CN1267978A - 一种宽带码分多址系统的pn码精确同步的方法及装置 - Google Patents

Abstract

宽带CDMA系统PN码精确同步方法:过采样接收信号;形成早、迟和解调采样数据;早、迟采样数据产生跟踪误差信号;解调采样数据得到解调数据;解调数据信道估计和硬判决,补偿跟踪误差信号;补偿后信号低通滤波;滤波后信号比较预置门限值,相应调整码片时钟;采用上述方法的基带同步接收解调装置,包括过采样器(100)、搜索器(300)、控制器(200),多径合并器(500)和同步解调指峰组(400);本发明降低跟踪抖动,减小噪声影响,提高总体性能。

Description

一种宽带码分多址系统的PN码精确同步的方法及装置

本发明涉及通讯领域中宽带码分多址(W-CDMA)系统PN码的同步技术，具体地说，涉及在宽带码分多址(W-CDMA)系统中PN码的精确同步方法以及以此为基础的基带同步接收解调装置。

在移动通信中存在多径传输的现象，即信号从发射机发射出来，经过多条传输路径到达接收机。而由于每条径都有不同的传输延时、不同的衰落及不同的相位，所以在其多路接收信号混合到达接收机时会造成多径衰落现象。当各径的传输延时差大于PN码片的宽度时，使用多径分集接收机即RAKE接收机可将这种多径信号分离后再加以合并，从而减小衰落，提高系统性能。在宽带码分多址(W-CDMA)系统中，其码片速率更高，码片宽度也比窄带码分多址(N-CDMA)系统的码片窄，其可区分并加以合并的多径增多，从而使系统性能提高很多。众所周知，在任何扩频通信系统中，本地所产生的PN码与接收信号中的PN码同步是接收机中的一个重要环节。而实现宽带码分多址(W-CDMA)系统多径分集性能优化的基础在于实现本地PN码与接收信号中的PN码精确同步。

实现PN码同步可采用跟踪环路来实现。两种最基本的PN码跟踪环是延迟锁定环DLL和抖动环TDL，其它的还有修改的码跟踪环MCTL、自适应的码跟踪环ACTL等等，它们都是迟早门跟踪环的变形，都有相干和非相干两种方式。延迟锁定环DLL是锁相环的一种变形，其基本组成与锁相环一致，即由鉴相器，环路滤波和反馈控制三部分组成；与锁相环不同的只是其鉴相器是通过早迟相关器来获得误差信号的。延迟锁定环DLL也有相干和非相干两种方式，区别在于能否利用接收信号的相位信息，即能利用相位信息的称为相干，不能利用的则是非相干。

传统的延迟锁定环DLL采用非相干方式，其特点是结构简单，相位误差容易提取，且技术比较成熟。这种非相干DLL的结构如图1所示，它包括：早迟乘法器1a，1b，乘法器1c，积分清零器2a，2b，2c，两个求平方器4a，4b，环路滤波器5，求和器6，判决模块7以及由环路误差信号驱动的压控时钟发生器VCCG 3，其中压控时钟发生器VCCG 3包括PN码发生器。

其具体的工作过程是：接收到的扩频信号r(t)分别进入早迟乘法器1a，1b和乘法器1c中，与压控时钟发生器VCCG 3所产生的三路不同相位的PN码相乘，然后分别进入各自的积分清零器2a，2b和2c中得到解扩信号；由图1中上面的两个支路即早迟两支路所得的解扩数据信号，经过求和器6，所得到的误差信号再经过环路滤波器5滤除环路噪声，得到的滤波误差信号驱动压控时钟发生器VCCG 3的时钟相位向前或向后摆动，从而使解扩信号定时紧跟多径峰值的摆动；图1中最下面的支路为解调支路，输入的扩频信号与经过定时调整的PN码进行相关，其结果最后经过判决模块7进行判决，输出解调数据。

在名称为“MOBILE DEMODULATOR ARCHITECTURE FOR A SPREAD SPRECTRUMMULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM”，专利号为US 5,764,687的美国专利中采用了非相干DLL来实现PN码同步，由于非相干方式中平方律检测器对噪声分量亦进行平方，从而使跟踪抖动加强，其跟踪性能较差。虽然相干DLL能解决这个问题，而且采用相干方式比非相干方式可以使信噪比提高3dB，然而这需要接收机有精确的信道估计，这在快衰落条件下是很困难的。在名称为“COHERENT TRACKING APPARATUS AND METHOD FOR CDMA RECEIVER“，专利号为US5,898,665的美国专利中介绍了采用相干DLL来实现PN码同步的方法，由于相干DLL的跟踪环路功能包括了搜索和跟踪两个功能，因而使得这种PN码同步实现控制过于复杂，电路实现也比较困难。

