CN100388638C - 用来执行多载波通信系统中搜索捕获的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用来搜索多载波扩频通信网中的业务信道的方法和设备。在第一实施例中,从基站用相同功率发射全部三个导频信号。远程站可非相干地按时间假设组合全部三个导频的已接收能量。这将使M(非相干累积时间)的值减小到1/3。这样,如果每个导频在功率上相当于单载波(1X)导频,则平均捕获时间缩短到1/3而有着与1X系统相同的检测和假告警概率。注意,操作的数目(即复杂性)与1X系统的复杂性相同,但历时缩短到1/3。
Description
技术领域
本发明涉及通信。更具体地说,本发明涉及一种用来捕获多载波扩频通信网中的基站的发射信号的方法和设备。
背景技术
码分多址(CDMA)调制的使用是用来促进存在大量系统用户的通信的几种技术之一。其他多址通信系统技术,诸如时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)为本领域所知。然而,对多址通信系统而言,CDMA的扩频调制技术有超越这些调制技术的明显优点。CDMA技术在多址通信系统中的使用在1990年2月13日公布的,标题为《使用卫星或陆地中继器的扩频多址通信系统》,专利号为4,901,307的美国专利中有描述,该专利已转让给本发明的受让人,在此引述供参考。
在CDMA系统中通过经由远程站与两个或更多区站间的同时链路提供多个信号路径而获得路径分集。此外,可通过扩频处理利用这种多路径环境,从而可单独接收和处理以不同的传播时延到达的同一频率上的信号,来获得路径分集。路径分集的例子详示于1992年3月31日公布的,标题为《CDMA蜂窝电话系统中的软切换》,专利号为5,101,501的美国专利及1992年4月28日公布的、标题为《CDMA蜂窝电话系统中的分集接收器》,专利号为5,109,390的美国专利,这两项专利已转让给本发明的受让人,在此引述供参考。进一步地,由于CDMA的固有特点是宽带信号,它通过在一宽带宽上扩展信号能量来提供一种形式的频率分集。因此,频率选择性衰落只影响CDMA信号带宽的一小部分。
衰落对信号有有害的影响但可通过控制发射机功率得到一定程度的控制。区站和远程站的功率控制系统在1989年11月7日送交的,序列号为07/433,031、1991年10月8日公布的,标题为《用来控制CDMA蜂窝移动电话系统中的发射功率的方法和设备》、专利号为5,056,109的美国专利中有揭示,该专利已转让给本发明的受让人,在此引述供参考。CDMA技术在多址通信系统中的使用还在1992年4月7日公布的,标题为《用来生成CDMA蜂窝电话系统中的信号波形的系统和方法》,专利号为5,103,459的美国专利中有揭示,该专利已转让给本发明的受让人,在此引述供参考。大体上,对多载波通信网中相关载波的衰落影响近乎相同。
在上面提及的专利中,导频信号用来捕获基站的发射信号。捕获意味着远程站检测到并证实这个信号的存在。检测的意思是存在一信号且远程站检测到该信号。远程站对导频信号加锁比对其他信号容易,因为它未由数据调制且通常以高于其他信号的电平发射。导频信号是基站或远程站发射的未调制的直接序列扩频信号。通常,导频信号为业务信道的相干解调提供相位基准,但亦可用于基站间的信号强度比较。使用导频信号使站点能够适时地从本地基站通信网捕获在业务信道内提供的载波。远程站从已接收的导频信号得到关于该载波的同步信息及相关的信号功率信息。远程站可从网络中的多个基站接收信号并从每个基站接收多于一个的多路径。多路径指在不同时间到达接收机天线的可能的多个信号。同相的信号将增加,异相的信号将相互取消。
统一地对整个码域扫描引起不能容忍的延迟,所以远程站通常选择性地扫描导频信号。例如,远程站可以搜索有效、侯选及剩余列表中的导频信号偏移。偏移指信号的不同时间偏移。搜索窗口典型地在4与130码片之间,是为每个导频信号偏移指定的。远程站通过观察对应时间偏移上的导频信号能量检测信号。
