用于多速率联播通信的装置 本发明一般涉及一种用于高速联播多速率报文传输和寻呼系统的方法和装置，尤其涉及一种采用正交频分复用的高速联播多速率报文传输和寻呼系统的方法和装置。
今天，有大量采用调频(FM)的通信系统在运作。例如目前的寻呼系统是根据预定的包括诸如序列数字编码同步、地址以及消息数据字的传输协议，将寻呼发射机的寻呼信号发送给多个便携式寻呼接收机。目前用于联播高速数据速率的寻呼系统的发射机分开放置，以使寻呼信号从发射机传输时所需时间的不同所导致的差分时延问题最小。特别是发射机的空间间隔距离受信道码元速率的倒数所对应的差分时延地限制。当联播发射机之间的差分时延大于某个比值，通常是信道速率的相邻码元时间(Ts)的1/4或1/3时，联播发射机之间的差分时延会导致严重的问题。例如，对于信道速率为2400BPS的，Ts＝1/2400。因此发射机间隔通常不超过一定的距离“X”以保证业务区内的差分时延小于1/4或1/3Ts。这给需要采用明显更高数据发送速率带来了问题。发射机放置的限制也产生了发射机高密度要求，这样一来，由于发射机数目的增加而使成本更高。
因此，在报文传输和寻呼系统技术中，需要能比目前发射机更高的速率来传输数据的系统。在以多个发射机覆盖一定地理区域的报文传输和寻呼系统技术中，还需要其覆盖区域仅仅依赖于信号强度而非差分时延的系统，从而允许覆盖区域内的发射机密度更低。还有，需要高速传输的联播特性不依赖于信道数据速率，而是受可用带宽限制的报文传输和寻呼系统。
图1是与本发明优选实施方式对应的双模接收机的电气方框图。
图2是适合用于本发明的协议的例子。
图3是送给按照图1所示的本发明的优选实施例的接收机、FM解调器和OFDM解调器的功率时序图。
图4是按照本发明的优选实施方式的OFDM调制与解调的流程图。
图5是按照本发明的优选实施方式的报文传输系统的电气方框图。
图6是按照本发明的优选实施方式的部分发射机的电气方框图。
本发明包括一个联播报文投送系统，它利用一种如FM的第一调制方法，以及如熟知的正交频分复用(OFDM)第二调制方法。传输格式结合协议将调制方法通知给用户单元。传输格式采用熟知的快速付立叶变换(FFT)对OFDM调制格式进行编码。寻呼系统包括多个用于覆盖一定地理区域的发射机，地理区域内的覆盖仅仅依赖于信号强度而不是差分时延。
一般地讲，本发明的本优选实施方式包括一个报文传输系统，用于向多个数据通信接收机(如寻呼机、选择呼叫接收机)发送报文。该报文传输系统包括多个地理上分布的报文传输发射机，每个发射机包括用于产生射频信号的装置。每个发射机包括用如FM的第一调制格式来调制的装置、一个包括地址和其它诸如报文特征信息的第一传送部分；以及，用如OFDM的第二调制格式来调制第二传送部分的装置，第二传送部分包括以帧形式发送的报文数据；以及，用于发送射频信号的装置。诸如熟知的Motorola的FLEXTM之类的协议用以在同步帧内指到时间段，以允许同一传输使用不同调制。
多个数据通信接收机中的每一个包括用于接收和解调以第一调制格式传输的射频信号的接收机电路；用于以第一调制格式传输的选择呼叫地址信息和报文特征信息解码的装置；对应于在第一传送部分期间传输的报文特征信息的接收机电路，用于接收和解调以第二调制格式传输的射频信号；以及，用于对以第二调制格式传输的报文数据解码的装置。报文被传给由该地址唯一指定的数据通信接收机(或一组数据通信接收机)，并且其中的报文特征信息指明信息业务。
如图2所示，寻呼系统包括传输格式协议100，它包括两部分。第一传送部分102以第一调制格式发送，例如是FM。该第一传送部分允许用户单元接收机以低功耗模式工作，从而延长电池寿命。第二传送部分104以第二调制格式，优选OFDM来发送，它要求接收机工作在较高功耗模式下。第一传送部分102包括寻呼机地址106和报文矢量108，它可依据业务用几个数据速率之一来发送，如采用FLEXTM协议时，所提供的数据速率有1600BPS2级FM、3200BPS 2级FM、3200BPS 4级FM和6400BPS 4-级FM。
