CN1380763A - 产生合成波形的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生合成波形的方法和装置。通过编码多个输入数字信息信号(201)产生这个合成波形。接着,多个编码的输入数字信息信号(231,235,237)经通信媒体(103)传送到数字合成器(105)。该数字合成器(105)组合多个编码的输入数字信息信号。最后,数字地组合的信息信号被频谱整形形成合成的波形(107)。这些合成的波形产生的原理可被用到在子带编码系统中数字地编码话音子带以及在直接序列码分多址(DS－CDMA)通信系统发送机中的信道信息。

Description

产生合成波形的方法和装置
本发明涉及通信系统，具体涉及用于产生合成波形的方法和装置。
通信系统采用许多形式。一般地，通信系统的目的是从位于一个地点处的一个源向远离一定距离的另一个地点处的一个用户目的地发送承载信息的信号。一个通信系统一般由三个基本部分组成：发送机、信道和接收机。发送机具有处理信息信号成为一种适合于在信道传输的形式。这种信息信号的处理称为“调制”。信道的功能是在发送机输出与接收机输入之间提供物理的连接。接收机的功能是处理接收的信号，以便产生原始信息信号的估计。这种接收信号的处理称为“解调”。
现有两类双向通信信道，即，点对点信道和点对多点信道。点对点信道的例子包括有线(例如本地电话传输)、微波链路和光纤。点对多点信道提供从单个发送机可同时到达许多接收站的能力(例如蜂窝无线电话通信系统)。这些点对多点系统也称为“多址系统”(MAS)。
模拟和数字传输方法被用来在一个通信信道上发送信息信号。采用数字方法优于模拟方法提供一些工作上的优点，包括但不限于：增加对信道噪声和干扰的不敏感性、系统的灵活运行、传输不同类型信息信号用的通用格式，通过使用加密改进通信的安全性并增加容量。
这些优点是以增加系统复杂性为代价而获得的。但是，通过使用超大规模集成(VLSI)技术，已经开发了构成硬件的经济有效的方法。
为了在带通通信信道上发送信息信号(或是模拟的或是数字的)，该信息信号必须被变换为适于在该信道上有效传输的形式。通过称为调制的处理获得了信息信号的变形。这个过程包括根据信息以这样的方式改变载波的一些参数，调制波的频谱符合指配信道带宽。相应地，要求接收机从经信道传播之后的发送信号的降级型式信号中重新产生原始信息信号。通过使用称为解调过程来实现重新产生，它是与发送机使用的调制过程相反。
除了提供有效的传输之外，还有执行调制的其它理由。特别是，使用调制允许复用，即，经一个公共信道同时传输来自不同的信息源的信号。同时，调制可用于变换信息信号为不易受噪声和干扰的形式。
对于复用通信系统来说，系统典型地包括许多远端单元(即用户单元)。每个用户单元要求一个通信信道，用于短的或离散的时间间隔而不是在所有时间在通信信道上的连续服务。因此，通信系统被设计为包括在相同通信信道上在短时间间隔内与许多远端单元通信的特性。这些系统称为时分多址通信系统。
直接序列(DS)码分多址(CDMA)系统是一个MAS，这里所有用户单元在相同频带上同时发送信息信号。类似地，基站通过在与始发传输到其它用户单元的基站相同的频段上发送信息信号来发送预定给特定用户单元的信息信号。根据需要，从基站发送的带宽信息信号的信息速率大得多，即载频带宽与消息带宽相比较是大的。
大多数MAS使用数字化的话音表示作为必须发送的信息信号。这种类型的信息信号典型地由语音编码器产生。本领域的技术人员明白，该信息信号也可能是来自数据信号，例如来自计算机的调制解调器或数据网。基站典型地接收许多信息信号作为输入。此外，每个输入信号始发自基于陆地的电话机或是一个移动用户单元。每个信息信号被复用，这样单个修改的信息信号以比较高的数据速率发送到基站天线。在信息信号输入至天线传输之间的各级容易遭受噪声，因为包括高数据速率和靠近基站内的信号传送导体。产生的效果是经常出现容性和感性串音。结果，希望获得可用的载波带宽的最高可能利用而使在信息信号中出现的任何差错和噪声减至最小。
一些CDMA系统的基站发送一个导频信道，它帮助移动用户获得和跟踪话音信道。传统的CDMA系统通过等同于用于提供话音和数据信道的印刷电路板的一个印刷电路板来提供导频信道发生功能。每个板的输出信号从数字变换为模拟信号。由功能不同的组合电路组合这些信号。
常规的CDMA系统选择该导频信道和话音信道的路由来分离的数模变换器。这引入导频信道和话音信道之间的时间偏离。如果时间偏离足够地大，在移动用户单元的相干解调器中将产生相位不精确、因此降低了话音信道性能。
