CN100361411C - 迭代cdma相位和频率捕获 - Google Patents
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Abstract
提供用于以迭代方式搜索CDMA传输的频率和相位的一种系统和方法。通过禁止其自动频率控制(AFC)，接收系统在标称接收频率上对发射机的CDMA相位执行粗略搜索。在获得粗略相位时，利用大范围拉入调用AFC，以获得有可能比初始标称频率更接近发射机频率的初始的粗略频率。在这一粗略频率上，接收系统在先前确定的粗略相位上开始重复其对发射机的CDMA相位的搜索。由于此第二相位确定是在较少的频率误差存在时执行的，所以它提供更加准确的相位确定。再次但利用小范围拉入调用AFC，以获得精细频率确定。由于精细频率确定是在出现较小相位误差时执行的，所以能够实现频率确定的准确性和精确度的显著改善。为了在与常规捕获过程相同的时间长度内实现这种更加准确的相位和频率确定，使用尽管比常规相位确定欠精确但是快速的过程执行初始粗略相位确定。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，并且具体涉及用于初始捕获/确定导频CDMA信号的相位和频率的一种系统和方法。
背景技术
CDMA(码分多址联接)系统在现有技术中特别地在移动通信领域中是公知的。通过使用特定码型对信息进行调制，在频带上‘扩展’每个信道的信息内容，在同一频带内提供多个通信信道。设计该码型，以使得调制信号对于与调制信号不同相的任何解调器来说均被视为噪声。也就是说，对调制信号施加与应用于信息信号的码型一致的相同码型的解调器将产生此信息信号的再生。另一方面，应用与调制系统不同的码型或在不同相位上应用相同码型的解调器将产生不相干信号。提供这种理想的相干/不相干效果的不同码型被称为“正交”代码。特别注意到，每个不相干信号将呈现与随机噪声相同的特性，并可以采用公知的噪声滤除技术来最小化其不利影响。
因此，在多通信CDMA系统中，在一个解调器‘调谐’到一个特定的CDMA发射机或与之‘同相’时，解调信号将作为相干信号出现在由所有其它的‘异相’CDMA发射机产生的噪声环境(bed)内。
对于与发射信号同相的解调器，解调代码的开始点必须出现在发射流内对信息信号应用调制代码的同一点上。为了保持同相，必须在对信息信号应用调制代码的同一频率上对发射流应用解调代码。因此，对发射信号的准确跟踪需要确定传输的频率和相位。传输的频率和相位的这种确定被定义为传输的捕获(acquisition)。
为了在发射机和接收机之间开始通信时实施捕获，发射机发射包括特定相位上的CDMA调制的导频信号。接收机在渐进不同的相位上对接收的传输应用CDMA代码，直至检测到相干信号。在检测到相干信号时，接收机使用常规的AFC(自动频率控制)技术锁定在传输频率上。为了检测相干信号，接收机必须操作在与发射机大致相同的频率上。否则，即使解调代码在发射流中在与调制代码的起点相同的点上(即，与代码序列的开始点上的调制代码同相)，发射机与接收机频率的明显不同将使解调代码在代码序列的结束之前与调制代码异相。
在常规的CDMA系统中，接收机工作在标称传输频率附近的不同频率上，并且在每个频率上执行上述的相位-改变-直至-相干(phase-variation-until-coherency)过程，直至检测到相干信号。在检测到指示接收机工作在发射机的频率和相位上的相干信号时，接收机停止频率和相位搜索，并且激活一个AFC过程以维持与发射机的频率锁定。
一旦获得传输信号，接收机结束搜索模式并进入稳态模式，以便使用获得的频率和相位在发射机和接收机之间提供通信，以实施正确的解调。于2000年10月17日发出的授予Bottomley等人的美国专利US6,134,260“METHOD AND APPARATUS FOR FREQUENCY ACQUISITIONAND TRACKING FOR DS-SS CDMA RECEIVERS”公开了在确定初始频率和相位之后保持频率和相位跟踪的技术，并且被纳入本文作为常规的现有技术CDMA系统的代表。
因为在接收机进入稳态模式时频率和相位信息被假定为正确的，并且假定发射机是稳定的，并且因为接收机频率或相位的迅速改变能够在解调信号上引入畸变，所以在稳态模式中用于连续跟踪的反馈环路具有长的响应时间和/或大量阻尼响应(dampened response)。虽然这种阻尼响应在接收机已经准确捕获到发射机时是优选的，但阻尼响应具有保留不当获取的发射机相位的作用。特别地，如果初始确定的相位不正确，阻尼响应将在确定正确相位之前引入明显的延迟。在使用不正确相位的同时，解调误差的可能性显著高于在正确相位上的解调。
