ПОВОРОТНАЯ ОБУЧАЮЩАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ КВАДРАТУРНОЙ МОДУЛЯЦИИ
QUADRATURE MODULATION ROTATING TRAINING SEQUENCE

Область техники
Это изобретение относится, в целом, к модуляции передаваемого сигнала и, в частности, к системам и способам для генерации поворотного обучающего сигнала квадратурной модуляции для использования при обучении канальных оценок приемника.
Уровень техники
Фиг. 1 является упрощенной блок-схемой традиционного входного каскада приемника (уровень техники). Традиционный приемник беспроводной связи включает в себя антенну, которая преобразует излученный сигнал в проводимый сигнал. После некоторой начальной фильтрации проводимый сигнал усиливается. При условии достаточного уровня мощности несущую частоту сигнала можно преобразовывать путем смешивания сигнала (преобразования с понижением частоты) с сигналом гетеродина. Поскольку принятый сигнал квадратурно модулирован, сигнал демодулируется через раздельные тракты I и Q до объединения. После преобразования частоты аналоговый сигнал можно преобразовывать в цифровой сигнал, используя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), для низкочастотной обработки. Обработка может включать в себя быстрое преобразование Фурье (БПФ).
На приемнике могут возникать ошибки, которые отрицательно влияют на канальные оценки и восстановление полезного сигнала. Ошибки могут быть обусловлены смесителями, фильтрами и пассивными компонентами, например конденсаторами. Ошибки усугубляются, если они приводят к дисбалансу между трактами I и Q. В попытке оценить канал и, таким образом, исключить некоторые из этих ошибок, системы связи могут использовать формат сообщения, который включает в себя обучающую последовательность, которая может быть повторяющимся или заранее определенным символом данных. С использованием, например, системы ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM) одна и та же точка сигнального созвездия IQ может повторно передаваться для каждой поднесущей.
В попытке сэкономить энергию в портативных устройствах с батарейным питанием некоторые OFDM системы используют только один символ модуляции для обучения. Например, стимулируется уникальное направление на сигнальном созвездии (например, тракт I), тогда как другое направление (например, тракт Q) - нет. Такого же типа однонаправленное обучение также можно использовать с пилотными тонами. Примечание: скремблирование одного канала модуляции посредством ±1 не поворачивает точку сигнального созвездия и не обеспечивает стимуляции для квадратурного канала.
При наличии квадратурного дисбаланса трактов, который превалирует в системах с большой полосой пропускания, вышеупомянутая энергосберегающая обучающая последовательность дает смещенную канальную оценку. Смещенная канальная оценка может хорошо выравниваться с сигнальным созвездием IQ в одном направлении (т.е., тракта I), но обеспечивает квадратурный дисбаланс в ортогональном направлении. Предпочтительно, чтобы любой дисбаланс равномерно распределялся между двумя каналами.
wt
θ
θ
wt
ε
wt+
φ
φ
ε
φ
ε
w
w
I
Q
Фиг. 2 является схемой, демонстрирующей квадратурный дисбаланс на стороне приемника (уровень техники). Хотя это не показано, дисбаланс на стороне передатчика аналогичен. Пусть тракт Q является опорным. Форма падающей волны выражается как cos(+), где  - фаза канала. На тракте Q осуществляется преобразование с понижением частоты с помощью -sin(). На тракте I осуществляется преобразование с понижением частоты с помощью (1+2)cos(2Δ). Величины 2Δ и 2 выражают аппаратные дисбалансы, соответственно фазовую ошибку и амплитудную ошибку. Низкочастотные фильтры H и H различаются для каждого тракта. Фильтры вносят дополнительное амплитудное и фазовое искажение. Однако эти дополнительные искажения ограничены в пределах 2Δ и 2. Примечание: эти два фильтра являются действительными и одинаково влияют как на +, так и -.
Предположим, что ошибки малы:
ε
wt
φ
ε
wt
φ
wt
.
(1+2)cos(+2Δ)≈(1+2)cos()-2Δsin()
wt
φ
wt
.
Первый компонент в правой части, cos(), представляет идеальный тракт I с небольшим масштабированием. Второй компонент, - 2Δsin(), представляет небольшую утечку из тракта Q. После преобразования с понижением частоты формы падающей волны:
ε
θ
ε
θ
.
на тракте I: (1+2)cos()+2sin().
θ
на тракте Q: sin().
Ошибки приводят к неправильной интерпретации позиций символов на сигнальном созвездии квадратурной модуляции, что, в свою очередь, приводит к неправильной демодуляции данных.
Сущность изобретения
Приемники беспроводной связи подвержены ошибкам, вызванным недостаточными допусками в аппаратных компонентах, связанных со смесителями, усилителями и фильтрами. В квадратурных демодуляторах эти ошибки также могут приводить к дисбалансу между трактами I и Q.
Обучающий сигнал можно использовать для калибровки канальных ошибок приемника. Однако обучающий сигнал, который не стимулирует оба тракта I и Q, не решает проблему дисбаланса между двумя трактами.
Соответственно, предусмотрен способ для передачи квадратурно модулированной поворотной обучающей последовательности. Поворотный обучающий сигнал генерируется передатчиком с квадратурной модуляцией. Поворотный обучающий сигнал включает в себя обучающую информацию, посылаемую через тракт синфазной (I) модуляции, а также обучающую информацию, посылаемую через тракт квадратурной (Q) модуляции. Квадратурно модулированные данные связи генерируются, либо одновременно с обучающим сигналом, либо после него. Поворотный обучающий сигнал и квадратурно модулированные данные связи передаются.
Например, поворотный обучающий сигнал можно генерировать, первоначально посылая обучающую информацию через тракт модуляции I и затем посылая обучающую информацию через тракт модуляции Q. В частности, обучающая информация, посылаемая через тракт модуляции I, может включать в себя первый символ, имеющий опорную фазу (например, 0 градусов или 180 градусов). Тогда обучающая информация, посылаемая через тракт модуляции Q, будет включать в себя второй символ, имеющий фазу, отличающуюся на ±90 от опорной фазы.
Дополнительные детали, касающиеся вышеописанного способа, системы для генерации поворотного обучающего сигнала и других вариантов изобретения, представлены ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - упрощенная блок-схема традиционного входного каскада приемника (уровень техники).
