前同步码搜索设备和方法 【技术领域】
本发明涉及使用码分多址访问(CDMA)系统的移动通讯系统，更具体地涉及前同步码(preamble)搜索设备和方法，其可简化获取基站中一定量发送信号所需要的设备的设计。背景技术
最近，IMT-2000(国际移动通讯2000)受到关注，因为其提供21世纪通讯服务的领先集成技术。同样地，世界上对IMT-2000的标准化和实施技术进行了很多研究。对于IMT-2000标准化的研究集中在基于CDMA的移动通讯技术。研究实施技术可以提供不同服务并产生高的发送速率，这都是基于CDMA技术的IMT-2000所需的。
有不同的技术用于提供基于CDMA的移动通讯服务。一种最关键的能提供移动通讯服务的技术与获取从发射机到接收机的CDMA信号有关。当CDMA信号到达接收机时，接收机必须执行CDMA信号获取，建立从发射机到接收机的信号发送途径。如果不执行CDMA信号获取，就不可能进行，例如，移动终端与基站之间的CDMA信号交换。从这一点可以肯定，接收机对CDMA信号的获取在基于CDMA地移动通讯中非常重要。
接收机通过几个步骤获取CDMA信号。首先，接收机从发射机获取初始信号(即前同步信号(preamble signals))。发射机使用发射机和接收机都已知的预定码产生CDMA信号。如果发射机使用一些接收机不知道的信号产生CDMA信号并将之发送到接收机，则接收机不可能接收到CDMA信号。为了正常地从发射机获取CDMA信号，接收机必须事先知道产生CDMA信号所用的编码。但是，如果几个不同发射机将大量CDMA信号发送到接收机，则接收机难以在第一个步骤中执行CDMA信号获取的操作，因为接收机不知道要接收哪个CDMA信号。
为了解决这一问题，发射机必须使用发射机和接收机都已知的预定编码产生CDMA信号并以预定的定时将之发送到接收机。但是，以这种执行CDMA获取操作存在另外的问题。当几个发射机在相同时间分别发送初始CDMA信号时将出现这一问题。也就是，如果几个发射机使用相同的编码产生CDMA信号并接着将之发送到接收机，则接收机可能产生混乱，不知接收哪个信号。这个现象称为信号冲突。这种信号冲突需要避免。为了避免信号冲突，发射机使用预定的不同编码产生各个CDMA信号，其中每个编码都是接收机已知的。尽管发射机同时将CDMA信号发送到接收机，但可以减小发生信号冲突的可能性，因为每个CDMA信号是通过不同编码产生的。在假设接收机能够同时接收与各个编码对应的所有CDMA信号时，这是可能的。但是，这将导致增大硬件设备的复杂性。
一般地，接收机的相关器在CDMA信号获取操作中具有重要地位。相关器将存储在接收机中的CDMA信号和基准信号相乘，并在给定时间内将得到的数值累加。如果接收机成功获取CDMA信号，则相关器输出大的累加值。根据相关器的输出可以确定是否获取到CDMA信号。如果接收机没有获取到CDMA信号，则相关器改变CDMA信号的开始时间并使用新的开始时间再次执行相关的操作。在预定时间内对几个开始时间重复这一过程。存储在接收机中的基准信号是预定编码，发射机使用它产生CDMA信号并且对于发射机和接收机是已知的。如果使用几个不同的编码产生CDMA信号减小信号冲突的可能性，获取CDMA信号就需要与各个编码对应的几个不同相关器。结果是，不可避免地增加了硬件设备的复杂性。
但是，为了IMT-2000的需要，需要减小获取CDMA信号所需的时间，即高效的数据服务和高的数据传输速率。也就是，必须将完成初始信号获取花费的时间减小到最低程度，并且必须减小信号冲突的可能性。IMT-2000的标准推荐中说明了从发射机获取初始CDMA信号的时间限制。如果使用上述的相关器，就不可能在限定的时间内获取CDMA信号。为了在预定时间内获取CDMA信号，相关器必须在相同时间检验每个CDMA信号的开始时间。但是，这必然导致相关器数量的增多。因此，使用相关器在限定时间内难以完成初始信号的获取。
