CN1608368B - 通过调制未承载数据的副载波来控制功率谱密度 - Google Patents

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Abstract

描述一种在多载波调制环境下减轻功率谱密度不规律性的方法。所述方法包括识别多个载波中处于非数据承载状态的至少一个载波。之后，使用随机数据调制所述载波。

Description

通过调制未承载数据的副载波来控制功率谱密度
发明领域
本发明涉及通信领域，具体地说，本发明的一个实施例涉及用于通过将随机数据调制到非数据承载载波上来减轻功率谱密度不规则性的系统和方法。
背景信息
多年来，多种调制技术已用于将数据从数据源传送到目的地。一种类型的调制技术称为多载波调制(MCM)。根据MCM，数据被分割成几个数据分量并且这些数据分量各自通过独立的载波发射，因此每个独立载波具有比合成信号更窄的带宽。通常，“载波”是以稳定的基本交变频率发射的电磁脉冲或电磁波，而信息可添加在上面。当然，与光纤媒体一起使用时，载波可能是可添加信息的光束。
当前，存在多种多载波调制方案，如正交频分多路复用(OFDM)。OFDM将可用频谱细分为多个窄带信道(如100个信道或更多)。与基于频分多路复用(FDM)的系统相比，每个信道的载波间隔更靠近，这是因为每个载波被设置成与其相邻的载波正交。这种正交关系可通过把每个载波设置成在符号周期内具有整数个周期来实现。这样，每个载波的频谱在系统中每个其它载波的中心频率上具有空值。这使得各载波之间无干扰，从而使它们在理论上可以尽可能地靠近。
在许多实例中，MCM系统设计为避免将信息调制到不可靠并使它们处于“非数据承载”状态的载波上。载波在遇到诸如衰落、高强度干扰等不利的信道特性时会变得不可靠。通常，根据接收机处的信道测量而把载波确定为“不可靠”的。由于每个不可靠载波的信道特性会随时间变化，因此，通过将恒定或交替数据(如逻辑“0”或“1”)调制到这些载波(即用常量数据调制不可靠载波)上而对这些信道特性进行定期监测。非数据承载载波可用作信道估计、定时和载波恢复的导频音。
当使用快速傅里叶逆变换(IFFT)产生多个载波时，用恒定或交替数据调制的载波在这些非数据承载载波上产生具有集中能量的谐波，所述谐波在载波上产生功率谱密度(PSD)不规律性或峰值。
例如，如图1所示，图中示出使用OFMD调制技术的发送信号(如HOMEPLUGTM分组)的功率谱。如图所示，与信道10、20、40和60相关联的四个载波使用恒定数据(如用于差分正交相移键控“DQPSK”的“11”)进行调制。这使得这些载波的PSD峰值110、120和130比功率谱140高了几乎八分贝(8dB)。
结果，为了符合严格的(美国)通信委员会(FCC)功率电平标准要求并避免干扰所述频带的其它用户，传送信号的总功率必须减小。这导致了接收机处检测到的信号质量(如信噪比)下降，而这又降低了接收机的覆盖范围、数据吞吐量等。
因此，开发一种调制技术以减轻非数据承载载波上发生的PSD不规则性是有益的。
附图简述
从以下对本发明的详细说明中可明白本发明的特征和优点，其中：
图1是使用OFMD调制技术的发送信号(如HOMEPLUGTM分组)的功率谱；
图2是图1中合成发送信号功率谱的示范实施例，所述功率谱由将随机数据调制到非数据承载载波上的多载波调制(MCM)系统产生；
图3是利用本发明的通信网络的示范实施例；
图4是MCM系统内部逻辑的示范实施例；
图5是说明第一MCM系统(发射机)内的逻辑电路的总体方框图的示范实施例，第一MCM系统使用随机数据调制非数据承载载波以便传输到第二MCM系统(接收机)；
图6是根据非数据承载载波随机调制，在发射机和接收机之间的操作的示范实施例。
详细说明
本文中，本发明的不同实施例涉及用于通过将随机数据调制到非数据承载载波上而减轻功率谱密度不规则性的系统和方法，即，利用随机数据调制当前处于非数据承载状态的每个载波。本文中，这种“非数据承载”状态包括操作等级，其中载波用于数据传输外的其它用途，如同步、载波恢复、定时恢复、信道特性，并且当载波遇到不利的信道特性时也可以处在“不可靠”状态。当然，非数据承载载波也可用作进行信道估计、定时和载波恢复的导频音。
本文所述实施例并不排它，它们只提供对本发明的详尽理解。同样，为避免对本发明造成不必要的混淆，对众所周知的电路并未进行详细描述。
