RU2803188C2 - Method and device for modulation with zadoff-chu sequences - Google Patents
Method and device for modulation with zadoff-chu sequences Download PDFInfo
- Publication number
- RU2803188C2 RU2803188C2 RU2021127873A RU2021127873A RU2803188C2 RU 2803188 C2 RU2803188 C2 RU 2803188C2 RU 2021127873 A RU2021127873 A RU 2021127873A RU 2021127873 A RU2021127873 A RU 2021127873A RU 2803188 C2 RU2803188 C2 RU 2803188C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sequence
- zadov
- frequency
- elements
- chu
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Настоящее изобретение, в целом, относится к области цифровых телекоммуникаций, а более конкретно, к цифровым телекоммуникациям, использующим методы передачи сигналов с расширенным спектром. Оно особенно применимо к системам беспроводной связи и к Интернету вещей (IoT).The present invention relates generally to the field of digital telecommunications, and more particularly to digital telecommunications using spread spectrum signaling techniques. It is particularly applicable to wireless communication systems and the Internet of Things (IoT).
Уровень техникиState of the art
Появление повсеместно распространенных и имеющих низкую скорость передачи данных технологий, приспособленных для автономных, имеющих низкое энергопотребление объектов, в последнее время расширило развитие Интернета вещей (IoT). Системы беспроводной связи IoT-сети должны подчиняться нескольким ограничениям.The emergence of ubiquitous, low-bandwidth technologies tailored for off-grid, low-power applications has recently expanded the development of the Internet of Things (IoT). IoT network wireless communication systems must obey several restrictions.
Во-первых, приемник присоединенного объекта должен иметь высокую чувствительность вследствие малого числа развернутых базовых станций и, следовательно, большого размера их зон покрытия.First, the receiver of the attached site must have high sensitivity due to the small number of deployed base stations and, therefore, the large size of their coverage areas.
Во-вторых, передатчик/приемник присоединенного объекта должен, в частности, быть простым и энергоэффективным, чтобы обеспечить автономность в течение нескольких лет.Secondly, the transmitter/receiver of the connected object must, in particular, be simple and energy efficient to ensure autonomy for several years.
Наконец, системы радиодоступа должны быть масштабируемыми поскольку базовая станция (также известная как IoT-шлюз) должна иметь способность обслуживать большое число присоединенных объектов.Finally, radio access systems must be scalable because the base station (also known as an IoT gateway) must be able to serve a large number of connected entities.
Интернет вещей в настоящее время охватывает широкое множество сетей.The Internet of Things now spans a wide variety of networks.
Некоторые из них (LTE-M, NB-IoT) используют технологии из существующих сотовых инфраструктур. Однако, они часто оказываются слишком сложными или слишком энергозатратными для обычных прикладных задач.Some of them (LTE-M, NB-IoT) use technologies from existing cellular infrastructures. However, they often turn out to be too complex or too energy-intensive for common applications.
Другие полагаются на особые или даже проприетарные технологии, такие как LoRa, использующую линейную частотную модуляцию с расширенным спектром (CSS), и SigFox, использующую модуляцию со сверхузкой полосой частот (UNB). Эти технологии являются энергоэффективными и могут добиваться очень низких пороговых значений приема и, следовательно, очень широкого покрытия.Others rely on specific or even proprietary technologies, such as LoRa, which uses linear spread-spectrum (CSS) frequency modulation, and SigFox, which uses ultra-narrowband (UNB) modulation. These technologies are energy efficient and can achieve very low reception thresholds and therefore very wide coverage.
Однако, эти конкретные технологии имеют ограничения с точки зрения емкости, т.е. числа пользователей, которые могут обслуживаться одновременно в одной и той же зоне покрытия, вследствие деградации соотношения сигнал-шум плюс помехи, влияющие на передачи данных. В частности, большое число нерешенных коллизий между CSS-сигналами в LoRa-системе, даже когда используются различные коэффициенты спектрального расширения (SF), является барьером для развертывания больших LPWAN на основе этой технологии или даже для развертывания сетей различными операторами. Обсуждение этих ограничений будет найдено, в частности, в документе Д. Крока и др., озаглавленном "Impact of LoRa imperfect orthogonality: analysis of link-level performance", опубликованном в IEEE Communication Letters, том 22 № 4, апрель 2018 г., сс. 796-799.However, these particular technologies have limitations in terms of capacity, i.e. the number of users that can be served simultaneously in the same coverage area due to signal-to-noise ratio degradation plus interference affecting data transmissions. In particular, the large number of unresolved collisions between CSS signals in a LoRa system, even when different spectral spreading factors (SFs) are used, is a barrier to the deployment of large LPWANs based on this technology, or even to the deployment of networks by different operators. A discussion of these limitations will be found particularly in the paper by D. Kroc et al. entitled "Impact of LoRa imperfect orthogonality: analysis of link-level performance", published in IEEE Communication Letters, Vol. 22 No. 4, April 2018. ss. 796-799.
Целью настоящего изобретения, следовательно, является представление способа модуляции (и ассоциированного модулятора), который, в частности, приспосабливается к ограничениям IoT-сетей и обеспечивает более значительную устойчивость к помехам при передаче данных. Другой целью настоящего изобретения является представление соответствующего способа демодуляции (и ассоциированного демодулятора). Наконец, также представлен способ передачи данных, который получает преимущество рассматриваемого способа модуляции, чтобы уменьшать помехи между передачами данных различных пользователей.The purpose of the present invention is therefore to provide a modulation method (and associated modulator) that, in particular, adapts to the limitations of IoT networks and provides greater robustness to data transmission interference. Another object of the present invention is to provide a corresponding demodulation method (and associated demodulator). Finally, a data transmission method is also presented that takes advantage of the present modulation method to reduce interference between data transmissions of different users.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Настоящее изобретение определяется способом модуляции множества K-арных символов, которые должны быть переданы по каналу передачи, при этом каждый K-арный символ преобразуется в последовательность Задова-Чу, ассоциированную с этим символом, упомянутая последовательность Задова-Чу имеет длину N, корень r и частотный сдвиг q, где N является положительным целым, так что log2 N ≥ K, r является целым числом, так что r > 1 и простым числом по отношению к N, q является относительным целым числом, и любое из двух K-арных символов упомянутого множества ассоциируется с последовательностями Задова-Чу, имеющими отличающиеся частотные сдвиги, каждый K-арный символ модулируется в форме последовательности, с длиной, большей или равной 2K, последовательных комплексных элементов последовательности Задова-Чу, ассоциированных с упомянутым K-арным символом.The present invention is defined by a method for modulating a plurality of K-ary symbols to be transmitted over a transmission channel, each K-ary symbol being mapped to a Zadoff-Chu sequence associated with that symbol, said Zadoff-Chu sequence having length N, root r, and frequency shift q, where N is a positive integer, so log 2 N ≥ K, r is an integer, so r > 1 and a prime number with respect to N, q is a relative integer, and any of two K-ary symbols of said set associated with Zadov-Chu sequences having different frequency shifts, each K-ary symbol is modulated in the form of a sequence, with a length greater than or equal to 2 K , of consecutive complex elements of the Zadov-Chu sequence associated with said K-ary symbol.
Согласно первому варианту осуществления, последовательность последовательных комплексных элементов состоит из всех элементов упомянутой последовательности Задова-Чу. Длина последовательности Задова-Чу может преимущественно быть выбрана равной степени 2.According to the first embodiment, the sequence of sequential complex elements consists of all elements of the mentioned Zadov-Chu sequence. The length of the Zadov-Chu sequence may advantageously be chosen to be a power of 2.
Согласно второму варианту осуществления, длина упомянутой последовательности Задова-Чу будет выбрана равной наименьшему простому числу больше 2K, и последовательность последовательных комплексных элементов затем получается усечением упомянутой последовательности Задова-Чу с 2K элементами.According to a second embodiment, the length of said Zadoff-Chu sequence will be chosen to be the smallest prime number greater than 2 K , and a sequence of consecutive complex elements is then obtained by truncating said Zadoff-Chu sequence with 2 K elements.
Предпочтительно, длина последовательности Задова-Чу выбирается больше разницы между максимальным частотным сдвигом, чтобы модулировать K-арные символы, и разбросом по времени канала передачи, выраженным в числе периодов передачи элементов этой последовательности.Preferably, the length of the Zadov-Chu sequence is selected to be greater than the difference between the maximum frequency offset to modulate the K-ary symbols and the transmission channel time spread, expressed in the number of transmission periods of elements of this sequence.
