專利名稱：使用濾波器組定位函數(shù)峰值的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及數(shù)字濾波。特別地，本發(fā)明涉及一種使用多分辨率技術(shù)確定信號函數(shù)峰值的方法和設(shè)備。
2.發(fā)明背景通常，在諸如基于地面的數(shù)字蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，對固定網(wǎng)絡(luò)有必要確定系統(tǒng)內(nèi)移動裝置的位置。了解移動裝置相對于基站的位置允許網(wǎng)絡(luò)將移動裝置切換到其它基站，從而當(dāng)手機在網(wǎng)絡(luò)中和小區(qū)之間移動時保持信號強度和分辨率。典型地，這類系統(tǒng)通過一組基站進(jìn)行三角測量來確定移動裝置的位置，這些基站持續(xù)測量其蜂窩區(qū)范圍內(nèi)移動裝置的到達(dá)時間。這類系統(tǒng)通常測量接收到信號波形函數(shù)的峰值并根據(jù)那些峰值來估計到達(dá)時間。
在過去，已經(jīng)通過對每個信號窮舉取樣來解決定位信號函數(shù)峰值的問題。當(dāng)試圖固定值函數(shù)時，在感興趣區(qū)域內(nèi)工作的內(nèi)插器會取樣隨機或間隔相位點。例如，在IS-136數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中，已同步相關(guān)的輸出可采用取樣周期Ts＝5.144μs獲得。當(dāng)系統(tǒng)試圖定位一個移動單元的位置時，估計此相關(guān)函數(shù)的峰值需要達(dá)到大約30ns的精確度，以達(dá)到距移動裝置分辨率為9米的測距。因此取樣周期和所要求分辨率的比例大約為172。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)需要在感興趣區(qū)域內(nèi)對相關(guān)函數(shù)進(jìn)行172倍內(nèi)插，然后確定已內(nèi)插輸出的最大值。
離散函數(shù)的最大值化通常需要一個搜索過程。在傳統(tǒng)技術(shù)中，對內(nèi)插器的所有輸出都執(zhí)行此搜索過程，且基本上包括以所要求的分辨率對函數(shù)的取樣值進(jìn)行內(nèi)插。實施的特例可能包括一個線性、二項式或其它多項式擬合內(nèi)插器。
但是這些解決方案是復(fù)雜的，因為試圖定位數(shù)量相對較少的峰值點時需要系統(tǒng)處理大量的無關(guān)數(shù)據(jù)點。在任何需要檢測信號峰值的系統(tǒng)中，這犧牲了速度、處理資源和功率。尤其在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，需要對許多移動單元進(jìn)行大量計算，這種低效率變?yōu)榭赡苡绊懛涓C業(yè)務(wù)的系統(tǒng)瓶頸。
發(fā)明概述鑒于有關(guān)技術(shù)的限制和缺陷，為解決上述一個或多個問題，本發(fā)明是使用多分辨率技術(shù)確定信號函數(shù)峰值位置的一種方法和設(shè)備。當(dāng)估計峰值時所要求的精確度是函數(shù)取樣周期的一小部分時，該技術(shù)有用。
