多个瑞克分支共享跟踪装置的 码分多址接收机 【发明领域】
本发明涉及估计多径无线电信号传输延迟的一种方法和装置，具体地说，涉及在采用直接序列扩频技术的通信系统中，用于跟踪多径信号延迟的一种方法和装置。
【发明背景】
随着无线电频谱被用于商业以及蜂窝电话的普及，无线通信领域正在迅速发展。另外，目前的模拟通信正在向数字通信转变。在数字通信中，语音用一系列的比特来表示；调制好以后，从发射机(例如基站)发射给接收机(比如移动电话)。接收机对收到的波形进行解调，恢复这些比特，然后将它们转换回语音。对数据业务的需求也在增长，比方说电子邮件和因特网访问，这些都需要数字通信。
有许多种数字通信系统。传统的系统中，利用频分多址(FDMA)将频谱划分成对应于不同载频的多个无线电频道。这些载波可以进一步地分成时隙，这种技术叫做时分多址(TDMA)，就像D-AMPS、PDS和GSM数字蜂窝系统中一样。
如果无线电信道的频带足够宽，多个用户就能利用扩频(SS)技术和码分多址(CDMA)使用同一个频道。IS-95和JSTD-008是CDMA标准的实例。利用直接序列扩频(DS-SS)，信息码元用叫做码片的码元序列来表示。这样做将信息码元在频带上加以扩展。在接收机那里，利用跟码片序列的相关来恢复信息码元。相关使得系统能够工作在很低的码片信噪比(SNR)上。通过选择具有良好自相关和互相关特性的扩频码，可以将不同用户之间地串扰保持在很低的程度上，从而使多个用户信号能够在同一时刻占用同一频带。
无线电信号被各种物体反射和散射，导致多径传播。结果，信号的多个映像会到达接收天线。当这些映像相对于码片周期具有大致相同的延迟的时候，就会出现衰落现象。出现衰落是因为这些映像有时会相加，有时会相减。当这些映像相对于码片周期以不同的延迟时间到达的时候，可以将它们看成信号的回波，常常将它们叫做“可分辨多径”、“射线”或者简单地叫做“多径”信号。
为了使通信有效和可靠，接收机通过收集不同路径的信号能量，充分利用多径衰落信道。这是用瑞克接收机来解决的，它利用相关方法检测每个回波信号，补偿不同的延迟，并将检测到的回波信号相干合并。瑞克接收机包括多个瑞克分支。利用延迟搜索器，接收机搜索多径信号的延迟，为每一个瑞克分支分配一个延迟估计。然后，每个瑞克分支对每条路径上具有相应延迟的信号进行解扩。通过将瑞克分支的输出进行加权，然后加在一起，以瑞克方式将它们合并起来。
对于移动通信，移动台的运动会不断地改变多径延迟。为了保持性能，延迟估计过程必须能够跟踪多径延迟。在传统的跟踪瑞克接收机里，瑞克接收机配备了相应的跟踪装置，它们采用延迟跟踪技术，诸如早/晚门(ELG)和τ-抖动技术。利用这些延迟跟踪技术，信号能量的测量比估计的延迟略微提前或者略微滞后。当估计延迟正确的时候，早晚测量结果应当大致相同，因为码片脉冲波形在离开它的尖峰的时候会对称地下降。检测到不平衡的时候，调整延迟估计，恢复平衡。
在基于DS-CDMA的系统里，ELG技术是用两个独立的相关接收机来实现的，一个早相关接收机和一个晚相关接收机。每个相关接收机都要用扩频码，也叫做伪噪声(PN)，相对于瑞克分支使用的延迟估计，将它们在正负方向上偏移码片周期Tc的一小部分k。为了调整路径延迟变化，将早晚相关接收机估计出来的接收功率进行比较，通常要经过低通滤波，然后用于控制本地PN码发生器的的相位。
如上所述，在传统的CDMA接收机里，每个瑞克接收机都有一个专用跟踪装置。由于信号处理需要，为每个瑞克接收机都配置专用的跟踪装置明显地增加了CDMA接收机硬件设计的复杂性。例如，为每个瑞克分支采用一个有两个相关接收机的专用ELG，需要的ELG接收机是数据解调相关器接收机的2倍。除了硬件要求复杂以外，采用专用跟踪装置还增加了CDMA接收机的功耗。因此，需要降低采用跟踪瑞克接收机的CDMA接收机的硬件复杂性和功耗。
发明简述
