专利名称：在is－95扩频通信系统中码跟踪的装置和方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般涉及使用扩频技术通信的装置和方法，更具体地涉及遵循IS-95标准的使用扩频技术通信的装置和方法。
2.背景技术讨论扩频通信系统目前在现代蜂窝通信设备中找到了更广泛的应用。扩频系统允许更多的用户在越来越紧张的带宽环境中发射和接收通信。
一种对基带信号扩频以便填满整个信道带宽的技术是，用Walsh码和复伪噪声(PN)扩频信号与基带信号混合。通过将基带信号内的每个数据符号调制(即，切割)成码片周期(即，码片间隔)为Tc的多个码片，Walsh码和PN扩频信号有效地对基带信号编码，正如下面文献进一步讨论的IEEE Communications Magazine，1983年3月，“An Introduction to Spread Spectrum(扩频介绍)”，作者Charles E.Cook和Howard S.Marsh，以及AppliedMicrowave&Wireless，1994年冬季，pp.24-39，“The CDMAStandard(CDMA标准)”，作者David P.Whippe(最初发表为“NorthAmerican Cellular CDMA(北美蜂窝CDMA)”，Hewlett-PackardJournal，1993年12月，pp.90-97)。复PN码由下式给出PN(t)＝PNI(t-δ)+jPNJ(t-δ)，这里δ是相位偏移。在相同频段上广播并在特定接收机距离之内的CDMA网络内的每个发射机由它的唯一相位偏移δ来区分。每个发射机包括多个信道，通过不同的Walsh码编码并区分。
当前的扩频接收机捕获很多不同的发射信号，这些信号表现为彼此叠加，由被调整为只接收对应于特定PN码相位偏移和特定Walsh码的发射信道的相关器来解调。接收机通过去除载波信号并用具有匹配PN码相位偏移和Walsh码的相关器对扩频信号解调来完成。
为了使解调成功进行，发射机和接收机的PN扩频相位偏移必须同步。包含相关器的延迟锁相环(DLL)通常用于将接收机的PN码相位偏移同步到发射机的PN码相位偏移。但是，当前DLL包含多个相关器，增加了DLL的成本和复杂性。
所需的是简化延迟锁相环内电路的装置和方法，同时支持遵循IS-95标准的扩频通信系统。
发明概述本发明是遵循IS-95标准并结合简化的码跟踪电路的扩频通信接收机。在接收机内根据误差信号，伪噪声发生器产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分。加法器从滞后成分中减去超前成分，构成求和信号。乘法器将求和与接收信号相乘，构成乘积信号。然后积分器对乘积信号积分，构成误差信号。这些单元的组合构成反馈环路，调制伪噪声发生器并只使用一个而不是两个相关器。
本发明方法包括接收扩频信号、根据误差信号产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分、从滞后成分中减去超前成分构成求和信号、将求和与接收信号相乘构成乘积信号、并对乘积信号积分构成误差信号的步骤。
发明的这些以及其它方面将由本领域技术人员在评阅如下详细描述、附图和权利要求时认识到。
附图的简要描述
图1是CDMA扩频发射机之一部分的框图；图2是CDMA扩频接收机之一部分的框图；图3是扩频接收机的延迟锁相环(DLL)的框图；图4是DLL的S曲线范围的图；图5是扩频接收机另一种DLL的框图；图6是在IS-95扩频通信系统中码跟踪方法的流程图；优选实施例的详细描述图1是CDMA扩频发射机100的一部分的框图。发射机100包括线路102上的导频信号、线路104上的用户-1数据信号、线路106上的用户-L数据信号(这里“L”是个整数)、线路108上的Walsh码-0、混合器109、线路110上的Walsh码-1、线路112上的Walsh码-L、混合器113、编码&交织设备114、编码&交织设备116、放大器119、放大器120、放大器122、加法器124、I-路伪噪声(PN)源126、Q-路PN源128、混合器130、混合器132、基带滤波器134、基带滤波器136、线路138上的载波信号、相移器140、混合器142、混合器144、加法器146、模拟滤波器148、以及天线150。导频信号是未调制的而且只由正交PN码组成。线路102上的导频信号用做参考信号，供扩频接收机使用(见图2)。导频信号的功率设置得比其它所有信号高，以便有利于接收机同步和信号跟踪。
