具多径干扰抑制单元的到达 角度估测装置及方法 技术领域
本发明涉及一种到达角度估测装置及方法，特别是涉及使用于扩频通信系统的一种具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置及方法。
背景技术
随着科技的进步，无线通信系统的发展也是日新月异。无线通信系统已经广泛的由机关、公司及个人使用，是现代人非常方便的沟通工具。许多国家，如美国，已经开始修改法律要求无线通信系统必须可以提供定位的功能，以找出发号者的位置，例如当发生紧急事件时，定位系统可以快速地找出发号者的位置，以供救护单位提供即时的支援。以网络为基础的定位系统(Network-based location systems)所使用的方法是以已知的基站(Base station，BS)位置找出发出信号的移动台(Mobile station，MS)的座标，移动台例如是手机或其他移动通信装置。传统的定位系统可以用基站所接收地信号的到达角度(Angle-of-Arrival，AOA)或到达时间(Time-of-Arrival，TOA)以进行移动台定位。
参见图1，示出使用到达角度进行移动台定位的系统图。移动台MS可以由第一方位轴线(Lines of bearing，LOB)L1与第二方位轴线L2的交点来确定其位置。就这种作法而言，第一基站BS1与第二基站BS2中分别设置有多个天线，称之为阵列天线(Antenna array)，需要进行定位时，移动台MS便将无线信号110发出，由于无线信号110为全向性的无线信号，因此在无线信号110发出之后，两基站均可收到；而后，只需要将两基站中各天线所接收的无线信号110进行阵列信号处理(Array signal processing)运算后，即可得知无线信号110入射至第一基站BS1的入射角度θ1，及无线信号110入射至第二基站BS2的入射角度θ2。通过适当的运算，即可由入射角度θ1与θ2求得方位轴线L1与方位轴线L2，并利用两轴线的交点得知移动台MS的位置。由上支叙述可知，该方法需要至少两个基站来进行移动台的定位，且在实际应用上，每个基站更需要为数众多的接收天线，才能使入射角度的检测更为精确，进而正确地估得到移动台的位置。如此一来，虽能估算出移动台的位置，却增加基站构造的复杂度。而在现存的无线通信系统中，使用空间分集(Space diversity)技术的基站通常只具有两个或三个天线而已，这样的架构比较容易建设，又可减轻无线信号110的衰落效应(Fading effect)，因此被广为使用；若要修改现有的基站以使用到达角度做定位实在是不可行，这是因为需花费很大的成本，相当不符合经济效益。
而且使用到达角度进行定位还有一个急需解决的问题，那就是多径干扰(Multipath)。多径干扰是指信号从发射端发射后，信号经过一条以上的路径到达接收端，例如是经过都市中大楼的反射或大气层的反射等，使得接收端所接收到的信号并非仅经由一直接路径到达，还包括经由其他路径而到达的信号。此些经由不同路径到达接收端的信号即为多径信号，其到达基站的入射角度不同，使得所估测的到达角度容易误判。传统上，使用扩频(SpreadSpectrum，SS)技术可以将多径干扰降低。在扩频通信系统中，例如是码分多址(Code Division Multiplexing Access，CDMA)系统，移动台在开始传送数据前必须向基站要求一个唯一的辨识码，不同的移动台使用不同的辨识码来传送数据，而接收端的基站也是依据移动台所使用的辨识码来解开所接收的数据。由于辨识码的频谱比基频信号的频谱来的宽，因此当两个信号相乘后，辨识码可将基频信号的频宽展开，连带的，附着在基频信号上的杂讯也会被展开，形成功率更低的干扰情形。举例来说，扩频技术例如是使用256个码片(Chip)来表示一个比特的数据，也就是传送端将一个比特的原始数据展开成256个码片来传送；接收端然后将接收到的码片还原成原始数据，因此数据传送过程中所受到的杂讯干扰在最佳状况之下可以减少256倍。但是所传送的信号为时强时弱，所以多径干扰信号的强度可能大于直接路径的信号强度，就算多径干扰信号的强度减少了256倍，也会对到达角度的估测造成误判。
综上所述，传统的定位方法至少具有以下缺点：