本发明通过在多个瑞克接收机之间共享一个跟踪装置，能够降低CDMA接收机的硬件复杂性。本发明的CDMA接收机包括多个瑞克分支，用于对从相应的多条路径上收到的CDMA信号进行解扩。根据本发明，单独一个跟踪装置被多个瑞克分支共享。这单独一个跟踪装置跟踪相应路径上收到的CDMA信号的延迟。本发明中跟踪CDMA信号的方法将多个瑞克接收机从多条路径上收到的信号跟对应的本地PN码进行相关运算，并利用这多个瑞克分支共享的跟踪装置跟踪接收信号。
附图简述
图1是采用了本发明的通信系统的一个框图。
图2是本发明中基带处理器的一个框图。
发明详述
参考图1，其中说明采用本发明的通信系统10的一个框图。在本发明的这个示例性实施方案中是一个DS-SS通信系统的通信系统10，包括一个DS-SS发射机12，它通过具有假设条数(M)路径的多径衰落信道传输DS-SS信号14。有一个射频部分18和一个基带处理器20的接收机16接收这M条路径上的DS-SS信号14。通过众所周知的方式，射频部分18将DS-SS信号14放大、滤波和混频到基带频率，通常以0Hz为中心。下变频以后的信号还要进行采样和量化，产生代表调制信号的数据样本。例如，这个信号可以用采样周期Tsamp进行采样，在每个码片周期Tc中提供满足接收机同步精度的预定个数的样本。对于这一示例性的系统10，假设采样率等于每个码片n个样本。
参考图2，其中画出了本发明中基带处理器20的框图。这个基带处理器20包括一个延迟搜索器22、(L)多个瑞克分支24和一个跟踪装置26。应当指出，不要求瑞克分支的个数跟路径数(M)一样。如果L＞M，就关闭L－M个分支。而如果L＜M，就对信号最强的路径上的信号进行解调，忽略剩下的M－L条路径。在本发明的示例性实施方案中，假设跟踪装置26是一个传统的时间共享非相干双相关器早晚门(ELG)跟踪装置。但是应当指出，本发明还能够采用其它类型的跟踪装置，比方说时间共享的单相关器ELG(τ抖动ELG)或者一个双抖动ELG。
在本发明的一个示例性实施方案中，每个瑞克分支24都包括一个本地PN码发生器28和一个延迟单元30，在搜索器分配的时间延迟信息的基础之上修正要解调的路径上的相对传播延迟差。每个分支24还包括一个相关接收机32，它包括一个乘法器34和一个累加器36。每个分支24的PN码发生器28，都将一个本地PN码用于每个相关接收机32的相应乘法器34。每个乘法器34都利用一个相应的延迟单元30将本地PN码跟代表数据样本的码片流相乘。每个相关器32的累加器36都通过相关运算产生相应的相关结果Rc，利用从相应的多条路径收到的DS-SS信号恢复用户信息。加法器40将相关结果Rc加起来，供数字信号处理器42进一步处理。
更具体地说，延迟搜索器22为多径延迟进行初始的粗略估计，并将这些初始的延迟估计τ1，EST提供给延迟单元30。假设收到的DS-SS信号的延迟是τ1、τ2、……τL，延迟搜索器22为对应于第1个信道路径的第1个延迟单元30分配初始延迟估计，τ1，EST，这里，l＝1，2，……，L。随后第1个相关接收机32在分配的延迟信息的基础之上进行相关运算，直到分配了一个新的延迟值或者被关闭。
每个瑞克分支都必须连续地跟踪信道路径中的一个，也就是跟它同步。这意味着用于这一分支的本地解扩码跟这些信道路径之一发射的扩频码之间的偏差必须接近零。这样，必须为每个瑞克分支提供多径延迟。ELG跟踪装置26调整延迟搜索器22提供的多径延迟估计，继续跟踪这些延迟，将精确的延迟估计提供给瑞克分支24。
ELG跟踪装置26依赖于这样一个事实，那就是发射的扩频码跟本地产生的PN码之间的相关函数是对称的。ELG跟踪装置26包括两个独立的相关接收机47，为每条路径在本地PN码跟接收到的DS-SS信号之间进行相关运算。跟瑞克分支的相关接收机32一样，ELG跟踪装置中的每个相关接收机都包括一个延迟单元14、一个乘法器46和一个加法器48。为了跟踪这些路径，ELG跟踪装置的延迟单元利用早-晚延迟τ等于Tc/k的绝对值，这里k是一个整数，是在接收器采样率的基础之上选出来的，也就是Tc/Tsamp，最好是在2到16的范围之内。一个ELG相关接收机，一个早相关接收机，利用一个延迟τ1＝-Tc/k，而其它的晚相关接收机，则利用延迟τ2＝Tc/k。将早相关和晚相关的结果，Rδ1和Rδ2，进行比较，以调整本地PN码的相位或者估计延迟τ1，EST，收敛到正确的信道多径延迟τexact。
