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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Empfängers, der
mit dem Rake-Prinzip realisiert ist und eine Vielzahl von Korrelatorzweigen
aufweist, die zu einem empfangenen Signal synchronisiert werden
können.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
nach dem Rake-Prinzip arbeitender Empfänger weist mehrere Zweige auf,
von denen jeder zu einer unterschiedlichen Signalkomponente synchronisiert
werden kann. Deshalb kann der Empfänger mehrere Signale gleichzeitig
empfangen. Rake-Empfänger
werden insbesondere in CDMA-Empfängern
verwendet.
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CDMA
ist ein Mehrfachzugriffsverfahren, das auf der Bandspreiztechnik
basiert und in letzter Zeit, zusätzlich
zu den früheren
FDMA- und TDMA-Verfahren, in zellularen Funksystemen eingesetzt
wurde. CDMA hat mehrere Vorteile gegenüber den früheren Verfahren, beispielsweise
die Einfachheit der Frequenzplanung und die spektrale Effizienz.
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Beim
CDMA-Verfahren wird das schmalbandige Datensignal des Nutzers zu
einem relativ breiten Band mit einem Spreizcode multipliziert, der
ein wesentlich breiteres Band als das Datensignal hat. In bekannten
Testsystemen wurden Bandbreiten von beispielsweise 1,25 MHz, 10
MHz und 25 MHz verwendet. In Verbindung mit dem Multiplizieren spreizt sich
das Datensignal auf das gesamte zu nutzende Band. Alle Nutzer übertragen
durch gleichzeitiges Verwenden des gleichen Frequenzbandes. Ein
separater Spreizcode wird über
jede Verbindung zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation
verwendet, und die Signale der Nutzer können in den Empfängern basierend
auf dem Spreizcode eines jeden Nutzers voneinander unterschieden
werden. Die Spreizcodes sind vorzugsweise derart ausgewählt, dass
sie paarweise orthogonal sind, d. h. sie korrelieren nicht miteinander.
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In
konventionellen CDMA-Empfängern
bereitgestellte Korrelatoren werden zu einem gewünschten Signal synchronisiert,
das auf einem Spreizcode basierend erkannt wird. Das Datensignal wird
im Empfänger
zum ursprünglichen
Band wiederhergestellt, indem es wieder mit dem gleichen Spreizcode
wie während
der Übertragung
multipliziert wird. Signale, die mit einem anderen Spreizcode multipliziert
werden, korrelieren im Idealfall nicht und werden nicht zum Schmalband
wiederhergestellt. Sie erscheinen somit in Bezug auf das gewünschte Signal als
Rauschen. Ziel ist es, das Signal des gewünschten Nutzers unter mehreren
interferierenden Signalen zu detektieren. In der Praxis sind die
Spreizcodes nicht orthogonal, und die Signale anderer Nutzer behindern
die Detektierung des gewünschten
Signals durch nichtlineare Störung
des empfangenen Signals. Diese von den Nutzern gegenseitig verursachte Interferenz
wird als Mehrfachzugriffsinterferenz bzw. "multiple access interference" bezeichnet.
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Für die Leistung
des Bandspreizsystems ist es von grundlegender Bedeutung, dass der
Empfänger
schnell und exakt zum ankommenden Signal synchronisiert werden kann.
Die Synchronisierung mit dem ankommenden Signal findet normalerweise
in zwei Stufen statt. Bei der Erfassung der Codephase muss das gewünschte Signal
aus der empfangenen Übertragung
lokalisiert werden, und die Phase des Signals muss mit einer Genauigkeit
von einem halben Chip bestimmt werden. Wenn dies abgeschlossen ist,
wird die Phase als synchronisiert betrachtet, woraufhin die Codephase
mit einer Coderegelschleife, die für die Aufrechterhaltung der
Phasensynchronisation verantwortlich ist, feinabgestimmt wird.
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Die
Erfassung der Codephase kann entweder mittels eines angepassten
Filters oder aktiver Korrelation implementiert sein. Das erste Verfahren ist
schnell, es ist aber nur für
kurze Codes anwendbar und es verbraucht sehr viel Strom, wenn es
digital implementiert ist. Die aktive Korrelation ist das am häufigsten
verwendete Verfahren in CDMA-Systemen. Bei aktiver Korrelation werden
Codephasen eines lokalen Korrelators in Schritten von einem halben
Chip abgetastet, und jede Phase wird mit dem empfangenen Signal
verglichen. Diese Implementierung ist wirtschaftlich vorteilhaft,
aber langsam. Die Erfassung kann durch Verwendung mehrerer paralleler Korrelatoren
beschleunigt werden, so dass der Bereich der Erfassung in mehrere
Teile aufgeteilt werden kann. Die Dauer der Erfassung ist dann natürlich kürzer.