Фиг. 2 - упрощенная схема, демонстрирующая квадратурный дисбаланс на стороне приемника (уровень техники).
Фиг. 3 - упрощенная блок-схема устройства беспроводной связи, с системой для передачи поворотной обучающей последовательности.
Фиг. 4A-4D - схемы, изображающие обучающий сигнал с квадратурно модулированными данными связи.
Фиг. 5A и 5B - схемы поворотных обучающих символов, представленных на квадратурном сигнальном созвездии.
Фиг. 6 - схема, изображающая иллюстративную структуру для переноса сообщения с поворотным обучающим сигналом.
Фиг. 7 - упрощенная блок-схема, изображающая устройство обработки для передачи поворотной обучающей последовательности квадратурной модуляции.
θ
Фиг. 8 - схема, изображающая идеальное и разбалансированное сигнальные созвездия для 2 разных фаз  формы падающей волны, показанной на фиг. 2.
Фиг. 9 - график, изображающий фазовый дисбаланс как функцию фазы формы падающей волны.
Фиг. 10 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ для передачи обучающей последовательности связи.
Подробное описание
Ниже, со ссылкой на чертежи, описаны различные варианты осуществления. В нижеследующем описании, в целях объяснения, многочисленные конкретные детали приведены для обеспечения полного понимания одного или более аспектов. Очевидно, однако, что такие варианты осуществления можно осуществлять на практике без этих конкретных деталей. В других случаях общеизвестные структуры и устройства показаны в виде блок-схемы для облегчения описания этих вариантов осуществления.
Используемые в этой заявке термины “компонент”, “модуль”, “система” и т.п. относятся к компьютерной сущности, а именно или оборудованию, программно-аппаратному обеспечению, комбинации оборудования и программного обеспечения, программному обеспечению, или выполняемому программному обеспечению. Например, компонентом может быть, но без ограничения, процесс, выполняющийся на процессоре, процессор, объект, выполнимый модуль, поток выполнения, программа и/или компьютер. В порядке иллюстрации, компонентом может быть как приложение, выполняющееся на вычислительном устройстве, так и вычислительное устройство. Один или более компонентов могут находиться в процессе и/или потоке выполнения, и компонент может располагаться на одном компьютере и/или распределяться между двумя или более компьютерами. Кроме того, эти компоненты могут выполняться с различных считываемых компьютером носителях, на которых могут храниться различные структуры данных. Компоненты могут устанавливать связь посредством локальных и/или удаленных процессов, например, в соответствии с сигналом, имеющим один или более пакетов данных (например, данные от одного компонента, взаимодействующего с другим компонентом в локальной системе, распределенной системе и/или по сети, например, интернету, с другими системами посредством сигнала).
Различные варианты осуществления будут представлены в отношении систем, которые могут включать в себя ряд компонентов, модулей и т.п. Следует понимать и принимать во внимание, что различные системы могут включать в себя дополнительные компоненты, модули и т.д. и/или могут не включать в себя все компоненты, модули и т.д., рассмотренные в связи с фигурами. Также можно использовать комбинацию этих подходов.
Фиг. 3 является упрощенной блок-схемой устройства 300 беспроводной связи, с системой для передачи поворотной обучающей последовательности. Система 302 содержит радиочастотный (RF) передатчик 304, имеющий вход на линиях 306a и 306b для приема информации, тракт синфазной (I) модуляции 308, тракт квадратурной (Q) модуляции 310 и объединитель 312 для объединения сигналов из трактов модуляции I и Q, 308 и 310 соответственно. Хотя РЧ передатчик используется в качестве примера для иллюстрации изобретения, следует понимать, что изобретение применимо к любой среде связи (например, беспроводной, проводной, оптической), способной переносить квадратурно модулированную информацию. Тракты I и Q можно альтернативно называть I и Q каналами. Объединенные сигналы поступают по линии 318 на усилитель 320 и, в конце концов, на антенну 322, где сигналы излучаются. Передатчик 304 способен посылать сообщение с поворотным обучающим сигналом. Поворотный обучающий сигнал, который также можно называть квадратурным сбалансированным обучающим сигналом, сбалансированным обучающим сигналом, сбалансированной обучающей последовательностью или несмещенным обучающим сигналом, включает в себя обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции I 308, и обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции Q 310. Передатчик 304 также посылает квадратурно модулированные (не заранее определенные) данные связи. В одном аспекте квадратурно модулированные данные связи посылаются после посылки поворотного обучающего сигнала. В другом аспекте обучающий сигнал посылается одновременно с данными связи в форме пилот-сигналов. Система не ограничивается никаким конкретным временным соотношением между обучающим сигналом и квадратурно модулированными данными связи.
Фиг. 4A-4D являются схемами, изображающими обучающий сигнал с квадратурно модулированными данными связи. Согласно как фиг. 3, так и 4A, в одном аспекте передатчик 304 посылает поворотный обучающий сигнал, первоначально посылая обучающую информацию через тракт модуляции I 308 и затем посылая обучающую информацию через тракт модуляции Q 310. Таким образом, обучающий сигнал включает в себя информацию, например, символ или повторяющуюся последовательность символов, посылаемую только через тракт модуляции I 308, после которой следует передача символа или повторяющейся последовательности символов, посылаемой только через тракт модуляции Q 310. Альтернативно, но не показано, обучающую информацию можно сначала посылать через тракт модуляции Q 310, а затем через тракт модуляции I 308.
В случае попеременной посылки единичных символов через тракты I и Q, более вероятно, что передатчик посылает поворотный обучающий сигнал с заранее определенной обучающей информацией через тракты модуляции I и Q. Например, первый символ может всегда быть (1,0) и второй символ может всегда быть (0,1).
Вышеупомянутый поворотный обучающий сигнал, который первоначально посылает поворотный обучающий сигнал через (только) тракт модуляции I, может осуществляться путем возбуждения тракта модуляции I 308, но без возбуждения тракта модуляции Q 310. Затем передатчик посылает поворотный обучающий сигнал через тракт модуляции Q путем возбуждения тракта модуляции Q 310, после посылки обучающей информации через тракт модуляции I.