发明内容
本发明的一个目的是改善CDMA系统中初始频率和相位捕获的精度。本发明的另一目的是改善频率和相位精度而不显著增加获得传输频率和相位所需的时间。
这些目的和其他目的是通过提供以迭代方式搜索CDMA传输的频率和相位的系统和方法来实现的。通过禁止其自动频率控制(AFC)，接收系统以标称接收频率对发射机的CDMA相位执行粗略搜索。在获得粗略相位时，利用大范围拉入(pull-in))调用AFC，以获得有可能比初始标称频率更接近发射机频率的初始粗略频率。在这一粗略频率上，接收系统在先前确定的粗略相位上开始重复其对发射机的CDMA相位的搜索。由于在频率误差较小的基础上执行此第二相位确定，所以其提供更精确的相位确定。再次调用AFC，但是利用小范围拉入，以获得较精细的频率确定。由于较精细频率确定是在相位误差较小的基础上执行的，所以能够实现频率确定的准确性和精确性的明显改善。为了在与常规捕获过程相同的时间长度内实现这种更加精确的相位和频率确定，使用虽然不够精确但却比常规相位确定迅速的过程执行初始粗略相位确定。
附图说明
以下参照附图并且利用示例来进一步具体解释本发明，其中：
图1表示常规CDMA频率和相位捕获系统的示例流程图。
图2表示按照本发明的迭代CDMA频率和相位捕获系统的示例流程图。
图3表示按照本发明的迭代CDMA频率和相位捕获系统的示例方框图。
在所有附图中，相同的标号代表类似的或对应的特征或功能。
具体实施方式
图1表示常规CDMA频率和相位捕获系统的示例流程图。如上所述，为了检测相干信号，接收机必须工作在发射机频率的最小范围内，例如，以便初始同相的解调在代码序列结束之前不会不同相。一般来说，发射机围绕一个特定频率的变化大于这一最小范围，并因此接收机被配置为在多个频率‘箱(bin)’上搜索，每个箱的大小小于或等于这一最小范围。在110上限定这些箱，并且通过循环120-140在每个箱内在标称频率上执行搜索。
在130，典型地通过以递增不同的相位启动代码序列，接收机在每个箱频率上测量每个代码相位的相干性。代码序列具有以比特为单位的给定长度，并且相位增量一般是单个比特的持续时间的一半。
在测试所有的频率和所有的相位之后，在150，选择提供最高的一致性度量的箱和相位。然后，接收机在160调用自动频率控制(AFC)，以便锁定到箱内的发射频率。然后，接收机在170进入稳态模式，以便与发射机通信。在这一稳态模式中，接收机根据确定的发射频率和代码相位与发射机保持跟踪。如上文参照U.S.P.6,134,260所述，最好通过阻尼/延迟的反馈响应来保持这种跟踪。
注意，在图1的常规捕获过程中，代码相位是在箱内的标称频率上被确定的，而不是在利用AFC确定的发射频率上被确定。由于频率误差产生连续相移，所以在搜索过程130期间确定的相干性未准确地代表在实际发射频率上利用给定相位获得的相干性。也就是说，不同的相位和/或不同的标称频率可能提供较高的相干性度量。另外，确定相位的分辨率限于测试的相位增量。
图2表示按照本发明的迭代CDMA频率和相位捕获系统的示例流程图。在图2中，相同的标号用于标识与图1中类似的过程。在110，将发射频率的预期变化划分为箱，并且通过循环120-140在每个箱频率上测试每个相位。
在230，相干性测量过程是在每个相位增量上的‘快速’测量。在图1所示的常规系统中，在130，相干性测量过程是一个完全的测量过程，因为根据这一测量过程确定的相位在170被用作稳态模式相位。举例来说，即，在130上的测量过程通常是使用一种多静态(multi-dwell)算法来执行的，其中每个测量基于多个码长采样，利用滤波来减少由于噪声引起的寄生测量误差。特别注意，设计过程130以区分发射机的真实相位和由于相对于真实相位被延迟的反射信号(多径效应)而显示出相干性的附近相位，以及区分从不同发射机发送的信号。另一方面，在230的相干性测量过程被特别设计，以提供相干性的‘粗略’测量，从而确定发射机的大致的或粗略的相位。正如本领域的普通技术人员所公知的，与常规过程相比，仅需要采用较少的采样，能够获得粗略测量。在一个优选实施例中，在230，在每一相位上使用不到一打的采样来获得相干性度量；根据接收的噪声，可以使用每个相位少至一个或两个的采样。
注意，由于对每个箱频率和每个相位采用过程130和230，与图1的现有技术相比，框230上的处理时间的缩短明显缩短实现图2中循环120-140所需的时间。
在250，对应于最高粗略相干性度量，确定粗略相位和选择箱频率。或者，能够预期粗略相干性度量将在发射频率附近呈现出较高峰值测量的分布，并且可以根据多个度量而不是具体的峰值度量来确定粗略相位。以类似的方式，选择箱频率可以是对应于这些较高峰值测量的箱频率的一个组成成分。
