首部同步检测器 本发明涉及通信系统，并且更具体地说， 涉及用在数字通信系统中的协议检测器。
数字通信系统一般根据预选的协议把传送组织成符号块。发射机用来把块按预定频带或通道发送到接收机。然而，通道可以具有根据多于一个协议的诸传送。接收机然后必须根据适当协议监视用于传送的通道以接收和处理一个块。图1是这样一种通信系统10的简化功能方块图。尽管为了清楚起见没有表示，但众所周知，接收机14也包括滤波器、一个模数转换器、解调器等。在示范系统10中，一个发射机12能够根据几个不同的协议，包括协议P1、P2、和P3，发送诸块。在该例子中，所有三个协议可以在单个通道中在不同的时间发送。
图2表示根据不同协议在单个通道中传送地一系列块。结果，监视通道的接收器14将根据所有三个协议接收诸块。然而，在一些通信系统中，接收机仅能根据一个协议处理传送。例如，在寻呼系统中，由用户携带的寻呼机一般只能根据单个协议(例如POCSAG)处理页面。在该例子中，接收机14包括一个协议检测器16以确定检测到的传送是否与接收机的协议一致。一些常规协议检测器使用相关技术以辨别块的协议。
更具体地说，如图2中所示，每个块具有一个同步段或首部同步化(首部同步)图案。协议检测器16然后使其协议的首部同步图案连续地与接收信号相关，如由相关器18指示的那样。例如，在根据协议P1的传送中，传送块包括跟随有一个数据部分D1的同步或首部同部部分S1。首部同部部分S1一般包括一个对协议P1是唯一的预选符号序列或图案。类似地，在根据协议P2的传送中，传送的块带有一个唯一的首部同步部分S2和一个数据部分D2，等等。当接收信号包含根据接收机的协议与相关器对准的首部同步图案时，相关输出信号电平较高。因而，高电平的相关输出信号指示匹配的首部同步。然而，这种类型的协议检测器易受由接收器的局部振荡器(LO)中的频率偏移引起的信噪(SNR)问题的影响。如果较长的同步图案用来克服由LO的频率偏移引起的下降SNR，则检测过程变得更容易受到由衰减造成的信号变化的影响。而且，相关输出通过信号滤波由通道脉冲响应衰减。因而，需要一种对频率偏移、低SNR、及诸如多路衰减之类的通道损害较不敏感的协议检测器。
按照本发明，提供一种图案检测器。在适用于无线电通信系统的一个实施例中，图案检测器包括一个误差计算器、一个梳状滤波器、一个平均器、及一个阈值检测器。要检测的图案是其检测是相对于Doppler和LO频率偏移不变的一系列引导信号图案(引导图案)。图案检测器处理接收的输入样本yk，以由输入样本yk向量和估计输入样本(即当传送和接收希望序列时产生的估计输入样本)确定一个误差信号。在本发明的一个方面，使用估计通道脉冲响应计算估计输入样本
当接收的输入样本yk的一个向量与预期首部输入样本对准时，误差信号的电平约等于噪声的电平。图案检测器然后对于引导图案内的每个样本位置EKn的最后K个误差信号确定误差信号的平均电平，其中K对应于在首部同步图案中的引导图案数量，而n对应于样本位置。另外，图案检测器也确定与最后L个接收输入样本相对应的误差信号EL的平均电平，其中L对应于在首部同步序列中的样本数量。按照本发明，对于每个样本位置通过比较EKn至EL检测希望图案。当对于一个样本位置的EKn低于EL的一个预选阈值百分数时，认为检测到首部同步图案。因为在本发明中使用的引导序列的具体性能，图案检测器对频率偏移较不敏感。另外，在重复引导序列上的误差信号的平均便利地减小图案检测器对噪声和衰减的敏感性。
通过参照联系附图所作的如下详细描述，将更容易理解本发明的以上方面和多个附带优点。
图1是简化功能方块图，表明一种常规数字通信系统。
图2表明在单通道上借助于不同协议的一系列传送协议。
图3是方块图，表明根据本发明一个实施例的通信系统。