Фиг. 5A и 5B являются схемами поворотных обучающих символов, представленных на квадратурном сигнальном созвездии. Согласно фиг. 3, 4A и 5A, передатчик 304 генерирует поворотный обучающий сигнал путем посылки первого символа, имеющего опорную фазу, через тракт модуляции I 308 и посылки второго символа, имеющего фазу, или равную (опорная фаза +90 градусов) или (опорная фаза -90 градусов), через тракт модуляции Q 310. Например, опорная фаза первого символа может быть 0 градусов, и тогда фаза второго символа должна быть равна 90 градусов (как показано) или -90 градусов (не показано).
Однако не обязательно просто попеременно передавать символы через тракты модуляции 308/310 для получения вращения символа, как описано выше. Например, первый символ можно посылать через (только) тракт модуляции I (или Q), и передатчик может посылать обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q и объединять I и Q модулированные сигналы для выдачи второго символа. В другом примере, передатчик может посылать обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q и объединять I и Q модулированные сигналы для выдачи первого символа, тогда как второй символ получается с использованием только тракта модуляции Q (или I).
Обучающие символы также можно поворачивать, выдавая символы, каждый из которых имеет как I так и Q компоненты, что традиционно связано с квадратурной модуляцией, см. фиг. 4B. Таким образом, передатчик 304 может посылать обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q 308/310 и объединять I и Q модулированные сигналы для выдачи первого символа на линии 318. Например, первый символ может занимать позицию 45 градусов на сигнальном созвездии, см. фиг. 5B. Аналогично, передатчик будет посылать обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q 308/310 и объединять I и Q модулированные сигналы для выдачи второго символа. Например, второй символ можно повернуть в позицию -45 градусов, которая ортогональна позиции первого символа (45 градусов).
Таким образом, в одном аспекте поворотный обучающий символ минимально включает в себя последовательность из двух символов с разностью фаз 90 градусов. Однако система не ограничивается системой, которая использует только два символа. В общем случае, предпочтительно использовать четное число символов, чтобы можно было генерировать половину символов с использованием тракта модуляции I и другую половину генерировать с использованием тракта модуляции Q. Однако в последовательностях более длинных, чем два символа, не обязательно осуществлять вращение на 90 градусов между каждым символом. Таким образом, не существует конкретного порядка фазы между символами. В одном аспекте половина символов отличается от другой половины в среднем на 90 градусов. Например, система Ультраширокополосной радиосвязи (UWB) использует 6 символов, передаваемых до передачи данных связи или сигнал маяка. Поэтому 3 последовательных символа можно генерировать на тракте модуляции I, а затем 3 последовательных символа на тракте модуляции Q. Благодаря использованию этого процесса Q канал необходимо активировать лишь кратковременно, на протяжении 3 символов, до возвращения в спящее состояние.
Фиг. 6 является схемой, изображающей иллюстративную структуру для переноса сообщения с поворотным обучающим сигналом. Согласно фиг. 3 и 6, в одном аспекте передатчик 304 действует согласно модели OSI. В этой, обычно 7-уровневой модели передатчик связан с физическим (PHY) уровнем. Как показано, передатчик 304 посылает сигнал 600 физического уровня (PHY), включающий в себя преамбулу 602, заголовок 604 и полезную нагрузку 606. Передатчик посылает поворотный обучающий сигнал в заголовке 604 PHY и посылает квадратурно модулированные данные связи в полезной нагрузке 606 PHY.
Многие системы связи передают информацию маяка на сравнительно низких скоростях передачи квадратурно модулированных данных связи, в то же время, сохраняя более высокие скорости передачи данных для переноса (не заранее определенной) информации. Сети, работающие согласно протоколам IEEE 802.11, являются примером этих систем. Поскольку многие устройства беспроводной связи имеют батарейное питание, желательно, чтобы эти блоки работали в “спящем” режиме, когда они фактически не переносят информацию. Например, главные блоки или точки доступа могут вещать сравнительно простые сигналы маяка на низкой скорости передачи данных, пока спящий блок не ответит.
Пилот-сигналы можно рассматривать как особый случай обучающих сигналов. В то время как обучающие сигналы передаются до данных, обычно с использованием каждой поднесущей (всех N частот в полосе связи), пилотные тоны передаются вместе с квадратурно модулированными данными связи на подмножестве (зарезервированных) частот. В системе, использующей OFDM, например UWB, этот зарезервированный набор состоит из пилотных тонов. Таким образом, пилотные тоны связаны с P частотами, и данные связаны с остальными N-P частотами.
Обучающие сигналы и пилот-сигналы аналогичны в том, что информационное содержимое передаваемых данных обычно представляет собой заранее определенные или "известные" данные, что позволяет приемнику калибровать и производить измерения канала. При приеме данных связи (не заранее определенных) существует 3 неизвестные: сами данные, канал и шум. Приемник не способен калибровать шум, поскольку шум изменяется произвольно. Канал - это измерение, обычно связанное с задержкой и многолучевым распространением. В течение относительно коротких периодов времени, ошибки, обусловленные многолучевым распространением, можно измерять, если используется заранее определенные данные, например, обучающие или пилотные сигналы. Когда канал известен, это измерение можно использовать для устранения ошибок в принятых данных связи (не заранее определенных). Поэтому некоторые системы выдают обучающий сигнал для измерения канала до начала декодирования данных.
Однако канал может изменяться, например, когда передатчик или приемник перемещается в пространстве, или вследствие дрейфа тактового сигнала. Поэтому многие системы продолжают посылать больше "известных" данных вместе с “неизвестными” данными для отслеживания медленных изменений в канале. В целях описания настоящей системы, предположим, что пилот-сигналы являются подмножеством более общего класса обучающих сигналов. Таким образом, используемый здесь термин «обучающие сигналы» означает как начальную обучающую последовательность, так и отслеживающую обучающую последовательность, связанную с пилотными тонами в системе UWB или 802.11. Другими словами, термины "начальные обучающие" и "отслеживающие обучающие" или "пилотные тоны" представляют собой разновидности обучающих сигналов.