本發(fā)明可能以一種方法實施，其中包括使用預(yù)先確定的計算間隔提供函數(shù)的一個計算出的輸出點集合的步驟。隨后確定該集合的最大輸出點，且函數(shù)的輸出點僅在最大值區(qū)域內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插。已內(nèi)插輸出點的最大值逼近函數(shù)的峰值。這允許當(dāng)函數(shù)以比峰值所要求的分辨率低得多的取樣頻率可獲得時，可以精確地檢測函數(shù)的峰值。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種使用至少一個數(shù)字濾波器逼近函數(shù)峰值的方法。數(shù)字濾波器使用多個濾波系數(shù)對函數(shù)操作。該方法包括提供以相同間隔隔開的函數(shù)第一個輸出點集合并確定第一個最大輸出點的步驟。隨后選擇與第一個最大輸出點緊鄰的輸出點，因此鄰近的輸出點定義了第一個最大輸出點周圍的第一個相域。隨后在第一個最大輸出點周圍沿第一個相域的第二個輸出點集合被取樣，且第二個輸出點集合的第二個最大輸出點被確定。隨后選擇第二個集合的鄰近輸出點以定義第二個最大輸出點周圍的第二個相域。隨后在第二個最大輸出點周圍沿第二個相域的第三個輸出點集合被取樣，且第三個最大輸出點被確定。通過這些迭代，所確定的最大值開始逼近真正的峰值區(qū)域。通過改變?yōu)V波系數(shù)為變化相位中的取樣點來獲得來自函數(shù)的輸出。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種定位相關(guān)函數(shù)波形峰值的方法。該方法包括向濾波器組的移位寄存器中裝入以輸入取樣周期計算的第一個相關(guān)集合的步驟。隨后從第一個相關(guān)集合中檢測第一個最大相關(guān)值。濾波器系數(shù)隨后被更新，以得到從第一個相關(guān)集合移相的第二個相關(guān)集合。第二個相關(guān)集合有比輸入取樣周期小的周期，并位于第一個最大相關(guān)值的鄰近。最后，從第二個相關(guān)集合中檢測第二個最大相關(guān)值。第二個最大相關(guān)值比先前檢測的第一個最大相關(guān)值更逼近函數(shù)的峰值。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種使用數(shù)字濾波器組來定位相關(guān)函數(shù)峰值的方法。該方法包括從初始以相同的第一個間隔計算的第一個相關(guān)集合中檢測第一個最大相關(guān)值的步驟。隨后改變?yōu)V波器的系數(shù)以得到從第一個相關(guān)集合移相的第二個相關(guān)集合。此第二個相關(guān)集合以更小的第二個間隔隔開并與第一個最大相關(guān)值鄰近。隨后從第二個相關(guān)集合檢測第二個最大相關(guān)值。此第二個最大值開始逼近函數(shù)峰值，且隨后重復(fù)該方法的步驟，以僅在相鄰相位內(nèi)在漸進(jìn)減小的間隔之間計算迭代。
本發(fā)明可進(jìn)一步在一種包含多個互連數(shù)字濾波器的設(shè)備中實施，這些濾波器對函數(shù)操作以計算輸出值，且至少有一個控制單元與數(shù)字濾波器通信。控制單元控制濾波器的輸出并選擇輸出值的第一個最大值。控制單元允許對第一個最大值周圍的輸出值進(jìn)行漸進(jìn)的內(nèi)插，以確定已內(nèi)插的輸出值是否逼近峰值。
因此本發(fā)明允許僅在感興趣區(qū)域內(nèi)使用高分辨率來定位信號的峰值。這種逼近的優(yōu)點在于降低了通常用來定位最大值的內(nèi)插過程的復(fù)雜性。由于只針對指定相域，而無需對整個函數(shù)進(jìn)行窮舉隨機取樣。此外，該設(shè)備結(jié)合了用于函數(shù)內(nèi)點內(nèi)插的濾波器組和用于分離出內(nèi)插最大值的控制單元，從而簡化了為完成最大化計算所需的硬件、功率和時間。
此處討論的特定實施方案可以用于任何估計峰值所要求的精確度是函數(shù)取樣周期的一小部分的系統(tǒng)中。例如，這種方法可以在諸如定位蜂窩系統(tǒng)中移動裝置的應(yīng)用中實現(xiàn)。
應(yīng)當(dāng)理解前面的概述和后面的詳述是示范的和解釋性的，意即對所要求權(quán)利的發(fā)明提供更進(jìn)一步的解釋。
本發(fā)明連同更多的目的及其優(yōu)點，將最好通過參考下面的詳述并結(jié)合附圖得到理解。