图4表明根据本发明一个实施例的首部同步序列。
图5是方块图，表明根据本发明一个实施例的协议检测器。
图6表明根据本发明一个实施例在图5的协议检测器中使用的梳状滤波器的响应。
图7表明根据本发明一个实施例的一个平均误差计算滤波器的响应。
图8表明在图5的协议检测器中使用的梳状滤波器的输出序列。
图9是流程图，表明根据本发明一个实施例的图5的协议检测器的操作。
图3是方块图，表明根据本发明一个实施例的通信系统30。为了清楚起见，类似的标号在附图之间用来指示具有类似结构或功能的元件。系统30包括一个常规发射机12和一个根据本发明的接收机32。除用来取样、解调、下转换等的常规“前端”电路(未表示)之外，接收器32包括一个协议检测器(PD)34。另外，PD 34包括一个误差计算器(EC)36、梳状滤波器(CF)37、矩形窗口滤波器(RWF)38、及阈值检测器(TD)39。EC36、CF37、RWF38、及TD39联系图5-9在下面更详细地描述。
如在常规系统中那样，接收器32包括一个处理接收信号和产生输入样本yk的接收机“前端”(未表示)。接收机前端处理一般包括解调、抽样、和脉冲成形。按照本发明，当传送已知引导符号时，PD34确定在实际接收信号样本与估计信号样本之间的平方误差(SE)。使用估计通道响应计算估计信号样本。当实际接收信号样本产生于传送引导符号时，平方误差较低。相反，当实际接收信号样本不产生于传送引导符号时，平方误差较高。PD34使用在实际接收信号样本与估计引导符号样本之间的平方误差来检测下面所描述的希望协议。
图4表明根据本发明一个实施例的一个协议的首部同步序列。按照本发明，首部同步序列包括K个引导图案。每个引导图案是一个N符号序列。在一个实施例中，首部同步具有五十个每个引导图案十八个符号的图案，每个引导图案根据下面的定义(1)定义：cn=exp(jπN·β·n2)------(1)]]>
其中n指示在给定引导图案的符号序列中的符号位置(即0,1,…,N-1)， 并且其中β是小于一的常数(例如0.9)以控制引导图案的带宽。根据定义(1)的引导图案具有频率偏移(例如在移动无线通信系统中由Doppler效应和LO偏移引起的)仅在误差计算器的输出符号中引起较小时间偏移的特性。该引导图案通常称作具有恒定振幅的线性调频脉冲。熟悉本专业的技术人员从定义(1)会理解，引导图案的频谱是较平的。这种在感兴趣频率范围上的较平频谱使估计误差(即在接收信号样本与引导符号的估计信号样本之间的平方误差)相对于频率偏移较为固定。其他序列能用在其他实施例中，条件是估计误差相对于频率偏移也较为固定。因而，为了指示根据该协议的传送，发射机传送这样一种首部序列。
图5是功能方块图，表明根据本发明一个实施例的PD34。除EC36、CF37、RWF38、及TD39之外，PD34的该实施例包括一个通道估计器(CE)51、一个接收信号估计器(RSE)53、一个加法器55、一个乘法器56、一个共轭转换块(CTB)57、及一个定标器59。特别是，CE51、RSE53、加法器55、乘法器56及CTB57形成EC36。在该实施例中，TD39借助于一个比较器实施，并且当检测到首部同步序列时认定一个信号。CE51能是任何适当的常规通道估计器，但最好CE51按在标题为“物理通道估计器(Physical ChannelEstimator)”的美国专利申请Serial No.09/——[Attorney Docket No.GLNPWM111824]描述的那样实施，该专利授予与本申请相同的接收人并且于1998年5月28日提出。在一个最佳实施例中，使用在存储在存储器中的程序控制下的数字信号处理器(DSP)实施PD34。可从Lucent Technologies得到的型号1620 DSP用在本实施例中，尽管使用任何适当的DSP和有关的存储器可以实施其他实施例。