连接编码&交织设备114到116分别接收线路104到106上的数据信号。数据信号一般由根据IS-95标准的离散二进制数据比特构成。连接编码&交织设备114到116也接收并交织由发射机100内的其它电路(未表示)产生的各种其它信号，例如同步信号、寻呼信号、和业务信号。编码&交织设备114到116指定要发射的数据信号是寻呼信号还是业务信号。
连接混合器109到113以便接收线路108到112上的Walsh码、分别来自编码&交织设备114到116以及线路102上的各种导频和数据信号。各种正交Walsh码(即，Walsh码-0、Walsh码-1、到Walsh码-L)，与这些信号中的每一个混合，唯一地扩展每个带宽并定义不同的信道。Walsh码优选地由线性移位寄存器产生，线性移位寄存器产生典型周期为64个码片间隔的Walsh码。正交码定义为具有零互相关和自相关为1的码。放大器118到120分别被连接到混合器109到113，调整每个Walsh编码信道的增益。加法器124被连接到放大器118到120，并合并每个Walsh编码信道。
PN源126产生复PN码的PNI(t-δ)成分，PN源128产生复PN码的PNJ(t-δ)成分。复PN码由表达式PNI(t～δ)+jPNJ(t-δ)表示，这里δ是相位偏移。相位偏移唯一地将发射机100从其它发射机(未表示)中区分出来。PN码由周期为215码片间隔的线性移位寄存器产生。所得到的PN源126和128产生的PN信号具有1.228Mbps的速率。
混合器130和132分别被连接以接收并混合来自PN源126和128的PN信号以及来自加法器124的合成信号，如图1所示。因此，混合器130和132还对数据符号编码。
连接基带滤波器134和136分别接收并成形来自混合器130和132的扩频信号。基带滤波器134和136一般具有1.25MHz的带宽。但是，使扩频信号通过滤波器134和136，就牺牲了扩频信号的一些正交性。
混合器142连接到基带滤波器134和线路138。混合器142将线路138上的载波信号与基带滤波器134的输出混合。混合器144连接到基带滤波器136并从相移器140接收90°相移的载波信号。加法器146将来自混合器142和144的输出信号接收并相加，构成合成信号。模拟滤波器148连接到加法器146，对来自加法器146的合成信号滤波。天线112连接到模拟滤波器148，发射作为四相PN调制信号的滤波扩频信号。
图2是扩频接收机200一部分的框图。接收机200包括天线202、带通滤波器204、混频器206、延迟锁相环(DLL)208、以及解交织&解码设备210。接收机200还包括没有表示出来的其它常规电路。天线202接收发射机100发射的扩频信号。带通滤波器204连接到天线202，对信号滤波。混频器206连接到带通滤波器204并接收载波信号。接收机200的载波信号与发射机100所混合的线路138上的载波频率相同。混频器206将滤波的信号与载波混频，因此从扩频信号中去掉载波。DLL 208和解交织&解码设备210通过信号线路212连接到混频器206。
在称为“码跟踪”的过程中，DLL 208锁定到发射机100产生的PN码信号上。延迟锁相码跟踪环可以被归类为相干的或非相干的。本发明使用相干跟踪环，利用接收的载波频率和相位信息使DLL 208锁定到接收信号。接收信号与DLL 208内产生的PN码同步。优选地，接收信号同步到半个码片间隔之内。DLL通过将接收信号与本地产生的超前和滞后PN码相关、产生误差信号来自实现这种时间对准。然后，误差信号用在反馈环中调节接收机200内部产生的PN码。当接收机产生的PN码等于发射机100发射的PN码时，误差信号等于零，DLL就被称之为“锁定”到接收信号了。当绘图时，误差信号的完整范围通常被称为“S-曲线”。
解交织&解码设备210通过线路212接收扩频信号以及线路214上的PN码信号。使用发射机100发射的导频信号作为相干载波参考，解交织&解码设备210进一步将接收的数据信号解调为基带数据信号。这种解调过程包括从数据信号中去掉Walsh编码。因此，发射机100最初发射的导频信号、同步信号、寻呼信号、业务信号以及各种其它的用户数据信号被解码并分开。
本领域的技术人员将认识到在一般的扩频系统中，各种其它设备，例如输入键盘、处理单元、内部存储设备、以及输出显示也是包括在发射机100和接收机200之内的。内部存储设备一般存储计算机程序指令，控制处理单元如何访问、转换和输出控制发射机100和接收机200功能的信号。内部存储器可以辅之以其它计算机可用的存储介质，包括光盘、磁驱动器或动态随机访问存储器。