在

圖1中示出設(shè)備優(yōu)選實施方案的示意框圖。如圖所示，設(shè)備10包括內(nèi)含多個延遲元件13的單個濾波器12。濾波器組12優(yōu)選包括多個移位寄存器14和乘法器16。乘法器16使用多個可變?yōu)V波系數(shù)ck對接收到的信號操作，并通過電路18與控制單元20連接。濾波器組12可以使用傳統(tǒng)的形式實現(xiàn)(參看Crochière and Rabiner，“Multirate Digital Signal Processing(多速率數(shù)字信號處理)”)。在替代方法中，可以使用有移位寄存器的多個濾波器。這些濾波器可能依次有固定的系數(shù)。在優(yōu)選實施方案中，濾波器組12使用定制的特定用途集成電路(ASIC)實現(xiàn)，這些ASIC可以從許多制造商，例如德州儀器公司處獲得。這些實施方案僅作為示范，并不僅限于此。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠從替換此處指定的部件。
所提出的濾波器組12可以用硬件或軟件方式實現(xiàn)，并非本發(fā)明的一個限定。在感興趣窗口中產(chǎn)生數(shù)值的相關(guān)器可以與自適應(yīng)濾波器組結(jié)合，以按照內(nèi)插前的標(biāo)稱取樣率進(jìn)行相關(guān)操作。
控制單元20可以包含一個微處理器、邏輯電路、其它電路或軟件來執(zhí)行此處描述的功能和步驟。在優(yōu)選實施方案中，一個示范控制單元可能包括一個由高級精減指令機器公司(Advanced RiscMachines)制造的ARM7100型微處理器和有關(guān)存儲器和時鐘電路。優(yōu)選地，控制單元20能夠編碼一個存儲的程序并可作為哈佛機器體系機構(gòu)中定義的通用計算機使用。ARM核心可作為ASIC的一個部件塊集成，這些ASIC可來自許多供貨商，如德州儀器公司。如前所述，這些部件并非用于限制本發(fā)明，且其它部件可被替換。
電路的輸入μ是接收到的信號與從諸如移動單元(未示出)的源接收到的已同步波形序列進(jìn)行相關(guān)操作后的輸出。輸入通過一個固定窗口預(yù)先計算，且濾波器組12的移位寄存器由控制單元20預(yù)先裝入，并與計算出的相關(guān)值同步。在優(yōu)選實施方案中，延時z-1指輸入取樣周期。
圖2表示在圖1中示出的系統(tǒng)10中使用的計算進(jìn)展。如圖所示，該實現(xiàn)有效地間隔所計算出的相位，因此短時間內(nèi)可以低功耗地以所要求的分辨率確定峰值。
通常，濾波器組的每次激活對應(yīng)于產(chǎn)生已內(nèi)插相關(guān)波形f(n)的不同相位。在一種可能的實施方案中，濾波器組的每次激活可作為到轉(zhuǎn)接器的一個方向以尋址并選擇多相濾波器結(jié)構(gòu)的一個特定分支。
圖2中所示的箭頭以每次迭代的感興趣相位標(biāo)注。開始時，在真正的最大值可能存在的地方中有三個標(biāo)注為“0”的相位。在迭代1，控制單元導(dǎo)致在標(biāo)注“1”的相位處計算濾波器的輸出。這些相位的位置在感興趣區(qū)間內(nèi)的某處，一般選作由峰值和兩個相鄰樣值所定義區(qū)域?qū)ΨQ二等分處。也可使用基于斐波納契數(shù)列黃金分割準(zhǔn)則的二分法的其它技術(shù)(參見Knuth，“The Art of Computer ProgrammingSearching and Sorting(計算機編程技術(shù)搜索和排序)”)。
