CN1490963A - 一种用于码分多址通信系统的多径搜索方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够快速稳定地完成多径搜索处理的多径搜索方法和装置。在按照本发明的多径搜索方法中，首先对一段时间间隔内的若干延时功率谱进行最小值滤波处理以生成一个新的延时功率谱，其中所述新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于所述若干延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值，然后根据新的延时功率谱确定多径判决阈值，并利用该多径判决阈值进行多径判决。本发明的方法和装置与现有技术相比，可以有效地将延时功率谱中的噪声信息滤除，因此降低了虚警概率和漏警概率。而且上述处理并未大幅度增加多径搜索装置的复杂程度和系统开销，因此实现方式简便而经济。

Description

一种用于码分多址通信系统的多径搜索方法和装置

技术领域

本发明涉及码分多址(CDMA)通信系统中的信号接收处理方法和装置，特别涉及CDMA接收机系统中的多径搜索方法和装置。

背景技术

与有线信道相比，无线信道环境较为恶劣，存在衰落、多径等诸多干扰，因此无线通信系统的信号接收处理方法的合适与否一直是影响系统性能的决定因素。

所谓多径传输现象，指的是从发射机发射的信号经过多条不同的传输路径到达接收机，因此接收机将以不同的延时接收到衰落程度和相位不等的多条路径的传输信号，这些多径传输信号混合到达接收机时可造成多径衰落现象。图1和图2分别示出了理想情况和实际情况下从某一发射机接收信号的延时功率谱，图中的横轴表示信号接收的时间，竖轴表示接收信号的能量或功率，各个箭头101～106表示多径信号在接收机上出现的时间以及功率。在实际系统中，由于码长、码的非理想性、系统的非完全同步以及噪声等因素的综合影响，多径信号在延时功率谱上并非如图1所示的离散型竖线，而是如图2所示能量随时间变化的连续曲线。图2中与图1对应的峰值位置附近仍然形成有信号峰，但是位置并非精确对应，而且对于能量较小的104和106两个峰，则几乎无法辨别。另外，在以20标示的位置上还出现一个由较高噪声能量引起的虚假多径信号。

尽管实际接收的多径信号存在各种噪声干扰，但是仍然包含了可以利用的信息，因此例如在CDMA系统中，接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。在CDMA接收机中一般采用RAKE接收技术，对时间间隔大于一个码片的多径信号进行分集以及合并以获得更好的接收性能。RAKE接收机一般由多径搜索单元、解扩解扰单元/单元组、信道估计和补偿单元和多径合并单元组成。多径搜索单元用于从输入的基带信号中确定属于同一发射机或用户的各个多径信号的相对时间位置或相位，而解扩解扰单元/单元组则在多径搜索单元确定的多径位置上对信号进行解扩解扰处理以获得各个多径信号。由于各路多径信号的衰落程度和相位不等，因此需由信道估计和补偿单元对它们进行信号补偿和校正。最后，多径合并单元将各个经过补偿的多径信号进行合并以获得具有较高信噪比的信号。

上述多径搜索单元实际上也被用于系统同步。一般而言，系统采用两级同步方式，即首先进行多径搜索，获得大范围内的各条多径信号，然后进行多径跟踪处理，对多径搜索处理获得的粗略位置进行调整以确定精确的多径位置并克服一个多径搜索周期内多径峰位可能的移动。因此，多径搜索实际上是一种在大时间范围内获得多径基本位置的粗同步技术。

多径搜索单元的一般结构如图3所示。在多径搜索单元内，首先由解扩解扰单元/单元组31按照一定的特征码对基带信号进行解扩解扰处理，从而得到相应用户在不同时间位置(或相位)上的解扩解扰输出能量的延时功率谱。相位平滑单元32对每个相位上的多径信号进行平滑处理以获得抑制噪声后的延时功率谱。峰值滤波器33检测经过抑制噪声处理后的延时功率谱的峰值位置和对应能量，并将检测结果输出至多径判决单元/单元组34。多径判决单元/单元组34则根据预先设定的判决准则确定检测到的峰位是否为信号的多径位置，如果确定为多径位置，则输出该多径位置的相位信息，而且还向解扩解扰单元/单元组31发送控制信号。在上述多径搜索单元中，解扩解扰单元/单元组31以较快的速度处理信号，可称为前端处理部分，相位平滑单元32、峰值滤波器33以及多径判决单元/单元组34以符号级(或者更慢的速度级别)速度处理信号，可称为后端处理部分。

