CN1846358A

CN1846358A - 用于接收dsss信号的方法和系统

Info

Publication number: CN1846358A
Application number: CNA2004800251470A
Authority: CN
Inventors: A·D·塞尔斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: CN100566194C; GB0320576D0; JP5138072B2; JP2011193528A; GB0329067D0

Abstract

一种接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的方法、无线电系统(10、12)和低成本接收机(12)使用通频带比DSSS信号的带宽更窄的信道滤波器(46)。选择性地，在一个至少包括该传输信号的带宽的频带上逐步地扫描信道滤波器(46)，根据最好的相关系数选择可接受的工作频率。选择性地，可变换信道滤波器(46)的带宽来改善接收质量。

Description

用于接收DSSS信号的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的方法和接收机，以及一种无线系统。本发明在例如低成本无线网络这样的低成本无线电系统中具有特殊应用，但不排除其他应用。

背景技术

传统地，无线电发射机和接收机都包含通过石英晶体实现的精确频率基准。因为发射机和接收机双方都精确地知道频率，所以接收机滤波器可以使用微调块精确地与发射频谱匹配。在接收机集成电路中引入微调块不但很复杂而且要求芯片面积相对较大。不可避免，这样会使接收机芯片相对昂贵，妨碍降低接收机的价格。减少微调块中的元件数目，例如省去相对昂贵的石英晶体，将不利地影响传统接收机的性能。

发明内容

本发明的目的是降低无线电接收机的成本。

依照本发明的一个方面，提供一种接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的方法，该方法包括下变换DSSS信号，在带宽比DSSS信号的带宽更窄的信道滤波器中对下变换的DSSS信号进行滤波，用一个与扩展频谱时所用的序列相等的序列来和过滤后的信号相关。

依照本发明的第二方面，提供一种包括主站和至少一个次站的无线系统，其中主站有用于发送直接序列扩展频谱(DSSS)信号的装置，次站中包含的接收机具有用于下变换DSSS信号的下变换装置，用于过滤下变换DSSS信号的信道滤波器，该信道滤波器的带宽比DSSS信号的带宽更窄，以及用于将过滤的信号与在扩展该频谱时使用的序列相关的相关装置。

依照本发明的第三方面，提供一种用于接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的接收机，该接收机有用于下变换DSSS信号的下变换装置，用于过滤下变换的DSSS信号的信道滤波器，该信道滤波器的带宽比DSSS信号的带宽更窄，以及用于将过滤的信号与在扩展该频谱时使用的序列相关的相关装置。

在该说明书和权利要求中，“更窄的”带宽意指信道滤波器的3dB带宽实质上不大于DSSS信号的3dB带宽(即在说明书序言部分一般提及的传统接收机中匹配的滤波器带宽)的3/4，但更典型地不大于1/2。

本发明基于以下的认识：至少对于DSSS信号，可以使用比通常使用的信道滤波器的带宽更窄的信道滤波器接收传输信号。这与传统的做法形成对比，在传统的做法中，滤波器带宽与信号带宽匹配，根据良好的灵敏度选择滤波器带宽，同时拒绝相邻信道信号。传统的滤波器需要调谐，因为如果滤波器失调，它将允许通过在相邻信道中的不合需要的信号。相反，更窄带宽的信道滤波器即使失调也将自动地拒绝相邻信道，因此避免调谐以及提供调谐元件的需要。

更窄带宽的信道滤波器确保接收机即使在传输信号和信道滤波器的中心频率之间发生有限的频率漂移时也能继续获得传输信号。可以使用这个方法制造接收机，该接收机有集成的无源频率确定元件，其通常有5％和10％之间的准确度，并可以避免使用相对昂贵的石英晶体。

在本发明的实施例中，信道滤波器的带宽实质上是DSSS信号带宽的一半。

至少一部分由使用较窄带宽的信道滤波器引起的在灵敏度方面的损失可以通过增加传输信号功率的方式抵消，比方说3dB。

在避免需要调谐与必须接受在灵敏度方面的损失之间有一种平衡。使用了比传输信号的带宽更窄的信道滤波器之后，如果使用调谐块，它可以是相对比较粗糙的调谐块，比微调块具有更少的元件和更低的复杂度。

每次无线网络中指定的或者活动着的基站联系新的从属站时便使用粗调谐块来执行调谐过程。即使从属站已经在无线网络中登记也可能不时重复调谐过程，以确保它保持至少粗略地调谐到基站发射机。

