CN1311653C

CN1311653C - 直接序列扩频通信中一种码片交错的方法

Info

Publication number: CN1311653C
Application number: CNB018057012A
Authority: CN
Inventors: 阿卡笛·莫利维－史泰曼
Original assignee: I C Com Ltd
Current assignee: Infineon Technologies AG; I C Com Ltd
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: EP1260045A1; AU2001229668A1; EP1260045A4; KR20020079974A; US6301288B1; KR100669573B1; WO2001065756A1; JP2003526260A; CN1411641A

Abstract

直接序列扩频通信中一种码片交错的方法。选择一个长度为N＝2^k-1、自正交的二进制码序列。一个长为M的数据串(40)，满足M＝QN+1比特，QN-1比特或QN+S比特，其中Q是一个正整数，S是一个大于1小于N且与N没有公因子的整数，该数据串与二进制码序列(42)顺序相乘(44)，直到产生N个码片帧，每个码片帧有M个码片。这些码片帧发送给一个接收机，并以同样直接的方式被恢复。根据传输条件选择整数Q和N。

Description

直接序列扩频通信中一种码片交错的方法

本发明的技术领域和技术背景

本发明涉及数字通信中的突发噪声抑制，尤其是涉及直接序列扩频(DSSS)调制中码片交错的一种改进的方法。

DSSS是一种公知的抑制数字通信信道里窄带噪声的方法。例如，参见Robert C.Dixon的扩频系统(John Wiley & Sons，NewYork.1984)。DSSS的一个常见的例子是蜂窝电话技术的CDMA协议。例如，参看Andrew J.Viterbi，CDMA：扩频通信的原理(AddisonWesley.Reading MA，1995)和Ramjee Prasad，无线个人通信的CDMA(Artech House，Norwood MA，1996)。在DSSS里，一个数据比特组成的消息串被一个伪随机二进制码序列所调制，产生真正被发送的串。如果原始消息串包括M个比特，每一个比特被伪随机二进制码序列的N个码片调制，得到的码片串包括MN个码片，N个连续的码片对应于原始的M个比特中的每一个比特。在接收机处，用与调制数据比特所用相同的二进制码序列乘以收到的码片串以恢复原始消息串，这样从对应的连续的N个码片的组里恢复出每一个比特。

虽然DSSS提供了抗窄带噪声的能力，但它易受有限时间噪声脉冲串的干扰。因此，发展了码片交错技术，以使DSSS信号对窄带噪声和突发噪声都有抗扰能力。在码片交错中，从每一个被调制的数据比特中选出一码片，这样选出的M个码片组成一个码片帧。一共组成N个码片帧，每个码片帧都有M个码片，有来自每一个被调制的数据比特的一个不同的码片。这样组成的N个码片帧按顺序组成了被发送的串，在这里也被称作“分组”。通过这种方式，每一个数据比特被扩展到整个被发送的串，而不是被集中在串里的一个位置。在接收机处，选择码片的过程被逆转，以恢复未交错的串，然后同标准的DSSS一样，被二进制码序列相乘。

已知现有技术中的几种码片交错的方法。Tachikawa等人(Shin-ichi Tachikawa，Kiyoshi Toda，Takehiro Isikawa and GenMarubayashi.采用码片交错的直接序列/扩频通信系统及其在电力线上高速数据传输的应用。日本的电子和通信，第一部分，Vol.75，No.4，pp.46-58(1992))采用伪随机序列使每个码片帧的M个码片随机分布。Olmstead(美国专利号5,274,667和5,335,247)通过用一个长的伪随机数调制数据串，直接形成了大量的连续交错的长度为M的码片帧，然后使每个帧里的码片的顺序伪随机化。码片帧被发送，直到接收机返回一个确认，表明已经收到一个未破坏的消息。

发明内容

根据本发明，提出了一种改进的从发送机发送M个数据比特至接收机的方法，其中用一个伪随机二进制交错码序列的N个码片与每一个数据比特相乘，因而产生了与每一个比特相对应的一组N个积码片，其中这些积码片被交错以使每一个码片帧包括每一个比特的一个独一无二的积码片，从而形成了多个码片帧，该改进方法包括步骤：(a)选择一个整数Q；(b)选择一个比2的幂小1的N；(c)选择一个整数M，它与QN+1，QN-1和QN+S组成的整数组里选出的整数相等，其中S是一个大于1小于N的整数，并且S与N没有公因子；(d)在发送机和接收机处，提供一个伪随机二进制交错码序列，它有N个码片，是从自正交序列和近似的自正交序列组成的序列组里选出的；以及(e)在发送机处，M个数据比特的每一个都与所述伪随机二进制交错码序列的所述N个码片的每一个码片顺序地相乘，因此产生了一个有N个积码片帧的分组，每个帧包括M个数据比特，每个分组包括NM个积码片。