相位平滑单元32的主要功能是抑制普遍存在的噪声对多径判决造成的的影响并对突发性大噪声具有限制作用，一般采用线性滤波器实现，例如有限冲击响应(FIR)滤波器或者无限冲击响应(IIR)滤波器。最常用的是一阶IIR滤波器，其结构如图4所示。在该滤波器中，由乘法器71完成输入能量与滤波器系数α的乘积运算，由延时寄存器73对输出能量进行延时处理并由乘法器72将延时处理结果与系数(1-α)相乘，由加法器74将乘法器71和72的输出结果相加作为输出能量。滤波器系数α的取值决定了该滤波器的性能，如果系数α较大，则整个系统比较稳定，虚警概率(即将非多径信号误判为多径信号的概率)较低，但是多径捕获时间也较长；如果α系数较小，则系统反应比较灵敏，多径捕获时间也短，但是虚警概率也相应增大，容易出现误判。

多径判决单元/单元组34可以采用各种判决规则来确定峰值滤波器输出的峰位是否为多径位置。一种最简单的判决规则是，如果峰值能量大于预先确定的阈值T，则确定该峰位为多径位置。显然，阈值T的大小决定了判决的可靠性。如果T较大，则虚警概率较小，但是漏检概率(即将多径信号误判为非多径信号的概率)较大；反之，如果T较大，则漏检概率较小，但是虚警概率较大。

在上述多径搜索单元中，多径判决单元之前的各个单元均为线性单元，其信号检测方法都是线性的。理论上已经证明，线性信号检测不可能使虚警概率和漏检概率同时最小。因此在设计系统参数时，就不得不在虚警概率与漏检概率之间取折中，导致系统性能不十分理想。此外，线性系统的响应速度与最终精度也是一个普遍存在的矛盾，即，不可能依靠线性信号检测获得既稳定又快速的多径位置判决方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快速稳定地完成多径搜索处理的多径搜索方法和装置。

在按照本发明的用于码分多址通信系统的多径搜索方法，所述通信系统内的接收机通过解扩解扰处理得到来自同一发射机的接收信号的延时功率谱，所述接收机按照如下步骤从延时功率谱中获得多径位置：

(1)根据一段时间间隔内的若干延时功率谱生成一个新的延时功率谱，其中所述新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于所述若干延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值；

(2)根据所述新的延时功率谱的平均能量值确定多径判决阈值，其中所述多径判决阈值与所述平均能量值之差为一个预先设定的常数；以及

(3)将所述新的延时功率谱中每个峰位的能量值与所述多径判决阈值比较，如果该能量值大于或等于所述多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。

按照本发明的用于码分多址通信系统的多径搜索装置由前端处理单元和后端处理单元组成，所述前端处理单元通过解扩解扰处理将基带接收信号转换为从同一发射机接收信号的延时功率谱，所述后端处理单元从延时功率谱中确定多径位置，所述后端处理单元包括：

最小值滤波单元，用于根据一段时间间隔内的若干延时功率谱生成一个新的延时功率谱，其中所述新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于所述若干延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值；

多径判决阈值生成单元，用于计算所述最小值滤波单元获得的新的延时功率谱的平均能量值，并将其与一个预先设定的常数相加以确定多径判决阈值；

峰值滤波单元，用于确定所述最小值滤波单元获得的新的延时功率谱中每个峰位的相位和能量值；以及

多径判决单元，将所述峰值滤波装置确定的新的延时功率谱中每个峰位的能量值与所述多径判决阈值比较，如果该能量值大于或等于所述多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。

在本发明的方法和装置中，多个延时功率谱经过最小值滤波处理生成一个新的延时功率谱，与现有技术中的相位平滑处理方式相比，该非线性处理方式可以有效地将延时功率谱中的噪声信息滤除，因此降低了虚警概率和漏警概率。而且上述处理并未大幅度增加多径搜索装置的复杂程度和系统开销，因此实现方式简便而经济。

