CN100413234C - Cdma系统的基带接收的同步保持方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CDMA系统的基带接收的同步保持方法和装置,该方法包括以下步骤:对基带信号进行前端处理,获得早路、迟路以及中路解调后的信号;检测并计算所述早路、迟路以及中路解调后的信号的能量;统计早路、迟路解调后的信号的能量差,获得解调相位调整信息;调整解调相位。该装置包括:解扩解扰单元,用于解扩解扰基带信号;能量计算单元,用于统计早路和迟路解调信号的能量差,门限判决单元,和相位调整单元,用于调整解调位置。本发明的方案可以解决虚警概率和漏检概率的矛盾,获得了稳定快速的多径跟踪判决的结果。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯系统的接收同步方法与装置,特别是CDMA系统的基带接收的同步保持方法与装置。
背景技术
无线通讯系统用户设备与基站之间的信号是通过无线信道传播的。由于无线信道相对有线信道,性质较为恶劣,存在衰落、多径等诸多干扰,所以无线通讯系统的无线信号接收处理方法一直是直接影响系统性能的一个决定因素。
CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)系统作为一种无线通讯系统,具有无线通讯系统的以上特征。并且,由于其本身在同一个时间和同一个频点具有多个用户发射信号的特点,所以这种系统还具有自干扰,即不同用户相互干扰,多址干扰(MAI,MultipleAccess Interference)的特点,其无线信号的接收更加困难。但是由于这种系统具有系统容量大、频谱利用率高、对背景噪声良好的抑制以及保密性好等特点,其逐渐称为无线通讯的主流技术之一。
为了达到CDMA系统无线信号的良好接收效果,从而增加系统的容量,在传统上采用了时间分集、天线分集等技术。这些技术的采用在一定程度上取得了良好的效果,但是技术的发展以及实际应用对于系统无线信号的接收提出了更高的要求。近年来,多用户检测(MUD,MultiUser Detection)技术、自适应均衡技术以及智能天线(SmartAntenna)技术的发展,为进一步提高CDMA系统对于无线信号的接收性能提供了可能。
在移动通信中存在多径传输的现象,即信号从发射机发射经过多条传输路径到达接收机。每条径有不同的传输延时,不同的衰落及不同的相位,其多路接收信号混合到达接收机时可造成多径衰落现象。多径的情况如图1所示,图中纵向为时间方向,各个峰值101-106表示多径出现的时间以及强度。其中,各个多径的峰值位置(相对图中的时间)时十分容易识别的。
在实际的CDMA系统中,由于码的长度、码的非理想特性、系统的非完全同步以及噪声等因素的综合影响。实际系统多径的情况如图2所示。图中纵向为时间方向,各个理想峰值101-106表示多径出现的时间以及强度。而实际中获得的能量随时间变化情况为图样20所示。对于20的情况,多径峰值位置则难以分辨。特别是,对于能量较小的104、106两个峰值,则几乎不可以辨别。而对于一些噪声能量较高的位置,则可能错误地判决出存在多径。
由于CDMA系统属于信号相关性要求很高的系统,所以其对基站和用户设备(UE)之间的同步性要求很高。当基站发射信号帧头位置和用户设备(UE)接收信号的帧头位置相差1个码片以上时,用户设备则会得到的只是噪声信号,而非期望信息。在码分多址(CDMA)系统中一般采用瑞克(RAKE)接收机技术,对时间间隔大于一个码片的多径进行时间分集以及合并,获得更好的接收性能。
一般现有的CDMA系统接收机结构如图3所示。无线信号经过天线31、射频通道32、成形滤波单元33以及下变频单元34的处理得到基带出信号,输入RAKE接收机35;RAKE接收机35将基带信号处理为符号级信号,输出给译码单元36;而译码单元36最终将符号级信号处理为具有实际物理意义的比特数据,输出给以后的单元处理。
RAKE接收机35是CDMA系统特有的信号处理结构,它可以利用多径信息获得更大的处理增益。多径搜索单元350完成基带信号中各个多径相对时间位置的确定功能,其获得的多径峰值位置(相位)信息输出到多径分配单元351。多径分配单元完成对各个解扩解扰单元3521-352N的初始解调位置分配功能,输出为到各个解扩解扰单元的多径分配命令。各个解扩解扰单元3521-352N完成在确定起始时间位置对基带信号进行解调(解扩解扰)的功能,其输出符号级信号到其对应的多径跟踪单元3531-353N以及自动频率控制单元3541-354N。多径跟踪单元3531-353N完成对相应解扩解扰位置的精细调节功能,输出跟踪控制命令到相应解扩解扰单元。自动频率控制单元3541-354N、信道估计单元3551-355N以及信道补偿单元3561-356N依次连接,共同完成对信号的补偿和校正,其最后输出符号级信号至多径合并单元357。多径合并单元357完成各个多径经补偿信号的合并功能,其输出作为RAKE接收机的输出到后级单元进行处理。
