CN1293494A - 扩频通讯系统的码跟踪系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种扩频通讯系统的码跟踪系统及方法,使用复数个时序参考点调整本地伪噪声码的时序,使得内含的伪噪声码的接收信号与该本地伪噪声码的时序一致,该码跟踪系统及方法适用于码分多址无线通讯系统。本发明使用复数个时序参考点,从而即使在接收路径中当部分时序参考点受到噪声干扰而无法检测时,仍能以降低的伪噪声码时序失锁次数工作。

Description

扩频通讯系统的码跟踪系统及方法
本发明一般涉及用在码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)扩频通讯系统中的码跟踪系统及方法，特别涉及用在直接序列(Direct Sequence)码分多址扩频通讯系统或者锁相环(Phase Loop Lock，PLL)中的码跟踪系统及方法。
在直接序列码分多址系统中，码跟踪回路的性能对于系统性能有很大影响。反过来讲，码跟踪回路的性能与接收器的接收环境相关。失锁的平均时间值(mean time to lose-lock，MTLL)是评估跟踪回路性能的一个重要指标，理想化地说，造成失锁的事件需要尽可能减少，换言之，失锁平均时间值应当最大化。
导致发生失锁事件的高出现次数的主要原因包括衰减(fading)及高码片率(chip-rate)。在多路径衰减或高码片率的环境中，接收信号的改变速率太快。这种现象尤其发生在移动单元的速度快或者所传送的信／噪比低的情况下。
扩频通讯系统的接收器应当能够在不同环境中适应快速变化而维持其接收品质，并且不停止工作。在移动无线通讯中，移动单元在不同的衰减环境中快速移动。为了有效地接收信号，移动单元必须知道跟踪信号的改变。因此，扩频通讯系统的接收器一般具有同步跟踪功能，以适应接收环境中的任何改变。
一般而言，扩频通讯系统的码跟踪回路可分为相干(coherent)及非相干(non-coherent)跟踪回路。相干及非相干跟踪回路的不同之处在于，相干跟踪回路使用接收载波的相位信息当参考，而非相干跟踪回路却不使用相位信息。许多相干跟踪回路使用接收信号的提前及延迟相位关系来锁定信号，这种电路一般称为延迟锁相环(Delay-Lock Loops，DLL)。
在美国专利序号5，299，229中公开了一种具有码跟踪系统的扩频通讯系统接收器，其中主要使用了两种伪噪声(pseudo-noise，PN)码，一种是高速率PN码，另一种是低速率PN码。该专利提供了一种根据可变系统的跟踪回路中的不同数据比率来跟踪所述高速率PN码或低速率PN码的方法。
在美国专利序号5，737，362中提出了一种双延迟锁相环码跟踪系统，通过产生相对于做为时序参考点的码片中心点具有不同时差的码，加大跟踪回路的能量检测区域的线性部分。该专利使用了误差检测单元来决定输出到回路滤波器(loop filter)的最后值，此输出值是根据由提前Δ及2Δ的提前码解扩频所得的信号能量和由延迟Δ及2Δ的延迟码解扩频所得的信号能量求出的。所述误差检测单元从这些值中计算结果，然后向电压控制振荡器(voltagecontrolled oscillator，VCO)输出一控制信号。用于误差检测单元的算法加大了跟踪回路的能量检测线性区域。因此，所述系统更适合于在快速变化的环境中跟踪信号。该专利的公开内容在此被整体引用参考。
传统的延迟锁相环码跟踪回路包含一相位识别器、一回路滤波器、一电压控制振荡器(VCO)和一扩频波形产生器(本地PN码产生器)。在解调之后，接收的信号输入延迟锁相识别器，延迟锁相识别器使该接收信号与提前Δ／2的提前本地PN码和延迟Δ／2的延迟本地PN码相关，参数Δ是提前和延迟识别器通道(channel)之间的总的归一化时间差，通常是一个码片。
