CN1384635A - 生成伪噪声状态的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用时钟信号生成所需先前伪噪声状态的装置和方法。特别是,该装置包括伪噪声码发生器,用于生成由从N个移位寄存器每一端输出的当前伪噪声状态值构成的当前伪噪声状态;扩展伪噪声码发生器,用于使用当前状态值生成移位寄存器的N－1个先前状态值;以及通过使用伪噪声掩码值对当前状态值和N－1个先前状态值进行运算而输出时移伪噪声状态的装置,因此,大大缩短了生成先前伪噪声状态所需的时间。

Description

生成伪噪声状态的装置和方法

技术领域

本发明一般涉及在移动通信系统中生成伪噪声(PN)码状态的装置，特别是涉及生成时移伪噪声状态的装置和方法。

因此，本发明能够生成当前伪噪声状态和先前伪噪声状态，可应用于直接序列扩频(DS-SS)系统或者跳频扩频(FH-SS)系统中。

背景技术

尽管使码分多址(CDMA)数字移动电话系统商业化的技术在最近才发展起来，但是，早在二十世纪五十年代，就已经建立了CDMA理论，并且用于军事通信。特别是，在军事通信中，防窃听是非常重要的。相比于其它技术，作为CDMA技术基础的扩频对于军方避免任何形式的窃听而言是一个很大的帮助。

同时，美国的Qualcomm公司找到了将频率扩频应用到主要应用于军事通信的CDMA技术中的方法。由于新近发展的CDMA技术，多个用户能够分享时间和频率，以互相收发信号。

换言之，不是通过频率或者时间而是通过密码来区分使用CDMA的各个用户，而所有的用户共享同样的频段。对于终端和基站来说CDMA中的码是知道，且该码为所说的伪噪声码或扩展码。

由TIA在1993年批准的CDMA遵从IS-95规范，且每一个载波为1.25MHz的波段。一般来讲，CDMA使用扩频方法，这意味着用于传输的信息与其初始信号相比，被扩展到更宽的波段。例如，9600bps的信号被扩展到1.25Mbps，此处，扩展装置将另一个伪噪声码加到原始信号上。接收端把与发送端相同的PN码应用于1.25Mbps的扩展信号，以恢复9600bps的原始信号。因此，由于CDMA方法将信号扩展到宽波段，扩展后的信号就像噪声层(noise floor)，且如果接收端不知道扩展时用的PN码，就不可能进行信号的解调，使得很难进行窃听。

如上所述，CDMA基于扩频通信方法，由于其需要非常复杂的装置，且尤其在传输过程中其功率控制非常困难，所以不能用于民用，先进电子技术的发展使得将CDMA应用到移动通信系统成为可能。

在普通的数字通信中，通过数字调制如相移键控(PSK)或者频移键控(FSK)方法进行数据的传输。然而，在扩频通信中，将数字调制信号乘以高速扩展码，以将频率带宽扩展为宽带，然后传输信号。同时，在接收端，将信号乘以与用在发送端一样的高速扩展码，在对信号进行解调之前，进行使频率的带宽还原到窄带的解扩处理。

当前使用的CDMA方法将具有10KHZ带宽的原始信号扩展为1.25MHZ带宽，而此扩展信号也被相同地扩展到宽频带，与初始信号相比，削弱了信号的强度。因此，要接收此扩展信号，必须对整个频带进行检查，以识别信号存在，此处理有相当的难度。即，在传输信号减弱时，其对其它信号的干扰相应就小，从而增加了安全可靠性。同样，尽管扩展到宽频带的信号会在无线电路径中干扰或者产生噪音，但对于宽频带而言其影响是很小的，其强度也相当弱，因此，可以极大地提高语音质量。由于这些优点，全球的许多国家现在正在使用CDMA方法。

