CN1317845C - 跟踪信号路径的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种恢复取样时间的信号路径跟踪方法与系统。在数字通信系统中，接收器需要一符号取样器与一匹配滤波器，才可将模拟信号数字化。符号取样器会按照在前设定的目前取样时间点，对接收信号抽取准时样本。本发明提供一种改进接收器与接收信号之间同步的方法，利用比较目前取样时间点与最大信号强度的时间点，定时恢复其同步性。时间差额的移动平均被用作估计未来取样时间点的预期错误值。时间配置会依照预期错误值调整，以产生准确的未来取样时间点给之后的符号取样，因而恢复应有的同步性。

Description

跟踪信号路径的方法与系统

技术领域

本发明涉及在一通信系统中取样时间的同步性的恢复(symbol timingrecovery)，特别涉及一种利用跟踪信号路径(signal path tracking)用以恢复接收器与接收信号之间同步性的方法与装置。

背景技术

在数字通信系统中，接收到的数字信号会于特定的时间点取样检验，以检测信号所载的符号(symbol)。取样程序以一在前预定的取样率对接收到的信号进行取样，而信号中的每一个符号可以被取出多个样本。取样程序也包括为每一个符号取出一个准时样本(on-time sample)。这些准时样本是用来鉴定所接收到信号所载的符号。而取出这些准时样本的最佳时间，是在每一个符号传输期间中信号噪声比(Signal to Noise Ration；SNR)最大的时候。在数字接收系统中，通常会使用匹配滤波器在每一个符号传输期间产生一个最大的信号强度，以帮助降低噪声的干扰。而接收器需要与所接收的信号同步，才可以在最大信号强度时产生准时样本。可是由于接收器的参考时钟的准确度及稳定性不可能为理想的，况且传输通道的状况也不可能为固定的，接收器与接收信号的同步性必须不断地被维持。在最大信号强度时取出准时样本是非常重要的，因为就算是很小的一个时间偏移也可能在之后接收程序中造成极大的错误。

由此可见，接收器必须具备恢复取样时间的功能，用来跟踪所接收的信号，以随时检测每一个符号传输中最大信号强度的时间点。恢复取样时间的功能模块利用跟踪信号路径来保持同步性，并定期的调整接收器内取样的时间配置(timing scheme)。

图1为如前所述的数字接收系统的方块图。接收器利用天线102接收无线信息。解调器(demodulator)104从天线102接受信号，并使用与发射器相同的频率，以解调所接收到的信号。信号经过传输信道后相位可能会被少许的偏移，因此数字接收系统通常使用载波恢复模块(carrier recover block)106，以移除信号相位的偏移量。载波恢复模块106通常用一锁相回路(Phase LockLoop；PLL)来实现。接着，匹配滤波器(match filter)108会接收来自解调器104的信号。匹配滤波器108，被设计用来匹配接收信号的形状，其转移函数(transfer function)随着接收的信号改变，以便在每个符号周期间产生一个最大的SNR。符号取样器(symbol sampler)110从匹配过滤器108接收并取样已被匹配的信号。恢复取样时间模块(symbol timing recovery)112会检查并控制取样的时间。从符号取样器110出来的数据随后会被用在量化与对照模块(quantization & unmapping)114中。

常见的恢复取样时间模块112通常为延迟锁定回路(Delay Lock Look；DLL)。图2显示延迟锁定回路及符号取样器的简单方块图。符号取样器202依据在前设定的速度对接收信号取样，并且系统会决定每一个符号要取多少个样本。符号取样器202系依据取样的时间配置取出准时样本。延迟锁定回路随即检查该准时样本的正确度，将一个在后样本(较晚样本)208减去在前样本(较早样本)206。在完美的情况下，如果准时样本为匹配滤波器输出的最大值时，较早样本与较晚样本的信号强度会相同。由于两个样本完全一样的机率很小，较早样本与较晚样本的差距会分别与准时样本的值相乘，并会累加。当累加的值超过一个界定值，便可判定符号取样器202没有在可接受的时间范围内取出准时样本，也就是取样的时间配置需要被调整。偏移决定(offsetdecision)模块204于是调整取样的时间配置，以找出更准确的取样时间，对下一个符号进行取样。延迟锁定回路系统会持续做这样的检测与调整，因此如果取样的时间开始与信号不为同步时，系统会在几次试验后将取样的时间恢复到最大信号强度的时间点。

不过这样的延迟锁定回路系统虽然可以在跟踪单一信号时恢复取样时间，在聚集成群的信号路径(clustered signal paths)的环境下，该延迟锁定回路系统就变得不那么可靠了，因为较早样本与较晚样本会严重地被其它信号干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就在于提供一种利用跟踪信号路径，以恢复取样时间的方法。