附图说明

图1为理想情况下无线接收信号的延时功率谱。

图2为实际情况下无线接收信号的延时功率谱。

图3为现有技术下多径搜索单元的示意图。

图4为一阶无限冲击响应滤波器的示意图。

图5为按照本发明较佳实施例的多径搜索方法的流程图。

图6为按照本发明较佳实施例的多径搜索装置的示意图。

图7为按照本发明较佳实施例的多径搜索装置中最小值滤波器的示意图。

图8为按照本发明较佳实施例的多径搜索装置中峰值滤波器的示意图。

具体实施方式

在实际系统的延时功率谱中，除对应用户信号的真实多径位置以外，其它延时位置或相位上的信号皆被视为高斯白噪声，误判由虚警和漏检构成，其中，虚警主要是由于非多径位置上噪声能量突发性的增大造成的，而漏检主要是由多径能量本身不高和该多径位置上出现较大负数值的加性高斯白噪声两方面因素共同作用造成的。换句话说，高斯白噪声的突发性增大是造成虚警或漏检误判的主要原因。另外需要指出的是，由于发射机与接收机之间无线信道在一定时间间隔内的变化不大，因此该间隔内的延时功率谱可能会呈现大致的周期性结构，即，该延时功率谱可以分为若干个延时功率谱，它们具有相似的多径位置分布。基于上述分析，本发明的核心思想是，可以通过考察上述若干具有相似多径位置分布的延时功率谱中同一相位上的能量值来确定该相位是否属于多径位置，具体而言，如果是用户信号，则在相应的多个相位上，能量值都应该较大，相反，如果是噪声信号，则在相应的多个相位上都保持较高能量值(不管是负数值还是正数值)的概率将明显降低，由此可以提高多径位置判决的准确性。

按照本发明的方法，首先选定一段时间间隔内的若干延时功率谱并以下列方式进行处理，即，对于这些延时功率谱每个相位上的一组能量值，选取最小能量值作为一个新的延时功率谱中对应相位的能量值；其次是根据新的延时功率谱确定多径判决阈值，具体包括计算新的延时功率谱的平均能量值和将其与一个预先设定的常数相加从而获得多径判决阈值；最后即可根据获得的多径判决阈值进行多径判决，实际上就是将新的延时功率谱中每个峰位的能量值与多径判决阈值比较，如果该能量值大于或等于多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。

以下借助图5描述按照本发明方法的一个较佳实施例。如图5所示，首先进入步骤S1，对基带信号进行包括解扩解扰处理在内的前端处理从而得到从某一发射机接收信号的延时功率谱；接着进入步骤S2，在存储器中用新的延时功率谱更新前次多径判决时存储的相应延时功率谱；随后进入步骤S3，对本次延时功率谱的存储数量进行计数；接着在步骤S4，判断当前存储的延时功率谱数量是否满足判决需要的数量L，L为预先确定的系统参数，可根据系统具体情况或仿真确定。如果满足，则使计数器清零并转入步骤S5，否则返回步骤S1；在步骤S5中，对L个延时功率谱进行最小值滤波处理以得到一个新的延时功率谱，具体而言，在这L个延时功率谱中，对于每个对应的相位都有L个能量值，为了提高判决准确性，将这L个能量值中的最小值选定为新的延时功率谱中相应相位的能量值。

随后进入步骤S6，计算最小值滤波后的延时功率谱的平均能量T₀；接着在步骤S7中以下式计算判决阈值T：

          T＝T₀+T₁其中T₁为预先确定的阈值常数，可根据系统具体情况或仿真确定。

在步骤S8中，判断最小值滤波处理后的延时功率谱的所有时段是否都经过峰值滤波处理，如果“是”，则结束本次多径判决过程，否则转入步骤S9，继续对延时功率谱下一时段进行峰值滤波处理；接着在步骤S10中根据峰值滤波结果判断该时段内是否存在峰位，如果存在峰位，则转入步骤S11，否则，则返回步骤S8；在步骤S11，将峰位的能量值与判决阈值T进行比较，如果峰位能量值大于或等于判决阈值T，则判断该峰位为多径位置并转入步骤S12，否则，判断该峰位为非多径位置并返回步骤S8；在步骤S12，将判断为多径位置的峰位的能量值和相位输出并返回步骤S8。

以下借助图6描述按照本发明多径搜索装置的一个较佳实施例。如图6所示，该多径搜索装置包含前端处理单元41和后端处理单元42，其中，前端处理单元通过解扩解扰处理将基带接收信号转换为从同一发射机接收信号的延时功率谱，而后端处理单元则从该延时功率谱中确定多径位置。