本发明优于现有技术方法的是发送机和接收机的结构简单：像传统的DSSS一样，只提供了一个N码片的伪随机二进制码序列。选择N和M，满足N＝2^k-1以及M＝QN+1或M＝QN-1或M＝QN+S，其中k和Q是正整数，S是一个大于1小于N的整数，并和N没有公因子。根据传输的条件选择Q、N和S的值。如果需要，一串输入数据可以被零填充成M比特长。N＝2^k-1这一关系允许选择一个伪随机二进制码序列，其自相关函数在延时为零时精确或近似等于1，延时为其它值的时候精确或近似等于-1/N。一个精确满足自相关函数在延时为零时等于1，延时为其它值时等于-1/N这个条件的序列，这里称之为“自正交”序列。最常见的自正交序列的例子是所谓的“m-序列”。近似满足这个条件的一组序列包括公知的“金码(Gold code)”序列。根据本发明使用精确的或近似的自正交码序列来调制消息串给予被发送的信号相对的抗多路径干扰的能力。

有大量的具有小的互相关性的伪随机序列，所以可以把本发明直接应用到一个CDMA网络中。

根据本发明的另一个方面，通过在每个码片帧里包含一个同步帧加强消息源和接收机的同步。众所周知，在DSSS通信里，为了在接收机处精确重组消息串，接收机必须与发送机同步在一个码片的持续时间的一小部分内。通常实现这一点，要通过包括对伪随机二进制码序列和收到的码片串进行互相关运算的步骤。如果被发送的数据串没有被交错，那么，因为每组被发送的N个连续的码片对应于同一个数据比特，仅收到N个码片就可以得到一个可用的互相关函数。如果被发送的数据串被交错过，收到的码片串的所有MN个码片必须和二进制码序列进行互相关运算，产生一个可用的互相关函数。这样花费的时间是没有交错过的互相关运算的M倍。而根据本发明的另一个方面，当每一个同步帧被收到时就和二进制码序列作互相关运算。这样取得的同步几乎和无交错DSSS一样快，代价是总的传输时间有一点小增加。

附图说明

这里只是举例参照附图来说明本发明，其中：

图1是本发明交错乘法方案的图示性说明；

图2A和图2B是本发明交错乘法方案的另一个图示性说明；

图3显示了一个具体例子，一个消息串被一个伪随机二进制码序列交错相乘；

图4是在发送机处实现交错DSSS的一个流程图；

图5是对图4的传输进行解码的一个流程图；

图6是同步信号的一个图示性的说明；

图7是在发送机处交错DSSS和跟踪的组合实现的流程图；

图8是在接收机处把跟踪和解码的组合实现的流程图。

优选实施例的说明

本发明是一种比现有的技术方法更简单的DSSS码片交错方法。

参照附图和下面的说明更容易理解根据本发明的DSSS码片交错的原理和操作。

在发送机处，消息串和伪随机码序列通常分别以比特串或码片串的形式被存储(若干个0和若干个1)。这些消息串和伪随机码序列是这样结合起来的，在上面提到的“调制”的过程中，从消息串里选出一个比特，从伪随机二进制码序列里选出一个码片，组成比特-码片对，再对比特-码片对进行“异”运算(XOR)。得到的分组里的0码片映射为+1，1码片映射为-1，并把该分组加到载波上发送给接收机，该过程通常也被称为“调制”。在接收机处，在通常称为“解调”的过程里，收到的串通常从载波里被恢复成一串没有归一化的二进制整数串的形式，每个整数有几个(例如，4个或8个)比特，每个整数对应发送的分组的一个码片；但收到的串也可能是一串每个整数对应一个比特的二进制整数，在这种情况下，收到的串的比特和被发送的分组的码片之间一一对应，并且，在没有噪声的情况下，收到的串的比特和被发送的分组的码片是一样的。通常伪随机二进制码序列在接收机处也以一串二进制整数的形式被存储：整数+1和-1的多比特表示；并且该码串通过算术乘法与收到的串结合起来，虽然，像收到的串一样，该伪随机二进制码序列串也可以是一个整数由一个比特代表的二进制整数，就是该码串和发送机的伪随机二进制交错码片序列相同的情况，并且，和在发送机处一样，该码串和恢复的串进行“异”运算。为了清楚起见，下面的讨论里，把在发送机处消息串与伪随机二进制码序列结合的过程以及在接收机处收到的串与伪随机二进制码序列结合的过程都称之为“乘法”；术语“调制”为编码的分组加到载波上这一过程保留。相应的，在发送机处，结合消息串和伪随机二进制码序列而产生的码片，这里称之为“积码片”。与积码片对应的，从发送机处恢复出来的整数这里称之为“积整数”。接收机处，伪随机二进制码序列的整数这里称之为“码整数”。接收机处，通过用码整数乘以积整数所得到的整数这里称之为“收到的整数”。注意，“异”运算和+1，-1组成的串的算术乘法在本文的语境中是相同的：任意一个二进制串和一个相同的二进制串做连续的、一位接一位的“异”运算，以及任意一个由+1和-1组成的整数串和一个相同的整数串作连续的、一个整数接一个整数的乘法运算，两者是相同的运算。