本发明的另一目的在于提一种供恢复取样时间的方法，适用于聚集成群的信号路径的环境中。

为达成上述目的，本发明提供一种恢复取样时间的跟踪信号路径的方法与系统。跟踪信号路径系统包括符号取样器，依照取样的时间配置对接收信号进行取样。符号取样器对接收信号以在前设立的取样率取样，并对每一个符号取固定数量的样本。符号取样器更会于每一个符号传输期间内，决定一个目前取样时间点，用来取样目前符号而取得准时样本。峰值检测器从符号取样器接收到样本，并将传输目前符号的期间取出最大信号强度的时间点输出。峰值检测器利用检测每一个符号传输期间最大SNR的样本，来决定每个符号的最大信号强度的时间点，并将对应该时间点的样本输出为最佳时间点。

符号取样器决定的目前取样时间点与峰值检测器判断的最佳时间点为错误检测器的输入。错误检测器通过计算这两个输入的时间差额，并将此时间差额滤波而取得一个移动平均错误值，最后将此移动平均错误值积分，即可得到一个预期错误值。错误检测器输出此预期错误值至路径跟踪器，用来估计取样接下来符号的未来取样时间点。路径跟踪器接着会将未来取样时间点传回符号取样器，以调整取样的时间配置，因而恢复接收器的取样时间。

为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为数字接收系统的方块图；

图2为恢复取样时间的延迟锁定回路(DLL)的方块图；

图3为本发明的信号路径跟踪系统第一实施例的方块图；

图4为取样信号的信号强度对时间的图表；

图5A为图3中错误检测器的简单方块图；

图5B为错误检测器的逻辑电路图；

图6为本发明的信号路径跟踪系统第二实施例的方块图；

图7为第二实施例的信号路径跟踪方法的流程图；

图8为依照第二实施例跟踪信号路径的范例的图表；

图9A显示仿真跟踪静态信号的结果；

图9B显示仿真跟踪动态信号的结果；

图10A显示跟踪图9A的静态信号的移动平均错误值；

图10B显示跟踪图9B的动态信号的移动平均错误值；

图11显示仿真跟踪两个动态信号的结果；

图12显示跟踪图11的两个动态信号的移动平均错误值。

其中，附图标记说明：

102--天线；

104--解调器；

106--载波恢复模块；

108--匹配滤波器；

110--符号取样器；

112--恢复取样时间模块；

114--量化与对照模块；

202--符号取样器；

204--偏移决定模块；

206--较早样本；

208--较晚样本；

30--信号路径跟踪系统；

300--匹配滤波器；

302--符号取样器；

304--峰值检测器；

306--错误值检测器；

308--路径跟踪器；

310、318--目前取样时间点；

314--最佳时间点；

316--预期错误值；

402a--402d--目前取样时间点；

404a--404d--最佳时间点；

500--比较器；

501、503--平均电路；

502--回路滤波器；

504--积分器；

506--N个目前取样时间点的平均；

508--N个最佳时间点的平均；

510--时间差额；

512--移动平均错误值；

602--路径搜寻器；

604--路径分配器；

606a--606d--移动错误值检测器；

608a--608d--路径移动跟踪器。

具体实施方式

图3为本发明所公开的信号路径跟踪系统第一实施例的方块图。本发明的信号路径跟踪系统可用来代替传统的延迟锁定回路(DLL)电路。其中，信号路径跟踪系统30的目的在于调整符号取样器302的时间配置(time scheme)，让符号取样器302取出准时样本(on-time samples)的时间为最佳时间点。符号取样器302将匹配滤波器300的输出按照在前设定的取样率取得样本。取样率是依据接收信号的频率，以取样出所想要每一符号的样本数目。图4中，信号对时间的坐标图中显示出，信号被以每一符号取八个样本的取样率来取样。如在前所述，匹配滤波器300会在每一个符号传输期间产生一个峰值信号(peaksignal)，也就是取样时最佳时间点。符号取样器依据时间配置取得每一个符号的准时样本，这些准时样本在接下来的接收过程中会用来判断接收信号所载的符号，因此准时样本必须有很高的准确度，才可检测出接收信号所载的原始符号。而在最佳时间点取得准时样本是增加准确度的有效方法。