在260，调用AFC以便锁定到靠近选择箱频率的发射机频率。与图1中160的AFC相比，最好利用大范围拉入来调用260的AFC，以允许接收机可能锁定到超出选择频率箱范围的发射频率上。
在270，接收机在利用260的大范围AFC确定的频率上再次搜索代码相位。这一搜索是通过在250上确定的粗略相位附近的相位上测量相干性来执行的。由于接收机在稳态模式中将使用在此处理步骤上确定的相位，在290，与图1中现有技术的过程130相比，在270使用完全过程来测量相干性。通过在270在粗略相位的附近对每个相位采用完全过程，避免由于快速相干性确定引起的在230上相位的错误确定的影响。
由于在单个频率上应用270上的过程并且能够将此过程限制到粗略相位的一个窄范围内的相位，与在每个箱和每个相位增量上应用的过程130相比，对于过程270，可以允许附加时间。这一附加时间可以用于在粗略相位附近的每一个相位增量上提供更加准确的相干性度量。或者，可以缩减相位增量，从而在确定发射机相位时提供更精细的分辨率。即使在270为了增加准确度和/或分辨率而增加处理时间，能够预期图2的过程将至少和图1的过程一样快或更有可能快一些，因为对显著较少的频率-相位组合应用完全相干性测量过程270。
注意到，由于260的AFC频率有可能比标称箱频率更精确地对应于发射机频率，所以270的精细相位确定具有较少的频率误差，并因此测量期间的相移也较少。因此，在270确定的精细相位比图1的现有技术过程中确定的相位更加有可能对应于真实的发射机相位。
在280，在260的AFC确定的粗略频率上开始调用一个小范围的精细AFC。由于AFC确定的粗略频率有可能更加准确地对应于发射机频率，所以在280的AFC的小拉入范围能够比图1中160的AFC的拉入范围更小，从而允许280的AFC锁定到比160的现有技术的AFC更加精细确定的发射机频率上。
为了完整，图3表示了按照本发明的CDMA频率和相位捕获系统300的示例方框图。如所示，捕获系统300包括接收机330，其被配置为从控制器350接收频率控制信号，以及从自动频率控制(AFC)装置340接收频率调节信号。
AFC装置340被配置为从控制器350接收控制信号，确定是否开通AFC，并在开通时确定AFC的拉入范围(宽的，对应于图2的260，或窄的，对应于280)。
一个相关器320被配置为从接收机330接收输入信号，并且根据输入信号与在特定相位上应用的代码序列的相关性确定相干性度量。按照本发明，相关器320被配置为对应于图2的230和270实现快速或精细相关性确定。由一个代码发生器310在由控制器350确定的相位上给相关器320提供代码序列。
控制器350被配置为通过根据相关器320提供的相干性度量控制装置310-340来实现图2中所示的功能。在控制器350获得精细的频率和相位之后，它进入上述的稳态跟踪模式，并且相关器320给通信子系统360提供解码信号，以便与捕获到的发射机进行通信。
以上仅仅描述了本发明的原理。因而，尽管此处没有明确说明或示出，但是将认识到，本领域的技术人员能够导出体现本发明原理并因而属于本发明精神与范围之内的各种安排。例如，示例系统300的功能框图之间功能的特定划分仅仅是为了说明用途。本领域的技术人员将认识到，可以在相关器320内采用两个不同的相关器即一个快速相关器和一个精细相关器来提供可选择的相关模式。同样，相关器320和接收机330还有可能与通信子系统360集成为一个整体。根据本文公开的内容，上述及其它的系统配置和最优化特征对于本领域技术人员来说是显而易见的，并因而被包括在下面的权利要求书的范畴内。
Claims (15)
1.一种通信系统(300)，包括：
接收机(330)，被配置为接收对应于接收信号的发射机的接收信号；
捕获子系统(310，320，350)，可用于耦合到接收机(330)，被配置为获取接收信号的捕获频率和捕获相位；以及
通信子系统(360)，被配置为根据捕获频率和捕获相位与发射机执行通信；
其中
捕获子系统(310，320，350)包括：
代码发生器(310)，被配置为在受控制的相位上生成代码；
相关器(320)，可用于耦合到接收机(330)和代码发生器(310)，被配置为以至少以下两种模式之一确定接收信号与代码的相干性度量：
精细模式，在受控制相位上根据接收信号与代码之间的多个相关性的测量提供相干性度量，
快速模式，根据比精细模式中的多个测量少的相关性的测量提供相干性度量；以及
控制器(350)，可用于耦合到相关器(320)，被配置为控制相关器(320)，以便：
在相关器(320)处于快速模式中的同时，获得对应于第一多个受控制相位的第一多个相干性度量；
根据第一多个相干性度量，确定粗略相位；
在相关器(320)处于精细模式中的同时，获得对应于第二多个受控制相位的第二多个相干性度量；和
