CN1209003A - 无线通信设备和无线通信方法 - Google Patents
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Abstract
波形估计部件302观察从导频解扩展部件301输出的导频信号的幅度和相位,并估计没有干扰的导频信号的幅度、频率和相位。正弦波产生部件303产生具有所估计幅度的正弦波的导频信号。相干检测部件305检测从数据信道解扩展部件304使用所产生的导频信号来修正输出的数据信号的相移。
Description
本发明涉及CDMA系统无线通信设备和无线通信方法,该方法通过导频相干检测实现解调。
近来,在诸如汽车电话和便携式电话等蜂窝式系统中,一种有效地利用频率的技术变得重要起来,该技术能在有限的频带上保证一些用户的容量。
众所周知码分多址(CDMA)系统是一种能有效利用频率的多址系统。CDMA系统也叫做“扩展频谱多址(SSMA)系统”,它能通过宽频带特征来实现良好的通信质量以及通过伪随机噪声(PN)等来实现相关特性。
例如,在4,901,307号美国专利中揭示了一种利用CDMA系统的地面移动通信系统。作为CDMA系统的一种,有把伪随机噪声码(以下叫做“扩展码”)乘到传输信号上的直接扩展系统。
在利用直接扩展系统的情况下,通过分离多径(rake)接收和并以最大的比例合成多路径分量可增加分集效应。例如,在5,109,390号美国专利中揭示了分离多径接收。
以下,将参考图1描述利用直接扩展系统的CDMA通信系统的概况。参考图1,图1是示出使用直接扩展系统的CDMA无线通信系统的结构的方框图。
如图1所示,CDMA无线通信系统的传输侧主要由以下装置构成,用于调制传输数据的数据调制部件1、用于产生扩展码的扩展码产生部件2、用于把扩展码乘到传输信号上的扩展调制部件3以及用于无线发送传输信号的发送天线4。
此外,该系统的接收侧主要由以下装置构成,用于接收从发送侧无线发送的信号的接收天线5、用于与扩展码产生部件2产生扩展码的同时产生扩展码的同步获取部件6、用于把扩展码乘到接收信号上的解扩展部件7以及用于解调解扩展接收信号的数据解调部件8。
在如上所述构成的CDMA无线通信系统中,由数据调制部件1来调制诸如话音数据等传输数据,被调制的信号是只具有(a)处所示传输所需带宽的窄频带信号。
此外,与(b)处所示经数据调制部件1调制的信号的带宽相比,由扩展码产生部件2所产生的扩展码带宽足够宽。
传输天线4传输经数据调制部件1调制的信号,通过扩展调制部件3与其扩展码相乘。
解扩展部件7再次把接收天线5所产生的信号与同步获取部件6所产生的扩展码相乘,并把该信号从宽频带解扩展到窄频带。
如(c)处所示,在接收侧的处理中,引起把来自于其他用户和热噪声等的干扰加到所传输的信号上。然而,由于扩展码与干扰具有足够小的相关,所以如(d)处所示,解扩展部件7减少了干扰以检测所接收的数据。
这里,在诸如蜂窝式系统的下行链路等CDMA无线通信系统中,有这样一种类型,其中使用导频信道和用于传输与用户有关的数据的数据信道,通过导频信道来一直或周期性地传输每个用户已知道的导频信号。
在CMA无线通信系统的接收侧,使用通过导频信道传输的信号(以下叫做“导频信号”),实行几个处理,诸如同步获取、跟踪、估计多路径状态、相干检测、频率同步、转换(hand-off)等。在这些处理中,使用导频信号对从数据信道传输的信号(以下叫做“数据信号”)所进行的相干检测处理叫做“导频相干检测”。
以下,将参考图2所示的方框图来描述常规无线通信设备中的导频相干检测。此外,图2相应于图1的同步获取部件6和解扩展部件7。
如图2所示,常规的无线通信设备使用导频扩展码对接收信号进行解扩展,该设备主要由以下装置构成,检测导频信号的导频解扩展部件11、对下述检测到的导频信号求平均值的平均部件12、使用用于数据的扩展码对接收信号进行解扩展并检测数据信号的数据解扩展部件13以及使用平均的导频信号修正数据信号相移的相干检测部件14。