考虑到这一点，需要具有匹配滤波器结构的CDMA信号获取设备。通过匹配滤波器，使上述相关器在给定时间周期内一次全部执行乘法和累加，可以克服上述限制。但是，匹配滤波器需要能够在给定时间内一次全部重复执行预定次数乘法和加法的操作单元，以及有助于这些操作的存储器。乘法和加法的执行与绝对编码有关。如果几个编码用于产生CDMA信号，则需要与几个编码对应的几个匹配滤波器执行CDMA信号的获取。基于此，需要增加硬件设备的复杂性，这与使用大量的相关器相似。
为了满足IMT-2000的需要，必须引入在限定时间内获取CDMA信号的新型CDMA信号获取设备。如上所述，包括许多传统匹配滤波器的CDMA信号获取设备的缺点在于大大增加了硬件设备的复杂性。因此，需要能够减小复杂性的新型匹配滤波器。也就是，必须分析引起高复杂性的原因并开发减小它的设备。发明内容
因此，考虑到上述问题提出本发明。本发明的一个目的是提供搜索前同步码的设备和方法，能正常获取发射信号，同时具有减轻匹配滤波器对操作单元和存储器过分依赖的结构，并且仅使用一个匹配滤波器处理几个不同编码，从而减小传统匹配滤波器硬件设备的复杂性。
本发明的另一个目的是提供搜索前同步码的设备和方法，能在限定时间内获取结构很简单的IMT-2000所需的发射信号。
根据本发明的一个方面，上述和其它目的可以通过提供搜索前同步码获取发射信号的方法实现，该方法包括的步骤为：从存取时隙边界(an access slotboundary)输入与第一天线有关的每个片(chip)的过采样样本(oversampledsamples)并将输入的样本存储在第一缓冲器中；预定延迟失效后从存取时隙边界输入与第二天线有关的每个片的过采样样本并将输入的样本存储在第二缓冲器中；在多个片周期内从第一和第二缓冲器中读取样本并将读出的样本与扰频码相关，以产生与多个假设分别对应的签名；计算每个签名的累积能量值；以及按相同的类型分类签名并从分类签名中选择具有最大累积能量值的一个。
根据本发明的另一个方面，提供一种搜索前同步码获取发射信号的方法，其步骤包括：从存取时隙边界输入与天线有关的每个片的过采样样本并将输入的样本存储在样本缓冲器中；在多个片周期内从样本缓冲器中读取样本并将读出的样本与扰频码相关，以产生与多个假设分别对应的签名；计算每个签名的累积能量值；以及按相同的类型分类签名并从分类签名中选择具有最大累积能量值的一个。
根据本发明的再一个方面，提供一种在使用码分多址访问系统的移动通讯系统中搜索前同步码的设备，其包括第一缓冲器，用于从存取时隙边界输入与第一天线有关的每个片的过采样样本并在多个相关周期内循环存储输入的样本；第二缓冲器，用于预定延迟失效后从存取时隙边界输入与第二天线有关的每个片的过采样样本并且仅在特定的一个相关周期内存储输入的样本；样本发射机，用于在多个片周期内从第一和第二缓冲器读取样本并将读出的样本作为与多个假设分别对应的多个样本图案进行发射；扰频码发射机，用于每隔一个存取时隙产生扰频码并将产生的扰频码作为与多个假设分别对应的多个扰频码图案在多个片的时间间隔内进行发射；多个相关器，用于将来自样本发射机的样本与来自扰频码发射机的扰频码相关，以产生与假设分别对应的签名；能量计算单元，用于计算来自相关器的每个签名的累积能量值；以及分类/选择单元，用于将来自相关器的签名按相同类型分类并从分类签名中选择具有最大累积能量值的一个。附图的简要说明
结合附图并参考下面的详细描述，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，附图中：
