用于对GFSK信号频谱建模的数据编码

申请号 CN201380028329.2 申请日 2013-05-30 公开(公告)号 CN104350715B 公开(公告)日 2018-02-09
申请人 萨热姆防务安全公司; 发明人 A·切奥迪尼;
摘要 根据第一方面,本 发明 涉及一种编码数据以使数据在通信信道上传输的方法,对表示整数x的P位的二进制序列执行一对一变换成为K个具有N个信息单元的序列,其中每个单元可以有多个状态,N不小于P。根据所述一对一变换,从有N个具有相同状态的信息单元的序列开始,根据整数x的值在N个所述信息单元中 修改 M个信息单元,以便采用不同的状态,M被定义成使得N中M的排列的数目至少等于
权利要求

1.一种编码数据以使数据在通信信道上传输的方法,对表示整数x的P位的二进制序列采用双射变换成为K个具有N个信息单元的序列,其中K≥2,每个信息单元能够有若干种状态,N大于或等于P,
通过双射变换,从K个具有N个信息单元的序列开始,具体到所述序列,序列的每个信息单元具有相同的状态,在每个所述序列的N个信息单元中的M个信息单元被修改为整数x的值的函数,使得M个信息单元采用不同的状态,M被定义为使得N中M的排列的数目至少等于
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述信息单元为能够采用状态“0”或状态“1”的位。
3.根据权利要求2所述的方法,其中K=2,M被定义为使得N中M的排列的数值至少等于并且所述双射变换从N个“1”位的第一序列和N个“0”位的第二序列开始,由在所述第一序列中将M个“0”位和(N-M)个“1”位组合以及在所述第二序列中将M个“1”位和(N-M)个“0”位组合而组成。
4.根据权利要求3所述的方法,包括将所述整数x分解为 的总和,其中x1对应于除法 的整数部分,而x2对应于所述除法的余数,并且其中:
–当所述整数x大于 时,整数部分x1由N位的所述第一序列来表示,而余数x2由N位的所述第二序列来表示,
–当所述整数x小于 时,余数x2由所述第一序列和所述第二序列共同来表示。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述信息单元能够采用4种不同状态。
6.根据权利要求5所述的方法,包括:
–将所述整数x分解成 的总和,其中y1对应于除法 的整数部分,而
y2对应于所述除法的余数,并且其中余数y2由具有N个信息单元而其中M个单元已经被修改成采用不同的状态的第一序列来表示;
–将整数部分y1分解成 的总和,其中y3对应于除法 的整数部分,
而y4对应于所述除法的余数,并且其中余数y4由具有N个信息单元而其中M个单元已经被修改成采用不同的状态的第二序列来表示;以及
–将整数部分y3分解变成 的总和,其中y5对应于除法 的整数部
分,而y6对应于所述除法的余数,并且其中余数y6由具有N个信息单元而其中M个单元已经被修改成采用不同的状态的第三序列来表示,而整数部分y5由具有N个信息单元而其中M个单元已经被修改成采用不同的状态的第四序列来表示。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法,其中,对编码后的数据进行调制。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,对编码后的数据进行GFSK调制。
9.一种对编码的数据进行解码的方法,应用根据权利要求1-6中的任一项所述的方法的双射变换的反变换。

说明书全文

用于对GFSK信号频谱建模的数据编码

技术领域

[0001] 本发明的领域是对数据进行调制用于其通过通信信道的传输。更具体地,本发明涉及一种减小已调制信号的频谱宽度的方法。

背景技术

[0002] 调制是将待传输的二进制序列变换成适应传输信道的信号的过程。具体而言,频移键控(FSK)是众所周知的,其中已调制信号在预定的频率之间变化。高斯频移键控调制(GFSK)是由FSK调制直接衍变而来:采用高斯滤波器以使负的(“0”位)和正的(“1”位)频率偏移之间的过渡平滑,因此减小了已调制信号的频谱宽度(与FSK调制相比,旁瓣的最大平减小)。GFSK调制具有恒幅包络,因此有对射频功率放大器的非线性产生的失真不敏感的优点。其在DECT(欧洲数字无绳电话)标准和 中得到显著的应用。

