KR100713661B1 - 확산 스펙트럼 시스템용 수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 확산 스펙트럼 시스템의 수신기의 동작을 위한 방법으로서, 상기 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 방법에 있어서, 상기 수신기에서 예측 신호를 생성하는 단계로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는(shifted) 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 단계; 상기 수신되는 신호의 수신되는 시간 및 주파수를 그들간에 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 단계; 상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하는 단계; 및 상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋을 결정하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다.

Description

확산 스펙트럼 시스템용 수신기{A receiver for a spread spectrum system}

본 발명은 확산 스펙트럼 원격통신 시스템들에서 적용가능하며 특히 이러한 시스템들에서 사용하기 위한 수신기들에 관한 것이다.

원격통신에 있어서, 확산 스펙트럼 시스템들의 2개의 일반적인 예들은 CDMA 및 WCDMA이다. 다른 예들은 위성 위치확인 시스템(GPS: global positioning system)을 포함한다. 위성 위치 확인 시스템은 수신기의 위치, 속도 및 시간(PVT)에 대한 정보를 제공하는, 고정밀도로 지구상의 어떤 위치를 정확히 나타내기 위한 능력을 갖는 우주 기반 위성 항법 시스템의 일 예이다. 우주 기반 위성 항법 시스템의 다른 예들은 TIMATION, transit 및 GLONASS이다.

GPS는 전형적으로 3개의 부분으로 분할된다:

- 본질적으로 위성들 및 그들이 방출하는 신호들을 포함하는 우주 부분,

- 상기 위성군(衛星群, satellite constellation)를 감시하고 유지하기 위한 제어 부분,

- GPS 수신기들, 장비, 데이터 수집 및 데이터 처리 기술들을 포함하는 사용자 부분.

상기 GPS 군(群)은 전형적으로 24시간 마다 지구 궤도를 도는 24개의 위성들로 이루어져 있다. 최소 4개의 GPS 위성들이 GPS 수신기가 정확하게 상기 수신기의 위치를 결정하기 위하여 GPS 수신기가 환히 보이는 곳에 존재해야 한다. 개요에 있어서, 각 위성은 상기 GPS 수신기가 수신하고 복호화하는 신호들을 방송하고 이들로부터 상기 신호들이 상기 수신기에 도달하는데 걸리는 시간을 계산하는데, 이것은 통과 시간으로 불리운다. 그다음 상기 수신기는 상기 위성으로부터 상기 수신기까지의 거리를 결정하기 위하여 상기 통과 시간에 전자기 방사의 속도를 곱한다. 거기에서, 상기 수신기의 3차원 거리, 속도 및 시간을 산정하기 위하여, 상기 수신기는 삼각 측량 계산을 적용한다. 삼각 측량은 상기 위성들에 의해 주어진 4개의 기준점들 간의 지점들의 교차점을 계산하는 단계를 포함하고 상기 교차점은 3차원 공간에서의 상기 위치를 고정하거나 알아낸다.

그러나 본질적으로 거리 측정은 상기 위성 및 사용자 클록의 동기화되지 않은 동작에 의해 생성되는 측정들에 흔한 에러들을 포함한다는 것은 주목되어야 한다. 이것이 GPS가 거리 측정을 실시하기 위하여 4개의 위성들을 사용하는 이유이다. 3개의 GPS 위성들로부터의 측정들은 상기 GPS 수신기가 3차원 위치를 나타내는 3개의 미지의 파라미터들을 계산하도록 허용하고, 반면에 4개의 GPS 위성들은 상기 GPS 수신기가 상기 사용자 클록 에러를 계산하여 더 정확한 시간 측정을 결정하도록 허용한다.

위성에 의해 방송된 신호들은 확산 스펙트럼 기술들을 사용하여 송신되는 무선 주파수(RF) 거리 측정 코드들 및 항법 데이터 메시지들을 포함한다. 상기 거리 측정 코드들은 상기 GPS 수신기가 상기 신호들의 통과 시간들을 측정함으로써 상기 위성 및 상기 수신기 간의 거리를 결정하도록 한다. 상기 항법 데이터 메시지들은 상기 위성의 궤도 경로에 관한 소정의 정보에 근거하고 따라서 상기 신호들이 송신되었던 시간에 상기 위성의 위치에 관한 표시를 제공한다.

위성에 의해 생성되는 부호화된 신호는 랜덤 이진 칩들(random binary chips)의 시퀀스를 나타내는 의사 랜덤 노이즈(PRN: pseudo random noise)의 형태이고, 각 위성은 한정된 간격들에서 그자체를 반복하는 유일한 PRN 시퀀스를 송신한다. GPS에 있어서, 군사용으로 예약된 10.23 MHz의 치핑 레이트(chipping rate)를 갖는 정밀 코드(P-코드: Precision Code) 및 상업용과 개인용으로 할당된 1.023 MHz의 치핑 레이트를 갖는 코스 획득 코드(C/A 코드: Course Acquisition Code)가 존재한다. 칩(chip)은 1 또는 -1이다. 상기 코드들은 2개의 L-밴드 주파수들상에서 송신된다: 1575.42 MHz의 링크 1(L1) 및 1227.6 MHz의 링크 2(L2). L1상의 상기 코드 할당들은 C/A 코드 및 P-코드이고 L2상의 코드는 P-코드 뿐이다.