一、以到达角度进行定位的基站需架设阵列天线，与现有的使用空间分集技术的基站不同，增加构造成本，不符合经济效益。
二、由于无线通信具有多径干扰，使得估测的到达角度的准确性不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置及方法，此装置及方法是依据现有空间分集的天线来检测无线信号入射角度，以减低基站的建构成本，并且可以抑制多径干扰，以增加到达角度估测的准确性。
根据本发明的目的，本发明提供一种具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置，用于一扩频通信系统，以检测一移动台所发出的无线信号入射至一基站的到达角度，该基站包括一第一天线与一第二天线，该第一天线用于接收该无线信号并据以输出一第一扩频信号，该第二天线用于接收该无线信号并据以输出一第二扩频信号，该到达角度估测装置包括：一多路复用单元，与该第一天线及该第二天线耦接，用于分时接收该第一扩频信号与该第二扩频信号并输出一多路复用信号；一解扩频单元，与该多路复用单元耦接，用于接收该多路复用信号，并将该多路复用信号解扩频后输出一解扩频信号；一多径干扰抑制单元，与该解扩频单元耦接，用于接收该解扩频信号，抑制该解扩频信号的多径干扰后输出一串行信号；一串行转并行单元，与该多径干扰抑制单元耦接，用于接收该串行信号，并依据该串行信号输出一第一并行信号与一第二并行信号；以及一角度估测单元，与该串行转并行单元耦接，用于接收该第一并行信号与该第二并行信号，并据以输出该到达角度。
根据本发明的另一目的，提供一种多径干扰抑制方法，用于一扩频通信系统，该方法包括：接收一解扩频信号；提取该解扩频信号的一传送前导比特；以及将该传送前导比特与一已知前导比特相乘后输出。
本发明还提供一种具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置，用于一扩频通信系统，以检测一移动台所发出的一无线信号入射至一基站的一到达角度，该基站包括一第一天线与一第二天线，该第一天线用于接收该无线信号并据以输出一第一扩频信号，该第二天线用于接收该无线信号并据以输出一第二扩频信号，该到达角度估测装置包括：一解扩频单元，将该第一扩频信号及该第二扩频信号解扩频后，输出一第一解扩频信号及一第二解扩频信号；一多径干扰抑制单元，与该解扩频单元耦接，用于接收该第一解扩频信号及该第二解扩频信号、抑制该第一解扩频信号及该第二解扩频信号的多径干扰后，输出一第一降扰信号以及一第二降低扰信号；以及一角度估测单元，接收该第一降扰信号以及该第二降扰信号，并据以输出该到达角度。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明优选实施例作详细说明如下。
附图说明
图1示出使用到达角度进行移动台定位的系统图。
图2示出根据本发明一种具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置的方块图。
图3绘示为角度估测单元的方块图。
以下为标号说明：
110：无线信号
200：具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置
210：多路复用单元
220：解扩频单元
230：多径干扰抑制单元
232：前导比特提取器
234：乘法器
240：串行转并行单元
250：角度估测单元
310：切换交互相关器
320：累加器
330：相位检测器
具体实施方式
在一般无线通信系统中，使用空间分集技术的基站通常只具有两个或三个天线而已，由于构造简单，又可减轻通道衰落效应(Fading effct)，因此被广为使用。使用空间分集技术的基站的各个天线接收通信信号后的输出称为分支输出(Branch output)，为了增进通信品质，这些天线的相对位置为大于半个波长，以使这些分支输出的振幅在统计上为没有相关性(Uncorrelated)，也就是其这些分支输出的振幅的期望值为零，这是本领域技术人员公知的。虽然这些分支输出的振幅为没有相关性，但是此些分支输出的信号之间具有因天线所在位置不同所造成的相位差，此相位差可以经由将此些分支输出进行交互相关运算而得。因此依据天线所在的位置，与各个分支输出之间的相位差，即可计算出无线信号110的入射角度θ。本发明依据上述的原理以进行到达角度的估测，并依据扩频通信系统的原理以减低多径干扰扰(Multipath)。
