CN1695068A - 脉冲峰值位置的确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定接收机所接收的信号中脉冲峰值位置x_p的方法。为了改善该确定的精确度，此方法包括对所述接收的信号进行采样；确定至少三个采样，其中至少一个采样的信号强度超过门限值；以及根据至少两个确定的采样的内插确定脉冲峰值位置x_p，根据至少三个确定的采样的信号强度选出至少两个采样，其中内插包括对至少两个采样的信号强度的评估。本发明同样涉及包括实现该方法的装置的一种设备以及蜂窝通信系统。

Description

脉冲峰值位置的确定

技术领域

本发明涉及一种用于确定接收机所接收信号中脉冲峰值位置的方法。本发明还涉及实现该方法的一种设备以及一种蜂窝通信系统。

背景技术

接收的信号的脉冲峰值位置可用于例如在信号从发射单元传播至接收机时确定信号的延迟。

例如通过定位业务可以评估接收机中的信号延迟，用以确定接收机的当前位置。在视距(line-of-sight)传输的情况中，信号的延迟直接取决于接收机和各自的发射单元之间的距离。

此类定位业务可由基于CDMA(码分多址)的卫星定位系统或者基于CDMA的地面蜂窝式定位系统专门提供。在基于CDMA的系统中，发射单元利用数据序列调制正弦载波，然后将得到的信号带宽扩展为更大的值，例如用从CDMA扩频码得到的伪随机比特与调制后的信号相乘。这些比特通常被称为码片。

在CDMA系统中，执行检测采用最短传播路径的延迟信号的搜索过程通常在从不同的发射单元接收的信号的冲击响应中实现。可以通过例如接收的信号的冲击响应轮廓的边缘检测来估计延迟。冲击响应轮廓的长度远大于信号波形的宽度。可以从信号的某一点开始，通过将采样数据幅度与预设门限值比较，从而在冲击响应中实现边缘搜索。因此，边缘检测是一个重要的过程。门限的设置一方面要足够高以避免噪声峰值被检测为信号边缘，从而引起误警。另一方面，门限的设置也必须足够低，以保证即使信号强度相当弱的时候，也能检测到信号边缘。

当信号脉冲的确切峰值位置已知，由于其是脉冲中唯一清晰的参照点，因此，只能准确地确定信号的延迟。然而，这个重要过程的结果通常是在信号峰值左侧的位置，也就是接近零延迟的一侧，这是由于脉冲通常在其峰值到达之前就被检测到的原因。因此，边缘检测的误差是负偏差。与SNR(信噪比)相比，这个误差与信号本身更相关，这就意味着方差有可能会很高。冲击发生在接近弱信号的脉冲峰值和接近强信号的脉冲波谷之间。

因此，在对每个码片以采样速率2进行采样的情况下，延迟估计的误差范围在0.0码片到-1.0码片之间。这样对于三角形或者波形的脉冲，平均误差约为-0.5码片。

由于误差为负偏差，所以减小误差的最简单的方法就是引入一个正因子补偿偏差。如果信号电平较高，误差也会较大。因此，补偿因子应当与信号电平相适应。但是，经过这样的一般补偿之后仍然存在很大的平均误差。

发明内容

本发明的目的是改善确定的脉冲峰值位置的精确度。

根据本发明的一种确定接收机所接收的信号中脉冲峰值位置的方法可实现此目的，该方法包括的第一步为对接收的信号进行采样。下一步，确定至少三个采样，其中至少一个采样的信号强度超过门限值。采样可以为连续的，但并不一定必须连续。然后将根据至少两个确定的采样的内插确定脉冲峰值位置。根据至少三个确定的采样的信号强度选出该至少两个采样。进一步提出此内插包括对至少两个采样的信号强度的评估。

并且可通过一种设备达到本发明的目的，该设备包括用于实现所提出的方法的装置。该设备例如可以是接收机，也就是可自己计算所接收的脉冲峰值位置的接收机。另外，此设备也可在接收机外部。在这种情况下，接收机需要提供接收信号的信息给该设备，从而使该设备可以执行前述处理过程。在接收机是移动终端或者集成于移动终端的情况中，此外部设备可特别作为蜂窝通信网络的一种网络元件。最终，可通过包括前述设备的蜂窝通信系统实现本发明的目的。