상기 C/A 코드는 1023 비트의 의사 랜덤(PRN) 코드로 이루어져 있고, 다른 PRN 코드가 각 GPS 위성에 할당된다. 더욱이, 50 Hz 항법 데이터 메시지가 상기 C/A 코드상에 중첩되어 있고, 상기에 언급된 데이터를 포함한다. 따라서, 상기 수신기는 상기 특정 C/A 코드가 제출됨으로써 의사-거리 측정들을 행하기 위하여 위성으로부터 상기 신호를 이용할 수 있다.

이제 화제를 상기 수신기들로 돌리면, 오늘날 이용가능한 광범위한 GPS 수신기들이 존재하고 전형적으로 GPS 수신기의 내부 구조는 들어오는 위성 신호들을 처음 처리하는 전위부(front end), 및 상기 전위부 다음에 오는 신호 처리단들을 포함하는데, 상기 신호 처리단들은 상기 수신기들의 위치, 속도 및 시간을 결정하기 위한 알고리즘들을 적용한다.

기본적으로 상기 전위부는 슈퍼헤테로다인 수신기의 것과 유사하다. 상기 신호는 GPS 안테나에 의해 검출되고 저잡음 증폭기로 공급된다. 증폭 다음에, 상기 신호는 실행가능한 저주파수로 다운 컨버팅된다. 이것은 상기 GPS 신호를 다른 일정한 주파수 신호와 혼합하거나 주파수 변환함으로써 달성된다. 이 혼합 신호는 국부 발진기에 의해 생성된다. 2개의 신호들이 혼합될 때, 원래 주파수, 상기 두 주파수의 합 및 상기 두 주파수들간의 차가 출력된다. 다음 단들의 필터는 상기 차 주파수만을 선택하고 다른 주파수들은 제거한다. 상기 다운 컨버전 단계에 의해 생성된 차 주파수는 중간 주파수(IF: intermediate frequency)로서 알려져 있다. 그다음 상기 신호는 AD 변환기에서 아날로그에서 디지털로 변환된다. 상기 AD 변환기의 출력 레벨은 임계 레벨들을 초과하거나 그 미만으로 하강하는 레벨들을 검사하기 위하여 전압 비교기에 의해 감시되고, 자동 이득 제어는 일정한 출력 레벨을 유지하기 위하여 상기 IF 증폭기의 이득을 끊임없이 조정한다. 상기 AD 변환기로부터의 디지털 신호는 상기 거리 측정 프로세스를 다루는 몇몇 신호 처리단들에 대한 입력으로서 사용된다.

일찍이 나타낸 바와 같이, 상기 거리 측정 프로세스는, 상기 위성에 의해 송신된 신호들이 상기 수신기에 도착하는데 걸리는 시간을 재기 위하여 상기 들어오는 PRN 코드를 사용하여 상기 위성으로부터 상기 수신기까지의 거리를 계산하는 것을 목표로 한다. 이것을 달성하기 위하여, 각 수신기는 각 위성이 PRN 신호 생성기를 사용하여 송신하는 코드의 정확한 패턴을 생성하는 능력을 갖는다. 특정 위성으로부터 수신되는 상기 들어오는 신호는 칩(chip)을 송신하기 위한 시간 간격 단위로 측정되는, 상기 위성으로부터 상기 수신기까지 이동하는데 걸리는 시간이 항상 알려져있을 수 없기 때문에 내부 것과 위상이 벗어날 가능성이 있다. 특정 위성으로부터의 내부적으로 생성되고 예기되는 PRN 신호는, 그것이 비교될 때 상기 수신되는 신호와 매칭하도록 적합하게 지연되거나 위상 편이될 필요가 있다. 매칭의 세기는 상기 두 신호 단편들 간의 상관으로부터 측정될 수 있다. 상기 수신된 시퀀스의 단편을 상기 위성으로부터의 예측 신호의 대응하는 단편과 상관시키는 것이 보통이다. 상기 디지털화된 예측 신호는 주기적이기 때문에, 상기 내부적으로 생성된 시퀀스는 상기 시퀀스를 순환시킴으로써 지연될 수 있다. 상기 두 신호들을 매칭하는데 요구되었던 편이(shifting)의 양 또는 오프셋은 상기 수신기에게 상기 위성을 떠나는 신호와 상기 수신기에 도착하는 신호간의 시간 지연의 측정을 제공한다. 그다음 이 측정은 상기 거리를 유도하는데 사용된다.

