使用hermetic變換發(fā)射和接收使用ofdm的信號(hào)的設(shè)備和方法
【專利說(shuō)明】使用HERMETIC變換發(fā)射和接收使用OFDM的信號(hào)的設(shè)備和 方法
[0001] 關(guān)聯(lián)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)依據(jù)§ 119(e)要求于2012年8月2日提交的標(biāo)題為"Devices and Methods Using the Hermetic Transform and Related Linear Transform Approaches" 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/678, 716的優(yōu)先權(quán)，并且是依據(jù)§ 119(e)要求于2012年3月7 日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/607743的優(yōu)先權(quán)的于2013年3月7日提交的序列號(hào)為 No. 13/788, 556申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，這些文件中的每個(gè)的內(nèi)容通過(guò)參考方式以其全部?jī)?nèi) 容和所有目的并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 本公開(kāi)涉及對(duì)于應(yīng)用如信號(hào)的定向或非定向的接收和/或發(fā)射使用Hermetic變 換以及相關(guān)的變換的系統(tǒng)和方法，其使用相位陣列設(shè)備和系統(tǒng)和/或利用Hermetic變換以 創(chuàng)建和譯碼在數(shù)據(jù)發(fā)射中使用的多個(gè)調(diào)制的子載波音調(diào)。對(duì)于定向發(fā)射而言，Hermetic變 換（和相關(guān)的變換）可以使用陣列流形來(lái)設(shè)計(jì)，陣列流形實(shí)際上是所討論的陣列對(duì)從不同 的方向到達(dá)的信號(hào)的復(fù)合校準(zhǔn)響應(yīng)向量，不論從數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)而來(lái)還是從以具體形式配置 的收集數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)而來(lái)。變換可以用于接收器和/或發(fā)射束，以提供比傳統(tǒng)方法可以允許的 主波瓣更窄的主波瓣。關(guān)于Hermetic變換的進(jìn)一步背景可以在通過(guò)參考方式以其全部?jī)?nèi) 容和所有目的并入本文中的美國(guó)專利No. 8, 064, 408中找到。
[0004] 對(duì)于或者定向或者非定向數(shù)據(jù)發(fā)射而言，正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM)是一種對(duì)多 子載波頻率上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方法，其中，子載波被選擇為無(wú)干擾的（正交的）。 OFDM和OFDMA已用于寬帶數(shù)字通信，其包括在例如數(shù)字電視和無(wú)線電廣播、DSL廣播互聯(lián)網(wǎng) 接入、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，諸如802. 11的應(yīng)用中使用的基于通信的無(wú)線通信和4G移動(dòng)通信。