图1示出了一般的延迟锁相环码跟踪回路，该跟踪回路包括积分转储(integrate-and-dump)滤波器10A，10B、本地伪噪声码(local pseudo-noise code，LPN)产生器20、电压控制振荡器(VCO)30、回路滤波器40及跟踪决定单元50。该码跟踪回路先接收在线1的接收信号，该接收信号包含实部及虚部分量。该实部及虚部分量提供至积分转储滤波器10A及10B，在此与本地PN码产生器20所产生的提前或延迟本地伪噪声码做交互相关。从积分转储滤波器10A及10B获得的通过与提前和延迟本地伪噪声码交互相关后产生的能量提供到跟踪决定单元50。由跟踪决定单元50计算出的结果经由回路滤波器40及电压控制振荡器30来调整本地伪噪声码产生器20的正确时序参考。传统的码跟踪回路中的决定单元50的PN码跟踪是通过由两个转移版本(twoshifted version)的提前和延迟的本地PN码交互相关后产生的能量相减并处理以求出非线性特性(即S曲线)而进行的。S曲线在同步码(on-time code)位置上拥有过零特性，同步码位置的估算用以解扩频及解调。设计PN码跟踪设备的最重要的问题是考虑在发生都卜勒(Doppler)效应及通道噪声干扰回路操作的情况下如何尽可能紧密地跟踪码片的中心点。
由于S曲线的有限宽度，一个尖锐而短暂的干扰可以让跟踪回路脱离锁定区(即失锁状态)。之后，码跟踪回路不可避免地需要重新起动码捕获(codeacquisition)，以重新取得同步。码捕获比码跟踪耗时，所以失锁必须要越少越好。
本发明的目的是提供一种通讯用的码跟踪系统及方法，该系统及方法能够有效跟踪扩频无线信号，比如在码分多址无线通讯中的数字调制的信号。
为达到本发明的目的，本发明提出了具有已知顺序及数量的时序参考点的延迟锁相环回路，用以降低PN码时序失锁的次数，特别是当移动单元工作于衰减环境中并且用于高码片率传输时，比如工作于所谓的第三代无线通讯系统中时，降低失锁状态的发生次数。本发明在一个码片中使用复数个时序参考点。本发明的系统跟踪相对于码片中心点的多个时序参考点，藉以调整码片的精确中心点的时序参考点。如果码片的精确中心点的时序参考点之一由于尖锐而短暂的干扰而失锁，该系统仍然能够根据其它时序参考点恢复码片的中心点。如本发明的仿真结果所表明的，与传统的DLL回路相比，失锁的情况大大减少了。
在CDMA无线通讯系统中，通过扩频和解扩操作对信号进行调制和解调。其扩频处理包括，将输入数据乘以系统指定的伪噪声(PN)码序列，该PN码序列的比特率远远大于数据比特率。PN序列的比特率称为码片率。当接收到信号时，执行解扩操作，通过将输入数据乘以接收端扩频用的本地PN码序列而进行解扩，码捕获和码跟踪负责该同步操作。码捕获是搜索初始时间参考点。在码捕获之后，码跟踪努力找出码片的精确中心点，以便恢复时序错误。在数字无线通讯系统中，一个码片包含多个样点(sample)，因而积分转储滤波器可以更精确地计算能量及波形。然而，被干扰的样点所造成的跟踪误差仍然无法降低到能够接收的程度。这个问题在高码片率传输时尤其重要。对于无线移动通信系统来说，一个尖锐而短暂的干扰可以造成一个码片中的几个样点不正确，从而可以破坏好几个码片的波形。因此，如果被干扰的样点位于码片中心点附近，则会导致传统的跟踪回路失锁。提高跟踪性能的一种方法是增大交互相关器(correlator)的长度。然而，这种方案相应地也增大了计算时间。本发明使用多个时序参考点，每一个时序参考点用于跟踪码片中的指定位置。因此，如果其中一个时序参考点跟踪的指定位置失锁，仍可以由其它的跟踪时序参考点恢复锁定。
本发明提出了一种扩频通讯系统的码跟踪系统，该跟踪系统包括：一本地伪噪声码(LPN)产生器，用以产生一本地伪噪声(PN)码；一码跟踪装置，根据复数个时序参考点跟踪一内含的伪噪声码的接收信号，并输出一整体码片时间误差；一回路滤波器，用以稳定该整体码片时间误差；以及一电压控制振荡器，用以接收稳定后的整体码片时间误差，并输出一调整信号，该调整信号用以调整所述本地伪噪声码的时序，使得所述内含的伪噪声码的接收信号与所述本地伪噪声码的时序一致。