在下面的说明中，某些术语用于描述本发明的某些特征。例如，“逻辑”包括在输入数据上执行所需功能的硬件、固件、软件或它们的任何组合。例如，在一个实施例中，逻辑包括处理单元，所述单元访问存储器内的软件以执行如图5-8中更详细描述的非数据承载载波随机数据调制方案。“处理单元”的示例包括如数字信号处理器、微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列、状态机器、组合逻辑等。
此外，“链路”通常指用于建立通信路径的一个或多个物理或虚拟信息传递媒体。所述媒体的示例包括物理媒体(如电线、光纤、电缆、总线迹线等)或无线媒体(如，与无线信令技术结合的空气)。在一个实施例中，链路可以是根据HOMEPLUGTM标准发送信息的交流(AC)输电线。HOMEPLUGTM标准的一个版本是在2001年5月25日左右出版的，名为“版本V0.8媒体接口说明”(Release V0.8 Medium InterfaceSpecification)。
通常，在产生用于除数据传输外的其它用途(例如，用于同步、载波恢复、定时恢复或信道特性)的载波或导频音的任何调制方案中可能出现“非数据承载”载波。各种应用可包括但不限于或受限于正交频分多路复用(OFDM)、频分多址(FDMA)、扩频、频分多路复用(FDM)或甚至是基于小波的调制。
参考图2，图中示出通过将随机数据调制到非数据承载载波上的多载波调制(MCM)系统产生的合成发送信号功率谱的示范实施例。产生的功率谱200是具有N个载波的合成发送信号210的功率谱，其中“N”为正整数(N≥1)。如前面图1所示，发送信号210以由标号220、230、240和250表示的非数据载波编号10、20、40和60为特色，这些载波现在使用随机数据进行调制。此方法在本文中称为“非数据承载载波随机调制”。“随机数据”可以是(1)本质上真正随机并由随机比特发生器产生，或者是(2)本质上伪随机并由伪随机比特发生器产生。
如图2所示，使用随机数据调制非数据承载载波大大减轻了与非数据承载载波220、230、240和250相关联的频率的功率谱密度(PSD)不规则性.PSD不规则性的减少归功于调制载波的非周期特性.因此，功率不集中在功率谱200的这些部分，而是连续分布.
参考图3，图中示出利用本发明的通信网络的示范实施例。通信网络300包括通过链路3101-310M与网络收发信机320通信的多个MCM系统3101-310M(M≥1)。这些链路3101-310M可以是有线或无线链路。此外，如图所示，网络收发信机320还可以与用作机构(如住宅、公寓、营业地址等)联网链路的链路340连接。例如，链路340可以是电线(如AC输电线)，数据根据当前或将来的HOMEPLUGTM标准通过所述输电线传送。“网络收发信机”的示例包括计算机(如网关、服务器等)、路由器、交换设备、无线网络接入点(如WLAN接入点)。当然，虽然图中未显示，但一个或多个MCM系统3101-310M可以设置成与作为收发信机的其它MCM系统进行通信。
每个MCM系统3101...或310M是支持非数据承载载波随机调制方案的产品，即使用要传送的数据对可靠载波进行的调制和使用随机数据对非数据承载载波进行的调制。调制的载波通过合成信道传送到作为接收机的网络收发信机320(或其它MCM系统)。某些类型的MCM系统示例包括各种类型的MCM调制解调器(有线或无线)、具有无线连接的计算机(如网关或服务器、掌上型“PDA”、数据终端、膝上型计算机、台式计算机等)、机顶盒、网络设备、无线通信装置(如电话、寻呼机等)等。
现在参考图4，图中示出MCM系统内部逻辑的示范实施例。MCM系统310X包括处理单元400、内部存储器410和收发信机420。以诸如磁性、光学和半导体存储媒体的任何一种可读存储装置的形式配置的内部处理器410可以在实体上独立于处理单元400或结合在处理单元400内。在一个实施例中，可以以任何类型的非易失性存储器，如闪存、硬盘、片上ROM等的形式来实现内部存储器410。当然，可以设想，内部存储器410可以包括易失性存储器或易失性与非易失性存储器的组合。内部存储器410存储多载波调制软件，这使处理单元400可执行非数据承载载波随机调制。当然，可以设想，当其非数据承载载波随机调制功能是硬接线的时，MCM系统310X不需要存储器。
收发信机420使调制载波信号可通过链路输出并指定由图3所示的网络收发信机320或其它MCM系统(未显示)接收。收发信机420也允许从网络收发信机320(或其它MCM系统)接收信道特性数据。
