专利名称：码分多址扩频和解扩方法及其发射机、接收机和通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于码分多址的扩频和解扩方法以及采用该方法而实现的发射机、接收机和通信系统。
发明内容
本发明针对现有CDMA系统中存在的符号间串扰和多址干扰两个问题，提出了一种以用加保护码的扩频码扩频为基础的解决方案。该方案应用加入的保护位消除符号间串扰，进而利用解方程的方法将残余的互相关值化为有用信息，从而求解发送的信息符号。
本发明第一个目的是提供一种以在传统CDMA扩频码基础上增加保护码的方法来消除信息符号间串扰的扩频方法。
本发明的第二个目的是提供一种相应的解扩方法。
本发明的第三个目的是提供一种能够消除符号间串扰和多址干扰的发射机、接收机和通信系统。
本发明的技术方案如下一种码分多址扩频方法，其中包括如下步骤(1)数据的串并变换步骤按需要进行串并变换，将数据分配给不同的码信道；若有N个并行码信道，可以一次分配出待发送的N个符号的数据；(2)调制步骤根据需要的调制方式，对各个码信道分配的数据进行二进制数字调制，即将二进制信息调制为符号；所述调制方式可以采用BPSK/QPSK或QAM等方式；(3)生成前缀或/和后缀CDMA码步骤采用下列方式之一对原扩频码即传统的CDMA扩频码加前缀或/和后缀循环保护码，从而构成一个新的前缀或/和后缀CDMA码，设原扩频码长M个码片，循环保护码为L位，M、L均为大于等于1的正整数a.前缀CDMA码把扩频码中的最后L个码片复制作为循环保护码添加在原扩频码前，形成M+L个码片的扩频码；b.后缀CDMA码把扩频码中的最前L个码片复制作为循环保护码添加到原扩频码的后面，形成M+L个码片的扩频码；c.前缀和后缀CDMA码同时采用前述a和b，前缀和后缀总长为L个；(4)扩频步骤将经过调制的数据分配给不同前缀或/和后缀CDMA码信道，利用它实施CDMA扩频调制，并将扩频后的不同码信道的信号叠加起来，得到一个长度为M+L个码片的数据串。
上述扩频方法中，所述原扩频码可以是正交码、非正交码或正交码与传统扰码的乘积。
以加前缀循环保护码为例，在一个长度为M码片的传统CDMA扩频码前面添加L个前缀保护码片。利用这L个码片消除在它们持续时间内的信息符号间串扰。
我们定义上述新扩频码为前缀CDMA码。
例如一个长度为M＝4的Walsh码a1＝1，a2＝-1，a3＝-1，a4＝1，传统CDMA的表达为
取L＝2时，前缀CDMA码为
可见，从加前缀后的长M+L＝6的码中任意截取一段长为M＝4的码，都是原扩频码的循环移位得到的码序列，其性质与原扩频码的性质是相同的。若原码是正交的，则截取后的码仍然是正交的。
只要满足上述这种循环移位的性质来将长M的符号扩展成长M+L的符号都是可以的。例如也可以采用加后缀的方法，将原符号的前L个码片复制到符号的后面，这样同样可以保护符号不受多径延迟带来的码间干扰。还可以采用同时加前缀和后缀的方法，即将原符号的前若干个码片复制到符号的后面，同时将原符号的后若干个码片复制到符号的前面。在实现和性能方面，这些不同的方法并没有多大的差别。
相应地，一种码分多址解扩方法，其中包括如下步骤(1)接收符号步骤根据同步信息，将接收到的数据流分割成长度为M+L个码片的数据串，即得到一个符号长度的数据；这里M指原扩频码的码片数，L为循环保护码的码片数；(2)去除循环保护位步骤去除(1)收到的数据段中含有符号间串扰的L个码片的循环保护位，剩余不含符号间串扰的M个码片；(3)消除多径干扰步骤根据已知的信道参数求解信道逆矩阵，将M个码片乘以信道逆矩阵，得到消除信道多径干扰的M个码片；(4)解扩步骤把消除码间干扰后得到的M个码片进行解扩处理，即用原扩频码对M个码片序列作相关解扩；(5)判决解调步骤根据发射端采用的调制方式，将解扩后的符号判决输出二进制比特信息。
上述解扩方法利用乘信道逆矩阵的方法代替传统FIR滤波器对信道作均衡。传统FIR滤波器由于受到阶数和复杂度的限制，不能完全消除多径。而本专利结合前缀或/和后缀CDMA这一信号格式，采用接收信号矢量乘以信道逆矩阵的办法，可完全消除码间干扰，其性能达到理想迫零均衡器性能。并且，由于信道矩阵属于一类特殊矩阵—循环矩阵，其求解也可较一般矩阵求逆简单。