图3是扩频接收机200中DLL 208的框图。DLL 208包括超前相关器302、滞后相关器304、第一加法器306、环路滤波器308、压控振荡器(VCO)310以及PN发生器312。尽管术语“超前”和“滞后”用于标记相关器，但是本发明实际上是根据下面讨论的数学公式操作的，以下面公式优先。超前相关器302包括第一混合器314和第一相关器316。滞后相关器304包括第二混合器318和第二相关器320。DLL 208中的超前相关器302接收线路212上的PN编码扩频信号以及来自PN发生器312的延迟PN码。滞后相关器304接收线路212上的PN编码扩频信号以及来自PN发生器312的提前PN码。然后来自滞后相关器304的滞后信号输出被加法器306从来自超前相关器302的超前信号输出中减去，构成误差信号。环路滤波器308从加法器306接收误差信号。然后将滤波的误差信号送到VCO 310。VCO 310从滤波的误差信号中产生一个信号，被PN发生器312接收。根据误差信号，PN发生器312精确地调谐线路214上的准时/按时PN码信号以及分别送到超前和滞后相关器302及304的延迟和提前的PN码信号。这样完成DLL 208环路。准时PN码信号被送到解交织&解码设备210，用于以常规已知的方式从扩频信号中处理出基带数据。
DLL 208操作更数学化的讨论如下。超前和滞后相关器302和304在线路212上接收的扩频信号r(t)，包括发射机100产生的PN码
以及白高斯(WGN)噪声n(t)，是信号从发射机100的天线112和接收200的天线202的传输过程中加入的，这里
表示未知的传输时延，如式(1)所示。
可以看到，传输时延
的最大似然估计满足下式
这里T是PN码的周期。最大似然估计是本领域常规已知的并在Jack K.Holmes的Coherent Spread Spectrum Systems(相干扩频系统，Wiley 1982)以及John G.Proakis的Digital Communications2nd edition(数字通信，第二版，McGraw-Hill 1989)中有所讨论。换句话说，式(2)表示传输时延的最佳估计是通过将接收信号与DLL208的PN发生器312产生的PN码的时间求导相关而得到的。DLL 208的延迟锁相跟踪环电路将相关驱动到零。
在实际实现中，离散近似，例如一阶微分，用于式(2)中的求导。更具体地，接收信号和本地产生的PN码之间时间差相关的估计是通过首先使用第一乘法器314将接收信号与延迟了一部分码片间隔的PN码
相乘、然后将结果在积分器316中积分以便产生第一中间结果而得到的。接收信号也使用第二乘法器318与来自PN发生器312的提前了一部分码片间隔的PN码
相乘、然后将结果在积分器320中积分以便产生第二中间结果。符号Δ指的是接收机200产生的PN码被延迟或提前的一部分码片间隔。一般Δ被设置为等于半个码片间隔(即，Tc/2)。
然后使用加法器306将第二中间结果从第一中间结果中减去，以便产生误差信号(e)。这个过程称为迟早相关。误差信号通过拉普拉斯变换为F(s)的环路滤波器308，产生VCO 310的控制电压v(t)并操纵本地PN发生器。
对于输入信号r(t)，正如上面所定义的，误差信号e可以写为
这里RPN(.)表示PN序列的自相关，ne-1(.)是超前和滞后相关器302和304的噪声输出。式(3)方括号中的项称为控制信号(也称为S-曲线)，并被写为
这里
式(3)也可以写为
通过检查上式，DLL 208的设计就很清楚了。更具体地，超前相关器302通过使用第一乘法器314将r(t)乘以、第一积分器316将乘法表达式在码片间隔上积分，实现式(5)第一部分。滞后相关器304通过使用第二乘法器318将r(t)乘以
、第二积分器320将乘法表达式在码片间隔上积分，实现式(5)第二部分。加法器306从超前相关器302结果中减去滞后相关器304结果，得到误差信号。这也被称为离散时间积分和清洗过程。
图4是式(4)定义的DLL 208的S曲线范围图，这里
是码跟踪误差。S曲线特性以及DLL的性能是延迟和提前PN码之间时间差的函数。正如从图4中看到的，S曲线是跟踪误差的非线性函数。DLL 208被设计为在S(ε)＝0的S曲线线性区间中操作。DLL 208中DLL电路的功能是将S曲线的输出驱动到零。当S(ε)＝0时，DLL被称为入锁。