通常，扩频通信方法分为跳频方法和直接序列方法。当前，许多国家选择直接序列方法，而不是跳频方法。

在DS-CDMA方法中，通过宽带编码信号来解调窄带数据信号，且每一个解调的信号都瞬间占据一个宽带，以分离多路信号和使得信号加入到Rake接收器。另外，在DS-CDMA方法中，每一个用户都共用导频信道，且相干接收成为可能。相比之下，在FH-CDMA方法中，将窄带数据信号切换为包含宽带的不同频率，且每一个信号瞬时占据窄频带。根据每一个跳频传输的位数，此方法又可分为快速FH和慢速FH。即，如果某跳频传输的位数近似为1，则为快FH，如果为几位，则为慢速FH。

同时，DS-CDMA系统将服务区域分成叫做“小区”的小型单位，并对每一个小区指定同一个频段。同样，所有主管小区的基站使用由同一个伪噪声码发生器所生成的伪噪声码，且此处生成的码序列由偏移进行分隔，对每一个基站给予唯一性。还有，每一个终端使用基于偏移信息和终端所属的基站的唯一码生成的PN码，通过频带扩展而发送所传输的信息。然后，通过使用同样的伪噪声码进行频带解扩处理，接收端获得所需的信息。简而言之，除了基站的偏移信息之外，还使用用于区分终端的唯一伪噪声码，终端和基站之间的同步可以更快和更容易地进行。

如上所述，由PN码发生器所生成的PN码序列用于使宽带扩展信号类似于噪声。此时，DS-CDMA系统使用PN码序列以扩展频带，而FH-CDMA系统使用伪噪声状态做为跳频模式。此处，PN码序列表示每一时刻的输出单元(码值)，作为位单元，且PN状态表示每一时刻的输出单元，作为几个位单元。

通常，在移动通信系统中，在发送端和接收端之间存在传输延迟。自然而然地，用于频谱扩展的伪噪声状态应当根据时移而具有一个伪噪声状态，以对解调接收端延迟接收到的信息时保持同步。这样，就需要能够根据时移，不仅生成当前PN状态，而且生成先前或者未来PN状态的装置。

图1是众所周知的用于生成伪噪声状态装置的方框图。

参照图1，现有技术中生成伪噪声状态的装置包括用于生成N位伪噪声码序列的伪噪声码发生器10，以及使用时钟信号驱动伪噪声码发生器10以生成伪噪声码序列的时钟控制器20。

现有技术中如此配置的时移伪噪声状态根据时移信息从时钟控制器20生成时钟信号，用于将时钟信号加到伪噪声码发生器10，在此时钟信号作用下，伪噪声码发生器10生成伪噪声码序列。此时，通过根据偏移信息调整所生成的时钟信息，伪噪声码发生器10生成伪噪声状态。而且，利用伪噪声掩码，可以将伪噪声码发生器输出的PN状态转换为时移PN状态。

然而，此类常规方法中，由于时移伪噪声状态是通过根据偏移信息而控制时钟控制器20而生成的，它需要相当多的时间以获得所需要的时移PN状态。例如，如果用户想要针对一个时间偏移的值为3的时间偏差生成时移伪噪声状态，必须对于该时间偏移连续应用3次时钟信号。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种通过应用一个简单的电路以获取先前伪噪声状态，从而更容易地生成时移伪噪声(PN)状态的装置和方法。

为了达到上述目的，提供了一种用于生成伪噪声状态的装置，包括：伪噪声码发生器，用于生成由N个移位寄存器的各级输出的当前伪噪声状态值构成的当前伪噪声状态；扩展伪噪声码发生器，用于使用当前状态值生成移位寄存器级的N-1个先前状态值；以及一种装置，用于使用伪噪声掩码值对当前状态值和N-1个先前状态值进行运算而输出时移PN状态。