进一步地,远程站与基站间的业务信道可包括一个或多个载波。载波是基础频率或用来承载信息的频率。通过一种或多种调制技术调制载波以在信号上加上信息。例如,多载波前向业务信道,此处亦称为前向链路(FL),可定义一种扩频率为S(S>1)且使用X个邻近直接扩频射频(RF)载波的操作模式。交织的数据可分用到X个邻近载波的每个上。例如,图1示出带宽1.25MHz的三个(X=3)频带102、104和106,是一些CDMA通信网共有的。从每个频带选择一个载波以形成促进一个或多个基站与远程站间通信的多载波(MC)前向链路108。
不管业务信道是否提供单载波或多载波,当前用同样的方法执行对导频信号的搜索以发现候选业务信道的相干解调的相位基准。移动站用猜测的时间偏移(称为假设)生成导频信号伪噪声(PN)序列的本地版,把该本地PN序列与某一数目(N)的PN码片的已接收信号关联,并不相干地组合M个这样相干整合能量的能量。结果和第一门限(T1)比较。这是多停止过程中的第一停止。如果累积的能量低于T1,移动站考虑该时间假设上无信号存在并向下一假设移动。这亦称为早期转储。否则,移动站通过使用类似的程序,执行对该时间假设的验证,典型地用不同于(通常是大于)N和M的值。若验证中获得的累积能量低于T2门限,则放弃时间假设。不然,移动站执行进一步的验证。若累积能量超出最终验证中的门限,则在该时间假设上宣告捕获且指配解调器对该时间假设的信号解调。图2示出这样的一个方法200。方法220始于任务202并取得下面参考图3讨论的结果。任务204中搜索或“扫描”窗口。若窗口中含有的假设未超出任务206中所示的第一检测门限(FTV),且若任务208中未搜索窗口中所有的假设以获得指定的参数,则在任务210中用较大窗口重复搜索。若任务208中已搜索到选择参数集的所有假设,则任务212中使用下一选择参数集的假设且在任务204中重复扫描。
然而,若计算能量曲线上有不超出UTV的点,则方法200进入任务214所示的生效阶段。任务214中,再次扫描相同的大窗口,但这次计算的能量是和任务216中的第二门限值或生效门限(STV)比较。若检测到的最大能量不比STV大,方法200返回任务208且扫描下一大窗口。若检测到的能量超出STV,且若结果已对N个连续数据窗口生效,则已捕获导频且方法200止于任务220。若执行的有效检验少于N个,则方法200返回任务214且再次扫描大窗口。N的值可设为在合理确定性内保证不出现假捕获所需的任何值,诸如20。
下面是使用固定窗口大小的一个例子。图3示出能量值对码片时间假设的图。在所示实施例中,窗口的宽为56码片。然而,可使用64码片宽度或其他大小的窗口。窗口示出两级门限检验的使用。所示的门限是两个检测门限和一生效门限。检测到峰值时,搜索器控制器集中于该峰值并检验接近于引起检测到峰值的假设的假设。固定窗口搜索方法的进一步讨论可见1998年9月8日公布的,标题为《用业执行CDMA通信系统中的搜索捕获的方法和设备》、专利号为5,805,648的美国专利及1995年7月31日送交的标题为《用来执行CDMA通信系统中的搜索捕获的方法和设备》、序列号为08/509,721的美国申请书,这两者已转让给本发明的受让人。在MC系统中,该过程对与每个载波相关的导频信号重复。
在建立搜索硬件的时间为零的理想系统中,一种提供搜索载波的一种假设的方法会是好的。现实地,因为建立执行搜索的硬件要花时间,通常使用搜索假设的“窗口”。总地说来,建立硬件所需时间越长,所用的窗口大小越大。在复杂系统中,需要搜索器搜索有许多假设的窗口。一旦发现侯选同步序列,搜索器将用较小的窗口重复搜索以验证同步。对使用单载波的网络,该方法可以接受。但在MC网络中,该有条理的方法在捕获全部载波中引起长的时延。
所需的发明是能够提供一种缩短识别与访问用于MC通信网的业务信道载波所需时间的方法和设备。该发明亦应降低用来执行这样的一个例行程序的资源要求。
发明内容
本发明是一种降低用来识别和访问使用MC技术的通信网中载波的捕获时间的方法和设备。通过降低捕获时间,实现宝贵的网络资源节省。