本发明来自于一种思想，即脉冲峰值位置不是简单地由搜索超过门限值的单个采样的边缘检测来确定，而是通过至少两个采样的内插更精确地确定，其中这两个采样中至少有一个超过门限值。前述的内插对内插使用的采样的信号强度进行评估，这样就考虑了采样与脉冲峰值的距离之差。另外，如果考虑到适当数量的采样的信号强度，则大多数情况下可以选择至少两个采样，使得可以假定它们很有利地位于脉冲峰值的相对侧。

本发明的优点在于提高了峰值位置估计的精确度。因此，可更精确地估计例如接收信号的延迟。

通过所附权利要求书，本发明的优选实施方式也很明显。

更有优势的是，可根据所利用的脉冲波形的模型，选择用于内插的等式。举例说明，脉冲波形模型为三角形的情况下，可以设定用于内插的采样与峰值位置之间的距离和采样的信号强度之间成线性关系。

从三角波形的脉冲波形模型可得出一种特殊的简单的方法。虽然在实际应用中的实际脉冲波形通常不会对应于三角形，但是三角形方法引出了一种相当精确的，也适合其他带限信号脉冲波形的峰值位置估计。而不同脉冲波形在延迟估计中有不同表现，内插本身是一个波形适应过程。

为了另外补偿选择的模型与实际脉冲波形之间的差异，使用不同的加权系数对内插使用的采样进行加权或者对得到的估计进行调整。该补偿基于已知的脉冲波形模型和实际脉冲波形的偏离以及/或者基于采样的信号强度。

根据本发明的方法可优选地针对可能发生的不同情况而有所区别。因此可以为每种情况下的内插选择最佳采样。利用这种区别，根据本发明的方法也适合处理信号的多径传播。可特别地根据被考察的采样的信号强度连续性的不同进行区别。

本发明例如可用于支持例如任意一种定位服务中的信号采集。

特别地，本发明可用于确定卫星定位系统或者蜂窝定位系统中信号的延迟，尽管并不限于此。卫星定位系统例如可以是GPS(全球定位系统)或者伽利略，而蜂窝定位系统则可以在例如3G(第三代)通信系统中实现，如GSM(全球移动通信系统)、CDMA和/或者GPRS(通用分组无线系统)。

附图说明

本发明的其他目的、特征和优点将在下面结合附图的详细描述中显现，其中，

图1是示出根据本发明的方法的实施方式的流程图；

图2是显示图1中所示方法使用的脉冲波形的一种示例性模型；

图3是示出使用图1所示方法处理的第一种情况；

图4是示出使用图1所示方法处理的第二种情况；

图5是示出使用图1所示方法处理的第三种情况；以及

图6是显示一种示例性的实际脉冲波形和脉冲波形模型。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的方法的第一实施方式的流程图，此方法可在示例性的CDMA系统中实现。CDMA系统包括蜂窝通信网络的多个基站和可以通过空中接口与这些基站通信的移动台。此方法用于在移动台处估计从一些基站接收到的信号的延迟，以确定移动台的当前位置。

图1所示的方法中，假设接收的CDMA信号通过匹配的滤波器之后的冲击响应脉冲波形为三角形，因此采用三角形模型。图2示出的是三角形模型。由于CDMA系统中的峰值覆盖范围是2个码片，因此三角形21是等腰的并且其长度为2个码片。

图1所示方法的第一步中，移动台以每码片两次采样的采样率对冲击响应进行采样。显然，也可以使用高于每码片两次采样的采样率。但是在这种情况下，在下面出现的等式也要随之进行调整。

从对应于零延迟的位置开始，将得到的采样与预设的门限值进行比较。选定的门限值使得误警率低于要求值，同时又要保证以要求的概率检测到实际峰值。为此，门限值可以根据例如所接收信号的信号强度来改变。