根据该伪噪声码发生装置，扩展伪噪声码发生器能够由移位寄存器的顶级的1时钟先前伪噪声状态输出N-1时钟先前伪噪声状态值。

根据该伪噪声码发生装置，时移伪噪声状态是N个时移状态值的合成，所述N个时移状态值是使用N个伪噪声掩码值对当前状态值和N-1个先前状态值进行运算而并行输出的。

另外，根据该伪噪声码发生装置，通过对当前伪噪声状态值有选择地执行异或运算，扩展伪噪声码发生器生成移位寄存器的N-1个顶级状态值。

本发明的另外一个优选实施例提供了一种生成伪噪声状态的方法，包括如下步骤：并行地生成N个移位寄存器每级的当前状态值；基于当前状态值，生成移位寄存器顶级的N-1个先前状态值；通过使用伪噪声掩码值对N个状态值和N-1个先前状态值进行运算，输出时移PN状态。

根据该伪噪声状态生成方法，先前状态值是1时钟先前状态中的N-1个时钟先前状态值。

另外，根据该伪噪声状态生成方法，可以用每一个伪噪声掩码信号对N个当前状态值和N-1个先前状态值进行“与”运算和“异或”运算。

附图说明

由下面的详细说明，结合附图，可以更加清晰地理解本发明上述的目的、特征和优点。附图中：

图1是已知的用于生成伪噪声(PN)状态的装置的方框图；

图2是根据本发明优选实施例的用于生成伪噪声状态的装置的方框图；

图3是伪噪声码发生器和图2中的扩展伪噪声码发生器的详细电路图；和

图4是图2中伪噪声掩码转换器的详细电路图。

优选实施例详细说明

下面结合附图介绍本发明的优选实施例。在下面的说明中，没有对众所周知的功能或者结构进行详细的说明，因为不必要的细节反而会让本发明不清晰。

图2是根据本发明优选实施例的用于生成伪噪声(PN)状态的装置的方框图。图3和图4是5级PN码发生器，扩展PN码发生器和伪噪声掩码转换器的电路图。

参照图2，PN状态生成装置包括伪噪声码发生器100，扩展伪噪声码发生器200，以及伪噪声掩码转换器300。此处，伪噪声码发生器100最好的具有线性反馈移位寄存器(LFSR)结构。

简要介绍本发明，首先，伪噪声码发生器100生成输出到每个移位寄存器级的状态值。在下文中，将一系列的这种状态值称为“当前状态”。然后，扩展伪噪声码发生器200对当前状态值进行运算，并由1个时钟生成N-1个时钟先前状态值。最后，伪噪声掩码转换器300通过使用伪噪声掩码值对当前状态值和先前状态值进行运算而输出时移伪噪声状态。

更明确的说，伪噪声码发生器100并行地生成5位当前状态值。换言之，包括从103到115的5个移位寄存器和异或门118的伪噪声码发生器100，在时钟控制信号作用下，输出每一个移位寄存器103到115的状态值。此处，伪噪声码发生器100的每个移位寄存器103到115所生成的状态值被认为是当前状态值。如果伪噪声码发生器100所生成的状态值恰好是该点的先前状态值，则把先前状态值看作当前状态值，并可以设计扩展伪噪声码发生器200的相应电路。

例如，假设有一多项式P(x)＝1+x³+x⁵。然后，可以如图2所示对伪噪声码发生器100的每个移位寄存器103到115的输入/输出关系进行描述。此处，第一个移位寄存器103连接到第二个移位寄存器106，第二个移位寄存器106连接到第三个移位寄存器109，第三个移位寄存器109依次连接到第四个和第五个移位寄存器112和115。另外，伪噪声码发生器100包含异或门118，其用于在对输出值进行异或运算之后，从第三个移位寄存器109和第五个移位寄存器115向第一个移位寄存器103输入所输出的值。因此，在向每个移位寄存器103到115输入时钟信号情况下，原来存储于每个移位寄存器103到115的状态值就存储于下一个移位寄存器，同时可以向外输出。此处，如果同时向每个移位寄存器103到115施加时钟信号，则从各个移位寄存器输出的状态值可以同时并行地输出。

使用当前伪噪声状态值，扩展伪噪声码发生器200能够生成先前伪噪声状态的顶级状态。简言之，与生成伪噪声状态值的传统方法不同，其中基于偏移信息而生成伪噪声状态值，以获得一个单一的伪噪声状态值，本发明通过使用扩展伪噪声码发生器200，使得一次生成多个伪噪声状态值成为可能。因此，可以说，对于本发明而言，扩展伪噪声码发生器200是最重要的核心装置。