对于由如上所述构成的无线通信设备接收到的信号,通过在导频解扩展部件11处以用于导频的扩展码进行解扩展来检测导频信号,在数据解扩展部件13处通过以用于数据的扩展码进行解扩展来检测数据信号。
由平均部件12对检测到的导频信号求平均值,其中由相干检测部件14根据平均导频信号的相移来修正数据信号的相移。
接着,将描述对导频信号求平均值,其中假设通过正交相移键控系统(QPSK系统)来实行扩展。
由以下所示的公式1来表示从导频解扩展部件11输出的导频信号:
公式1
I0(t)=A0·cosφ(t)+n0 I(t)
Q0(t)=A0·sinφ(t)+n0 Q(t)
这里,A0表示导频信号的电平,φ(t)表示载波相位偏移,n0 I(t)、n0 Q(t)表示干扰。干扰包括其他多路径波的干扰,除导频信道以外的信道干扰以及其他小区的干扰等。
在认为cosφ(t)、sinφ(t)的值恒定的时间周期中由平均部件12对导频信号求平均值。通过此平均,减少了干扰,并获得了导频信号的电平A0以及cosφ(t)和sinφ(t)的值。
此外,由以下所示的公式2来表示从数据解扩展部件13对用户k输出的数据信号:
公式2
Ik(t)=Ak·dk(t)cosφ(t)+nk I(t)
Qk(t)=Ak·dk(t)·sinφ(t)+nk Q(t)
Ak表示用户k的扩展码的电平,dk(t)表示用户k的数据,nk I(t)、nk Q(t)表示干扰。
如果假设在求平均值后导频信号和数据信号中没有干扰,即如果假设公式1和2中的干扰n0 I(t)、n0 Q(t)、nk I(t)、nk Q(t)为零(0),则可通过相干检测部件14处的内积计算来修正载波相位偏移,其中可获得以下公式3所表示的解调信号。
公式3
I0(t)·Ik(t)+Q0(t)·Qk(t)=A0·Ak·dk(t)
这里,在诸如移动通信等无线线路中,在线路中导频信号的电平A0和相位偏移φ(t)随移动电台的移动而变化,除了接收侧处本地振荡器的载波频率偏移以外,还因衰落而发生频移。
然而,除非求平均的周期处于公式1的cosφ(t)、sinφ(t)的值被认为是恒定的时间区间内,否则上述常规的无线通信设备不能修正数据信号的相移。
由于求平均的周期必须比因衰落而引起的载波频率偏移或频移短得多,所以在因衰落而发生载波频率偏移或频移的情况下常规的无线通信设备不能足够地减少加到接收信号上的干扰。结果,在进行导频相干检测后使解调信号恶化,并降低了接收质量。
本发明的第一个目的是提供一种无线通信设备和无线通信方法,它们能防止进行导频相干检测后解调信号的恶化并将提高接收质量。
通过降低加到解扩展导频信号上的干扰并使用减少了干扰的导频信号来实行导频相干检测,本发明能实现上述目的。
图1是示出使用直接扩展系统的CDMA无线通信系统结构的方框图,
图2是示出常规的无线通信设备结构的方框图,
图3是示出依据本发明第一实施例的无线通信设备结构的方框图,
图4是示出依据本发明第二实施例的无线通信设备结构的方框图,
图5是示出依据本发明第三实施例的无线通信设备结构的方框图,
图6是示出依据本发明第四实施例的无线通信设备结构的方框图,以及
图7是示出依据本发明第五实施例的无线通信设备结构的方框图。
将参考本发明来描述本发明的较佳实施例。
(实施例1)
第一实施例是一个使用估计系数来估计导频信号的实施例,其中降低了解扩展导频信号中的干扰。
图3是示出依据第一较佳实施例的无线通信设备结构的方框图。
在图3的无线通信设备中,导频解扩展部件101使用用于导频信道的扩展码对接收的信号进行解扩展,并检测通过导频信道所传输的信号(以下叫做“导频信号”)。导频估计部件102使用下述的估计系数来估计导频信号,其中降低了经导频解扩展部件101解扩展的导频信号(以下叫做“解扩展导频信号”)中的干扰。估计系数预测部件103估计估计系数,从而使解扩展导频信号和经导频估计部件102估计的导频信号(以下叫做“估计导频信号”)之间的误差最小,估计系数预测部件103把估计系数输出到导频估计部件102。
数据解扩展部件104使用用于数据信道的扩展码对通过数据信道传输的信号(以下叫做“数据信号”)进行解扩展。相干检测部件105使用估计导频信号来修正解扩展数据信号(以下叫做“解扩展数据信号”)的相移。