在一实施例中,本发明包括一种通过使用顺序减小的搜索窗口来识别用户或远程站可访问的第一载波,而降低捕获多载波的搜索时间的方法。一旦识别了第一载波,用顺序减小的搜索窗口中的较小者识别用户可访问的另外相关载波。在另一实施例中,只用用来识别第一载波的顺序减小搜索窗口中的最小者识别另外的相关载波。相关载波是多载波通信网中用户可访问的多载波之一。在另一实施例中,捕获第一载波后,从用户向发射台报告第一载波的信号质量度量,并根据第一载波的信号质量度量确定另外相关载波的质量度量。
在执行上面的方法中,导频信道的相位是通过首先为PN序列假设的第一预定大窗口集确定一组计算能量值而得到验证的。这些计算的能量值与第一个值比较。若可接受,则确定PN序列假设的预定“小”窗口集的第二组计算能量值,其中,小窗口PN序列假设是PN序列假设的大窗口集的一个子集。导频信道的相位是根据第二组计算能量值确定的。可通过使用顺序减小的搜索窗口重复该过程直到获得所需等级的捕获确定性。
在另一实施例中,可实施本发明以提供一种用来降低捕获多个载波的搜索时间的设备。该设备可包括用来对与第一载波相关的信号解调的解调器。这种解调提供传送给数字信号处理单元的信号量度。数字信号处理单元至少通信地耦合到解调器并能执行指令以执行本发明的方法。
在另一实施例中,可实施本发明以提供一种产品,该产品包括确实包含数字信号处理设备可执行的机器可读指令程序的数据存储设备,以执行降低捕获多载波的搜索时间的方法步骤。
本发明为其用户提供了体现在其各种实施例中的许多明显优点。例如,一个优点是它通过加速搜索方法而不产生假捕获的过度恶化,使捕获多载波的总时间最小。另一优点是本发明允许相关载波的信号质量度量只用第一载波报告的信号质量度量来确定。还有个优点是本发明减少了捕获多载波所必要的网络资源。
附图说明
结合附图思考下面的详述后本发明的特点,目标及另外的优点对本领域中的熟练人员将更明显,附图中相同的标号在全文中表示相同的部件,其中:
图1是现有技术多载波(MC)配置图;
图2是示出现有技术搜索方法的固定窗口大小实施的流程图;
图3是示出图2现有技术固定窗口搜索方法的能量对码片偏移的图;
图4是按照本发明的一实施例的设备的广框简图;
图5是按照本发明的一实施例使用的一可变窗口搜索方法的流程图;
图6示出按照本发明的一实施例的能量与码片偏移的关系;
图7是图5的继续并示出按照本发明的一实施例使用的可变窗口搜索方法;及
图8示出按照本发明的一实施例的信号承载媒介。
具体实施方式
图4至图8示出本发明的各种方法和设备方面的例子。为便于说明,但不加以限制,这些例子是在数字信号处理设备的上下文中描述的。用来执行上述机器可读指令序列的数字信号处理设备可用各种硬件组件及互连实现。阅读下面对有关方法的描述后,对这些数字数据处理设备的各种安排对熟悉此领域的任何人将变得明显。
在扩频通信网中,导频信号用来使远程站在相位和频率上与基站的发射同步。在示例实施例中,扩频通信网,亦称系统,是CDMA直接序列扩频通信系统。然而,本领域中的熟练人员将发现,可不脱离本发明范围作出各种变化和修改以使本发明适用于诸如TDMA系统的其他无线通信系统。这样的系统的例子在下面两个专利中有讨论,它们是1991年10月8日公布的,标题为《用来控制CDMA蜂移动电话系统中的发射功率的方法和设备》、专利号为5,056,109的美国专利和1992年4月7日公布的,标题为《用来生成CDMA蜂窝电话系统中的信号波形的系统和方法》,专利号为5,103,459的美国专利,在此引述供参考。在使用一个或多个载波的直接序列扩频通信系统中,发射信号通过用数据信号对载波调制,然后再用宽带扩频信号再次调制所得的信号,从而在大于发射信息所必需最小带宽的频带上扩频。在导频信号中,数据可视为“全1”序列。
为了通信,远程站必须在时间t、相位φ及频率ω上与来自一个或多个基站的接收信号同步。搜索器操作的目标是发现已接收信号的时间。发现τ之后,用有相位跟踪与频率跟踪硬件的解调单元找出相位和频率。远程站通过检验一组时间假设(称为“窗口”)并判断假设的时间假设(亦称为偏移假设)中是否有一个是正确的来找出已接收信号的时间。
