CN1653352B - 存在多普勒偏移时合成峰值位置的确定 - Google Patents

Abstract

依照本发明的一个实施例的信号接收方法包括在相关信号积分过程中，对估计的或测定的多普勒偏移进行补偿。这种方法也包括确定峰值曲线p(t)的合成峰值位置和基于补偿修正这个位置。

Description

存在多普勒偏移时合成峰值位置的确定

背景

相关领域

本申请要求以下在先申请的优先权：于2002年4月1日提交的美国专利临时申请第60/369,406号。

技术领域

本发明涉及无线通讯，尤其涉及对由于加在发送信号上的多普勒效应而发生的偏移的修正。

背景信息

无线通讯的许多应用包括从接收到的信号中获取时间和/或位置信息。这些应用可以包括随着时间在接收到的信号中定位和跟踪特定的特征或模式。在一个例子中，基站跟踪从移动电话上接收到的信号来确定电话的相对速度。在另一个例子中，接收器通过识别从全球定位系统(GPS)中的人造卫星接收到信号中的延时来计算自身的位置。

在直接序列扩频(DSS)技术中，数据信号在被调制到载波上之前被伪随机噪声(PN)码序列扩展。在GPS系统中，一个这样的码序列被称为粗捕获(C/A)码。当接收到的信号与相同的编码序列相关时，就获取了相关峰值。在相关峰值时的位置提供了关于信号传播延迟的信息。这个传播延迟信息可以用来确定发射器和接收器之间的相对距离。

可以期望的是随着时间求相关结果的积分，无论是相干地还是不相干地。例如，单独的相关结果可能会太弱，以至于无法从背景噪音中区分出来。因而，随着时间的积分可以被用于改善信噪比(SNR)。

发射器和接收器之间的相对运动造成了接收信号中的多普勒偏移。多普勒偏移的一个效应是造成接收信号中的扩频编码序列随着时间漂移。当随着时间关联经多普勒偏移的信号时，相关峰值就变得失真。与由信号未经偏移的版本的关联所产生的相关峰值相比，这种失真一般表现为相关峰值的扩展。这种失真可能会降低相关峰值的信噪比(SNR)。通过认识到无论失真与否，峰值能量总是相同的，从而可以理解这一点。然而，在失真的峰值中，能量更多地被展开。另外，这种失真或对峰值的扩展可能会降低确定相关峰值时的位置的准确性。

概述

依照本发明的一个方面，提供了一种信号接收的方法。该方法包括：将接收到的信号与预定的编码序列相关联；基于这种关联的结果求数值的积分，所述积分的结果是基于至少一个外加的偏移，所述至少一个外加的偏移是基于信号漂移的确定；确定所述积分结果中某一特征的位置；以及基于所述至少一个外加的偏移，对所述特征所确定的位置施加修正。

依照本发明的一个实施例的方法包括将接收到的信号与预定的编码序列相关联、和将关联的结果积分。将经多普勒偏移的信号随着时间积分的结果是，积分的输出包括一个或多个外加偏移(例如，基于估计的多普勒时间偏移)。所述的方法进一步包括(A)在积分的结果中确定某一特性的位置和(B)基于对该特性所确定位置的应用偏移实施修正。