图1表示基于宽带码分多址访问(WCDMA)的随机存取段结构；
图2是表示根据本发明基于WCDMA用于搜索前同步码的设备结构的框图；
图3是表示图2的样本缓冲器结构的框图；
图4表示图2的样本缓冲器的写操作；
图5是图2的样本缓冲器外围结构的框图；
图6是表示根据本发明的图2的样本发射机结构的详细框图；
图7是表示根据本发明的图2的扰频编码发射机结构的详细框图；
图8表示将单独天线的样本与扰频码关联的操作；
图9表示将两个天线的样本与扰频码关联的操作；
图10是表示根据本发明图2中的一个相关器结构的详细框图；
图11是表示根据本发明图2的能量计算单元结构的详细框图；
图12是表示根据本发明图2的分类/选择单元结构的详细框图。具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明的优选实施方式。在本发明下面的描述中，当其中包括的公知功能和结构使本发明的内容变得不清楚时将省略对其的详细描述。并且，下面描述中所用的数字仅仅是作为例子，并由基于异步CDMA技术的IMT-2000支持。优选实施例的各种修改对于本领域内熟知人员是显而易见的，在不偏离本发明精神和范围的情况下，这里定义的基本原理可以应用于与本发明优选实施方式的CDMA信号具有相似格式的其它CDMA信号。
为了参考，在基于CDMA的移动通讯中，CDMA信号通过存取通道发送到接收机，用于获取CDMA信号的初始信号。存取通道具有以固定长度的时隙为单位的开始时间。这种单位的时间称为存取时间片(access slot)。存取通道第一发射部分称为前同步码。接收机中的初始信号获取是通过获取存取通道的前同步码实现的。发射机使用从几个可选择的编码构成的组中选择的编码产生前同步码。每个编码一般称为签名。接收机一次获取每个初始信号，其中的初始信号是使用几个不同签名产生的。通过这种方式，发射机甚至可以分别使用不同签名产生前同步码并将它们发送到接收机，接收机也能从每个发射机获取每个前同步码。因此，本发明中使用的匹配滤波器可以称为前同步码搜索设备，因为它能获取使用所有可用签名产生的初始信号。
下面对匹配滤波器进行详细描述。
图2是一个框图，大致表示根据本发明的基于宽带码分多址访问(WCDMA)技术在基站中使用的前同步码搜索设备的结构。前同步码搜索设备包括具有循环缓冲器和固定缓冲器的样本缓冲器5、样本发射机30、扰频码发射机40、相关器50、能量计算单元60和分类/选择单元70。
通过基站的无线接收单元和中频解调单元接收发射机的数字数据。接收的数字数据输入通道板并接着以每片两个样本的速率存储在样本缓冲器5中，其中片与DSP指定的扇区和天线相关。DSP是装在通道板中的功能块。这种DSP是本领域内熟知人员公知的，因此未示出。
另一方面，前同步码搜索操作开始在指定扇区和天线存取时隙的边界执行。样本缓冲器5具有循环缓冲器和固定缓冲器，如图3所示，在二天线搜索模式中执行前同步码搜索操作，这种二天线搜索模式是一种前同步码搜索模式。循环缓冲器在从存取时隙边界开始的2048片周期内存储样本，而固定缓冲器仅在上述从存取时隙边界开始的2048片周期以后的2048片周期内存储样本。每个缓冲器，如图3所示，在每一行以16片的单位在2048片周期内存储样本，具有32768位的容量(2048片×2样本/片×8位/样本)。每个缓冲器具有两个独立的存储器或存储体。当以16为模时，两个存储器中的一个存储样本是0-7，另一个存储样本是8-15。每个缓冲器的存储体大小为256×64位。这种结构可以等同地应用于循环缓冲器和固定缓冲器，但除了固定缓冲器仅仅从存取时隙边界开始2048片周期终点到从存取时隙边界开始第4096片的周期内存储样本。