CN1312624A - 直接序列扩频波形的纠偏瑞克接收机 - Google Patents

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乔治·纳尔逊
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Abstract

具有相对短的码字长度的直接序列扩频信号的室内多径WLAN的瑞克接收机的运行包括:信道匹配滤波器及码字相关器前端,另加输入码字相关分量的信号合并器。该信号合并器供有失真码字特征(功率)生成器计算的纠偏输入,并将校正值并入每个可能被传送的码字Sk的码字校正中。依据码字能量的不均匀多径失真的去偏功率分量|Sk|2来校正每个相关码字度量。信号合并器的输出被耦合给峰值检测器,把一个最短距离‘去偏’输出选作被传送码字。

Description

直接序列扩频波形的纠偏瑞克接收机
本发明一般涉及无线通信系统，比如，但不限于无线局域网(WLAN)，特别是新的和改进的利用直接序列扩频码字相关度量的匹配信道相关接收机或瑞克接收机，其中，各不同码字中的不均匀能量被校正，以便增加接收机的多径失真效应的容差度，并且不损失热噪声的强度。
在IEEE802.11委员会的建议之前，较快的(较高数据速率)无线通信产品的不断增长的需求通常是大量建议的主题。IEEE802.11委员会的建议包括频谱的2.4GHz部分的新标准的使用，其中PCC部分15.247技术规格使用能够使数据速率超过每秒10兆比特(Mbps)以太网速度的扩频技术来实施。802.11标准使用跳频(FH)或直接序列(DS)扩频(SS)技术目前只能覆盖1和2Mbps数据速率。使用扩频信号的FCC技术规格得到固有SS特性的优点，它通过降低平均发射功率谱密度使信号较少可能造成无意干扰，并经采用频谱冗余度的接收机技术使抗干扰更强。
SS接收机技术可以减少的自干扰的一种类型是多径失真。如图1所示，在室内WLAN系统内，比如图2所示的简化复杂性的实例，因多径影响造成的发射信号的功率延迟轮廓(PDF)10一般呈现按指数规律衰减的瑞利衰落特性。造成这种特性的室内传送环境的物理性质是建筑物内的数量相当大的反射物(例如，墙壁)，如在发射机站14与接收机站15之间的节点12和13上所示，以及与较长的传播路径t1、t2和t3相关联的传播损耗，其含有按对数减弱的能量。
信号的功率延迟轮廓是关于到达时间的平均信号功率。当每次到达服从瑞利分布时，信号的平均功率电平建立它的相应的瑞利分量的变量。指数衰减多径效应的逻辑解释归结于信号传播延迟ti与总传播距离成比例的事实。因此，就平均而言，最强的(遭遇最小数目的障碍物的那些)是其信号最早到达接收机的最少障碍物传送路径。
根据特定应用，多径信道的延迟传播的均方根(RMS)对小办公室和家用办公室(SOHO)环境为20纳秒至50纳秒(20-50nsec)，对于商业环境为50纳秒至100纳秒(50-100nsec)，对于工厂环境为100纳秒至200纳秒(100-200nsec)。对于指数衰落信道，(指数)衰减常数等于RMS延迟传播。
多径的出现产生通信系统的干扰。该干扰是到达接收机的具有不同时间关系、不同振幅和不同载波相位的相同信号的多次复制的结果。当多径延迟的多数小于反向信号带宽时，干扰的多数归结于不同振幅和载波相位，而不是不同信号时间特性。这种的类型多径干扰被称作“平坦”衰落，因为该信号中的所有频率都经受相同的多径效应。由于路径延迟小于码元周期，因此干扰被限制到一个码元或者主要是在码元内。与之相反的频率选择衰落发生在有效能量的路径具有大于反向信号带宽的相对延迟时。在这种情况下，干扰主要归结于信息码元间的不同时间关系，或者是通常所称的码元间干扰。存在于信号中的频率经受码元间干扰造成的不同多径效应，这种类型的干扰也被称作频率选择性衰落。
来自平坦衰落的干扰在接收机被看作信噪比的降低，并且通常不能用于军事方面，除非分集接收是有效的。然而，存在一些可有效减少频率选择性衰落影响的接收机技术。由于存在更多的对频率选择性衰落环境有效的选项，所以许多系统被设计为使基本码元周期比支持信息速率所必需的周期短的多。在频域中，短码元周期导致比支持信息速率所需的带宽大的带宽。换句话说，信息带宽已经被扩展，因而被称作扩频。在实际情况中，这导致频率分集，因此可以被认为是提供了平坦衰落环境的分集。