本发明的目的之一在于提供一种宽带CDMA系统PN码精确同步的方法；

本发明的目的之二在于提供一种采用上述方法的宽带CDMA系统基带同步接收解调装置。

本发明所述的一种宽带CDMA系统PN码精确同步的方法，包括以下步骤：

①基带扩频模拟信号经过过采样成为数字信号；

②对过采样数字信号在不同时刻进行选择，形成早、迟和解调三路采样数据；

③早、迟采样数据经过迟早门产生跟踪环路误差信号；

④解调采样数据经过解调单元得到解调数据；

⑤对解调采样数据进行信道估计，得到信道衰落及相位参数，同时对解调采样数据进行硬判决，利用以上信道估计值和判决结果对跟踪环路误差信号进行补偿；

⑥对补偿后的跟踪环路误差信号进行低通滤波；

⑦将滤波后的跟踪环路误差信号与预置门限值比较，若跟踪环路误差信号值大于门限值，则对码片(chip)时钟进行调整；

⑧输出解调数据。

一种采用上述方法的基带同步接收解调装置，包括A/D过采样器、搜索器、控制器，多径合并器以及同步解调指峰组；

所述A/D过采样器的输入接收的是基带扩频信号，输出分别连接到所述搜索器和所述同步解调指峰；

所述搜索器接收来自所述A/D过采样器的信号，进行多径搜索，并将搜索结果输出到所述控制器；

所述控制器位于所述搜索器和所述同步解调指峰之间，负责对来自所述搜索器的多径进行选择，把所选多径分配给所述同步解调指峰；

所述同步解调指峰组接收由所述A/D过采样器和所述控制器产生的信号，对采样数据中的多径信号进行精确跟踪及解调，并把解调数据输出到所述多径合并器；

所述多径合并器接收所述同步解调指峰组的输出结果，并将输出结果按某种规则进行合并，得到最终解扩数据；

所述同步解调指峰组包括n个同步解调指峰(n＝1，2，……)，且每个同步解调指峰的结构是一样的；

所述同步解调指峰包括采样选择器、早相关器、迟相关器、解调相关器、PN码发生器、减法器、环路滤波器、取实部模块、门限比较模块、定时生成模块、导频符号提取及信道估计模块、判决模块、能量计算模块、门限比较失锁判决模块、相位状态寄存器和数据选通输出模块。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1为传统的非相干延迟锁定环路的结构示意图；

图2是本发明所述的基带同步接收解调装置的结构示意图；

图3是图2中同步解调指峰401的结构示意图；

图4是图2中的相关器420a的结构示意图。

如图1所示的传统的非相干延迟锁定环路的结构，已在前面详细介绍过，这里不再赘述。

本发明所述的基带同步接收解调装置的结构如图2所示，可以看出，该装置主要包括A/D过采样器100，控制器200，搜索器300和同步解调指峰组400；所述A/D过采样器100的输入为基带扩频信号，输出分别到所述搜索器300和所述同步解调指峰400；所述搜索器300接收来自所述A/D过采样器100的信号，并将搜索结果输出到所述控制器200；所述控制器200位于所述搜索器300和所述同步解调指峰400之间，负责对来自所述搜索器300的多径进行选择，并把所选多径分配给所述同步解调指峰400；所述同步解调指峰组400接收来自所述A/D过采样器100和所述控制器200的信号，并对采样数据中的多径信号进行精确跟踪及解调，将解调数据输出到所述多径合并器500；所述同步解调指峰组400包括n个同步解调指峰401、402、……40n；所述多径合并器500接收所述同步解调指峰组400的输出结果，并将输出结果按某种规则进行合并，得到最终解扩数据。

由于接收的信号中包括多个传输路径，因此在基带同步接收解调装置中需要利用其中的同步解调指峰组400与接收信号中较强的可分离径同步；又由于可分离径之间的衰落是相互独立的，所以将各径的解调输出结果按照某种规则进行合并可使衰落的影响大大降低，这就是分集接收的作用。当同步解调指峰组400中的各同步解调指峰与信号中的多径即PN码的同步误差降低时，基带同步接收解调装置对抗衰落的性能就会提高。