首先，16片周期内的样本存储在第一行。如图4所示，16片周期执行写操作四次并连接存储16片周期内的有效数据。在循环缓冲器中，与即时样本对比，按8片高级格式存储半时(half-time)样本。在固定缓冲器中，按相同格式存储半时和即时(on-time)样本。以存取时隙间隙重复用于将样本存储在循环缓冲器中的地址产生操作(address generation operation)，并在每个存取时隙边界初始化。对于这种存储操作，必须在样本缓冲器5前面提供临时缓冲器14，其中临时缓冲器14临时存储最多8片周期的样本，如图5所示。图4表示在每个16片周期中将从临时缓冲器14输入的样本以4片周期为单位存储于样本缓冲器5的样本缓冲器存储操作。将这些样本存储在样本缓冲器5的地址根据以下方程式产生：
[Ad_Wr](cir)＝[((cnt_chipxl_2as-8)/16)％128]对于即时样本
＝[(cnt_chipxl_2as/16)％128]+128]对于半时样本
其中：[cnt_chipxl_2as]＝0～10239
[Ad_Wr](fix)＝[(cnt_chipxl_as％2048)/16]对于即时样本
＝[(cnt_chipxl_as％2048)/16]+128对于半时样本
其中：[cnt_chipxl_as]＝0～5119
当[cnt_chipxl_as]＝2048时开始
图5是样本缓冲器外围结构的框图。
在样本缓冲器5周围有多路选择器12、临时缓冲器14和地址发生器18。在此实施例中，临时缓冲器14为8片大小，样本缓冲器5为2048片大小。多路选择器12根据DSP控制选择路径并通过选择的路径在8片周期内为临时缓冲器14提供样本。临时缓冲器14临时存储所提供的样本并接着将存储的样本发送到样本缓冲器。样本缓冲器使用按上述方式产生的地址存储来自临时缓冲器14的样本。
图6是表示根据本发明图2的样本发射机30的结构的详细框图。
如该图所示，样本发射机30包括即时样本发射机和半时样本发射机。两个样本发射机中的每一个都包括开始地址发生器31、模128计数器32、两个16样本临时缓冲器34和35、样本多路复用器36、四个样本临时缓冲器37。而且，样本临时缓冲器37连接到8个平行相关器50，分别向其中发送样本。
需要从样本缓冲器5读出样本用于相关操作。读操作开始点离存取时隙边界2056片(2048+8)。此后，读取以16片单位存储在样本缓冲器5中的样本的操作与以4片单位存储读出的样本的操作同时进行。即时样本和半时样本分别存储在不同存储器区域，并且每个相关操作独立进行。也就是，即时相关器参考假设#0、#2、#4、#6(1/2片分辨率)进行相关操作，半时相关器参考假设#1、#3、#5、#7进行相关操作。重复执行这两个过程，相关器参考所有假设执行相关操作。
下面对上面的描述给出更具体的描述。样本发射机30在每个时钟周期按顺序读出存储在样本缓冲器中的样本并将读出的样本存储在16样本临时缓冲器34和35。样本临时缓冲器37在一天线搜索模式或二天线搜索模式下操作。样本多路复用器36响应于天线搜索模式选择信号和假设选择信号执行多路传输操作。
在一天线搜索模式中，如果选择假设0到3，样本b0到b15存储在相关器#0和#1中，样本b1到b16存储在相关器#2和#3中，样本b2到b17存储在相关器#4和#5中，样本b3到b18存储在相关器#6和#7中。在一天线搜索模式中，如果选择假设4到7，样本b8到b23存储在相关器#0和#1中，样本b9到b24存储在相关器#2和#3中，样本b10到b25存储在相关器#4和#5中，样本b11到b26存储在相关器#6和#7中。
另一方面，如果选择二天线搜索模式，由于使用PN码产生多个假设之间的偏移，所有样本b0到b15存储在每个相关器#04和#7中。