现在参照附图，图1例示了用一个N码片的伪随机二进制码序列C₁至C_N根据本发明与一个M比特的消息串D₁至D_M交错相乘。串10是消息串的N个拷贝，串12是二进制码序列的M个拷贝，两者平行显示。用串12对应的码片与串10相乘，产生一个积码片串14，其每一个积码片的值是每对输入“异”运算后的结果。在图1里，该乘法运算用星号(*)表示。注意，串10的比特的顺序是连续的，串12的码片的顺序也是连续的，所以也可以这样形容图里的运算，从串的第一个比特和序列的第一个码片对齐开始(产生码片D₁*C₁)，到串的最后一个比特和序列的最后一个码片对齐(产生码片D_M*C_N)，顺序相乘数据串和二进制码序列，产生积码片14。以这种方式，产生了N个码片帧，每个码片帧里数据比特顺序出现(不像现有技术，每个码片帧里的数据比特的顺序是伪随机化了的)，并且每一个数据比特被每一个二进制码序列码片调制一次。注意每个数据比特被二进制码序列的一个偏移不同的版本相乘。如果二进制码序列是精确自正交的，可以推出，在无交错的分组里，与每个不同的数据比特对应的N码片序列是互相正交的。在没有噪声的情况下，下面所述的接收机处的解码过程严格消除了来自延迟的多径传输消息的干扰。这是本发明相对于现有技术方法的一个优点，例如Tachikawa等人的技术方法与本发明相比，抗多径和抗符号间串扰的能力小。

图1中，选择M使其等于QN+1。应当理解，选择M等于QN-1得到相同的结果：又一次得到了N个码片帧，第一个积码片等于D₁*C₁，最后一个积码片等于D_M*C_N，一个数据比特和一个二进制码片的每个可能的组合出现一次。选择M等于QN+S也得到相同的结果，S是一个大于1小于N的整数，和N没有公因子。例如，参看Dilop V.Sarwate和Michael B.Pusley的“伪随机及其相关的序列的互相关特性”，Proc.IEEE vol.68 no.5p.593(1980)。又一次得到了N个码片帧，第一个积码片等于D₁*C₁，最后一个积码片等于D_M*C_N，一个数据比特和一个二进制码片的每个可能的组合出现一次。

图2A和2B显示了在Q＝1的特殊情况下，看数据串被伪随机二进制码序列进行交错乘的另一种方式。在图2A中，M比特数据串D₁至D_M的N个拷贝以一个M×N的矩阵20的列的形式出现，N个码片C₁至C_N的二进制码序列的M个拷贝以一个M×N的矩阵22的行的形式出现。两个矩阵20和22逐个元素的相乘得到一组N个列24，每个列24组成一个码片帧。列24的积码片以时间t的函数，按箭头所指的顺序被发送。图2B以时间t的函数显示了被发送的分组，从第一个码片帧26、第二个码片帧26′开始，以最后一个码片帧26″结束。所示的码片帧26′被一个其持续时间等于传输一个码片帧的时间的噪声脉冲28污染。在无交错的DSSS里，这样的突发噪声干扰会导致所有对应一个或多个数据比特的码片不能被理解。在所示的交错DSSS里，突发噪声28污染了每个数据比特的一个积码片，但所有其它的积码片完整无缺，所以在接收机处，通过简单的统计噪声抑制方法能恢复所有的数据比特。

图3显示了一个具体的例子，一个8比特的消息串30被一个7码片的伪随机二进制码序列32交错相乘，产生一个被发送的分组34。图中显示了二进制码序列32的5个例子以及消息串30的4个例子多一点。