Вещественные и мнимые части элементов последовательности последовательных комплексных элементов последовательности Задова-Чу, ассоциированной с K-арным символом, соответственно модулируют две квадратурные несущие, и модулированный сигнал, полученный таким образом, передается по каналу передачи.The real and imaginary parts of the elements of the sequence of successive complex elements of the Zadov-Chu sequence associated with the K-ary symbol respectively modulate the two quadrature carriers, and the modulated signal thus obtained is transmitted over the transmission channel.
Альтернативно, фазный сигнал формируется в основной полосе частот, полученной как фаза последовательных комплексных элементов последовательности Задова-Чу, ассоциированной с K-арным символом, и фазный сигнал преобразуется в RF-полосу частот, RF-сигнал, полученный таким образом, передается по каналу передачи.Alternatively, a phase signal is generated in a baseband obtained as the phase of successive complex elements of the Zadoff-Chu sequence associated with a K-ary symbol, and the phase signal is converted into an RF frequency band, the RF signal thus obtained is transmitted over a transmission channel .
Изобретение также относится к способу передачи данных по множеству каналов связи к или от различных пользователей, при этом данные, которые должны быть переданы, преобразуются в K-арные символы, К-арные символы различных пользователей модулируются посредством способа модуляции, корни последовательности Задова-Чу, используемые для модулирования K-арных символов двух отличающихся пользователей, выбираются отличающимися, а их длины выбираются равными общей длине.The invention also relates to a method for transmitting data over multiple communication channels to or from different users, wherein the data to be transmitted is converted into K-ary symbols. used to modulate the K-ary symbols of two different users are chosen to be different, and their lengths are chosen to be equal to the total length.
Корни, используемые для модулирования K-арных символов двух отличающихся пользователей, преимущественно выбираются так, что абсолютное значение их разницы является простым числом по отношению к упомянутой обычной длине.The roots used to modulate the K-ary symbols of two different users are advantageously chosen such that the absolute value of their difference is a prime number with respect to said conventional length.
Изобретение дополнительно относится к устройству модуляции для модуляции K-арных символов, которые должны передаваться по каналу передачи, упомянутое устройство содержит двоично-десятичный преобразователь, преобразующий K битов каждого K-арного символа в отдельное целочисленное значение, и генератор последовательности Задова-Чу, имеющий в качестве входных параметров длину N последовательности и корень r, так что r является целым числом r, причем r > 1 и простое по отношению к N, а также частотный сдвиг, q, упомянутый генератор формирует, для каждого K-арного символа, последовательность длиной, большей или равной 2K, сформированную комплексными элементами последовательности Задова-Чу с длиной N, корнем r и частотным сдвигом, равным целочисленному значению, предоставленному упомянутым двоично-десятичным преобразователем.The invention further relates to a modulation device for modulating K-ary symbols to be transmitted over a transmission channel, said device comprising a binary-to-decimal converter that converts K bits of each K-ary symbol into a separate integer value, and a Zadoff-Chu sequence generator having As input parameters, the length N of the sequence and the root r, so that r is an integer r, with r > 1 and prime with respect to N, as well as a frequency shift, q, the said generator generates, for each K-ary symbol, a sequence of length greater than or equal to 2 K , formed by complex elements of the Zadov-Chu sequence with length N, root r and frequency offset equal to the integer value provided by said binary-to-decimal converter.
Изобретение дополнительно относится к способу демодуляции сигнала, представляющего последовательность Задова-Чу, модулированную по частотному сдвигу с помощью способа модуляции, который определен выше. Упомянутый сигнал дискретизируется в основной полосе частот, чтобы предоставлять последовательность комплексных выборок, упомянутая последовательность комплексных выборок коррелируется посредством циклической корреляции с эталонной последовательностью Задова-Чу, чтобы предоставлять циклический результат корреляции, и обнаруживается временная позиция пика корреляции в абсолютном значении результата циклической корреляции, полученного таким образом, и, наконец, частотный сдвиг , соответствующий этой временной позиции, выводится из нее, причем упомянутый частотный сдвиг затем преобразуется десятично-двоичным преобразователем в K-арный символ. The invention further relates to a method for demodulating a signal representing a Zadoff-Chu sequence modulated by a frequency shift using the modulation method as defined above. Said signal is sampled in baseband to provide a sequence of complex samples, said sequence of complex samples is correlated by cyclic correlation with a reference Zadov-Chu sequence to provide a cyclic correlation result, and a time position of the correlation peak in the absolute value of the cyclic correlation result obtained thereby is detected. way, and finally the frequency shift , corresponding to this time position, is derived from it, and said frequency offset is then converted by a decimal-binary converter to a K-ary symbol.
Изобретение также относится к устройству для демодуляции сигнала, представляющего последовательность Задова-Чу, модулированную по частотному сдвигу посредством способа модуляции, который определен выше.The invention also relates to an apparatus for demodulating a signal representing a Zadoff-Chu sequence frequency shifted modulated by a modulation method as defined above.
Согласно первой альтернативе, упомянутый сигнал дискретизируется в основной полосе частот, чтобы предоставлять первый блок комплексных элементов размером N, и упомянутое устройство демодуляции содержит DFT-модуль, выполненный с возможностью осуществлять дискретное преобразование Фурье размером N для первого блока комплексных элементов, чтобы предоставлять первый блок комплексных частотных элементов, умножитель для умножения почленно комплексных частотных элементов первого блока с комплексными частотными элементами второго блока, полученными посредством комплексного сопряжения дискретного преобразования Фурье для эталонной последовательности Задова-Чу, модуль вычисления абсолютного значения для вычисления абсолютного значения результатов умножения первых и вторых комплексных частотных элементов, абсолютные значения, полученные таким образом, сравниваются в детекторе пика корреляции, чтобы определять частотную позицию циклического пика корреляции, частотный сдвиг, , соответствующий этой частотной позиции, выводится из нее и предоставляется десятично-двоичному преобразователю, чтобы формировать K-арный символ.According to a first alternative, said signal is sampled in baseband to provide a first block of complex elements of size N, and said demodulation device comprises a DFT module configured to perform a discrete Fourier transform of size N on the first block of complex elements to provide a first block of complex elements. frequency elements, a multiplier for multiplying term-by-term complex frequency elements of the first block with complex frequency elements of the second block obtained by complex conjugation of the discrete Fourier transform for the Zadov-Chu reference sequence, an absolute value calculation module for calculating the absolute value of the results of multiplying the first and second complex frequency elements, the absolute values obtained in this way are compared in the correlation peak detector to determine the frequency position of the cyclic correlation peak, the frequency shift, , corresponding to this frequency position, is derived from it and provided to the decimal-binary converter to generate the K-ary symbol.
Согласно второй альтернативе, упомянутый сигнал дискретизируется в основной полосе частот, чтобы предоставлять первый блок комплексных элементов размером N, и устройство демодуляции содержит циклический коррелятор размером N для циклической корреляции упомянутого первого блока со вторым блоком, при этом упомянутый второй блок состоит из эталонной последовательности Задова-Чу, модуль вычисления абсолютного значения, вычисляющий абсолютное значение упомянутой циклической корреляции, и детектор пика корреляции, определяющий, из этого абсолютного значения, временную позицию пика циклической корреляции и выводящий частотный сдвиг, , соответствующий этой временной позиции, из нее, причем упомянутый частотный сдвиг затем предоставляется десятично-двоичному преобразователю, чтобы формировать K-арный символ.According to a second alternative, said signal is baseband sampled to provide a first block of complex elements of size N, and the demodulation apparatus comprises a cyclic correlator of size N for cyclically correlating said first block with a second block, wherein said second block consists of a reference sequence of Chu, an absolute value calculation module calculating the absolute value of said cyclic correlation, and a correlation peak detector determining, from this absolute value, the time position of the cyclic correlation peak and outputting a frequency shift, , corresponding to this time position, from it, wherein said frequency offset is then provided to the decimal-binary converter to generate the K-ary symbol.
Наконец, изобретение относится к системе передатчика/приемника, содержащей устройство модуляции и, по меньшей мере, одно устройство демодуляции, как определено выше.Finally, the invention relates to a transmitter/receiver system comprising a modulation device and at least one demodulation device as defined above.