本发明还提出了一种扩频通讯系统的码跟踪方法，该方法包括步骤：产生一本地伪噪声码(LPN)；根据复数个时序参考点跟踪一内含的伪噪声(PN)码的接收信号，并输出一整体码片时间误差；稳定该整体码片时间误差；接收稳定后的整体码片时间误差，并输出一调整信号，该调整信号用以调整所述本地伪噪声码产生器的时序，使得所述内含的伪噪声码的接收信号与所述本地伪噪声码的时序一致。
本发明的优点如下：(1)相对于传统的系统来讲，使用长度较短的交互相关器，计算时间可以节省；(2)大于等于两个的时序参考点同时被用于码跟踪，可以降低传统码跟踪系统或方法的只用一个时序参考点的错误率，因为不同时序参考点用于跟踪码片中不同的指定位置。与美国专利序号5，737，362中提出的观念相比，该专利将两组样点用于跟踪一个时序参考点，因而样点仍容易受到干扰，并且不能避免被破坏的码片在码片中心点附近的问题。
通过参照附图描述本发明的实施例，本发明的上述和其它目的和优点将会更明显，附图中：
图1是说明传统的码跟踪回路的实施例；
图2是说明两个时序参考点码跟踪回路的实施例；
图3是说明单一时序参考点码跟踪回路的实施例；
图4是说明跟踪决定单元的方法流程图；
图5是说明如何将两个时序参考点的例子推广至多重时序参考点的设计：和
图6是两个时序参考点码跟踪回路与传统的码跟踪回路性能的比较图。
在附图中所使用的主要部件为：
积分转储滤波器：10A、10B、210A、210B、210C、210D、310A、310B、510A-1、510B-1、510A-2、510B-2、510A-L、510B-L
延迟单元：271、272、371、57-1、57-2、57-L
本地PN码产生器：20、220、320、520
电压控制振荡器：30、230、530
回路滤波器：40、240、540
跟踪决定单元：50、250、550
延迟回路决定单元：261、262、361、56-1、56-2、56-L
下面描述本发明的具体实施例。
在下面的描述中，首先将参照图2所示的双时序参考点码跟踪回路举例描述双时序参考点的码跟踪回路。
图2描述了本发明的双时序参考点码跟踪回路的实施例。本实施例使用两个时序参考点，第一个时序参考点以表示的码片中心为参考点，以T0表示，而另一个时序参考点则以码片的四分之一为参考点，以T-1／4表示。假设每个码片有八个样点，在时序参考点T0的第一个延迟锁相环(由部件210A、210B、261、271组成)中，提前的本地PN码(提前2Δ码)相对于输入信号提前四个样点，而延迟的本地PN码(延迟2Δ码)则相对于输入信号延迟四个样点。另一方面，在时序参考点T-1／4的延迟锁相环(由部件210C、210D、262、272组成)中，提前的本地PN码(提前3Δ码)相对于输入信号提前六个样点，而延迟的本地PN码(延迟Δ码)则相对于输入信号延迟两个样点。
在图2中，内含的PN码的接收信号输入到四个积分转储滤波器210A-210D，以便分别乘以由本地PN码产生器220产生的时序参考点T0及T-1／4的提前2Δ、3Δ码与延迟2Δ、Δ码。四个积分转储滤波器的输出再分为两对时序参考点的延迟锁相回路，以便得到分别用于码片中心的时序参考点延迟回路决定单元261及提前码片1／4的时序参考点延迟回路决定单元262的码片时序误差e0和e-1／4，积分转储滤波器可由交互相关转储电路(correlate-and-dump)实现。延迟回路决定单元261是用以决定码片中心参考点T0，而延迟回路决定单元262是用以决定参考点T-1／4。两个码片时序误差e0和e-1／4输入至延迟单元(时间调整单元)271、272(其功能为调整时间误差)，用以正确调整码片时序误差。延迟单元271、272的输出再送至跟踪决定单元250。跟踪决定单元250将它们合并，以获得整体码片时序误差e。跟踪决定单元250是从两个码片时间误差中选择最小的码片时间误差做为整体码片时间误差e。所得的整体码片时间误差e再由回路滤波器240稳定其整体码片时间误差e的波形，并输出一调整信号用来调整电压控制振荡器230的输入电压，电压控制振荡器230的输出送到本地PN码产生器220用以改变本地PN码的时序，使得内含的伪噪声码(PN)的接收信号与该本地PN码的时序一致。
