CN1342346A - 扩频通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种扩频通信系统是通过控制信号幅度变化从而降低对放大器等线性度的要求,因此允许使用紧凑的,低成本和节能的发射机。发送信号被分离成I－相位分量和Q－相位分量。在一个复扩频部分(301)中,通过利用乘法器(304和305)和相加器(302和303)与交替出现1和－1的序列模式一道实现扩频。从复扩频部分(301)的输出被利用分配给单独用户的伪随机序列PN(K)(X)在乘法器(306和307)中进行调制。曾被滚降滤波器(308和309)波形形成的基带信号被通过载波调制器(316)调制,然后发送到功率放大器(315),在其中被放大并通过天线(317)发送。

Description

扩频通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于直接序列扩频方案的扩频通信系统，用于例如便携式电话和移动通信系统。
背景技术
近年来，关于利用基于直接序列扩频方案的扩频技术的移动通信系统的研究与开发已经在广泛地进行。这样的通信系统包括一种全球使用并被称为cdmaOne的系统，W-CDMA系统和宽带cdmaOne(cdma2000)系统，两者均瞄准IMT-2000标准(见Tero Ojanper和RamjeePrasad，“An Overview of Air Interface Multiple Access forIMT-2000/UMTS”，IEEE Communications Magazine，September 1998.等)。其中，特别对于W-CDMA，要求使用具有小滚降比的滚降滤波器以便将所需的带宽降低到相对于片速率尽可能的小。作为用于这种方案的扩频通信系统，已提议一种与QPSK(四相移键控)组合的方法。
图1示出这种PQSK方案的扩频通信系统中一个发射机的方框图。这种扩频通信系统的发射机包括：一个复扩频部分701，用于实行对数据Di和Dq的复扩频调制，Di和Dq是该发送信号的I-相位分量(同相位分量)和Q-相位分量(正交相位分量)；滚降滤波器708和709；一个载波调制器716；一个功率放大器715和一个天线717。
复扩频部分701包括多路转换器702到705，用于通过复数序列W0和W1及相加器706和707对I-相位和Q-相位数据多路复用，每个相加器实施受W0和W1调制的I-相位和Q-相位数据的相加。
载波调制器716包括：一个正弦波发生电路710；一个相位-旋转电路713，用于将正弦波的相位旋转π/2；一个乘法器711，用于由正弦波调制已通过滚降滤波器708的数据；和一个乘法器712，用于由相位被旋转π/2的正弦波调制已通过滚降滤波器709的数据；一个相加器714，用于实施对这些已调数据段的相加。
然而，因为已通过该滚降滤波器的信号波形呈现出大的动态范围，这种类型的扩频通信系统可对功率放大器和其他电路要求高线性。
为处理此类问题，日本专利刊物Hei 7 No.312391公开了一种扩频发射机/接收机，其中将扩频和π/4移相QPSK组合使用。在这种π/4移相QPSK中，因为相继的符号的信号点的位置在相位上相互差π/4，当信号从一个信号点转移到另一个时，该包络将不穿过点“0”，所以该包络的变化被认为是小的。当把它应用到扩频方案时，可以类似地得到这种效应。
另一方面，正如在’Global CDMA II for IMT-2000 RTT SystemDescription’TTA，Korea(June17，1998)中得知，一种基于伪随机序列和Walsh序列组合的特殊扩频方案也已被提出，现在，将这种方案称为OCQPSK(正交复QPSK)，其方框图示于图2中。
用于基于这种OCQPSK方案的扩频通信系统的发射机包括：乘法器802和803，用于分别由Walsh序列W0和W2调制I-相位和Q-相位数据Di和Dq；一个复扩频部分801，用于实行复扩频调制；乘法器810和811，用于利用伪随机序列PN(k)对数据扰频；滚降滤波器812和813；一个载波调制器820；一个功率放大器819和一个天线821。