增加信号带宽或扩展信号可以以许多方式实现，通信系统的扩展码的设计已经是研究的课题并且已经开发多年。直接序列(DS)技术是一种典型的方法。直接序列系统使用许多代表单个信息码元的子码元或“码片”。为了解码被传送数据，优选DS接收机查找在欧几里德距离检测中“最接近”被接收数据的候选信息码元。换句话说，接收机用距被接收的序列最短距离的码元查找码元。缺少多路径时，最短距离接收机用相关接收机实现，因为当所有序列具有相同能量时相关相当于距离。在出现多路径时，相关接收机必需顾及吸引器(charmer)造成的失真。考虑到多径信道，相关接收机被改进，使其含有对信道以及对可能的码元序列的匹配。对于DS系统，可以选择扩展序列，使其具有几乎是脉冲的自相关和低互相关特性。当这种序列在一个信道匹配的相关接收机中使用时，包括多路径的各路径被相干地结合并且多路径的有害效应被减少，因为接收机利用了频率分集的优点。信道匹配相关接收机的使用通常被称作瑞克接收机。
如图3的图解图示，在信道匹配相关或瑞克接收机中，接收的(扩展)信号被耦合给码字相关器31，其输出(被显示为到达时间脉冲32-1、32-2、32-3的序列)被施加给相干多径合并器33。码字相关器31含有多个相关器，其每个相关器被配置来检测多码字集的各自不同的一个码字。相干多径合并器可以被容易地实现为信道匹配滤波器(其滤波器分接头已经借助于数据传输会话开始前的训练前置码建立)。相关多径合并器33的输出可以耦合给峰值或最大值检测器35，它可以把相干多径合并器产生的最大振幅输出选作被传送的码字。由于瑞克接收机是线性系统，因此可以颠倒信道匹配滤波器(相干多径合并器)33和码字相关器31执行的操作次序，如图4所示，其中信道匹配滤波器33被设置在码字相关器31的上游。
当多径延迟是信息码元周期(与码片周期相反)的有效的一小部分时，被接收码元的能量在所有码元上不是恒定的，而是依赖于码元扩展序列和多径信道。所以，瑞克接收机不能被认为是最佳的最小距离接收机。本发明通过为多径信道中观察的不同码元能量调整信道匹配相关接收机来增强瑞克接收机。通过把能量并入接收机判定统计量，所述的改进的瑞克接收机更接近最佳的最短距离接收机因此改善了性能。
改进的瑞克接收机基本解决了信息码元内的干扰问题。由于信息码元背对背传送，因此能够通过消除或减少来自邻近码元的干扰来实现进一步的改善。
本发明包括检测在多径信道上传送的被接收的多码片直接序列扩频码字的方法，包括以下步骤：
(a)把所述被接收的多码片直接序列扩频码字耦合给信
道匹配滤波器；
(b)用多个直接序列扩展码片的各自不同的码字对所述
信道匹配滤波器的输出执行码字相关，并校正因而产生的码字
相关度量中的所述各自不同码字的不均匀能量的成分；和
(c)根据步骤(b)的最小距离相关度量输出选择各自
被传送的码字。
本发明还包括如权利要求5所述的信道匹配相关信号处理器，其特征在于所述码字相关器单元操作地执行用于每个被接收码字的最小距离计算，和采用纠偏(bias-correction)值确定对所述检测器的最短距离计算，该纠偏值等于作为在所述的多径环境下传送结果的码字的预期功率。
采用另一种改进的信道匹配/瑞克接收机是很便利的。经过信道匹配滤波器和码字相关器由信号处理路径生成的用于每个码字(码元)的最小距离计算由一个纠偏或“去偏”值调整或校正，该纠偏或“去偏”值相当于作为多径信道上传送结果的那个码元的预期功率，而不是加入判定反馈均衡器的功能。该去偏校正基于以下事实：当多径延迟增加并成为码字周期的一个重要部分时，用于每个码字相关度量的码字功率分量值(本身)不再相同。该码字能量变化是重要的，因为瑞克接收机的最佳性能需要多码片码字集的每个码字具有与该码字集的每个其它码字相同的能量。本发明通过改进(去偏)用于经过瑞克接收机的信道匹配滤波器和码字相关器由信号处理路径所产生的每个码字的最短距离计算来解决该问题。
本发明的瑞克接收机的结构包括传统的信道匹配滤波器和码字相关器前端，加上施加码字相关分量的一个信号合并器。该信号合并器还供有由失真码字特征(功率)生成器计算的去偏输入，它操作地生成和存储一组N个码字功率校正值，这些校正值分别被注入每个可能传送的码字Sk的码字校正中。这用来通过用于码字能量不均匀多径失真的去偏功率分量｜Sk｜2来校正每个校正码字度量。信号合并器的输出被耦合给一个检测器，它选择最大的“去偏”校正输出。