但是，甚至从上面描述的常规的CDMA通信系统来看，仍需要一种改进数字信息信号组合技术，该技术可用于CDMA以及其它类型通信系统。
本发明提供一种用于产生合成波形的方法和装置。这个合成波形是通过编码多个输入数字信息信号产生的。因此，多个编码的输入数字信息信号在通信媒体上传送到一个数字组合器。该数字组合器组合多个编码的输入数字信息信号。最后，数字地组合的信息信号在频谱上整形形成合成波形。这些合成波形产生原理可应用于子频带编码系统中的数字地编码话音子频带以及在直接序列码分多址(DS-CDMA)通信系统的发送机中的信道信息。
图1是表示调制解调器信道卡(MCC)的最佳实施例连接的方框图，MCC提供信息到基带分配和组合器(BDC)，然后根据本发明提供修改的信息信号到天线。
图2是根据本发明图1所示优选实施例MCC的一部分的详细方框图。
图3是根据本发明图1所示优选实施例MCC的另一部分的详细方框图。
图4是表示根据本发明图1所示优选实施例BDC的详细方框图。
图5是表示根据本发明数字组合原理的另一优择方案优选实施例应用于话音编码器的方框图。
如下面所描述的，通过两个阶段修改话音信息信号的方法和装置来满足改进数字信息信号组合技术的需要。该信息信号由输入到编码器的数据比特组成，编码器编码该比特为较高数据速率。接着，前向纠错被引入到产生的信号中，作为管理无线通信用户单元发送机的功率控制的数据。此外，该信号被扰码。而且，正交沃尔什码掩蔽该信号。第一阶段将该信息信号与来自其它用户单元的许多其它信息信号组合终结。然后产生的信号传送到第二个阶段。
第二阶段组合大量的信号，这些信号始发自第一阶段的相等数目。输入到第二阶段的信号数与第一阶段中组合的信号数目比较是大的。最后，产生的信号是数字地扩频并由带限滤波器滤波。从第二阶段输出信号被变换为模拟信号。被模拟信号被带通滤波，对RF载频调制，放大和分别由扇区α，β或γ三个120°扇形区天线发送。
由集中带限滤波器与分离地滤波每个信道相反，总的电路数量减少了而且量化噪声降低了。此外，因为在数模变换之前所有的信道被组合，因此需要比较少的数模变换器。作为最后的测量，组合的话音信道和导频信道到单个数模变换器的路由选择降低在现有技术系统中固有的导频信道和话音信道之间的任何时间偏离，现有系统通过分离的数模变换器选择话音信道而不是导频信道的路由。
现在参见图1，可能看到三个扇区基站的系统结构。表示出三个调制解调信道卡(MCC)101。
但是，本领域的技术人员明白，更多的MCC(例如20个MCC)典型地用在一个基站。每个MCC101取四个数字地编码的话音信号作为输入。每个话音信号以9.6kbps的速率到达。MCC101对这些信号执行各种操作，并且以1.288兆符号/秒(Msym/s)的速率传送复用的信号103至基带分配和组合器(BDC)卡。每个BDC105以与第一MCC复用信号的速率一致的速率接收一些其它信号(例如除了图1中所示的3个信号之外的17个信号)。
BDC105执行的噪声(PN)扩频和上样值(upsample)滤波该信号，因此产生适用于调制模拟载频信号的正交相移键控(QPSK)的四相信道对107。进一步运行出现在BDC信号处理例如放大的信号之后。随后的信号通过熟知的现有技术进行低通滤波和放大。该放大的信号由可操作地耦合到BDC的一个天线(例如扇区α)辐射。
现在参见图2，图2表示MCC101的数字调制器部分220，数字地编码的话音信号201以9.6kbps的速率输入到编码器。该编码器增加数据速率一个预定的系数。在优选实施例中，该预定系数是2，因此输出速率为19.2ksym/s。编码器的输出是数据符号的形式。数据符号205则被输入到一个交错器207，交错器207部件交错输入数据符号205。在交错器207中，数据符号被逐列输入到一个矩阵并从该矩阵逐行输出。交错的数据符号213由交错器207以它们输入(例如19.2ksym/s)相同的数据符号速率输出。
交错的数据符号213被输出到一个收缩(pencture)算法电路211。该收缩算法电路每1.25毫秒接收一个周期的功率调整命令该功率调整命令是一个或多个信息比特。该收缩算法电路用每个功率调整命令重写一个或多个交错的数据符号。由功率调整动命令重写被看作为擦除并由差错校正进行校正，如在移动单元接收机中解码。产生的交错数据符号213被输出到一个扰码器215。
该扰码器提高话音信道通信的安全性。该扰码器通过使用长的PN码，与交错数据符号的异一或操作提高安全性。该扰码器输出该结果作为扰码的数据符号。