参考图5，图中示出说明第一MCM系统(发射机)500(如MCM系统310X)内的逻辑电路的总体方框图的示范实施例，第一MCM系统使用随机数据调制非数据承载载波以便传输到接收机系统550(如第二MCM系统、图3所示的网络收发信机320等)。对于此实施例，第一MCM系统500包括多路复用器单元510、多载波调制器520和反馈链路530。可以在第一MCM系统500内实现(伪)随机比特发生器540，如虚线所表示的。接收机系统550包括多载波解调器560和信道估算器570。这些系统500和550通过信道链路580进行通信。
本文中，反馈链路530提供来自接收机系统550信道估算器570的数据，所述数据是关于哪些发送信号的载波(如果有的话)具有使其被视为处于不可靠状态的信道特性.例如，信道估算器570可以根据盲信道估计(不需要知道传送的数据)或基于数据的信道估计(需要知道传送的数据，因而使用伪RNG)进行操作.两种类型的信道估计均可分析信噪比(SNR)、误码率(BER)和/或每个载波的其它信号特性.通过观测诸如SNR(盲)的信号一般特性或者通过观测传送到接收机系统(基于数据)550的值的质量和/或将它们与以前存储在其中的值进行比较，可得到每个载波的信道特性.例如，发送信号可用编码格式传送，在接收机系统550处解码并重新编码以便与原来接收到的信号进行比较.
多路复用器单元510利用信道估算器570提供的称为“载波图”的数据来选择哪个输出端口5111...511R提供所需的传输数据或随机数据。也许，作为一种选择，输出端口的数量和形成所示的发送信号的载波数量相同(如R＝N)。为清晰起见，如虚线所示，由于这些载波是非数据承载且甚至被视为不可靠，因此，端口511i、511j和511k(其中i≠j≠k)输出的是随机数据。这样，多载波调制器520的521i、521j和521k接收随机数据而不是传输数据。这使得第i、j和k个载波使用随机数据进行调制并且作为发送信号的一部分通过信道链路580从输出端口522传送到接收机系统550。第i、j和k个载波根据OFDM、FDMA、扩频、FDM、基于小波或其它类型的调制技术进行调制。
现在参考图6，图中示出根据非数据承载载波随机调制的在发射机和接收机之间的操作的示范实施例。开始时，发射机(例如第一MCM系统)向接收机(例如第二MCM系统、网络收发信机等)发送信道信息请求，以便表示与信道链路相关联的所有载波的表征(方框600)。对接收到所述信道信息请求作出响应，接收机分析接收的信号并表示设置在每个载波上的数据的特征(方框610)。这种表征可通过分析SNR、BER等来完成。之后，接收机确定哪些载波处于不可靠状态并通过反馈链路将载波图输出到发射机(方框620和630)。载波图向发射机表明哪些载波被视为不可靠，因而无数据设置在这些载波上。此外，发射机使用载波图来控制所述非数据承载载波上的随机数据的设置。
虽然在附图中描述和显示了一些示范实施例，但应理解此类实施例仅用于说明而不限制本发明，并且由于本领域的技术人员可以想到各种其它修改，因此本发明不限于所示和所述的特定结构与配置。例如，可以在硬件、固件、软件或它们的组合中实施本发明或本发明的一些特性。

Claims (25)

1.一种用于数据调制的方法，它包括：
基于载波图的接收而识别多个载波中处于非数据承载状态的至少一个载波，所述载波图是响应于位于远处的系统对所述多个载波进行信道估计分析以确定多个载波中哪个载波不可靠而产生的；以及
使用随机数据调制所述至少一个非数据承载载波。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个非数据承载载波是导频音。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于识别处于非数据承载状态的所述至少一个载波的所述操作包括：
根据所述载波图选择所述至少一个非数据承载载波。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述至少一个非数据承载载波用于信道特性化。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述至少一个非数据承载载波用于同步、载波恢复和定时恢复之一。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在调制所述至少一个非数据承载载波之前，所述方法还包括产生作为伪随机比特流的所述随机数据。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：根据正交频分多路复用(OFDM)来执行对所述至少一个非数据承载载波的所述调制。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：识别处在所述非数据承载状态的所述至少一个载波的操作包括：