复扩频部分801包括：乘法器804到807，用于将受W0和W2调制的I-相位和Q-相位数据乘以复数序列W0和W1；和相加器808与809，每个实施受W0和W1调制的I-相位和Q-相位数据的相加。
载波调制器820包括：一个正弦波发生电路814；一个相位旋转电路817，用于将正弦波的相位旋转π/2；一个乘法器815，用于由正弦波调制已通过滚降滤波器812的数据；和一个乘法器816，用于由相位被旋转π/2的正弦波调制已通过滚降滤波器813的数据；和一个相加器818，用于实施这些已调数据段的相加。
在这种扩频通信系统中，I-相位数据Di和Q-相位数据Dq受Walsh序列W0和W2调制并被进一步通过复扩频部分801处理，在其中利用由W0和W1组成的复数序列对信号进行复扩频调制。而且，由唯一分配给该用户的伪随机序列PN(k)扰频这些输出信号。然后这些信号通过滚降滤波器并通过载波调制部分820进行处理，在其中将信号进行载波调制输出到功率放大器819。这种方法具有限制信号的相位跃迁的特点，以减少通过利用Walsh序列组成的复数序列实行扩频调制所引起的信号幅度变化。
与QPSK扩频调制相比由日本专利刊物Hei 7 No.312391公开的方法能够改进特性，然而，改进的程度并不那么大以致不能满足W-CDMA所要求的条件。
OCQPSK方案能够提供某种程度的改进，然而，还是不够好。也就是，OCQPSK不能产生足够高的改进的原因在于Q-相位数据Dq是被由W2表示的码扩频调制的，或当信号被输入到图2所示的复扩频部分801时，信号在相位上每两片改变90度。因为只有当符号的相位不改变时对相位转变的限制是有效的，对相位转变限制的效果限于两种转变之一，因此不可能获得对特性的明显改进。
因此本发明的一个目的是提供一种扩频通信系统，在其中对于放大器等线性度的要求可通过比以上方案更严格地抑制信号幅度的变化而得以降低，这样就允许使用一种紧凑的，低成本和节能的发射机。
发明的概述
为了解决以上的问题，本发明被配置如下：
本发明的第一方面是一种扩频通信系统，包括用于基于直接序列扩频方案实现扩频通信的一种发射机和接收机，其特征在于：该发射机包括：一个复扩频部分，用于将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号乘以一种类型的复数序列，这种复数序列将不引起在朝向原点的方向中的I-Q平面上信号的任何相位转变；一个乘法器，用于将来自复扩频部分的信号输出乘以在超过符号速率的速度上产生的伪随机序列；一个用于波形形成的滚降滤波器；和一个载波调制器，用于对经受波形形成的信号实施载波调制，该接收机包括：一个载波解调器，用于对接收到的信号实施载波解调；一个乘法器，用于将两种类型来自载波解调器的信号乘以在与以上相同速度产生的伪随机序列；一个复去扩频部分，用于通过将每个信号乘以复数序列来实现去扩频；和一个相位校正部分，用于实施相位校正以便抽取I-相位和Q-相位分量。
本发明的第二方面是在第一方面中所规定的扩频通信系统，其特征在于：该复扩频部分包括：一个乘法器，用于将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号乘以该复数序列；和一个相加器，用于将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号分别与被乘以复数序列的Q-相位分量信号和I-相位分量信号相加；复去扩频部分，其中复去扩频部分实现去扩频，包括：一个乘法器，用于将此信号乘以该复数序列；和一个相加器，用于将这些信号分别与乘以该复数序列的信号相加。
本发明的第三方面是在第一或第二方面中定义的扩频通信系统，其特征在于：该复数序列是一种模式，其中I-相位分量被恒定地设置为1或-1，Q-相位分量在1和-1之间交替地改变。