本发明的另一个方面的发射机和接收机分别采用上述扩频方法和解扩方法实施通信。
下面参照
根据本发明的优选实施例，图中相同的参考标号表示相同或类似的部件。
图1示出现有移动通信系统的流程图；图2示出根据本发明的系统结构图；图3示出根据本发明的一个符号扩频并加前缀后的格式；图4示出经过多径信道后的接收信号示意图；图5示出原扩频码加循环保护码装置示意图；图6示出接收机去前缀流程图；图7示出信道逆矩阵计算流程图；图8示出乘信道逆矩阵的FIR滤波器实现方法；图9示出2径信道情况下根据本发明的仿真系统和传统CDMA系统的误码率曲线；图10示出8径信道情况下根据本发明的仿真系统和传统CDMA系统的误码率曲线。
在发射机14方，从数据存储器11依次读出要发送数据。数据送到信号调制器12中进行调制，调制的方式可以采用BPSK/QPSK或QAM方式，从而得到发射的信息符号。然后把信息符号传送到扩频器13中实施扩频调制，最后经载波调制后发射。发射的信号经过频率选择性衰落信道15变成为具有时延扩展特性的多径信号后被接收机16接收。接收机利用用户码对准这些时延信号分别解扩，再利用RAKE接收机18将解扩分量进行最大信噪比合并。信道估计模块17估计多径信道的参数，并将这些参数提供给RAKE接收机，RAKE接收机利用这些参数合并多径信号。RAKE接收机输出的信号经判决解调19之后得到原始的数据，从而完成信号解调的一个过程。
以下以加前缀循环保护码构成新的前缀CDMA码为例，对本发明进行详细描述。
下面参照图2介绍本发明的通信系统。
本发明发射机的信息调制，扩频码调制与传统方法一致。在发射机14中，从数据存储器11依次读出要发送的数据。数据经信号调制器12进行调制、扩频器13中实施扩频。扩频所需要的扩频码21需要先经过一个加前缀的装置22，成为前缀CDMA码，然后再用于扩频器13中扩频。这样，在每个传统CDMA扩频的信息符号前面就插入了循环保护前缀码(循环保护前缀码格式见图3)，借此可以达到消除信息符号间串扰的目的。
发射的信号经过频率选择性衰落信道15变成为具有时延扩展特性的多径信号后被接收机16接收。在接收机16，假设信号同步和信道参数已经获得。接收信号先通过去前缀装置23，丢弃信息符号的前L个码片。如图4所示，截取没有符号间串扰的一段信号Y。对剩下的M个码片，在乘信道逆矩阵装置25中作向量与矩阵的乘法，使多径信号变为单径的信号。为计算信道逆矩阵，需要在信道估计模块17中估计信道参数，并利用这些参数作信道逆矩阵计算24。矩阵处理后的数据经解扩器26，利用用户扩频码27进行解扩，经判决解调19输出符号。
上面提到的加前缀装置可如图5所示，图中是阶数为M的移位寄存器，当选择开关拨向输入数据端时，长度为M个码片的扩频码输入移位寄存器中。然后选择开关拨向反馈抽头，移出寄存器的码片被反馈到输入端口，寄存器中间的输出抽头输出数据，经过M+L个时钟周期后，移位寄存器经过M+L次循环移位，输出M+L个码片数据。这M+L个码片数据即是满足循环移位关系的加入保护码后的前缀CDMA码。实际中也可将加入保护码后的扩频码存入寄存器中，这样发射端的扩频过程与传统CDMA系统保持一致，只不过所用的扩频码是与传统方法不同的前缀(或后缀)-CDMA码。
上面提到的去前缀装置可采用如图6所示的流程图处理。先根据同步信息找到符号的起始位置；计数器i清零；i每次加1对应收到该符号的第i个码片；判断i是否等于L。若i＜L，说明当前码片仍是含有符号串扰的码片，则放弃该码片；若i≥L，则该码片是没有符号间串扰的码片，将该码片传送给下一个模块作处理。当i＝M+L时该符号结束，计数器清零准备接收下一个符号。可见该流程去掉了一个符号M+L个码片中的前L个作保护位的码片，而留下了后M个码片给下一个模块处理。
下面参照图7介绍信道逆矩阵运算模块的一种实现结构。该模块输入数据为信道估计器输出的信道参数c1，c2，…，cM，将该M个数据作快速傅立叶变换(FFT)，得到新的M个数据，再将这M个数据取倒数，再经过反傅立叶变换(IFFT)，即得到信道逆矩阵B中的M个元素b1，b2，…，bM。