在位置x₀处的第一采样超过了门限值，它被认为是一个“冲击”，也就是采用最短传播路径的冲击响应中的信号脉冲的边缘检测。

下面将进行三种可能情况的区别。

当位置x₀处的第一采样的强度A(x₀)小于位置x₁处的第二采样的强度A(x₁)时，有两种可能的情况。

在第一种可能的情况S₁中，位置x₁处的第二信号的强度A(x₁)大于位置x₂处的第三信号的强度A(x₂)。第一种情况S₁可由下面的集合给出：

S₁∈[A(x₀)＜A(x₁)]∩[A(x₁)≥A(x₂)]

在第一种情况中，已经检测到一个单独路径，并且峰值位于位置x₀和位置x₂之间的某处。这种情况下，可利用三个值A(x₀)、A(x₁)和A(x₂)进行内插，以便找到更精确的峰值位置。

图3是说明这种情况的一个例子。图中示出了在采样的各个位置x₀、x₁和x₂处的三个采样的强度A。另外，脉冲形状的三角形模型31用虚线表示。三个采样的信号强度等于三角形在对应位置的值。可以看出，第一采样位于峰值32的左侧，第二和第三个采样位于峰值32的右侧。在这种情况的另一个例子中，第二个采样也可以位于峰值的左侧。零延迟位于三角形31左边的某处。

内插可以应用“首尾相减(early minus late)”技术。使用此技术估计的峰值位置x_p以及由此得到的延迟由下式给出：

$x_1+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_2\right)-A\left(x_0\right)}{A\left(x_2\right)+A\left(x_0\right)}\right]$

其中第二项的单位是码片。

图3示出上述例子中得到的峰值位置x_p的估计。如果信号强，就可以得到完美的延迟估计的内插。该误差取决于SNR。

相反地在第二种可能的情况S₂中，位置x₁处的第二信号的强度A(x₁)小于位置x₂处的第三信号的强度A(x₂)。从而第二种情况S₂可由下面的集合给出：

S₂∈[A(x₀)＜A(x₁)]∩[A(x₁)＜A(x₂)]

这样的采样强度分布表现为多径传播，将会引起所谓“粗手指(fatfinger)”现象。当基站发射的脉冲通过几条路径传播到移动台的时候，第二种情况中的结果更为特殊，并且到达移动台的第一脉冲，例如在视距路径上传播的脉冲和接下来的第二脉冲相重叠。

图4是说明第二种情况的一个例子。图4同样示出在采样的各个位置x₀、x₁和x₂处的三个采样的强度。此处的两个重叠的三角形41、43，分别作为到达移动台的脉冲的模型，另外用虚线示出。第一采样的信号强度为A(x₀)，其位于第一脉冲41的峰值42左侧的位置x₀处，第二采样的信号强度为A(x₁)，其位于第一脉冲41的峰值42左侧的位置x₁处。位于位置x₂处的接下来的第三采样由于包含第二脉冲43的一部分，其信号强度A(x₂)大于第二采样的信号强度A(x₁)。

因此，位置x₂处的第三采样值不可靠。但是，可以利用第一和第二采样降低第一采样的不精确度。第一脉冲41的峰值42的位置x_p可用下式估计：

$x_0+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_1\right)}{A\left(x_1\right)+A\left(x_0\right)}\right]$

其中第二项的单位是码片。

在此估计中有两种极端情况产生的两个误差的结合。在第一种极端情况中，第一采样的位置x₀接近第一个三角形41的顶端42，因此由于缺少可靠的第三采样的信息造成的最大误差为+0.25码片。在第二种极端情况中，第一采样的位置x₀接近第一个三角形41的底部，因此由于缺少可靠的第三采样的信息造成的最大误差为-0.25码片。

当冲击接近第一路径信号的顶部而且下一路径信号很强，即A(x₁)＞＞A(x₀)的时候，多径干扰可能造成最大额外+0.25码片的误差。延迟估计中的多径误差通常为正。

在位置x₀处的第一信号的强度A(x₀)不小于位置x₁处的第二信号的强度A(x₁)的情况中，给出第三种可能的情况S₃，其可由下面表示：

S₃∈[A(x₀)≥A(x₁)]

