一種寬帶碼分多址系統的pn碼精確同步的方法及裝置的製作方法
2023-04-24 18:52:21 2
專利名稱：一種寬帶碼分多址系統的pn碼精確同步的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通訊領域中寬帶碼分多址(W-CDMA)系統PN碼的同步技術，具體地說，涉及在寬帶碼分多址(W-CDMA)系統中PN碼的精確同步方法以及以此為基礎的基帶同步接收解調裝置。
在移動通信中存在多徑傳輸的現象，即信號從發射機發射出來，經過多條傳輸路逕到達接收機。而由於每條徑都有不同的傳輸延時、不同的衰落及不同的相位，所以在其多路接收信號混合到達接收機時會造成多徑衰落現象。當各徑的傳輸延時差大於PN碼片的寬度時，使用多徑分集接收機即RAKE接收機可將這種多徑信號分離後再加以合併，從而減小衰落，提高系統性能。在寬帶碼分多址(W-CDMA)系統中，其碼片速率更高，碼片寬度也比窄帶碼分多址(N-CDMA)系統的碼片窄，其可區分並加以合併的多徑增多，從而使系統性能提高很多。眾所周知，在任何擴頻通信系統中，本地所產生的PN碼與接收信號中的PN碼同步是接收機中的一個重要環節。而實現寬帶碼分多址(W-CDMA)系統多徑分集性能優化的基礎在於實現本地PN碼與接收信號中的PN碼精確同步。
實現PN碼同步可採用跟蹤環路來實現。兩種最基本的PN碼跟蹤環是延遲鎖定環DLL和抖動環TDL，其它的還有修改的碼跟蹤環MCTL、自適應的碼跟蹤環ACTL等等，它們都是遲早門跟蹤環的變形，都有相干和非相干兩種方式。延遲鎖定環DLL是鎖相環的一種變形，其基本組成與鎖相環一致，即由鑑相器，環路濾波和反饋控制三部分組成；與鎖相環不同的只是其鑑相器是通過早遲相關器來獲得誤差信號的。延遲鎖定環DLL也有相干和非相干兩種方式，區別在於能否利用接收信號的相位信息，即能利用相位信息的稱為相干，不能利用的則是非相干。
傳統的延遲鎖定環DLL採用非相干方式，其特點是結構簡單，相位誤差容易提取，且技術比較成熟。這種非相干DLL的結構如
圖1所示，它包括早遲乘法器1a，1b，乘法器1c，積分清零器2a，2b，2c，兩個求平方器4a，4b，環路濾波器5，求和器6，判決模塊7以及由環路誤差信號驅動的壓控時鐘發生器VCCG 3，其中壓控時鐘發生器VCCG 3包括PN碼發生器。
其具體的工作過程是接收到的擴頻信號r(t)分別進入早遲乘法器1a，1b和乘法器1c中，與壓控時鐘發生器VCCG 3所產生的三路不同相位的PN碼相乘，然後分別進入各自的積分清零器2a，2b和2c中得到解擴信號；由圖1中上面的兩個支路即早遲兩支路所得的解擴數據信號，經過求和器6，所得到的誤差信號再經過環路濾波器5濾除環路噪聲，得到的濾波誤差信號驅動壓控時鐘發生器VCCG 3的時鐘相位向前或向後擺動，從而使解擴信號定時緊跟多徑峰值的擺動；圖1中最下面的支路為解調支路，輸入的擴頻信號與經過定時調整的PN碼進行相關，其結果最後經過判決模塊7進行判決，輸出解調數據。
在名稱為「MOBILE DEMODULATOR ARCHITECTURE FOR A SPREAD SPRECTRUMMULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM」，專利號為US 5,764,687的美國專利中採用了非相干DLL來實現PN碼同步，由於非相干方式中平方律檢測器對噪聲分量亦進行平方，從而使跟蹤抖動加強，其跟蹤性能較差。雖然相干DLL能解決這個問題，而且採用相干方式比非相干方式可以使信噪比提高3dB，然而這需要接收機有精確的信道估計，這在快衰落條件下是很困難的。在名稱為「COHERENT TRACKING APPARATUS AND METHOD FOR CDMA RECEIVER「，專利號為US5,898,665的美國專利中介紹了採用相干DLL來實現PN碼同步的方法，由於相干DLL的跟蹤環路功能包括了搜索和跟蹤兩個功能，因而使得這種PN碼同步實現控制過於複雜，電路實現也比較困難。