附图简述

附图是仅是说明性的，而非意图准确地描述特定的特征或指出特定的范围关系。

图1说明了多普勒时间偏移对瞬时峰值位置的作用。

图2说明了在连续的编码调制周期中所接收到信号峰值位移的例子。

图3说明了合成峰值曲线。

图4说明了编码多普勒补偿技术。

图5说明了编码多普勒补偿对合成峰值曲线的作用。

图6显示了编码多普勒补偿方法的流程图。

图7说明了如图2所示的例子的多普勒时间偏移曲线下的区域。

图8说明了对应于将如图6所示方法应用到如图2所示例子的编码多普勒补偿的区域。

图9说明了在积分周期上接收到的信号峰值位移的另一个例子。

图10说明了如图9所示的例子中多普勒时间偏移曲线下的区域。

图11说明了对应于将如图6所示方法应用到如图9所示例子中偏移的区域。

图12说明了对应于将如图6所示方法应用到如图9所示的例子的编码多普勒补偿的区域。

具体实施方式

图1显示了将接收信号的瞬时峰值曲线P(τ)作为编码相位τ的函数。在使用PN编码序列扩展信号的情况下，这样的峰值可以通过将接收信号与编码序列相关联来获取。当将接收信号扩展的编码序列的编码相位和用于解扩接收信号的编码序列的编码相位被同步时，相关器输出相对较高的输出信号。来自于相关器的相对较高的输出信号表明两个编码序列的编码相位是相同的。所述的“编码相位”τ代表用于解扩接收信号的编码序列和任意基准点之间的关系。如果发送器和接收器互相之间保持静止，可以预期编码相位τ中峰值的位置保持恒定(例如，忽略环境中的变化)。

随着发送器和接收器之间距离的改变，所产生的多普勒偏移造成了峰值位置(即，编码相位τ)改变。峰值位移的方向取决于发送器和接收器之间的距离是变小还是变大。峰值位移量直接与发送器相对于接收器的相对速度成比例(忽略诸如反射等环境效应)。

图2显示了峰值的位置(在编码相位τ中)是怎样随着时间t变化的例子。在这个例子中，时间t以编码调制周期(编码序列从开始运行到结束和再一次从头开始所需的时间)的单位来标记。在GPS应用的情况下，编码调制周期等于大约832.5微秒＝1023(编码序列中数值的数目)/1.2288MHz(调制频率)。在许多应用中，在每个编码调制周期中使用相同的预定编码序列，虽然可能也会使用不同的编码序列。

如上文所论述的，发送器和接收器之间的相对运动可能会造成接收信号中的多普勒偏移。在图2的例子中，发送器和接收器之间的距离等速减小(即，至少相对于所观察的时间周期等速)，且所产生的多普勒偏移造成峰值同时显得靠近。

图3显示了将合成峰值曲线P(τ)作为编码相位τ的函数的例子。这样的曲线可以通过将接收信号相关联并在积分周期T上进行积分获得。积分周期T可以具有从编码调制周期的一部分到许多编码调制周期的任意长度。在这个例子中，假设是相干积分，虽然来自于几个相干积分的结果可能也会被非相干地结合到单个结果中去。

如果峰值在几个编码调制周期上积分，由于多普勒偏移而产生的漂移可能会造成合成峰值随着时间扩展，而非累计起来以增加SNR。将扩展峰值定位可能是困难的，以至于准确性可能会降低。扩展可能会减少合成峰值的高度(例如，功率)。峰值的位置可能也会在编码相位空间内移动。编码相位中合成峰值的移位可以由信号瞬时峰值的时间平均位置来近似。

可以期望的是将相关结果组合到合成结果中。这样组合的一个可能的优点是增加有效观察到的SNR。在一个例子中，合成结果通过将单独的相关结果求和而获得(例如，如同在响应的编码调制周期上所获得的)。在其他的应用中，各种组分相关结果可能被不同地加权和/或互相之间扣减。我们可能发现由于多普勒偏移造成峰值互相之间漂移，合成结果的峰值在编码相位处可能没有单独清楚定义的位置。

图4说明了用于编码多普勒补偿的技术。在这种技术中，编码多普勒偏移要素被独立地接收(例如，来自于载波信号多普勒偏移的确定)。在所选的修正周期中，累计的编码多普勒偏移被确定。修正周期可能对应于编码调制周期，但是任何其他的周期也可能被使用。如果偏移量超过样本的一半(或者，不少于样本的一半)，那么信号部分和连续部分在那个方向上移动一个样本的位置。例如，这样的移动可能通过从接收信号存储的数字表示中增加或移除一个样本来完成。

图5显示了将补偿的合成峰值曲线作为编码相位τ的函数的例子。与合成峰值p(τ)相比，补偿峰值可能更好地被定位且数值更大，但可能也会在编码相位中偏移。在一个应用中，补偿曲线峰值位置通过在最高值和它的邻近值中间进行内插(例如，在最高值和它的邻近值间每边的二次内插法)和将峰值位置选择作为经内插的曲线的峰值来确定。