对于系统同步获得方法而言,一般系统采用两级同步:多径搜索以及多径跟踪。多径搜索可获得多径的范围大,但是保持时间长而且时间精度相对较差;多径跟踪处理迅速而且时间精度高,但是其作用时间范围小。一般系统利用多径搜索获得多径峰值的粗略位置,利用多径跟踪调节多径相位的精度并且克服一个多径搜索周期内多径峰值可能的移动。可以说,多径搜索是一种在大的时间范围内获得多径基本位置的粗同步技术,而多径跟踪是在小的范围内精确调制多径相位的精细同步技术。
多径跟踪主要利用的是码相关函数为偶函数的性质,即码的相关函数关于多径位置对称。图4为一个理想情况下的码的相关函数图案,其中相关函数宽度为1倍码片宽度。在图左侧表示多径位置严格准确的情况,401为码相关函数。实际解调位置421称为中路位置,其取值最大。早于中路的解调位置411称为早路位置;同样,晚于中路的解调位置431称为迟路位置。由于,码相关函数的偶函数性质,在中路位置与多径位置严格一致时,早路与迟路的对应能量也严格一致。在图右侧表示多径位置存在偏差准确的情况,402为码相关函数,401`为多径位置严格准确情况下的码相关函数。实际解调位置422称为中路位置,其取值最大。早于中路的解调位置412称为早路位置;同样,晚于中路的解调位置432称为迟路位置。由于,码相关函数的偶函数性质,在中路位置与多径位置不一致时,早路与迟路的对应能量也存在差值。通过早路能量与迟路能量的相对大小可以判断出中路位置与实际多径位置的相位关系。
在实际系统中早路、中路以及迟路解调信号都会叠加入噪声的干扰,不可能达到理想的能量一致。而且,由于多径解调位置量化的影响,使得多径解调位置仅仅可以最接近而非严格位于实际多径位置,更加不可能达到理想的能量一致。
一种实际的多径跟踪装置如图5所示。早路、迟路以及中路信号通过能量计算单元501-503处理得到早路、迟路以及中路能量。早路能量与迟路能量通过求差单元51获得两路的能量差。两路能量差以及中路能量经过平滑单元521-522处理后,进行阈值判决53最终获得判决结果。判决结果反馈给解调单元调节解调的位置,可以获得更好的解调效果。
平滑单元521、522主要作用是:抑制普遍存在的噪声对多径跟踪判决的影响,并且对突发的大的噪声具有限制作用。一般系统中,该部分采用线性滤波器(FIR:有限冲击相应滤波器或者IIR:无限冲击相应滤波器)。最常用的是一阶IIR滤波器,其结构如图6所示。本部分的输出由输入与滤波器系数a的乘积(用乘法器61完成)以及输出经过延时(由延时寄存器63完成)与系数1-a(用乘法器62完成)的和(由加法器64进行运算)。该部分的参数为滤波器系数a,所以这部分也称为a滤波器。系数a较大,则系统稳定,虚警概率较低,但是相应对于出现的多径位置的调节所需时间也长;系数a较小,则系统灵敏,相应对于出现的多径位置的调节时间也短,但是虚警概率也相应较高,容易出现误判。
在上面描述的现有技术中,门限判决之前的各个环节均采用的是线性单元,既线性的信号检测方法。根据检测理论,线性的信号检测不可能达到虚警概率和漏检概率同时最小。这样,则设计系统参数的时候,就不得不就虚警概率和漏检概率取一个折中,系统性能不可能十分理想。从另一个角度来看这个问题,线性系统的相应速度和最终精度是一个普遍存在的矛盾。即,不可能依靠线性信号检测获得既稳定又快速的多径相位判决方法。
发明内容
本发明的目的是利用非线性的过零点检测,获得了虚警概率和漏检概率均较小,和稳定快速的多径跟踪判决方法及装置,克服了现有技术的不足
根据本发明提供的一种CDMA系统的基带接收的同步保持方法,包括以下步骤:
对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号;
检测并计算所述早路、迟路以及中路解调后的信号的能量;
统计所述早路、迟路解调后的信号的能量差,确定所述能量差符号函数,即早路和迟路的能量差为正还是为负;
在一定时间内,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多,如果正数多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数多,则判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息;
根据所述解调位置后调信息或解调位置前调信息,调整解调相位。
可选地,所述解调后的早路信号Searly以及迟路信号Slate满足下列函数:
其中,k为采样时刻,aearly和alate为早路以及晚路真实信号的幅度,ωearly和ωlate为早路以及晚路真实信号的相角,nearly和nlate为早路以及晚路噪声信号的幅度,ωnoise_early和ωnoise-late为早路以及晚路噪声信号的相角;
以及
其中Pearly(k)以及Plate(k)分别为早路解调信号以及晚路解调信号的能量。
可选地,所述方法还包括设定第一预定计数周期的步骤;
且所述的在一定时间内,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多的过程包括:
根据所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤,计数所述确定其的符号函数步骤的执行次数;
判定所述执行次数是否达到所述第一预定计数周期,如果未达到所述第一预定计数周期,返回所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤;
如果达到所述第一预定计数周期,则处理所述正或负数出现的次数,包括判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多。
可选地,所述处理所述正或负数出现的次数的步骤还包括以下步骤,
设定预定阈值门限;
判定所述正和负数出现的次数差是否大于所述设定预定阈值门限,如果所述正和负数出现的次数并不大于所述设定预定阈值门限,返回所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤;
如果所述正和负数出现的次数差大于所述设定预定阈值门限,判定所述正或负数出现的次数中正数较多还是负数较多,如果正数较多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数较多,判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息。
本发明还提供了一种CDMA系统的基带接收的同步保持的装置,包括:
解扩解扰单元,用于解扩解扰基带信号,其输入为接收的基带信号,输出中路解调信号,以及早路和迟路解调信号;
能量计算单元,用于计算早路和迟路解调信号的能量,并统计所述早路和迟路解调信号的能量,获得早路能量和迟路能量;
能量差计算单元,用于计算所述早路能量与迟路能量的差,并输出所述早路能量与迟路能量的差为正或负的信息;
正负数计数单元,分别计数所述早路能量与迟路能量的差对应的正或负的数量,以提供给门限判决单元;
门限判决单元,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多,如果正数多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数多,则判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息;
相位调整单元,用于根据所述确定的解调位置后调信息或解调位置前调信息调整解调位置。
可选地,所述门限判决单元进一步包括:
获取预先设定的第一预定计数周期,计数所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的处理过程的执行次数,若确定所述执行次数达到所述第一预定计数周期,则处理所述正或负数出现的次数,包括判断所述正或负数出现的次数中正数多还是负数多的处理。
可选地,所述门限判决单元进一步包括:
获取预先设置的预定阈值门限,并在确定所述正和负数出现的次数差大于所述设定预定阈值门限后,判定所述正或负数出现的次数中正数较多还是负数较多,如果正数较多,则输出解调位置后调信息;如果负数较多,则输出解调位置前调信息。
可选地,所述正和负计数单元包括:
一个非门,其输入通过符号提取单元耦合到所述能量差计算单元的输出端;
两个计数器,其中一个计数器的一个输入端通过符号提取单元耦合到所述能量差计算单元的输出端,另一个计数器的一个输入端耦合到所述非门的输出端,以分别计数能量差计算单元输出为正或负的值。
可选地,所述计数器的一个输入端是一个使能端。
利用本发明的装置和方法可增加系统的稳定性和快速性,保证了RAKE接收机系统总体增益。可以使得用于一个用户的多径跟踪周期变短。对于一个用户而言,这种快速性可以将少多径搜索的周期,增加对突然出现的多径的适应能力。对于多个用户而言,这种快速性使得一个多径搜索单元对多个用户时分复用称成为可能,可以降低接收机系统总体成本。
附图说明
图1是描述多径衰落现象各峰值表示多径的理想状态的示意图;
图2是描述实际系统的多径情况的示意图;
图3是描述现有的CDMA系统接收机的示意框图;
图4是描述理想情况下的码的相关函数的示意图;
图5是描述现有的CDMA系统接收机的多径跟踪装置的示意图;
图6所示为通常的一阶IIR滤波器的结构图;
图7是描述本发明的CDMA系统接收机的多径跟踪方法的流程图;
图8是描述本发明的CDMA系统接收机的多径跟踪装置的示意图;
图9是仿真利用本发明的装置和方法的结果示意图;
图10为本发明使用的正负数计数单元实现结构图。
具体实施方式
为了本领域的技术人员更好的理解本发明,下面结合附图描述本发明的具体实施方式。
对于解调后的早路以及晚路信号,其数学模型为:
其中,k为采样时刻,searly和slate为早路以及晚路解调信号,aearly和alate为早路以及晚路真实信号的幅度,early和late为早路以及晚路真实信号的相角,nearly和nlate为早路以及晚路噪声信号的幅度,noise_early和noise-late为早路以及晚路噪声信号的相角。并且,早路以及晚路解调信号的噪声部分满足同分布的(复)加性高斯白噪声。