第一实施例

如图3所示，峰值检测器(peak detector)304判断各符号传输时间中最强信号的时间，也就是最佳时间点314，由错误检测器306所接收。错误检测器306也同时接收路径跟踪器传来的目前取样时间点310。目前取样时间点318已由错误检测器矫正过，并且符号取样器302会依据这个目前取样时间点318更新符号取样器302的时间配置。这些功能模块在下面会有详细的解释。

图4中目前取样时间点402a 402d对应到图3的符号取样器302取得各符号的准时样本的取样时间。图4中，目前取样时间点402a--402d与每个符号的第五个样本对齐。在取得一个准时样本后，符号取样器302便在八个样本后，再次取得下一个符号的准时样本。

因为信道的不完美、来自其它信号的干扰、或任何可能的原因，会造成接收器的时间配置在一段时间后，很难再与接收信号同步。因此接收器必须执行信号路径跟踪，定期的调整时间配置，以恢复应有的同步性。图4的范例显示，虽然最大振幅应是在目前取样时间点402a--402d可被取样取得，真正的最大振幅却发生在不一定与目前取样时间点对齐的404a--404d，这些时间在此被称为最佳时间点。在图4中，最佳时间点404c与404d对应着符号的第四个样本，与目前取样时间点402c与402d所对应的第五个样本不同。在此范例中，各符号的最大振幅渐渐由第五个样本移到第四个样本，这意味着接收器取得准时样本的时间需要被调整到与接收信号中各符号的最大振幅同步。取样时间恢复系统需要定时的更改时间配置，以及时跟踪之后符号的最佳时间点。图3中峰值检测器304从符号取样器接收样本，并随即检测每一个符号的最大信号强度的时间(最佳时间点314)。错误检测器306每隔N个符号进行一次错误检测。错误检测器306从峰值检测器接收N个最佳时间点314，以及从路径跟踪器(path tracker)308接收N个目前取样时间点310。

图5A为错误检测器306中功能模块的简易方块图。图5B则是图5A中三个功能模块较详细的逻辑电路图。如果N个符号被安置在一组(slot)之中，而且在接收到一完整的符号组(a complete slot of symbols)后，错误检测器会开始计算输出信号。当错误检测器处理第K组(slot K)符号时，必须接收依照时间配置所产生的N个目前取样时间点Xreal(n)310，这N个目前取样时间点是用来对第K组(slot K)符号进行取样的。错误检测器并且接收利用第K组里各符号所检测到的最大信号强度找到的N个最佳时间点Xopt(n)314，其中，n＝1--N。首先，通过平均第K组的N个Xreal 310得到一个平均取样时间XRk，以及利用相同方法得到一个平均最佳时间XOk，计算公式如下：

$X{R}_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{real}}\left(n\right)/N---\left(1\right)$

$X{O}_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{opt}}\left(n\right)/N---\left(2\right)$

这些平均数XRk 506与XOk 508是利用两个平均电路(averagecircuit)501与503运算的。XRk 506与XOk 508于是被传到比较器(comparator)500，执行下面运算。

        E_k＝XR_k-XO_k              ---------  (3)

两个输入506与508的差额为错误值(即时间差额)Ek 510，表示目前准时样本抽取时间的有效性。路径跟踪系统的目的就是尽量缩小以后符号组所算出来的这个差额510。回路滤波器(loop filter)502接收Ek 510并将在前的至少一组符号算出的错误值(例如Ek-1)储存起来。通过外推算法(extrapolation algorithm)的方法或其它类似的数学估计算法，Ek与Ek-1可于接收完第k+1组符号后，推算预期错误值EEk+1，或推算移动平均错误值eek+1分配在第k+1组(slot K+1)的各符号中。之前所述的外推算法方法可以利用回路滤波器502执行如第(4)公式显示的卷积(convolution)。

 ee_k+1＝EE_k+1/N＝(E_k，E_k-1，E_k-2，…)F(s)   ------- (4)

其中F(s)代表含有系数的一个回路滤波器。如图5B所示，回路滤波器502有两个卷积(convolution)运算电路与一个延迟缓存器(delay register)，用来累加在前的值，并计算出移动平均错误值eek+1512。eek+1 512显示输入510改变的平均速率。预期错误值EEk+1或移动平均错误值eek+1将被用来调整时间配置，因而将下一组(第k+1组)的错误值Ek+1缩至最小。在运算下一组中，调整过时间配置后，从被调整的时间配置算出来的目前取样时间点将与没有调整的时间配置所算出的Xreal(n)有n*eek+1的差距。

$x_{\mathrm{real}}\left(n\right)=\mathrm{init}\_\mathrm{addr}-{\∫\mathrm{ee}}_{k+1}\mathrm{dt}=\mathrm{init}\_\mathrm{addr}-n*{\mathrm{EE}}_{k+1}/N---\left(5\right)$