下面参照图8介绍乘信道逆矩阵的一种FIR滤波器实现方法。移位寄存器阶数为M，并且设置了反馈，即移位输出的数据输入到寄存器的数据输入端。在运算开始需读入待处理的数据，即接收信号去掉前缀后剩余的M个数据。此时寄存器输入端的选择开关拨向输入数据端口。当数据填满寄存器后，选择开关拨向反馈抽头，移位寄存器在时钟的驱动下进行循环移位。每移动一次，移位寄存器中的数据都要与信道逆矩阵的元素b1，b2，…，bM作乘法运算，并将乘法结果求和，输出数据即为消除了多径的单径信号x1，x2，…，xM。该装置在移位寄存器移位M-1次后可得到M个输出结果，即完成了x1到xM的运算，然后可读入下一组要处理的数据，进行下一次运算。
下面通过数学表达式具体介绍本专利的原理在该数学模型中，采用的长度为M的扩频码共M个，即可采用M个码信道，并且假设M个码信道均被占用，即每个码信道都用于传送信息。实际中可能只用到其中的N个码信道，此时只需将空闲码信道传送的符号取零即可。1.前缀CDMA扩频码的构造传统CDMA系统中，一个扩频码可以用一个向量表示P(k)=[p0(k),p1(k),p2(k)···,pM-1(k)](k=0,1..,M-1)---(1)]]>其中 是向量P(k)的第i个分量，M为扩频增益。如果是正交码扩频，则有 本发明的前缀扩频码是在公式(1)的码前增加保护前缀码。方法是将(1)中的最后L个码复制，并填加在它的前面(见附图3)。新码形式为Q(k)=[q0(k),q1(k),........qM+L-1(k)]=[pM-L(k),pM-L+1(k),···,pM-1(k),p0(k),p1(k),···,pM-1(k)]---(4)]]>设 是第k个用户的1个信息符号，扩频后的信号数学表达式 式中n为发射信号的码片序号，L为前缀的长度，t为时间，Tc表示一个码片持续的时间，Γ(t)是一个方波函数，它由下式定义 多用户前缀CDMA发射信号的数学表达式为Φ(n)=Σks1(k)qn(k)Γ(t-nTc)---(7)]]>2.频率选择性衰落径信道设一个频率选择性衰落信道宽带脉冲响应特性为h(t)=Σl=0Lkhl(k)δ(t-lTc)---(8)]]>式中Tc和l分别代表一个码片所持续的时间和时延序号。发射信号经过频率选择性衰落信道后，它表现为如图4所示的延迟不同的多径叠加信号。3.信号解调方法下面采用的通信系统模型是将长度为M+L个前缀CDMA扩频码被分配给M个CDMA信道，经过相同的信道后，接收机用下列算法将所有信号解调。
我们用向量表示接收信号和发射的用户信息符号。丢弃前缀后，它们之间的关系可通过矩阵的形式表示Y＝H·L·P·S (9)(9)式中Y代表接收信号去掉前缀后的部分，S代表要发送的用户信息s=s1s2···sM---(10)]]>P代表发射机扩频码矩阵；第i个扩频码序列表示为列向量pi。扩频矩阵p是由向量pi组成的M×M矩阵p＝[p1，p2，…，pM] (11)加前缀过程表示为矩阵LL(M+L)×M=(0IML×(M-L)IL)---(12)]]>其中0表示零矩阵，I表示单位矩阵。令Q＝L·P，则Q的每一列为一个前缀CDMA码序列。令Z＝Q·S，则Z即为扩频后的信号。H表示多径信道 注意各矩阵和向量代表的模块或信号如图2中所示。令C＝H·L，则 接收端只要将接收矢量乘以C的逆矩阵B＝C-1，就可以消除多径信道带来的码间干扰。C矩阵属于循环矩阵，即矩阵的每一行都可以看作是第一行的循环移位得到的 其逆矩阵B也为循环矩阵 其中bj=1MΣk=0M-1λM-j-1k[f(λk)]-1(j=2,3,···,M)]]>b1=1MΣk=0M-1λ0k[f(λk)]-1---(17)]]>这里的λk=e2kπnj]]>，f(x)＝c1+c2x+c3x2+…+cMxM-1，上述运算可利用快速傅氏变换(FFT)来计算。如图7所示，将C矩阵的第一行元素作傅立叶变换，即可得到f(λk)(k＝0，1，…M-1)，然后对每个值求倒数，得到f(λk)-1，再进行反傅立叶变换即可得到bi。