PD34按如下操作。EC36接收样本yk，并且计算在向量 yk(即，[yk-M+1…yk]与向量(即当传送引导图案时的估计接收样本)之间的平方误差。为了产生向量，首先CE 51估计由RSE53接收的通道的脉冲响应。使用通道估计和引导图案的已知特性，RSE53产生向量。加法器55然后从向量 yk减去向量以产生向量 ek。使用乘法器56和CTB57,EC36通过产生向量 ek与向量 ek的复数共轭的点乘输出一个定标器误差ek样本。例如，当CE37按上述“物理通道估计器”申请中描述的那样实施时，在向量 yk与向量之间的平方误差可以从下面的定义(2)计算：ek=(y-k-U·h∃k)*·(y-k-U·h∃k)------(2)]]>其中ek表示在向量 yk与向量之间的平方误差，表示估计通道响应，及U表示来自经发射机或接收机中的脉冲成形滤波器滤波已知引导图案样本的估计输出样本的矩阵。更具体地说，矩阵U的列是根据下面定义(3)产生的信号的移动样式：
ut=Cn*Pt*Pr (3)
其中Cn根据定义(1)，*指示卷积运算，及Pt和Pr是发射机和接收机脉冲成形滤波器的脉冲响应。矩阵U的产生和这些精选更详细地公开在上述“物理通道估计器”申请中。
如在“物理通道估计器”申请中公开的那样，使用引导图案信号和脉冲成形滤波器的已知特性能预先计算矩阵U。对于Cn的选择组，从 yk估计的通道响应能根据下面的定义(4)表示：h∃k=(U*·U)-1U*·y-k------(4)]]>其中U*表示矩阵U的共轭转换。 因而，在定义(2)中的术语一般对于每个向量 yk是不同的。对于抽样引导图案的特定组Cn一般由CE51固定一次计算。
按照本发明，预先选择根据以上定义(1)的一个引导图案十八个符号的十二个引导符号以产生矩阵U。如对于在“物理通道估计器”申请中的一个实施例描述的那样，十二个引导符号的每一个抽样两次，并且矩阵U的每一列包含二十个样本。 因而，在该实施例中，yk是二十个样本的向量。
当yk与用来形成矩阵U的样本对准时，平方误差样本ek显著减小(理论上，到接收信号中的噪声电平)。在该上下文中，当形成 yk的样本由与用来形成矩阵U的引导符号样本相对应的引导图案的符号产生时，“对准” yk。由以上讨论，会理解仅当正在接收引导图案符号且每个引导图案一次时，才对准 yk。相反，当不对准 yk时，平方误差样本ek较高。而且，因为使用“线性调频脉冲状”引导图案，所以由于Doppler和LO偏移发生的任何频率偏移仅转换成少量的时间偏移。频率偏移和对于该实施例期望的相应时间偏移(即在3000Hz量级上的频率偏移)不会响应检测过程。
由EC36确定的平方误差样本ek由CF37和RWF38接收。CF37的脉冲响应表示在图6中。理论上，CF37的脉冲响应是具有等于首部同步序列中的样本数量的总响应长度的定标脉冲序列，在脉冲之间的周期等于引导图案长度。CF37在效果上起一个对于引导图案内的每个样本位置产生一个均方误差(MSE)的平均器的作用。如上所述，如果不是正在接收引导图案或如果样本位置不与矩阵U对准，则来自EC36的当前平方误差样本ek较高。假定PD34在一个较长时间期间一直在处理非引导图案符号(例如根据另一个协议的数据块、或一帧通常数据)，则对于样本位置的MSE处于较高值。因而，CF37的输出样本大致保持相同。然而，如果正在抽样引导图案，并且样本位置与矩阵U对准，则来自EC36的当前平方误差样本较低。因而，来自CE37的生成输出样本往往减小。
由于正在处理首部同步序列，所以对于对准样本位置，来自CF37的输出样本将减小，当已经处理了整个首部同步序列时有最小值。然后CF37的输出样本将随经CF37滤波来自EC36的新的高平方误差样本而开始增大。对于对准样本位置的MSE的这种变化表明在图8中。