本發明的目的之一在於提供一種寬帶CDMA系統PN碼精確同步的方法；本發明的目的之二在於提供一種採用上述方法的寬帶CDMA系統基帶同步接收解調裝置。
本發明所述的一種寬帶CDMA系統PN碼精確同步的方法，包括以下步驟①基帶擴頻模擬信號經過過採樣成為數位訊號；②對過採樣數位訊號在不同時刻進行選擇，形成早、遲和解調三路採樣數據；③早、遲採樣數據經過遲早門產生跟蹤環路誤差信號；④解調採樣數據經過解調單元得到解調數據；⑤對解調採樣數據進行信道估計，得到信道衰落及相位參數，同時對解調採樣數據進行硬判決，利用以上信道估計值和判決結果對跟蹤環路誤差信號進行補償；⑥對補償後的跟蹤環路誤差信號進行低通濾波；⑦將濾波後的跟蹤環路誤差信號與預置門限值比較，若跟蹤環路誤差信號值大於門限值，則對碼片(chip)時鐘進行調整；⑧輸出解調數據。
一種採用上述方法的基帶同步接收解調裝置，包括A/D過採樣器、搜索器、控制器，多徑合併器以及同步解調指峰組；所述A/D過採樣器的輸入接收的是基帶擴頻信號，輸出分別連接到所述搜索器和所述同步解調指峰；所述搜索器接收來自所述A/D過採樣器的信號，進行多徑搜索，並將搜索結果輸出到所述控制器；所述控制器位於所述搜索器和所述同步解調指峰之間，負責對來自所述搜索器的多徑進行選擇，把所選多徑分配給所述同步解調指峰；所述同步解調指峰組接收由所述A/D過採樣器和所述控制器產生的信號，對採樣數據中的多徑信號進行精確跟蹤及解調，並把解調數據輸出到所述多徑合併器；所述多徑合併器接收所述同步解調指峰組的輸出結果，並將輸出結果按某種規則進行合併，得到最終解擴數據；所述同步解調指峰組包括n個同步解調指峰(n＝1，2，……)，且每個同步解調指峰的結構是一樣的；所述同步解調指峰包括採樣選擇器、早相關器、遲相關器、解調相關器、PN碼發生器、減法器、環路濾波器、取實部模塊、門限比較模塊、定時生成模塊、導頻符號提取及信道估計模塊、判決模塊、能量計算模塊、門限比較失鎖判決模塊、相位狀態寄存器和數據選通輸出模塊。
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
圖1為傳統的非相干延遲鎖定環路的結構示意圖；圖2是本發明所述的基帶同步接收解調裝置的結構示意圖；圖3是圖2中同步解調指峰401的結構示意圖；圖4是圖2中的相關器420a的結構示意圖。
如圖1所示的傳統的非相干延遲鎖定環路的結構，已在前面詳細介紹過，這裡不再贅述。
本發明所述的基帶同步接收解調裝置的結構如圖2所示，可以看出，該裝置主要包括A/D過採樣器100，控制器200，搜索器300和同步解調指峰組400；所述A/D過採樣器100的輸入為基帶擴頻信號，輸出分別到所述搜索器300和所述同步解調指峰400；所述搜索器300接收來自所述A/D過採樣器100的信號，並將搜索結果輸出到所述控制器200；所述控制器200位於所述搜索器300和所述同步解調指峰400之間，負責對來自所述搜索器300的多徑進行選擇，並把所選多徑分配給所述同步解調指峰400；所述同步解調指峰組400接收來自所述A/D過採樣器100和所述控制器200的信號，並對採樣數據中的多徑信號進行精確跟蹤及解調，將解調數據輸出到所述多徑合併器500；所述同步解調指峰組400包括n個同步解調指峰401、402、……40n；所述多徑合併器500接收所述同步解調指峰組400的輸出結果，並將輸出結果按某種規則進行合併，得到最終解擴數據。