开始地址发生器31产生开始地址，用于在每个存取时隙即16片间隔读取样本。模128计数器32基于开始地址产生物理地址。另一方面，连接在每个相关器50的输入终端或样本临时缓冲器37分别输入与每8片周期的地址(0到15、1到16、2到17、3到18)对应的样本以及与每8片周期的地址(8到23、9到24、10到25、11到26)对应的样本。
图7是表示根据本发明图2的扰频码/PN(伪噪声)码发射机40的结构的详细框图。
如图所示，扰频码(PN码)发射机40包括开始地址发生器41、模2048计数器42、两个16-PN临时缓冲器44和45、PN多路复用器46和8个PN临时缓冲器47。并且，每个PN临时缓冲器47连接到8个平行相关器50，向其中发送样本。图中的PN缓冲器43对应于图2的扰频码缓冲器43。
下面描述产生并存储PN码的过程。首先，在每个存取时隙更新扰频码(PN码)。在离存取时隙边界1024片到2048片的周期中任何点处都不执行相关操作。因此，用DSP分配到片周期(片1024到片2048)的新扰频码产生与4096片周期相关的扰频码并存储在扰频码缓冲器，或PN缓冲器43。这个缓冲器执行模32计算并接着将与地址0到15对应的值存储在一个存储体中，将与地址16到31对应的值存储在其它存储体中。PN缓冲器43包括两个存储体，其中每个存储体的容量为128×32片。
PN缓冲器43产生4096片的PN码。因此，如果使用片×16操作时钟，则需要256(4096/16)片周期。与每个片对应的一个PN码在16操作时钟周期产生并存储在PN缓冲器43中。在离存取时隙边界1792片到2047片的周期通过写入PN缓冲器43的操作产生PN码，PN缓冲器43存储产生的PN码。为了产生地址，首先装入初始值0，接着顺序地增大1。结果，产生了所有256行的所有地址。
下面描述读取PN码的过程。样本和PN码一起用于调节偏移。也就是，样本在少于4片的周期内调节偏移，PN码在4片周期中调节偏移。因此，在每个8片周期完成一个假设的相关操作，PN缓冲器43具有在4片基础上的偏移。
模2048计数器42用于产生开始地址和四重开始地址，其中模2048计数器42每隔时间延迟2048片周期的存取时隙进行操作。开始地址产生器41在每个8片周期产生开始地址和四重开始地址并将它们装入模2048计数器42，从而在每个操作时钟产生PN地址。由于每个四重开始地址在每行PN缓冲器43具有18片基础上的偏移，PN多路复用器46使用偏移选择信号每隔4片从PN临时缓冲器45读出PN码。
即时和半时相关器共用PN临时缓冲器47。PN多路复用器46响应于一天线搜索模式选择信号和假设模式选择信号进行操作。如果选择一天线搜索模式，存储在PN临时缓冲器47中的相同PN码分别输入相关器50。如果选择假设0到3，将b0到b15存储在每个PN临时缓冲器47中；如果选择假设4到7，将b4到b19存储在每个PN临时缓冲器47中；如果选择假设8到11，将b8到b23存储在每个PN临时缓冲器47中；如果选择假设12到15，将b12到b27存储在每个PN临时缓冲器47中。另一方面，如果选择二天线模式，b1到b16通常存储在相关器#0和#1，b2到b17存储在相关器#2和#3，b3到b18存储在相关器#4和#5，b4到b19存储在相关器#6和#7。
图8表示与单天线相关的样本和扰频码(或PN码)之间的相关操作。
如果总集成长度是2048片并且8个平行相关器50用于相关操作，通过循环缓冲器搜索2048片假设，对于8个假设(1/2片)需要全部8片周期完成样本与PN码的相关。因此，样本移动8片单位，PN码移动4片单位。