在每次迭代，對所述點計算得到的峰值位置用來決定下次計算的感興趣相位。用來決定感興趣相位的準(zhǔn)則是這些相位必須位于當(dāng)前最大值的任何一側(cè)。對迭代3，由于當(dāng)前峰值仍然位于點“0”，感興趣區(qū)域由標(biāo)注“0”的中心點和位于“0”任何一側(cè)的標(biāo)注“2”的兩個點定義。因此感興趣的相位，標(biāo)注“3”的點是這兩個區(qū)域的二等分。這些值在迭代3期間計算。在迭代3后，控制單元20確定中心點“0”左側(cè)標(biāo)注“3”的點是當(dāng)前峰值。下次迭代的感興趣區(qū)域由標(biāo)注“3”的點任何一側(cè)最近的兩個已知點定義，本例中這兩個最近點包括左手點“2”和中心點“0”。之后的迭代將使用新定義區(qū)域的二等分。直到達(dá)到所要求的精確度后，迭代進(jìn)程終止。
圖3示出本發(fā)明方法的流程圖形式。結(jié)合前圖，如圖中框30所示，從函數(shù)初始裝入的相關(guān)輸出以預(yù)置間隔優(yōu)選取樣?？刂茊卧?0從這個點集合中確定一個最大點。隨后控制單元將此最大值標(biāo)注為“當(dāng)前最大”，或“CM”，且將其周圍計算出的函數(shù)輸出點標(biāo)注為“CL”和“CR”。此步驟示于框32。
在框34，控制單元確定二等分CL和CM之間以及CM和CR之間間隔的點。點CM周圍的二等分在點PL(CL和CM之間)和PR(CM和CR之間)處建立了一個感興趣相位。優(yōu)選地，控制單元20對濾波器12復(fù)位并上載新的系數(shù)，并操作濾波器組12以計算相關(guān)函數(shù)在點PL和PR處的內(nèi)插輸出。此步驟示于框36。
PL和PR的內(nèi)插結(jié)果隨后通過連接18送回控制單元20，其使用框38-46所示的邏輯來復(fù)位點和感興趣相位。如流程圖所示，如果對點PL計算出的值比CM值大，則這些點被復(fù)位以定義CL和CM之間新的感興趣相位。特別地，CM復(fù)位至標(biāo)號CR，PL復(fù)位至標(biāo)號CM，CL不變，如框40所示。在此復(fù)位后，從框34開始重復(fù)過程，再對新的感興趣區(qū)域二等分并在新的PL和PR點處內(nèi)插。
如框42所示，如果對點PL計算出的值不比CM大，且PR值比CM大，則在函數(shù)波形的CM和CR之間定義新的感興趣相位?？?4示出CM復(fù)位至標(biāo)號CL，PR復(fù)位至標(biāo)號CM，CR不變。對于框40，從框34開始重復(fù)過程，在新的感興趣相位內(nèi)對新的二等分相位點PL和PR內(nèi)插。
如果在框44處PR或PL都不比CM大，則CM保持為當(dāng)前的最大值。為驗證CM在可能的最高分辨率內(nèi)最大化函數(shù)，在框46定義了一個新的感興趣相位以更精密地檢查CM周圍的點。特別地，新的感興趣相位以點CM為中心，沿CL和CM以及CM和CR之間相位的二等分取得更窄。如框46所示，相位點PL改變?yōu)闃?biāo)號CL，相位點PR改變?yōu)闃?biāo)號CR。在此例中CM不變。在標(biāo)號改變后，處理在框34再繼續(xù)，對窄相位執(zhí)行更多內(nèi)插。
在所有上述條件下，以二進(jìn)制搜索方式繼續(xù)處理過程，直到滿足所要求的分辨率和最大值為止。相位被持續(xù)二等分或者以其它方式劃分，以令迭代過程針對最大值區(qū)域進(jìn)行。
因此本發(fā)明在一種設(shè)備或方法中結(jié)合了最大化和內(nèi)插過程以降低內(nèi)插器激活時的點數(shù)。鑒于本發(fā)明的設(shè)備和方法，由于所需迭代次數(shù)減少，所以迭代過程的復(fù)雜性從0(n)降到0(logn)。因此本發(fā)明允許無需浪費沿整個函數(shù)曲線內(nèi)插點所需資源，就可完成更精確的內(nèi)插。
如上所述，本發(fā)明所設(shè)想的主要用途在于定位系統(tǒng)，諸如那些在數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用以定位網(wǎng)絡(luò)中的移動單元。在此類應(yīng)用中，可能將從移動臺接收到的信號與已同步系統(tǒng)序列相關(guān)，產(chǎn)生一個相關(guān)信號。通過確定相關(guān)信號峰值的位置，可以高分辨率地在特定蜂窩基站確定到移動裝置的距離。通過三角測量法結(jié)合由其它基站完成的計算，可以高分辨率地確定移動裝置的位置，這通常為目前的聯(lián)邦條例所需。