在第三种情况中，可假设位置x₀处的第一采样接近峰值。但第一采样仍不一定就准确位于峰值的位置。

图5示出的是第三种情况的例子。图中示出位置x₀、x₁和x₂处的三个采样的强度的图。另外，脉冲波形的三角形模型51仍然用虚线表示。可以看出全部三个采样都位于三角形51的峰值52的右侧。位置x₂处的第三采样没有产生超过预设门限值的信号强度。

为了得到精确的峰值位置x_p的信息，必须确保峰值52两侧的信息都能够获得。为此目的，需要另外考虑位置x_-1处的更早的采样。图5同样示出位置x_-1处的前面的采样的信号强度A(x_-1)。在更早的采样位置x_-1和第二采样位置x₁之间进行内插。这样，情况就基本和前面描述的第一种情况相符。

和第一种情况一样，内插也可应用“首尾相减”技术。这样可给出估计的峰值位置x_p：

$x_0+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_1\right)-A\left(x_{-1}\right)}{A\left(x_1\right)+A\left(x_{-1}\right)}\right]$

其中第二项的单位是码片。

在图5的例子中，得到的峰值位置x_p的估计位于位置x_-1和位置x₀之间。

综上所述，根据上述方法在任何情况中估计的误差可限制在值-0.25到+0.25码片之间。多径误差可能加入最大+0.25码片。估计中不需要考虑取决于信号强度的偏差。信号越强，误差越小。强信号的平均误差远小于0.25码片。这对应于在蜂窝式3G网络中如果没有多径传播时的估计精确度±20m，以及如果存在多径传播时的精确度-20m到+40m。

本发明的第二实施方式同样利用脉冲波形的三角形模型，但是已知的实际脉冲波形为平方根升余弦脉冲波形，其可用下面的等式表示：

$g\left(\frac{t}{T}\right)=C\frac{\cos \left[(1+\mathrm{\β})\frac{\mathrm{\πt}}{T}\right]+\sin \left[(1-\mathrm{\β})\frac{\mathrm{\πt}}{T}\right]{\left(4\mathrm{\β}\frac{t}{T}\right)}^{-1}}{1-{\left(4\mathrm{\β}\frac{t}{T}\right)}^2}$

图6用实线示出对应的平方根升余弦脉冲波形65，用虚线示出三角形模型61。可以看到在±1码片之内的两个波形61、65的差别很小。在这种情况中由波形差别造成的误差小于5％。

为了进一步改善延迟估计，除了参照图1描述的步骤，还考虑了波形模型61与实际脉冲波形65的偏差。

更具体地，使用不同的加权系数对内插中使用了其信号强度A(x)的采样首先进行加权，以补偿波形的差异，下面将通过举例进行解释。

图6所示的情况与图3中所示的第一种情况基本对应。因此，实际内插使用位置x₀处的第一采样和位置x₂处的第三采样。位置x₀处的第一采样具有测量的信号强度A(x₀)，该信号强度A(x₀)超过三角形61在此位置处的值。因此，这个强度A(x₀)将被加权减小。相反地，位置x₂处的第三采样具有测量的信号强度A(x₂)，该信号强度A(x₂)低于三角形61在此位置处的值。因此，强度A(x₂)被加权增大。这样，平方根升余弦曲线逼近三角形曲线，适用于三角形的内插规则也可应用于平方根升余弦脉冲波形。

接下来如上面参照图1所描述的，对加权后的采样进行内插。

在根据本发明的方法的第三实施方式中同样利用脉冲波形的三角形模型，实际的脉冲波形为如图6所示的平方根升余弦脉冲波形。

然而，在此实施方式中，脉冲峰值的位置估计首先参照图1所述进行完整地计算。模型和实际脉冲的波形61、65之间差异的补偿将仅在后续步骤中进行。

对于该补偿，估计的位置x_p根据脉冲65的峰值62两边采样的幅度以及脉冲65的波形进行修正。例如，当将参照图1所述的方法应用于图6的例子中时，将会产生负偏差。此误差在乘上一个由位置x₀、x₁和x₂处采样的幅度产生的乘数因子之后被减小。