[0005] 在傳統(tǒng)OFDM中，多個(gè)緊密間隔的正交子載波信號(hào)用于承載數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被劃分為多 個(gè)并行數(shù)據(jù)串或信道，每個(gè)子載波一個(gè)。利用常規(guī)調(diào)制方案（例如正交振幅調(diào)制（QAM)，或 相移鍵控（PSK)，以低符號(hào)率調(diào)制每個(gè)子載波，維持與相同帶寬中的常規(guī)單載波調(diào)制方案類 似的總體數(shù)據(jù)率。OFDM相對(duì)單載波方案的優(yōu)點(diǎn)包括處理嚴(yán)重信道條件的能力。信道均衡 被簡(jiǎn)化，這是因?yàn)榭梢詫FDM視為使用許多個(gè)慢速調(diào)制窄帶信號(hào)，而不是一個(gè)快速調(diào)制寬 帶信號(hào)。低符號(hào)率使得符號(hào)之間的保護(hù)間隔的使用可負(fù)擔(dān)得起，使得可以消除符號(hào)間干擾 (ISI)并且利用來(lái)自多路徑傳播的回波和時(shí)間擴(kuò)頻，以為了實(shí)現(xiàn)分集增益，用于信噪比改 進(jìn)。
[0006] 利用標(biāo)準(zhǔn)0FDM，復(fù)合調(diào)制通過(guò)快速傅里葉逆變換（IFFT)，該快速傅里葉逆變換產(chǎn) 生信號(hào)的實(shí)部或Q波形以及虛部或I波形分量。這些實(shí)部和虛部被表現(xiàn)為余弦和正弦波形 (子載波）并且被總計(jì)以提供用于發(fā)射的真實(shí)信號(hào)，在例如Wi-Fi的應(yīng)用的情況下，真實(shí)信 號(hào)被混合到例如在2. 4或5. 8GHz處的無(wú)線電頻率載波上。使用快速傅里葉變換，以調(diào)制的 相反方式完成解調(diào)制。
[0007] 對(duì)于可以由信號(hào)承載的數(shù)據(jù)率的基本限制是香農(nóng)信道容量，C = Blog2(l+S/N)， 其中C為以比特/秒計(jì)的信道容量，B為信號(hào)帶寬，而S/N為信號(hào)功率與噪聲功率的比例。 OFDM的另一個(gè)限制為使用FFT/IFFT實(shí)現(xiàn)子載波之間的正交的要求間隔。兩個(gè)因素會(huì)改進(jìn) OFDM的數(shù)據(jù)率，一個(gè)為噪聲的減少（增加 S/N)，而另一個(gè)為以更緊密間隔的子載波實(shí)現(xiàn)正 交，因此在并行子載波信道中承載更多數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 描述用于通過(guò)利用Hermetic變換和Hermetic逆變換代替FFT和IFFT，對(duì)于OFDM 和OFDM使用Hermetic變換和Hermetic逆變換用發(fā)射和接收信號(hào)的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)和 方法包括接收串行信號(hào)，將串行信號(hào)劃分成多個(gè)并行信號(hào)，執(zhí)行Hermetic逆變換以產(chǎn)生實(shí) 部信號(hào)和虛部信號(hào)，將實(shí)部和虛部信號(hào)轉(zhuǎn)化成邏輯信號(hào)，將信號(hào)升頻，以及作為RF信號(hào)發(fā) 射。接收方法基本上為相反執(zhí)行。發(fā)射過(guò)程可以包括噪聲調(diào)節(jié)矩陣。
[0009] 從以下描述和附圖中，其它特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1-4為根據(jù)本文描述的方法執(zhí)行的處理步驟的框圖。
[0011] 圖5-8為顯示來(lái)自本文描述的系統(tǒng)和方法的結(jié)果的繪圖。
[0012] 圖9-14為顯示在檢測(cè)干擾機(jī)中的使用的框圖和繪圖。
[0013] 圖15和16顯示利用IFFT和FFT的典型OFDM發(fā)射和接收。
[0014] 圖17和18示出在OFDM應(yīng)用中的比較。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 在定向接收的情況下，所利用的常規(guī)方法是基于空間匹配濾波器的。通過(guò)將每個(gè) 陣列元素信號(hào)信道{VJ乘以來(lái)自給定"觀看方向"的期望響應(yīng)的復(fù)共軛，并且總計(jì)結(jié)果，空 間匹配濾波器在給定方向上形成波束，其特征在于以方向余弦集合（α，βρ γ)。下文中的 討論應(yīng)用于向量場(chǎng)（例如，電磁波）同樣應(yīng)用于標(biāo)量場(chǎng)（例如，電磁波場(chǎng)）的接收。但是， 在處理中，與向量分量和極化關(guān)聯(lián)的索引被抑制，例如在下文中，接收的信號(hào)的場(chǎng)被看作標(biāo) 量（被抑制的場(chǎng)索引）。