图4是一个根据本发明在发送机处实现交错DSSS的流程图。消息串的M个数据比特存在寄存器40中。一个码序列发生器42重复、连续地产生一个伪随机二进制码序列的N个码片。M个数据比特重复地循环通过一个乘法器44并在乘法器44里被连续产生的二进制码序列的码片相乘。得到的分组在载波调制器46里被调制到载波上并被发送。

积码片串14就这样被发送至接收机。在接收机处，数据串10被收到的码片串(被噪声污染的积码片串14)相乘而得到恢复，像上述被二进制码串12相乘一样。图5是在接收机处实现交错DSSS解码的一个流程图，与图4的编码相对应。一个M个整数长的先进先出的寄存器56全部被初始化为0。收到的信号在载波解调器48里被解调。收到的码片串解调以后，在乘法器50里被由码序列发生器52所产生的、和图4里用以给发送的分组编码的序列相同的伪随机二进制码序列所连续产生的码片相乘。实际上，码序列发生器42和52功能上是一样的。得到的整数在累加器54里被连续的加到寄存器56所周期地提供的整数上，累加的结果返回给寄存器56。码序列发生器52产生M个二进制码序列的例子以后，所有的N个发送出来的M数据比特长的例子在寄存器56里以合适的顺序被累加。

为了使图5的解码正确完成，发送机和接收机必须同步。现有的技术范围包括了一种特别为交错DSSS剪裁的同步方法。该方法在图6里给出了图示性的例示，根据本发明，以一个时间t的函数，显示一个发送机和一个接收机交换同步信号，一个发送机的同步信号60被发送机发送给接收机以及一个接收机同步信号70被接收机发送给发送机。众所周知，扩频通信里的同步过程包括两个阶段：捕获，其中执行了一个粗糙同步过程，使同步在一个码片传输间隔内；以及跟踪，其中执行了一个精确同步过程，使同步在一个码片传输间隔的一小部分内。在图6里，虚线左侧的时间表示捕获，虚线右侧的时间表示跟踪。

在捕获阶段，发送机发送一个或多个长为L比特的捕获码序列62的实例。优先选择的捕获码序列62为一个自正交的或近似自正交的、与用于交错的二进制码序列相似的伪随机二进制码序列。最好的选择是，捕获码序列62的长度L比交错码序列的长度N长相当一部分。比如，如果N是63，L的典型值是1023，每个接收机都被提供一个自己唯一的、长度为L的识别码序列，所有的识别码序列近似于互相正交。为了发送给一个具体的接收机，捕获码62的选择要使其和目标接收机的识别码序列有高的相关性，和所有其它的识别码序列有低的相关性。每个接收机用自己的识别码序列和收到的捕获码序列62进行互相关运算。得到的互相关函数在一个合适的阈值以上有一个峰值的接收机使用该峰值的延时来执行粗糙同步过程，并发送一个确认72给发送机。

当一个发送机收到确认72，它停止发送捕获码序列62并开始发送码片帧分组63。如图6所示，分组63包括长度为M的码片帧，图6显示了前5个(66a，66b，66c，66d和66e)，又包括长度为K的同步帧，图6显示了前5个(64a，64b，64c，64d和64e)。优先选择的是，同步帧是和用于交错的二进制码序列相似的自正交或近似自正交的伪随机二进制码序列。根据本发明的一个实施例，所有的同步帧是一样的，但它们并不需要是一样的，只要接收机知道以什么顺序来接受它们就可以。图6里显示的同步帧为码片帧的前置码，但同步帧可以插入在码片帧的任何位置，甚至以后置码的形式出现。

图7是所有的同步帧一样的情况下在发送机处实现该交错DSSS和跟踪相结合的流程图。如图4，消息串的M个数据比特循环通过乘法器44并被码序列发生器42所产生的二进制码序列连续产生的码片相乘。另一个码序列发生器80产生同步帧。开关82在一个上位(如图示)和一个下位之间切换，码片帧在上位里被传给载波调制器46发送，同步帧在下位里被传给载波调制器46发送。初始时，开关82是在下位。同步帧64a的K个码片被发送出去。然后开关82切换到上位，M个数据比特循环通过乘法器44以产生码片帧66a并发送它。然后开关82切换回下位，并且当下一个同步帧的K个码片被发送时，数据比特的循环和码序列发生器42里二进制码序列码片的产生都暂停了。开关82以这种方式在上位和下位之间交替，直到整个分组被发送出去。注意如果K是M的一个因子，当码片帧被产生和发送时，不需要暂停同步帧码片的产生，否则，当开关82在上位时，暂停同步帧码片的产生。