在本发明的改进中，在频率下变换接收信号时使用的参考信号发生器的输出频率是可调节的，在运行中，调整参考频率直到在接收的DSSS信号和本地产生的直接序列之间实现可接受的相关。

在另一个改进中，逐渐地改变信道滤波器的带宽以改善DSSS信号的接收。

附图说明

现在根据附图描述本发明，其中：

图1是依照本发明的低成本无线网络实施例的框图，

图2用图解法举例说明已发送DSSS信号的频谱，

图3A和3B用图解法举例说明带宽大约为已发送DSSS信号带宽的75％的信道滤波器的上下限，

图4A和4B用图解法举例说明带宽大约为已发送DSSS信号带宽的50％的信道滤波器的上下限，

图5举例说明DSSS信号的频谱实例，

图6是关于不同信道滤波器带宽的误码率(BER)的图形，

图7是举例说明频率偏差对BER的影响的图形，

图8是依照本发明的方法实施例的流程图，

图9包括图表A、B、C和D，举例说明依照本发明的方法的变形，其中信道滤波器的带宽相对于已发送DSSS信号的中心频率漂移，和

图10是将次站接收机与主站发射机对准的流程图。

在图中，相同的参考数字用于指示对应的特征。

具体实施方式

参考图1，低成本无线网络包括主站(或者基站)10和多个次站(或者便携式站)12，为了清楚起见，仅举例说明一个次站。无线网络设计在2.4GHz ISM频带中使用，该频带的宽度大约85MHz，大约3.5％的带宽比(fractional bandwidth)。主站10包括一个包含发射机部分TX10和接收机部分RX10的收发信机，次站同样包括一个包含发射机部分TX12和接收机部分RX12的收发信机。两种站都有其他的组成部分，但是因为他们与理解本发明无关，因此没有显示。使用对映的(±1)11比特巴克序列(Barker sequence)跨越整个频带扩展由发射机部分TX10发送的信号。在下文的描述中，这种直接序列扩展频谱信号被称为DSSS信号。

发送部分TX10包括数据源14，其耦合到DSSS信号发生器16。代码存储器18存储11比特巴克序列，使用结晶22稳定其输出频率的参考频率源20被耦合到信号发生器16。信号发生器16的DSSS信号输出端耦合到调制器24的第一输入端。参考频率源20的输出端耦合到调制器24的第二输入端。天线26耦合到调制器24的输出端。

接收部分RX10包括频率下变换器28，下变换器28的第一输入端耦合到天线26，第二输入端耦合到参考频率源20。稍后将解释在主站10的天线26中接收的信号是带宽比通过主站10发送的信号的带宽更窄的DSSS信号。宽带信道滤波器30耦合到频率下变换器28的输出端，它将通过任何落在它的通频带内的窄带信号。解扩展和相关级32耦合到宽带信道滤波器30的输出端以及代码存储器18的输出端。基带输出级34耦合到级32的输出端提供数据信号输出。

现在参考次站12，接收机RX12包括频率下变换器42，其信号输入端耦合到天线40。参考频率发生器44向频率下变换器42提供本机振荡器信号f_L0。参考频率发生器44是具备无源、可集成频率确定元件的低成本设备。所产生的频率的容差和稳定性取决于用来制造接收机RX12集成电路的过程的特性。作为一项成本节约措施，不提供例如石英晶体的频率稳定元件。然而，参考频率发生器44的结构对执行依照本发明的方法来说不重要。

在信道滤波器46中过滤来自频率下变换器42的下变换后的DSSS信号，信道滤波器46的带宽比通过主站10发送的信号更窄。使用一连串触发器、用已知方式实现的滑动相关器48被耦合到信道滤波器46以接收过滤后的DSSS信号。滑动相关器48还有用于接收从参考频率发生器44推导的定时信号的输入端和接收用于在发射机TX10中扩展信号的11比特巴克码的副本的输入端，所述代码被保存在代码存储器50中。输出级52耦合到滑动相关器48的输出端来提供信号输出，例如数据信号或者存在信号的指示。

相关系数级54耦合到滑动相关器48的输出端。相关系数级54的输出端耦合到微型控制器56的输入端。滑动相关器48产生用得自信道滤波器46的当前输入信号实现的相对相关度的指示。当相关系数级54将该指示与参考值或者参考值的范围进行比较时，如果依照预定的标准认为指示是可接受，那么认为接收机RX12已经获得传输信号，微型控制器56控制接收机RX12保持通电，在输出级52提供输出信号，但是替换地，如果指示被视为不能接受，那么接收机RX12恢复睡眠方式或者断电。