导频解扩展部件101使用用于导频信道的扩展码对如上所述构成的无线通信设备接收到的信号进行解扩展,其中数据解扩展部件104检测解扩展导频信号并使用用于数据信道的扩展码对该信号进行解扩展,检测解扩展数据信号。
导频估计部件102计算解扩展导频信号和估计系数预测部件103所估计的估计系数,其中输出减少了任何干扰的估计导频信号。
此外,相干检测部件105根据根据导频信号修正解扩展数据信号的相移。
接着,将描述在第一实施例中估计导频信号。在无线传输前干扰n(t)被加到解扩展导频信号y(t)中的导频信号x(t)上,这可用以下的公式4来表示。
公式4
y(t)=x(t)+n(t)
导频估计部件102构成一滤波器,从而使以下公式5所示的估计函数J为最小,且通过使解扩展导频信号通过该滤波器,导频估计部件102输出干扰减少的估计导频信号。
公式5
J=E[(x(t+m)-x’(t+m))2]
这里x’(t)表示估计导频信号,E[-]表示平均值,(t+m)表示从时间(t)的时间滞后(m)。
如此设计滤波器从而使估计函数J最小的问题叫做“Wiener问题”。众所周知各种解决方法。例如,对此最小化可使用Wiener-Hopf方程的积,并可利用自适应算法。估计系数预测部件103将实现这些解决方法。
作为估计导频信号的一个例子,在以下的公式6中示出以当前到过去第N个样品的导频信号的线性耦合来表示估计导频信号的情况。
公式6
这里ak表示加权系数,x’(n)是时间nT(T:采样间隔,n:整数)处的采样值,N表示观察的持续时间。
于是,通过把直到当前的各个采样值与加权系数相乘可获得估计导频信号。由估计系数预测部件103来选择加权系数,从而使解扩展导频信号和估计导频信号之间的误差最小。
于是,通过使用估计系数构成的滤波器来使解扩展导频信号通过该滤波器并估计干扰减少的导频信号,可防止在执行导频相干检测后解调信号的恶化,并将提高实行导频相干检测后的接收质量。
(实施例2)
第二实施例是一个通过从解扩展导频信号中估计频率偏移的值来确定滤波时间常数并通过对解扩展导频信号进行滤波来减少干扰的实施例。
图4是示出依据本发明第二实施例的无线通信设备结构的方框图。
在图4所示的无线通信设备中,导频解扩展部件201使用用于导频信道的扩展码对接收的信号进行解扩展,并检测解扩展导频信号。滤波部件202通过使解扩展导频信号如下所述通过该部件202来减少干扰。频率偏移估计部件203估计可被解扩展导频信号所利用的载波频率偏移的数量并确定滤波部件202的时间常数。
数据解扩展部件204使用数据信道的扩展码对接收到的信号进行解扩展并检测解扩展数据信号。相干检测部件205使用通过滤波部件202的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
导频解扩展部件201使用用于导频信道的扩展码对如上所述构成的无线通信设备接收到的信号进行解扩展,以检测解扩展导频信号,数据解扩展部件104使用于数据信道的扩展码对同一信号进行解扩展,以检测解扩展数据信号。
使解扩展导频信号通过按频率偏移估计部件203所估计的时间常数所构成的滤波部件202,以减少干扰。
相干检测部件205估根据通过滤波部件202的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
接着,将描述在第二实施例中对导频信号进行滤波。导频信号因来自于接收侧本地振荡器的载波频率偏移以及衰落的频移而波动。如果接收导频信号的幅度为A0(t),相位是φ(t),待加的干扰是n0 I(t)、n0 Q(t),则由以下公式7来表示接收到的导频信号。
公式7
I0(t)=A0(t)·cosφ(t)+n0 I(t)
Q0(t)=A0(t)·sinφ(t)+n0 Q(t)
频率偏移估计部件203估计可被导频信号所利用的载波频率偏移的数量,并确定滤波部件202通带区域的宽度(或时间常数)。
作为估计可被导频信号所利用的载波频率偏移数量的方法,有一种使用自动频率控制电路(AFC电路)输出的信息的方法。AFC电路旨在把载波频率偏移引入指定频率范围,这是被广泛使用的方法,而不限于扩展频谱多址系统。