RWF38在效果上起一个对于由EC36产生的最后L平方误差样本序列产生MSE的平均器的作用，其中L表示首部同步序列的长度。图7表明RWF38的脉冲响应。基本上，RWF38的脉冲响应是一个具有等于在首部同步序列中的样本位置数量的长度的定标矩形窗口。
在一个实施例中，一个圆形缓冲器用来实施RWF38和CF37。圆形缓冲器存储与首部同步序列相对应的多个过去平方误差。存储在圆形缓冲器中的诸值之和，除以圆形缓冲器的长度，表示由RWF38输出的MSE。具有等于在引导图案中的样本位置数量的长度的缓冲器联系圆形缓冲器用来实施CF37。缓冲器的每个位置存储与样本位置相对应的平方误差之和。在缓冲器每个位置中存储的和除以在首部同步序列中出现样本位置的次数，表示对于由CF37输出的该样本位置的MSE。
定标器59通过一个系数α定标由RWF38产生的MSE序列。一般，α是小于一的正值，并且对应于首部同步图案的MSE的预选阈值。在一个实施例中，定标系数是0.6。
比较器39然后把对于每个样本位置(即来自CF37)的MSE与来自定标器59对于首部同步序列的定标MSE相比较。如果CF37的输出样本小于定标器59的输出样本，如由图8中虚线阈值表明的那样，则比较器39产生一个已经检测到首部同步图案的指示。因而，在该实施例中，如果在与特定样本位置相对应的首部同步长度上的MSE小于在整个首部同步长度上的MSE的60％，那么认为检测到首部同步序列。
在另一种精选中，可以把PD34配置成检测CF37的输出样本的最小值。该最小值应该对应于首部同步序列的最后引导图案的样本位置。因而，该最小值在同步接收器30(图3)中用于首部同步序列。
图9是流程图，表明根据本发明一个实施例的PD 34(图5)的操作。本实施例使用一个DSP实施。参照图5和9,PD34按如下操作。如联系图3在以前描述的那样，把发射机12配置成把在传送开始处根据定义(1)的首部同步序列发送到接收机30。在接收机30中,PD34配置有一个圆形缓冲器以实施RWF38和CF37。在一个最佳实施例中，根据下面的定义(5)确定圆形缓冲器的长度：
其中P表示圆形缓冲器的样本位置的长度，N表示在引导序列中的符号数量，K表示在首部同步序列中的引导序列的数量，及S表示在圆形缓冲器中的相邻存储室之间前进的样本数量。一个因数二插入在定义(5)中，因为在该实施例中接收器前端(未表示)抽样每个符号两次。熟悉数字信号处理技术的技术人员将会理解，不同的因数能用于不同的符号抽样率。因数S用来减小在用来实施PD34的DSP上的处理负载。能使用小的S值而不显著影响由CF37产生的MSE的精度。在一个实施例中，N、K、和S分别等于十八、五十和三，导致P等于六百。在其中CE51按在上述“物理通道估计器”申请中公开的那样实施的实施例中，预先计算U和R矩阵，并且存储在PD34中。
PD34也配置有一个求和缓冲器以实施CF37。因为只使用每隔两个(即S=3)的符号样本，并且每个图案有三十六个样本(即每个符号两个样本，每个引导序列十八个符号)，用于CF37的求和缓冲器具有十二个存储室或样本位置。求和CF缓冲器配置成存储对于该具体样本位置的最后K个平方误差样本的MSE。因而，对于每个样本位置，CF37通过检索存储在求和CF缓冲器的对应样本位置中的值产生对于具体样本位置的最后K个平方误差样本的MSE。
在操作中，PD34首先在步骤90初始化。这种初始化过程包括：(a)把一个检测标志设置到零(指示来自CF37的当前MSE值是否低于TD39的阈值，由此指示是否已经检测到一个首部同步序列)；(b)把一个计数在已经处理具有最小MSE值的样本之后已经处理样本位置的次数的计数器复位到零；及(c)把一个表示以前最小值的变量PMV设置到预选高值(即远高于由CF37产生的预期最高MSE。例如，在一个实施例中，把PMV初始化成DSP能识别的最大值)。另外，初始化过程包括得到接收样本、计算平方估计误差、及更新MSE直到圆形缓冲器充满。