偏移允许峰值累积，可能会导致更好的定位。不幸的是，会使时间基准变得不准确。仅1/8码片的差错相当于超过30米。理想的是能正确地定位峰值。

在一个实施例中，接收信号在码片x8处被取样(例如，对于GPS信号是8x1.2288MHz)。取样的信号被再次取样到码片x2并且被分成两路(例如，准时的和延迟的)用于这里所描述的修正。

图6显示了用于编码多普勒补偿方法的流程图。任务T110将累加器设置成初始值(例如，零)。任务T110也将数值c设置成循环T120-T170的每个执行周期的修正单位中预定的信号漂移值。在一个例子中，数值c表示根据载波信号的测得的多普勒频率所确定的估计的编码多普勒偏移。在特定的应用中，每个修正单位是一个样本，且循环T120-T170在每个修正周期(例如，编码调制周期)执行一次。

任务T130和T140确定累加器的当前值和1/2修正单位之间的关系。如果任务T130确定当前值超过了1/2(或者，不少于1/2)，那么任务T150将累加器的值递减且执行-1单位的修正。否则，如果任务T140确定当前值未超过1/2(或者，少于-1/2)，那么任务T160将累加器的值递增且执行+1单位的修正。

在一种情况下，具有一个单位数值的修正通过在相关前从接收信号中插入或删除一个单位来执行。换而言之，这种修正可以通过从将要施加于接收信号上的编码序列中删除或插入一个单位来执行。

图7从另一个角度显示了图2的例子。在这个图表中，圆点显示了在每个修正周期的中点接收信号的瞬时峰值。合成曲线峰值的多普勒时间偏移量可以被估计为瞬时峰值位置的时间平均，即其中c是漂移速率，而T是执行积分的时间。这个值是用黑体三角形框出的面积除以三角形的底边的长度。这个值与积分周期中间瞬时峰值的位置相等。

图8显示了应用如图6所示的补偿程序的情况下图2的例子。在第三个编码调制周期的开始处，施加了一个修正单位(例如，一个样本)的补偿。这个补偿对合成峰值曲线的作用是缩小合成峰值曲线的扩展。这个合成峰值位置进一步被回移所作补偿的时间平均的数量，即，用黑体平行四边形框出的面积除以平行四边形的底边的长度。可以理解的是当这个平行四边形的底边长度等于两个修正单位时，这个例子中的平行四边形的面积等于一个修正单元乘以两个修正周期。

如图5所示范的那样，如图6所示的补偿程序可能会造成合成信号峰值位置的变化(例如，在执行补偿的情况下)。可以期望的是从被补偿的峰值的位置中计算接收信号从初始时间到时间“t”内的某一其它时刻的漂移(这样的时刻可以位于积分周期内或位于积分周期外)。请注意这是在时刻“t”对信号瞬时曲线峰值的估计。这种时刻可以被称为时间戳。

在所选择的时间戳是积分周期中点的情况下，在那个时刻接收信号的漂移可以通过加回补偿的时间平均值，从被补偿的峰值的位置确定。在图7和图8所示的例子中，这种漂移值可以通过将平行四边形内的面积除以平行四边形的底边加到被补偿峰值的位置上来确定。

在图7和图8所示的例子中，假设在积分周期开始时，多普勒偏移是零。在另一个应用中，如图6所示的补偿程序可能独立于积分程序执行。例如，可以期望实质上连续地执行补偿程序，且在选择的时间执行积分。在这些情况下，被积分的值可能相对于接收到的相应信号具有编码相位偏移。偏移值是在积分开始前所外加的修正总量。