Когда система содержит множество устройств модуляции, каждое устройство модуляции упомянутого множества преимущественно соответствует различному корневому значению, и/или множество устройств демодуляции согласно первой или второй альтернативе, каждое устройство демодуляции упомянутого множества соответствует различному корневому значению.When the system contains a plurality of modulation devices, each modulation device of the plurality preferably corresponds to a different root value, and/or a plurality of demodulation devices according to the first or second alternative, each demodulation device of the plurality corresponds to a different root value.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения станут очевидны по прочтении предпочтительного варианта осуществления изобретения, описанного со ссылкой на сопровождающие чертежи, среди которых:Additional features and advantages of the invention will become apparent upon reading the preferred embodiment of the invention, which is described with reference to the accompanying drawings, of which:
Фиг. 1 схематично представляет устройство модуляции согласно одному варианту осуществления изобретения;Fig. 1 schematically represents a modulation device according to one embodiment of the invention;
Фиг. 2A и фиг. 2B представляют пример основной последовательности Задова-Чу и пример модулированной последовательности Задова-Чу, соответственно;Fig. 2A and FIG. 2B represent an example of a basic Zadov-Chu sequence and an example of a modulated Zadov-Chu sequence, respectively;
Фиг. 3A, фиг. 3B и фиг. 3C представляют матрицу пиков циклической корреляции для трех примеров семейств последовательности Задова-Чу соответственно;Fig. 3A, FIG. 3B and FIG. 3C represent a cyclic correlation peak matrix for three examples of Zadow-Chu sequence families, respectively;
Фиг. 4 схематично представляет кадр передачи, использующий способ модуляции согласно одному варианту осуществления изобретения;Fig. 4 schematically represents a transmission frame using a modulation method according to one embodiment of the invention;
Фиг. 5 схематично представляет последовательность пилотных символов, умноженных на элементы кода покрытия;Fig. 5 schematically represents a sequence of pilot symbols multiplied by coverage code chips;
Фиг. 6 схематично представляет устройство демодуляции согласно первому варианту осуществления изобретения;Fig. 6 is a schematic diagram of a demodulation apparatus according to the first embodiment of the invention;
Фиг. 7 схематично представляет устройство демодуляции согласно второму варианту осуществления изобретения;Fig. 7 is a schematic diagram of a demodulation apparatus according to a second embodiment of the invention;
Фиг. 8 представляет устройство синхронизации обнаружения преамбулы, которое может быть использовано вместе с устройством демодуляции согласно одному варианту осуществления изобретения;Fig. 8 represents a preamble detection timing device that can be used in conjunction with a demodulation device according to one embodiment of the invention;
Фиг. 9 схематично представляет первый передатчик/приемник, использующий устройство модуляции и устройство демодуляции согласно одному варианту осуществления изобретения;Fig. 9 is a schematic diagram of a first transmitter/receiver using a modulation apparatus and a demodulation apparatus according to one embodiment of the invention;
Фиг. 10 схематично представляет полярный модулятор, используемый во втором передатчике согласно одному варианту осуществления изобретения.Fig. 10 schematically shows a polar modulator used in a second transmitter according to one embodiment of the invention.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Идеей, лежащей в основе настоящего изобретения, является выполнение модуляции K-арного символа в сигнал посредством модуляции сдвига частоты последовательности Задова-Чу, разделение между различными синхронными или асинхронными, по восходящей линии связи или нисходящей линии связи передачами данных, получаемое посредством выбора различных корней.The idea behind the present invention is to perform modulation of a K-ary symbol into a signal by means of Zadoff-Chu sequence frequency shift modulation, a division between various synchronous or asynchronous, uplink or downlink data transmissions obtained by selecting different roots.
Сначала напомним, что последовательность Задова-Чу с корнем r, длиной N и частотным сдвигом определяется по последовательности комплексных элементов:First, recall that the Zadov-Chu sequence with root r, length N and frequency shift is determined by the sequence of complex elements:
где N является положительным целым числом, q является относительным целым числом, 0 < r < N и r, N являются простыми числами по отношению друг к другу. Введение в последовательности Задова-Чу может быть найдено в документе Д.К. Чу, озаглавленном "Polyphase codes with good correlation properties", IEEE Trans. Inform. Theory, том IT-18, сс. 531-532, июль 1972 г.where N is a positive integer, q is a relative integer, 0 < r < N and r, N are prime numbers with respect to each other. An introduction to Zadov-Chu sequences can be found in D.K. Chu, entitled “Polyphase codes with good correlation properties,” IEEE Trans. Inform. Theory, volume IT-18, pp. 531-532, July 1972
Если фазы последовательных элементов последовательности Задова-Чу учитываются, может быть видно, что они включают в себя линейную составляющую, также как квадратичную составляющую в зависимости от временного индекса k. Линейная составляющая соответствует частотному сдвигу , где является частотой, с которой элементы последовательности формируются, а квадратичная составляющая соответствует линейному изменению мгновенной частоты с отклонением по длине последовательности.If the phases of successive elements of the Zadov-Chu sequence are taken into account, it can be seen that they include a linear component as well as a quadratic component depending on the time index k. Linear component corresponds to frequency shift , Where is the frequency with which the elements of the sequence are formed, and the quadratic component corresponds to a linear change in the instantaneous frequency with deviation by sequence length.
Последовательности Задова-Чу (ZC) имеют некоторые очень интересные характеристики для систем связи. Во-первых, они имеют постоянную амплитуду (все элементы ZC-последовательности принадлежат кругу единичного радиуса), давая начало модулированным сигналам с низким PAPR. Во-вторых, периодическая автокорреляция ZC-последовательности является идеальной в том, что она является нулевой для любого ненулевого сдвига (другими словами, функция периодической автокорреляции ZC-последовательности является гребенчатой функцией Дирака, имеющей период N). Наконец, периодическая кросс-корреляция двух ZC-последовательностей одинаковой нечетной длины N и с различными корнями r, u, при этом |r-u| является простым по отношению к N, является периодической функцией, чье абсолютное значение ограничено . Кроме того, было показано в документе Д.В. Сарвата, озаглавленном "Bounds on crosscorrelation and autocorrelation of sequences", опубликованном в IEEE Trans. on Information Theory, том IT-25, № 6, ноябрь 79, сс. 720-724, что это ограничение на периодическую функцию кросс-корреляции является оптимальным для последовательности с идеальной периодической функцией автокорреляции. Другими словами, не существует лучших последовательностей по сравнению с последовательностями Задова-Чу с точки зрения свойств автокорреляции и кросс-корреляции.Zadow-Chu (ZC) sequences have some very interesting characteristics for communication systems. First, they have a constant amplitude (all elements of the ZC sequence belong to a circle of unit radius), giving rise to modulated signals with low PAPR. Second, the periodic autocorrelation of a ZC sequence is ideal in that it is zero for any non-zero shift (in other words, the periodic autocorrelation function of a ZC sequence is a Dirac comb function having period N). Finally, periodic cross-correlation of two ZC-sequences of the same odd length N and with different roots r, u, with |ru| is prime with respect to N, is a periodic function whose absolute value is limited . In addition, it was shown in the document by D.V. Sarwat, entitled "Bounds on crosscorrelation and autocorrelation of sequences", published in IEEE Trans. on Information Theory, Vol. IT-25, No. 6, Nov. 79, pp. 720-724 that this constraint on the periodic cross-correlation function is optimal for a sequence with an ideal periodic auto-correlation function. In other words, there are no better sequences than the Zadov-Chu sequences in terms of autocorrelation and cross-correlation properties.
В первоначальном способе предлагается модулировать частотный сдвиг последовательности Задова-Чу, чтобы передавать слово из K≤log2N битов. Следует отметить, что частотный сдвиг ZC-последовательности, как правило, брался равным нулю на предшествующем уровне техники, особенно когда он используется в целях синхронизации, каким является случай при формировании преамбул в LTE-системе (см. 3GPP TS 36.211, § 5.7.2 озаглавленный "preamble sequence generation").The original method proposes to modulate the frequency shift of the Zadov-Chu sequence to transmit a word of K≤log 2 N bits. It should be noted that the frequency offset of the ZC sequence has generally been set to zero in the prior art, especially when it is used for synchronization purposes, as is the case when generating preambles in an LTE system (see 3GPP TS 36.211, § 5.7.2 entitled "preamble sequence generation").
Фиг. 1 схематично представляет устройство демодуляции согласно первому варианту осуществления изобретения.Fig. 1 schematically shows a demodulation apparatus according to a first embodiment of the invention.