从所述位于远处的对所述多个载波进行信道估计分析的系统接收载波图。
9.一种多载波调制系统，它包括：
反馈链路；
连接到所述反馈链路的第一端的信道估计器；
连接到所述反馈链路的第二端的多路复用器单元，所述多路复用器单元包括第一输入端口、第二输入端口和输出端口，第一输入端口用来接收传输数据、第二输入端口用来接收随机数据，每个输出端口对应于一载波并适用于根据通过所述反馈链路传送的包括载波图的信息，传送所述传输数据和所述随机数据之一，所述载波图表明哪个载波被视为不可靠并使得所述多路复用器单元从与视为不可靠的载波相对应的至少一个输出端口中输出随机数据；以及
连接到所述多路复用器单元的调制器，所述调制器使用所述随机数据调制非数据承载载波。
10.如权利要求9所述的多载波调制系统，其特征在于：所述调制器还输出包括所述调制后的非数据承载载波的多载波调制信号。
11.如权利要求9所述的多载波调制系统，其特征在于：所述调制器调制数量上与输出端口的数量一致的多个载波。
12.如权利要求10所述的多载波调制系统，其特征在于：当所述载波图表示所述非数据承载载波不可靠时，所述调制器使用随机数据调制所述非数据承载载波。
13.如权利要求12所述的多载波调制系统，其特征在于：通过在接收机使用信道估计对所述载波进行的先前分析，确定所述非数据承载载波为不可靠的，所述接收机连接到所述反馈链路.
14.如权利要求9所述的多载波调制系统，其特征在于还包括连接到所述输入端口的第一输入端口的随机比特发生器。
15.如权利要求9所述的多载波调制系统，其特征在于还包括连接到所述输入端口的第一输入端口的伪随机比特发生器。
16.如权利要求9所述的多载波调制系统，其特征在于：所述调制器根据正交频分多路复用调制方案执行调制。
17.如权利要求10所述的多载波调制系统，其特征在于：所述反馈链路的第一端连接到位于远处的接收机系统的信道估计器，并允许从接收所述多载波调制信号的所述位于远处的接收机系统接收所述信息。
18.一种用于数据调制的网络，它包括：
连接到第一链路的接收机系统，该接收机系统包括多载波解调器和信道估计器；以及
经第一链路与所述接收机系统连接的第一多载波调制(MCM)系统，所述第一多载波调制系统(i)根据表明多个载波中的哪个被视为不可靠并由所述接收机系统通过第一链路提供的反馈信息识别多个载波中处于非数据承载状态的至少一个载波并且(ii)使用随机数据调制所述至少一个非数据承载载波，该第一多载波调制系统包括
与所述接收机系统通信的多路复用器单元，所述多路复用器单元包括第一输入，用于接收作为输入的传输数据，和第二输入，用于接收随机数据，以及输出，用于根据连接到第一链路的所述接收机系统提供的所述反馈信息传送所述传输数据和所述随机数据之一；以及
连接到所述多路复用器单元的输出的调制器，该调制器使用所述随机数据调制所述至少一个非数据承载载波。
19.如权利要求18所述的网络，其特征在于：所述第一链路是交流(AC)输电线。
20.如权利要求19所述的网络，其特征在于：连接到第一链路的所述接收机系统是通过所述交流输电线发送数据的网络收发信机。
21.如权利要求18所述的网络，其特征在于：连接到第一链路的所述接收机系统是第二多载波调制(MCM)系统。
22.如权利要求18所述的网络，其特征在于：所述第一多载波调制系统的多路复用器单元包括输入端口和输出端口，以便接收作为输入的所述传输数据和所述随机数据并根据连接到第一链路的所述接收机系统提供的所述反馈信息为每个输出端口传送所述传输数据和所述随机数据之一。
23.如权利要求18所述的网络，其特征在于：所述第一多载波调制系统是调制解调器。
24.如权利要求18所述的网络，其特征在于：所述第一多载波调制系统是具有无线连接性的计算机。
25.一种用于数据调制的方法，它包括：
识别多个载波中处于非数据承载状态的一个载波，所述识别载波包括：(i)接收关于多个载波中哪些载波被估计为不可靠以便随后设置成非数据承载状态的反馈信息，以及(ii)根据所述信息选择非数据承载载波；并且
使用随机数据调制所述非数据承载载波。
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