本发明利用同步解调指峰组400来实现精确码同步，并以此为基础构造基带同步接收解调装置，其具体工作过程如下：

当接收信号经过模拟前端成为基带扩频信号进入基带同步接收解调装置后，基带扩频信号先经过A/D过采样器100采样，该采样信号分别进入搜索器300和同步解调指峰组400中。

搜索器300对接收信号中的多条传输路径进行搜索，该搜索器300可采用匹配滤波器或并行相关器组实现；搜索器300在确定的搜索窗口内进行搜索，并将所得的粗略的多径相位及强度送给控制器200。

搜索器300可采用顺序搜索法，用匹配滤波器或并行相关器组来实现搜索，并行相关器越多，搜索速度就越快。匹配滤波器或并行相关器组按相位偏移从小到大对接收信号进行搜索，对大于某一预置门限的相位则可作为侯选多径相位报告给控制器200；当搜索相位偏移达到搜索预先设定的搜索窗口时，搜索器300再从初始相位开始新的搜索。搜索窗口越大，搜索的多径就越多，但其代价是搜索时间延长。因此，为使系统性能达到最优，就有必要对搜索窗口的大小进行优化设计。搜索器300将搜索结果报告给控制器200，由控制器200对候选多径相位进行选择。

控制器200将所得的多个侯选多径的相位及强度比较，然后根据系统解调指峰的资源按照多径由强到弱的顺序分配给同步解调指峰401，402，……，40n。

当每个同步解调指峰401、……、40n被分配了粗略PN码同步相位时，同步解调指峰401、……、40n就启动，经过若干次的反馈调整使本地产生的PN码20与接收信号中的某一径的PN码相位实现精确同步。

当同步解调指峰401、……、40n跟踪的多径相位由于移动台一基站的相对运动而发生小的漂移时，同步解调指峰401、……、40n会自动调整本地PN码20的相位，使其紧跟接收信号PN码的摆动；当由于某种原因使接收信号中的多径突然消失时，同步解调指峰401、……、40n会报告控制器200，同时停止解调输出，并等待控制器200分配新的多径相位；当其得到新的多径PN码相位后，就快速摆动，当摆动到新的PN码相位时，再将此时的解调结果进行输出。

另外，搜索器300与同步解调指峰组400同时工作，不断将新的搜索结果报告给控制器200，当控制器200得知某个同步解调指峰跟踪的多径的强度比新搜索到的多径的强度小时，控制器200就将此新搜索到的多径分配给此同步解调指峰，使其跟踪新的多径。

由于所述同步解调指峰组400包括的n个同步解调指峰401、……、40n的结构完全一样，因此图3只给出其中一个同步解调指峰401的结构示意图。图3中，附图标记为4××的代表同步解调指峰401的各个组成部分；附图标记为两位数的表示各组成部分之间的连接信号，如20、30、40。

同步解调指峰401包括采样选择器410、早相关器420a、迟相关器420b、解调相关器420c、PN码发生器430、减法器440、环路滤波器443、取实部模块444、门限比较模块445、定时生成模块446、导频符号提取及信道估计模块450、判决模块452、能量计算模块460、门限比较失锁判决模块461、相位状态寄存器470和数据选通输出模块480。

下面以n＝1，即基带同步接收解调装置中只有一个同步解调指峰401的情况进行说明。

接收信号经过模拟前端成为基带扩频信号后进入基带同步接收解调装置，基带扩频信号先经过A/D过采样器100采样，此过采样率越高，后端可实现的PN码跟踪精度就越高。此采样信号分别进入搜索器300和同步解调指峰组401，首先由搜索器300对接收信号中的多条传输路径进行搜索，得到多径的分布情况，然后搜索器300将搜索结果报告给控制器200，控制器200经过对侯选多径相位的选择，通过与同步解调指峰401之间的数据线写入同步解调指峰401中的相位状态寄存器470，从而将多径相位分配给同步解调指峰401。

由A/D过采样器100产生的I、Q两路基带过采样信号，先进入采样选择器410，该采样选择器410按码片(chip)时钟30对过采样信号降采样，设置此采样选择器410的目的是进行PN码相位同步调整，使本地产生的PN码相位与接收信号中的多径PN码相位精确同步。采样选择器410产生三路复数采样数据：早支路采样数据、迟支路采样数据和解调支路采样数据，分别进入早相关器420a、迟相关器420b和解调相关器420c，这三路复数数据分别在三个相关器中进行相关运算，其运算结果的数据速率降为符号(symbol)级，因此这三个相关器的输入信号除了有经过采样选择器410的采样数据和PN码发生器430产生的解调用的PN码20之外，还有符号(symbol)时钟40。