Устройство 100 модуляции содержит двоично-десятичный преобразователь (BDC) 110, который преобразует слово из K битов, которое должно быть передано, α0,…,αK-1 (где α0 является LSB, а αK-1 является MSB) в целое значение Это целое значение предоставляется в качестве значения частотного сдвига генератору, 120, последовательности Задова-Чу.The
Слово, которое должно быть передано, может получаться в результате канального кодирования информационных символов, возможно после того как они были чередованы. Альтернативно, слово, которое должно быть передано, может быть пилотным символом для канала передачи.The word to be transmitted may result from channel encoding of the information symbols, possibly after they have been interleaved. Alternatively, the word to be transmitted may be a pilot symbol for the transmission channel.
Слово, которое должно быть передано, может также получаться в результате кодирования Грея для информационных символов. Напомним, что, согласно, этому кодированию, два последовательных двоичных слова создают закодированные слова, отличающиеся только одним битом.The word to be transmitted may also result from Gray encoding of the information symbols. Recall that, according to this encoding, two consecutive binary words create encoded words that differ in only one bit.
Генератор 120 дополнительно принимает в качестве входных параметров корень r и длину N последовательности, которая должна быть сформирована. Параметры r и N могут быть предоставлены планировщиком ресурсов передачи, как изложено позже.The
Комплексные элементы последовательности Задова-Чу , сформированные генератором 120, затем используются для модуляции (RF или IF) несущей способом, известным самим по себе.Complex elements of the Zadov-Chu sequence , generated by the
Важно отметить, что во всех случаях последовательность комплексных элементов на выходе модулятора является последовательностью Задова-Чу, как определено выше. В частности, не существует необходимости выполнять какую-либо коррекцию фазы на выходе генератора 120, и структура модулятора, следовательно, является очень простой.It is important to note that in all cases the sequence of complex elements at the output of the modulator is the Zadov-Chu sequence as defined above. In particular, there is no need to perform any phase correction on the output of the
Как было показано выше, целые числа r и N выбираются так, чтобы они были простыми по отношению друг к другу.As shown above, the integers r and N are chosen to be prime to each other.
Согласно первой альтернативе, для того, чтобы соблюдать это ограничение, число N выбирается простым. В последнем случае, помехи между двумя передачами данных одинаковой длины N, но с отличающимися корнями r, u будут ограничены одинаковым значением, пропорциональным .According to the first alternative, in order to comply with this constraint, the number N is chosen to be prime. In the latter case, interference between two data transmissions of the same length N, but with different roots r, u will be limited to the same value, proportional to .
Предпочтительно, однако, по причинам легкости реализации, что последовательность , сформированная генератором, может быть усечена до длины 2K’<N, при этом K’≥K, в частности, она может быть усечена до длины 2K, чтобы получать оптимальную частоту.It is preferred, however, for reasons of ease of implementation, that the sequence , generated by the generator, can be truncated to a length of 2 K' <N, while K'≥K, in particular, it can be truncated to a length of 2 K in order to obtain the optimal frequency.
Согласно второй полезной альтернативе, по причинам простоты реализации, указанной ранее, число N будет выбираться равным степени 2, например, N = 2K, корень r является тогда нечетным, так что r и N являются простыми по отношению друг к другу.According to a second useful alternative, for the reasons of ease of implementation stated earlier, the number N will be chosen to be a power of 2, for example N = 2 K , the root r is then odd, so that r and N are prime to each other.
Кроме того, корни ZC-последовательностей будут выбираться больше 1 (r>1). Заметим, что, в этом случае, изменение фазы для немодулированной ZC-последовательности (т.е. с q=0) представляет, по меньшей мере, один эффект наложения между последовательными элементами последовательности, другими словами, мгновенная частота имеет, по меньшей мере, один перерыв по длине последовательности. Действительно, чередование фаз между двумя последовательными элементами может быть записано как:In addition, roots of ZC sequences will be selected greater than 1 (r>1). Note that, in this case, the phase change for an unmodulated ZC sequence (i.e. with q=0) represents at least one aliasing effect between successive elements of the sequence, in other words, the instantaneous frequency has at least one break along the length of the sequence. Indeed, the phase rotation between two consecutive elements can be written as:
(3-1) (3-1)
(3-2) (3-2)
Таким образом, если r > 1, чередование фаз в конце последовательности может превышать .Thus, if r > 1, the phase rotation at the end of the sequence may exceed .
Эквивалентно, мгновенная частота может быть выражена как:Equivalently, the instantaneous frequency can be expressed as:
(4) (4)
и, если r > 1, мгновенная частота может превышать частоту , с которой элементы последовательности формируются.and, if r > 1, the instantaneous frequency may exceed the frequency , with which the elements of the sequence are formed.
В качестве примера, последовательные элементы немодулированной последовательности Задова-Чу были представлены на фиг. 2A, а элементы той же последовательности, модулированные по частотному сдвигу, были представлены на фиг. 2B.As an example, successive elements of an unmodulated Zadov-Chu sequence have been presented in FIG. 2A, and frequency-shift modulated elements of the same sequence were presented in FIG. 2B.
В иллюстрированном случае длина последовательности равна N=17, а ее корень равен r=4. Отметим, что первое наложение фаз происходит между 5-м и 6-м элементами, с чередованиями фаз между последующими последовательными элементами, приводящими заведомо к наложению, с учетом соотношения (3-1).In the illustrated case, the length of the sequence is N=17, and its root is r=4. Note that the first phase overlap occurs between the 5th and 6th elements, with phase alternations between subsequent successive elements, obviously leading to overlap, taking into account relation (3-1).
Аналогично, на фиг. 2B, та же последовательность, на этот раз модулированная со сдвигом q=1, была рассмотрена. Отметим, что первое наложение фаз происходит здесь, как только происходит переход между 4-м и 5-м элементом.Similarly, in FIG. 2B, the same sequence, this time modulated with an offset of q=1, was examined. Note that the first phase superposition occurs here as soon as the transition between the 4th and 5th element occurs.
Таким образом, для той же основной ZC-последовательности, понятно, что отличающиеся распределения элементов модулированной последовательности получаются с различными частотными сдвигами.Thus, for the same basic ZC sequence, it is clear that different distributions of modulated sequence elements are obtained with different frequency offsets.
Фиг. 3A схематично представляет матрицу максимумов циклической корреляции немодулированных частот Задова-Чу (q=0) длиной N=521 (простое число) и соответствующими корнями r=2, …, 520. Другими словами, для двух последовательностей и чертеж представляет на оси ординат максимум в τ для , где τ является сдвигом между двумя последовательностями и , а представляет циклическую корреляцию длиной N. Фактически проверяется, что максимум (N) получается на диагонали (максимумы функций автокорреляции), и что функции циклической кросс-корреляции имеют низкое абсолютное значение (ограниченное ).Fig. 3A schematically represents the cyclic correlation maxima matrix of unmodulated Zadov-Chu frequencies (q=0) with length N=521 (prime number) and corresponding roots r=2, ..., 520. In other words, for two sequences And the drawing represents on the y-axis the maximum in τ for , where τ is the shift between two sequences And , A represents a cyclic correlation of length N. In fact, it is verified that the maximum (N) is obtained on the diagonal (the maxima of the autocorrelation functions), and that the cyclic cross-correlation functions have a low absolute value (bounded ).
Фиг. 3B схематично представляет матрицу максимумов циклической корреляции для немодулированных ZC-последовательностей (q=0) длиной N=512 и соответствующими корнями r=2, …, 511. Будет отмечено, что некоторые из этих последовательностей, строго говоря, не являются ZC-последовательностями, поскольку r и N не являются простыми числами по отношению друг к другу.Fig. 3B schematically represents the cyclic correlation maxima matrix for unmodulated ZC sequences (q=0) of length N=512 and corresponding roots r=2, ..., 511. It will be noted that some of these sequences are not, strictly speaking, ZC sequences, since r and N are not prime numbers to each other.
Отметим, что диагональ матрицы всегда состоит из максимальных значений (N), но что максимумы циклической кросс-корреляции строго зависят от пары последовательностей . Посредством подходящего выбора значений корней (особенно, значений, которые являются простыми по отношению к N), получается подсемейство, чьи функции циклической кросс-корреляции ограничиваются предварительно определенным максимальным значением.Note that the diagonal of the matrix always consists of the maximum values (N), but that the maximums of the cyclic cross-correlation strictly depend on the pair of sequences . By appropriately selecting root values (especially values that are prime with respect to N), a subfamily is obtained whose cyclic cross-correlation functions are limited to a predetermined maximum value.