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In
früheren
Anordnungen waren die Rake-Empfänger
derart entworfen, dass die Erfassung der neuen Codephasen auf eine
zentralisierte Weise in einem separaten Sucherzweig stattfindet.
Der Sucherzweig sucht nach für
den Empfänger
bestimmten Signalen, und separate Korrelatoren sind zum Überwachen
und Demodulieren der gefundenen Signale reserviert. Eine andere
bekannte Anordnung ist es, beim Verbinden mit dem System alle Korrelatoren
für die
Erfassung zu nutzen, und die Arbeitsweise der Korrelatoren bleibt,
wenn das gewünschte
Signal gefunden wurde, unverändert,
d. h. ein oder zwei Zweige operieren als Sucher und die anderen überwachen
das gewünschte
Signal.
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Der
Steueralgorithmus für
die Zweige des Rake-Empfängers
ist ein komplizierter Sortieralgorithmus, der, sowohl was die Software
als auch die Hardware betrifft, schwierig zu implementieren ist. Aufgrund
der komplizierten Art ist die Berechnung des Steueralgorithmus der
Zweige auch sehr zeitaufwändig,
was die Leistung des Empfängers
verschlechtert. Insbesondere die Berechnung der Zuweisung ist kompliziert
und bedarf einer erheblichen Menge an Software oder Hardware und
ist relativ zeitaufwändig.
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Die
US 5361276 offenbart eine
Rake-Empfängerstruktur,
die einen Erfassungs-Rake-Finger aufweist, der Signalkomponenten
sucht.
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Eigenschaften
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Empfänger zu
realisieren, bei dem die Rake-Zweige auf eine einfache Weise gesteuert
werden, und die Steuerung schneller ist als in den herkömmlichen
Anordnungen.
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Dies
wird durch ein Verfahren nach der im Oberbegriff beschriebenen Art
erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Korrelatorzweig
im Empfänger
nach Signalkomponenten sucht, die mit einem gegebenen Spreizcode
gespreizt wurden, nachdem er eine Signalkomponente gefunden hat, überprüft jeder
Zweig, ob ein anderer Zweig die gleiche Signalkomponente empfängt, und,
falls nicht, dann synchronisiert jeder Zweig sich selbst zu einer gefundenen
Signalkomponente, und jeder Zweig fährt damit fort, die von ihm
gefundene Signalkomponente zu verfolgen und zu empfangen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf einen Rake-Empfänger, der eine Vielzahl von
Korrelatorzweigen aufweist, die zum empfangenen Signal synchronisiert
werden können.
Der erfindungsgemäße Empfänger ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger für jeden Zweig eine Einrichtung
zum Suchen nach Signalkomponenten, die mit einem gegebenen Spreizcode
gespreizt wurden, eine Einrichtung zum Überprüfen, ob ein anderer Empfängerzweig
die von ihm gefundene Signalkomponente empfängt, und eine Einrichtung zum
Anleiten eines Zweigs zum Empfangen der gefundenen Signalkomponente,
falls kein anderer Zweig die Komponente empfängt, aufweist.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
sucht jeder Zweig in einem Rake-Empfänger nach einem Signal, das
er zu empfangen und zu überwachen
beginnt. Die Zweige des Rake-Empfängers beginnen, mit unterschiedlichen
Verzögerungen
zu operieren, um den Beginn eines schnellen Empfangs sicherzustellen.
Wenn die Zweige die unterschiedlichen Signalverzögerungen abtasten, werden die
Pegel der gefundenen Signale entweder mit einem vorbestimmten oder
einem adaptiven Grenzwert verglichen. Dies stellt sicher, dass nur
ein Signal genügend hoher
Qualität
zum Empfang ausgewählt
wird. Die erfindungsgemäße Anordnung
benötigt
keinen separaten Sucherblock oder Block, der die Zuweisung der Zweige
berechnet.
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Beschreibung der Zeichnung
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich mit Bezug auf die Beispiele
gemäß der beigefügten Zeichnung
beschrieben, in der
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1 ein
allgemeines Blockdiagramm ist, das einen erfindungsgemäßen Empfänger in
einem Bandspreizsystem veranschaulicht,
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2 ausführlich die
Struktur eines Detektors in einem erfindungsgemäßen Empfänger veranschaulicht, und
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3 ein
Blockdiagramm ist, das ein Beispiel der Struktur eines Zweiges in
einem erfindungsgemäßen Rake-Empfänger veranschaulicht.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Untersucht
wird zunächst
ein typisches CDMA-Signal. Im folgenden Beispiel wird angenommen, dass
das System BPSK-Modulation
verwendet, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken. Das
zu übertragende
Signal wird sowohl mit einem Spreizcode als auch einer Trägerwelle
cos(w0t) multipliziert. Es wird angenommen,
dass die Dauer eines Bits (Chips) im Spreizcode Tc ist.