원칙적으로, 상기 신호가 특별한 경로를 경유하여 상기 위성으로부터 상기 수신기까지 가는데 걸리는 시간이 알려져 있는 경우, 상기 경로를 경유하여 상기 수신기에서 도착하는 상기 신호에 비례하는 신호를 예측하는 것이 가능할 것이고 상기 상관기로부터의 출력은 상기 경로내의 에너지와 관련된 큰 양일 것이다. 그러나 이 시간 간격은 우선 무엇보다도 먼저 알려져 있지 않다. 몇몇 형태의 검색 알고리즘을 사용하여 각 중요 경로에 대한 이동의 정확한 시간을 획득하는 것이 보통이다. 상기 신호가 예측 신호의 단편을 m 편이(shift) 위치들만큼 편이시킴으로써(적어도 20 ㎳동안) 순환하기 때문에, 밀리초로 m 곱하기 상기 샘플링 기간의 지연이 시뮬레이션될 수 있다. 다양한 지연들이 시도되고 상기 상관기의 출력이 감시된다. 적합한 것이 되는 것으로 식별되는 상기 지연은 최고 상관 출력을 산출하는 지연이다. 서브 칩(sub chip) 샘플링이 채용되는 경우, (이를테면 현재 일반적인 칩당 4 샘플들) 높은 값이 상기 m 순환들중 약 4에 대해 획득된다. 이들 4개의 인접한 순환들로부터 최고 상관을 산출하는 순환은 상기 신호가 상기 위성으로부터 관찰자까지 가는데 걸리는 시간을 계산하는데 사용된다. 일단 상기 시간이 추정되면, 이 시간의 변경이 다양한 추적 알고리즘들을 사용하여 감시된다.

확산 스펙트럼 시스템들을 더 일반적으로 참조하면, 송신되는 모든 정보는 단일 수신 펄스로부터 복구될 수 없다. 예를 들어 WCDMA에 있어서 각 데이터 요소는 한 세트의 데이터 펄스들을 생성하기 위하여 개별 시스템 사용자에 특정한 일련의 포지티브 및 네거티브 비트들을 포함하는 코드를 사용하여 변조된다. 상기 전체 세트는 송신된다. 이것은 송신되는 펄스들의 서브세트만이 정확하게 수신될지라도 상기 데이터 요소의 값이 복구되도록 허용한다. 그러나, 상기 비트의 값은 아날로그 시스템들에서와 같이 개별 펄스로부터 보다는 정확하고 부정확한 모든 수신되는 펄스들을 사용하여 계산된다.

따라서, WCDMA와 같은 확산 스펙트럼 시스템들은 상기 GPS 거리 측정 프로세스와 관련하여 상기에 설명된 것들과 유사한 동기화 기술들을 널리 채용한다. 예를 들어, WCDMA 수신기에 있어서, 사용자 데이터는 스프레드 사용자 신호 및 (디)스프레딩 코드 간에 정확한 동기화가 존재한다면, 상기 수신기에 알려진 디-스프레딩 코드(de-spreading code)에 의해 원하는 스프레드 신호로부터 복구된다.

이러한 배경에 대하여, 일 태양에 있어서 본 발명은, 확산 스펙트럼 시스템의 수신기의 동작을 위한 방법으로서, 상기 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 방법에 있어서,

상기 수신기에서 예측 신호를 생성하는 단계로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는(shifted) 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 단계;

상기 수신되는 신호의 수신되는 시간 및 주파수를 그들간에 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 단계;

상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하는 단계; 및

상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋을 결정하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 수신되는 베이스밴드 신호를 이상적이지 않은-즉, 국부적 으로 재건된(즉, 수신기에서)- 신호와 상관시키는 프로세스의 결과를 계산하도록 설계된 알고리즘을 구현하는 방법 및 대응하는 수단이 제공된다. 이와 관련하여, 이상적이지 않다는 것은 사용되는 주파수가 실제 주파수(즉 송신기 주파수)와 일치하지 않고, 사용되는 시간이 실제 시간(즉 송신기 클록 시간)과 일치하지 않다는 것을 나타낸다. 주어진 세트의 시간 및 주파수에서의 상관 오프셋의 결과로서, 상기 알고리즘은 단일 프로세스에서 식별하기 하는데 이용될 수 있다: (a) 실제 오프셋들이 무엇인지, 그리고 (b) 실제 시간이 무엇인지. 종래의 CDMA 및 GPS 시스템들에 있어서, 비트 동기화, 자동 주파수 제어(AFC: Automatic Frequency Control) 및 심볼 복조는 개별 프로세스들이다. 본 발명은 이들 이슈들을 동시에 다룬다.

본 발명의 다른 태양들 및 특징들은 청구항들에서 정의된다.