通过输入来自AFC电路的把载波频率偏移引入指定频率范围的信息,频率偏移估计部件203能确定滤波组件202中通带区域的宽度(或时间常数)。
此外,频率偏移估计部件203通过相对于导频信号的时间变化而计算每个部件时间的过零数目,可预测载波频率偏移。
于是,确定了与所估计的载波频率偏移数量一致的时间常数,根据此时间常数来构成一滤波器,使解扩展导频信号通过该滤波器以减少干扰,从而防止导频相干检测后解调信号的恶化,并将提高导频相干检测后的接收质量。
(实施例3)
第三实施例是一个使用所接收的导频信号的解扩展输出来估计导频信号的幅度、频率和相位并产生所估计的幅度、频率和相位的正弦波以减少干扰的实施例。
图5是示出依据本发明第三实施例的无线通信设备结构的方框图。
在图5的无线通信系统中,导频解扩展部件301使用用于导频信道的扩展码对接收信号进行解扩展并接收解扩展导频信号。如下所述,波形估计部件302观察解扩展导频信号的幅度、频率和相位并在加上干扰前估计幅度频率和相位。正弦波产生部件303产生具有所估计的幅度频率和相位的正弦波导频信号(以下叫做:“估计导频信号”)。
数据解扩展部件304使用用于数据信道的扩展码对接收信号进行解扩展并检测解扩展数据信号。相干检测部件305使用估计导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
导频解扩展部件301以用于导频信道的扩展码对如上所述构成的无线通信设备所接收到的信号进行解扩展,以检测解扩展导频信号,数据解扩展部件304以用于数据信道的扩展码对同一信号进行解扩展,以检测解扩展数据信号。
波形估计部件302在加上干扰前估计导频信号的幅度、频率和相位。正弦波产生部件303根据估计的结果产生估计导频信号。
此外,数据解扩展部件304以用于数据信道的扩展码对数据信号进行解扩展,并根据所估计的导频信号来修正数据信号的相移。
接着,将描述在第三实施例中产生正弦波。为了简化,假设导频信号象正弦波一样波动,其中幅度为A0、频率为f0,相位为φ。则,由以下公式8来表示导频信号。
公式8
I0(t)=A0·cos(2πf0t+φ)+n0 I(t)
Q0(t)=A0·sin(2πf0t+φ)+n0 Q(t)
作为估计幅度、频率和相位的方法,有一种通过取导频信号的平均值从而达到例如没有幅度和相位变化的程度来获得幅度、频率和相位的方法。如果假设通过求平均而减少了干扰,则通过以下公式9的计算可获得幅度。
公式9
此外,由以下公式10的时间差分值和瞬时值来获得频率和相位。
公式10
此外,使用一般所利用的系统估计和识别算法,可预测幅度、频率和相位。此外,使用相应于随时间变化的频率偏移数量的自适应算法,可依次预测幅度、频率和相位。
正弦波产生部件303产生以波形估计部件302所估计的幅度、频率和相位的正弦波所表示的估计导频信号。
此外,在第三实施例中,虽然已对由幅度、频率和相位的一个组合产生正弦波的情况,但也可通过估计幅度、频率和相位的多个组合来产生多个正弦波。
于是,通过在加上干扰前估计导频信号的幅度、频率和相位并实行导频相干检测,可防止解调信号在导频相干检测完成前的恶化,并可提高导频相干检测后的接收质量。
(实施例4)
第四实施例是这样一个实施例,其中通过估计解扩展导频信号每个多重波的多普勒偏移量而构成一滤波器,只使对解扩展导频信号所估计的多普勒偏移的频率分量通过滤波器以减少干扰。
图6是示出依据本发明第四实施例的无线通信设备结构的方框图。
在图6的无线通信设备中,导频解扩展部件401使用用于导频信道的扩展码对接收信号进行解扩展并检测解扩展导频信号。多普勒偏移估计部件402如下所述估计来自解扩展导频信号的每个多重波的多普勒偏移量。多普勒偏移分量滤波部件403根据多普勒偏移估计部件402的估计结果而只使解扩展导频信号的特定频率区通过。
数据解扩展部件404使用用于数据信道的扩展码对接收信号进行解扩展并检测解扩展数据信号。相干检测部件405使用通过多普勒偏移分量滤波部件403的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