Wenn das Signal dann mit einem Spreizcode c(t) multipliziert wird,
der eine Frequenz hat, die wesentlich größer als die Frequenz des Informationssignals
ist, spreizt sich das Spektrum des zu übertragenden Signals auf ein 1/Tc-Band. Das Signal auf dem Kanal ist verzögert, weshalb
das empfangene Signal in der folgenden Form ausgedrückt werden
kann a(k)*c(t – τ)cos(ω0t),wobei
a(k) = binäre
Daten (±1),
c(t)
= zeitkontinuierlicher Spreizcode,
ω0 =
Winkelfrequenz der Trägerwelle,
τ = Übertragungs-Zeitverzögerung.
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Im
Empfänger
muss das empfangene Signal zurück
zu einem Schmalband gebildet werden. Um dies zu ermöglichen,
muss der Empfänger
den gleichen Spreizcode wie der Sender haben, und der Code sollte
auch die gleiche Phase haben. Die Funktion beim Empfang ist es,
die Übertragungs-Zeitverzögerung τ zu schätzen. Das
Informationssignal wird durch Multiplizieren des empfangenen Signals
mit einem Spreizcode erhalten, der die korrekte Phase gemäß der folgenden
Formel hat a(k)*c(t – τ)c(t – τ')cos(ω0t),wobei τ' der Schätzwert für die Übertragungs-Zeitverzögerung ist.
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Falls
der vom Empfänger
erzeugte Spreizcode exakt die korrekte Phase hat, dann ist das Signal,
das gebildet werden kann, a(k)cos(ω0t),
was dem ursprünglichen
Träger
und datenmodulierten Signal entspricht. Falls die Phase des im Empfänger erzeugten
Spreizcodes beispielsweise um 0.5 Chip abweicht, verschlechtert
sich im Fall von BPSK die Leistung des Empfängers um 6 dB. Ein schnelles
und exaktes Erfassen der Phase ist deshalb wesentlich.
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Als
nächstes
wird die allgemeine Struktur eines erfindungsgemäßen Empfängers anhand des Blockdiagramms
von 1 untersucht. Die Figur zeigt einen Empfänger einer
Teilnehmerausrüstung, der
erfindungsgemäße Empfänger kann
sich aber natürlich
auch in einer Basisstation befinden, und die wesentlichen Teile
des Empfängers,
d. h. insbesondere die Detektierungsblöcke, sind in der gleichen Weise
implementiert wie in der Endgerätausrüstung. Der
erfindungsgemäße Empfänger weist
eine Antenne 100 auf, die ein Signal detektiert, das an
Funkfrequenzteile 102 angelegt wird, worin das Signal in eine
Zwischenfrequenz konvertiert wird. Von den Funkfrequenzteilen wird
das Signal an einen Analog-nachdigital-Wandler 104 angelegt,
worin das Signal abgetastet und in eine digitale Form gewandelt wird.
Das gewandelte Signal 106 wird an einen Detektierungsblock 108 angelegt,
wo die Kanalparameter des Signals und die im Signal enthaltenen
gewünschten
Symbole detektiert werden.
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Im
in 1 gezeigten Empfänger der Endgerätausrüstung wird
das detektierte Signal an einen Kanaldecodierer 110 und
einen Sprachdecodierer 112 angelegt, woraufhin das decodierte
Sprachsignal an einen Lautsprecher 114 angelegt wird. Falls
die Ausrüstung
eine Daten-Endgerätausrüstung ist, dann
ist der Sprachdecoder natürlich
durch einen anderen Decoder ersetzt. Ferner wird das Signal nach dem
Kanalcodierblock an andere Teile des Empfängers angelegt, falls der Empfänger ein
Basisstationsempfänger
ist. Der erfindungsgemäße Empfänger weist
ferner einen Steuerprozessor 116 auf, der die Operation
der anderen Teile steuert. Der erfindungsgemäße Empfänger weist, wie es für einen
Fachmann klar ist, natürlich
auch andere Komponenten, wie beispielsweise Filter und Verstärker, auf,
sie sind der Klarheit wegen jedoch nicht in der Figur gezeigt.