用户单元接收机是一个双模接收机，类似于本发明受让人指定的美国专利号5,239,306中所描述的，在此作为参考并在下面描述。所述专利的双模接收机在采用FM来发送地址和报文特征信息的系统中运作，此系统利用线性调制格式来同时发送多个模拟语音报文。接收机接收该地址和指定由此接收机接收的部分传输带宽的报文特征信息。然后该接收机接收并解调此部分传输带宽，以解码多个语音报文中的至少一个。
现在参看图1，本发明的优选实施方式的数据通信接收机200设计成用于在常规信道上，接收以诸如FM的第一调制格式传输的地址和报文特征信息，以及以诸如OFDM的第二调制格式传输的数据。数据通信接收机200包括一常规接收机单元201，它含有一个射频(RF)放大器、一个下转换单元以及一个IF放大器，它们采用的是本技术中熟知的技术。接收机单元201耦合到用于检测以第一调制格式传输的信息的第一(如FM)解调器202，它所需功率低。第二(如OFDM)解调器204也接到接收机单元201上，以用于检测以第二调制格式传输的数据，它所需的功率比较大。检测到的第二调制格式的数据基本上占据了整个发射频带。第二(如OFDM)调制器204优选采用FFT逆变换(IFFT)在数字信号处理器(DSP)220中处理，以用本技术所熟知的技术来解调OFDM调制格式，数字信号处理器(DSP)220例如是由Illinois Schaumburg的Motorola Inc.生产的DSP56000数字信号处理器。常规的节电器开关电路206还分别为解调器202、204提供供电选择。
在运行中，发射机302-310(图5)优先发送包括两部分传输格式协议的信号。第一传送部分102以第一调制格式发送，例如是FM，并包含寻呼地址机106和报文矢量108。第一调制格式的信息由接收机单元201接收。节电器开关206在解码器/控制器208的控制下给接收机单元201供电以接收此传输信息。节电器开关206还耦合接到FM解调器202上，使能解调由接收机单元201接收的FM调制信号。解调信息供给解码器/控制器208。提供耦合接到此解码器/控制器208上的代码存储器210，用于存储指定给特定单元的地址信息。当在对应于指定给特定单元的预定地址信息的解调信息中检测到从发送地址106来的一个地址时，该单元解调此报文矢量108，报文矢量108包括通知单元有关速率与调制格式的信息，借此传输余下的报文特征信息，还包括报文块110内位置，它包含报文的起始处。
如果参数要求传输格式协议的第二部分104采用第二调制格式，节电器开关206在解码器/控制器208的控制下，中止给FM解调器202的供电，然后向第二解调器204供电，在本发明的优选实施方式中是采用FFT逆变换处理的OFDM解码器。第二解调器204完成以第二(OFDM)格式接收的数据的解调，此格式用于传输格式协议100的第二部分104。以第二调制格式接收的信息由接收机单元201接收，然后由它将接收数据耦合到OFDM解调器204。解调后的报文数据从OFDM解调器204的输出耦合到数据处理单元212的输入。解码器/控制器208接到数据处理单元212，使数据处理单元212能处理以第二调制格式接收的报文数据。处理后的信息暂存在存储器214中，并能被用户恢复并显示在数据显示装置216上。一旦报文数据完成，在解码器/控制器208的控制下，由节电器开关206中止给OFDM解调器204的供电。数据通信接收机200优选时还包括一常规FSK FM发射机218，它耦合接到解码器/控制器208，用于发送确认传输。有利的是在一种备选实施方式中可以不要发射机218。
如图2所示，当在信道上开始一个报文传输时，以熟知的FM格式调制的第一传送部分102在此信道上传输。该第一传送部分102包括报头和同步位，接着是地址块106中的寻呼机地址和报文矢量108，报文矢量108包括在第二传送部分中有关报文数据110调制格式的信息。