В одном аспекте передатчик 304 посылает сообщение, где квадратурно модулированные данные связи являются сигналом маяка, посылаемым на скорости передачи данных маяка, после поворотного обучающего сигнала. Таким образом, сигналы маяка, используемые многими системами связи, можно передавать с поворотным обучающим сигналом. Кроме того, передатчик 304 может альтернативно, или дополнительно, посылать сообщение с квадратурно модулированными данными связи на скорости передачи данных связи, большей скорости передачи данных маяка, после поворотного обучающего сигнала.
В одном аспекте передатчик может посылать комбинацию сообщений с поворотными и неповоротными обучающими сигналами. Например, передатчик 304 может посылать многопакетные сообщения, которые включают в себя сбалансированное сообщение, следующее после несбалансированного сообщения. Для краткости, выражение “сбалансированное сообщение” используется для описания сообщения, которое включает в себя как поворотный обучающий сигнал, так и квадратурно модулированные данные связи. Несбалансированное сообщение это сообщение, содержащее неповоротный обучающий сигнал, где обучающая информация посылается, например, через тракт модуляции I, но не посылается через тракт модуляции Q. В этом аспекте несбалансированное сообщение также включает в себя сигнал формата сообщения, внедренный в заголовок, например, указывающий, что сбалансированное сообщение (с поворотным обучающим сигналом) посылается после несбалансированного сообщения. Несбалансированное сообщение включает в себя квадратурно модулированные данные связи, которые можно посылать после сигнала формата сообщения, в полезной нагрузки. Однако система не ограничивается никаким конкретным временным соотношением между обучающим сигналом, сигналом формата сообщения и квадратурно модулированными данными. Например, несбалансированное сообщение может быть сигналом маяка или начальным обучающим сообщением. Альтернативно, несбалансированное сообщение можно посылать после сбалансированного сообщения, или несбалансированные сообщения могут чередоваться со сбалансированными сообщениями.
Согласно фиг. 4C, многие системы связи, например согласующиеся с IEEE 802.11 и UWB, используют множество поднесущих, которые передаются одновременно. В этом аспекте поворотный обучающий сигнал можно обеспечивать в форме пилот-сигналов. Например, P поворотных пилотных символов можно генерировать с (N-P) символами квадратурно модулированных данных связи. Каждый поворотный пилотный символ включает в себя обучающую информацию, которая изменяется на 90 градусов с каждым символом. Таким образом, сбалансированное сообщение, с поворотным обучающим сигналом, посылается путем одновременной передачи N символов. В других аспектах используется меньше P поворотных пилотных символов, поскольку некоторые пилотные символы являются неповоротными символами.
i
j
i
j
i
f
f
j
f
f
Согласно фиг. 4D, в другом аспекте системы множественных поднесущих поворотный обучающий сигнал включает в себя символы, одновременно генерируемые для множества поднесущих с использованием обучающей информации, посылаемой через тракт модуляции I, но не тракт модуляции Q, для  поднесущих. Кроме того, обучающий сигнал использует обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции Q, но не тракт модуляции I, для  поднесущих. Затем IQ модулированные данные связи генерируется для  и  поднесущих после генерации обучающей информации. В одном аспекте подмножество из  поднесущих включает в себя “спаренные поднесущие” или “спаренные тоны”, которые представляют собой пару тонов на частоте - и частоте +. Аналогично, тоны в подмножестве  могут быть спаренными. Спаривание тонов на - и + помогает в достижении обучения I канала, обучения Q канала и поворотного обучения.
Если последовательность обучающих символов через любую конкретную поднесущую не поворачивается на 90 градусов, эту систему по-прежнему можно рассматривать как генерирующую поворотный обучающий сигнал, поскольку метод усреднения канальной оценки можно использовать на приемнике для усреднения соседних поднесущих. Тогда общий эффект использования соседних неповоротных I и Q обучающих символов представляет собой поворотный обучающий сигнал. В одном аспекте обучающий сигнал построен так, чтобы поднесущие с нечетными номерами использовали неповоротные обучающие символы, посылаемые через тракт модуляции I (канал X), и поднесущие с четными номерами использовали тракт модуляции Q (канал X+90 градусов).
В другом аспекте изобретения устройство 300 беспроводной связи, показанное на фиг. 3, можно рассматривать как содержащее средство 308/310 для вращения обучающего сигнала с использованием трактов модуляции I и Q, и средство 308/310 для генерации квадратурно модулированных данных связи. Как и раньше, обучающий сигнал может представлять собой пилотные символы, посылаемые одновременно с данными связи, или данные связи можно посылать после поворотного обучающего сигнала. Кроме того, устройство 300 включает в себя средство 320/322 для передачи в качестве РЧ связи.
Аналогично, можно генерировать несбалансированное сообщение, причем средство 308/310 квадратурной модуляции используется для генерации следующего: неповоротного обучающего сигнала с обучающей информацией, посылаемой через тракт модуляции I, но без обучающей информации, посылаемой через тракт модуляции Q; сигнала формата сообщения, указывающего, что сбалансированное сообщение (с поворотным обучающим сигналом) подлежит посылке после несбалансированного сообщения; и квадратурно модулированных данных связи.
Фиг. 7 является упрощенной блок-схемой, изображающей устройство обработки для передачи поворотной обучающей последовательности квадратурной модуляции. Устройство 700 обработки содержит модуль 702 модуляции тракта I, имеющий вход на линии 704 для приема информации и вход на линии 706 для приема сигналов управления I. Модуль 702 модуляции тракта I имеет выход на линии 708 для выдачи модулированной информации I. Модуль 710 модуляции тракта Q имеет вход на линии 712 для приема информации и вход на линии 714 для приема сигналов управления Q. Модуль 710 модуляции тракта Q имеет выход на линии 716 для выдачи модулированной информации Q.
Модуль 718 объединения имеет входы на линиях 708 и 716 для приема модулированной информации I и Q соответственно и выход на линии 720 для выдачи квадратурно модулированного РЧ сигнала. Модуль 722 управления имеет выходы на линиях 706 и 714 для выдачи сигналов управления I и Q соответственно. Модуль 722 управления использует сигналы управления I и Q для генерации сообщения с поворотным обучающим сигналом, включающего в себя обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции I и обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции Q, а также квадратурно модулированные данные связи. Функции, выполняемые вышеописанными модулями, аналогичны функциям, выполняемым посредством устройства, показанного на фиг. 3, и не будут здесь повторно описаны в целях краткости.