Фиг. 3C схематично представляет матрицу максимумов циклической корреляции немодулированных ZC-последовательностей (q=0) длиной, равной простому числу N=521, но усеченных до 512 элементов. Может быть видно, что характеристика автокорреляции и циклической кросс-корреляции лишь слегка ухудшается относительно характеристики, иллюстрированной на фиг. 3A.Fig. 3C schematically represents a cyclic correlation maxima matrix of unmodulated ZC sequences (q=0) of length equal to the prime number N=521, but truncated to 512 elements. It can be seen that the performance of autocorrelation and cyclic cross-correlation is only slightly degraded relative to the performance illustrated in FIG. 3A.
В целом, если желательно делать выбор в пользу последовательности с длиной, равной степени 2, P=2K, ZC-последовательность, чья длина N равна наименьшему простому числу больше P, может быть выбрана и усечена до P элементов. Таким образом, потери производительности будут минимальными как с точки зрения частоты, так и уровня кросс-корреляции.In general, if it is desired to select a sequence with a length equal to a power of 2, P= 2K , a ZC sequence whose length N is equal to the smallest prime number greater than P can be selected and truncated to P elements. Thus, the performance loss will be minimal, both in terms of frequency and cross-correlation level.
Таким образом, например, для последовательности длиной 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096 ZC-последовательность длиной 131, 257, 521, 1031, 2053, 4099 будет выбрана соответственно.Thus, for example, for a sequence of length 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, a ZC sequence of length 131, 257, 521, 1031, 2053, 4099 will be selected accordingly.
Длина N последовательностей, которые должны быть сформированы, может быть выбрана как функция различных критериев, таких как SNR (соотношение сигнал-шум), BER (частота битовых ошибок), требуемая скорость передачи данных или даже разброс по времени канала передачи, как изложено позже.The length N of sequences to be generated can be selected as a function of various criteria, such as SNR (signal-to-noise ratio), BER (bit error rate), required data rate, or even transmission channel timing, as set forth later.
Более точно, коэффициент распределения (SF) является ничем иным как N/K, выбор высокого значения для N предоставляет возможность уменьшения BER для того же SNR-значения или быть в соответствии с частотой BER для ухудшившихся условий SNR. Аналогично, низкое значение для N предоставляет возможность уменьшения полосы пропускания для передачи и увеличения скорости передачи данных.More precisely, the spread factor (SF) is nothing other than N/K, choosing a high value for N provides the option of reducing the BER for the same SNR value or being consistent with the BER rate for degraded SNR conditions. Likewise, a low value for N provides the opportunity to reduce the transmission bandwidth and increase the data rate.
Таким образом, для данного значения N отличающиеся корни выбираются для передач данных, помехи для которых желательно уменьшить. Например, два отличающихся корня могут быть назначены двум передачам данных по каналу нисходящей линии связи, начинающемуся от одной и той же базовой станции, и двум присоединенным объектам или двум терминалам, расположенным в зоне покрытия этой базовой станции, независимо от того, являются ли эти две передачи данных синхронными или нет. Кроме того, два отличающихся корня могут быть назначены для двух отличающихся передач данных по каналу нисходящей линии связи к одному и тому же приемнику.Thus, for a given value of N, different roots are selected for data transmissions for which it is desirable to reduce interference. For example, two different roots may be assigned to two downlink data transmissions originating from the same base station and to two attached entities or two terminals located within the coverage area of that base station, regardless of whether the two data transfers are synchronous or not. Moreover, two different roots may be assigned to two different downlink data transmissions to the same receiver.
Аналогично, для канала восходящей линии связи, два соединенных объекта или два терминала, которые могут создавать помехи, могут быть назначены отличающиеся корни.Likewise, for an uplink channel, two connected objects or two terminals that may interfere may be assigned different roots.
Назначение длин/корней последовательности может выполняться динамически планировщиком. В некоторых случаях динамическое планирование может быть неявным. Например, если две передачи данных по восходящей линии связи мешают друг другу, базовая станция может уведомлять присоединенные объекты, которых касается эта ситуация, и, по меньшей мере, один из них может переключаться на другой последующий корень в предварительно определенной корневой последовательности, известной как присоединенному объекту, так и базовой станции. Специалист в области техники может предусматривать различные альтернативы планирования между соседними базовыми станциями, согласно централизованному или распределенному режиму, без отступления от рамок настоящего изобретения.The assignment of sequence lengths/roots can be done dynamically by the scheduler. In some cases, dynamic scheduling may be implicit. For example, if two uplink data transmissions interfere with each other, the base station can notify the attached entities affected by this situation, and at least one of them can switch to another subsequent root in a predetermined root sequence, known as the attached the object and the base station. One skilled in the art can envision various scheduling alternatives between adjacent base stations, according to a centralized or distributed mode, without departing from the scope of the present invention.
Независимо от варианта осуществления передача пакетов K-арных символов, а именно слов из K-битов, типично выполняется посредством кадров передачи, чья структура иллюстрируется на фиг. 4.Regardless of the embodiment, transmission of packets of K-ary symbols, namely K-bit words, is typically accomplished through transmission frames, the structure of which is illustrated in FIG. 4.
Этот кадр передачи содержит преамбулу 410 и полезную нагрузку 420. Преамбула содержит пилотные символы, чтобы предоставлять возможность приемнику обнаруживать начало кадра и синхронизироваться.This transmission frame contains a
Например, пилотные символы будут ассоциироваться со специально предназначенным частотным сдвигом, q0, например, q0=0. Другими словами, в этом случае преамбула кадра передачи будет состоять только из немодулированных ZC-последовательностей.For example, pilot symbols will be associated with a specially designated frequency offset, q 0 , for example, q 0 =0. In other words, in this case the preamble of the transmission frame will consist only of unmodulated ZC sequences.
Пилотные символы будут обнаружены приемником посредством коррелятора, который выполняет постоянную корреляцию (или непрерывную корреляцию) по принимаемому сигналу. Например, повтор предварительно определенного числа, M, пилотных символов может быть указателем начала кадра. Для того чтобы обеспечивать синхронизацию и обнаружение начала кадра (или даже последовательности кадров), эти пилотные символы могут быть умножены на элементы кода покрытия с хорошими апериодическими свойствами корреляции, например, элементы кода Баркера. Синхронизация приемника посредством обнаружения преамбулы будет описана позже в связи с фиг. 8. Повторная синхронизация приемника может выполняться регулярно в течение времени приема последовательности кадров, при каждом кадре или, в общем, каждые J кадров, где J является предварительно определенным целым числом.The pilot symbols will be detected by the receiver through a correlator, which performs constant correlation (or continuous correlation) on the received signal. For example, repeating a predetermined number, M, of pilot symbols may be a frame start indicator. In order to provide synchronization and detection of the start of a frame (or even a sequence of frames), these pilot symbols can be multiplied by coverage chips with good aperiodic correlation properties, such as Barker chips. Receiver synchronization by preamble detection will be described later in connection with FIG. 8. Receiver resynchronization may occur regularly during the reception time of a sequence of frames, at every frame, or generally every J frames, where J is a predetermined integer.
Фиг. 5 показывает последовательность пилотных символов преамбулы кадра, соответственно, умноженных на M элементов кода покрытия, обозначенных CC (1), …, CC(M). Другими словами, первая ZC-последовательность, соответствующая первому пилотному символу, умножается на CC(1), вторая ZC-последовательность, соответствующая второму пилотному символу, умножается на CC(2), и т.д. до последней ZC-последовательности, умножаемой на CC(M).Fig. 5 shows a sequence of frame preamble pilot symbols, respectively, multiplied by M coverage code chips, denoted CC(1), ..., CC(M). In other words, the first ZC sequence corresponding to the first pilot symbol is multiplied by CC(1), the second ZC sequence corresponding to the second pilot symbol is multiplied by CC(2), etc. until the last ZC sequence is multiplied by CC(M).
Например, элементы кода Баркера длиной M=11, представляются как:For example, Barker code elements of length M=11 are represented as:
+1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1+1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1
По приему отдельные пилотные символы (т.е. ZC-последовательности, соответствующие этим пилотным символам) умножаются на одни и те же элементы кода покрытия перед или после непрерывной корреляции. Когда элементы кода покрытия идеально совпадают с пилотными символами, результат корреляции имеет максимум.Upon reception, individual pilot symbols (ie, ZC sequences corresponding to these pilot symbols) are multiplied by the same coverage code elements before or after continuous correlation. When the coverage code elements perfectly match the pilot symbols, the correlation result has a maximum.