在下个步骤91,PD34检查检测标志是否设置到一。如果是(由此指示已经检测到首部同步序列)，那么PD34在步骤92增大计算数器。在下个步骤93，PD34把指数k增大S，并且检索下一个向量yk。如上所述，每个样本位置以S(即在该实施例中的三)个样本的增量增大。EC36然后根据定义(2)产生与 yk相对应的平方误差样本ek。返回参照步骤91，如果检测标志没有设置到一，则过程直接前进到步骤93。
在下个步骤94，在步骤93产生的平方误差样本ek用来更新实施CF37的求和CF缓冲器的对应样本位置。具体地说，从求和CF缓冲器中的当前样本位置减去在圆形缓冲器中的最旧平方误差样本的值，并且把当前平方误差样本ek的值添加到求和CF缓冲器的样本位置。生成的和然后除以K(即在该实施例中的五十)以产生对于样本位置的当前MSE。另一方面，由EC36产生的每个平方误差值在添加到求和CF缓冲器的一个样本位置之前能首先除以K。
另外，平方误差样本ek用来更新由RWF 38产生的整个MSE。具体地说，减去在圆形缓冲器中的最旧平方误差样本的值，并且添加平方误差样本ek的值。生成的和然后除以P以产生由EC36产生的最后P个平方误差样本的MSE。
在下个步骤95，TD39确定对于当前样本位置的MSE是否小于预定阈值。在该实施例中，预定阈值通过经定标器59由α(即在一个最佳实施中的0.6)定标由RWF 38输出的当前MSE，产生预定阈值。因而，在该实施例中，阈值电平表示最后P个平方误差的MSE的百分比。其他的实施例可以使用不同的方案来设置阈值(例如固定的预选阈值)。
如果对于当前样本位置的MSE大于或等于阈值，则过程前进到下面描述的步骤99。相反，如果对于当前样本位置的MSE小于阈值，则过程执行其中把检测标志设置为一的步骤96。在下个步骤97，PD 34把变量PMV的当前值与对于样本位置k的MSE相比较。如果对于样本位置k的MSE大于变量PMV的当前值，则过程前进到步骤99(下面描述)。然而，如果对于当前样本位置的MSE小于变量PMV的当前值，则PMV的当前值用当前样本位置的MSE的值代替。另外，把计数器复位到零。
在步骤99，把计数器的值与预选恒定整数G相比较。在该实施例中，把G设置到120。该步骤有助于保证PD 36准确地检测对于样本位置的最小MSE，假定对于具体样本位置的MSE每个引导图案仅更新一次，并且MSE不受噪声和衰减的影响。如果计数器的值小于G，则不认为检测到最小MSE，并因而过程返回步骤91。然而，如果计数器的值大于或等于G，则在步骤100认为检测到最小MSE，并且为了同步目的确定首部同步段的开始。更具体地说，因为最小MSE响应首部同步序列的最后引导序列出现，所以首部同步序列的近似开始对应于第K个以前引导序列的样本位置。高达约3000Hz的频率偏移(例如来自Doppler和/或LO的频率偏移)可能移动“最小”样本位置，但这不会影响首部同步序列的检测。过程然后前进到一个数据段处理器以处理传送的数据段。
上述同步检测器的实施例说明本发明的原理，而不打算把本发明限制为描述的具体实施例。例如，借助于本公开，熟悉本专业的技术人员除这里描述的实施例之外，不用过多实验就能设想通道估计器、梳状滤波器、矩形窗口滤波器、及阈值检测器的实施。另外，可以使用不同的DSP或通用处理器，来代替描述的具体DSP。而且，虽然描述了协议检测器实施例，但其他的实施例能适用于检测除协议序列之外的图案。因而，尽管已经表明和描述了本发明的最佳实施例，但要理解，其中能进行各种变更而不脱离本发明的精神和范围。