由於接收的信號中包括多個傳輸路徑，因此在基帶同步接收解調裝置中需要利用其中的同步解調指峰組400與接收信號中較強的可分離徑同步；又由於可分離徑之間的衰落是相互獨立的，所以將各徑的解調輸出結果按照某種規則進行合併可使衰落的影響大大降低，這就是分集接收的作用。當同步解調指峰組400中的各同步解調指峰與信號中的多徑即PN碼的同步誤差降低時，基帶同步接收解調裝置對抗衰落的性能就會提高。
本發明利用同步解調指峰組400來實現精確碼同步，並以此為基礎構造基帶同步接收解調裝置，其具體工作過程如下當接收信號經過模擬前端成為基帶擴頻信號進入基帶同步接收解調裝置後，基帶擴頻信號先經過A/D過採樣器100採樣，該採樣信號分別進入搜索器300和同步解調指峰組400中。
搜索器300對接收信號中的多條傳輸路徑進行搜索，該搜索器300可採用匹配濾波器或並行相關器組實現；搜索器300在確定的搜索窗口內進行搜索，並將所得的粗略的多徑相位及強度送給控制器200。
搜索器300可採用順序搜索法，用匹配濾波器或並行相關器組來實現搜索，並行相關器越多，搜索速度就越快。匹配濾波器或並行相關器組按相位偏移從小到大對接收信號進行搜索，對大於某一預置門限的相位則可作為侯選多徑相位報告給控制器200；當搜索相位偏移達到搜索預先設定的搜索窗口時，搜索器300再從初始相位開始新的搜索。搜索窗口越大，搜索的多徑就越多，但其代價是搜索時間延長。因此，為使系統性能達到最優，就有必要對搜索窗口的大小進行優化設計。搜索器300將搜索結果報告給控制器200，由控制器200對候選多徑相位進行選擇。
控制器200將所得的多個侯選多徑的相位及強度比較，然後根據系統解調指峰的資源按照多徑由強到弱的順序分配給同步解調指峰401，402，……，40n。
當每個同步解調指峰401、……、40n被分配了粗略PN碼同步相位時，同步解調指峰401、……、40n就啟動，經過若干次的反饋調整使本地產生的PN碼20與接收信號中的某一徑的PN碼相位實現精確同步。
當同步解調指峰401、……、40n跟蹤的多徑相位由於移動臺一基站的相對運動而發生小的漂移時，同步解調指峰401、……、40n會自動調整本地PN碼20的相位，使其緊跟接收信號PN碼的擺動；當由於某種原因使接收信號中的多徑突然消失時，同步解調指峰401、……、40n會報告控制器200，同時停止解調輸出，並等待控制器200分配新的多徑相位；當其得到新的多徑PN碼相位後，就快速擺動，當擺動到新的PN碼相位時，再將此時的解調結果進行輸出。
另外，搜索器300與同步解調指峰組400同時工作，不斷將新的搜索結果報告給控制器200，當控制器200得知某個同步解調指峰跟蹤的多徑的強度比新搜索到的多徑的強度小時，控制器200就將此新搜索到的多徑分配給此同步解調指峰，使其跟蹤新的多徑。
由於所述同步解調指峰組400包括的n個同步解調指峰401、……、40n的結構完全一樣，因此圖3隻給出其中一個同步解調指峰401的結構示意圖。圖3中，附圖標記為4××的代表同步解調指峰401的各個組成部分；附圖標記為兩位數的表示各組成部分之間的連接信號，如20、30、40。
同步解調指峰401包括採樣選擇器410、早相關器420a、遲相關器420b、解調相關器420c、PN碼發生器430、減法器440、環路濾波器443、取實部模塊444、門限比較模塊445、定時生成模塊446、導頻符號提取及信道估計模塊450、判決模塊452、能量計算模塊460、門限比較失鎖判決模塊461、相位狀態寄存器470和數據選通輸出模塊480。
下面以n＝1，即基帶同步接收解調裝置中只有一個同步解調指峰401的情況進行說明。