具有两个时序参考点的码跟踪回路实施例如图2所示，其中的码跟踪装置(未标示)所包含的时序参考点T0及T-1／4延迟锁相环可由基本的时序参考点延迟锁相环实施例修改而成。在本实施例中，用以产生时序参考点T0及T-1／4的提前本地PN码分别将输入延迟4及6个样点单位，用以产生时序参考点T0及T-1／4的延迟本地PN码分别将输入延迟4及2个样点单位。对时序参考点T0而言，以图3说明码跟踪装置之中所包含的一个延迟锁相环实施例，其中对第一积分转储滤波器310A输入一提前接收信号以及一本地PN码(图中的输入接收信号及提前本地PN码的实施方式，可转换为输入一接收信号，并将接收信号延迟一先前决定的提前时间单位，以得到一提前接收信号，而图中的提前2Δ本地PN码相对于此转换的实施方式，就不需要将本地PN码加以提前2A，只将接收信号延迟2A，构成提前2A接收信号)，将提前的接收信号与本地PN码交互相关，并输出一提前交互相关信号。对第二积分转储滤波器310B输入一接收信号及一延迟本地PN码信号，将接收信号与延迟本地PN码信号交互相关，并输出一延迟交互相关信号。提前四个样点的提前交互相关信号及延迟四个样点的延迟交互相关信号会由第一积分转储滤波器310A及第二积分转储滤波器310B积分，其积分输出的能量输入用以决定时序参考点T0的码片中心时序参考点的延迟回路决定单元361。在图2的码跟踪装置实施例中，对时序参考点T-1／4的延迟锁相环实施例而言，另一个第一积分转储滤波器210C输入提前的接收信号及本地PN码，将提前的接收信号与本地PN码交互相关，并输出一提前交互相关信号，另一个第二积分转储滤波器210D输入接收信号及延迟本地PN码，将接收信号与延迟本地PN码交互相关，并输出一延迟交互相关信号，提前六个样点的提前交互相关信号及延迟两个样点的延迟交互相关信号会由第一积分转储滤波器210C及第二积分转储滤波器210D积分，其积分输出的能量输入到用以决定时序参考点T-1／4的码片1／4的时序参考点的延迟回路决定单元262。而由图2中经适当的延迟单位调整信号的相对的参考位置，可以得到指定的时序参考点延迟锁相环。将由本地PN码与提前的接收信号在第一积分转储滤波器210A、210C中输出的提前交互相关信号，以及由延迟的本地PN码与接收信号在第二积分转储滤波器210B、210D中输出的延迟交互相关信号相减之后，配置给时序参考点T0及T-1／4的延迟回路决定单元261、262，从而分别输出时序参考点T0及T-1／4码片时间误差。该时序参考点T0及T-1／4码片时间误差输入至延迟单元271、272，用以调整码片时间误差至一预定的码片中心参考位置基准。在图2的实施例中，时序参考点T0及T-1／4的用以调整码片时间误差的延迟单元271、272分别将输入延迟1和3个样点单位。如此一来，所决定的整体码片时间误差可有较好的效果。
图4为跟踪决定单元的方法流程。在步骤410中，所有时序参考点的决定信号被输入跟踪决定单元。在步骤411中，跟踪决定单元在所有时序参考点计算得到的码片时间误差中找寻最小码片时间误差，以及，在步骤412中，跟踪决定单元输出在所有时序参考点计算得到的码片时间误差中找到的最小码片误差，做为最后的整体码片时间误差。在图2的实施例中，只需要比较两个码片时间误差并选出码片时间误差较小的一个码片即可。
在图5中，由上述两个时序参考点的例子加以推广应用至大于等于两个时序参考点，可经由下列步骤实施：(1)加入时序参考步tL的延迟锁相环，(2)将所有时序参考点的码片时间误差合并至跟踪决定单元550用以做最后的决定。明显地，图5中多于两个的时序参考点的码跟踪回路的操作与图2中的两个时序参考点的码跟踪回路的操作类似，只是多了一些延迟锁相环(至多到L-2)的加入。