通过将接收信号矢量乘以信道逆矩阵B，消除了由于多径信道而带来的码间干扰，从而使各个扩频码仍保持正交。由(9)式和(16)式得S＝PH·B-1·Y (18)解扩过程表示为矩阵PH，PH是P转置。在没有加噪声的情况接收端可准确解调出原始信号S而不存在系统误差。在有非系统干扰的情况下，(18)式表为Y′＝S+n＝PH·B-1·Y (19)(19)式中n表示由于非系统噪声所引起的干扰。4.仿真结果(1)仿真条件采用Matlab编程，在Windows2000下实施前缀CDMA系统的仿真。仿真包括前缀CDMA系统的下行信道误码率特性，并与传统CDMA系统的RAKE接收机的误码率进行了比较。
系统的信息符号为BPSK调制。前缀CDMA扩频码是基于TDD-WCDMA码加前缀得到的。所有用户码是在长度为16码片的传统扩频码前增加长度为L保护位，将这个码的最后L码片复制，并插在该扩频码前，这样得到长度为16+L个码片的新扩频码。
频率选择性衰落信道各径系数hi为独立同分布的瑞利随机数，相位服从
均匀分布，时延扩展宽度为L个码片。(2)仿真结果图9和图10分别给出了多径信道时延扩散L＝2和L＝8的系统误码率结果，并与传统CDMA系统的RAKE接收机性能进行了比较。由图可见，传统CDMA系统在多径情况下，符号间串扰和多址干扰影响已经很大，通过RAKE接收机也没有很好的改善，并且随着径数的增多性能更加恶劣，L＝8径的误码率要高于L＝2径的情况。而采用本发明的系统，误码率有了明显的改善，并且系统性能不随径数的增多而下降，较传统CDMA系统具有明显优势。
尽管在上文中以及参照本发明的优选实例对本发明的原理和实现方式进行了详细的描述，但是本领域的普通技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以做出各种变形和改进。例如，本说明书中以设置前缀为例来增加待发送信号的长度，但是也可以采用设置后缀的方式，或者在前后两端加保护；另外在加循环保护码、去除循环保护位、解信道逆矩阵、接收信号乘信道逆矩阵的解决方法上也可以有其它的方法等等。这些变形和改进实例不脱离本发明权利要求书中所规定的本发明的范围。
权利要求
1.一种码分多址扩频方法，其中包括如下步骤(1)数据的串并变换步骤按需要进行串并变换，将数据分配给不同的码信道；若有N个并行码信道，可以一次分配出待发送的N个符号的数据；(2)调制步骤根据需要的调制方式，对各个码信道分配的数据进行二进制数字调制，即将二进制信息调制为符号；(3)生成前缀或/和后缀CDMA码步骤采用下列方式之一对原扩频码即传统的CDMA扩频码加前缀或/和后缀循环保护码，从而构成一个新的前缀或/和后缀CDMA码，设原扩频码长M个码片，循环保护码为L位，M、L均为大于等于1的正整数a.前缀CDMA码把扩频码中的最后L个码片复制作为循环保护码添加在原扩频码前，形成M+L个码片的扩频码；b.后缀CDMA码把扩频码中的最前L个码片复制作为循环保护码添加到原扩频码的后面，形成M+L个码片的扩频码；c.前缀和后缀CDMA码同时采用前述a和b，前缀和后缀总长为L个；(4)扩频步骤将经过调制的数据分配给不同前缀或/和后缀CDMA码信道，利用它实施CDMA扩频调制，并将扩频后的不同码信道的信号叠加起来，得到一个长度为M+L个码片的数据串。
2.如权利要求1所述的码分多址扩频方法，其特征在于，所述原扩频码是正交码、非正交码或正交码与传统扰码的乘积。
3.一种码分多址解扩方法，其中包括如下步骤(1)接收符号步骤根据同步信息，将接收到的数据流分割成长度为M+L个码片的数据串，即得到一个符号长度的数据；这里M指原扩频码的码片数，L为循环保护码的码片数；(2)去除循环保护位步骤去除(1)收到的数据段中含有符号间串扰的L个码片的循环保护位，剩余不含符号间串扰的M个码片；(3)消除多径干扰步骤根据已知的信道参数求解信道逆矩阵，将M个码片乘以信道逆矩阵，得到消除信道多径干扰的M个码片；(4)解扩步骤把消除码间干扰后得到的M个码片进行解扩处理，即用原扩频码对M个码片序列作相关解扩；(5)判决解调步骤根据发射端采用的调制方式，将解扩后的符号判决输出二进制比特信息。