值得注意的是上述的实施方式只是构成本发明的多种可能的实施方式之一。

Claims (16)

1.一种确定接收机所接收的信号中脉冲峰值位置(x_p)的方法，所述方法包括：

-对所述接收的信号进行采样；

-确定至少三个采样，其中至少一个采样的信号强度超过门限值；以及

-根据至少两个所述确定的采样的内插确定所述脉冲峰值位置(x_p)，根据所述至少三个确定的采样的信号强度选出所述至少两个采样，其中内插包括对所述至少两个采样的所述信号强度的评估。

2.根据权利要求1的方法，其中为所述至少三个确定的采样的信号强度的不同分布，提供不同的用于所述内插的等式。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述的至少两个采样是另外根据所述脉冲波形的模型(31、41、51、61)选出。

4.根据前面的权利要求之一的方法，其中用于所述内插的等式根据所述脉冲波形的模型(31、41、51、61)确定。

5.根据权利要求3或4的方法，其中所述的脉冲波形的所述模型(31、41、51、61)为三角形波形。

6.根据权利要求5的方法，其中，在下面的情况中，估计所述峰值的位置为： $x_1+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_2\right)-A\left(x_0\right)}{A\left(x_2\right)+A\left(x_0\right)}\right]$ 码片所述情况是第一位置x₀处确定的采样的信号强度A(x₀)小于后面第二位置x₁处确定的第二采样的信号强度A(x₁)，并且所述第二采样的信号强度A(x₁)大于后面第三位置x₂处确定的第三采样的信号强度A(x₂)。

7.根据权利要求5或6的方法，其中所述的脉冲宽度为大约两个码片，其中所述的采样率为每码片两个采样，并且其中在下面的情况中，估计所述峰值的位置为：

$x_0+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_1\right)}{A\left(x_1\right)+A\left(x_0\right)}\right]$ 码片所述情况是第一位置x₀处确定的采样的信号强度A(x₀)小于后面第二位置x₁处确定的第二采样的信号强度A(x₁)，并且所述第二采样的信号强度A(x₁)小于后面第三位置x₂处确定的第三采样的信号强度A(x₂)。

8.根据权利要求6到7之一的方法，其中所述的脉冲宽度为大约两个码片，其中所述的采样率为每码片两个采样，并且其中在下面的情况中，估计所述峰值的位置为： $x_0+\frac{1}{2}\left[\frac{A\left(x_1\right)-A\left(x_{-1}\right)}{A\left(x_1\right)+A\left(x_{-1}\right)}\right]$ 码片所述情况是第一位置x₀处确定的采样的信号强度A(x₀)大于后面第二位置x₁处确定的第二采样的信号强度A(x₁)，

其中A(x_-1)为第三位置x_-1处确定的所述第一采样之前的第三采样的信号强度。

9.根据权利要求4到8之一的方法，其中在所述内插之前，根据已知的所述脉冲波形的所述模型(61)与实际脉冲波形(65)之间的偏差，对所述内插中使用的采样的信号强度执行加权。

10.根据权利要求4到8之一的方法，其中根据已知的所述脉冲波形的所述模型(61)与实际脉冲波形(65)之间的偏差以及所述采样的信号强度，对根据所述内插确定的位置(x_p)执行校正。

11.根据前面权利要求之一的方法，其中所述的至少三个采样为连续的采样。

12.一种设备，包括用于根据前面的权利要求之一确定接收机所接收的信号中脉冲峰值位置(x_p)的装置。

13.根据权利要求12的设备，其中所述设备由所述接收机提供。

14.根据权利要求12的设备，其中所述设备为所述接收机的外部设备并且所述设备还包括用于从所述接收机接收所述接收信号的信息的装置。

15.根据权利要求14的设备，其中所述设备为蜂窝通信系统的网络元件。

16.一种蜂窝通信系统，包括根据权利要求12到15之一的设备。

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