下面根据多项式P(x)＝1+x³+x⁵详细说明如何配置扩展伪噪声码发生器200，以及扩展伪噪声码发生器200如何工作。

假设多项式的当前伪噪声状态值(X₀)可表示为X₀＝(x_0，1，x_0，2，x_0，3，x_0，4，x_0，5)，而1时钟先前伪噪声状态值(X_-1)可表示为X_-1＝(x_-11，x_-1，2，x_-1，3，x_-1，4，x_-1，5)，则可以通过下面的数学公式I计算当前伪噪声状态(X₀)。

数学公式I

X₀＝PX_-1

式中，P是对应于5位伪噪声状态值的5×5矩阵；X_-1是对应于当前伪噪声状态的移位寄存器前级的先前伪噪声状态。

此处，矩阵P可以表示为如下的数学公式II。

数学公式II $P=\left[\begin{array}{ccccc}0& 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$

因此，使用数学公式I，可以从当前伪噪声状态值获得前一伪噪声状态值，这可以由数学公式III描述。

数学公式III

X_-1＝P^-1X₀

式中，P^-1是矩阵P的逆矩阵，如数学公式IV所示。

数学公式IV $P^{-1}=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$

根据数学公式III和数学公式IV，可以如下面的数学公式V表示1时钟先前伪噪声状态值。

数学公式V

x_-1，1＝x_0，2

x_-1，2＝x_0，3

x_-1，3＝x_0，4

x_-1，4＝x_0，5

x_-1，5＝x_0，1+x_0，4

式中，+代表“异或”门，而x_-1，5是对分别从图2所示的伪噪声码发生器100的第一移位寄存器103和第四移位寄存器112输出的状态值进行“异或”运算之后的结果。x_-1，5可以由伪噪声码发生器100很容易地计算出。

如上所述，很显然，1时钟先前状态的第一状态值(x_-1，1)到第四状态值(x_-1，4)对应于第二状态值(x_0，2)到第五状态值(x_0，5)，除了1时钟先前状态值中的第五状态值(x_-1，5)，即，停止级移位寄存器的状态值，可以通过对当前状态值的第一状态值(x_0，1)和第四状态值(x_0，4)进行“异或”运算而输出。

换言之，从图2的伪噪声码发生器100输出的当前状态的第二移位寄存器106所输出的第二状态值(x_0，2)，是从前一第一移位寄存器103所输出的第一状态值，当其从第一移位寄存器103输出时，首先存储在第二移位寄存器106中，然后当施加当前时钟信号时从第二移位寄存器106输出。

如果需要从当前伪噪声状态中获取前二伪噪声状态，所需要的是将一个前一伪噪声状态与逆矩阵P^-1相乘。

可以通过下面的数学公式VI表示如此计算的前二伪噪声状态值。

数学公式VI

x_-2，1＝x_-1，2＝x_0，3

x_-2，2＝x_-1，3＝x_0，4

x_-2，3＝x_-1，4＝x_0，5

x_-2，4＝x_-1，5＝x_0，1+x_0，4

x_-2，5＝x_-1，1+x_-1，4＝x_0，2+x_0，5

式中，+代表“异或”门。如上所述，在数学公式VI中所列的前二伪噪声状态值可以很容易地由从伪噪声码发生器100的各个移位寄存器103到115所输出的值而获得。另外，由于前二伪噪声状态的第一状态值(x_-2，1)到第四状态值(x_-2，4)是通过使用和先前伪噪声状态一样的方法获得，所以仅需要获得前二伪噪声状态的第五状态值(x_-2，5)，以找到前二伪噪声状态的各个状态值。