次站12的发射机TX12包括耦合到DSSS级62的数据输入级60。参考频率发生器44和提供11比特巴克码的代码存储器50的输出端都被连接到级62。然后在调制器64中调制级62输出的DSSS信号，将结果提供给天线40用于传播到主站10。

这个由次站12发送的信号的带宽比由主站10发送的DSSS信号的带宽更窄。由于这种窄带DSSS信号位于它的信道滤波器30通频带内，接收机RX10在处理这种信号时没有困难，即使当发射机TX12的中心频率不能完全地与接收机RX10的本机振荡频率对准，接收机RX10也可以处理这种窄带DSSS信号。

图2用图解举例说明主站10发送的DSSS信号的带宽。举例说明的频带有中心频率f_C，上、下频率限制分别为f_U和f_L。依照本发明，信道滤波器46的带宽小于传输信号的带宽，并且实质上理想地集中在传输信号的中心频率f_C上。然而由于包括元件容差和温度影响在内的各种原因，这个理想方案并不是很成功，信道滤波器带宽的中心可能不同于f_C。同样带宽也会漂移。虽然如此，假如接收到DSSS信号，并且获得可接受的相关系数，或者具有可接受的误码率(BER)，那么认为次站已经获得传输信号。

图3A和3B分别举例说明了其3db带宽对应于传输信号的3/4(或者75％)的信道滤波器的情况。在图3A中，滤波器带宽的下边带频率相当于f_L，在图3B中，滤波器带宽的上边带频率相当于f_U。因此，信道滤波器46的中心频率可能漂移或者失配±1/8的发射带宽，并且仍然能够接收传输信号，而不接收相邻信道的信号。

如图4A和4B所示将信道滤波器带宽变窄到发射机带宽的一半(或者50％)，其中图4A显示频率下限，图4B显示频率上限，使得滤波器46的中心频率可能漂移或者失配±1/4的发射带宽，仍然能够接收传输信号而不接收相邻信道的信号。

如果滤波器带宽至少部分地位于频率f_U或者f_L之外，那么接收信号的质量将被损坏，误码率将渐渐变到不会被认为是已经获得所需信道的程度。如果存在相邻信道信号，他们不会与接收机的代码有联系，而是表现为噪声。

参考图5，主站10发送的DSSS信号的扩展频谱包括集中在55MHz仿真载波频率的波瓣(lobe)序列。在实际的应用中，发射频谱的外叶(outer lobes)被后端的调制滤波滤除，但是这样影响中心波瓣、主瓣的解调。更特别地，传输信号包括由11-比特巴克序列扩展的BPSK信号，其具有1MHz的数据速率。因此码率是11MHz，系统采样率是275MHZ，即过采样25倍。模拟的信道滤波器46(图1)是20抽头的巴特沃斯滤波器，用于模拟的3dB-3dB带宽是(a)22MHz，其将信道滤波器的3dB点设置发射频谱的第一零点，(b)9.75MHz，其将信道滤波器的3dB点设置在发射频谱的3dB点上，(c)4.87MHz，其是前一值的一半。信道滤波器最初被设置为期望信号的中心频率。

图6显示测量的接收机误码率(BER)的结果。随着信道滤波器带宽从22MHz(曲线X)减少到9.75MHz(曲线Y)，该系统的性能降低大约0.6db。对这种结果的一种解释是大部分由系统携带的信息仍然属于9.75MHz带宽以内。在传统的接收机中这是3dB带宽。

随着信道滤波器带宽减少到低于传统3dB带宽9.75MHz到4.87MHz(曲线Z)，该系统的性能降低大约3.3dB。虽然如此，发现仍能以这种降低的性能运行。可能通过例如增加发射机功率补偿这种降低了的性能。

图7举例说明频率偏移对误码率的影响。当滤波器没有集中在发射频谱时，由于在滤波器中接收的传输功率更小和频谱上的能量分布被改变的事实，而引起信号降低质量。然而这种系统可以容许相当大的偏移量，例如对于双倍的误码率，大约3.5MHz(4.87MHz滤波器)。