第(5)公式中，init_addr代表第k+1组(slot k+1)符号利用尚未被调整的时间配置算出的Xreal(n)。图5A中的回路滤波器502将移动平均错误值512传到积分器504。积分器504依据移动平均错误值512计算预期错误值316，用来修正给之后N个符号的未来取样时间点。

图3中，如前所述，用来估计将来N个符号的取样时间点的预期错误值316为路径跟踪器308的输入。路径跟踪器308依据预期错误值316计算目前取样时间点310及318。符号取样器302接收取样时间点318为恢复取样时间的反馈(feedback)。这样的反馈动作调整符号取样器302的时间配置，因此恢复接收器与接收信号之间的同步性。

第二实施例

图6为本发明的信号路径跟踪系统的第二实施例的方块图。第二实施例适用于应用在CDMA系统中的RAKE接收器。取代原本的单一信号，本实施例适用于一聚集成群的信号(a cluster of signal)，该聚集成群的信号会被接收器的匹配滤波器300所接收。匹配滤波器300于是将匹配信号输出至符号取样器302。第二实施例中的匹配滤波器300与符号取样器跟第一实施例的匹配滤波器300与符号取样器完全相同。符号取样器302的输出连接至路径搜寻器(pathsearcher)602的输入。路径搜寻器602判断取样信号，并将取样信号转送至路径分配器(path assignment)604。路径分配器604的功能类似多任务器，会分辨区别取样信号，并将在前决定的K组信号路径各自分配到一个对应的移动错误值检测器(moving error detector)606(在RAKE接收器中被称作“手指”(finger))。图6显示接收四个独立信号路径(K＝4)的范例，因此这个实施例中会使用到四个移动错误值检测器606a、606b、606c、606d、与四个路径移动跟踪器(path moving tracker)608a、608b、608c、608d。图7为描述移动错误值检测器606与路径移动跟踪器608所执行的程序的流程图。每一个移动错误值检测器606会先将从路径分配器604传来的信号路径的N个数据平均，以得到一个平均路径Av_addr(步骤71)。计算估计路径IP_addr与平均路径Av_addr的差值eerror(步骤72)。移动错误值检测器606接着先将平均路径Av_addr与估计路径IP_addr的差值eerror滤波，得到移动平均错误值Eerror(步骤73)。每一个移动错误值检测器606将平均移动错误值Eerror与一个初始路径Init_add0传至一对应的路径移动跟踪器608。每一个路径移动跟踪器608将平均移动错误值Eerror积分，算出积分错误值IEerror(步骤74)，并利用对应的积分错误值IEerror调整(增加或减少)初始路径Init_add0，便可获得估计路径IP_addr(步骤75)，搜集下一组信号路径的N个数据(步骤76)，重复上述步骤。

图8为依照本发明第二实施例的信号路径跟踪器的图表。图表的横向坐标为时间轴。估计路径IP_addr是计算来跟踪信号路径Xreal的。平均路径Av_addr在每一组符号中显示为一条横线，是用来计算下一组符号的估计路径IP_addr的。而平均路径Av_addr与估计路径IP_addr之间的差值就是之前提到的差值eerror。可是在实际运作上，信号路径Xreal与估计路径IP_addr其实还是会有一个偏移植Xoffset。这个偏移植可以因为增加硬件的复杂度与增加中央处理器的运算速度而被减少。

图9A、图9B、图10A、10B、图11和图12为信号跟踪的仿真结果，仿真是以符号速率3.84MHz以及取样率为四倍的符号速率(即15.36MHz)进行的。图9A中，曲线(1)代表一取样过的静态信号样本，曲线(2)代表利用本发明的信号跟踪方法计算对应该静态信号的估计路径(IP_addr)，而曲线(3)则是代表静态信号的真实路径(Xreal)。图9B中，曲线(1)代表一取样过的动态信号样本，曲线(2)代表利用本发明的信号跟踪方法计算对应该动态信号的估计路径(IP_addr)，而曲线(3)则是代表动态信号的真实路径(Xreal)。该动态信号的平均移动错误值为7百万分之一(parts permillion；ppm)。图10A的曲线显示图9A中静态信号通过本发明方法算出的平均移动错误值Eerror，而图10B的曲线则显示图9B中动态信号通过本发明方法算出的平均移动错误值Eerror。