图9显示了应用图6所示的补偿程序的另外一个例子。在这个例子中，在积分周期之前，补偿开始了几个编码调制周期。在图10中，合成曲线峰值多普勒时间偏移的量与用黑体三角形框出的面积乘比例。在图11中，用黑体平行四边形框出的面积与在开始积分周期前执行的补偿所引起的合成曲线峰值的偏移量成比例。可以理解的是这个例子中平行四边形的面积等于一个修正单位乘以积分周期。于是偏移值是一个修正单位。在图12中，用黑体平行四边形框出的面积与补偿对合成曲线峰值的作用量成比例。在这种情况下，对于在积分周期中点的时间戳，偏移量和补偿量都被加到所观察的(补偿的)峰值的位置上，用以确定大致的漂移值。

在其它应用中，可以期望的是在时间t内另一点获取时间戳的峰值位置。例如，在积分周期开始处时间戳的峰值位置可以通过将补偿(和任何偏差)加到所观察的峰值的位置上以及也减去多普勒偏移的时间平均值来计算。(例如，在图7和图10的例子中，三角形的面积除以底边的长度)。在积分周期结束处时间戳的峰值位置可以通过将补偿(和任何偏差)加到所观察峰值的位置上以及也加上由于多普勒偏移造成的时间平均值来计算，即，多普勒偏移曲线下的面积除以积分的长度。

多普勒偏移曲线所基于的估计可能会是错误的。例如，诸如振荡器漂移等因素可能会影响到这种确定的准确性。在积分周期中间选择时间戳的一个可能优点是对峰值位置的计算不需要包括多普勒偏移曲线下的面积，这个面积将会受到多普勒估计中错误的影响。因此，为这样的时间戳计算的峰值位置可能至少对于多普勒估计中的较小错误是稳健的。

如果在信号漂移值的估计中存在错误，则可以基于信号漂移的估计值通过如图6所示的补偿程序施加修正。修正可以来自于估计的峰值漂移速率。合成曲线峰值的偏移可以是在施加补偿后瞬时峰值位置的时间平均值。在积分中点处瞬时峰值的位置可以通过对合成峰值曲线的位置、由于在积分开始前施加的任何修正造成的偏差值以及所施加的多普勒补偿的时间平均值进行求和来估计。

数学表示为，

其中p_cp是合成峰值曲线中峰值的位置，是由于编码多普勒补偿而造成的阶梯函数，而偏差是在积分开始前所施加的所有补偿的和值。

提供以上对所揭示的具体实施方式的描述是为了使本领域技术人员制造或使用本发明。对这些具体实施方式的各种改变是可能的，且本发明形成的总原则也可应用到其他具体实施中。

例如，本发明可以部分或全部作为硬连线电路或作为被制作成专用集成电路的电路配置来实施。本发明也可以部分或全部作为下载到非易失性存储器的固件程序或作为机器可读编码下载到或下载自数据存储媒体的软件程序，所述的编码是可以被诸如微处理器或其他的数字信号处理器单元等逻辑元素阵列执行的指令。如此，本发明不是要局限于上述的具体实施方式，而是要与符合在此以任一方式所揭示的原理和新特征的最宽泛的范围相一致。

Claims (7)

1.一种信号接收的方法，所述方法包括：

将接收到的信号与预定的编码序列相关联；

基于这种关联的结果求数值的积分，所述积分的结果是基于至少一个外加的偏移，所述至少一个外加的偏移基于对累计的多普勒偏移的估计；

确定所述积分结果中峰值的位置；以及

基于所述至少一个外加的偏移，对所述峰值所确定的位置施加修正。

2.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，所述预定的编码序列是伪噪声序列。

3.如权利要求1所述的信号接收方法，所述方法进一步包括从全球定位人造卫星接收信号。

4.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，所述外加的偏移包括加上接收信号样本或丢弃接收信号样本中的一个。

5.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，用于确定峰值的位置的所述步骤包括对所述积分的结果施加临界值。

6.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，用于确定峰值的位置的所述步骤包括在所述积分结果的多个样本间进行内插。

7.如权利要求1所述的信号接收方法，其特征在于，用于修正所述峰值的位置的所述步骤包括计算漂移修正值，以及

对于每一个外加的偏移，所述漂移修正值是基于所述外加的偏移与被外加所述偏移的接收信号部分的乘积。

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