图3描述的是本发明对应的数据通信接收机200的供电时序图。在时间间隔120期间，电源首先供给接收机单元201；而在时间间隔122期间供给FM解调器202，以此来接收用FM格式调制的报头和同步字信息。在时间间隔124期间是禁止向OFDM解调器204供电的，以此来节约单元的用电。在检测到报头和同步字后，在时间间隔120期间继续给接收机201单元供电，而在时间间隔122期间向FM解调器202供电，以此来接收第一传送部分中的附加地址和报文特征信息。由于下一传输部分包括传向数据通信接收机200的高速OFDM调制数据，因此在时间间隔130期间继续向接收机单元201供电。然而在时间间隔128期间停止对FM解调器202的供电；而在时间间隔132期间向OFDM解调器204供电。在时间间隔132期间接收高速OFDM调制数据以后，在时间间隔134期间停止对接收机单元201的供电，在时间间隔136期间停止对OFDM解调器204的供电。在时间间隔138和140期间，分别重新给接收机单元201和FM解调器202供电，从而又能接收新的报文。借助于只在高速数据的第二传送部分104期间给OFDM解调器204供电，与以高速高功耗OFDM格式来接收所有信息相比大大地延长了电池的寿命。
一种采用OFDM来进行数字数据传输的系统在美国专利号5,371,548中有描述，在此作为参考并在下面进行描述。从本质上来说，OFDM是一种数据传输技术，它将一个数据流分成多个数据流(“帧”)，分后所得的数据流的帧速率比原始数据流的比特速率更低。然后用此相对低速的数据流(“帧”)调制它自己的独立载波信号。为了提供最大带宽效率以及处理的简单，载波信号必须相互正交。如果两个或多个信号的乘积在一定的时间间隔的积分等于零，则它们是正交的。
付立叶变换是一种在频域中表示时域数据的技术。付立叶本身又引出了OFDM技术，因为作为付立叶变换基础的正弦函数与余弦函数是正交函数。借助数字信号处理方式的优势，实现OFDM明显变得更为实用有效。这主要归功于硬件、软件和算法的提高，算法已经发展到能更有效地完成离散付立叶变换。该算法称之为快速付立叶变换(FFT)。
在第二传送部分104期间，本发明的OFDM调制格式的基本原理如图4所示，它包括以下步骤：1)步骤410，将要以每秒S个比特进行高速传输的数据分段成“多个帧”，每个帧包含N个比特，N可优选成2的次方，但这不是必须的；2)步骤420，在每个N比特帧上进行快速付立叶变换(FFT)，每N/S秒得到FFT{N}＝{N个“实部”与N个“虚部”值}；3)步骤430，用这N个复数振幅FFT{N}去设置N个副载波的振幅，然后在时间周期Ttx＝N/S秒内发送，并在频率上以帧周期的倒数来隔开(从而传输的带宽B为B＝N/Ttx Hz)；以及，4)步骤440，在接收机中通过每Ttx秒对信道采样N次来恢复数据；以及，步骤450，执行FFT逆变换(IFFT)，以此恢复那个帧中的原始比特流的N个比特。在传输格式中，参数N(等于每OFDM帧比特数)可根据第二传输周期期间要求的数据速率来选择。优选时在协议的第一传输周期期间传输N的值。有利的是N可选择为固定系统参数。
在本发明中，帧表示预定帧速率下的N个数据比特的时序。第二调制格式包括一个多载波调制格式，它提供与数据比特时序的频域相关的多个载波频率。
一种第二调制方法参数的选择方法是根据系统确定的数据速率要求以及系统对联播传输地点进行选择来进行。在本发明的优选实施方式中，选择N以使第二传送部分104的OFDM“帧”速率与第一传送部分102的码元速率相“匹配”。速率没必要完全匹配，只要速率不超过系统限制就行。在本优选实施方式中，预定帧速率小于数据比特率。地址信息用预定码元速率传送，并且预定帧速率在数值上与预定码元速率匹配。地址信息包括定义预定帧速率的报文特征信息。
因此，在进行联播寻呼系统设计时，在第一传送部分102期间如以每秒2400个码元的码元速率工作，还可在第二传送部分104期间以每秒2400帧的OFDM帧速率工作。在第二传送部分104期间的数据速率是每秒2400N比特，带宽是B＝2400N Hz，N是系统参数。例如，由于信道间隔一般是25kHz，可用带宽通常大约是20KHz。相应地，合适的N是20,000/2,400的整数部分，因此N＝8。
本发明的一个有利之处是现在联播差分时延问题只与“帧”周期Ttx＝N/S秒有关了，而不是码元周期1/S秒。相应地，本发明通过为第二或高速传输部分采用正交频分复用(OFDM)信道调制形式，以及为第一或低速传输部分采用标准FSK FM，有效地消除了发射机间隔限制。高速传输部分的联播特征的选择基本上与信道数据速率无关而取决于可用带宽。因此，本发明允许在一定覆盖区内发射机密度更低，从而建设成本更低，使用户费用更低。