通过使用Cadence SPW软件去模拟及比较所提出的两个时序参考点码跟踪回路的例子与传统的码跟踪回路的性能，在这两个系统的模拟中，码捕获是使用多重堆叠(multiple-dwell)法，多路径通道模型包含了三条未归一化(normalized)的衰减路径，它们的功率分别是1e-7、5e-8、以及5e-8。都卜勒频率为180赫兹(Hz)，相当于移动速度为每小时60公里。我们使用不同的加性高斯白噪声(AWGN)功率密度来测量码跟踪方法的性能，加性高斯白噪声功率密度也未归一化，码跟踪性能以锁住信号时段对全部模拟时段之比来估算。图6为两个时序参考点码跟踪回路与传统码跟踪回路性能的比较图，横轴代表归一化三条路径功率综合与噪声的分贝(dB)比值，纵轴则代表锁住信号时段与全部模拟时段的比值。两个时序参考点码跟踪回路的性能很明显地比传统码跟踪回路的性能好。其中主要原因在于，传统码跟踪回路的重新捕获(re-acquisition)的过程花费比较多时间，大幅度降低了锁定时间。
虽然对本发明已通过上述实施例子及附图进行了描述。但应当理解，前述的实施例中可以有许多细节变形、更改及置换，甚至于重新安排配置及组合，仍不违背本发明所提出的精神及范围。举例而言，本实施例可通过软件、固件(firmware)及硬件施行。另一方面，用以延迟本地PN码的延迟单元可以设置于本地PN码产生器内部或分离于其外。

Claims (6)

1．一种扩频通讯系统的码跟踪系统，包括本地伪噪声码(LPN)产生器、码跟踪装置、回路滤波器和电压控制振荡器，其特征在于，
所述本地伪噪声码(LPN)产生器用以产生本地伪噪声(PN)码；
所述码跟踪装置根据复数个时序参考点跟踪内含的伪噪声码的接收信号，并输出整体码片时间误差；
所述回路滤波器用以稳定所述整体码片时间误差；以及
所述电压控制振荡器用以接收稳定后的所述整体码片时间误差，并输出调整信号，该调整信号用以调整所述本地伪噪声码的时序，使得所述内含的伪噪声码的接收信号与所述本地伪噪声码的时序一致。
2．如权利要求1所述的码跟踪系统，其特征在于，所述码跟踪装置还包括：
复数个延迟锁相环，用以跟踪每一个所述时序参考点，并输出每一时序参考点所对应的码片时间误差；以及
一跟踪决定单元，用以接收所有的所述码片时间误差，且从所述所有的码片时间误差中找到最小的码片时间误差，并以该最小码片时间误差做为所述整体码片时间误差。
3．如权利要求2所述的码跟踪系统，其特征在于，所述延迟锁相环包括：
一第一积分转储滤波器，输入所述接收信号，并将所述接收信号延迟一先前决定的提前时间单位，以得到一提前接收信号，根据所述提前接收信号及所述本地伪噪声码，将所述提前接收信号与所述本地伪噪声码做交互相关，以输出一提前交互相关信号；
一第二积分转储滤波器，输入所述本地伪噪声码，将所述本地伪噪声码延迟一先前决定的延迟时间单位，以得到一延迟伪噪声码，根据所述接收信号及一延迟的本地伪噪声码，将所述接收信号与所述延迟的本地伪噪声码做交互相关，以输出一延迟交互相关信号；
一延迟回路决定单元，输入所述提前交互相关信号与所述延迟交互相关信号，将所述提前交互相关信号与所述延迟交互相关信号相减以得到所述码片时间误差；以及
一延迟单元，输入所述码片时间误差，且调整该码片时间误差至一预定的码片中心参考位置基准，并输出调整后的码片时间误差至所述跟踪决定单元。
4．如权利要求3所述的码跟踪系统，其特征在于，所述第一及第二积分转储滤波器是交互相关及转储(correlate-and-dump)电路。
5．一种扩频通讯系统的码跟踪方法，其特征在于，该码跟踪系统包括下列步骤：
(a)产生一本地伪噪声码(LPN)；
(b)根据复数个时序参考点跟踪一内含的伪噪声(PN)码的接收信号，并输出一整体码片时间误差；
(c)稳定所述整体码片时间误差；以及
(d)接收稳定后的所述整体码片时间误差，并输出一调整信号，该调整信号用以调整所述本地伪噪声码产生器的时序，使得所述内含的伪噪声码的接收信号与所述本地伪噪声码的时序一致。
6．如权利要求5所述的码跟踪方法，其特征在于，所述步骤(b)进一步包括下列步骤：
根据所有的所述时序参考点跟踪一内含的伪噪声码的接收信号，并输出每一个所述时序参考点所对应的码片时间误差；以及
从所述所有的码片时间误差中选择最小的码片时间误差做为所述整体码片时间误差。
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