早相关器420a、迟相关器420b和解调相关器420c的内部结构是一样的，因此图4只给出了420a的结构示意图。

在图4中，复数采样数据与来自PN码发生器430产生的PN码20在复数乘法器421中进行复数乘法，所得的结果进入积分清零器422中进行累加，累加的长度为一个解调符号的长度，积分清零器422的清零输入来自定时生成模块446产生的符号(symbol)时钟40。

早相关器420a和迟相关器420b的输出结果进入减法器440中进行减法运算，得到的差值进入乘法器441，乘法器441的另一路输入数据来自经过导频符号提取及信道估计模块450而得到的信道随机相位的共轭。由于在宽带CDMA系统中采用时分导频方式，即导频符号与数据符号进行时分复用，则解调相关器420c输出的解调数据经过导频符号提取及信道估计模块450提取出解调数据中的导频符号，再利用线性内插法进行信道估计，得到的信道估计的结果就是信道随机相位，然后求出信道随机相位的共轭，并输出到乘法器441。乘法器441的输出进入下一个乘法器442，乘法器442的另一个输入来自判决模块452，此判决模块452直接对解调输出数据进行硬判决，在判决之前解调数据也经过信道估计值的补偿，即解调数据与信道估计值在乘法器451相乘，其结果进入判决模块452。信道估计和判决的目的是消除误差信号中的衰落、随机相位及其所承载的调制数据。

乘法器442的输出结果就是同步解调指峰401的误差信号，该误差信号进入环路滤波器443滤除环路噪声，此时的输出信号为复数信号；该复数信号进入取实部模块444，得到该复数信号的实部，然后再进入门限比较模块445；门限比较模块445中预置了门限值，此门限值可由控制器200写入；当所取的复数信号的实部值大于门限值时，则给出调整信号，而调整的方向由该复数信号的实部值的正负来决定。

定时生成模块446接收到门限比较器445的比较结果后，可知道此时本同步解调指峰401锁定的多径相位是否需要调整。当收到调整的指令后，定时生成模块446会响应此指令，使码片(chip)时钟30的相位以过采样精度为单位超前或滞后，而这样的调整在一个符号(symbol)时钟40周期内只进行一次。调整之后的调整结果会存入相位状态寄存器470中，然后通过控制器200与同步解调指峰401之间的数据线将结果送至控制器200。当本同步解调指峰401锁定的多径因某种原因消失后，控制器200会给此同步解调指峰401分配新的多径相位，新的多径相位与当前相位会有一定的差值，此时控制器200控制定时生成模块446进行快速摆动，使码片(chip)时钟30进行相位的连续滑动，直到滑到新的相位为止。在此过程中，解调及跟踪工作将停止，等待重新锁定到新的多径时再进行解调及跟踪运算。定时生成模块446产生经过相位调整的码片(chip)时钟30，输出至采样选择器410和PN码发生器430；而符号(symbol)时钟40则从属于码片(chip)时钟30，即将码片(chip)时钟30按发射机所用的扩频因子进行计数分频，就可以得到符号(symbol)时钟40；该符号(symbol)时钟40则输出至早相关器420a、迟相关器420b和解调相关器430。

另外，还可利用解调输出结果进行锁定判决。解调相关器420c的输出数据进入能量计算模块460，再能量计算模块460中计算信号能量I²+Q²，再对此能量进行多次平均，此能量平均值进入门限比较失锁判决模块461。门限比较失锁判决模块461需要两个门限值：“入锁”门限值和“失锁”门限值，其中“入锁”门限值大于“失锁”门限值。当处于锁定状态时，将能量平均值与“失锁”门限值比较，若能量平均值小于“失锁”门限值，则判定失锁，否则维持原状态；同理，当处于失锁状态时，将能量平均值与“入锁”门限值比较，当能量平均值大于“入锁”门限值时，判定进入锁定状态，否则维持原状态。当处于失锁状态时，数据选通输出模块480关闭，解调输出数据不能输出。在这里，锁定状态即判决输出结果应报告给控制器200，由控制器200来控制两个门限值的选择。

本发明所述的方法采用同步解调指峰组400与搜索器300相配合来实现精确PN码同步，可降低跟踪抖动，减小噪声影响，使总体性能提高，并且使码同步功能分为两个部分而使其电路容易实现；基于此同步方法的基带同步接收解调装置提高了对抗衰落的性能。在本发明中，由于采用新的同步解调指峰组400可保证跟踪的精确，从而使基带同步接收解调装置的接收性能大大提高。