Полезная нагрузка кадра передачи состоит из ZC-последовательностей, модулированных посредством K-арных слов, которые должны быть переданы. Она может также включать в себя управляющий заголовок и ZC-последовательности, модулированные посредством CRC-символов.The payload of a transmission frame consists of ZC-sequences modulated by K-ary words to be transmitted. It may also include a control header and ZC sequences modulated by CRC symbols.
Хотя K-арные символы последовательно передаются, и, следовательно, ZC-последовательности, модулированные посредством этих символов, также следуют друг за другом в передатчике, канал передачи может, если он является многолучевым каналом, быть источником межсимвольных помех. Другими словами, копия ZC-последовательности, модулированной посредством первого символа, может быть наложена в приемнике с ZC-последовательностью, модулированной посредством второго символа.Although K-ary symbols are transmitted sequentially, and therefore ZC sequences modulated by these symbols also follow each other in the transmitter, the transmission channel may, if it is a multipath channel, be a source of inter-symbol interference. In other words, a copy of the ZC sequence modulated by the first symbol may be superimposed at the receiver with the ZC sequence modulated by the second symbol.
Для того чтобы уменьшать межсимвольную помеху, последовательность длиной N будет преимущественно выбрана, так что:In order to reduce inter-symbol interference, a sequence of length N will be preferentially selected so that:
где Δ является разбросом по времени канала передачи, а qmax является максимальным частотным сдвигом для модуляции K-арных символов, оба выражаются в числе периодов формирования элемента ZC-последовательности. Действительно, пока наложение между последовательными символами, вследствие разброса канала передачи, имеет продолжительность короче продолжительности (N - 2K) излишней части ZC-последовательности, рассматриваемые символы могут быть восстановлены без потери информации.where Δ is the transmission channel time spread and q max is the maximum frequency offset for modulating the K-ary symbols, both expressed in the number of ZC element generation periods. Indeed, as long as the overlap between successive symbols, due to transmission channel scatter, has a duration shorter than the duration (N - 2 K ) of the redundant part of the ZC sequence, the symbols in question can be reconstructed without loss of information.
Фиг. 6 схематично представляет устройство демодуляции согласно первому варианту осуществления изобретения.Fig. 6 is a schematic diagram of a demodulation apparatus according to the first embodiment of the invention.
Этот первый вариант осуществления соответствует реализации циклического коррелятора в частотной области.This first embodiment corresponds to a frequency domain implementation of a cyclic correlator.
Демодулятор принимает сигнал, соответствующий кадру символов, как описано выше, т.е., серию ZC-последовательностей, полученных модуляцией этих символов.The demodulator receives a signal corresponding to a frame of symbols as described above, ie, a series of ZC sequences obtained by modulating these symbols.
Демодулятор, 600, включает в себя FFT-модуль 610, для выполнения FFT размера N (равного длине ZC-последовательности) по принятому сигналу, ранее дискретизированному (посредством двух квадратурных тактовых импульсов) с частотой , с которой элементы ZC-последовательностей формируются. Результатом FFT является блок из N комплексных значений.The
Обнаружение начала кадра и ZC-последовательностей осуществляется посредством серии пилотных импульсов в преамбуле. Предполагается, что приемник ранее синхронизировал себя посредством обнаружения преамбулы, как описано позже.Detection of the start of frame and ZC sequences is accomplished through a series of pilot pulses in the preamble. It is assumed that the receiver has previously synchronized itself through preamble detection, as described later.
Демодулятор включает в себя локальный генератор эталонной ZC-последовательности, 605, идентичный генератору, присутствующему в модуляторе на фиг. 3 или 4. Локальный генератор параметризируется длиной N ZC-последовательности, корнем r, используемым для связи, и, если применимо, частотным сдвигом q0, специально предназначенным для пилотных символов. Корень r, используемый для связи, может быть предоставлен детектором преамбулы, описанным позже.The demodulator includes a local ZC reference sequence oscillator, 605, identical to the oscillator present in the modulator in FIG. 3 or 4. The local oscillator is parameterized by the length N of the ZC sequence, the root r used for communication, and, if applicable, a frequency offset q 0 specifically intended for pilot symbols. The root r used for communication may be provided by a preamble detector described later.
Модуль дискретного преобразования Фурье (DFT), 615, обеспечивает возможность выполнения DFT размера N по блоку элементов ZC-последовательности, предоставленной локальным генератором, 605. Когда N является степенью 2, DFT будет выполняться с помощью FFT.A discrete Fourier transform (DFT) module, 615, provides the ability to perform a DFT of size N on a block of ZC sequence elements provided by a local generator, 605. When N is a power of 2, the DFT will be performed using an FFT.
Блок из N комплексных значений, полученных таким образом в частотной области, сопрягается в модуле сопряжения, 625, перед умножением почленно в модуле 620 с блоком из N комплексных значений из DFT-модуля, 610.The block of N complex values thus obtained in the frequency domain is conjugated in the
Абсолютные значения этих N комплексных значений вычисляются в модуле 630 и сравниваются посредством детектора 640 пика корреляции. Другими словами, детектор 640 пика определяет частотный сдвиг, соответствующий наибольшему абсолютному значению для комплексного значения по принятому блоку.The absolute values of these N complex values are calculated in
Поскольку пик циклической корреляции для двух ZC-последовательностей одинаковой длины N, с одинаковым корнем r и частотными сдвигами q, ℓ имеет значение , это различение пиков является очень эффективным, даже в присутствии усеченных ZC-последовательностей. Детектор 640, следовательно, определяет:Since the cyclic correlation peak for two ZC sequences of the same length N, with the same root r and frequency shifts q, ℓ has the value , this peak discrimination is very efficient, even in the presence of truncated ZC sequences.
где σ представляет последовательность N выборок, принятых демодулятором, а ρ представляет операцию циклической корреляции.where σ represents the sequence of N samples received by the demodulator and ρ represents the cyclic correlation operation.
Этот частотный сдвиг, в конечном счете, преобразуется в слово из K битов, в десятично-двоичном преобразователе (обозначенном блоком распаковки битов на чертеже), 650.This frequency shift is eventually converted into a word of K bits, in the decimal-to-binary converter (indicated by the bit decompression block in the drawing), 650.
Следует отметить, что генератор 605 будет иметь способность формировать эталонные последовательности для всех возможных значений r и, если применимо, N.It should be noted that
Эталонная последовательность может быть любой ZC-последовательностью той же длины и с тем же корнем, что и последовательность, переданная передатчиком, пока частотный сдвиг может определяться относительно частотного сдвига, используемого для формирования эталонной частоты. Таким образом, например, эталонная последовательность может быть немодулированной ZC-последовательностью или ZC-последовательностью, соответствующей пилотному символу (и, следовательно, сдвигу q0).The reference sequence can be any ZC sequence of the same length and with the same root as the sequence transmitted by the transmitter, as long as the frequency offset can be determined relative to the frequency offset used to generate the reference frequency. Thus, for example, the reference sequence may be an unmodulated ZC sequence or a ZC sequence corresponding to the pilot symbol (and hence the offset q 0 ).
Во всех случаях, набор, состоящий из генератора эталонной последовательности, 605, DFT-модуля, 615, и модуля сопряжения, 625, может быть заменен простой памятью, адресуемой посредством длины N, корня r и, если применимо, эталонного частотного сдвига. Значение, сохраненное в памяти по этому адресу, будет просто , где является значением, полученным посредством дискретного преобразования Фурье для , с частотой ν, а z* является сопряженной величиной для z. Значения , считанные из памяти, затем предоставляются по очереди умножителю, 620.In all cases, the set consisting of a
Фиг. 7 схематично представляет устройство демодуляции согласно второму варианту осуществления изобретения.Fig. 7 schematically shows a demodulation apparatus according to a second embodiment of the invention.
Этот второй вариант осуществления соответствует реализации циклического коррелятора во временной области.This second embodiment corresponds to a time domain implementation of a cyclic correlator.