[0016] 假設(shè)有M個(gè)接收方向（"觀看方向"和"波束控制方向")，典型情況是第m個(gè)光束：
[0017] B(t;am, β?ω, γω) =6Σ A；(Ri；a ω, β im, γ ffl) exp H [ Φ (Ri)} Vi (t)
[0018] 該和基于N個(gè)接收元素的集合，以為了形成在期望觀看方向中的單波束。"G"項(xiàng)為 增益項(xiàng)，用于對(duì)波束振幅適當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)化。
[0019] 在實(shí)踐中，一種用于確定來(lái)自各種到達(dá)方向的期望響應(yīng)的方法是實(shí)驗(yàn)地測(cè)量每個(gè) 方向的響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)集合被稱為"陣列流形"。然而，作為理想化的情況，可以假設(shè)陣列包 括在位置{RJ處的點(diǎn)接收元素集合，并且假設(shè)信號(hào)到達(dá)對(duì)應(yīng)于來(lái)自與波向量{km}對(duì)應(yīng)的M 個(gè)離散觀看方向集合的平面波，在這種情況下，M個(gè)波束輸出的表達(dá)如下：
[0020] Bm(t) = Σ exp (_j km. RjVi ⑴
[0021] 平面波到達(dá)的波向量Ii111可以表示為：
[0022] km= (2 π / λ ) [cos ( a m), cos ( β m), cos ( γ m)]
[0023] 同樣，該和基于N個(gè)接收元素。對(duì)于帶有M個(gè)觀看方向的M個(gè)接收波束的情況而 言，上文的表達(dá)可以根據(jù)線性（矩陣）變換而寫(xiě)成如下：
[0024] B = T*V
[0025] 其中，對(duì)于每個(gè)時(shí)間樣本（t)而言，波束成形器的輸出為帶有分量Bm的向量B，輸 入樣本被排列為帶有分量\的列向量，并且變換矩陣T具有元素，
[0026] Tmi = exp (-j k m. Ri)
[0027] 對(duì)于上述的平面波到達(dá)的情況而言，人們認(rèn)識(shí)到線性變換本質(zhì)上為在空間/波向 量域中的傅里葉變換。在規(guī)則間隔元素，和線性或平面幾何形的情況下，離散傅里葉變換和 快速傅里葉變換算法可以使用以利用數(shù)字信號(hào)處理（DSP)硬件中的有效實(shí)現(xiàn)來(lái)完成上述 變換。在空間不相關(guān)環(huán)境噪聲情況下，空間匹配濾波器產(chǎn)生最大信噪比。而且，陣列的半波 長(zhǎng)間隔（L= λ/2的元素間間隔）產(chǎn)生接收的噪聲信號(hào)之間的確切為零的相關(guān)性。這種表 述的兩個(gè)推論為：（1)上文的匹配濾波器束生成器已知在所陳述的情況下在信噪比方面最 優(yōu)；和（2)對(duì)于帶有更緊密間隔的元素的陣列而言，由陣列元素接收的環(huán)境噪聲信號(hào)變得 空間上相關(guān)并且因此在人們可想到的處理方法方面變得更"類似信號(hào)"。
[0028] 條件L = λ /2代表在空間奈奎斯特速率上的采樣，避免空間混疊的最小空間采 樣，其會(huì)產(chǎn)生不想要的光柵波瓣，即遠(yuǎn)離波束觀看方向的不想要方向上的強(qiáng)烈響應(yīng)。已知這 種陣列對(duì)于給定向量的波束響應(yīng)具有大致符合表達(dá)式△ K △ R~1波束形狀，其中△ K對(duì)應(yīng) 于波向量空間中的波束模糊度（主波瓣寬度），并且AR對(duì)應(yīng)于陣列維數(shù)。例如，在一維、長(zhǎng) 度D的點(diǎn)元素線性陣列情況下，弧度Λ Θ的波束寬度的經(jīng)驗(yàn)法則通過(guò)以下來(lái)給定：
[0029] Δ Θ = λ/D
[0030] 其中，λ為聲波長(zhǎng)。實(shí)質(zhì)上形成的空間濾波器（波束）僅對(duì)于在圍繞選擇的觀看 方向的角度的Δ Θ范圍內(nèi)的信號(hào)到達(dá)產(chǎn)生顯著響應(yīng)。在線性陣列的情況下的波束成形器 的實(shí)際響應(yīng)對(duì)應(yīng)于從衍射理論已知的熟悉模式，并且上述公式有時(shí)候被稱為關(guān)于分辨率的 衍射限制。這種經(jīng)驗(yàn)法則是一種公知的不確定原則，