图11与图12的模拟结果证明本发明的信号跟踪方法也有能力跟踪聚集成群的信号路径。在图11中，曲线(1)代表两个取样过的动态信号(路径1与路径2)样本，曲线(2)代表利用本发明的信号跟踪方法计算对应这两个动态信号的估计路径(IP_addr)，而曲线(3)则是代表这两个动态信号(路径1与路径2)的真实路径(Xreal)。这两个动态信号(路径1与路径2)的平均移动错误值为7ppm，而两个动态信号路径只相隔了两个样本的时间差额。图12的曲线显示图11中两个动态信号通过本发明方法算出的平均移动错误值Eerror。

本发明提供一种信号路径跟踪方法，利用外推算法，也就是以两个以上的真实数据估计下一个数据值，以恢复接收器中取样时间的准确度。与常见的DLL系统比较，本发明的恢复取样时间系统检测取得准时样本的最佳时间点，并与目前取样时间点相比较。系统接着会依据时间差额的移动平均错误值，调整时间配置，以准确的对接下来的符号取样。反观DLL系统，利用比较准时样本的一个较早样本与一个较晚样本，算出时间的误差值，如果此误差值超过在前设定的临界值，就利用调整时间配置使得较早与较晚样本接近相同。

本发明公开的方法有能力在复杂的信道上，例如CDMA信道，跟踪聚集成群的信号路径。本发明的信号跟踪系统因此可被应用在接收CDMA信号的RAKE接收器中。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与修改，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种在一接收器中恢复取样时间的信号路径跟踪方法，包括以下步骤：

按照一时间配置对一接收信号取样，提供多个目前取样时间点，以产生多个目前符号；

检测取样该接收信号成为该目前符号的多个最佳时间点；

利用该多个目前取样时间点与该多个最佳时间点，计算一预期错误值；以及

调整该时间配置，以按照该预期错误值产生给之后N个符号的未来取样时间点，因此恢复该接收器的取样时间。

2.如权利要求1所述的信号路径跟踪方法，其特征在于，计算该预期错误值还包括：

将该多个目前取样时间点的平均值与该多个最佳时间点的平均值相比较，算出时间差额；

将该时间差额和先前的至少一组时间差额滤波，以获得一移动平均错误值；以及

将该移动平均错误值积分，以获得该预期错误值。

3.如权利要求2所述的信号路径跟踪方法，其特征在于，将该时间差额滤波还包括将该时间差额卷积并累加。

4.如权利要求1所述的信号路径跟踪方法，其特征在于，取样该接收信号的该最佳时间点，对应各符号传输期间中一最大信号强度的取样时间。

5.如权利要求1所述的信号路径跟踪方法，其特征在于，计算该预期错误值会于接收完每N个符号后进行，并且用来计算该预期错误值的该目前取样时间点与该最佳时间点分别取该N个目前取样时间点与最佳时间点的平均值。

6.如权利要求1所述的信号路径跟踪方法，其特征在于，取样该接收信号的该时间配置会被调整，以持续将一取样时钟边缘变迁的时间，与利用一在前符号的该预期错误值算出一最佳取样时间点对齐。

7.一种在一接收器中恢复取样时间的信号路径跟踪系统，包括：

一符号取样器，按照一时间配置将一接收信号在多个目前取样时间点进行取样；

一峰值检测器，耦接到该符号取样器，检测取样该接收信号的多个最佳时间点；

一错误值检测器，耦接到该峰值检测器，利用该峰值检测器检测的该多个最佳时间点与该符号取样器的该多个目前取样时间点，计算出一预期错误值；以及

一路径跟踪器，耦接到该错误值检测器和该符号取样器，计算之后N个符号的未来取样时间点，并提供该未来取样时间点至该符号取样器，以调整该时间配置。

8.如权利要求7所述的信号路径跟踪系统，其特征在于，该错误值检测器还包括：

一比较器，将该符号取样器的该多个目前取样时间点的平均值与由峰值检测器检测到的该多个最佳时间点的平均值相比较，算出时间差额；

一回路滤波器，将从该比较器传来的该时间差额和先前的至少一组时间差额滤波，得到一移动平均错误值；以及

一积分器，连接于该回路滤波器，并将该移动平均错误值积分，得到一预期错误值。

9.如权利要求7所述的信号路径跟踪系统，其特征在于，取样该接收信号的该最佳时间点，对应各符号传输期间中一最大信号强度的取样时间。

10.如权利要求7所述的信号路径跟踪系统，其特征在于，该错误值检测器计算该预期错误值的程序，会于接收完每N个符号后进行，以及用来计算该预期错误值的该目前取样时间点与该最佳时间点分别取该N个目前取样时间点与最佳时间点的平均值。

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