Функциональное описание
Как описано выше, поворотный обучающий сигнал, отвечающий настоящему изобретению, можно использовать для изменения традиционных систем, которые используют только тракт модуляции I для обучения в попытке сэкономить энергию. Такую систему можно изменить за счет мгновенного включения тракта модуляции Q в течение второй части обучающей последовательности. Это решение использует лишь немного больше энергии, стимулируя оба канала I и Q на протяжении обучающей последовательности.
Альтернативно, несбалансированное сообщение с неповоротным обучающим сигналом можно использовать для маяка, тогда как сбалансированные сообщения с поворотными обучающими сигналами используются для высоких скоростей передачи данных. Это решение может потребовать, чтобы приемник был запрограммирован на связывание сообщений с поворотным обучающим сигналом с высокими скоростями передачи данных и несбалансированных сообщений с маяками. Чтобы устранить необходимость для приемника “угадывать” тип принимаемого обучающего сигнала, в преамбулу можно включить информацию, сообщающую приемнику о типе обучающей последовательности, которая последует.
В другом варианте традиционное несбалансированное сообщение можно использовать как первый пакет в многопакетной передаче. При многопакетных передачах, приемнику легко сообщать, в каждом пакете, о типе обучающей последовательности, которая появится в следующем пакете. Обычно первый пакет является несбалансированным сообщением, тогда как все последующие пакеты являются сбалансированными сообщениями. Эти сообщения можно, в необязательном порядке, разрешать, использовать, например, только если они поддерживаются как передатчиком, так и приемником. Таким образом, изобретение может иметь обратную совместимость с существующими устройствами.
Еще одно решение, не имеющее обратной совместимости, состоит в изменении всех обучающих последовательностей, включающих в себя обучающую последовательность маяка, благодаря чему обучающие последовательности всегда сбалансированы. В этом варианте приемнику не требуется работать с двумя разными типами обучающих сигналов.
для каждой поднесущей
В порядке иллюстрации, ниже представлен анализ усовершенствований, которые можно получить в традиционной системе UWB-OFDM, путем добавления сбалансированных сообщений с поворотными обучающими сигналами. Традиционно, обучающая последовательность является повторяющимся символом OFDM. Это значит, что одна и та же точка сигнального созвездия повторно передается . Уникальное направление на сигнальном созвездии (например, тракт I) стимулируется, тогда как другое направление (например, тракт Q) - нет. Ошибки, связанные с такой системой, были представлены выше в разделе «уровень техники».
φ
Фиг. 8 является схемой, изображающей идеальное и разбалансированное сигнальные созвездия для 2 разных фаз θ формы падающей волны, показанной на фиг. 2. Фазовый дисбаланс равен 2Δ=10 градусов (без амплитудного дисбаланса). Примечание: дисбаланс достигает максимума, когда углы равны 0 и 90 градусов, и почти отсутствует, когда углы равны 45 и 135 градусов. Причина в том, что дисбаланс компенсируется при угле около 45 градусов, когда фаза падающей волны находится на полпути между трактами I и Q. Угол формы падающей волны зависит как от данных, так и канала и может принимать любое значение от 0 до 360 градусов.
θ
θ
Предполагая, что форма падающей волны имеет такой угол, что все обучающие символы выровнены, например, с направлением I (=0), направление I можно оценить точно, с ошибкой 0 градусов. Однако направление Q будет смещено на 10 градусов. В аддитивном белом гауссовом шуме (AWGN) это приводит к избыточным ошибкам для точек сигнального созвездия, лежащих в направлении Q. Если же, с другой стороны, форма падающей волны имеет угол =45 градусов (на полпути между I и Q), то дисбаланс почти отсутствует.
-5
Фиг. 9 является графиком, изображающим фазовый дисбаланс как функцию фазы формы падающей волны. Сплошная линия на фигуре указывает фазовый дисбаланс в случае повторяющейся обучающей последовательности. Пунктирная линия отражает случай поворотной обучающей последовательности. В AWGN и для некодированной QPSK при BER, равной 10, потери составляют от 0 дБ до 1,5 дБ для дисбаланса в пределах от 0 до 10 градусов (в зависимости от фазы формы падающей волны).
φ
Анализ можно начать с более простой задачи модуляций во временной области, например множественного доступа с временным разделением (TDMA) или множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) в AWGN. Обучающая последовательность предполагается со всеми символами, лежащими на оси I (I канале). После передачи по каналу AWGN ось можно повернуть в направлении X в квадратурной 2D плоскости (в зависимости от фазы канала). Благодаря тому что все обучающие символы выровнены с направлением X, направление X можно правильно оценить, и любой символ данных в этом направлении лежит на правильной оси (после поворота). Однако символы в ортогональном направлении Y будут смещены на 2Δ градусов от идеальной позиции. Они будут вносить значительно большие ошибки.
Поскольку все обучающие символы лежат на оси X, канальная оценка равна H=угол(X).
Ошибка в направлении X равна угол(X)-H=0.
φ
Ошибка в направлении Y равна угол(Y)-90˚-H=2Δ.
Этот анализ предполагает, что обучающая последовательность постоянно поворачивается, так что I и Q каналы стимулируются в равной степени. В этом случае средний канал имеет фазу, которая уже не является выровненной исключительно с направлением X. Она также будет выровнена с направлением Y, в течение половины времени.
Теперь канальная оценка равна H=[угол(X)+угол(Y)-90˚]/2.
φ
Ошибка в направлении X равна угол(X)-H=-2Δ/2.
φ
Ошибка в направлении Y равна угол(Y)-90˚-H=2Δ/2.
Пунктирная линия на фигуре демонстрирует фазовый дисбаланс в каждом направлении. Пунктирная линия, по существу, в 0,5 раз сплошной линии.