本发明的第四方面是在第一到第三方面的任何一方面中所规定的扩频通信系统，并还包括：一个放置在发射机前的映象电路，用于将被多路复用的发送信号映象到I-Q平面上的点。
本发明的第五方面是一种扩频通信系统，包括基于直接序列扩频方案实现扩频通信的发射机和接收机，其特征在于：该发射机包括：一个置换处理器，用于置换发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号，每两个时钟单位一次，同时将分量信号之一的符号反相；一个乘法器，用于将从复扩频部分输出的信号乘以在超过符号速率的速度上产生的伪随机序列；一个用于波形形成的滚降滤波器；和一个载波调制器，用于对经受波形形成的信号实行载波调制，该接收机包括：一个载波解调器，用于对接收到的信号实行载波解调；一个乘法器，用于将从载波解调器输出的两种类型的信号乘以在与以上相同速度产生的伪随机序列；一个倒置处理器，用于将乘以伪随机序列的信号倒置，每两个时钟单位一次，同时将在发射机上经受符号反相的分量信号的符号反相；和一个相位校正部分，用于实现相位校正以便抽取I-相位和Q-相位分量。
本发明的第六方面是在第五方面中所规定的扩频通信系统，其特征在于：倒置处理器包括：一个乘法器，用于将发送信号中分量信号之一乘以-1；和一个开关，根据交替出现的1和0的控制信号，在发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号的组合以及被乘以-1的一个分量信号和其他分量信号的组合之间发换，该倒置反相处理器包括：一个乘法器，用于将曾被乘以伪随机序列的信号乘以-1；一个开关，根据交替出现的1和0的控制信号，在曾被乘以伪随机序列的信号组合和被乘以-1的信号与被乘以另一种伪随机序列的其他信号之间的组合之间切换。
本发明的第七方面是在第五或第六方面中的规定的扩频通信系统，并还包括：一个放置在发射机以前的映象电路，用于将被多路复用的发送信号映象到I-Q平面上的点。
本发明的第八方面是在第七方面中所规定的扩频通信系统，其特征在于：该映象电路将每个信号映象到I-相位和Q-相位，如果需要的话，独立地设置I-相位或Q-相位幅度和符号速率。
本发明的第九方面，在第七方面中所规定的扩频通信系统，其特征在于：该映象电路具有映象的映象功能，当对有规则地或万一产生的信息传送请求作出响应需要分配许多数据信道时，通过利用许多正交序列从而使由于映象引起的符号速率增加，使在I-Q平面上的数据被减至最少。
附图简述
图1是示出在通常的PQSK扩频通信系统中的一种发射机的方框图；
图2示出在通常的OCQPSK扩频通信系统中的一种发射机的方框图；
图3示出依据本发明的一种扩频通信系统第一实施方案的方框图，(a)和(b)分别是发射机和接收机；
图4示出表示已通过滚降滤波器的信号幅度与时间有关的变化的特性图，(a)对于一种典型的QPSK系统，(b)对于OCQPSK系统和(c)对于第一实施方案的系统；
图5示出表示滚降滤波器输出值的瞬时值的累积概率分布特性图，(a)表示在以上系统中的峰值分布和(b)表示最小值分布；
图6是一种示出依据本发明的扩频通信系统第二实施方案的方框图；
图7示出表示依据第一和第二实施方案的信号点分配的图解说明图；和
图8是一种示出依据本发明的扩频通信系统第三实施方案的方框图。
实现本发明的最佳模式
往下，将参考附图描述本发明的实施方案。<第一实施方案>
图3是一个依据本发明的扩频通信系统第一实施方案的方框图，图3(a)和图3(b)分别表示发射机和接收机。
如图3(a)中所示，发射机包括一个复扩频部分301，用于对发送信号的I-相位和Q-相位数据Di和Dq实行复扩频调制，乘法器306和307，用于利用在速度等于或大于符号速率几倍或几百倍时产生的伪随机序列PN(k)对数据扰频，用于波形形成的滚降滤波器308和309，一个载波调制器316，一个功率放大器315和一个天线317。