在另一种实施方式中，图4里的寄存器40可以被一个M+N比特的寄存器代替，其前N个比特设为等于1，后M个比特设为与数据比特相等。这样图4的实施例发送扩展的码片帧，其中前N个码片是用于交错的二进制码序列的不同版本(在第一个扩展码片帧里没有偏移，在后面的扩展码片帧里有偏移)；后M个码片是以前产生的码片帧的码片，且没有同步帧。接收机把扩展码片帧当作普通的、有同步帧置前的码片帧来解读。这样，同样的二进制序列既用于交错又用于同步。

图8是在接收机处实现跟踪与交错DSSS解码相结合的一个流程图，它对应图7中交错DSSS和跟踪的结合。一个开关84或者置于上位，如图所示，把收到的同步帧引入同步器86，或者置于下位，如图5把收到的码片帧引入载波解调器48。同步器86和解调器48部分是模拟的，部分是数字的；确实，解调器48的功能是把收到的模拟信号转换成数字信号。虚线88表示了接收机专有的数字系统。具体地，数字系统88包括码序列发生器52，寄存器56，乘法器50和累加器54。同步器86的功能如下：

(a)同步载波以使解调器48能解调输入信号；

(b)同步为乘法器50提供积整数的解调器48里的模数转换的定时，以及，

(c)使数字系统88和输入的消息码同步，如标有“CLK”的箭头所示。

那些所属技术领域的普通技术人应当理解，该同步方法，即包括捕获码序列的传输和同步帧插入到码片帧中，本质上并不限于本发明的交错方法，可以和任何交错DSSS通信方案一起使用。

虽然只参考了有限的几个实施例描述本发明，但应当理解，本发明可以有许多变化、修改和其它应用。

Claims

1.一种改进的从发送机发送M个数据比特至接收机的方法，其

中用一个伪随机二进制交错码序列的N个码片与每一个数据比特相乘，因而产生了与每一个比特相对应的一组N个积码片，其中这些积码片被交错以使每一个码片帧包括每一个比特的一个独一无二的积码片，其中所得到的N个码片帧的分组被从所述发送机发送到所述接收机，该改进方法包括步骤：

(a)选择一个整数Q；

(b)选择所述整数N为比2的幂小1；

(c)选择所述整数M，使得它与QN+1，QN-1和QN+S组成的整数组里选出的整数相等，其中S是一个大于1小于N的整数，并且S与N没有公因子；

(d)在发送机和接收机处，提供一个伪随机二进制交错码序列，它有N个码片，是从包括自正交序列和近似的自正交序列的序列组里选出的；以及

(e)在发送机处，M个数据比特的每一个都与所述伪随机二进制交错码序列的所述N个码片的每一个码片顺序相乘，从而产生一个有N个码片帧的分组，每个帧包括由M个数据比特中的每一个与N个码片中的一个相应码片相乘得到的M个乘积，所述分组包括NM个积码片。

2.权利要求1所述的方法，其中所述Q被选择为1。

3.权利要求1所述的方法，其中所述伪随机二进制交错码序列是一个Gold码序列。

4.权利要求1所述的方法，还包含步骤：

(f)在接收机处，对于所接收到的N个码片帧的分组，将每一帧的M个乘积中的每一个与所述伪随机二进制交错码序列的所述N个码片的每一个码片顺序相乘，从而产生N个序列，所述N个序列的每一个包括M个数据信息。

5.权利要求4所述的方法，还包括步骤：

(g)在接收机处，累加所述N个序列中每个序列相同位置的数据信息，得到一个由M个累加数据组成的序列，该序列中的M个累加数据对应于发送机处的所述M个数据比特。

6.权利要求1所述的方法，还包括步骤：

(f)至少从发送机发送一个伪随机二进制捕获码序列至接收机。

7.权利要求6所述的方法，其中所述至少一个伪随机二进制捕获码序列是从包括自正交序列和近似自正交序列的序列组里选出来的。

8.权利要求7所述的方法，其中所述至少一个伪随机二进制捕获码序列是一个Gold码序列。

9.权利要求6所述的方法，还包括步骤：

(g)从接收机发一个确认给发送机。

10.权利要求1所述的方法，还包括步骤：

(f)在所述多个码片帧里的每一个包含一个同步帧。

11.权利要求10所述的方法，其中所述同步帧是一样的。

12.权利要求10所述的方法，其中所述每一个同步帧是从包括自正交序列和近似自正交序列的序列组里选出来的。