還需指出，本發(fā)明可用于多種應(yīng)用中。一種應(yīng)用是確定脈沖序列到達(dá)的時間。另一種應(yīng)用可能是在頻譜分析過程中確定已處理信號的頻譜峰值。同樣，峰值檢測問題可轉(zhuǎn)換為估計一個常規(guī)函數(shù)的零值或最小值的逆問題，術(shù)語“峰值”的使用并非本發(fā)明的局限方面。通常，本發(fā)明可用于任何需要以非常高的分辨率確定函數(shù)最優(yōu)值的應(yīng)用中，其中通過減少迭代次數(shù)獲得效率。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解可對前述實施方案進(jìn)行廣泛的改變和修正。例如，優(yōu)選實施方案中的任何或所有部分除用硬件實現(xiàn)以外，也可用軟件實現(xiàn)。因此前面的詳述應(yīng)視作解釋說明，而并非限定，應(yīng)當(dāng)理解是下述權(quán)利要求，包括所有的等同物對應(yīng)詞，定義了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種定位函數(shù)峰值的方法，該方法包括使用預(yù)先確定的計算間隔提供所述函數(shù)的一個計算出的輸出點集合，所述計算出的輸出點由至少一個數(shù)字濾波器輸出；確定所述集合的最大輸出點；在所述最大輸出點區(qū)域內(nèi)對所述函數(shù)的輸出點內(nèi)插；且確定所述已內(nèi)插輸出點的最大值以逼近所述函數(shù)的所述峰值。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述輸出點以相同間隔提供。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述輸出點與時鐘輸出同步。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中所述數(shù)字濾波器能夠提供多相位輸出。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述對輸出點內(nèi)插的所述步驟還包括步驟調(diào)整所述數(shù)字濾波器輸出相位，以獲得所述區(qū)域內(nèi)的已內(nèi)插輸出點。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中所述最大輸出點的所述區(qū)域由所述最大輸出點緊鄰的所述計算出的輸出點定界。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中所述已內(nèi)插輸出點還包括所述數(shù)字濾波器從所述計算出的輸出點經(jīng)過移相后的輸出。
8.一種使用至少一個數(shù)字濾波器逼近函數(shù)峰值的方法，所述數(shù)字濾波器用多個濾波系數(shù)對所述函數(shù)操作，該方法包括提供所述函數(shù)以相同間隔隔開的第一個輸出點集合；確定所述第一個輸出點集合的第一個最大輸出點；選擇與所述第一個最大輸出點緊鄰的相鄰輸出點，所述相鄰輸出點規(guī)定所述第一個最大輸出點周圍的第一個相域；復(fù)位所述濾波器的系數(shù)，以在所述第一個最大輸出點周圍沿所述第一個相域取樣第二個輸出點集合；確定所述第二個輸出點集合的第二個最大輸出點；選擇與所述第二個最大輸出點緊鄰的第二個輸出點集合的相鄰輸出點，所述相鄰輸出點規(guī)定所述第二個最大輸出點周圍的第二個相域；復(fù)位所述濾波器的系數(shù)，以對所述第二個最大輸出點周圍沿所述第二個相域的第三個輸出點集合取樣；確定所述第三個輸出點集合的第三個最大輸出點；