图9表示与两天线有关的样本和扰频码之间的相关操作。二天线搜索模式中前同步码搜索操作通过数量与一天线搜索模式中前同步码搜索操作所用的搜索机相同的搜索机执行，因此，每个天线假设的数量减少一半。在与两天线中的第一天线相关的搜索操作中，一天线搜索模式中搜索操作所用的相同的样本缓冲器5和PN缓冲器43也用于与第一天线相关的搜索操作。2048片周期中的固定样本用于执行与两天线中第二天线相关的搜索操作，PN偏移用于调节不同假设之间的偏移。在图9中，第一搜索表示0片到1023片偏移片周期的相互关系，第二搜索表示1023片到0片偏移片周期的相互关系。需要注意的是，可以执行偏移1024片的相关操作，但本发明中不执行这一相关操作。
图10是表示本发明图2中每个相关器结构的详细框图。每个相关器包括复数共轭乘法器(MP)、加法器(AD)、累加器(Acc)和转储电路(Dump)，为了将19个样本(S)与19个PN码(P)相关，执行去扰频操作和相干积分操作。
每个相关器一次将每个16片周期中的样本与每个16片周期内的PN码进行相关，接着执行16个操作时钟的相干积分，即256片周期。对上述操作更详细的描述是，乘法器执行每个样本和对应PN码的复数共轭乘法。接着加法器将16个乘法结果相加，累加器根据构成I和Q分开存储结果。根据去扰频码的一个操作时钟单位执行上述操作，相干积分操作在每个操作时钟执行，而非相干积分操作在256片单位内执行，如下所述。转储电路将累加器的相干积分结果转储并将它们输出。
图11是表示根据本发明图2中的能量计算单元60结构的详细框图。
能量计算单元60包括输入时间多路复用器(256到32)61、快速Hadamard变换(FHT)单元62、时间多路信号分解器(16到32)63、32个相干积分寄存器64、时间多路复用器65、32个平方器66、16个加法器67和16个累加器68。
首先，输入时间多路复用器61输入每个I和Q相干积分的16个结果，即来自8个相关器50中每一个的总共32个输出值，并将它们输出到FHT单元62。接着FHT单元62连续地执行8个假设16个签名的FHT操作，并将结果存储在相干积分寄存器64。分别根据8个假设执行这些操作。接着，对于8个假设中的每一个通过时间多路复用器65、平方器66和加法器67连接执行平方和，用以累加非相干积分，将得到的累积能量输出并存储在累加器68中。通过用时间多路复用器65连接处理8个假设分别计算8个假设16个签名的能量值。同时输出8个假设奇偶签名的能量值。
图12是表示根据本发明图2中的分类/选择单元70的详细框图。
分类/选择单元70包括第一时间多路复用器71、分类器/选择器72、第二时间多路复用器73、16个候选表74和第三时间多路复用器75。
首先，对8个假设的签名进行分类。将分类签名的能量值分别与存储在候选表74中的当前值进行对比。接着，选择并输出最大能量值的签名。然后更新候选表74。
基站将与选择的签名对应的俘获指示器发送到移动站，从而建立与移动站的呼叫连接。
工业适应性
由以上描述可以清楚地看出，本发明提供一种前同步码搜索设备和方法，在一天线搜索模式中能执行2048片假设搜索操作而不是4096片假设搜索操作，从而将搜索机的数量减少一半。而且，设备和方法能在二天线搜索模式中使用循环缓冲器和固定缓冲器执行2048片假设搜索操作，从而将搜索机的数量减少75％。结果，本发明简化了前同步码搜索核心的设计，因此其优点包括减小用于获取CDMA移动通讯系统中的初始信号的设备(匹配滤波器)复杂性。
尽管结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域熟知人员应该意识到，在不偏离本发明权利要求涵盖的范围和精神的情况下，各种修改、添加以及对具体元件的替代都是可能的。