在分别对早路解调信号以及晚路解调信号求取能量之后,有:
以及
其中Pearly(k)以及Plate(k)分别为早路解调信号以及晚路解调信号的能量。
则两者的能量差为:
其中,
是均值为0的随机变量。
当中路位置位于峰值位置时,如图4a所示,aearly=alate,则P(k)=n(k),也是均值为0的随机变量,并且由于对称性,P(k)是正数的概率与P(k)是负数的概率一致。
当中路位置偏离峰值位置时,如图4b所示,aearly≠alate,则P(k)=·[aealty(k)·2-alate(k)2]+·n(k),是均值为[aealty(k)2-alate(k)2]的随机变量,P(k)是正数的概率与P(k)是负数的概率不同。当中路位置滞后于峰值位置时,aearly>alate,[aealty(k)2-alate(k)2]>0,是正数的概率大于P(k)是负数的概率;当中路位置超前于峰值位置时,aearly<alate,
[aealty(k)2-alate(k)2]<0,P(k)是正数的概率小于P(k)是负数的概率。
利用以上性质,可以得到利用过零点检测的多径跟踪方法如对应流程图如图7所示,首先,在步骤1:对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号;
然后在步骤2:计算早路、迟路以及中路解调后的信号的能量;
步骤3:计算早路与迟路的能量差;
步骤4:对早路与迟路的能量差进行在一定时间内进行正负数出现次数的计数(计数周期由系统精度要求,在系统设计前通过仿真得到);
步骤4.1:更新式存储早路与迟路的能量差的符号(正数记为0,负数记为1);
步骤4.2:当前存储的能量差的个数是否满足判决需要数量L(事先确定的系统参数)。满足则进行步骤4.3,否则进行步骤1;
步骤4.3:统计存储的正数以及负数的个数;
步骤5:对处理后的早迟路能量差符号统计个数以及进行门限判决,获得解调相位调整信息;
步骤5.1:如果早迟路能量差的正负数计数的差大于事先确定的阈值门限(由系统精度要求,在系统设计前通过仿真得到),则进入步骤5.2,否则进入步骤1;
步骤5.2:如果正数较多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;否则,判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息
步骤5.3:返回步骤1。
图8是描述本发明的CDMA系统接收机的多径跟踪装置的示意图。其中,解扩解扰单元80完成对于基带信号进行解扩解扰的功能,其输入为接收的基带信号,而输出中路解调信号、以及早路和迟路解调信号至能量计算单元810,811。能量计算单元810,811分别完成对早路和迟路解调信号的能量计算功能,输入为解扩解扰单元80的早路和迟路解调信号,输出为对应早路和迟路信号的能量至能量差计算单元82。能量差计算单元82完成计算早路与迟路能量差的功能,输入为能量计算单元810,811的路和迟路信号的能量,输出早路与迟路能量差至正负数计数单元83。负数计数单元83根据输入的早路与迟路能量差的正负性质,分别对正数以及负数计数器进行加1运算达到计数的目的,输入为能量差计算单元82的早路与迟路能量差,输出正数和负数的计数值至门限判决单元84。门限判决单元84完成根据输入的正数和负数的计数值判决是否进行解调位置的滑动以及滑动方向的功能,输入为负数计数单元83的正数和负数的计数值,输出跟踪判决结果。
图9是本发明的仿真结果,表明在相同误判率(10%)的前提下,本发明的方法相对传统的现有方法有7-9dB的增益。
图10为本发明的实现装置中,实现正负数计数单元的优选电路的结构框图。其中,在输入端输入的能量差通过符号提取装置100得到输出的正负符号(+:0,-:1)数字信号。正负符号数字信号直接作为负数计数器103的使能信号;正负符号数字信号经过非门101变反,作为正数计数器102的使能信号。两个计数器同时以工作时钟作为输入时钟。虽然这里描绘了利用使能端实现计数功能,本领域技术人员应知道,还可以有许多实现方案。
由于本发明采用了非线性的过零点检测,避免了虚警概率和漏检概率的矛盾,获得了稳定快速的多径跟踪判决方法。其稳定性,可以保证RAKE接收机系统总体增益。其快速性,可以使得用于一个用户的多径跟踪周期变短。对于一个用户而言,这种快速性可以将少多径搜索的周期,增加对突然出现的多径的适应能力。对于多个用户而言,这种快速行使得一个多径搜索单元对多个用户时分复用称为可能,可以降低接收机系统总体成本。
以上所述,仅为本发明的实施例而已,其中所描述的装置和方法都只是用做举例,非因此即局限本发明的权利范围,凡运用本发明说明书及附图内容的等效变化,均包含于本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1. 一种CDMA系统的基带接收的同步保持方法,包括以下步骤:
对基带信号进行前端处理,获得早路、迟路以及中路解调后的信号;
检测并计算所述早路、迟路以及中路解调后的信号的能量;