Сигнал, принятый демодулятором 700, дискретизируется (посредством двух квадратурных тактовых сигналов) с частотой , с которой элементы ZC-последовательностей формируются. Результатом является блок из N комплексных значений. Этот блок предоставляется циклическому коррелятору, 710.The signal received by
Этот циклический коррелятор 710 дополнительно принимает N последовательных элементов эталонной ZC-последовательности, сформированной локальным генератором 705. Этот локальный генератор является идентичным генератору, присутствующему в модуляторе на фиг. 1. Локальный генератор параметризируется длиной N ZC-последовательности, корнем r, используемым для связи, и, если применимо, частотным сдвигом q0, специально предназначенным для пилотных символов.This
Элементы эталонной ZC-последовательности предоставляются циклическому коррелятору 710. Результатами циклической корреляции (соответствующими различным временам задержки во временной области) является абсолютное значение, вычисленное в модуле 730, и максимальное абсолютное значение по блоку определяется посредством детектора 740 пика корреляции. Детектор 740 пика определяет позицию пика циклической корреляции между эталонной ZC-последовательностью и ZC-последовательностью, принятой демодулятором, и выводит соответствующий временной сдвиг из нее.The elements of the reference ZC sequence are provided to the
С учетом определения ZC-последовательностей может быть показано, что циклическое изменение ZC-последовательности посредством временного сдвига приводит в результате к частотному сдвигу:Given the definition of ZC sequences, it can be shown that cycling the ZC sequence by means of a time shift results in a frequency shift:
Если N является нечетным значением:If N is an odd value:
где является постоянной фазовой составляющей на всем протяжении последовательности.Where is a constant phase component throughout the sequence.
Аналогично, если N является четным значением:Likewise, if N is an even value:
(7-2) (7-2)
где является постоянной фазовой составляющей на всем протяжении последовательности.Where is a constant phase component throughout the sequence.
Поскольку обнаружение выполняется по абсолютному значению результата циклической корреляции, будет понятно, что временной сдвиг, q', (выраженный в числе периодов ) приводит в результате к сдвигу в частоте q' (выраженному в приращениях ). Другими словами, для одного и того же принятого сигнала, значение временного сдвига, предоставляемое детектором 740 пика (выраженное в числе периодов ), будет идентично значению частотного сдвига, предоставленному детектором 640 пика.Since the detection is performed on the absolute value of the cyclic correlation result, it will be understood that the time offset, q', (expressed in the number of periods ) results in a shift in frequency q' (expressed in increments ). In other words, for the same received signal, the time offset value provided by peak detector 740 (expressed in number of periods ) will be identical to the frequency offset value provided by
Десятично-двоичный преобразователь 750 (называемый блоком распаковки битов на чертеже) преобразует это значение сдвига в двоичное число, .A decimal to binary converter 750 (called a bit decompressor in the drawing) converts this shift value into a binary number, .
Следует отметить, что генератор 705 будет иметь способность формировать эталонные последовательности для всех возможных значений r и, если применимо, N.It should be noted that
В любом случае, как и ранее, набор, состоящий из генератора 705 эталонной последовательности, может быть заменен простой памятью, адресуемой по длине N, корню r, эталонному временному (или частотному) сдвигу. Значение, сохраненное в памяти по этому адресу, будет просто . Значения , считанные из памяти, предоставляются циклическому коррелятору, 710.In any case, as before, the set consisting of the
Фиг. 8 схематично представляет устройство синхронизации обнаружения преамбулы, которое может быть использовано совместно с устройством демодуляции согласно изобретению.Fig. 8 schematically shows a preamble detection synchronization device that can be used in conjunction with a demodulation device according to the invention.
Более точно, это устройство синхронизации делает возможным снабжение демодулятора корнем r, используемым для связи, с одной стороны, и, с другой стороны, моментом времени, соответствующим началу кадра, или даже полезной нагрузки.More precisely, this synchronization device makes it possible to provide the demodulator with the root r used for communication, on the one hand, and, on the other hand, with a time instant corresponding to the beginning of the frame, or even the payload.
Непрерывный коррелятор 820 принимает, на первом входе, поток (комплексных) выборок принятого сигнала и, на втором входе, последовательность выборок, соответствующих копии преамбулы.
Копия преамбулы формируется модулем 810 из ZC-последовательностей, сформированных локальным генератором 805. Локальный генератор 805 является идентичным ранее описанному генератору 605 (или 705), и те же альтернативы также являются применимыми. Модуль 810 формирования преамбулы сцепляет ZC-последовательности пилотных символов преамбулы. Например, если преамбула состоит из M повторяющихся идентичных пилотных символов, модуль 810 будет повторять M раз ZC-последовательность этого пилотного символа. Кроме того, если преамбула использует последовательность покрытия Баркера, модуль 810 будет умножать каждую ZC-последовательность с соответствующим элементом кода.A copy of the preamble is generated by
Конечно, генератор 805 и модуль 810 могут быть реализованы с помощью простой памяти, адресуемой по частотному сдвигу q0, соответствующему пилотным символам, корню r и длине N последовательности и числу M повторов пилотных символов.Of course,
Коррелятор 820 выполняет непрерывную корреляцию последовательности выборок принятого сигнала с последовательностью выборок преамбулы, предоставленной модулем 810. Другими словами, в каждом периоде Ts, коррелятор вычисляет результат корреляции для MN выборок преамбулы с последними MN выборками сигнала.
Абсолютное значение этих результатов корреляции вычисляется в модуле 830, и обнаружение пика корреляции выполняется в детекторе 840. На практике, детектор сравнивает абсолютное значение, предоставленное модулем 830, с предварительно определенным пороговым значением, меньшим по сравнению с N.The absolute value of these correlation results is calculated in
Детектор предоставляет временную позицию пика корреляции, указывающую начало преамбулы и, следовательно, кадра. Демодулятор может затем фиксироваться на начале полезной нагрузки, чтобы демодулировать информационные символы.The detector provides the time position of the correlation peak indicating the start of the preamble and hence the frame. The demodulator can then latch onto the start of the payload to demodulate the information symbols.
Кроме того, если корень r не известен приемнику, устройство синхронизации может выполнять последовательный или параллельный поиск по преамбулам, формируемым из значений корней, принадлежащих набору возможных корней, или даже поднабору последних (например, если набор корней является иерархическим, и приемник имеет априорное знание ветви дерева, в которой корень находится). Под последовательным поиском подразумевается, что корреляция выполняется с частотой по R корням, которые должны быть протестированы. Под параллельным поиском подразумевается, что корреляция выполняется по R ветвям параллельно, каждая ветвь ассоциируется с одним из R корней, которые должны быть протестированы. В любом случае, результаты корреляции обрабатываются детектором 840. Детектор затем определяет корневое значение (предоставляющее пик корреляции) и начало преамбулы (из позиции этого пика).In addition, if the root r is not known to the receiver, the synchronizer can perform a sequential or parallel search on preambles formed from the root values belonging to the set of possible roots, or even a subset of the latter (for example, if the set of roots is hierarchical and the receiver has a priori knowledge of the branch tree in which the root is located). By sequential search we mean that the correlation is performed with frequency by R roots that need to be tested. By parallel search we mean that the correlation is performed on R branches in parallel, each branch being associated with one of the R roots that must be tested. In either case, the correlation results are processed by
Фиг. 9 схематично представляет первый передатчик/приемник, использующий устройство модуляции и устройство демодуляции согласно одному варианту осуществления изобретения.Fig. 9 schematically shows a first transmitter/receiver using a modulation device and a demodulation device according to one embodiment of the invention.
Передатчик/приемник 900 может быть установлен на базовую станцию или присоединенный объект, например.The transmitter/
Он содержит устройство модуляции, 910, согласно варианту осуществления, как описано в связи с фиг. 1. Устройство модуляции преобразует K-арные символы, которые должны быть переданы, в ZC-последовательности, K-арный символ преобразуется в частотный сдвиг ZC-последовательности. Комплексные элементы ZC-последовательности предоставляются устройством модуляции с частотой . Вещественная часть этих комплексных элементов предоставляется синфазному каналу, а мнимая часть - квадратурному каналу, каждый канал типично содержит низкочастотный фильтр, 920, и усилитель 930 основной полосы частот. I и Q-сигналы этих каналов соответственно смешиваются с двумя квадратурными несущими сигналами в квадратурном модуляторе, 940. Несущие сигналы формируются посредством синусоидального осциллятора со стабилизированной частотой, 950. RF-сигнал на выходе квадратурного модулятора усиливается в усилителе мощности, 960, и затем передается посредством антенны, 980, через дуплексер, 970.It includes a
По приему антенный сигнал, принимаемый через дуплексер 970, усиливается посредством малошумного усилителя (LNA), 965, и затем подвергается квадратурной демодуляции посредством квадратурного смесителя 945. I и Q-сигналы на выходе смесителя усиливаются усилителями 935, фильтруются низкочастотными фильтрами 925 и затем дискретизируются с частотой . Комплексные значения, полученные таким образом, предоставляются устройству 915 демодуляции, согласно первому варианту осуществления, как описано в связи с фиг. 6, или согласно второму варианту осуществления, как описано в связи с фиг. 7.Upon reception, the antenna signal received through
Квадратурный модулятор 940 в передатчике/приемнике с прямым преобразованием на фиг. 9 использует вещественные и мнимые части элементов ZC-последовательностей, которые должны быть переданы. Вместо квадратурного модулятора полярный модулятор может быть использован, как описано далее в данном документе.The
Фиг. 10 схематично представляет полярный модулятор, используемый в области применения второго передатчика согласно одному варианту осуществления изобретения.Fig. 10 schematically shows a polar modulator used in the application of a second transmitter according to one embodiment of the invention.