Теперь каждое направление X и Y совместно берет на себя половину нагрузки квадратурного дисбаланса. Потери составляют от 0 до 0,5 дБ в соответствии с максимальным дисбалансом в 5 градусов на каждой оси. Коэффициент усиления варьируется от 0 до 1 дБ. Примечание: в присутствие канала LOS (AWGN) большинство несущих может выравниваться на одной и той же фазе и ухудшаться на 1,5 дБ для случая повторяющейся обучающей последовательности. В том же сценарии ухудшение составляет только 0,5 дБ для поворотной обучающей последовательности, что соответствует коэффициенту усиления 1 дБ. Однако, когда фазовый шум и/или остаточное частотное смещение изменяет фазу формы падающей волны, фазовый дисбаланс варьируется от 0 до 10 градусов. Ошибка частично сглаживается. Но для высоких скоростей передачи данных разнесение может быть недостаточным для компенсации избыточной ошибки, которая регулярно возникает в поднесущих. На высоких скоростях передачи данных эффект сильнее.
Реализация поворотной обучающей последовательности не обязательно приводит к усложнению оборудования приемника или передатчика. На приемнике, поворот на 90 градусов до накопления выполняется за счет обмена I и Q каналов и обращения знака одного из них. Эту операцию можно производить или во временной области (если все частоты поворачиваются одинаково) или в Фурье-области, что является более общим случаем.
Compensation of IQ imbalance in OFDM systems
φ
ε
φ
ε
Используя обозначения публикации 2003 IEEE, , Jan Tubbax и др., авторы рассматривают дисбаланс на полпути между I и Q каналами, благодаря чему вместо дисбаланса 2Δ и 2 на I канале, получается дисбаланс Δ и  на каждом из I и Q.
Принятый сигнал, искаженный квадратурным дисбалансом, в отсутствие какого-либо канала и шума, можно выразить через переданный сигнал в виде
y=α x
β x
*
+
x
x
y
α
β
*
где  - комплексный переданный сигнал,  - его комплексное сопряжение,  - комплексный принятый сигнал, и ≈1 и ≈0 - комплексные величины, характеризующие искажение за счет квадратурного дисбаланса. Они задаются уравнениями
α=
φ+jε
φ
.
cosΔsinΔ
β=ε
φ-j
φ
.
cosΔsinΔ
Когда они равны 1 и 0 соответственно, принятый сигнал идентичен переданному сигналу.
c
cx
Случай модуляции во временной области в AWGN будет пересмотрен с использованием этого более формального описания. В отсутствие шума, но в присутствии канала AWGN с коэффициентом , принятый сигнал до дисбаланса равен , и после дисбаланса он выражается как
y=α c x
β c
x
*
*
+
Смещенная обучающая последовательность
u
u
При посылке обучающей последовательности, состоящей из символов ±, т.е. всегда выровненных с уникальным направлением  в 2D плоскости, получается 2 возможных принятых символа
y=α c u
β c
u
*
*
+
y=-α c u-β c
u
*
*
u
u
u
*
*
Полагая для упрощения, но без потери общности, что вектор  является единичным, для оценивания канала цифровая отмена вращения + и - соответственно применяется для получения канальной оценки
α c
β c
u
*
*2
+
u
С левой стороны оператора сложения указан канал (или близкая к нему величина), но с правой стороны указан шум или смещение. Этот шум не исчезает по мере усреднения все большего и большего количества обучающих символов: он остается, тогда как исчезает лишь белый шум. Поэтому оценка канала смещается, если передается обучающая последовательность, которая выровнена исключительно с символом .
x
В начале передачи данных , метрика, поступающая, например, на декодер Витерби, получается умножением комплексного сопряжения канала (согласованного фильтра канала) с принятым сигналом. Следовательно
α c
β c
u
y
α c
β c
u
α cx
β c
x
*
*2
*
*
*2
*
*
*
Метрика=[+]=[+][+]
После оценивания некоторых величин второго порядка
α
c
x+α β
c
x
α β
c
u
x
2
2
2
*
*
2
2
Метрика=||||||+
Первым слагаемым в вышеприведенной формуле метрики является, в идеальном случае, положительное действительное число, пропорциональное энергии канала, которое умножается на исходную точку сигнального созвездия. Но второе и третье слагаемые этой формулы представляют нежелательные шумы, создаваемые смещением. Их дисперсия шума одинакова и равна
α
β
c
x
2
2
4
2
||||||||
Отношение сигнал-шум (SNR) в отсутствие другого источника шума выражается как
α
c
x
α
β
c
x
4
4
2
2
2
4
2
SNR=||||||/2||||||||
α
β
2
2
=||/2||
ε
φ
2
2
≈0,5/[+Δ]
c
i
Этот шум не имеет составляющей белого гауссова шума, но если различные символы поступают из разных независимых каналов  (многолучевое распространение в CDMA, или перемежение, и т.д.), после объединения символов, получается медленная сходимость к белому гауссову шуму. Это SNR может быть порядка 10-20 дБ. Для скоростей передачи данных, обеспеченных при низких SNR, этот дополнительный шум может не представлять проблемы. Но для высоких скоростей передачи данных, обеспеченных при высоких SNR, этот дополнительный шум оказывает значительное влияние.
Несмещенная обучающая последовательность
u
u
v
Если, вместо посылки всех обучающих последовательностей, выровненных с уникальным направлением , половина символов передается выровненными с направлением, ортогональным , которое обозначается , то получается следующая усредненная канальная оценка:
α c
β c
u
v
α c
*
*2
*2
+(+)=
u
+v
*2
*2
Смещение в правой части исчезает, поскольку =0, когда эти два единичных вектора ортогональны. Тогда метрика выражается в виде
α
c
x+α β
c
x
2
2
2
*
Метрика=||||||
Шум квадратурного дисбаланса уменьшается наполовину. SNR (в отсутствие шума) повышается на 3дБ.