统计所述早路、迟路解调后的信号的能量差,确定所述能量差符号函数,即早路和迟路的能量差为正还是为负;
在一定时间内,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多,如果正数多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数多,则判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息;
根据所述解调位置后调信息或解调位置前调信息,调整解调相位。
3. 根据权利要求1所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持方法,其特征在于,所述方法还包括设定第一预定计数周期的步骤;
且所述的在一定时间内,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多的过程包括:
根据所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤,计数所述确定其的符号函数步骤的执行次数;
判定所述执行次数是否达到所述第一预定计数周期,如果未达到所述第一预定计数周期,返回所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤;
如果达到所述第一预定计数周期,则处理所述正或负数出现的次数,包括判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多。
4. 根据权利要求3所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持方法,其中,所述处理所述正或负数出现的次数的步骤还包括以下步骤,
设定预定阈值门限;
判定所述正和负数出现的次数差是否大于所述设定预定阈值门限,如果所述正和负数出现的次数并不大于所述设定预定阈值门限,返回所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的步骤;
如果所述正和负数出现的次数差大于所述设定预定阈值门限,判定所述正或负数出现的次数中正数较多还是负数较多,如果正数较多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数较多,判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息。
5. 一种CDMA系统的基带接收的同步保持的装置,包括:
解扩解扰单元,用于解扩解扰基带信号,其输入为接收的基带信号,输出中路解调信号,以及早路和迟路解调信号;
能量计算单元,用于计算早路和迟路解调信号的能量,并统计所述早路和迟路解调信号的能量,获得早路能量和迟路能量;
能量差计算单元,用于计算所述早路能量与迟路能量的差,并输出所述早路能量与迟路能量的差为正或负的信息;
正负数计数单元,分别计数所述早路能量与迟路能量的差对应的正或负的数量,以提供给门限判决单元;
门限判决单元,判断所述的正或负数出现的次数中正数多还是负数多,如果正数多,则判断当前中路位置偏早,输出解调位置后调信息;如果负数多,则判断当前中路位置偏迟,输出解调位置前调信息;
相位调整单元,用于根据所述确定的解调位置后调信息或解调位置前调信息调整解调位置。
6. 根据权利要求5所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持装置,其中,所述门限判决单元进一步包括:
获取预先设定的第一预定计数周期,计数所述对基带信号进行前端处理获得早路、迟路以及中路解调后的信号的处理过程的执行次数,若确定所述执行次数达到所述第一预定计数周期,则处理所述正或负数出现的次数,包括判断所述正或负数出现的次数中正数多还是负数多的处理。
7. 根据权利要求6所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持装置,其中,所述门限判决单元进一步包括:
获取预先设置的预定阈值门限,并在确定所述正和负数出现的次数差大于所述设定预定阈值门限后,判定所述正或负数出现的次数中正数较多还是负数较多,如果正数较多,则输出解调位置后调信息;如果负数较多,则输出解调位置前调信息。
8. 根据权利要求5所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持装置,其中,所述正和负计数单元包括:
一个非门,其输入通过符号提取单元耦合到所述能量差计算单元的输出端;
两个计数器,其中一个计数器的一个输入端通过符号提取单元耦合到所述能量差计算单元的输出端,另一个计数器的一个输入端耦合到所述非门的输出端,以分别计数能量差计算单元输出为正或负的值。
9. 根据权利要求8所述的在CDMA系统的基带接收的同步保持装置,其中,所述计数器的一个输入端是一个使能端。
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