扩频通信系统中，例如第三代移动通信标准中的宽带码分多址(Wideband-CDMA，W-CDMA)系统，传送端所发送的信号是以帧(Frame)为单位，每个帧包括15个时槽(Slot)，每个时槽的信号的最前端包括有前导比特(Pilot bits)，前导比特为3到8个比特。移动台与基站开始建立连接时，移动台与基站相互传送信号所使用的前导比特即为已知，称之为已知前导比特a，之后传送端传送数据给接收端时，每个时槽的数据也都包括有前导比特，称之为传送前导比特a′。接收端所接收的信号可能经过多径干扰，因此接收端接收的每个时槽的传送前导比特a′和已知前导比特a相互不同。例如，若已知前导比特a为三个比特所组成：a＝(a(0)，a(1)，a(2))＝(1，-1，1)。在接收端所接收的信号为直接路径的信号d与其他路径的信号d′的叠加，经由直接路径的信号d的前导比特ad与已知前导比特a相同，亦即ad＝(ad(0)，ad(1)，ad(2))＝(a(0)，a(1)，a(2))＝(1，-1，1)。而经由其他路径的信号d′由于有时间的差异，因此相位会与经由直接路径的信号d的相位不一样，假设经由其他路径的信号的前导比特ad′为ad′＝(ad′(0)，ad′(1)，ad′(2))＝(1，-1，1)。若将已知前导比特a的与传送前导比特a′相乘，其结果为a*a′＝(a(0)*a′(0)+a(1)*a′(1)+a(2)*a′(2))；则经由直接路径的信号d的前导比特ad与已知前导比特a相乘的结果为3，经由其他路径的信号d′的前导比特ad′与已知前导比特a相乘的结果为1。可知经由其他路径的信号的前导比特ad′与已知前导比特a相乘后的强度会被抑制，而经由直接路径的信号d与已知前导比特a相乘后的强度会被增强，因此可以有效的抑制多径干扰所造成的影响。
依照上述的原理，本发明提出一种具有多径干扰抑制单元的到达角度估测装置(Angle-of-arrival estimator)。参见图2，示出依照本发明的具多径干扰抑制单元的到达角度估测装置200的方块图。到达角度估测装置200用于基站，基站包括天线A与天线B。天线A接收移动台发出的无线信号110并据以输出扩频信号SS1，天线B接收移动台发出的无线信号110并据以输出扩频信号SS2。到达角度估测装置200与天线A与B耦接，用于接收扩频信号SS1与SS2并据以输出到达角度θ。到达角度估测装置200包括多路复用单元210、解扩频单元220、多径干扰抑制单元230、串行转并行单元240与角度估测单元250。多路复用单元210与天线A与B耦接，用于交错选择扩频信号SS1与SS2并输出为多路复用信号Sm。例如在第一个时槽选择扩频信号SS1；在第二个时槽则选择扩频信号SS2，依此类推。所以第一个时槽：时槽(0)的多路复用信号Sm(0)等于时槽(0)的扩频信号SS1(0)；第二个时槽：时槽(1)的多路复用信号Sm(1)等于时槽(1)的扩频信号SS2(1)；第三个时槽：时槽(2)的多路复用信号Sm(2)等于时槽(2)的扩频信号SS1(2)，...，依此类推。解扩频单元220与多路复用单元210耦接，用于接收多路复用信号Sm，将各个时槽的多路复用信号Sm解扩频后，输出解扩频信号DS。多径干扰抑制单元230与解扩频单元220耦接，用于接收解扩频信号DS，并依据上述的原理抑制解扩频信号DS的多径干扰后，输出抑制信号SP。串行转并行单元240系与多径干扰抑制装置230耦接，用于接收抑制信号SP，并将偶数时槽的抑制信号SP输出为并行信号P1，将奇数时槽的抑制信号SP输出为并行信号P2。并行信号P1(i)即为天线A输出的扩频信号SS1(2*i)经过解扩频与抑制多径信号干扰后的结果；并行信号P2(i+1)即为天线B输出的扩频信号SS2(2*i+1)经过解扩频与抑制多径信号干扰后的结果，其中，i为零或是正整数。角度估测单元250与串行转并行单元240耦接，用于接收并行信号P1与P2，并依据并行信号P1与P2的相位差输出到达角度θ。