接收信號經過模擬前端成為基帶擴頻信號後進入基帶同步接收解調裝置，基帶擴頻信號先經過A/D過採樣器100採樣，此過採樣率越高，後端可實現的PN碼跟蹤精度就越高。此採樣信號分別進入搜索器300和同步解調指峰組401，首先由搜索器300對接收信號中的多條傳輸路徑進行搜索，得到多徑的分布情況，然後搜索器300將搜索結果報告給控制器200，控制器200經過對侯選多徑相位的選擇，通過與同步解調指峰401之間的數據線寫入同步解調指峰401中的相位狀態寄存器470，從而將多徑相位分配給同步解調指峰401。
由A/D過採樣器100產生的I、Q兩路基帶過採樣信號，先進入採樣選擇器410，該採樣選擇器410按碼片(chip)時鐘30對過採樣信號降採樣，設置此採樣選擇器410的目的是進行PN碼相位同步調整，使本地產生的PN碼相位與接收信號中的多徑PN碼相位精確同步。採樣選擇器410產生三路複數採樣數據早支路採樣數據、遲支路採樣數據和解調支路採樣數據，分別進入早相關器420a、遲相關器420b和解調相關器420c，這三路複數數據分別在三個相關器中進行相關運算，其運算結果的數據速率降為符號(symbol)級，因此這三個相關器的輸入信號除了有經過採樣選擇器410的採樣數據和PN碼發生器430產生的解調用的PN碼20之外，還有符號(symbol)時鐘40。
早相關器420a、遲相關器420b和解調相關器420c的內部結構是一樣的，因此圖4隻給出了420a的結構示意圖。
在圖4中，複數採樣數據與來自PN碼發生器430產生的PN碼20在複數乘法器421中進行複數乘法，所得的結果進入積分清零器422中進行累加，累加的長度為一個解調符號的長度，積分清零器422的清零輸入來自定時生成模塊446產生的符號(symbol)時鐘40。
早相關器420a和遲相關器420b的輸出結果進入減法器440中進行減法運算，得到的差值進入乘法器441，乘法器441的另一路輸入數據來自經過導頻符號提取及信道估計模塊450而得到的信道隨機相位的共軛。由於在寬帶CDMA系統中採用時分導頻方式，即導頻符號與數據符號進行時分復用，則解調相關器420c輸出的解調數據經過導頻符號提取及信道估計模塊450提取出解調數據中的導頻符號，再利用線性內插法進行信道估計，得到的信道估計的結果就是信道隨機相位，然後求出信道隨機相位的共軛，並輸出到乘法器441。乘法器441的輸出進入下一個乘法器442，乘法器442的另一個輸入來自判決模塊452，此判決模塊452直接對解調輸出數據進行硬判決，在判決之前解調數據也經過信道估計值的補償，即解調數據與信道估計值在乘法器451相乘，其結果進入判決模塊452。信道估計和判決的目的是消除誤差信號中的衰落、隨機相位及其所承載的調製數據。
乘法器442的輸出結果就是同步解調指峰401的誤差信號，該誤差信號進入環路濾波器443濾除環路噪聲，此時的輸出信號為複數信號；該複數信號進入取實部模塊444，得到該複數信號的實部，然後再進入門限比較模塊445；門限比較模塊445中預置了門限值，此門限值可由控制器200寫入；當所取的複數信號的實部值大於門限值時，則給出調整信號，而調整的方向由該複數信號的實部值的正負來決定。
定時生成模塊446接收到門限比較器445的比較結果後，可知道此時本同步解調指峰401鎖定的多徑相位是否需要調整。當收到調整的指令後，定時生成模塊446會響應此指令，使碼片(chip)時鐘30的相位以過採樣精度為單位超前或滯後，而這樣的調整在一個符號(symbol)時鐘40周期內只進行一次。調整之後的調整結果會存入相位狀態寄存器470中，然後通過控制器200與同步解調指峰401之間的數據線將結果送至控制器200。