본 발명이 제공하는 증가하는 감도 때문에, 본 발명은 특히 약한 신호들의 추적 및 복조에 유용하고, 따라서 송신된 신호들의 개선된 수신 및 그것의 동기화를 제공한다. 특히, 종래 기술의 방법들에 있어서, 예를 들어 빌딩내에서 들어오는 신호가 약한 경우 GPS 위치를 획득하기 위하여, 종종 긴 상관들을 수행하는 것이 필요하였다. 그러나, 본 발명에 의하여, 상관들은 짧아질 수 있어서, 이것은 송신된 비트 시퀀스의 이전 지식없이 동기화를 획득하는 것을 실현가능하게 한다. 예를 들어, 종래 기술에 있어서, GPS를 위한 상관 기간들은 약 0.5초이다. 본 발명에 의하면, 상관 기간들은 약 20 msec이다. 더욱이, 기지의 GPS에 있어서, 20 msec를 초과하여 상관시키기 위하여, 상기 칩들(chips)에 의해 변조된 데이터를 알 필요가 있다. 본 발명을 가지고 심지어 약한 신호들에 대해 여전히 비트 동기화 및 복조을 획득하면서 상관이 20 msec보다 더 짧은 기간들에 걸쳐 가능하기 때문에 이것은 필요하지 않다.

본 발명의 바람직한 특징들 및 그들의 대응하는 이점들은 본 발명의 다양한 실시예들의 하기 설명으로부터 이해될 것이다. 이러한 실시예들은 단지 본 발명을 실시하는 특정 방법들의 예들로서 주어지고, 다음 첨부한 도면들을 참조하여 설명된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 상관평면의 예를 도시한 것이다.

도 2 및 도 3은 상관평면을 획득하기 위한 블록도들이다.

도 4는 시간 및 주파수 쌍들에 대한 도면이다.

아날로그 시스템들과는 달리, WCDMA, GPS, TDD와 같은 확산 스펙트럼 시스템들에 있어서, 단일 수신 펄스는 메시지 심볼들내의 정보를 복호화하기에 충분하지 않다. 전형적으로 확산 스펙트럼 시스템들에 있어서 각 시스템 사용자는 일련의 1들 및 (-1들) 예를 들어 {1, -1, 1, -1, 1, -1}을 포함하는 유일한 코드를 갖는다. 그후 송신될 상기 비트 스트림의 각 비트는 다수의 펄스들을 생성하기 위하여 사용자에게 할당된 상기 유일한 코드를 사용하여 확산될 것이다. 펄스 스트림이 수신될 때 상기 수신된 메시지를 복호화하기 위하여 상관 동작이 수행된다. 정확하게 수신되는 확산 비트들의 수가 높을수록, 상관이 높아진다. 상기 상관은 일반적으로 상기 수신된 확산 비트들에 기지의 유일한 코드를 곱함으로써 달성된다. 상기 비트가 정확하게 수신된 경우 상기 결과는 큰 양수(positive number)일 것이다. 그렇지 않은 경우 그것은 작을 것이고 노이즈에서 유실될 수 있다. 확산 스펙트럼 시스템들에 있어서, 수신되는 에러들의 수 또는 비트 에러율은 상기 신호의 세기의 표시를 제공한다.

본 발명은 비트 동기화 및 주파수 동기화를 함께 획득하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 동기화를 위해 사용되는 신호의 일부가 수신기에 알려져 있다는 통찰을 이용한다. 상기 신호를 재건하기 위하여 상기 수신기에 의해 사용되는 상기 주파수(f) 및 시간(t)은 미지수들로 간주된다. 전형적으로 확산 스펙트럼 시스템들에 있어서, 수신기 클록은 지정된 정확성을 수행하는데 요구되고 알려지지 않은 것은 그것이 이상적인 (즉, 송신기) 클록 주파수로부터 벗어난 정도이다. 그다음 이들 미지수들을 위해 풀리는 수학식들이 설정된다.

본 발명에 따라 동작하는 수신기는 그안에 상관평면을 저장하였고, 상기 들어오는 신호는 처리되고 상기 상관평면과 비교되며, 주파수 오프셋 및 시간 오프셋의 미지의 변수들의 해답으로 이끄는 계산들이 행해진다. 상기 주파수 및 시간 오프셋들을 획득하는 이들 태양들 각각은 섹션별로 상세히 하기에 설명될 것이다. 더욱이, 본 발명을 수행하기 위한 바람직한 방법이 GPS를 참조하여 하기에 설명될지라도, 설명된 방법들이 모든 확산 스펙트럼 시스템들에 더 일반적으로 적용될 수 있다는 것은 주목되어야 한다.

상관평면 정의

본 발명의 예비 단계에서, 상관평면(correlation surface)이 정의된다. 상기 상관평면은 상기 송신기의 확산 코드들의 지식으로부터 유도된다. 따라서, 상기 상관평면은 미리 결정되고 도시될 수 있다. 도 1은 주파수 및 시간(Δf, Δt)이 각각 변화될 때 GPS 변조 신호의 경우를 위한 이상적인 상관평면을 도시한 것이다. 상기 상관평면은 평탄하고 연속적이다.