通过用多径信道的有限脉冲响应卷积(convolve)数据集的N个DSSS多码片码字，可以生成码字功率校正值。信道的分接头或脉冲系数可以在数据传送开始前的前置码训练间隔其间生成。可能被传送的N个码字与被估计信道的卷积产生N个多路径失真码字“特征”的关联集。这些码字“特征”每个中的能量被计算，以生成用于失真码字特征(功率)生成器的一组N个失真码字特征功率值｜Sk｜2。通过将这些计算的失真特征功率值与接收机前端生成的码字相关分量合并，信号合并器有效地补偿了不均匀功率分量｜Sk｜2，提高了峰值检测器生成的码字判定的精度。
下面将结合附图通过实例说明本发明，在以下附图中：
图1显示了与室内WLAN系统的多径失真相关联的功率延迟轮廓；
图2用图解法示出了在发射机站与接收机站之间具有多个反射器的一个室内WLAN系统的化简复杂性的实例；
图3用图解法示出了传统的瑞克接收机；
图4示出了图3的瑞克接收机，其中信道匹配滤波器(相干多径合并器)和码字相关器执行的操作次序被颠倒；
图5示出了四个可能被传送的信号S1、S2、S3和S4以及实际接收的信号r的QPSK合成体；
图6是接收的信号功率｜r｜2和实际传送的码元/码字功率｜Sk｜2的矢量图；
图7示出了图5的QPSK合成体的多径涂抹矢量；
图8用图解法示出本发明的改进的瑞克接收机结构；
图9是码字功率校正值的生成的功能流程图；和
图10用图解法示出了上文引用的583申请中所述类型的插入DFE的信号处理结构，它并入本发明的多径信道失真码字特征功率去偏机构。
本发明属于传统的数字通信电路和关联的数字信号处理部件以及用于控制该电路和该部件的伴随的管理控制电路的模块化结构。在便于它们并入无线通信设备的现有印刷电路板的一个特定实施中，这些模块化结构可以被容易地实施为现场可编程门阵列(FPGA)-实施、应用-专用集成电路(ASIC)芯片设备、可编程数字信号处理器或通用处理器。
因此，电路和部件的这种结构的配置以及与其它通信设备接口的方式在很大程度上已经由容易理解的方框图图示在附图中。
为了理解由本发明的纠偏瑞克接收机提供的改进，首先解释对于瑞克接收机接收和处理的信号的一个多径信道的失真效应。作为一个非限制性实例，图5示出了四个可能被传送的信号S1、S2、S3和S4以及实际接收的信号r的QPSK合成体。在该复合QPSK信号空间中，当没有多径失真时，由于传送信道中存在(高斯)噪声，因此按相应的矢量距离d1、d2、d3、和d4从可能被传送的信号中分离出被接收信号r。为了确定四个可能的信号S1、S2、S3和S4中的哪个被实际传送，接收机的处理器计算距离d1、d2、d3、和d4，并选择其距离最小或最短作为被传送的信号。
相应的最短距离｜dk｜的计算可以如下所示。
｜dk｜2=｜r-Sk｜2(在这里k=0,1,2,3，用于QPSK)
在复合共轭表示法中：
｜dk｜2=(r-Sk)(r-Sk)*；
=(r-Sk)(r*-Sk *)
=｜r｜2-rSk *-r*Sk+｜Sk｜2
=｜r｜2-2Real[rSk *]+｜Sk｜2
在上述公式中，复合项的分量[rSk *]表示接收信号与相应的可能被传送的信号的相关。剩余的‘功率’项是图6的矢量图中图表表示的被接收的信号功率｜r｜2和实际接收的被传送码元/码字功率｜Sk｜2。为了生成一个‘选择最大’的相关度量，距离公式的反向型被表示如下：
｜dk｜2=-｜r｜2+2Real[rSk *]-｜Sk｜2
由于被接收的信号功率分量-｜r｜2对于所有被接收的码字是相同的，因此它可以且通常被删除，从而减少了对2Real｜rSk *｜-｜Sk｜2的最短距离计算。此外，它是瑞克接收机忽略功率或能量分量｜Sk｜2的通常做法，所以什么样的码字被实际传送的确定可以仅基于数值相关分量2Real｜rSk *｜。
然而，在多径环境中，当一个最早到达(直接路径)信号也许被一个或多个反射波伴随时，如结合图1和图2的上述说明那样，信号空间可能被“涂抹”，如用于图5的QPSK空间实例的图7所示。当多径延迟增加并成为码字周期的重要部分时，每个码字相关度量的功率分量｜Sk｜2的值不再相同。该码字能量变化是重要的，因为如上所述，瑞克接收机的最佳性能要求N个多码片码字的集的每个码字具有与该集的每个其它码字相同的能量。