在本发明的备选实施方式中，OFDM可用编码正交频分复用(COFDM)来替代，它是OFDM的等价变体。COFDM包括一种交织方法来减轻多径传输的衰落效应。此处的交织是一种熟知的技术，例如，数据流以行的形式装配到一个矩阵中，然后在信道上按列发射。该技术使信道上的突发错误只损坏数据流中每个发射码字的有限数量个比特。如果数据流中的码字允许适当的纠错，尽管有突发错误存在，报文还是可以被正确解码。
在本发明的另一种实施方式中，在第一传送部分期间的调制同样是OFDM(或COFDM)，它以较低的系统预定数据速率发送并保持固定。在此实施方式中，由于只需要一种类型的解调，因此接收机不一定更是双模接收机。相应地，第一调制格式是正交频分复用多载波调制，地址信息以预定地址帧速率传送，其中地址帧代表N′个数据比特的时序，以及，其中的预定帧速率在数值上基本等于预定地址帧速率。优选时N大于N′(数据比特)。
在这种实施方式中，接收机只包括一个OFDM解调器。例如，第一调制可以是每帧两个比特的6400BPS，这等于每秒3200帧的帧速率。在第二传输周期期间的调制是OFDM(或COFDM)，它采用的是比第一传输速率更快的第二传输速率。例如，每帧16比特的51,200BPS，它也等于每秒3200帧。又，如同本发明的第一种实施方式一样，这两个传输周期中的帧速率是“匹配”的，以此来解决差分时延问题。在第一传送部分中的较慢数据速率允许用户单元接收机工作在更慢、功耗更低的模式下，这样提高了电池的寿命。
每比特能量(瓦特秒)等于总发射功率(瓦特)除以信道中的比特率(比特每秒)。因此，信道比特率越慢，例如固定帧速率和固定功率电平时每帧两个比特的OFDM，它的每个传输比特提供的能量越多，例如它比每帧16个比特的OFDM的多。通过利用从用户单元来的确认传输(编码表示接收机信号质量或信号强度)来响应协议的较慢部分即第一格式的发送地址和报文特征信息，协议的较快部分即第二格式的数据速率可以调整，以根据用户单元中的信号质量或信号强度来优化较高速率数据传输。
在该优选实施方式中，系统设计成可以知道特定用户单元的位置。较好时，位置由来自双向寻呼机的确认返回信号确定。也可通过用户利用报文传输终端314(图5)预注册它的位置的方法来确定，还有其它多种方法。在此情形下，在第二传送部分期间同时工作的发射机数目可以与第一部分期间同时工作的发射机数目不同。
较好时，数据通信接收机200包括指明选择呼叫接收机当前地理位置的发射机218。报文传输终端314还包括一个发射机选择装置316(图5)，它对指明数据通信接收机200的当前地理位置的信号进行响应，从多个发射机302-310(图5)的一个子集选择发射第二传送部分104。在此情形中，每帧中的预定比特数目(N)可以根据当前地理位置调整。
在某种情形下，发射机子集可能只有一个发射机。在这种情形下，没有差分时延问题。相应地，每帧中的预定比特数目(N)可根据当前地理位置和计算所得信号强度以及不考虑差分时延特性时的最大传输信道速率来调整。
一般而言，由于可以采用不同的发射机302-310组合，两个传输部分102和104的联播失真可能不同。给定所需数据速率S，调整用于第二传送部分104的系统参数N，使对特定的发射机302-310子集组合不存在差分时延问题，发射机302-310选择用于作为联播传输发送的第二部分104。
在利用确认返回的寻呼系统这一优选实施方式中，在第二传送部分104期间同时发射的特定发射机302-310的数目与选择是根据从在该寻呼系统中运作的用户单元来的确认返回传输来进行的。“确认返回”寻呼机属于那些选择呼叫接收机(寻呼机)，它不仅接收还(自动和/或人工)地发射确认信号，作为选择呼叫地址或报文接收的响应，如由当前应用受让人指定的美国Siwiak等人的专利号4,891,637中所描述，在此作为参考并在下面进行描述。
一个确认返回寻呼机的部件通常包括一个天线，它通过一个发射/接收开关耦合接到一个发射机或一个接收机上。接收机电路通常包括一个滤波器、混频器和振荡器的组合。接收机电路生成适合鉴频器处理的复原信号，鉴频器生成代表二进制状态的复原模拟信号。二进制状态代表寻呼信号的数字编码码字的位。接收一个报文后可以发射确认返回数据。用户可通过多种不同装置将要发射的数据输入给微处理器。也可以是寻呼机自动回送特定报文。微处理器处理数据并提供二进制输出数据给数模(D/A)转换器的输入端口。输出信号传送给发射机进行处理和传输。