Claims (10)

1.一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

①基带扩频模拟信号经过过采样成为数字信号；

②对过采样数字信号在不同时刻进行选择，形成早、迟和解调三路采样数据；

③早、迟采样数据经过迟早门产生跟踪环路误差信号；

④解调采样数据经过解调单元得到解调数据；

⑤对解调采样数据进行信道估计，得到信道衰落及相位参数，同时对解调采样数据进行硬判决，利用以上信道估计值和判决结果对跟踪环路误差信号进行补偿；

⑥对补偿后的跟踪环路误差信号进行低通滤波；

⑦将滤波后的跟踪环路误差信号与预置门限值比较，若跟踪环路误差信号值大于门限值，则对码片(chip)时钟(30)进行调整；

⑧输出解调数据。

2.如权利要求1所述的一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：所述步骤②中对过采样信号是按码片(chip)时钟(30)进行降采样后产生三路采样数据的。

3.如权利要求1或2所述的一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：所述步骤⑤中先提取出解调数据中的导频符号，再利用线性内插法进行信道估计。

4.如权利要求3所述的一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：所述步骤⑦中码片(chip)时钟(30)是按其相位以过采样精度为单位超前或滞后来调整的，其调整的方向由滤波后的跟踪环路误差信号的实部值的正负决定，且在一个符号(symbol)时钟(40)周期内只进行一次。

5.如权利要求1、2、4任意之一所述的一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：所述步骤⑧中先根据信号能量平均值进行锁定判决，在锁定状态下输出解调数据。

6.如权利要求5所述的一种宽带码分多址系统PN码精确同步的方法，其特征在于：锁定判决的方法是：

设置“入锁”门限值和“失锁”门限值，“入锁”门限值大于“失锁”门限值；当处于锁定状态时，信号能量平均值与“失锁”门限值比较，若信号能量平均值小于“失锁”门限值，则判定失锁，否则维持原状态；当处于失锁状态时，信号能量平均值与“入锁”门限值比较，若信号能量平均值大于“入锁”门限值，判定进入锁定状态，否则维持原状态。

7.一种采用如权利要求1所述方法的基带同步接收解调装置，包括A/D过采样器(100)、搜索器(300)、控制器(200)和多径合并器(500)，其特征在于：整个系统还包括同步解调指峰组(400)；

所述A/D过采样器(100)的输入是接收的基带扩频信号，输出分别到所述搜索器(300)和所述同步解调指峰组(400)；

所述搜索器(300)接收来自所述A/D过采样器(100)的信号，进行多径搜索，并将搜索结果输出到所述控制器(200)；

所述控制器(200)位于所述搜索器(300)和所述同步解调指峰组(400)之间，负责对来自所述搜索器(300)的多径进行选择，把所选多径分配给所述同步解调指峰组(400)；

所述多径合并器(500)接收所述同步解调指峰组(400)的输出结果，并将输出结果按某种规则进行合并，得到最终解扩数据；

所述同步解调指峰组(400)接收由所述A/D过采样器(100)和所述控制器(200)产生的信号，对采样数据中的多径信号进行精确跟踪及解调，解调数据输出到所述多径合并器(500)；所述同步解调指峰组(400)包括n个结构完全一样的同步解调指峰(401、402、……、40n)。

8.如权利要求7所述的一种基带同步接收解调装置，其特征在于：所述搜索器(300)用匹配滤波器或并行相关器组实现，采用顺序搜索法。

9.如权利要求7或8所述的一种基带同步接收解调装置，其特征在于：所述同步解调指峰(401)包括采样选择器(410)、早相关器(420a)、迟相关器(420b)、解调相关器(420c)、PN码发生器(430)、减法器(440)、环路滤波器(443)、取实部模块(444)、门限比较模块(445)、定时生成模块(446)、导频符号提取及信道估计模块(450)、判决模块(452)、能量计算模块(460)、门限比较失锁判决模块(461)、相位状态寄存器(470)和数据选通输出模块(480)。

10.如权利要求9所述的一种基带同步接收解调装置，其特征在于：所述门限比较模块(445)中设置有门限值；所述门限比较失锁判决模块(462)设有两个门限值：“入锁”门限值和“失锁”门限值；上述门限值均由控制器(200)控制。

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