如上指出的那样，本发明通过改进(去偏或纠偏)经过瑞克接收机的信道匹配滤波器和码字相关器由信号处理路径所生成的每个码元(码字)的最短距离计算来解决该问题。具体地说，本发明是用等于多径信道上被传送的结果的那个码元的预期功率的‘去偏’值来操作地调整对最大振幅检测操作的最短距离计算输入。
该改进的瑞克接收机结构在图8中示出，包括：含有信道匹配滤波器81和码字相关器82的传统的瑞克接收机前端80，另加一个信号合并器(加法单元)83，接收机前端生成的码字相关分量2Real[rSk *]输入给信号合并器83。信号合并器83还供有失真码字特征(功率)生成器84计算的去偏的输入。如下面结合图9的详细说明，生成器84操作地生成和存储一组N个码字功率值｜Sk｜2(K=1,2,3…,N)，它们分别注入上述的用于每个可能被传送的码字Sk的码字相关，从而用对码字能量的不均匀多径失真进行校正的去偏功率分量｜Sk｜2校正每个相关码字度量。信号合并器83的输出被耦合给峰值检测器85，它把最大‘去偏’输出选作被传送的码字。
如图9的功率流程图所示，其中存储了有效数据集的N个(例如，64)DSSS多码片码字的码字表91的相应码字引入线的每个在92上被存取并且与多径信道的有限脉冲响应的基于滤波器的估计、数据传送开始前实施的前置码训练间隔期间已经生成的分接头或加权系数进行卷积。可能被传送的N个码字的每一个与被估计的信道的卷积产生被存储在一个失真特征表93中的N个多径失真码字‘特征’的关联集。需要说明的是尽管N个DSSS码字的每一个可以用附加相位信息进行M-ary(例如，QPSK)编码，但只有实数分量是确定功率所需的。因此，对于256个可能被传送的码字相位组合的当前实例，只考虑六十四个基本码字码片。
这些码字‘特征’的每个中的能量随后在94上计算，以产生用于失真码字特征(功率)生成器84的N个失真码字特征功率值｜Sk｜2的一个集。通过将这些计算的失真特征功率值与接收机前端生成的码字相关分量2Real[rSk *]合并，信号合并器83有效地补偿不均匀功率分量｜Sk｜2，从而提高了由峰值检测器85生成的码字判定的精度。
图10示出了上述583申请中所述类型的DFE嵌入式信号处理结构，它并入了本发明的多径信道失真码字特征功率去偏机构。如图所示，瑞克接收机的信道匹配滤波器101的输出经一组DFE前馈分接头102耦合到差分合并器110的第一输入端111。对于有效信号处理，DFE的信道匹配滤波器101和前馈分接头部分102可以被实施为‘白噪声化’匹配滤波器。
差分合并器110具有一个第二输入端112，它被耦合以接收通过估计信道脉冲响应而产生的代表回波的后置指针(post-cursor)。差分合并器110的输出端113代表一个被接收码字的‘清除’拷贝，它耦合到上述的操作本发明的去偏机构的码字相关器120。码字相关器120的去偏输出被耦合到码字判定操作器125，码字判定操作器125将最大相关输出选作实际被传送的码字。
假定该码字判定由操作器125得出，则在被传送码字合成器130中合成码片内容复制品和根据传送码字判定的相位信息。该合成的码字随后用FIR滤波器140中实施的信道脉冲响应的一个估计进行卷积，以便产生信道匹配滤波器101所接收的信号中的后置指针多径回波的一个代表。通过把该后置指针回波应用于差分变换器110，信道滤波器101输出中的总ISI作用被有效地从码字相关器120的输入中消除。如583申请所述，FIR滤波器140中合成的信道脉冲响应的估计没有码字长度限制；它覆盖了由信道匹配滤波器101接收的信号中的整个后置指针多径回波，无论它是否交叉一个或多个码字边界。
如从前述说明中所理解的那样，在本发明的信道匹配/瑞克接收机中，对经过信道匹配滤波器和码字相关器由信号处理路径所生成的每个码字的最短距离计算用一个纠偏值来校正，该纠偏值相当于作为多径信道上传送的一个结果的那个码元的预期功率，以便校正各个不同码字中的不均匀能量，从而增加接收机对多径失真效应的容差度，而且不损失热噪声的强度。