α
β
2
2
SNR=||/||
ε
φ
2
2
≈1/[+Δ]
OFDM
В OFDM, формула для принятого символа немного изменяется, за исключением того, что весь символ OFDM следует рассматривать как вектор символов,
y
c
x
c·x
α
β
*
=FFT{IFFT(·)+[IFFT()]}
·
c
где векторы обозначаются жирным шрифтом, и где операция () - это поэлементное умножение двух векторов. Канал  - это версия канала в Фурье-области. Это уравнение можно переписать в виде
y
c
x
c·x
α
β
m
*
=·+()
α
β
c
x
c
·x
m
m
*
*
=·+(  )
m
f
f
f
f
f
f
где индекс  обозначает вектор, отраженный по поднесущим. Вклад в принятый символ на частоте + вносят только каналы и символы на симметричных частотах + и -. Две симметричные поднесущие + и - могут быть изолированными, и принятый символ для поднесущей + выражается как
y
α c x
β c
x
m
m
*
*
=+
m
f
где индекс  обозначает канал или символ на частоте -. Основное различие между этой формулой и формулой для TDMA или CDMA состоит в том, что искажение теперь создается каналом и сигналом на другой частоте, а именно частоте -f. Это может оказывать значительное влияние на конкретный принятый символ, если симметричная частота имеет значительно более сильный канал или значительно более сильный сигнал. Поэтому в OFDM проблем может быть больше.
Смещенная обучающая последовательность
f
u
f
u
m
Предполагая, что пилотный тон, передаваемый на частоте +, это , и пилотный тон, передаваемый на частоте -, это , смещенная обучающая последовательность неправильно поворачивает пилотные тоны, тем самым внося смещение в канальную оценку
α c
β c
u
u
m
m
*
*
*
+
f
Тогда принятую метрику на частоте + можно выразить в виде
f
α
c
x+α
β c
c
x
α β
c u c
u
x+
β
c
u
u
x
2
2
*
*
*
*
*
2
2
*
m
m
m
m
m
m
m
Метрика(+)=||||  +||||
c
f
f
m
2
Четвертым (шумовым) членом в вышеприведенной формуле уже нельзя пренебречь, поскольку канал || может быть очень сильным. Шумовые члены теперь зависят от силы канала на частоте - и могут быть значительными. Частота - играет роль источника помех, которая может привести в замешательство декодер Витерби, который иногда может интерпретировать слабую метрику с высоким уровнем помех как хорошую метрику.
Несмещенная обучающая последовательность
α c
Для несмещенной обучающей последовательности канальная оценка равна , и 2 шумовых члена исключаются из уравнения для получения
f
α
c
x+α
β
c
c
x
2
2
*
*
*
*
m
m
Метрика(+)=||||
f
f
Усовершенствование очевидно. Однако трудно оценить преимущество для скорости передачи данных 480 мегабайт в секунду (Мб/с) в UWB-OFDM без моделирования в реалистической модели канала. Заметим, что для таких высоких скоростей передачи данных предполагается, что устройства имеют LOS или около LOS, и поэтому вариации канала на частотах + и - не предполагаются слишком большими. Однако разность в 3 дБ или более в силе канала весьма вероятна.
Квадратурный дисбаланс передатчика
α
β
Квадратурный дисбаланс также присутствует на стороне передатчика и добавляется к искажению. Если ' и ' обозначаются как коэффициенты дисбаланса на стороне передатчика, то выход передатчика можно выразить в виде
z=α
x
β
x
*
'+',
c
α
β
и приемник получает после канала  и искажения , ,
y=α c z
β c
z
*
*
+
αα
c+ββ
c
x
αβ
c+α
β
c
x
*
*
*
*
*
=('') +('')
a
c
c
x
b
c
c
x
*
*
*
=(, )+(, )
c
c
x
x
f
*
*
*
*
m
m
Вышеприведенный анализ применим к TDMA/CDMA, но также к OFDM, если  заменить на  , и  на   (т.е. значения на частоте -).
c
c
m
*
Проблема квадратурного дисбаланса как на передатчике, так и приемнике остается такой же, как исследованная выше, но с другими значениями для коэффициентов дисбаланса, которые являются функцией канала. Если пренебречь величинами второго порядка и предположить, что   не слишком сильнее или слабее, чем , то
y
αα
c
x
β
c+β
c
x
*
*
≈'+(')
Шум от искажения возрастает. Используемая несмещенная обучающая последовательность позволяет исключить некоторые члены, вносящие вклад в шум на метрике, как объяснено выше.
Передачи несмещенной обучающей последовательности можно добиться в традиционной системе UWB, передавая первую часть обучающей последовательности с использованием тракта I и вторую часть на тракте Q. Даже если в качестве сигнала маяка используется несмещенный (неповоротный обучающий сигнал), для экономии энергии путем отключения Q канала, особый сигнал, внедренный в преамбулу, может информировать приемник о типе обучающей последовательности. Альтернативно, приемник может автоматически выявлять обучающую последовательность, которая передается. Это не является сложной задачей, поскольку достаточно взглянуть на несколько сильных поднесущих, чтобы решить является ли передача идентичной или повернутой на 90 градусов.
f
Как отмечено выше, пилотные тоны рассматриваются как особый случай обучающих сигналов, поскольку многие традиционные системы используют пилоты, которые передаются в уникальном направлении в комплексной плоскости. По мере отслеживания пилотных тонов, смещение постоянно вносится в этом направлении. Лучшие пилоты получаются путем их изменения для каждого символа OFDM на 90 градусов, или, в одном и том же символе OFDM, поворота на некоторых спаренных (±) поднесущих на 90 градусов относительно других спаренных поднесущих (на других частотах). Это изменение в пилотных тонах несложно и также имеет нулевую стоимость. Из-за дрейфа тактового сигнала между передатчиками и приемниками пилотные тоны могут иметь возможность компенсировать некоторое смещение, вносимое начальной обучающей последовательностью со смещением при использовании несбалансированного обучающего сигнала. Другими словами, генерация только поворотных пилотных тонов, одновременно сохраняя смещенную (неповоротную) обучающую последовательность, снижает смещение в большинстве случаев.
Было произведено моделирование для измерения эффекта квадратурного дисбаланса со сбалансированной обучающей последовательностью и без нее. Для дисбаланса на стороне передатчика 10% по амплитуде (0,4 дБ) и 10 градусов по фазе, и для той же величины дисбаланса на стороне приемника, коэффициент усиления для наивысшей скорости передачи данных (480 Мб/с) составляет около 1 дБ. Можно ожидать еще большие коэффициенты усиления, если вносится больше типов потерь, что приводит к требованию более высокого SNR. Чем выше SNR, тем больший коэффициент усиления можно получить с использованием сбалансированной обучающей последовательности.