沃尔什码扩频器219提供唯一的用户码，它进一步扩频扰码的数据符号。沃尔什码通过本领域公知的技术产生。优选的实施例使用由64阶沃尔什函数产生的沃尔什码。沃尔什码扩频的效果是增加63倍符号速率。沃尔什码扩频器219以1.228Msym/s的速率输出符号221。
现在参见图3，图3表示除了图2所示的数字调制器部分220之外的MCC101其它部分的详细图，增益调整命令223被插入到沃尔什码扩频信号221中，它为用户单元提供适当的指令用于用户基站(即上行链路)功率控制。沃尔什码扩频信号221由乘法器225以该信道的适当的增益相乘。该增益是基于对该信道的前向功率控制电平和当前发送的比特速率。产生的信号是一个放大的信号227，它由标志2的补码整数的9比特组成。
标志2的补码整数的9比特被输入到并串变换器229，它产生单个信道的串行比特流231。特定话音信道的单信道串行比特流231与其它话音信道的一些其它串行比特流235，237一起输入到串行加法器233。优选实施例的MCC101以这种方式相加4个单信道串行比特流。从串行加法器233的输出239由分离器241分离为天线扇区分量α、β和γ，它们经通信媒体(即基站串行有线背板)传送到作为复用信号的信号修改的第二阶段。每个复用信号被分配到初极的BDC105，它完成话音信道组合和准备射频传输到三个网孔扇区α、β和γ的每一个扇区的信号调制。本领域的技术人员懂得，更少或更多天线扇区可被实现，而不脱离本发明的范围和精神。
现在参见图4，该图表示用于每个基站网孔地点的三个BDC之一的α天线扇区BDC105。三个BDC电路的每一个电路最好地是在单个印刷电路板上实现，以便降低基站地点的复杂性。每个BDC电路分别相应于扇区α、β或γ。串行模2加法器301接收一些复用的信号239(例如，20α天线扇区信号)作为输入。此外，导频信道被加到组合的信号313。导频信道不包含数据调制，其特征为未调制的扩频信号，所有特定网孔地点或扇区的用户用于捕获或跟踪的目的。在产生导频信号中，由全零组成的沃尔什“0”(Wo)序列被使用，以便不调制导频信号。导频增益寄存器317产生“0”(Wo)序列。导频增益寄存器317的输出被输入到串行模2加法器301。串行模2加法器301输出导频增大信号321。导频增大信号321由串并变换器315从串行变换为并行信号。
数字正交相移键控(QPSK)扩频是下一个执行的过程。本领域的技术人员懂得，多于或少于4相移信号可用于调制导频增大信号321(例如可使用双相移键控(BPSK))。更精确地，在M相移键控调制方案中，可利用任何数目的相移信号，其中“M”表示由调制方案使用的相位数。
复杂的QPSK PN扩频器323提供一个同相(I)和正交(Q)信道，它们由二进制乘法器325用导频增大信号321相乘。结果，产生两个输出，即I信道和Q信道。I信道327和Q信道329的每一个信道由相同带宽限制无限脉冲响应(FIR)滤波器331滤波。该FIR滤波器331四倍上取样该输入信号并低通滤波该结果，产生两个信号：滤波的I信道333和滤波的Q信道335。
产生放大的RF信号的信号的进一步处理在现有技术中是熟知的。滤波的I信道和滤波的Q信道被变换模拟信号。此外，滤波的I信道和滤波的Q信道由带通滤波器进行频谱整形。接着，这些信号对RF载频调制，由分别用于每个扇区α、β或γ的扇区天线放大和发送。
本领域的技术人员明白，本发明的技术也可能被应用到计算地提供从不同源接收的编码话音信息的有效组合。在电话或陆地移动控制台应用中需要这种组合，希望分离地组合接收的用户的话音为单个成分，它允许所有接收方同时地听到。在电话中，会议电话允许两个以上用户同时地谈话和当每个其他方讲话时听到他们讲话。在陆地移动电话中，控制台操作员使用话音可同时地监视多个无线电频率，而且需要听所有接收的重叠波形。这种能力也称为N方会议，这里N是与组合的独立信道数。
本发明特别可用于以编码形式接收的话音信息的组合。一个公用的话音编码器，例如是子带编码器。例如，在由Kotzin等人的美国专利NO4979188中描述了这种编码器的一个实施例，该专利引用在这里作为参考。在现有技术中已经知道，子带话音编码器通过分离地编码频带信息在发送机和接收机之间传送信息。在子带编码器中，相应于不同频谱的子带的话音样值从原始输入中分离出来并被编码用于传输。这种的编码器利用多个附加技术，如噪声掩蔽以改进重构话音的质量。