4.如权利要求3所述的码分多址解扩方法，其特征在于消除多径干扰步骤中求解信道逆矩阵的方法是将信道参数c1，c2，…，cM，M个数据作快速傅立叶变换，得到新的M个数据，再将这M个数据取倒数，再经过反傅立叶变换，即得到信道逆矩阵中的M个元素b1，b2，…，bM。
5.一种码分多址发射机，其特征在于其中包括如下装置(1)串并变换器按需要进行串并变换，将数据分配给不同的码信道，若有N个并行码信道，则一次分配出待发送的N个符号的数据；(2)调制装置根据需要的调制方式，将二进制比特信息调制为符号；(3)加循环保护码装置采用下列方式之一将原扩频码加上循环保护码a.前缀CDMA码把扩频码中的最后L个码片复制作为循环保护码添加在原扩频码前，形成M+L个码片的扩频码；b.后缀CDMA码把扩频码中的最前L个码片复制作为循环保护码添加到原扩频码的后面，形成M+L个码片的扩频码；c.前缀和后缀CDMA码同时采用前述a和b，前缀和后缀总长为L个；(4)扩频装置将经过调制的数据分配给不同前缀或/和后缀CDMA码信道，利用它实施CDMA扩频调制，并将扩频后的不同码信道的信号叠加起来，得到一个长度为M+L个码片的数据串。
6.如权利要求5所述的码分多址发射机，其特征在于，所述原扩频码是正交码、非正交码或正交码与传统扰码的乘积。
7.如权利要求5所述的码分多址发射机，其特征在于，所述加循环保护码装置为阶数为M的移位寄存器，当选择开关拨向输入数据端时，长度为M个码片的扩频码输入移位寄存器中，然后选择开关拨向反馈抽头，移出寄存器的码片被反馈到输入端口，寄存器中间的输出抽头输出数据，经过M+L个时钟周期后，移位寄存器经过M+L次循环移位，输出M+L个码片数据。
8.一种码分多址接收机，其特征在于其中包括如下装置(1)符号寄存器接收并存储符号，根据同步信息，将接收到的数据流分割成长度为M+L个码片的数据段，即得到一个符号长度的数据；(2)去除循环保护位装置去除(1)接收到的码片中受到符号间串扰的循环保护位，剩余不含符号间串扰的M个码片；(3)消除码间干扰装置根据已知的信道参数求解信道逆矩阵，将M个码片乘以信道逆矩阵，得到消除信道多径干扰的M个码片；(4)解扩装置把消除码间干扰后得到的M个码片进行解扩处理，即用原扩频码对M个码片序列作相关解扩；(5)判决解调装置根据发射端采用的调制方式，将解扩后的符号判决输出二进制比特信息。
9.如权利要求8所述的码分多址接收机，其特征在于，所述消除码间干扰装置中乘解信道逆矩阵是采用FIR滤波器实现的，所述FIR滤波器的移位寄存器阶数为M，并且设置反馈，即移位输出的数据输入到寄存器的数据输入端；在运算开始需读入待处理的数据，即接收信号去掉前缀后剩余的M个数据，此时寄存器输入端的选择开关拨向输入数据端口；当数据填满寄存器后，选择开关拨向反馈抽头，移位寄存器在时钟的驱动下进行循环移位，每移动一次，移位寄存器中的数据都要与信道逆矩阵的元素b1，b2，...，bM作乘法运算，并将乘法结果求和，输出数据即为消除了多径的单径信号x1，x2，...，xM，移位寄存器移位M-1次后可得到M个输出结果，即完成了x1到xM的运算，然后可读入下一组要处理的数据，进行下一次运算。
10.一种码分多址通信系统，其特征在于包括权利要求5或6或7所述的发射机，和权利要求8或9所述的接收机。
全文摘要
本发明涉及一种新的码分多址(CDMA)系统，它包括新的扩频方法、解扩方法以及基于这些新方法下的发射机、接收机及通信系统。本发明的扩频方法中所采用的扩频码是在传统的CDMA扩频码上增加了循环保护码，使得接收机能够在解扩时避免了符号间串扰。相应地，本发明的解扩方法包括一个去除循环保护位的步骤，同时根据信道特征求解信道逆矩阵，通过矩阵乘法消除多径干扰。本发明有效地消除了符号间串扰，并将不同CDMA码信道间干扰转化为有效信息；仿真结果表明，使用本发明的方法和系统可以大大提高现有CDMA系统容量。
文档编号H04B1/707GK1449144SQ0310955
公开日2003年10月15日 申请日期2003年4月14日 优先权日2003年4月14日
发明者焦秉立, 马猛 申请人:焦秉立