通常，跟踪误差的动态和噪声特性确定了DLL的最大带宽。但是，环路滤波器308的参数被选为可以得到小于DLL最大带宽的DLL预定闭环带宽。在IS-95应用中，典型的跟踪误差动态使DLL带宽在几个赫兹量级上。但是，几个赫兹的闭环带宽得到较慢的DLL响应。比较而言，较大的DLL带宽增加了DLL的跟踪误差。这就意味着DLL响应时间和装置的跟踪误差之间的折中。已经发现大约100Hz的闭环DLL带宽最适于IS-95应用。
图5是扩频接收机200另一个DLL 502的框图。另一个DLL 502包括迟早相关器504、提取器506、环路滤波器508、插值器510、放大器512、数控振荡器(NCO)514、伪噪声(PN)发生器516、以及加法器518。迟早相关器504包括乘法器520和积分器522。上面命名的每个器件如图5所示连接在一起。
由于式(5)是线性等式，可以写为
图5表示基于式(6)的DLL 502设计只需要一个相关器。相反，图3表示基于式(5)的DLL 208设计需要两个相关器302和304。
PN发生器516产生延迟的PN码信号
和提前的PN码信号
。加法器518接收这些PN码信号并从超前PN码信号中减去滞后PN码信号。乘法器520接收输入的接收信号r(t)以及来自加法器518的求和结果，然后乘法器520将它们乘在一起。积分器522连接到乘法器520并将所得乘积在一个码片间隔上积分。提取器506从迟早相关器504接收信号并将信号截成迟早相关器的累积长度。这个累积长度等于预定符号数。符号优选地等于64个码片，而且每个码片由预定抽样数定义。环路滤波器508连接到提取器506并具有定义为F(z)的Z变换函数。环路滤波器508能够以比没有提取器506更低的速率对提取器506的输出成形。插值器510接收环路滤波器508的输出，以累积长度抽样数插值。提取器和插值器一般是本领域已知的并且在John.G.Proakis的Digital Communication，2ndedition(数字通信，第二版，McGraw-Hill 1989)以及J.G.Proakis& D.G.Manolakis的Digital Signal Processing Principles，Algorithms and Applications，2ndedition(数字信号处理原理、算法和应用，Macmillan 1992)中有所讨论。NCO 514从插值器510接收信号并调整PN发生器516的定时。PN发生器516从NCO 514接收信号，在每个累积周期中更新PN发生器516的传输时延估计
PN发生器516也在线路214上输出准时的PN码信号。
图6是IS-95扩频通信系统中码跟踪方法的流程图。方法开始于步骤600，其中天线202接收到扩频信号。然后，在步骤602，带通滤波器204对扩频信号滤波。在步骤604，混频器206将信号与载波混频，将信号下变频到基带频率。在步骤606，伪噪声发生器516产生具有超前成分和滞后成分的伪噪声信号。然后，在步骤608，加法器518将超前成分从滞后成分中减去，构成求和信号。在步骤610，混合器520将求和信号与接收信号混合，构成中间信号。在步骤612，积分器522在预定数目的符号上对中间信号积分，构成误差信号。符号数根据各种因素而定，例如可容忍噪声电平、多普勒速率、以及其它本领域已知的性能准则。在步骤614，误差信号通过提取器506。在步骤616，误差信号通过环路滤波器508。在步骤618，误差信号通过插值器510。在步骤620，误差信号通过增益放大器512。在步骤622，误差信号通过NCO 514。然后在步骤624，PN发生器516从NCO 514接收误差信号，因此完成反馈环路/延迟锁相环路。在步骤626，PN发生器516使用误差信号，精确调谐PN码信号的超前和滞后成分。在步骤628，PN发生器516输出准时的PN码信号，用于解交织和解码设备210，从接收扩频信号中解调和解码出基带信号。在步骤628之后，方法完成。
尽管本发明已经参考优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将会认识到可以进行各种修改。优选实施例的变化和修改是认为在本发明范围之内的，仅受如下权利要求的限制。
权利要求
1.在IS-95扩频通信系统中码跟踪的装置，该装置包括对接收信号解调的接收机，具有，伪噪声发生器，根据误差信号，产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分；加法器，连接到伪噪声发生器，从超前成分中减去滞后成分，构成求和信号；乘法器，连接到加法器，将求和与接收信号相乘，构成乘积信号；以及积分器，连接到乘法器，对乘积信号积分，构成误差信号；藉此产生一个调制伪噪声发生器的反馈环路。