Kotzin等人的4979188专利中的一个图，即本文图5，示出一个这样解码器的优选实施例，可用于从单个编码的接收输入中产生一个这样的重构话音输出。来自传输信道的信息502在去复用器504中去复用，将该信息分离为与分离的频谱子带相关的各种基带样值，和各种边带信息。其中包括边带信息允许将基带样值适当地分配给合适的重构滤波，用于使前述的改进技术可用。对样值执行适当的标度，而且噪声样值可提供给未使用子带。这是在分配解码器538中完成的。这些子带样值经内插极540-555引导到合适的频谱整形滤波器556-571。频谱整形可通过多相反混淆(anti-aliasing)FIR滤波器库来实现。独立的子带输出被合成产生重构话音输出(572)。
提供N方会议的简单方法将是重复表示N次解码器，每个独立的输入一次。然后，输出可简单地组合以产生合成的波形。
通过这个简单明了的方法，这个可替代的优选实施例应用极大地降低了提供N方会议的计算负担。其本概念是在执行大量计算之前，即在内插和解码器滤波器库级之前组合多个话音输入。每个独立的信道有其自己的去复用器504，它从侧带信息中分离子带样值。分配解码器538与接收的侧带信息一起，标度和引导样值到适当的频谱子带信道。对于其它未使用的子带，附加的噪声满样值(fill sample)也可能被提供。在图5中仅表示了对单个话音的去复用器504和分配解码器538。其中侧信息允许适当地分配和滤波器样值的幅度标度，以便对于这个话音输入的滤波器样值可适当地引导到内插(540-555)和频谱整形(556-571)，以便允许话音重新构成。
但是，如图5所示，在内插(540-555)和频谱整形(556-571)之前，来自(N-1)其它话音输入的适当地标度的样值被组合(539)在一起。这是对每个可能的子带分离地进行的。实际的话音样值和噪声充满可类似地处理。
对于N向会议情况，在中间点修改是可能的以优化组合。例如，可能根据其各个信号的能量来标度每个子带输入。这起着降低来自累加的超过剩余噪声的作用，但是仍允许所有话音输入被同时地组合。使用前述技术的节省是主要的。至多，仅一组解码滤波器需要提供N次，该数目是使用传统的技术的数目。
这里描述的原理可总结如下：现在参见图1表示了产生组合波形的方法，该方法包括编码101多个输入数字信息信号。每个输入数字信息信号可能是数字地编码的话音，数据分组或其组合。另一方面，每个输入数字信息信号可能是来自子带编码器的特定子带。而且，每个输入数字信息信号可由数字样值组成，这些样值代表独立信息源(即会议电路的不同声音)的频谱分配部分。其次，这多个编码输入数字信息信号经通信媒体103传送到数字合成器105。多个编码的输入数字信息信号由数字的组合器105数字地组合，而且这个数字的组合信息信号频谱整形形成合成的波形107。
更精确地讲，在图1-4中表示了直接序列码分多址(DS-CDMA)发送机，该发送机数字地组合信道信息。该发送机包括第一和第二信道编码器101，分别用于信道编码第一和第二输入数字信息信号。每个输入数字信息信号可包括数字地编码的话音、数据分组或其任何合成。每个信道编码器101包括一个分离器241，用于分离信道编码的数字信息信号为每个网孔扇区的扇区分量α、β和γ。而且每个信道编码器101也包括一个增益控制器，用于调整信道编码数字信息信号的功率增益。而且每个信道编码器101包括一个变换器229，用于将信道编码数字信息信号的扇区分量从并行变换为串行信号。此外，每个信道编码器101包括卷积编码(203)的装置，信息组交错器207，长伪噪声码扰码器215和沃尔什码扩频(219)每一个输入数字信息信号201。最后，每个信道编码器101可包括用于实现收缩算法以便插入上行链路功率控制信息到数字信息信号的机制211。
此外，合成105可操作地耦合到第一和第二信道编码器101，用于分离地串行地将第一和第二信道编码的输入数字信息信号的每个扇区分量加在(301)一起。该合成器105包括一个机制318，用于将导频控制信道317加到第一和第二信道编码输入数字信息信号。此外，合成器105包括一个变换器315，用于将数字地组合的信道编码数字信息的每个扇区分量从串行变换为并行信号。调制器325可操作地耦合到变换器315，用于分离地M元相移键控数字地组合的输入数字信息信号的每个扇区分量。此外，滤波器331可操作地耦合到调制器325，用于分离地基带频谱整形M元相移键控数字信息信号的每个扇区分量以限制下行链路传输信号的带宽。
DS-CDMA发送机最好地进一步包括一个模拟传输部分，可操作地耦合到滤波器331，它上变换M元相移键控数字信息信号为射频下行链路传输信号，功率放大射频下行链路传输信号并从天线辐射放大的射频下行链路传输信号。