本发明努力实现捕获基站信号的较短平均捕获时间。用于不同搜索阶段的上述参数M、N、T1和T2的值是可折衷的设计参数。为实现较短的平均捕获时间,“搜索器”通常须达到某一检测概率。这避免了丢失信号且须等待下一次被检测,而保持较低的假告警概率,从而避免在不必要的验证上浪费时间。当信号不存在但远程站认为信号存在时出现假告警。在初始捕获期间,例如,当远程站不知道基站的发射时间时,远程站搜索整个PN序列直到捕获信号。
移动后捕获基站后,或当它知道通信网时间时,远程站只需在围绕每个相邻基站给定时间偏移的窗口中的时间假设上进行搜索。通常,相邻基站间的PN偏移发送给移动站。远程站之所以在围绕每个相邻基站时间偏移的窗口中搜索是因为远程站位置及与每个区站相对距离引起的不确定性。该窗口称为搜索窗口。网络根据基站的覆盖范围确定搜索窗口的大小并把它作为系统参数发送给远程站。
概述
在示例实施例中,有三个载波的MC系统用作例子,尽管概念适用于有许多载波的MC系统。在该实施例中,在每个载频上发射一导频。这些导频有相同的PN偏移。假若用上述现有技术方法独立地搜索这些导频,时间假设数会是3倍,平均捕获时间亦是3倍。这类似于码片速率快三倍的直接扩频系统。
然而,MC系统中有一特性可用来降低平均捕获时间。三个载频典型地将用基站的同一发射天线发射。在此情况下,路径延迟,路径丢失和多路径衰落对所有三个频率而言高度关联,甚至一致。换句话说,如果将第一载波的接收信号质量度量报告给发射台,那么就能根据为第一载波确定的信号质量度量来确定其它载波的质量度量。因此,在一载频上发现导频信号有力地说明它亦存于另两个载频上,反之亦然。
硬件组件及互连
图4示出本发明的设备400的一实施例。上电时,天线402接收与每个载波相关的扩频信号。天线402是一个或多个用来接收信号的天线。设备的目标是获得由PN序列生成器420生成的伪随机噪声(PN)序列与由未知相位的相同PN序列扩频的接收扩频信号间的同步。
在示例实施例中,最大长度移位寄存器序列用来对导频信号扩频。PN生成器生成PN序列分别对导频信号扩频和去扩频。因而,获得用来对接收导频信号去扩频的代码与接收导频信号的PN扩频码间的同步的操作包括确定移位寄存器的时间偏移。
图4中,由天线402向接收机404提供一信号。接收机404下变频信号并把信号提供给去扩频器406。去扩频器406用PN生成器420生成的PN码乘以接收信号。鉴于PN码的随机噪声特点,除在同步点外,PN码和接收信号的内积基本上为零。然而,鉴于缺少准确的码片级同步,并鉴于引入的噪声,所以情况不是这样。这可导致假告警情况,这时远程站在实际上未捕获导频信号时认为已成功捕获。为改进捕获确定性,检验可重复许多次。检验重复的次数由搜索器控制器418确定。搜索器控制器418可作为硬件实施,使用诸如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列、逻辑阵列的数字信号处理设备,或者在控制逻辑设备的软件中实施。
搜索器控制器418向PN生成器420提供一偏移假设。在示例实施中,接收信号由四相移相键控(QPSK)调制,这样PN生成器420向去扩频器406提供I调制分量的PN序列和Q调制分量的单独序列。扩频器406将PN序列乘以其对应的调制分量,并向相干累积器408和410提供两个输出分量之积。
相干累积器408和410在积序列长度上对积求和。相干累积器408和410响应来自搜索器控制器418的信号以重置、闭锁及设置求和时段。这些积的和从相干累积器408和410提供给平方单元412。平方单元412将每个和平方并把结果加起来。
平方和由平方单元412提供给非相干累积器414。非相干累积器412根据平方单元412的输出确定能量值。非相干累积器414用来抵消基站发射时钟与远程站接收时钟间的频率偏差的影响并有助衰落环境中的检测统计量。若知道两时钟的频率正好相同且无大衰落,则理想的方法是以下面的形式在整个累积时段整合序列:
其中PNI(n)和PNQ(n)可为±1。