當本同步解調指峰401鎖定的多徑因某種原因消失後，控制器200會給此同步解調指峰401分配新的多徑相位，新的多徑相位與當前相位會有一定的差值，此時控制器200控制定時生成模塊446進行快速擺動，使碼片(chip)時鐘30進行相位的連續滑動，直到滑到新的相位為止。在此過程中，解調及跟蹤工作將停止，等待重新鎖定到新的多徑時再進行解調及跟蹤運算。定時生成模塊446產生經過相位調整的碼片(chip)時鐘30，輸出至採樣選擇器410和PN碼發生器430；而符號(symbol)時鐘40則從屬於碼片(chip)時鐘30，即將碼片(chip)時鐘30按發射機所用的擴頻因子進行計數分頻，就可以得到符號(symbol)時鐘40；該符號(symbol)時鐘40則輸出至早相關器420a、遲相關器420b和解調相關器430。
另外，還可利用解調輸出結果進行鎖定判決。解調相關器420c的輸出數據進入能量計算模塊460，再能量計算模塊460中計算信號能量I2+Q2，再對此能量進行多次平均，此能量平均值進入門限比較失鎖判決模塊461。門限比較失鎖判決模塊461需要兩個門限值「入鎖」門限值和「失鎖」門限值，其中「入鎖」門限值大於「失鎖」門限值。當處於鎖定狀態時，將能量平均值與「失鎖」門限值比較，若能量平均值小於「失鎖」門限值，則判定失鎖，否則維持原狀態；同理，當處於失鎖狀態時，將能量平均值與「入鎖」門限值比較，當能量平均值大於「入鎖」門限值時，判定進入鎖定狀態，否則維持原狀態。當處於失鎖狀態時，數據選通輸出模塊480關閉，解調輸出數據不能輸出。在這裡，鎖定狀態即判決輸出結果應報告給控制器200，由控制器200來控制兩個門限值的選擇。
本發明所述的方法採用同步解調指峰組400與搜索器300相配合來實現精確PN碼同步，可降低跟蹤抖動，減小噪聲影響，使總體性能提高，並且使碼同步功能分為兩個部分而使其電路容易實現；基於此同步方法的基帶同步接收解調裝置提高了對抗衰落的性能。在本發明中，由於採用新的同步解調指峰組400可保證跟蹤的精確，從而使基帶同步接收解調裝置的接收性能大大提高。
權利要求
1.一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於它包括以下步驟①基帶擴頻模擬信號經過過採樣成為數位訊號；②對過採樣數位訊號在不同時刻進行選擇，形成早、遲和解調三路採樣數據；③早、遲採樣數據經過遲早門產生跟蹤環路誤差信號；④解調採樣數據經過解調單元得到解調數據；⑤對解調採樣數據進行信道估計，得到信道衰落及相位參數，同時對解調採樣數據進行硬判決，利用以上信道估計值和判決結果對跟蹤環路誤差信號進行補償；⑥對補償後的跟蹤環路誤差信號進行低通濾波；⑦將濾波後的跟蹤環路誤差信號與預置門限值比較，若跟蹤環路誤差信號值大於門限值，則對碼片(chip)時鐘(30)進行調整；⑧輸出解調數據。
2.如權利要求1所述的一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於所述步驟②中對過採樣信號是按碼片(chip)時鐘(30)進行降採樣後產生三路採樣數據的。
3.如權利要求1或2所述的一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於所述步驟⑤中先提取出解調數據中的導頻符號，再利用線性內插法進行信道估計。
4.如權利要求3所述的一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於所述步驟⑦中碼片(chip)時鐘(30)是按其相位以過採樣精度為單位超前或滯後來調整的，其調整的方向由濾波後的跟蹤環路誤差信號的實部值的正負決定，且在一個符號(symbol)時鐘(40)周期內只進行一次。