상관은 2개의 입력들이 주어지는 경우 값을 출력하는 프로세스이다. 상기 값은 상기 입력들 양자가 동일할 때 1로 설정된다. 상기 값은 상기 두 신호들의 주파수가 작은 양만큼 다를 때 감소한다. 유사하게 상기 상관의 값은 하나의 신호가 제1 클록으로부터 오프셋된 클록을 사용하여 생성된 경우 감소한다.

그러므로, 상기 상관 프로세스는 두 입력들, 시간 오프셋 및 주파수 오프셋을 갖는 함수에 의해 특징지워질 수 있다. 이 두 값을 갖는 함수는 볼록면을 표현한다.

수학적으로, 이상적인 상관평면은 다음과 같이 결정될 수 있다:

상기 이상적인 상관 함수는 시간(t)에서 정의되는데, 이것은 r[t]가 s[f0, t]와 동일했을 때 수신되는 함수의 상관 값인데, 여기에서 f0는 이상적인 주파수이다. 그다음 이상적인 상관은

에 의해 주어진다.

대부분의 경우에 있어서, 상기 함수는 고정되며 시간(t)과 관계없다.

이 경우, 상기 상관평면이 결정되고, 상기 면은 박스 스플라인들(Box Splines)을 사용하여 아마도 더 효과적으로 근사화될 수 있다. 대안적으로, 상기 면을 계산할 필요가 없다. 포인트들에서 상기 면의 값들은 도 2 및 도 3에 도시된 장치들을 사용하여 입력 테스트 비트들로서 증분 변수들

을 위해 결정될 수 있다.

더 미세한 것으로서, 프로세스들의 체인에서 IF 필터 및 상기 시스템 클록을 포함시킴으로써, 상기 IF 필터 및 상기 클록의 앨런 편차(Allen variance)에 의해 상기 시스템(예를 들어 GPS 수신기)에 전해지는 열화는 통합될 수 있다. 이들은 다른 정수 값들 i 및 j를 위해 실험적으로 결정될 수 있고 상기 상관평면은 보간 및 박스 스플라인들을 이용하여 획득될 수 있다. 상기 면이 평탄하므로, 3차 스플라인이 충분해야 한다고 믿어진다. 요구되는 상기 스플라인들의 차수는 상기 포인트들의 분리에 의존한다. 대안적으로 상기 상관평면은 룩업 테이블(look-up table)의 형태로 제공될 수 있다.

따라서 상기 상관평면은 미리 정의되고 상기 수신기의 메모리에 저장된다.

수신되는 GPS 신호의 표현

이 섹션은 상기 수신기에서 수신되는 들어오는 신호들의 수학적인 변형/표현을 제공하는데 도움이 된다.

상기 수신기에 도달할 때, 송신기에 의해 송신된 신호는 자연적이거나 인공적인 장애물들에서 반사되는, 하나 이상의 경로를 따라간다. 따라서, 신호들은 2개 이상의 다른 경로들을 따라 도착하고 서로 관련하여 시간적으로 분리된다. 최대 상관 세기의 포인트는 동기화/상관이 각 경로에 대해 일어나는 상기 칩(chip)을 식별하기 위하여 각 경로에 대해 결정될 필요가 있다.

상기 수학적 표현을 설정하기 위하여, 우선 한 세트의 변수들이 다음과 같이 정의된다:

상기 수신기의 베이스밴드에서 시간은

로 표시된다.

상기 송신기에서 시간은

로 표시된다.

수신기를 만드는데 관련된 문제들중 하나는 정확한 주파수들을 생성하는 것이다. 상기 송신기에서의 주파수(즉 원하는 송신기 주파수)는 상수인

로 표시된다.

상기 수신기가 동작하고 있는 주파수는

로 표시된다.

그다음 각 수신기와 송신기 클록들간의 차이는 fRE-f0=Foffset 에 의해 주어진다.

상기 송신기에서 송신된 신호

는 특정 변조 방식에 따른 상기 송신기 부호화 비트 시퀀스의 일반적인 표현으로서 표현될 수 있다:

Chip[l], B[k]는 기지의 알파벳(예를 들어 (0,1), (-1,1) 등)에서 얻어진다. CDMA에 있어서, Chip[l]은 모든 l=0,1,2, ..., M-1에 대해 알려진다. k0가 상수인 경우 Abs[t]>k0T에 대해 f[t]=0 이다. 그리고 여기에서 B[k}는 송신될 k번째 비트이고, T는 비트 주기이며, Tc는 상기 칩 주기(또는 심볼 주기로서 알려짐)이고, M은 상기 코드의 확산 인자이며, 따라서,

이고,

는 상기 변조기의 주파수 및 상기 변조기 클록의 시간에 의존하는 변조 함수이다. 상기 함수 g 는 상기 확산 스펙트럼 시스템, 예를 들어 GPS, WCDMA 등에 따라 변한다.