根据第二多个相干性度量，确定捕获相位。
2.按照权利要求1的通信系统(300)，其中第二多个相干性度量基于粗略相位。
3.按照权利要求1的通信系统(300)，进一步包括：
自动频率控制器(340)，可用于耦合到接收机(330)；被配置为根据接收信号调节接收机(330)的接收频率；和
其中
控制器(350)进一步被配置为：
在获得第二多个相干性度量之前，启动自动频率控制器(340)，以便在AFC-控制的接收频率上获得第二多个相干性度量。
4.按照权利要求3的通信系统(300)，其中
自动频率控制器(340)可操作在包括以下的至少两种模式之一中：
能够锁定到初始频率的第一范围内的频率上的大范围模式；和
能够锁定到初始频率的第二范围内的频率上的小范围模式，第二范围显著小于第一范围；和
控制器(350)进一步被配置为：
在获得第二多个相干性度量之前，在大范围模式中启动自动频率控制器(340)；和
在获得第二多个相干性度量之后，在小范围模式中启动自动频率控制器(340)，以使捕获频率对应于锁定在小范围模式中的频率。
5.按照权利要求1的通信系统(300)，其中
控制器(350)进一步被配置为控制接收机(330)的接收频率；和
控制器(350)通过对应于可能的发射机频率范围的多个箱频率之中每个的选择来控制接收频率。
6.按照权利要求1的通信系统(300)，其中代码对应于多个正交CDMA代码之一。
7.一种CDMA捕获系统，包括：
相关器(320)，被配置为以至少以下两种模式之一确定接收信号与正交CDMA代码的相干性度量：
精细模式，在受控制相位上根据接收信号与正交CDMA代码之间的多个相关性的测量提供相干性度量；
快速模式，根据比精细模式中的多个测量少的相关性的测量提供相干性度量；和
控制器(350)，可用于耦合到相关器(320)，被配置为控制相关器(320)，以便：
在相关器(320)处于快速模式中的同时，获得对应于第一多个受控制相位的第一多个相干性度量；
根据第一多个相干性度量，确定粗略相位；
在相关器(320)处于精细模式中的同时，获得对应于第二多个受控制相位的第二多个相干性度量；和
根据第二多个相干性度量，确定捕获相位。
8.按照权利要求7的CDMA捕获系统，其中第二多个受控制相位基于粗略相位。
9.按照权利要求7的CDMA捕获系统，其中
控制器(350)进一步被配置为控制提供接收信号的接收机(330)的自动频率控制器(340)；和
控制器(350)在获得第二多个相干性度量之前启动自动频率控制器(340)。
10.按照权利要求9的CDNA捕获系统，其中
自动频率控制器(340)可操作在包括以下的至少两种模式之一中：
能够锁定到初始频率的第一范围内的频率上的大范围模式；和
能够锁定到初始频率的第二范围内的频率上的小范围模式，第二范围显著小于第一范围；和
控制器(350)进一步被配置为：
在获得第二多个相干性度量之前，在大范围模式中启动自动频率控制器(340)；和
在获得第二多个相干性度量之后，在小范围模式中启动自动频率控制器(340)，以确定对应于被锁定到小范围模式中的频率的捕获频率。
11.捕获对应于接收信号的发射机的特性的一种方法，该方法包括：
确定(120-230-140)第一多个相干性度量，
第一多个相干性度量之中的每个相干性度量基于第一数量的测量，所述测量对应于接收信号与解调代码的第一多个受控制相位之中的每个之间的相关性；
根据第一多个相干性度量，确定(260)粗略相位；
确定(270)第二多个相干性度量，
第二多个相干性度量的每个相干性度量基于第二数量的测量，所述测量对应于接收信号与解调代码的第二多个受控制相位之中的每个之间的相关性，
测量的第二数量大于测量的第一数量；和
根据第二多个相干性度量，确定(270)捕获相位。
12.按照权利要求11的方法，其中第二多个受控制相位基于粗略相位。
13.按照权利要求11的方法，进一步包括在确定(270)第二多个相干性度量之前启动(260)接收机频率的自动频率控制。
14.按照权利要求11的方法，进一步包括：
在确定(270)第二多个相干性度量之前，启动(260)接收机频率的大范围自动频率控制；和
在确定(270)第二多个相干性度量之后，启动(280)接收机频率的小范围自动频率控制，
其中
大范围自动频率控制允许在第一初始频率附近的第一范围内确定发射机的发射频率的粗略估算；和
小范围自动频率控制允许在第二初始频率附近的第二范围内确定发射机的发射频率的精细估算；和
第二范围小于第一范围。
15.按照权利要求14的方法，其中第二初始频率对应于发射频率的粗略估算。
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