类似的，可以很容易的从伪噪声码发生器100所输出的状态值而获得前三伪噪声状态和前四伪噪声状态。同样，如上所述，仅需要前三伪噪声状态和前四伪噪声状态的顶级状态值。

简言之，为了使用5级PN码发生器获得时移PN状态，所需要的是用于计算各状态的顶级状态值并生成所需时移伪噪声状态值的电路。

此外，如图2中所示增加了扩展伪噪声码发生器200。

参照图2和图3，现在说明扩展伪噪声码发生器200。首先，扩展伪噪声码发生器200包括第一到第四先前伪噪声状态值发生器204到206，用于生成前一到前四伪噪声状态的顶级状态值。此处，第一到第四伪噪声状态值发生器204到206最好是“异或”门。因此，第一到第四伪噪声状态值发生器204到206分别生成前一伪噪声状态(x_{- 1，5})的顶级状态值，前二伪噪声状态(x_-2，5)的顶级状态值，前三伪噪声状态(x_-3，5)的顶级状态值，以及前四伪噪声状态(x_-4，5)的顶级状态值。

具体而言，第一先前伪噪声状态值发生器204通过对从伪噪声码发生器100的第一移位寄存器103和第四移位寄存器112输出的状态值进行“异或”运算而生成前一伪噪声状态的顶级状态值。

类似的，第二先前伪噪声状态值发生器208通过对从伪噪声码发生器100的第一移位寄存器106和第四移位寄存器115输出的状态值进行“异或”运算而生成前二伪噪声状态的顶级状态值。

还有，第三先前伪噪声状态值发生器212通过对从伪噪声码发生器100的第一移位寄存器103、第三移位寄存器109和第四移位寄存器112所输出的状态值进行“异或”运算而生成前三伪噪声状态的顶级状态值。

最后，第四先前伪噪声状态值发生器216通过对从伪噪声码发生器100的第二移位寄存器106、第四个移位寄存器112和第五移位寄存器115所输出的状态值进行“异或”运算而生成前四伪噪声状态的顶级状态值。

同时，伪噪声掩码转换器300使用从伪噪声码发生器100和扩展伪噪声码发生器200输出的各个状态值生成时移状态值。因此，通过组合所生成的时移状态值，可以生成所需要的时移伪噪声状态。

参照图2和图4说明伪噪声掩码转换器300。伪噪声掩码转换器300包括五个掩码单元310到390，即第一掩码单元到第五掩码单元，用于输出五个时移状态值。310到390的每个掩码单元基于伪噪声码发生器100和扩展伪噪声码发生器200输出的状态值，能够通过使用伪噪声掩码信号的掩码操作，输出一个时移状态值。此处，310到390的每一个掩码单元可以包含五个“与”门，即313到324，和一个异或门327。因此，输入到五个“与”门的是从伪噪声码发生器100和扩展伪噪声码发生器200输出的九个状态值中的五个，且五个“与”门对五个输入的状态值和伪噪声掩码信号进行“与”操作。“异或”门接收从五个“与”门输出的所有信号，并对其进行“异或”运算，以输出一个时移状态值。

尤其是，第一掩码单元310接收伪噪声码发生器100的五个状态值，包括底级状态值到顶位状态值(x_0，1，x_0，2，x_0，3，x_0，4，x_0，5)，并使用伪噪声掩码信号对每个状态值进行“与”操作。然后，第一掩码单元310对这些经过“与”操作的输出信号进行“异或”运算，并生成第一时移状态值，或者顶级时移状态值。

另一方面，第二掩码单元330接收伪噪声码发生器100的第二级状态值到顶级状态值(x_0，2，x_0，3，x_0，4，x_0，5)，和扩展伪噪声码发生器200的前一伪噪声状态的顶级状态值(x_-1，5)，并使用伪噪声掩码信号对每个状态值进行“与”运算。然后，第二掩码单元330对这些经过“与”操作的输出信号进行“异或”运算，并生成第二时移状态值。此处，第二时移状态值特别指的是由顶级时移状态值得出的前一级的时移状态值。