前端处理单元41包括前端处理模块411和平方求和模块412组成，前端处理模块411可以是滑动相关器/相关器组或匹配滤波器。对于本领域内的技术人员来说，滑动相关器/相关器组和匹配滤波器的工作原理和结构都是公知的，因此不再赘述。基带信号经过前端处理模块411处理后分离出每个用户在不同延时位置或相位上的信号，该信号包含I路分量和Q路分量。然后该信号在平方求和模块412内作平方求和运算从而得到每个用户的延时功率谱。在每次进行多径判决时，前端处理单元41将一段时间间隔内得到的L个延时功率谱可以串行方式逐个提供给后端处理单元42。延时功率谱的数量L可根据系统具体情况或仿真确定。

后端处理单元42包括最小值滤波器421、峰值滤波器422、多径判决阈值生成单元423和多径判决单元424。

最小值滤波器421根据一段时间间隔内的若干延时功率谱生成一个新的延时功率谱，其中新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于这些延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值。该滤波器可以图7所示硬件结构实现。如图7所示，最小值滤波器421由一个控制单元124、(L-1)个写使能选择器1211～121(L-1)、与(L-1)个写使能选择器一一对应的(L-1)个全双工双口RAM1221-122(L-1)和一个选取最小值单元123组成。每个写使能选择器1211～121(L-1)都包含输出使能选择信号的使能输出端；每个全双工双口RAM1221-122(L-1)的输入端与前端处理单元41的串行输出端相连，输出端与选取最小值单元123相连以输出存储的延时功率谱数据，读写地址端口与控制单元124相连以按照单元124提供的地址进行读写操作，读写控制端口与对应的写使能选择器1211～121(L-1)的使能输出端相连。因此控制单元124一方面通过控制每个写使能选择器的使能状态来选择延时功率谱写入的全双工双口RAM，另一方面通过每个全双工双口RAM的读写控制端口来控制其进行读写操作的地址。选取最小值单元的输入端包括一个与前端处理单元41串行输出端直接相连的输入端和与全双工双口RAM输出端相连的(L-1)个输入端，在控制单元124的控制下，选取最小值单元123对输入的L个延时功率谱进行选取最小值操作。

以下描述上述最小值滤波器421的工作原理。当前端处理单元41以串行方式逐个输出延时功率谱时，控制单元124通过控制写使能选择器1211～121(L-1)输出端上的使能选择信号来选取写入当前延时功率谱的全双工双口RAM1222-122(L-1)，例如前端处理单元41输出第1个延时功率谱时，如果要将其存储在全双工双口RAM1221中，则控制单元124使写使能选择器1211输出写入使能输出为1，其它写使能选择器的写入使能输出为0，与此同时，控制单元124通过全双工双口RAM1221的读写地址端口输入写入地址，从而将第1个延时功率谱的数据写入，该全双工双口RAM内原先存储的前次多径判决所用延时功率谱数据即被更新。除了最后一个延时功率谱，其它延时功率谱的写入依此类推，不再赘述。对于最后一个延时功率谱，它被直接送入选取最小值单元123。控制单元124通过全双工双口RAM1221-122(L-1)的读写地址端口输入读取地址，从而将RAM内存储的(L-1)个延时功率谱的数据读取至选取最小值单元123。选取最小值单元123则根据直接从前端处理单元输入的延时功率谱数据和从RAM内读取的延时功率谱数据进行最小值选取操作，从而完成最小值滤波以生成新的延时功率谱。

新的延时功率谱并行输出至峰值滤波器422和多径判决阈值生成单元423。在峰值滤波器422中，新的延时功率谱经过峰值滤波处理后确定出每个峰位的相位和能量值。图8示出了峰值滤波器422的结构框图。该滤波器通过判断某一延时位置两侧的导数符号是否不同来确定该位置是否为峰值位置。如图8所示，并串转换单元81将最小值滤波器421并行输出的延时功率谱转换为串行输出，其中当前相位的能量输出至逻辑判决单元，前一相位输出至相位和能量输出单元86。逻辑判决单元由延时单元821和822、差分计算单元831和832、符号比较单元841和842以及与门85组成，用于判决当前位置是否为峰值位置，当前能量值与经过延时单元821延时的能量值在差分计算单元831内相减，经过延时单元821延时的能量值与经过延时单元821和822延时两次的能量值在差分计算单元832内相减，并在符号比较单元841和842内判断减法结果是否分别小于0和大于0，如果结果皆为“是”，则表明上一相位或延时位置两侧导数符号不一致，因此与门85向相位和能量输出单元86输出使能控制信号以指示前一相位为峰值位置。相位和能量输出单元86在输出使能控制信号下向多径判决单元424输出前一相位的峰值能量和峰值相位。