跟每个瑞克分支24都采用专用ELG跟踪装置的传统CDMA接收机不一样，本发明在多个瑞克分支24之间共享单个ELG跟踪装置26，只使用一个ELG跟踪装置26。跟需要2*L个(或者在ELG和瑞克分支中总共3*L个相关接收机)相关接收机用于跟踪的传统CDMA接收机相比，本发明中的CDMA接收机只需要两个相关接收机用于跟踪(或者在ELG和瑞克分支中总共L＋2个相关接收机)。本发明充分利用CDMA接收机那里选定路径的信号到达时间(TOA)变化非常缓慢这一事实。例如，在以速度v行进的移动台里，利用早-晚延迟τ＝Tc/k，TOA会每个Ct/n秒改变一次，这里的C是光速。在k＝8的IS95通信标准中，CDMA接收机采用1.2288Mcps的码片速率，CDMA接收机以90公里每小时的速度行进，会导致TOA变化δ每60帧改变一次。因此，有选择地将ELG跟踪装置跟每个瑞克分支24的连接调整在一个适当的速率上，本发明的CDMA接收机能够有效地跟踪路径传播延迟，而不要每个瑞克分支24都采用一个专用跟踪装置。
根据信道状况，共享ELG跟踪装置26跟瑞克分支84的选择速率或者连接方式可以是静态、半静态或者动态的。例如，如果跟规定的时间长度相比，比方说跟帧周期、时隙周期(部分帧周期)或者码元周期相比，信道状况改变得非常缓慢，就能够根据前面介绍过的参数，通过连续地扫描瑞克分支，安排这个ELG跟踪装置26以恒定的选择速率跟每个瑞克分支24连接。但是，如果信道状况不时地发生显著的变化，共享的ELG跟踪装置26就能够通过在已知或者被测信道统计特性的基础之上，连续或者非连续地扫描瑞克分支24，以半静态选择速率跟瑞克分支24连接。
但如果信道特性未知，就可以利用动态选择和分配方式，选择和分配共享的ELG跟踪装置26给瑞克分支。例如，选择速率和共享ELG跟踪装置26分配给瑞克分支24的方式可以根据接收信号功率自适应地加以确定。应当指出，根据动态方案所需要的精度和自适应速率，测量接收信号功率的方法可以不同。发射环境中需要快速适应变化的时候，可以采用基于一个或者几个码元的接收信号功率测量。另一方面，需要更高精度的时候，接收信号功率测量可以基于多个码元周期上获得的平均信号功率，也就是说，是多个接收信号码元功率的平均值。在基于需要的一种跟踪方法中，如果在一个对应的分支检测到的接收信号功率电平低于一个固定值或者一个自适应门限，就可以将共享的ELG跟踪装置26分配给瑞克分支24。
跟踪装置选择控制器50有选择地将ELG跟踪装置32跟瑞克分支24的每一个连接。在工作过程中，选择控制器50将ELG装置以预先确定的或者自适应地设置的选择速率，一个一个有选择地跟瑞克分支24连接。更具体的说，对于每个瑞克分支24，选择控制器50都将对应的本地PN码和相应的同步信号跟ELG的输入端连接选择速率规定的一段时间。在每个选择周期里，相应的本地PN码跟ELG延迟单元44连接，信号跟ELG乘法器46的输入端连接。通过这种方式，ELG加法器48为被选的分支产生一个正确的结果。比较器52比较这些相关结果，并将比较结果提供给选择控制器50。选择控制器50将比较结果提供给所选瑞克分支的PN码发生器，调整本地PN码的相位。或者可以根据比较结果调整延迟值τest。相关结果的迭代比较过程继续下去，直到早相关接收机和晚相关接收机的相关结果相同。从早-晚相关接收机提取的信息跟解调接收机提供的解调信息，例如功率信息，一起，被用于跟踪每条路径。
通过以上描述可以看出，本发明能够显著地简化CDMA接收机的硬件要求。减少CDMA接收机硬件复杂性还会降低它的功耗，而不会牺牲性能。在前面的说明中已经介绍了本发明的原理、优选实施方案和工作方式。但是，要保护的本发明并不能理解为仅限于这里公开的特定实施方案。此外，这里描述的实施方案仅仅是说明性的而不是限制性的。其它人可以进行各种修改，而不会偏离本发明的实质。例如，可以采用其它类型的跟踪装置，包括基于τ-抖动、双抖动或者扩展卡尔曼滤波器技术的那些。因此，落入本发明的实质和范围的修改和等价方式都包括在内。