虽然以一定的详细程度描述和说明了本发明，应当懂得，仅通过举例进行本实施例的公开，本领域的技术人员在不脱离如权利要求的本发明的精神和范围下，可在安排和部件组合以及步骤方面进行分类。例如，如上所述的优选实施例的通信系统的调制器，天线和解调器部分被引导到经无线通信信道发送的CDMA扩频信号。但是，本领域的技术人员懂得，所描述的和权利要求规定的编码和解码技术也能适用于其它类型的传输系统，如那里基于时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)系统。此外，通信媒体(即无线电信道)可交替地是电气数据总线、有线、光纤链路、卫星链路或任何其它类型的通信信道。

Claims (11)

1.一种产生合成波形的方法，其特征在于：
(a)编码多个输入数字信息信号；
(b)经过一个通信媒体，传送多个编码的输入数字信息信号到一个数字组合器；
(c)利用该数字组合器，数字组合多个编码的输入数字信息信号；以及
(d)频谱整形数字组合的信息信号，以形成一个合成波形。
2.一种产生合成波形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对一种输入信号波形去复用和解码，以形成解码后的数字信息信号；
(b)在数字组合器中，将多个解码后的数字信息信号中的每一个分别与多个另外的解码的数字信息信号的每一个数字地组合，以形成多个组合的数字信息信号；
(c)对多个组合的数字信息信号进行频谱整形，以形成一个合成波形。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述的输入信号波形包括从数字编码的话音和数据构成的组中的选择的信息。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，多个编码的数字信息信号是多个基带信号，每个基带信号与独立的频谱子带相关联，借此，步骤(a)包括对该输入信号波形去复用成为多个基带信号，并对于该多个基带信号解码，以形成多个定标的样值，每个样值与一个分离的频谱子带相关联。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，步骤(c)包括对多个组合的子带样值的每个进行内插和频谱整形，以形成多个频谱整形后的样值，并组合多个频谱整形的样值，以形成合成波形。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，该多个解码的数字信息是从每一语音输入中得出的，该多个另外的解码的数字信息信号是从至少N-1个另外的语音输入中得出的，该合成波形是一个N方语音会议输出。
7.一种用于组合多个输入信号以形成一个合成波形输出的装置，其特征在于，包括：
(a)对输入信号去复用和解码，以形成多个解码后的数字信息信号的装置；
(b)将多个解码数字信息信号中的每一个分别地与多个另外的解码数字信息信号进行数字组合，以形成多个组合数字信息信号的装置；
(c)对多个组合数字信息信号进行频谱整形，以形成合成波形的装置。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，多个编码的数字信息信号是多个基带信号，每个基带信号与独立的频谱子带相关联，去复用和解码的装置可操作地将输入信号波形去复用成为多个基带信号，并且对多个基带信号解码，以形成多个定标的样值，每个定标的样值与一个分离的频谱子带相关联。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，多个另外的编码数字信息信号的每一个与另外多个定标样值中的一个相对应，其中每个定标的样值与一个独立的频谱子带相关联，数字组合装置可操作地利用子带将多个定标的样值与另外的多个定标的样值相组合，以形成多个组合的子带样值，其中的每个组合的子带样值与一个独立的频谱子带相关联。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，频谱整形的装置可操作对多个组合的子带样值的每一个进行内插和频谱整形，以形成多个频谱整形的样值，并组合该多个频谱整形的样值，以形成该合成波形。
11.根据权利要求9的方法，其特征在于，该装置是一个N方会议组合器，该多个解码数字信息信号是从每一语音输入得出的，该多个另外的解码数字信息信号是从至少N-1个另外的语音输入的出的，该合成波形是一个N方语音会议输出。
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