9.一種使用數(shù)字濾波器組定位相關(guān)函數(shù)波形峰值的方法，所述數(shù)字濾波器組有多個移位寄存器且使用多個濾波系數(shù)對所述函數(shù)操作，所述方法包括使用第一個系數(shù)集合向所述濾波器組的移位寄存器裝入以輸入取樣周期計算的第一個相關(guān)集合；從所述第一個相關(guān)集合中檢測第一個最大相關(guān)值；改變所述系數(shù)以獲得從所述第一個相關(guān)集合移相的第二個相關(guān)集合，所述第二個相關(guān)集合以比所述輸入取樣周期短的周期取樣且鄰近所述第一個最大相關(guān)值；且從所述第二個相關(guān)集合中檢測第二個最大相關(guān)值，所述第二個最大相關(guān)值比所述第一個最大相關(guān)值更逼近所述函數(shù)的所述峰值。
10.一種使用數(shù)字濾波器組定位相關(guān)函數(shù)峰值的方法，所述數(shù)字濾波器組使用多個濾波系數(shù)對所述函數(shù)操作，所述方法包括從以相同的第一個間隔計算的第一個相關(guān)集合中檢測第一個最大相關(guān)值；改變所述系數(shù)以獲得從所述第一個相關(guān)集合移相的第二個相關(guān)集合，所述第二個相關(guān)集合以相同的第二個間隔分隔且鄰近所述第一個最大相關(guān)值，所述第二個間隔比所述第一個間隔小；且從所述第二個相關(guān)集合檢測第二個最大相關(guān)值以逼近所述峰值。
11.一種定位函數(shù)峰值的設(shè)備，該設(shè)備包括對所述函數(shù)操作，以所要求相位和間隔計算輸出值的多個互連數(shù)字濾波器，所述濾波器可用來提供相應(yīng)于濾波系數(shù)的輸出值；且至少一個控制單元與所述數(shù)字濾波器通信，所述控制單元可操作以裝入所述系數(shù)的不同值以調(diào)整所述輸出值的所述所要求相位和間隔，并選擇從所述濾波器接收的所述輸出值中的第一個最大值，其中所述控制單元可操作以調(diào)整所要求相位，以對所述第一個最大值周圍的輸出值漸進(jìn)內(nèi)插，并確定所述已內(nèi)插輸出值是否逼近所述峰值。
12.如權(quán)利要求11的設(shè)備，其中如果所述至少一個所述已內(nèi)插輸出值超出所述第一個最大值，則所述控制單元選擇至少一個所述已內(nèi)插輸出值作為第二個最大值。
13.如權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述控制單元還包括一個微處理器。
14.如權(quán)利要求13的設(shè)備，其中當(dāng)所述已內(nèi)插輸出值逼近所述峰值時，所述控制單元可操作以減少所述已內(nèi)插輸出值的間隔。
全文摘要
一種使用自適應(yīng)濾波器組確定信號峰值位置的方法和設(shè)備。該方法包括使用預(yù)先確定的計算間隔提供函數(shù)的一組計算出的輸出點集合的步驟。隨后確定該集合的最大輸出點,且在最大值區(qū)域內(nèi)對函數(shù)的輸出點進(jìn)行內(nèi)插。已內(nèi)插輸出點的最大值逼近函數(shù)的峰值。該設(shè)備包括多個互連的數(shù)字濾波器,其對函數(shù)進(jìn)行操作以計算輸出值,且至少有一個控制單元與數(shù)字濾波器通信?？刂茊卧刹僮鱽砜刂茷V波器的輸出并選擇輸出值中的第一個最大值?？刂茊卧试S第一個最大值周圍輸出數(shù)值的漸進(jìn)內(nèi)插,以確定已內(nèi)插的輸出值是否逼近峰值。
文檔編號H03H21/00GK1371501SQ00812020
公開日2002年9月25日 申請日期2000年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月26日
發(fā)明者K·巴拉錢德蘭, H·科拉帕蒂 申請人:艾利森公司