然而,如果有频率不匹配或衰落的可能,则相关器牺牲一些它的检测统计量,为了具有下列形式的更强关联技术;
搜索器控制器418向非相干累积器414提供值M。
非相干累积器414向门限比较器416提供能量信号。比较器416把能量值与搜索器控制器418提供的预定门限比较。然后每个比较结果反馈给搜索器控制器418。搜索器控制器418检查比较结果并判断搜索范围是否含有可能的正确偏移的候选对象。如果有,则由至少一个另外的且定义较窄的搜索范围(较小范围)重新扫描窗口。捕获第一载波的导频信号后,用一较小范围搜索与其他载波相关的、亦能由远程站捕获的导频信号。
操作
在第一实施例中,从基站用相同功率发射所有三个导频信号。远程站可在一时间假设上非相干地组合全部三个导频的接收能量。这将使M(非相干累积时间)的值减小到1/3。这样,如果每个导频在功率上相当于单载波(1X)导频,则平均捕获时间缩短到1/3而有着与1X系统相同的检测和假告警概率。注意,操作的数目(即复杂性)与1X系统的复杂性相同,但历时缩短到1/3。
在另一实施例中,三个导频信号中至少一个的发射功率高于其他导频信号。一种方法类似上述第一实施例中使用的方法,对反映不同导频信号发射功率所需的每个导频信号所用的M、N、T1和T2的值作一些调节。然而,在另一实施例中,搜索亦可主要在最大功率的导频信号上执行。其他导频信号可用来验证。非相干地组合三个导频信号的能量以缩短验证所用的时间。若最大功率导频信号相当于1X导频,则平均捕获时间应短于具有至少相同检测和假告警概率的1X系统的平均捕获时间。
在其他实施例中,亦可使用上述方法的组合。即,在第一停止和验证中可使用任何数目的导频信号。相应地计算相干和非相干整合时间(N和M)及门限(T1和T2)。
在其他实施例中,亦可与上述的单个天线情况不同,用两或三个发射天线发射三个载频。
在这些实施例中,从不同天线发送的信号可经历独立衰落,但路径丢失与路径延迟将仍是相关的。这样,找到一载频上时间偏移处的导频信号仍有力地表明在其他载频上的这个时间偏移处或附近存在信号。注意,衰落是短期事件并将通过各种阶段的相干和非相干整合而平衡,从而全部允许单个天线应用所用的方法及其组合使用。为适应不同天线发送的信号经历的路径延迟的细小不同,当发现一时间假设上存在导频信号时,对于不同天线发送的任何导频信号应该检查该时间假设附近的小窗口。例如,若使用方法2且在时间假设t检测到第一导频,则应在例如t周围的±2码片内检查第二个导频,假定第一和第二导频是用不同的天线发射的。这与上面的情况相比需要较长的验证时间以及较长的平均捕获时间。然而,这仍比完全独立地处理三个导频的情况短得多,因为只有当在一时间假设处检测到第一导频时才检查第二或第三导频(这发生在全部假设的一小部分上)。例如,当移动站在业务信道上时假设搜索窗口大小为60PN码片,每个码片是一个时间假设,且有两个多路径信号。独立地搜索三个导频意味着移动站须检查120×3=360个假设。用上面的方法,移动站将检查120+8×2=136个假设。
信号承载媒介
上述方法可通过,例如,操作所揭示的设备以执行一系列机器可读指令来实施。这些指令可驻留于各种类型的信号承载媒介中。在此方面,本发明的一方面涉及一种产品,它包括确实含有数字信号处理设备可执行的机器可读指令程序的信号承载媒介,以执行降低用来捕获多个载波的搜索时间的方法步骤。
例如,这种信号承载媒介可包括设备内含有的RAM。或者,指令可包含在另一类型的信号承载媒介,诸如图8中所示的磁存储软磁盘。不管它实际上位于何处,信号承载媒介可以是普通结构硬盘驱动器、磁带、光碟、CD-ROM或其他信号承载媒介。在本发明的一示例实施例中,机器可读指令可包括编译的C计算机语言程序行,或本领域中使用的其他语言程序行。
其他实施例
尽管已示出本发明的目前的示例实施例,但对本领域中的熟练人员明显的是,不脱离所附权利要求定义的本发明范围可作出各种改变和修改。
参考图5,根据本发明的各种实施例执行以下步骤。
步骤502扫描窗口,然后
步骤504最大能量是否大于门限(THM),如果是,则
步骤512放大峰值并再次扫描,然后