发明内容

[0003] 提高数据传输质量(以接收灵敏度进行评估)是本发明应用领域中的持续的目标。在本文中,致于减小已调制信号的频谱宽度,特别是采用GFSK调制时。
[0004] 为此,本发明提出一种编码数据以使数据在通信信道上传输的方法,其通过将表示整数x的P位的二进制序列应用双射变换为K个具有N个信息单元的序列来实现,其有k≥2,其中每个单元可以有若干种状态,N大于或等于P;通过双射变换,从K个具有N个信息单元的序列开始,具体到所述序列,一个序列的每个信息单元具有相同的状态,在每个所述序列的N个信息单元中的M个信息单元被修改为整数值x的函数,使得他们采用不同的状态,M被定义为使得N中M的排列(permutation)的数目至少等于
[0005] 该方法的一些优选的但非限定性的方面如下所示:
[0006] –K=2并且M被定义为使得N中M的排列的数目至少等于 双射变换从N个“1”位的第一序列和N个“0”位的第二序列开始,由在第一序列中将M个“0”位和(N-M)个“1”位组合以及在第二序列中将M个“1”位和(N-M)个“0”位组合而构成;
[0007] –包括将整数x分解为 的总和,其中x1对应于除法 的整数部分,而x2对应于所述除法的余数,并且其中:
[0008] –当整数x大于 时,整数部分x1由N位的第一序列来表示,而余数x2由N位的第二序列来表示,
[0009] –当整数x小于 时,余数x2由第一序列和第二序列共同来表示;
[0010] –信息单元可以显示四种不同的状态;
[0011] –编码后的数据进行调制,具体为采用GFSK调制。
[0012] 本发明也延伸至应用双射编码变换的反变换的解码方法。它也包括了编码器解码器附图说明
[0013] 通过阅读仅作为非限制性实例并且参考附图给出的本发明的不同实施方案的如下详细描述,本发明的其他方面、目的和优势将变得更清楚明显,在附图中:
[0014] –图1显示了作为理想信号的频率的函数的谱功率密度,其频谱被减小到与“0”位和“1”位相关的两个单频偏移;
[0015] –图2显示了本发明的编码所生成的两个N位的序列的串接,一个通过将M个“0”位和(N-M)个“1”位组合而得到,另一个通过将M个“1”位和(N-M)个“1”位组合而得到;
[0016] –图3显示了作为常规信号和符合本发明的信号的频率的函数的谱功率密度。