复扩频部分301包括一个乘法器305，用于对I-相位数据Di乘以交替出现1和-1的复数序列，一个乘法器304，用于对Q-相位数据Dq乘以上面的复数序列，一个相加器302，用于将通过乘法器304的已调数据与I-相位数据Di相加和一个相加器303，用于将通过乘法器305的已调数据与Q-相位数据Dq相加。
从相加器302输出的数据被供给乘法器306和来自相加器303的数据被供给乘法器307。
载波调制器316包括一个正弦波发生电路312，一个相位旋转电路313，用于按伪随机序列PN(k)被产生时相同的速度将正弦波相位旋转π/2，一个乘法器310，用于利用正弦波调制已通过滚降滤波器308的数据，一个乘法器311，用于利用在相位上被旋转π/2的正弦波调制已通过滚降波器309的数据，和一个相加器314，用于实施将这些已调数据的相加。
首先，发送信号被分离成I-相位分量和Q-相位分量，并被输入复扩频部分301。在复扩频部分301中，数据被通过乘法器304和305及相加器302和303交替出现1和-1的复数序列模式扩频。因而，如果在数据中未出现变化，从复扩频部分301输出的信号在相位上连续地改变±90度。
来自复扩频部分301的输出被通过乘法器306和307分配给每个用户的伪随机序列PN(k)(X)调制。然后，信号被通过滚降滤波器308和309波形形成，使基带信号被载波调制器316调制，所得到的信号被供给功率放大器315，在其中被放大并通过天线317发送。
如图3(b)中所示，接收机包括一个天线321，一个载波解调器322，乘法器327和328，用于利用伪随机序列PN(k)(X)对信号解调，一个用于实现复去扩频的复去扩频部分329和一个相位旋转电路334，用于根据参考相位实行相位校正。
载波解调器322包括一个正弦波发生电路323，一个相位旋转电路325，用于将正弦波在相位上旋转π/2，一个乘法器324，用于利用正弦波对通过天线321接收到的信号解调，和一个乘法器326，用于利用在相位上被旋转π/2的正弦波对通过天线321接收到的信号解调。
乘法器324输出已调信号到乘法器327。
乘法器326输出已调信号到乘法器328。
复去扩频部分329包括一个乘法器333，用于将来自乘法器327的输出信号乘以复数序列，一个乘法器332，用于将来自乘法器328的信号输出乘以复数序列，一个相加器330，用于将来自乘法器332的输出信号与从乘法器327输出的信号相加，一个相加器331，用于将来自乘法器333的输出信号与从乘法器328输出的信号相加和一个积分-和-转储(dump)滤波器332和333，用于对从相加器330和331接收到的信号实施波形形成。
在接收机侧，通过载波解调器322解调以后的信号被通过乘法器327和328与X，也就是伪随机序列PN(k)相乘。然后，信号被进一步通过复去扩频部分329去扩频，根据利用引导符号等确定的参考相位信息由相位旋转电路334校正相位，从而I-相位和Q-相位信息被抽取。
在这种扩频通信系统中，数据被利用交替出现1和-1的复数序列模式扩频，替代在图2中所示的复扩频部分801以前由W0和W2实施调制，使从复扩频部分301输出的信号，只要数据是恒定的，将在相位上连续改变±90度。用这种方法，输入到复扩频部分301的信号被防止按大于符号速率的速率改变，从而相位转变限制的效果可被增强。因而，扩频信号的相位转变被限制，以便减少信号的幅度变化，这样有可能降低对放大器的线性度要求。已经通过具有滚降因数0.22的根滚降滤波器的信号幅度与时间有关的变化的一个例子示于图4中。
在图4(a)中所示的图表示被通过典型的QPSK扩频系统扩频调制，然后通过根滚降滤波器的信号幅度变化的特性曲线。作为对照，图4(c)表示利用OCQPSK方案的情形，图4(c)表示当第一实施方案被采用时幅度的变化。OCQPSK方案的幅度变化范围结果是小于QPSK方案。第一实施方案表现出更加小的变化范围，提供了改进。
图5示出滚降滤波器输出值的瞬时值累积概率分布。图5(a)表示以上系统的峰值分布和图5(b)表示最小值分布。因为本实施方案示出最低峰值和最大的最小值，应该理解，与其他的系统相比，幅度变化范围是最小的。<第二实施方案>