步骤514最大能量是否大于门限(THM2),如果是,则
步骤516向峰值上放大的峰值指配指针并再次扫描;然后
步骤518指针是否锁定,如果是,则
步骤528捕获导频;
如果步骤504和514为否,则
步骤506已用这些参数搜索所有的PN,如果是则移动到步骤510,否则移动到步骤508
步骤510使用新参数,然后移动到步骤502;
步骤508移动到下一大窗口,然后移动到步骤502;
如果步骤518为否,则
步骤520最大能量是否大于门限(THV),如果是则移动到步骤522,否则移动到步骤524;
步骤522设置K=0,然后移动到步骤516;
步骤524设置K=K+1,然后
步骤526K是否小于或等于门限(VF),如果是则移动到步骤516,否则移动到步骤506。
参考图7,在图5的步骤528后还可以执行以下步骤:
步骤702使用最小搜索窗口;然后
步骤704确定是否新候选者,如果是则移动到图5所示的步骤516,否则
步骤706确定是否继续搜索,如果是则移动到图5所示的步骤508,否则
步骤708结束。
根据一个实施例,提供了一种降低捕获多载波所用搜索时间的方法和装置。本发明的各个方面包括:
(a)接收与一载波相关的信号;
(b)对信号解调以提供信号度量;
(c)判断信号量度是否定义在搜索窗口的边界内;
(d)若信号量度定义在搜索窗口内,则进一步对信号解调以提供另外的信号度量,该另外的信号度量用来判断信号是否定义在较小的窗口602(如图6所示)边界内以及是否可有指定用户访问;及
(e)若信号可由指定用户访问,则用较小窗口602搜索与多载波中相关载波有关且可由指定用户访问的其他信号。
Claims (8)
1.一种降低捕获多载波所用搜索时间的方法,其特征在于,它包括以下步骤:
用顺序减小的搜索窗口识别第一载波,其中顺序减小的搜索窗口是一系列搜索范围顺序变窄的搜索窗口;及
使用用于识别第一载波的顺序减小的搜索窗口中的最小者来识别多载波通信网络中多载波中的其它载波。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
根据为第一载波确定的信号质量度量确定其它载波的质量度量。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,搜索范围顺序变窄的搜索窗口包括多个伪随机噪声序列的一个子集,所述伪随机噪声序列包含在顺序减小搜索窗口的每个搜索窗口中。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,如果用顺序减小搜索窗口中的最小者不能识别多个载波中其它载波的第二载波,则用识别第一载波所用的顺序增大搜索窗口来识别该第二载波。
5.一种降低捕获多载波所用搜索时间的方法,其特征在于,它包括以下步骤:
(a)接收与第一载波相关的信号;
(b)对信号解调以提供信号度量;
(c)判断信号量度是否定义在搜索窗口边界内;
(d)若信号量度定义在搜索窗口内,则进一步对信号解调以提供另外的信号度量,该另外的信号度量用来判断信号是否定义在较小的窗口边界内;及
(e)若信号可由指定用户访问,则用较小窗口搜索与多载波中相关载波有关且可由指定用户访问的其他信号。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
若信号度量未定义在窗口内,则用不同的接收信号重复步骤(a)-(c)。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
报告第一载波的接收信号质量度量,信号质量度量从用户发送给发射台;及
基于第一载波的信号质量度量确定其他相关载波的质量度量。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于,搜索窗口相当于多个伪随机噪声序列的持续时间,较小窗口相当于搜索窗口中所含伪随机噪声序列的子集的持续时间。
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