类似的，第三掩码单元350接收伪噪声码发生器100的从第三级状态到顶级状态值(x_0，3，x_0，4，x_0，5)，和扩展伪噪声码发生器200的前一伪噪声状态和前二伪噪声状态的顶级状态值(x_-1，5，x_-2，5)，并使用伪噪声掩码信号对每个状态值进行“与”运算。然后，第三掩码单元350对这些经过“与”操作的输出信号进行“异或”运算，并生成第三时移状态值。此处，第三时移状态值特别指的是由顶级时移状态值得出的前二级的时移状态值。

还有，第四掩码单元370接收伪噪声码发生器100的第四级状态值和顶级状态值(x_0，4，x_0，5)，和扩展伪噪声码发生器200的前一伪噪声状态到前三伪噪声状态的顶级状态值(x_-1，5，x_-2，5，x_-3，5)，并使用伪噪声掩码信号对每个状态值进行“与”运算。然后，第三掩码单元350对这些经过“与”运算的输出信号进行“异或”操作，并生成第四时移状态值。此处，第四时移状态值特别指的是由顶级时移状态值得出的前三级的时移状态值。

最后，第五掩码单元390接收伪噪声码发生器100的顶级状态值(x_0，5)，和扩展伪噪声码发生器200的前一伪噪声状态到前四伪噪声状态的顶级状态值(x_-1，5，x_-2，5，x_-3，5，x_-4，5)，并使用伪噪声掩码信号对每个状态值进行“与”运算。然后，第三掩码单元350对这些经过“与”操作的输出信号进行“异或”操作，并生成第五时移状态值。此处，第五时移状态值特别指的是由顶级时移状态值得出的前四级的时移状态值。

简言之，通过组合由各个掩码单元输出的时移状态值，可以生成一个时移状态。同样，可以通过控制伪噪声掩码信号而为一个时间差异生成所需的时移状态。例如，如果时移状态对应于前三状态，应当将对应于前三状态的伪噪声掩码信号加到伪噪声掩码转换器300。然后，将伪噪声掩码信号输入到各个掩码单元的各个“与”门，对该信号进行异或运算，在每一个掩码单元生成一个时移状态。换言之，组合和排列各个时移状态值可以生成对应于前三状态的时移状态。

总之，本发明的生成伪噪声状态的装置，尤其是加在本发明的伪噪声码发生器100上的扩展伪噪声码发生器，能够使用伪噪声掩码信号，在任何时候生成所需的时移状态，并在相当程度上减少了为获取所需时移状态而要求的时间。

尽管参照特定的优选实施例对本发明进行了图示和说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明权利要求的宗旨和范围的情况下，很显然可以在形式和细节上有很多变化。

Claims (8)

1.一种生成时移伪噪声状态的装置，包括：

伪噪声码发生器，用于生成由从N个移位寄存器每一级输出的当前伪噪声状态值构成的当前伪噪声状态；

扩展伪噪声码发生器，用于使用所述当前状态值生成移位寄存器的N-1个先前状态值；以及

一种装置，通过使用伪噪声掩码值对当前状态值和N-1个先前状态值进行运算而输出时移伪噪声状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，扩展伪噪声码发生器由移位寄存器的顶级的1时钟先前伪噪声状态输出N-1个时钟先前伪噪声状态值。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述时移伪噪声状态为N个时移状态值的组合，所述的N个时移状态值是使用N个伪噪声掩码值对当前状态值和N-1个先前状态值进行运算而并行输出的。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过对当前伪噪声状态值有选择地执行“异或”运算，扩展伪噪声码发生器生成移位寄存器的N-1个顶级状态值。

5.一种生成时移伪噪声状态的方法，该方法包括以下步骤：

并行地生成N个移位寄存器每级的当前状态值；

基于当前状态值，生成移位寄存器的顶级的N-1个先前状态值；以及

通过使用伪噪声掩码值对当前状态值和N-1个先前状态值进行运算而输出时移伪噪声状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，先前状态值是1时钟先前状态中的N-1个时钟先前状态值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用每一个伪噪声掩码值对N个当前状态值和N-1个先前状态值进行“与”运算和“异或”运算。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，生成N-1个先前状态值的步骤包括：选择性地对当前伪噪声状态值进行异或运算。

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