В целом, в полярном модуляторе, комплексные символы, которые должны быть переданы, преобразуются в полярном преобразователе основной полосы частот, 1020, в огибающий сигнал (абсолютное значение комплексных элементов) и фазный сигнал (мгновенная фаза комплексных элементов), представляющие сигнал основной полосы частот:In general, in a polar modulator, complex symbols to be transmitted are converted in a polar baseband converter, 1020, into an envelope signal (the absolute value of the complex elements) and a phase signal (the instantaneous phase of the complex elements) representing the baseband signal:
(8) (8)
Где A(t) является огибающим сигналом, а является фазным сигналом. Фазный сигнал затем преобразуется в RF-полосу частот посредством смесителя 1050 перед усилением усилителем 1060 мощности. Огибающий сигнал задерживается в модуле 1025, чтобы компенсировать различия во времени распространения, которые могут существовать между ветвью амплитуды и ветвью фазы, и модулирует амплитуду RF-сигнала, посредством модулятора 1040 огибающей, регулируя коэффициент усиления усилителя мощности. RF-сигнал, модулированный таким образом, затем передается посредством антенны 1070.Where A(t) is the envelope signal, and is a phase signal. The phase signal is then converted to RF frequency band by a mixer 1050 before being amplified by a power amplifier 1060. The envelope signal is delayed in the module 1025 to compensate for differences in propagation time that may exist between the amplitude branch and the phase branch, and modulates the amplitude of the RF signal, through the envelope modulator 1040, adjusting the gain of the power amplifier. The RF signal thus modulated is then transmitted via antenna 1070.
В случае, когда, как в настоящем изобретении, существует вопрос передачи комплексных элементов ZC-последовательности, которые формируются модулятором 1010, понятно, что формирование огибающего сигнала будет ненужным, поскольку абсолютное значение этих элементов является постоянным и равно 1. Задержка 1025 и модулятор 1040 огибающей могут быть просто удалены, и коэффициент усиления усилителя мощности устанавливается в заданное значение.In the case where, as in the present invention, there is a question of transmitting complex ZC sequence elements that are generated by the modulator 1010, it is clear that the generation of an envelope signal will be unnecessary since the absolute value of these elements is constant and equal to 1. Delay 1025 and envelope modulator 1040 can simply be removed and the power amplifier gain is set to the specified value.
Специалист поймет, что, симметрично, полярный демодулятор может быть реализован на стороне приема.One skilled in the art will appreciate that, symmetrically, a polar demodulator can be implemented on the receive side.
Архитектуры RF-передатчика/приемника, отличные от архитектур, иллюстрированных на фиг. 9 и 10, могут дополнительно быть рассмотрены без отступления от рамок настоящего изобретения.RF transmitter/receiver architectures other than those illustrated in FIGS. 9 and 10 may be further discussed without departing from the scope of the present invention.
Конечно, различные элементарные устройства модуляции/демодуляции могут быть предоставлены в одном и том же передатчике/приемнике, чтобы разделять передачи данных к/от различных пользователей. Как ранее указано, эти устройства модуляции/демодуляции будут тогда использовать отличающиеся корневые значения. Преимущественно, для ZC-последовательности длиной, равной N, корневые значения rp , p=1,…P будут выбраны так, что |rp-rp’| является простым числом по отношению к N, □p, p’.Of course, different modulation/demodulation elementary devices may be provided in the same transmitter/receiver to separate data transmissions to/from different users. As previously stated, these modulation/demodulation devices will then use different root values. Advantageously, for a ZC sequence of length N, the root values r p , p=1,...P will be chosen such that |r p -r p' | is a prime number with respect to N, □p, p'.
Claims (19)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1902035 | 2019-02-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021127873A RU2021127873A (en) | 2023-03-27 |
| RU2803188C2 true RU2803188C2 (en) | 2023-09-11 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090052427A1 (en) * | 2006-02-08 | 2009-02-26 | Nec Corporation | Single carrier transmission system, communication device, and single carrier transmission method using for them |
| RU2475969C9 (en) * | 2007-04-30 | 2013-06-20 | Нокиа Сименс Нетворкс Ой | Coordinated cyclic shift and spasmodic sequence frequency tuning for zadov-chu sequence, modified zadov-chu sequence and sequence of block-by-block expansion |
| US20180332551A1 (en) * | 2017-05-10 | 2018-11-15 | Qualcomm Incorporated | Synchronization for wideband coverage enhancement |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090052427A1 (en) * | 2006-02-08 | 2009-02-26 | Nec Corporation | Single carrier transmission system, communication device, and single carrier transmission method using for them |
| RU2475969C9 (en) * | 2007-04-30 | 2013-06-20 | Нокиа Сименс Нетворкс Ой | Coordinated cyclic shift and spasmodic sequence frequency tuning for zadov-chu sequence, modified zadov-chu sequence and sequence of block-by-block expansion |
| US20180332551A1 (en) * | 2017-05-10 | 2018-11-15 | Qualcomm Incorporated | Synchronization for wideband coverage enhancement |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KRENZ RAFAL et al., "Hybrid DS/FH spread spectrum data transmission system for telemetry", 2016 10TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON COMMUNICATION SYSTEMS, NETWORKS AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING (CSNDSP), IEEE, даты конференции 20.07.2016-22.07.2016, размещено в Интернет 22.09.2016, https://dx.doi.org/10.1109/CSNDSP.2016.7573935. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Popovic | Spreading sequences for multicarrier CDMA systems | |
| US8429502B2 (en) | Frame format for millimeter-wave systems | |
| KR100946913B1 (en) | Apparatus of generating preamble signal for cell identification in an orthogonal frequency division multiple system and the method thereof | |
| US7957361B2 (en) | Transmitter, transmitting method, receiver, and receiving method for MC-CDMA communication system | |
| US7916759B2 (en) | Method of generating code sequence and method of transmitting signal using the same | |
| JP4976420B2 (en) | Method for improving synchronization and information transmission in a communication system | |
| US9591598B2 (en) | Method of generating code sequence and method of transmitting signal using the same | |
| US20080298435A1 (en) | Common Air Interface Supporting Single Carrier and OFDM | |
| US20240121021A1 (en) | Method and device for modulating with zadoff-chu sequences | |
| KR19990083039A (en) | Digital modulation system using extended code set | |
| EA007357B1 (en) | Parallel spread spectrum communication system and method | |
| US10148413B2 (en) | Method for synchronising an FBMC system using a RACH channel | |
| US7280464B1 (en) | Featureless synchronization in multi-user OFDM | |
| US6674790B1 (en) | System and method employing concatenated spreading sequences to provide data modulated spread signals having increased data rates with extended multi-path delay spread | |
| US11245434B2 (en) | Low power long-range radio | |
| KR101181976B1 (en) | Apparatus for acquired preamble sequence | |
| Wang et al. | Secondary synchronization signal in 5G new radio | |
| RU2803188C2 (en) | Method and device for modulation with zadoff-chu sequences | |
| KR20070024617A (en) | A transmitter and receiver for ultra-wideband ofdm signals employing a low-complexity cdma layer for bandwidth expansion | |
| CN110808752A (en) | Communication method and system of Internet of things | |
| EP0999668A2 (en) | A method and apparatus for achieving channel variability in spread spectrum communication systems | |
| Popovic | Spreading waveforms for multi-carrier CDMA systems | |
| KR101356691B1 (en) | Apparatus and method for transmitting and receiving fast feedback information in ofdma communication systems | |
| RU2021127873A (en) | METHOD AND DEVICE FOR MODULATION WITH ZADOV-CHU SEQUENCES |