多径干扰抑制单元230包括前导比特(Pilot bits)提取器232与乘法器234。多径干扰抑制单元230将各个时槽的已知前导比特a的每一比特各个时槽的信号的传送前导比特a′的对应的比特相乘，并将相乘的结果相加后输出。前导比特提取器232与解扩频单元220耦接，用于接收解扩频信号DS，并据以输出解扩频信号DS中的传送前导比特a′。乘法器234与前导比特提取器232耦接，用于接收传送前导比特a′，并与已知前导比特a相乘后，输出串行信号SP。然而乘法器234不局限于只将一个时槽内的传送前导比特a′与已知前导比特相乘后输出，也可将多个时槽内的传送前导比特a′与已知前导比特相乘的结果求和后输出，以使多径干扰抑制的更好。
多径干扰抑制单元230抑制多径干扰的方法包括：首先，接收解扩频信号。接着，提取解扩频信号的传送前导比特。最后，将传送前导比特与一已知前导比特相乘后输出并结束本方法。其中，传送前导比特与已知前导比特具有相同的比特数n，将传送前导比特与已知前导比特相乘的步骤包括：初始时，定义一参数的初始值为0，j的初始值为0。首先，(a)将传送前导比特的第j个比特与已知前导比特的第j个比特相乘并将相乘的结果与此参数的内容值相加。接着，令j递增1。然后，检查j是否小于n，若是，则回到步骤(a)，若否，此参数的内容值即为传送前导比特与已知前导比特相乘的结果。
参见图3，示出角度估测单元250的方块图。角度估测单元250包括切换交互相关器(Switched cross-torrelator)310、累加器(Accumulator)320与相位检测器(Phase detector)330。切换交互相关器310用于接收并行信号P1与并行信号P2，并将并行信号P1与并行信号P2进行交互相关运算，输出估计的交互相关系数。累加器320与切换交互相关器310耦接，用于接收一观察周期内的多个交互相关系数，分别给予各个交互相关系教加权值后求和，输出平均交互相关系数ρ。由于在扩频通信系统中，取得一个样本的时间比较长，约10ms，所以环境因素变化所造成的影响很大，例如移动台正在移动，则所取得的样本需要进行加权求和，以减低环境变化所造成的影响，并可以平滑时变(Time varying)的通道特性。各个交互相关系数的加权值可以由遗忘因子(Forgettig Factor，FG)决定，FG的值小于l。例如累加器要将交互相关系数(2)三者相加，且交互相关系数(2)为最新的数据，则交互相关系数三者的加权值各别为(FG)2、(FG)1与1。也就是越新的数据的加权值越大，以使估测的到达角度θ更为准确。相位检测器330与累加器耦接，接收平均交互相关系数 ρ，进行相位检测后，输出到达角度θ。
本实施例中包括多路复用单元210以及串行转并行单元240，其目的是为了减少到达角度估测装置200内部的元件数量，以降低实施本发明所需的成本。然而也可以取消多路复用单元210以及串行转并行单元240的设置，而在解扩频单元220中设置两组解扩频的电路、多径干扰抑制单元230中设置两组处理电路。如此一来，本变化实施例的多径干扰抑制单元将包括一解扩频单元，以接收来自基站的两组天线所输出的两组扩频信号，并将该两组扩频信号解扩频后，输出两组解扩频信号；一多径干扰抑制单元以接收该两组解扩频信号、并在抑制其多径干扰后输出两组降扰后信号；一角度估测单元，接收该两组降扰后信号，并计算得所接收的无线信号的到达角度。此时，该多径干扰抑制单元将包括：一前导比特提取器，与该解扩频单元耦接，用于接收该两组解扩频信号，并输出两组传送前导比特；一乘法器，与该前导比特提取器耦接，用于接收该两组传送前导比特，将该两组传送前导比特分别与一已知前导比特相乘后输出该两组降扰信号给角度估测单元。这样的设计虽然可能会造成多径干扰抑制单元总成本的增加，然而也同样可以达到本发明的日的。
本发明上述实施例所公开的定位侦测的方法与装置具有以下优点：
一、基站只需两个天线辅以简单的加减运算，即可检测到达角度，不需对现有的基站做大幅更改，符合经济效益；以及
二、可以抑制多径干扰，以增进到达角度估测的准确度。
综上所述，虽然本发明已结合优选实施例做了描述，然而其并非用于限制本发明，本领域普通技术人员可以作出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神和范围。本发明的保护范围应以后附的权利要求书来界定。