应用于具有相对短的码字长度的直接序列扩频信号的室内多径WLAN的瑞克接收机的性能包括：一个信道匹配滤波器及码字相关器前端，另加一个码字相关分量被施加的信号合并器。该信号合并器被供应由失真码字特征(功率)生成器计算的纠偏输入，该生成器操作地生成和存储一组N个码字功率校正值。信号合并器将校正值并入用于每个可能被传送的码字Sk的码字校正中。这一切用来用码字能量的不均匀多径失真的去偏功率分量｜Sk｜2来校正每个相关码字度量。信号合并器的输出被耦合给一个峰值检测器，把一个最短距离‘去偏’输出选作被传送码字。

Claims (8)

1．一种包括检测在一个多径信道上已经传送的被接收的多码片直接序列扩频码字的方法，包括以下步骤：
(a)把所述被接收的多码片直接序列扩频码字耦合到信道匹配滤波器；
(b)用多个直接序列扩展码片的各个不同的码字对所述信道匹配滤波器的输出执行码字相关，并校正因而产生的码字相关度量中的所述各自不同码字的不均匀能量的成分；和
(c)根据步骤(b)的最小距离相关度量输出来选择各个被传送的码字。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)包括执行对于每个被接收码字的最短距离计算，并根据一个纠偏值确定对于步骤(c)的最短距离计算，所述的纠偏值等于作为在所述的多径信道上传送结果的那个码字的预期功率。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)包括把一组N个码字功率值｜Sk｜2(K=1,2,3…,N)，的相应的几个并入用于每个可能被传送的码字Sk的所述码字相关中，并用用于码字能量的不均匀多径失真的一个纠偏功率分量｜Sk｜2校正所述每个相关码字度量。
4．根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(b)包括用所述多径信道的有限脉冲响应滤波器估计卷积N个DSSS多码片码字，以产生N个多径失真码字特征，并计算每个所述多径失真码字特征中的能量，以生成所述N个失真码字特征功率值｜Sk｜2的所述组。
5．一种可以在多径环境中使用的直接序列扩频接收机的信道匹配相关信号处理器，其特征在于一个应用多个直接序列扩频码片的被接收码字的信道匹配滤波器；一个码字相关器单元，在一个信号处理路径中耦接所述的信道匹配滤波器，可操作地执行对于多个直接序列扩展码片的各个不同码字的所述被接收码字进行码字校正，并被配置为校正所产生的码字校正度量中所述各个不同码字的不均匀能量的成分，使一个可操作的检测器根据从所述码字相关器单元输出的一个最短距离相关度量选择一个分别传送的码字。
6．根据权利要求5所述的信道匹配相关信号处理器，其特征在于所述的码字相关器单元可操作地执行对于每个被接收码字的最短距离计算，并依据一个纠偏值确定到所述检测器的最短距离计算，所述的纠偏值等于作为在所述的多径信道上传送结果的那个码字的预期功率。
7．根据权利要求5所述的信道匹配相关信号处理器，其特征在于所述码字相关器单元可操作地使用一组N个码字功率值｜Sk｜2(K=1,2,3…,N)，这些功率值分别与用于每个可能被传送的码字Sk的所述码字相关相结合，从而依据校正码字能量的不均匀多径失真的一个纠偏功率分量｜Sk｜2来校正每个相关码字度量。
8．一种可用于多径信道的直接序列扩频接收机的信道匹配相关信号处理器，其特征在于一个信道匹配滤波器，与一个判定反馈均衡器的前馈分接头相连接；一个差分合并器，它差分地合并所述前馈分接头的输出和由所述多径信道脉冲响应的一个有限响应滤波器估计所产生的代表回波的后置指针；一个码字相关器，用多个直接序列扩展码片的各个不同码字操作地执行对被接收的多码片直接序列扩频码字的码字相关，并被配置来校正在产生的码字相关度量中的所述各个不同码字的不均匀能量的成分，使一个可操作的码字判定操作器把所述码字相关器的一个被选择输出检测为实际被传送的码字；一个码字合成器，它操作地生成码片内容的复制品和所述实际被传送码字的相位信息；一个被配置来合成所述多径信道脉冲一个估计的有限脉冲响应滤波器，该估计耦合给所述的码字合成器以产生所述的代表回波的后置指针。
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