图6是示出依据本发明的扩频通信系统第二实施方案的方框图。这种扩频通信系统示出它的发射机，包括一个乘法器401，用于将I-相位数据Di乘以-1，和一个开关电路402，代替第一实施方案的复扩频部分301。其他的组成部分与第一实施方案中相同，所以参考数字与第一实施方案中所分配的相同。开关电路402具有被按控制信号控制的开关403和404。
将发送信号分离成I-相位和Q-相位分量，并输入到开关电路402。I-相位分量被通过乘法器401进行处理，以便连续地产生它的负相位信号，这也被供给开关电路402。
在开关电路402中的两个开关403和404被适配成依据控制信号操作。当在0和1之间交替变化的信号被作为控制信号提供时，对于偶数片输入被直接输出，对于奇数片输入Di和Dq被倒置。对于后一种情况，数据Di的符号被乘法器401反相并输入。来自开关电路402的输出在相位上相对于第一实施方案始终移相45度(见图7)。在这种情况下，如果数据中未发生变化，信号在相位上也连续地改变90度，所以可以获得与第一实施方案相同的效果。
其他的操作与第一实施方案相同。在此，接收机未示出，但开关电路被配置，以便实施发射机的逆操作，对于其他部分可以采用与第一实施方案中相同的配置。
<第三实施方案>
图8是示出依据本发明的扩频通信系统第三实施方案的方框图，其中一个映象电路被放置在图3(a)或图6中所示的发射机前。在第一和第二实施方案中，数据被作为发送数据Di和Dq分配到I-相位和Q-相位分量。然而，对于W-CDMA被指望采用的多媒体通信，为了灵活地与各种数据速率打交道，多速率传输，多种码传输等是所希望的。
图8示出一种映象电路601，用于产生平行输入数据D(0)，D(1)，D(2)，…D(N-1)的组合的符号并输入到图3(a)或图6中的发射机。
映象电路601被配置成多乘法器603到604，606到608，…，多相加器605，609，…，和用于产生正交码Cn的电路。在此，满足条件21-1＜[N/2]≤21的一个值21被确定，其中[X]表示等于或大于X的一个最小整数。
在这种条件下，从映象电路601输出的符号速率成为等于输入到映象电路601的最大符号速率的21倍。对于符号映象，可以使用随意的正交码。作为一个例子，可以使用Walsh-Hadamard序列。现在将示出一个特定的例子。D(0)被假定为一个控制信道，D(1)，D(2)和D(3)被假定为数据信道。控制信道的符号速率是片速率的1/256，数据信道是1/32。
在这种情况下，假定C0＝1，1和C1＝1，-1，所以得到映象电路601的输出如下：
Di＝D(0).C0+D(2).C1
Dq＝D(1).C0+D(3).C1
对于这种情况，用于C0和C1的钟成为等于D(1)，D(2)和D(3)的两倍。因此，一个控制信道和三个数据信道可被映象产生一个具有速度为片速率的1/16的符号。这个符号被输入到图3(a)或图6中所示的电路并被发送。用这种方法，使用这样一种映象电路有可能使一个单一发射机发送包含多段发送速率和所需质量不相同的信息，该信息可被利用一个或多个接收机解调。
依据本发明，被安排在I-Q平面上的信号(被安排在符号点上的信息符号)被利用所设计的复数序列进行扩频，以便不产生在对角线方向(朝向原点)中的相位转变，从而有可能减少在滚降滤波器以后信号的幅度变化，因此使动态范围变窄，使相当低成本，高效率的放大器能够满足关于邻道干扰的系统技术要求。作为结果，本发明有助于降低系统成本和降低功率消耗。
而且，使用一种映象电路有可能使单一发射机发送包含多段在发送速率和所需质量不相同的信息。
工业适用性
正如在此以前所描述的那样，依据本发明的扩频通信系统适用于直接序列扩频型的扩频通信系统，用于便携式电话，移动通信系统等。而且，本发明有助于发射机的小型化，功率节省和成本降低。

Claims (9)

1.一种扩频通信系统，包括基于直接序列扩频方案实行扩频通信的发射机和接收机，该发射机包括：