상기에 나타낸 바와 같이, 상기 수신기에서의 신호는 각 경로가 부수하는 지연을 갖는 많은 경로들을 경유하여 도착하는 신호들을 포함한다. 이것은

로서 표현될 수 있는데, 여기에서 α[m]은 신호 세기이고, m은 경로 라벨(label)이다.

Δf[m]은 상기 송신기와 상기 수신기간의 상대적인 이동(도플러 편이) 또는 상기 수신기와 관련된 신호의 반사기들중 하나의 이동에 의해 야기되는 주파수 편이(shift)이고 Δt[m]은 상기 신호가 상기 m번째 경로를 통해 상기 수신기에 도착하는데 걸리는 시간이다.

상기 신호에 대해 수행되는 상기 처리는 필터링 및 믹싱과 같은 것으로 간주될 수 있다. 이 시점에서, 단순화를 위해 상기 믹서가 고려되지 않을지라도 상기 IF 필터가 고려될 수 있다. 또한 상기 신호는 상기 베이스밴드 신호

를 나타내는데 여기에서

는 콘벌루션 연산을 나타낸다.

따라서, 다중-경로들의 결과로서 베이스밴드 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다:

인수분해는

을 제공한다.

상기 컨벌루션은 다음과 같이 표현될 수 있다:

상기 수신기 시간(

)의 식으로

이것은 베이스밴드에서 수신되는 신호의 수학적 표현이다.

시간 및 주파수 편이된 예측 신호와의 상관

상기 상관을 위한 입력들 중 하나는 베이스밴드 신호에서 상기 수신되는 신호이다. 상기 수신기의 클록에 의한 이 신호는

에 의해 주어진다.

송신되고 있는 k번째 비트의 식으로 상관을 위해 필요한 다른 신호는 하기에 정의되는 상관 신호이다:

이 상관 신호는 상기 송신기가 상기 확산 칩들(Ch[l])을 사용하여 k번째 심볼을 송신하기 위하여 생성한 신호의 국부 재생이다.

상기 수신기는 상기 신호가 상기 수신기에 도달하는데 걸렸던 시간을 확인하는 것을 목표로 한다. 그렇게 하는데 있어서 상기 수신기는 다음과 같은 상관 신호를 생성한다: n번째 경로에 대해

그리고 그것을 들어오는 처리된 신호와 상관시키는데, 여기에서

은 상기 신호가 상기 수신기에 도달하는데 걸린 시간을 상기 수신기가 형성하였던 추정치, 즉 시간 지연이다. 이 추정치는 이전에 사용되었던 값에 기초할 수 있거나(예를 들어 상기 수신기가 트랙킹 모드에 있을 때), 그것은 서치 모드에 있고 그것은 거친 획득을 얻기 위하여 상기 값을 단지 시험하고 있다. 그리고 μ는 다소의 헤르쯔(Hertz) 정도의 주파수에서의 오프셋이고, τ는 칩 주기의 작은 부분 정도의 시간에서의 작은 오프셋이다.

n번째 경로로부터 k번째 비트까지 상기 기여를 획득하기 위하여 상기 상관을 수행하는 결과는

가 되게 하는데, 여기에서

는 주파수에서 μ만큼 편이된 상기 상관의 결과이고 τ는 n번째 경로에 대한 시간에서의 오프셋이다.

상기 수학식에서 베이스밴드 신호

에 대해 대입하면,

이 되게 한다.

따라서 상기 적분을 수행하는 순서는 다음과 같이 변경될 수 있다:

이 다음에 변수의 변경이 온다. 이것은 최종 출력이 상기 상관평면과 어떻게 관련되는지에 대한 수학적 표현이다.

상기 수학식에서

상기 계산에서 상기 적분

을 콘벌루션으로 되돌려 바꾸는 것은 다음에 이르게 한다:

상관평면상에 매핑

이 섹션에서, 이상적인 신호와 상기 수신된 신호의 상기 시간 및 주파수 오프셋들은 계산식을 제공하기 위하여 상기 상관평면상에 상기 편이된 시간 및 주파수 값들과 함께 매핑된다. 상기 상관평면은 미리 정의되었다.

상기 시간 및 주파수 차이들을 상기 상관식에 이용하면,

이제 이전에 유도된 상기 상관평면은 상기 표현으로 대체될 수 있다:

상기 표현은

이고

인 경우에만 0이 아닐 것이다.

일찍이 나타낸 바와 같이, 동기화는

이고

이 되도록 값

와

을 결정하는 것을 확립하는 것을 목표로 한다.

상관평면을 이용한 상관 결과 예측

n번째 경로에 대해 시간 및 주파수 양자에서 동기화되는 수신기를 위해, 조정을 행하는 것은 필요하지 않고 이러한 상황에서 값

는

에 의해 예측될 수 있는데, 여기에서 모든 다른 경로들로부터의 기여는 0인 것으로 가정된다. 단순화를 위하여, B[k]의 값은 1로 취해진다.