具体实施方式

[0017] 如上面所讨论的,通过减小用于在通信信道上传输的已调制信号的频谱宽度可以获得接收灵敏度的增益。
[0018] 以GFSK调制为例,理想的情况应当是将频谱减小至只有与“0”和“1”位相关的两个偏移。在这种情况下,频谱将仅仅由两个纯复数指数形成:如显示作为频率的函数的谱功率密度的图1中所示,一个在-f0,另一个在+f0,且其中f0=288kHz。为达到上述结果,必须在传输一系列“1”后紧跟一系列“0”(或相反)。这会不利地导致传输容量的暴跌,这是因为在基于通常根据G.726协议采用32kbit/s音编码的DECT标准的本发明的应用实例中最后只等效于传输了两个数据位,而不是320。下面将会看到,本发明正是基于一系列“0”或者“1”的传输原理来减小已调制信号的频谱宽度。
[0019] 本发明的一个可能应用涉及到使用根据例如编解码器G.726的音频压缩的通信,具体而言,为基于DECT(欧洲数字无绳电话)标准的通信。在应用的一个实例中,本发明提出将编解码器配置在低于最大速率的二进制速率上(例如对于通常的速率是32kbit/s的应用,设置为16kbit/s甚至8kbit/s),以利用因此空余的二进制空间(16kbits/s)。
[0020] 根据第一个方面,对表示整数x的P位的二进制序列进行编码,以使其在通信信道上传输。回到DECT实例中,在给定的基本周期T(通常10或20ms)中声码器产生的二进制序列形成了包括2P个元素的集合E(其中P指定生成的以位表示的二进制段的长度,二进制段的值为整数值,下文将其称为x)。例如,如果声码器被配置为以16kbit/s工作,如果T=10ms,那么P=160位。在这种情况下,E的基数等于2160=1.4615x1048。
[0021] 本发明提出将表示整数x的P位的所述二进制序列进行双射变换为K个具有N个信息单元,其中每个单元可以有若干状态,且N大于或等于P。信息单元通常为能够采用两种状态的位,分别为“0”或者“1”。本发明也可延伸至其他类型的信息单元,例如下面详细描述的能够采用四种不同状态的信息单元。
[0022] 根据本发明,从具有相同状态的N个信息单元的序列开始,N个信息单元中的M个信息单元被修改为整数x的值的函数,使得其采用不同的状态。M被定义为使得M中N的排列的数目至少等于 并且,取决于整数x的值,在N个单元中修改M个不同单元使得整数x和由变换得来的K个具有N个单元的序列具有双射关系。
[0023] 回到先前的示例中,可以利用通过工作在16kbit/s,甚至8kbit/s的降低速率上,而不是32kbit/s的常规速率上的声码器的使用而变得有效的二进制空间。这给出了320个位的有效负荷来传输P=160位的系列,甚至P=80位的序列。
[0024] 按照实施方案的一个变型,可以设K=2,即,将P位的二进制序列变换成例如由两个二进制序列(例如,长度N=160位)串接而得到的二进制段(例如,长度为320位):第一个序列是通过将M个“0”位和N-M个“1”位组合而得到的,而第二个序列是通过将M个“1”位和N-M个“0”位组合而得到的。选择M使得N中M的排列的数目至少等于 因此,如果声码器的速率为8kbit/s时,M必须大于或等于8,而如果声码器的速率为16kbit/s时,M必须大于或等于19。
[0025] 为此,将整数x分解为 的总和,其中x1对应于除法 的整数部分,而x2对应于上述除法的余数。当整数x大于 时,整数部分x1由N位的第一序列来表示,而余数x2由N位的第二序列来表示。相反地,当整数x小于 (这种情况下X1为0)时,余数x2可由第一序列和第二序列来共同表示,这可使得在–f0和+f0这两个频率附近频谱能够平衡。
[0026] 图2显示了如上说明的被串接的N位的两个序列。首先可以看出通过本发明的编码生成的二进制段包括其后跟随大部分的“0”的大部分的“1”,其次,二进制过渡的数目较小(与N相比,M较小)。因此,获得的频谱将会接近于上文提到的理想频谱。图3对比了“常规的”GFSK已调制信号的谱功率密度(虚线所示)以及预先经本发明的编码之后的GFSK已调制信号的谱功率密度(实线所示)。由图3可推断出,采用本发明可以减小已调信号的频谱宽度,并减小旁瓣的最大水平(从而减小邻近信道上的干扰)。另外,以相对简单的方式获得了频谱效率的增加。
[0027] 根据另一变型,可设K=1,使得P位(例如,160位)的二进制序列变换成N位(例如,320位)的二进制序列,其是基于N个“1”位和对应的(respectivement)“0”位的序列,通过将M个“0”(对应“1”)位结合在(N-M)个“1”(对应“0”)位之中而形成的。其中M的选择使得N中M的排列的数目至少等于2P。
[0028] 四进制的FSK类型的调制也是众所周知,被称为四进制调制是在于与二进制变换相对照,调制后的数据不是用位来表示,而是用具有四种状态的信息单元来表示(例如,状态00=“蓝色”,01=“绿色”,11=“黄色”或者10=“红色”)。QGFSK调制显然是这种情况。在上述配置中,由P位的二进制序列来表示的整数x可以变换成K=4个有N个具有四种状态的信息单元的序列。从有N个全部具有相同状态的信息单元的序列开始,对其中M个信息单元进行修改使得他们采用不同的状态。回到采用颜色的形式表示状态的示例中,从有N个蓝色状态的序列开始,可以修改该序列使得它由M个黄色状态和(N-M)个蓝色状态组成。从仅仅包含黄色的序列开始进行反转替代(substitutioninverse),黄色-蓝色黄色,以及在绿色和红色状态之间执行类似的操作。其中M被定义为使得从N中M的排列的数目至少等于[0029] 可对整数x作如下分解: 比值 的余数y2可以由有N个信息单元的第一序列表示,其中M个单元已经从第一状态(例如蓝色)被修改为采用不同状态(例如黄色)。比值 的整数部分y1可以作如下分解: 而余数y4可以由
有N个信息单元的第二序列来表示,其中M个单元已经从第二状态(绿色)被修改为采用不同状态(红色)。比值 的整数部分y3可以作如下分解: 余数y6可以
由有N个信息单元的第三序列来表示,其中M个单元已经从第三状态(黄色)被修改为采用不同状态(蓝色),而整数部分y5可以由有N个信息单元的第四序列来表示,其中M个单元已经从第四状态(红色)被修改为采用不同状态(绿色)。
[0030] 回到二进制的情况,下面详述直接变换的示例,允许由M个“1”(对应“0”)位与N-M个“0”(对应“1”)位的组合形成的二进制字y与给定整数x双射关联,其中M的定义如前面所述。根据本实施方案,x的值增加越多,M位从直线移开得越多:因此整数x=0可用N-M个“0”后接M个“1”的形式表示,而与比值 的整数部分相对应的整数用M个“1”后接N-M个“0”的形式表示。
[0031] 初始化:m=1,j=0,y=[00…0](resp.y=[11…1])
[0032] 循环:
[0033] n从1到N:
[0034] 如果(M-m)≥0那么
[0035] 计算
[0036] 否则
[0037] S=1
[0038] 结束
[0039] 如果x
[0040] y(n)=1(resp.y(n)=0)
[0041] m:=m+1
[0042] j:=j+1
[0043] 如果j=M那么
[0044] 退出循环
[0045] 结束
[0046] 否则
[0047] x:=x–S
[0048] 结束
[0049] 结束
[0050] 在本发明中,因此被编码的整数x在传输信道上进行传输之前进行调制的处理,典型为GFSK调制。在接收方,接收的数据被解调而后进行与整数x的直接双射变换(编码)相反的变换(解码)。
[0051] 与作为示例的上面介绍的变换相反的变换允许整数x与M个“1”(对应“0”)位和N-M个“0”(对应“1”)位的组合构成的给定二进制字y相关。因此它可以写成如下的算法形式:
[0052] 初始化:m=1,j=0,x=0
[0053] 循环:
[0054] n从1到N:
[0055] 如果(M-m)≥0那么
[0056] 计算
[0057] 否则
[0058] S=0
[0059] 结束
[0060] 如果y(n)=0(resp.y(n)=1)那么
[0061] x:=x+S
[0062] 否则
[0063] m:=m+1
[0064] j:=j+1
[0065] 如果j=M那么
[0066] 退出循环
[0067] 结束
[0068] 结束
[0069] 结束
[0070] 显然,本发明并不局限于编码方法而也可延伸至配置成应用所述编码的编码器。显然它同样涉及到应用与双射编码变换相反的变换的解码方法,以及配置成执行所述解码的解码器。
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