由导频解扩展部件401以用于导频信道的扩展码对如上所述构成的无线通信设备所接收到的信号进行解扩展并检测解扩展导频信号,数据解扩展部件404以用用于数据信道的扩展码对同一信号进行解扩展并检测解扩展数据信号。
使解扩展导频信号通过根据多普勒偏移估计部件402所估计的多普勒偏移量构成的多普勒偏移分量滤波部件403,只检测加上干扰前的频率区的导频信号。
相干检测部件405根据通过多普勒偏移分量滤波部件403的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
接着,将描述在第四实施例4中根据多普勒偏移量。由接收侧本地振荡器的载波频率偏移而引起的频移以及衰落使导频信号波动。假设导频信号的幅度为A0(t),其相位是φ(t),待加的干扰是n0 I(t)、n0 Q(t),则由以下公式11来表示接收到的导频信号。
公式11
I0(t)=A0(t)·cosφ(t)+n0 I(t)
Q0(t)=A0(t)·sinφ(t)+n0 Q(t)
因接收侧本地振荡器的载波频率偏移以及衰落而导致的频移引起幅度A0(t)和φ(t)的波动。多普勒偏移估计部件402根据这些导频信号的频谱来估计相应于每个多重波的多普勒偏移量。
作为获得频谱的方法,例如通过观察只允许特定频带通过的多个带通滤波器(BPF)输出信号的电平可获得各个频带的频谱。此外,对导频信号进行富里叶变换以获得频谱。
根据所获得的导频信号的频谱来确定多普勒偏移分量滤波部件403的通带区域。所确定的通带区域覆盖存在导频信号的所有频率区。
作为构成多普勒偏移分量滤波部件403的方法,有一种方法是把只允许多普勒偏移估计部件402所获得的频谱的特定频带通过的多个带通滤波器(BPF)组合起来,判定其中存在导频信号。
于是,通过构成只允许在加上干扰信号前使导频信号的频率区通过从而使解扩展导频信号通过该滤波器并减少干扰的滤波器,从而可防止解调信号在导频相干检测完成后的恶化并将提高导频相干检测完成后的接收质量。
(实施例5)
第五实施例是这样一个实施例,其中测量解扩展导频信号的接收质量,选择时间常数从而使接收质量最佳,根据选中的时间常数来构成滤波器,以及使解扩展导频信号通过该滤波器来减少干扰。
图7是示出依据本发明第五实施例的无线通信设备结构的方框图。
在图7的无线通信设备中,导频解扩展部件501使用用于导频信道的扩展码对接收信号进行解扩展并检测解扩展导频信号。滤波部件502使解扩展导频信号通过来减少干扰。接收质量测量部件503测量接收质量。最佳时间常数选择部件504根据接收质量测量部件503的测量结果来选择滤波部件502的时间常数,从而使接收质量最佳。由相干检测后的码元(symbol)差错率、纠错后的比特差错率或帧差错率等来获得第五实施例的接收质量。
数据解扩展部件505使用用于数据信道的扩展码对接收信号进行解扩展并检测解扩展数据信号。相干检测部件506根据通过滤波部件502的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
由导频解扩展部件501以用于导频信道的解扩展码对如上所述构成的无线通信设备所接收到的信号进行解扩展,以检测解扩展导频信号,数据解扩展部件505以用于数据信号的扩展码对同一信号进行解扩展,以检测解扩展数据信号。
解扩展导频信号通过根据最佳时间常数选择部件504选中的使接收质量最佳的时间常数而构成的滤波部件502,从而减少了干扰。
相干检测部件506根据通过滤波部件502的导频信号来修正解扩展数据信号的相移。
于是,通过建立相对于导频信号的滤波时间常数从而使相干检测后的接收质量为最佳,与滤波时间常数固定的情况相比,可进一步提高接收质量。
此外,依据本发明的每个实施例的无线通信设备可安装在移动通信系统中的基站设备或移动电台设备中。因此,可在移动通信系统的数据传输中接收未被破坏的数据。
从以上描述中很明显,通过减少加在解扩展导频信号上的干扰可防止导频相干检测后解调信号的恶化,因此,可提供能提高接收质量的无线通信设备和无线通信方法。