상기 시스템이 완전히 동기화되지 않은 경우, 상기 시간은 예를 들어

만큼 조정될 필요가 있고 상기 주파수는

만큼 조정될 필요가 있다.

그러므로 예측되는 결과는

이 되도록 수정된다.

GPS 시스템에 대해, 오프셋들은 Hz로 μ 및 T의 단위로 τ에 의해 주어지며, 상기 상관평면은 다음과 같다.

그러므로, 주파수에서 0.1 Hz 그리고 0.1 Tc만큼의 편이(shift)를 가지고, 다음 대수적인 표현이 예기된다:

이것은 미지수들

,

및 α[m]의 식인 대수적인 표현이라는 것이 주목된다.

일찍이 수행된 상기 상관 결과의 실제 측정된 값은

에 의해 표시된다.

수신된 신호에서 아무런 노이즈도 없는 경우, 다음 수학식이 설정될 수 있다:

상기한 경우에 대해 명백해지는 바와 같이, 정확히 3개의 미지수들을 포함하 는 수학식이 획득된다.

3개의 다른 수학식들을 설정함으로써, 상기 미지수들이 결정될 수 있다. 그러나 이것은 상기 시스템에 노이즈가 존재하지 않기 때문에 엄격히 상기 경우가 아니다. 다음 대수적인 표현은 노이즈를 포함하여 설정된다.

이 표현은 실제 측정된 상관 결과에서 상기 예측되는 대수적인 표현을 감산하고 상기 감산의 결과를 제곱함으로써 획득된다.

이것은 몇몇 다른 {μ, τ} 값들을 위해 운반된다.

예를 들어, 상기 연산이 수행될 상기 세트의 값들을 TimeFreqShifts라 표시하면,

그리고 TimeFreqShifts에서 각 요소 λ에 대해 상기 예기되는 노이즈는 다음에 따라 계산된다:

여기에서

이다.

그다음 몇몇 노이즈 기여들이 미지수들

,

및 α[m]의 함수로서 상기 전체 노이즈에 대해 대수적인 표현에 함께 도달하도록 부가된다.

그리고

이다.

이 표현은 Cost라 불리운다.

상기 코스트(Cost)는 상기 설정된 TimeFreqShifts 및 상기 미지수들

,

와 α[m]의 암시적인 함수이다.

이제 어떤 표준의 수학적 방법도 상기 코스트(cost)를 가장 최소화하는 상기 미지수들을 위한 값들을 발견하기 위하여 상기 표현을 최소화하는데 채용될 수 있다.

예

예에서 본 발명의 바람직한 구현의 다음 예는 컴퓨터 프로그램 Mathematica 4에서 실행된다.

상기 값들을 찾는데 사용될 수 있는 하나의 방법이

및

에 대해 다음 예에서 주어진다.

상기 실례에 포함된 어떤 가정들도

이 되도록 정확히 하나의 경로가 존재한다는 것이다.

모든 다른 경로들에 대해 다음이 가정된다:

세기

라 하자.

B[k]=1 이라고 가정하자;

그후, 모든 시간 단위들은 Tc, 칩 주기이고 모든 주파수들은 Hz이다.

이 가정은 하나의 경로를 추적하는 시스템과 일치한다. 이들 가정들하에서 다음이 도달된다:

GPS에 대해 상기 상관평면 함수는 다음이 되도록 계산된다:

본 예에서 단순화를 위해, 각 경로를 위해 상기 상관 함수를 추정하기 위한 한 세트의 시간 및 주파수 편이 쌍들이 정의되었다.

상기 시간 편이 및 주파수 쌍들은 도 4로부터의 위상 기하학도로부터 편리하게 취해진다.

도 4는 더 많은 상관기들을 중심 주파수에 할당한 위상 기하학 함수를 도시한 것이다. 더 많은 상관기들을 가장 가능성있는 주파수에 할당하는 것이 특정 상 황의 관점에서 더 적합할 수 있다.

그다음 상기 상관

의 결과를 계산하는 것이 필요하다.

주어진 베이스밴드 신호는 주파수 및 시간에서 {μ, τ} 만큼 편이되었던 신호와 상관된다.

하나의 특정 경로에 대해 모든 다른 주파수 편이 시간 조합들을 위해

의 형태로 이것의 결과를 저장하는 것이 편리하다.

상기 리스트는 용어 OutputOfArrayOfCorrelators로 표시된다.

GPS에 대해, 상기 상관기의 결과는 다음에 이르게 한다.

이들을 리스트내에 배열하면, 이들은 유도되는 값들이다:

TimeFreqShifts

또한 알려진 것은 상기 면에 대한 공식이다.

이 경우 다음에 의해 주어진다:

이제 상기 코스트(cost) 함수는 상기 미지수들을 산출하도록 최소화될 수 있다.

몇몇 알고리즘들이 t 및 f의 불명확함에 따라 이 코스트(cost) 함수로부터 전개될 수 있다.