当偏移量是11MHz(也就是说，信道滤波器在发射频谱的零点)时，尽管由于信号振幅非常小而导致BER被严重地降低，但理论上可能恢复一些信息。

图8是概述所述操作的流程图。块70涉及接通或者唤醒次站12(图1)。块72涉及接收机RX12(图1)接收DSSS信号。块76涉及DSSS信号被频率下变换，以及在信道滤波器46(图1)过滤混合的结果来形成有更窄带宽的信号。块78涉及使用滑动相关器48(图1)试图相关这些更窄带宽的信号。块80涉及相关系数级54(图1)确定相关度并提供系数或者其他适当的指示。在块82中，检查以查看系数是否可接受。如果是(Y)，认为接收机RX12已经获得传输信号，在块84恢复数据。如果系数是不能接受的(N)，流程图返回到块70，接收机被断电或者进入睡眠模式。

在参考图1所述的本发明实施例的变形中，信道滤波器可以在频率范围上进行粗糙地调谐，其中频率范围可以超过发射带宽的频率范围。在这个变形中，参考频率发生器44在微型控制器56的输出端58的控制下可调。参考频率发生器44包括至少一个集成的频率确定元件，例如可变电抗器。

在运行中，如果相关度被认为很低，则该相关度指示信道滤波器46不属于已接收DSSS信号的带宽中心以内，或者没有足够地接近该中心，那么相关系数级54产生适当的输出，将其提供给微型控制器56。微型控制器56在其输出端58发送适当的调谐信号，该信号引起参考频率发生器44改变本机振荡频率f_L0。对不同的本机振荡器频率重复循环操作，直到从相关系数级54获得可接受输出为止。替换地，制定循环顺序，在其中改变本机振荡频率f_L0来扫描整个DSSS信号带宽。微型控制器56检查由相关系数级54获得的系数，该微型控制器56选择能产生最好的或者可接受的系数的本机振荡频率f_L0。两种情况中，认为接收机RX12与发射机TX10是合调的。

如果主站10与特殊的次站12接触相对长的时间，那么为了防止由于本机振荡频率f_L0的过度漂移引起的信号损失，微型控制器56开始又一次扫描。

当次站12加入无线局域网(WLAN)或者在静止之后变得活动时，执行接收机RX12的调谐。

现在参考图9描述信道滤波器46的频移，图9中包括图A、B、C和D。

图A类似于图2，举例说明主站10发送的DSSS信号。图B举例说明信道滤波器46(图1)对于本机振荡频率第一数值f_L01的位置。比较图A和B，在信道滤波器46和传输信号之间明显没有重叠，所以滑动相关器48(图1)不会检测到任何相关，相关系数级54(图1)将产生适当的低输出，它可能是一个绝对值或者仅仅是低的/不可接受的指示。任何相邻信道干扰同样有低的相关系数。

图C举例说明本机振荡频率f_L02的情况，在此本机振荡频率中信道滤波器46恰好处于DSSS信号带宽之内，从而产生高相关度。因此，相关系数级54将提供高的或者可接受的指示。

图D举例说明本机振荡频率f_L03的情况，此本机振荡频率引起信道滤波器46部分地重叠DSSS信号带宽的高的末端，从而产生低的相关度。因此，相关系数级54将提供低的或者不能接受的指示。

一旦已经完成本机振荡器频率的扫描，那么微型控制器56选择本机振荡频率f_L02作为能够产生最好相关系数或者最好BER的最佳频率。在已经完成采集之后，可以引入各种改进(未示出)以处理或者提高对已接收DSSS信号的处理。

图10是概述图9所述操作以及在下文所述处理中的变形的流程图。块70涉及接通次站12(图1)。块72涉及接收机RX12(图1)接收DSSS信号。块74涉及接收机RX12设置本机振荡频率f_L0。块76涉及使用设置的本机振荡频率对DSSS信号进行频率下变换，在信道滤波器46(图1)过滤混合结果来形成有更窄带宽的信号。块78涉及使用滑动相关器48(图1)试图相关这些更窄带宽的信号。块80涉及相关系数级54(图1)确定相关度并提供系数或者其他适当的指示。在块82中，检查以查看系数是否可接受。如果是(Y)，认为接收机RX12已经获得传输信号，在块84恢复数据。如果系数是不能接受的(N)，流程图返回到块74，设置另一个本机振荡频率f_L0，并重复该循环。