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Anhand
des Blockdiagramms von 2 wird die Struktur des Detektors 108 in
einem Empfänger, der
mit dem Rake-Prinzip
implementiert ist, ausführlicher
untersucht. Der Detektor 108 weist eine Vielzahl von Rake-Zweigen 200 bis 204 auf,
deren Eingabe das empfangene Signal 106 ist, und von denen jeder
eine Mehrwegeausbreitungs-Signalkomponente überwacht
und demoduliert. Die Ausgaben 210 bis 214 der
Zweige 200 bis 204 werden an einen Diversity-Kombinierer 206 angelegt,
worin die demodulierten Komponenten möglichst kombiniert werden können, und
Diversity-Gewinn wird somit erhalten.
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In
der erfindungsgemäßen Anordnung
sucht jeder Zweig unabhängig
nach Signalkomponenten, zu denen er synchronisiert sein könnte, und
beginnt, nachdem er eine das Kriterium bzw. die Kriterien erfüllende Signalkomponente
gefunden hat, die Komponente zu überwachen
und zu empfangen. Das Kriterium für den Empfang kann der Leistungspegel
das Signals sein, der mit einem vorbestimmten Referenzwert, der
ein fester oder sich dynamisch ändernder Referenzpegel
sein kann, verglichen wird. Wenn ein Signal gefunden wurde, das
den Referenzpegel überschreitet,
stellt der Zweig sicher, dass kein anderer Empfängerzweig die detektierte Komponente
bereits empfängt.
Falls die Phase bereits empfangen wird, fährt der Zweig mit der Erfassung
des Signals von den folgenden Codephasen fort.
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Die
Zweige des Rake-Empfängers
empfangen und überwachen
Signalkomponenten, die innerhalb eines gegebenen sogenannten Zeitfensters sind,
d. h., die Verzögerungen
innerhalb eines bestimmten Intervalls haben. Das zu empfangende Zeitfenster
ist auf eine vorbestimmte Länge
gesetzt. Beim Einstellen des Zeitfensters ist auch Adaptivität möglich. Die
Stelle des Zeitfensters wird erstmals dann gesetzt, wenn der erste
Rake-Zweig ein Signal findet, das empfangen werden kann. Dies kann
beispielsweise derart stattfinden, dass der Zweig die Anfangs- und
Endphase des Zeitfensters in Registern setzt, die für alle Zweige
sichtbar sind und die sich beispielsweise in der Steuereinheit 116 befinden
können.
Die Stelle des Zeitfensters wird später derart eingestellt, dass,
wenn der nächste
Rake-Zweig selbst ein Signal findet, er die Verfügbarkeit der gefundenen Komponente überprüft, d. h.
er untersucht, ob das Signal von einem anderen Zweig empfangen wird,
und aktualisiert, wenn die Verzögerung
verfügbar
ist, die Anfangs- und Endphase des Zeitfensters in den Registern,
beispielsweise durch Zentrieren des Zeitfensters auf die gefundenen
Codephasen.
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Die
Zweige des Rake-Empfängers
empfangen die von ihnen gefundenen Signalkomponenten so lange wie
möglich.
Der Zweig muss das Empfangen des Signals beenden, wenn es sich entweder
unter den Referenzwert verschlechtert, oder falls die Komponente
aufgrund von Änderungen
in den Komponenten der anderen Zweige außerhalb des zu empfangenen
Zeitfensters gelassen ist. Der Zweig, der sein Signal verloren hat,
sucht dann nach einer neuen Signalkomponente aus dem empfangenen Zeitfenster,
bis er eine Komponente findet, die das Kriterium erfüllt.
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Nachdem
er eine Signalkomponente gefunden hat, überprüft jeder Rake-Zweig deshalb
immer, dass die Komponente nicht von einem anderen Zweig verwendet
wird. Jeder Zweig ist mit seinem eigenen Taktsignal 216 ausgestattet,
der derart synchronisiert ist, dass jeder Zweig seinen eigenen Zeitschlitz
zum Lesen und Aktualisieren der benötigten Register hat. Das Taktsignal
steuert die Überprüfung der
Phasen der anderen Zweige und das Lesen und Aktualisieren der Zeitfenster-Register.
Aufgrund von Synchronisation liest jeder Zweig die Register zu einer
unterschiedlichen Zeit, weshalb die Register in einer kontrollierten
Weise aktualisiert werden, und die Zweige aktualisieren das Zeitfenster
nicht unabhängig
von den anderen Zweigen oder ohne deren Wissen.