一个复扩频部分，用于将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号乘以一种类型的复数序列，该序列将不对朝原点方向中的I-Q平面上的信号产生任何相位转变；
一个乘法器，用于将从该复扩频部分输出的信号乘以在超过符号速率的速度上产生的伪随机序列；
一个用于波形形成的滚降滤波器；和
一个载波调制器，对经受过波形形成的信号实行载波调制，
该接收机包括：
一个载波解调器，对接收到的信号实行载波解调；
一个乘法器，用于将从载波解调器输出的两种类型的信号乘以在与以上相同的速度上产生的伪随机序列；
一个复去扩频部分，用于通过将每个信号乘以该复数序列以实现去扩频；和
一个相位校正部分，用于实现相位校正，以便抽取I-相位和Q-相位分量。
2.依据权利要求1的扩频通信系统，其中该复扩频部分包括：
一个乘法器，用于将该发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号乘以该复数序列，和
一个相加器，用于实现将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号分别与被乘以复数序列的Q-相位分量信号和I-相位分量信号相加；和
其中用于实现去扩频的该复去扩频部分，包括：
一个乘法器，用于将该信号乘以该复数序列，和
一个相加器，用于实现将该信号与乘以该复数序列的该信号分别相加。
3.依据权利要求1或2的扩频通信系统，其中该复数序列是一种模式，它的I-相位分量被恒定地设置为1或-1，Q-相位分量在1和-1之间交替地改变。
4.依据权利要求1到3中任何一项的扩频通信系统，还包括：
一种被放置在发射机前的映象电路，用于将被多路复用的发送信号映象到I-Q平面上的点。
5.一种扩频通信系统，包括用于实现基于直接序列扩频方案的扩频通信的发射机和接收机，该发射机包括：
一个倒置处理器，用于将发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号倒置，每两个时钟单位一次，同时将该分量信号之一的符号反相；
一个乘法器，用于将从复扩频部分输出的信号乘以在超过符号速率的速度上产生的伪随机序列；
一个用于波形形成的滚降滤波器；和
一个载波调制器，用于对经受过波形形成的信号实行载波调制，该接收机包括：
一个载波解调器，用于对接收到的信号实行载波解调；
一个乘法器，用于将从载波解调器输出的两种类型的信号乘以在与以上相同速度上产生的伪随机序列；
一个倒置处理器，用于将被乘以伪随机序列的I-相位分量信号倒置，每两个时钟单位一次，同时将在发射机上经受过符号反相的分量信号的符号反相；和
一个相位校正部分，用于实现相位校正，以便抽取I-相位和Q-相位分量。
6.依据权利要求5的扩频通信系统，其中该倒置处理器包括：
一个乘法器，用于将发送信号的分量信号之一乘以-1；和
一个开关，根据交替出现的1和0的控制信号，在发送信号的I-相位分量信号和Q-相位分量信号的组合和被乘以-1的一个分量信号与其他分量信号的组合之间切换，倒置反相处理器包括：
一个乘法器，用于将曾被乘以伪随机序列的信号乘以-1；
一个开关，根据交替出现的1和0的控制信号，在曾被乘以伪随机序列的信号的组合和被乘以-1的信号与被乘以另一个伪随机序列的其他信号之间的组合之间切换。
7.依据权利要求5或6的扩频通信系统，还包括：
一个被放置在发射机前的映象电路，用于将被多路复用的发送信号映象到I-Q平面上的点。
8.依据权利要求7的扩频通信系统，其中映象电路将每个信号映象到I-相位和Q-相位，如果需要的话，独立地设置I-相位或Q-相位幅度和符号速率。
9.依据权利要求7的扩频通信系统，其中映象电路具有映象的映象功能，当为了对有规则地或偶然产生的信息传送请求作出响应，需要分配大量数据信道时，通过利用大量的正交序列从而使由于映象引起的符号速率增加，将在I-Q平面上的数据减至最少。
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