5.如權利要求1、2、4任意之一所述的一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於所述步驟⑧中先根據信號能量平均值進行鎖定判決，在鎖定狀態下輸出解調數據。
6.如權利要求5所述的一種寬帶碼分多址系統PN碼精確同步的方法，其特徵在於鎖定判決的方法是設置「入鎖」門限值和「失鎖」門限值，「入鎖」門限值大於「失鎖」門限值；當處於鎖定狀態時，信號能量平均值與「失鎖」門限值比較，若信號能量平均值小於「失鎖」門限值，則判定失鎖，否則維持原狀態；當處於失鎖狀態時，信號能量平均值與「入鎖」門限值比較，若信號能量平均值大於「入鎖」門限值，判定進入鎖定狀態，否則維持原狀態。
7.一種採用如權利要求1所述方法的基帶同步接收解調裝置，包括A/D過採樣器(100)、搜索器(300)、控制器(200)和多徑合併器(500)，其特徵在於整個系統還包括同步解調指峰組(400)；所述A/D過採樣器(100)的輸入是接收的基帶擴頻信號，輸出分別到所述搜索器(300)和所述同步解調指峰組(400)；所述搜索器(300)接收來自所述A/D過採樣器(100)的信號，進行多徑搜索，並將搜索結果輸出到所述控制器(200)；所述控制器(200)位於所述搜索器(300)和所述同步解調指峰組(400)之間，負責對來自所述搜索器(300)的多徑進行選擇，把所選多徑分配給所述同步解調指峰組(400)；所述多徑合併器(500)接收所述同步解調指峰組(400)的輸出結果，並將輸出結果按某種規則進行合併，得到最終解擴數據；所述同步解調指峰組(400)接收由所述A/D過採樣器(100)和所述控制器(200)產生的信號，對採樣數據中的多徑信號進行精確跟蹤及解調，解調數據輸出到所述多徑合併器(500)；所述同步解調指峰組(400)包括n個結構完全一樣的同步解調指峰(401、402、……、40n)。
8.如權利要求7所述的一種基帶同步接收解調裝置，其特徵在於所述搜索器(300)用匹配濾波器或並行相關器組實現，採用順序搜索法。
9.如權利要求7或8所述的一種基帶同步接收解調裝置，其特徵在於所述同步解調指峰(401)包括採樣選擇器(410)、早相關器(420a)、遲相關器(420b)、解調相關器(420c)、PN碼發生器(430)、減法器(440)、環路濾波器(443)、取實部模塊(444)、門限比較模塊(445)、定時生成模塊(446)、導頻符號提取及信道估計模塊(450)、判決模塊(452)、能量計算模塊(460)、門限比較失鎖判決模塊(461)、相位狀態寄存器(470)和數據選通輸出模塊(480)。
10.如權利要求9所述的一種基帶同步接收解調裝置，其特徵在於所述門限比較模塊(445)中設置有門限值；所述門限比較失鎖判決模塊(462)設有兩個門限值「入鎖」門限值和「失鎖」門限值；上述門限值均由控制器(200)控制。
全文摘要
寬帶CDMA系統PN碼精確同步方法:過採樣接收信號;形成早、遲和解調採樣數據;早、遲採樣數據產生跟蹤誤差信號;解調採樣數據得到解調數據;解調數據信道估計和硬判決,補償跟蹤誤差信號;補償後信號低通濾波;濾波後信號比較預置門限值,相應調整碼片時鐘;採用上述方法的基帶同步接收解調裝置,包括過採樣器(100)、搜索器(300)、控制器(200),多徑合併器(500)和同步解調指峰組(400);本發明降低跟蹤抖動,減小噪聲影響,提高總體性能。
文檔編號H04J13/00GK1267978SQ9912441
公開日2000年9月27日 申請日期1999年11月10日 優先權日1999年11月10日
發明者謝瀾濤 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司