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3 veranschaulicht
ausführlich
die wesentlichen Teile eines Rake-Zweigs in einem erfindungsgemäßen Empfänger. Für einen
Fachmann ist es klar, dass der Zweig auch andere Blöcke aufweist, wie
beispielsweise die Schätzung
der komplexen Koeffizienten des Mehrwegeausbreitungs-Signals, sie sind
in der Figur aber nicht gezeigt, weil sie für die vorliegende Erfindung
nicht wesentlich sind.
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Ein
Rake-Zweig in einem erfindungsgemäßen Empfänger weist erstens eine Codegenerator 302 auf,
der einen gewünschten
Spreizcode erzeugt, der eine gewünschte
Phase hat. Der Spreizcode wird an eine Korrelationseinrichtung 300 angelegt,
die gemäß bekannter
Technologie implementiert sein kann, beispielsweise mittels einem
Korrelator oder einem angepassten Filter. In der Korrelationseinrichtung wird
das empfangene Signal 106 mit einem Spreizcode multipliziert,
der vom Codegenerator 302 erhalten wird und der das gewünschte Signal
zum ursprünglichen
Schmalband wiederherstellt, falls der Code die korrekte Phase hat.
Das erhaltenen Signal wird dann weiter an einen Demodulator 306 angelegt, wo
das Signal gemäß bekannter
Technologie demoduliert werden kann. Das demodulierte Signal 210 wird
weiter an andere Teile des Empfängers
angelegt.
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Der
Rake-Zweig weist des Weiteren eine Code-Überwachungseinrichtung 308 auf,
deren Eingabe aus dem empfangenen Signal 106 und dem Ausgabesignal
des Codegenerators 302 besteht. Die Code-Überwachungseinrichtung überwacht Änderungen
der Phase der zu empfangenen Signalkomponente und steuert die Phase
des Codegenerators, so dass er die gleiche Phase wie die gewünschte Signalkomponente
hat. Der Zweig weist des Weiteren einen Steuerprozessor 310 auf,
der die Operation des Zweigs steuert. Der Steuerprozessor empfängt auch Informationen 314 von
der Code-Überwachungseinrichtung, falls
die Synchronisation mit der gewünschten
Signalkomponente verloren ist. Die Erfassung für eine neue Signalkomponente
sollte dann gestartet werden. Der Steuerprozessor 310 überprüft auch
von den Registern der Steuereinheit 116 im Empfänger, ob
die gefundene Signalkomponente bereits von einem anderen Zweig empfangen
wird. Der Steuerprozessor steuert auch die Überprüfungen und Aktualisierungen
der Zeitfenster-Register.
Beim Beginn einer Verbindung stimmt der Steuerprozessor 310 jedes
Zweigs den Zweig mittels der Steuereinheit 116 zudem so
ab, dass die Phasen der unterschiedlichen Zweige 200 bis 204 des
Empfängers
unterschiedlich sind. Es ist deshalb möglich, das Finden einer neuen Signalkomponente
zu beschleunigen.
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Der
Zweig weist des Weiteren eine Einrichtung 304 zum Suchen
nach neuen Signalkomponenten vom empfangenen Signal 106 auf.
Das Erfassen wird durch einen Befehl vom Steuerprozessor 310 gestartet,
wenn die Phase der vorher überwachten Komponente
verloren ist, oder falls der Pegel der überwachten Komponente unter
einen gegebenen Grenzwert abfällt.
Im erfindungsgemäßen Empfänger kann
die Erfassungseinrichtung 304 auch während des Empfangs als eine
Art Hintergrundprozess nach neuen Signalkomponenten suchen. Der
Vorteil ist, dass, wenn das vorher überwachte Signal verloren ist,
es möglich
ist, sofort zu einer neuen Komponente zu synchronisieren, deren
Phase als ein Ergebnis der Hintergrunderfassung detektiert wurde. Sowohl
die Code-Überwachungseinrichtung 308 als auch
die Erfassungseinrichtung 306 kann beispielsweise mittels
Korrelatoren oder angepassten Filtern implementiert sein.
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Falls
der erfindungsgemäße Empfänger in einer
Basisstation verwendet wird und derart implementiert ist, dass separate
Rake-Zweigkarten verwendet werden, können die Zeitfenster-Register,
anstatt in der Steuereinheit 116, in einem der Rake-Zweige
angeordnet sein. Des Weiteren können die
Funktionen des erfindungsgemäßen Empfängers vollständig in
Hardware implementiert sein, beispielsweise mit ASICs, um eine kompakte
Implementierung zu erhalten, oder auch mittels Hardware und Software.