图形200，其示出允许的脉冲位置210(其中的一个带有标记)，其被仔细地构建为具有比Tmin小得多的重叠间隔。事实上，与图1中的五个单位相比，允许的间隔降低到一个单位，且每一个时隙220都具有等于Tmin/5的宽度，如此代表了在可用来对数据进行编码的状态数量方面潜在地提高到五倍。然而，这种增大数据密度的方法很少使用，因为可用来区别相邻脉冲位置的检测余量降低。
请看图3，该图显示了一个信号的图形300，其中，脉冲310被Tmin/5的时隙320宽度分开，与图1所示的情况相比，数据传输量增加到五倍。使用现有技术中的方法对这样的信号进行解调的困难是显而易见的，因为检测余量有限。为解调具有这样强烈重叠脉冲310的信号，需要在所有可能的脉冲位置的峰值位置(即，水平轴上的所有整数位置)对接收到的信号进行采样。显而易见，相对于相邻的脉冲位置，振幅分辨率特别差，对于下一个相邻的脉冲310，这种分辨率问题将增大。本发明提供了新颖的调制格式以克服这些调制问题。
本发明这样修改允许的脉冲，以便每一个脉冲不仅具有不同的时间位置，而且在每一个相邻的脉冲之间还添加了相位跳跃。例如，如果在每一个相邻的脉冲之间添加了±90°的相位跳跃，那么，t＝0(时间等于零)时的脉冲可能具有0°相位，t＝1时的脉冲将具有±90°，t＝2时的脉冲为±180°，t＝3时的脉冲为±270°，t＝4时的脉冲将为±360°，等等。这种同时的相移和时移调制的组合显著地改进了区别相邻脉冲的能力。
现在请看图4A和4B，显示了图形400，该图形示出了本发明的一个实施例的实现方式，其中显示了重叠脉冲410的实部和虚部以及添加的+90°的相移。由于使用了90°的相位倍数，奇数号码的脉冲410(1、3、5等等)具有等于零的实部，而偶数号码的脉冲具有等于零的虚部。为解调此信号，需要在峰值位置(t＝0、1、2等等)对接收到的信号的实部进行采样，并将采样信号的相位从一个时隙移到下一个时隙，以便它与脉冲410的预期的相位一致(如果它应该在该时隙位置发生)。
一般而言，可以使用各种各样的相位角，所有这些都将落在本发明的范围内。这些相位角中的许多能够提供与图4A和4B中所显示的示例相同或更好的性能。例如，当使用Tmin/5的时隙间隔时，步进角可以围绕90°值有±20°以上的不同，而性能不会有任何严重的下降。
现在请参看图5，该图显示了本发明的一个实施例的图形500，其中，使用了不同于90°的相位增量，以演示正确的状态及其相邻的状态之间的显著地改进的分辨率，其中，允许的脉冲510间隔为Tmin/5，并使用相邻的允许的状态之间78.5°的相位差。显示出不同于90°的相位增量，以说明对于各式各样的相位角正确的状态和相邻的状态之间的分辨率的显著改进。图5还显示了与图3中显示的没有相移的相同允许的脉冲间隔相比，在分辨率方面的显著的改进。与具有允许的脉冲间隔Tmin的比较常规的PPM相比，图3和5的每一种情况在可能的状态数量方面具有相同的五倍的改进。但是，在没有相移的情况下，检测最低余量只有0.067，而在有相移的情况下，到相邻状态的检测余量为0.81，如图5所示，这非常接近于具有接近于1的检测余量的常规PPM。
如此，本发明的最佳特征在于，以已知的方式同时移动脉冲通信信号的相位和时间位置两者。通过映射如上所显示的编码，可以发送和解码的数据量相当大。在本发明的一个实施例中，可以在单个组中对十五位以上的数据进行编码，并且通过映射，可以可靠地对所使用的代码进行解码。映射构成了预先确定的布局或协定，由此，编码数据消息或信号具有基于该编码数据消息或信号的特定含义，当对编码数据或信号进行解码或解调时可以确定该编码数据消息或信号。此布局或协定可以呈现协议的形式，如商定的代码表，当解码时该布局或协定向编码信号分配可靠且可确定的含义。使用本发明对数据消息进行编码的优点是显而易见的。可以在传播信号内的数据元素上编码的大量的信息允许在非常短的时间间隔内传输大量的数据，从而节省带宽。
尽管这里所考虑的本发明的实施例使用了间隔均匀的时移和间隔均匀的相移，但是，那些精通相关技术的普通人员将理解，间隔不均匀的时移或相移(或者两者)都在本发明的范围内。同样，各组可以在时隙的数量和/或占用的时隙的数量方面不同，并仍在本发明的范围内。此外，可以这样定义单个组，以便它只具有固定数量的占用时隙，或者，它可以允许不同数量的占用时隙。此外，单个数据消息可以包括一种以上类型的组(例如，标头可以是一种类型的组，实际数据是第二种类型的组，错误检测/校正字可以是第三种类型的组)。正如那些精通相关技术的普通人员所认识的，所有这些变种以及其它变种都在本发明的范围内。
本发明还提供了传播信号的方法的多个实施例。在一个这样的实施例中，该方法要求指定脉冲跨越的时间间隔，所述的时间间隔分为一组时隙，以便每一个时隙都具有唯一的相位/时间位置。然后，该方法使脉冲按相位/时间位置对数据元素进行编码。本发明还包括传播信号的方法的多个其他实施例。这里已阐述了足够的详细信息，以使那些精通相关技术的普通人员理解和实施这样的方法的各种实施例。
虽然详细描述了本发明，但是那些精通本技术的人士应该理解，在不偏离本发明的最广泛的形式的精神和范围的情况下，可以进行各种更改、替换和变更。