초기 해법을 획득하기 위하여, 상기 시간 지연 및 상기 주파수 지연 편이 값들은 최고 상관값을 가지고 상기 OutputArrayCorrelators로부터 선택된다.

0.35 Hz인 것으로 가정되었던

및 0.4 Tc인 것으로 가정되었던

의 값에 관한 이전 지식없이.

본 발명은 본 발명의 핵심적인 속성들을 벗어나지 않고 다른 특정 형태들로 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위를 나타내는 것으로서 상술한 설명보다도 첨부된 청구항들 및 여기에서의 다른 일반적인 설명들이 참조되어야 한다.

더욱이 본 명세서(용어가 상기 청구항들을 포함하는)에서 개시된 그리고/또는 도면들에 도시된 각 특징은 다른 개시된 그리고/또는 설명된 특징들과 관계없이 본 발명에 포함될 수 있다. 이 점과 관련하여 본 발명은 그것이 본 청구된 발명과 관련되는지 또는 다루어진 어떤 문제 또는 모든 문제들을 완화하는지에 관계없이 어떤 신규 특징 또는 명시적으로 여기에 개시된 특징들의 조합 또는 그것의 어떤 일반화를 포함한다.

이것과 함께 제출된 첨부된 요약서는 참조로써 명세서에 포함된다.

Claims (7)

1. 확산 스펙트럼 시스템의 수신기의 동작을 위한 방법으로서, 상기 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 방법에 있어서,

   상기 수신기에서 예측 신호를 생성하는 단계로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는(shifted) 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 단계;

   상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수와 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들 사이의 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여, 상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수를 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 단계;

   상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하는 단계; 및

   상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하고 상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 계산식을 유도하는 단계는 대안적으로 상기 시간 및 주파수 오프셋들을 갖는 상기 시간 및 주파수 오프셋 파라미터들을 상기 상관평면상에 매핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기의 동작을 위한 방법.
3. 확산 스펙트럼 시스템에서 동작하는 수신기로서, 상기 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 수신기에 있어서,

   상기 수신기에서 예측 신호를 생성하기 위한 생성 수단으로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 생성 수단;

   상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수와 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들 사이의 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여, 상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수를 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 상관 수단;

   상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하기 위한 처리 수단; 및

   상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋의 표시를 결정하고 출력하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하기 위한 비교 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
4. 확산 스펙트럼 시스템에서 수신 동작을 동기화하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체로서, 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체에 있어서,

   상기 수신기에서 예측 신호를 생성하기 위한 생성 수단으로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 생성 수단;

   상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수와 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들 사이의 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여, 상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수를 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 상관 수단;

   상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하기 위한 처리 수단; 및

   상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋의 표시를 결정하고 출력하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하기 위한 비교 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체.
5. 삭제
6. 확산 스펙트럼 시스템에서 동작가능한 수신기를 포함하는 휴대용 무선 통신 장치로서, 상기 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 휴대용 무선 통신 장치에 있어서, 상기 수신기는,

   상기 수신기에서 예측 신호를 생성하기 위한 생성 수단으로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 생성 수단;

   상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수와 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들 사이의 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여, 상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수를 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 상관 수단;

   상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하기 위한 처리 수단; 및

   상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋의 표시를 결정하고 출력하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하기 위한 비교 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 무선 통신 장치.
7. 확산 스펙트럼 시스템에서 수신 동작을 동기화하는 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체로서, 수신기에서 수신되는 신호는 수신되는 시간 및 주파수를 가지며, 송신되는 시간 및 주파수를 가지고 소정의 변조 방식에 따라 송신기로부터 송신되고, 상기 수신되는 신호 및 상기 송신되는 신호 간에 시간 오프셋 및 주파수 오프셋이 존재하며, 상기 수신기는 상기 소정의 변조 방식에 따라 미리 정의된 상관평면을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체에 있어서, 상기 동기화 방법은,

   상기 수신기에서 예측 신호를 생성하는 단계로서, 상기 예측 신호는 상기 송신기 주파수로부터 편이되는 주파수 파라미터 및 상기 송신기 시간으로부터 편이되는 시간 파라미터를 포함하는 시간 및 주파수의 함수인 생성 단계;

   상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수와 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들 사이의 각각의 상관 정도를 제공하기 위하여, 상기 수신된 신호의 수신 시간 및 주파수를 상기 예측 신호의 시간 및 주파수 편이 파라미터들과 상관시키는 단계;

   상기 상관평면을 사용하여, 상기 시간 오프셋과 상기 시간 편이를 합한 것만큼 시간적으로 이동된 그리고 상기 주파수 오프셋과 상기 주파수 편이를 합한 것만큼 주파수적으로 이동된 지점에서 상기 상관의 값을 나타내는 계산식을 유도하기 위한 처리 단계; 및

   상기 시간 오프셋 및 상기 주파수 오프셋의 표시를 결정하고 출력하기 위하여 상기 상관 정도를 상기 계산식과 비교하기 위한 비교 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 독출가능한 기록매체.

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