在利用确认返回的寻呼系统这一优选实施方式中，报文传输系统500包括多个发射机302、304、306、308和310，如图5所示。发射机302-310通过一个通信链路318连接到报文传输终端314并由此来控制。在发射机覆盖区域302-310中布置多个常规的FSK FM接收机，它们同样通过通信链路318连接到报文传输终端314。接收机322用于接收一个从用户单元312来的确认返回响应，以此确定用户单元312的位置。报文传输终端较好时类似于由IL Schaumburg的Motorola Inc.生产的MPS 2000TM，它通过电话链路320连接到公用交换电话网(PSTN)上，用本技术中熟知的技术来接收从那来的报文始发。
采用常规控制技术，发射机302-310由报文传输终端314控制，用诸如FM的第一调制格式来发射第一传送部分102。当特定用户单元312的地址被发送时，此单元用一个确认信号响应。用户单元312较好时类似于数据通信接收机200。有利的是，可以选择其它类似的接收机来作用户单元312。根据这一确认信号，现在系统能利用已知技术准确定位要向其发送报文的用户单元的位置。有利的是，可以利用报文传输系统500预先注册用户单元312的位置。
用户单元312可以离发射机306例如最近。因此系统仅从发射机306发射余下的报文，从而消除了任何差分时延问题。另一方面，用户单元312可以靠近发射机315的子集，例如发射机306和308。报文传输系统500然后从发射机306和308发射，但只考虑仅与这两个发射机306和308相应的特定差分时延问题，而不是整个发射机302-310子集。类似地，在采用注册系统的备选实施方式中，报文传输系统500可以仅从靠近用户单元312位置的那些发射机302-310来发射，并相应地调整差分时延问题。联播差分时延的特性对于特定发射机，在此例中发射机302-310的特定子集的地理位置是固定的。因此，在系统设计与实现期间，可以一次性地确定发射机302-310所有要求组合或子集的差分时延特征。然后在系统运行期间可以获得这一信息，再前后对照最大传输帧速率，根据用户单元位置来控制第二传送部分104的帧速率。
另一实施方式是寻呼系统或报文投送系统，其中的在第一和/或第二传送部分102、104中发送的数据是经过时间交织的，它用于减轻多径衰落效应。因此，其它实施方式包括含有传输协议的一种寻呼系统，它还使一个或多个数据比特、帧和字交织组合，在选择交织深度和交织方式时，要求在第二传输周期中，能提供适合于在第二传输周期期间混合发射机同时发射的特定性能水平。有多种选择交织深度和特定交织方法的途径。例如，数据字可以在整个帧上交织，也可以在帧内交织。
图6是与本发明优选实施方式对应的部分发射机302-310的电气方框图。发射机302-310包括一个用于产生一个载波频率的常规合成器602。合成器602耦合接到一个常规的FM调制器604，它用于在第一传送部分102期间调制载波频率。合成器602还耦合接到常规的OFDM调制器606上，它用于在第二传送部分104期间调制载波频率，它所包括的DSP 608用熟知的方式来计算快速付立叶变换。FM调制器604和OFDM调制器耦合接到一个常规的微处理器610上以便由它来进行控制。微处理器610被耦合接到通信链路318上，以与报文传输终端314用本技术中熟知的方式来通信。调制器604、606耦合接到一个常规的功率放大器612上，用于发射诸如FM信号的第一传送部分102和诸如OFDM信号的第二传送部分104。
因此，显然在此已经提供了一种与本发明对应的方法和装置，它们用于提供采用正交频分复用的高速联播多速率报文传输和寻呼系统。尽管本发明在此是参照特定实施方式来描述和图示的，这并不意味着本发明局限于这些例示实施方式。在参考前面的描述以后，利用本技术的常规技巧就可能会看到例示实施方式的变型和修正方式。在本发明的精神和范围内的所有这些变型与修正都将试图在所附的权利要求书中包含。