Claims (15)
1.一种无线通信设备,其特征在于包括:
干扰减少装置,用于减少加到导频信号上的干扰;以及
相干检测装置,用于使用所述干扰已减少的导频信号来对数据信号进行相干检测。
2.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置由估计预测系数的系数估计装置以及在把加上干扰前根据所述预测系数预测导频信号的预测装置所构成。
3.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置估计预测系数,从而把加有干扰的导频信号与加上预测干扰前的导频信号之间的误差减到最小。
4.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置由频率偏移估计装置以及滤波装置构成,所述频率偏移估计装置通过在加上干扰前估计可被导频信号所利用的频率偏移量来确定时间常数,所述滤波装置减少加到待通过根据所述时间常数而构成的滤波器的导频信号上的干扰。
5.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置由波形估计装置和正弦波产生装置构成,所述波形估计装置在加上干扰前估计导频信号的幅度、频率和相位,所述正弦波产生装置产生以所述估计的幅度、频率和相位的正弦波来表示的导频信号。
6.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置由偏移量估计装置和分量滤波装置构成,所述偏移量估计装置用于估计加在干扰上的导频信号的每个多重波的多普勒偏移量,所述分量滤波装置只允许相对于所述导频信号所估计的多普勒偏移频率分量通过。
7.如权利要求1所述的无线通信设备,其特征在于干扰减少装置由接收质量测量装置、最佳时间常数选择装置以及滤波装置构成,所述接收质量测量装置用于在相干检测后测量信号的质量,所述最佳时间常数选择装置用于如此选择时间常数从而使测得的接收质量最佳,所述滤波装置用于根据所述时间常数构成一滤波器并通过使导频信号通过该滤波器来减少干扰。
8.一种无线通信系统,其中基站设备具有如权利要求1所述的无线通信设备。
9.一种无线通信系统,其特征在于移动电台设备有如权利要求1所述的无线通信设备。
10.一种无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:
在加上干扰前根据所估计的预测系数来估计导频信号;以及
使用所述预测的导频信号对数据信号进行相干检测。
11.如权利要求10所述无线通信方法,其特征在于估计预测系数,从而把加有干扰的导频信号与加上预测的干扰前的导频信号之间的误差减到最小。
12.一种无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:
根据在加上所估计的干扰前由导频信号的频带而确定的时间常数来构成一滤波器;
减少加在待通过滤波器的导频信号上的干扰;以及
使用通过所述滤波器的导频信号对数据信号进行相干检测。
13.一种无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:
在加上所估计的干扰前产生由导频信号的幅度、频率和相位的正弦波所表示的导频信号;以及
使用所产生的导频信号对数据信号进行相干检测。
14.一种无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:
估计加有干扰的导频信号的每个多重波的多普勒偏移量;以及
使用只估计多普勒偏移频率分量的导频信号对数据信号进行相干检测。
15.一种无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:
根据选中的时间常数构成一滤波器,从而使相干检测的信号的接收质量最佳;以及
使用通过该滤波器而减少干扰的导频信号对数据信号进行相干检测。
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