如图6所示，多径判决阈值生成单元423由累加器113、除法器114和加法器115组成，累加器113对最小值滤波器421输出的延时功率谱每个相位的能量值进行累加，除法器将累加器113的累加结果除以相位总数得到该延时功率谱的平均能量T₀，而加法器115将平均能量T₀与一个预先设定的阈值常数T₁相加以获得多径判决阈值T。

多径判决单元424根据多径阈值判决单元423输出的多径判决阈值T对峰值滤波器424输出的每个峰值位置进行多径判断，具体而言，将峰值滤波装置输出的每个峰位的能量值与多径判决阈值T比较，如果该能量值大于或等于多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。此外多径判决单元424还将控制命令输出至前端处理模块411。

Claims (7)

1.一种用于码分多址通信系统的多径搜索方法，所述通信系统内的接收机通过解扩解扰处理得到来自同一发射机的接收信号延时功率谱，其特征在于，所述接收机按照如下步骤从延时功率谱中获得多径位置：

(1)根据一段时间间隔内的若干延时功率谱生成一个新的延时功率谱，其中所述新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于所述若干延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值；

(2)将所述新的延时功率谱的平均能量值与一个预先设定的常数相加以获得多径判决阈值；以及

(3)将所述新的延时功率谱中每个峰位的能量值与所述多径判决阈值比较，如果该能量值大于或等于所述多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。

2.如权利要求1所述的多径搜索方法，其特征在于，生成新的延时功率谱所用的若干延时功率谱的数量和所述预先设定的常数通过仿真实验确定。

3.一种用于码分多址通信系统的多径搜索装置，由前端处理单元和后端处理单元组成，所述前端处理单元通过解扩解扰处理将基带接收信号转换为从同一发射机接收信号的延时功率谱，所述后端处理单元从延时功率谱中确定多径位置，其特征在于，所述后端处理单元包括：

最小值滤波单元，用于根据一段时间间隔内的若干延时功率谱生成一个新的延时功率谱，其中所述新的延时功率谱中每个相位上的能量值等于所述若干延时功率谱中多个相应相位上的最小能量值；

多径判决阈值生成单元，用于计算所述最小值滤波单元获得的新的延时功率谱的平均能量值，并将其与一个预先设定的常数相加以确定多径判决阈值；

峰值滤波单元，用于确定所述最小值滤波单元获得的新的延时功率谱中每个峰位的相位和能量值；以及

多径判决单元，将所述峰值滤波装置确定的新的延时功率谱中每个峰位的能量值与所述多径判决阈值比较，如果该能量值大于或等于所述多径判决阈值，则判定该峰位为多径位置并输出该峰位的相位和能量值，否则，判定该峰位为非多径位置。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述前端处理单元通过其输出端以串行方式输出L个延时功率谱，其中L为所述若干延时功率谱的数量，所述后端处理单元中的最小值滤波单元包含：

控制单元；

(L-1)个写使能选择器，每个写使能选择器都具有在所述控制单元控制下输出使能选择信号的写使能选择器输出端；

与所述(L-1)个写使能选择器一一对应的(L-1)个全双工双口RAM，每个全双工双口RAM包括：

    与所述前端处理单元输出端相连的全双工双口RAM输入端；

    在所述控制单元控制下输出其存储的延时功率谱的全双工双口RAM

输出端；

    与对应的所述写使能选择器输出端相连的读写控制端口；以及

    与所述控制单元相连的读写地址端口；以及

选取最小值单元，具有一个与前端处理单元输出端直接相连的输入端和与所述(L-1)个全双工双口RAM输出端相连的(L-1)个输入端，并且在所述控制单元的控制下对输入的延时功率谱进行选取最小值操作。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制单元通过控制每个写使能选择器的使能选择信号来选择写入延时功率谱的全双工双口RAM，并且通过控制每个全双工双口RAM的读写地址端口来选择对其进行读写操作的地址。

6.如权利要求3-5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述多径判决阈值生成单元包括：

累加器，用于对最小值滤波装置输出的新的延时功率谱每个相位的能量值进行累加；

除法器，用于将所述累加器的累加结果除以相位总数以得到该延时功率谱的平均能量；以及

加法器，用于将平均能量与一个预先设定的常数相加以获得多径判决阈值。

7.如权利要求3-5中任意一项所述的装置，其特征在于，生成新的延时功率谱所用的若干延时功率谱的数量和所述预先设定的常数通过仿真实验确定。

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