现在通过图10中的块86、88、90和92举例说明并描述该处理的变形。块86插入到块80和82之间，用来检查是否应该扫描本机振荡频率f_L0，如果回答是不(N)，流程图进行到块82，诸如此类。如果回答为是(Y)，那么在块88中，微型控制器56实施扫描，通过存储相对各个本机振荡频率的相关系数来查找最好的本机振荡频率。在块90中，检查以查看是否已经使用最后的本机振荡频率f_L0。如果回答是不(N)，那么流程图返回到块74。如果回答为是(Y)，则流程图进入块92，确定哪个本机振荡频率产生能最好的系数并向恢复数据的块84提供适当的输出。

当选择信道滤波器46的带宽时，应该考虑参考频率发生器44的准确度和稳定性以及允许的最大查找时间。在模拟时，已经认为可接受50％的发送DSSS信号带宽，75％的带宽是上限。

在依照本发明的方法另一个变形中，信道滤波器46的带宽被改变，例如按照步骤逐渐地减少以避免相邻信道干扰。操作顺序类似于参考图10所述的顺序，但是区别在于用改变滤波器带宽的操作替换块74表示的操作，并且不需要块86、88和90。

在当前的说明书和权利要求中，在元件之前的措词“一个”并不排除存在多个这种元件。此外，措词“包括”不排除在那些所列出的元件或者步骤之外还存在其他元件或者步骤。

根据阅读当前公开内容，其他修改对本领域技术人员来说也是显而易见的。这种修改可以包括在设计、制造和使用低成本无线电时已知的其他特征以及为此的组合部件，这些特征可以代替在此已经描述的特征使用或者除它们之外另外使用。

Claims

1.一种接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的方法，包括下变换DSSS信号，在带宽比DSSS信号的带宽更窄的信道滤波器(46)中过滤下变换的DSSS信号，用一个与扩展频谱时所用的序列相等的序列来和过滤的信号相关(78)。

2.如权利要求1所述的方法，包括依照预定的标准确定(80、82)是否可接受相关度，如果可接受，则提供输出信号。

3.如权利要求2所述的方法，包括改变信道滤波器(46)的中心频率，监控每个中心频率的相关度，以及选择提供可接受的相关度的中心频率。

4.如权利要求1、2或者3所述的方法，其中信道滤波器(46)的带宽基本上是DSSS信号带宽的一半。

5.一种包括主站(10)和至少一个次站(12)的无线系统，主站(10)具有用于发送直接序列扩展频谱(DSSS)信号的装置(TX10)，次站包括接收机(RX12)，所述接收机具有用于下变换DSSS信号的下变换装置(42)，和用于过滤下变换的DSSS信号的信道滤波器(46)，信道滤波器(46)的带宽比DSSS信号的带宽更窄，以及相关装置(48)，用一个与扩展频谱时所用的序列相等的序列来和过滤的信号相关。

6.如权利要求5所述的系统，接收机(RX12)包括用于依照预定的标准确定是否可接受相关度的装置(54、56)，和如果可接受相关度则提供输出信号的装置(52)。

7.如权利要求6所述的系统，接收机(RX12)还包括参考频率发生器(44)，该参考频率发生器包括用于调整它的输出频率的频率调整装置，和用于使参考频率发生器(44)调整其输出频率以提供可接受的相关度的控制装置(56)。

8.如权利要求5、6或者7所述的系统，其中信道滤波器(46)的带宽基本上是DSSS信号带宽的一半。

9.一种用于接收直接序列扩展频谱(DSSS)信号的接收机(RX12)，该接收机具有用于下变换DSSS信号的下变换装置(42)，用于过滤下变换DSSS信号的信道滤波器(46)，以及用于将过滤的信号与一个参考序列进行相关的相关装置(48)，其中该信道滤波器(46)的带宽比DSSS信号的带宽更窄。

10.如权利要求9所述的接收机，所述接收机(RX12)包括用于依照预定的标准确定是否可接受相关度的装置(54、56)，和如果可接受相关度则提供输出信号的装置(52)。

11.如权利要求10所述的接收机，还包括参考频率发生器(44)，该参考频率发生器包括用于调整它的输出频率的频率调整装置，和用于使参考频率发生器(44)调整其输出频率以提供可接受的相关度的控制装置(56)。

12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，参考频率发生器包括集成的频率确定元件。

13.如权利要求9至12其中任一个所述的接收机，其特征在于，信道滤波器(46)的带宽基本上是DSSS信号带宽的一半。