2.权利要求1的装置还包括一个提取器，连接到积分器，抽取误差信号。
3.权利要求1的装置还包括一个环路滤波器，连接到积分器，对误差信号滤波。
4.权利要求1的装置还包括一个插值器，连接到积分器，对误差信号插值。
5.权利要求1的装置，还包括一个放大器，连接到积分器，对误差信号放大。
6.权利要求1的装置，还包括NCO，连接到积分器，将误差信号与伪噪声发生器接口。
7.在IS-95扩频通信系统中码跟踪的方法，包括如下步骤接收扩频信号；根据误差信号，产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分；从超前成分中减去滞后成分，构成求和信号；将求和与接收信号相乘，构成乘积信号；以及对乘积信号积分，构成误差信号；藉此产生一个反馈环路，调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分。
8.权利要求7的方法，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前抽取误差信号的步骤。
9.权利要求7的方法，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前对误差信号滤波的步骤。
10.权利要求7的方法，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前对误差信号插值的步骤。
11.在IS-95扩频通信系统中码跟踪的装置，包括接收扩频信号的装置；根据误差信号，产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分的装置；从超前成分中减去滞后成分，构成求和信号的装置；将求和与接收信号相乘，构成乘积信号的装置；以及对乘积信号积分，构成误差信号的装置；藉此产生一个反馈环路，调制产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分的装置。
12.权利要求11的装置，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前抽取误差信号的装置。
13.权利要求11的装置，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前对误差信号滤波的装置。
14.权利要求11的装置，还包括在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前对误差信号插值的装置。
15.计算机可用的介质，通过执行如下步骤，实施使计算机执行IS-95扩频通信系统中码跟踪的计算机程序代码接收扩频信号；根据误差信号，产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分；从超前成分中减去滞后成分，构成求和信号；将求和与接收信号相乘，构成乘积信号；以及对乘积信号积分，构成误差信号；藉此产生一个反馈环路，调制产生伪噪声信号的超前成分和滞后成分。
16.权利要求15的计算机可用介质，还在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前执行抽取误差信号的步骤。
17.权利要求15的计算机可用介质，还在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前执行对误差信号滤波的步骤。
18.权利要求15的计算机可用介质，还在误差信号调制伪噪声信号的超前成分和滞后成分之前执行对误差信号插值的步骤。
全文摘要
公开了在IS－95扩频通信系统中码跟踪的装置和方法。根据误差信号,伪噪声发生器(516)产生伪噪声码信号的准时成分,超前成分和滞后成分。准时成分被导向解交织和解调设备(210),对来自接收扩频信号的基带信号解调和解码。加法器(518)从滞后成分中减去超前成分,构成求和信号。乘法器(520)将求和与接收信号相乘,构成乘积信号。积分器(522)对乘积信号积分,构成误差信号。误差信号反馈到伪噪声发生器(516),精调伪噪声码信号的准时成分,超前成分和滞后成分。因此,仅使用一个相关器(504)而不是两个,就可以对扩频信号解调和解码。
文档编号H04L7/00GK1253675SQ98804527
公开日2000年5月17日 申请日期1998年12月21日 优先权日1997年12月23日
发明者F·坎加尔, M·穆塔梅德, A·J·鲁菲尔 申请人:皇家菲利浦电子有限公司