Фиг. 10 является блок-схемой последовательности операций способа, иллюстрирующей способ для передачи обучающей последовательности связи. Хотя способ изображен для ясности как последовательность нумерованных этапов, нумерация не обязательно определяет порядок этапов. Следует понимать, что некоторые из этих этапов можно пропустить, выполнять параллельно или выполнять без необходимости поддержания строгого порядка последовательности. Способ начинается с этапа 1000.
На этапе 1002 генерируют поворотный обучающий сигнал на передатчике с квадратурной модуляцией. Обычно, заранее определенная или известная информация посылается как обучающий сигнал. На этапе 1002a посылают обучающую информацию через тракт модуляции I, и на этапе 1002b посылают обучающую информацию через тракт модуляции Q. На этапе 1004 генерируют квадратурно модулированные данные связи. Этап 1004 можно выполнять после этапа 1002 или одновременно с выполнением этапа 1002. В одном аспекте на этапе 1004 генерируют сигнал маяка на скорости передачи данных маяка. Альтернативно, на этапе 1004 генерируют информацию на скорости передачи данных связи, большей скорости передачи данных маяка. На этапе 1006 передают поворотный обучающий сигнал и квадратурно модулированные данные связи. Обычно, генерация и передача символов или информации происходит почти одновременно.
В одном аспекте передача поворотного обучающего сигнала на этапе 1006 включает в себя первоначальную посылку обучающей информации через тракт модуляции I, и затем посылку обучающей информации через тракт модуляции Q. Например, первоначальная генерация обучающей информации через тракт модуляции I (этап 1002a) может включать в себя возбуждение тракта модуляции I, но без возбуждения тракта модуляции Q. Затем, генерация обучающей информации через тракт модуляции Q, после генерации обучающей информации через тракт модуляции I, включает в себя возбуждение тракта модуляции Q. Альтернативно, обучающую информацию можно посылать в противоположном порядке. В частности, генерация обучающей информации через тракт модуляции I на этапе 1002a может включать в себя генерацию первого символа, имеющего опорную фазу. Затем, генерация обучающей информации через тракт модуляции Q на этапе 1002b включает в себя генерацию второго символа, имеющего фазу, равную опорной фазе +90 градусов или опорной фазе -90 градусов.
В другом аспекте на этапе 1002b генерируют обучающую информацию через тракт модуляции Q с использованием следующих подэтапов (не показаны). На этапе 1002b1 генерируют обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q, и на этапе 1002b2 объединяют модулированные сигналы I и Q для выдачи второго символа. Альтернативно или дополнительно, генерация обучающей информации через тракт модуляции I может включать в себя подэтапы (не показаны). На этапе 1002a1 генерируют обучающую информацию одновременно через оба тракта модуляции I и Q, и на этапе 1002a2 объединяют модулированные сигналы I и Q для выдачи первого символа.
В другом аспекте передача (этап 1006) включает в себя подэтапы. На этапе 1006a организуют сигнал физического уровня (PHY), включающий в себя преамбулу, заголовок и полезную нагрузку. Заметим, что эта организация обычно происходит как реакция на прием информации, подлежащей передаче в соответствующем формате MAC. На этапе 1006b передают поворотный обучающий сигнал в заголовке PHY, и на этапе 1006c передают IQ модулированные данные связи в полезной нагрузке PHY.
В другом аспекте на этапе 1001a посылают многопакетную передачу с несбалансированным сообщением (этап 1001b), после которого следует поворотный обучающий сигнал (этап 1006). Несбалансированное или разбалансированное сообщение включает в себя неповоротный обучающий сигнал с обучающей информацией, посылаемой через тракт модуляции I (этап 1001b1), но без обучающей информации, посылаемой через тракт модуляции Q (этап 1001b2). Несбалансированное сообщение включает в себя сигнал формата генерируемого сообщения (этап 1001b3), указывающий, что поворотный обучающий сигнал посылается после несбалансированного сообщения. Квадратурно модулированные данные связи генерируется на этапе 1001b4. В другом аспекте генерация поворотного обучающего сигнала на этапе 1002 включает в себя генерацию P поворотных пилотных символов, и генерация квадратурно модулированных данных связи на этапе 1004 включает в себя генерацию (N-P) символов данных связи. Затем, передача на этапе 1006 включает в себя одновременную передачу N символов.
i
j
i
j
i
j
В другом варианте генерация поворотного обучающего сигнала на этапе 1002 включает в себя одновременную генерацию символов для множества поднесущих. В частности, на этапе 1002a используют обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции I, но не тракт модуляции Q, для  поднесущих. На этапе 1002b используют обучающую информацию, посылаемую через тракт модуляции Q, но не тракт модуляции I, для  поднесущих. Затем, генерация квадратурно модулированных данных связи на этапе 1004 включает в себя генерацию квадратурно модулированных данных связи для  и  поднесущих после генерации обучающей информации. В одном аспекте каждая  поднесущая соседствует с  поднесущей.
i
Более формально, канал, оцененный по поднесущей , представляет собой
α c
β c
u
u
m
m
*
*
*
+  (1)
j
Почти такой же канал оценивается по соседней поднесущей  с пилотом, повернутым на 90 градусов, как
α c
β c
ju
ju
α c
β c
u
u
m
m
m
m
*
*
*
*
*
*
+  =-  (2)
j
j
Примечание: символ для комплексной единицы  в уравнении не следует путать с подмножеством . Затем, после усреднения по поднесущим, т.е. после усреднения результатов (1) и (2), смещение автоматически устраняется.
Вышеописанную блок-схему последовательности операций способа также можно рассматривать как выражение машиночитаемого носителя, имеющего сохраненные на нем инструкции для передачи поворотной обучающей последовательности квадратурной модуляции. Инструкции для передачи поворотного обучающего сигнала будут соответствовать вышеописанным этапам 1000-1006.
Системы, способы, устройства и процессоры представлены для обеспечения передачи квадратурно модулированных поворотных обучающих сигналов в передатчике устройства беспроводной связи. Примеры конкретных протоколов и форматов связи приведены для иллюстрации изобретения. Однако изобретение не ограничивается лишь этими примерами. Специалист в данной области техники может предложить другие варианты осуществления изобретения.