專利名稱：直接擴(kuò)頻/碼分多址綜合擴(kuò)頻相干接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于CDMA蜂窩通信系統(tǒng)領(lǐng)域。
移動(dòng)通信以其特有的靈活、便捷的優(yōu)點(diǎn)滿足了現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)通信技術(shù)的要求，成為80年代中期以來(lái)發(fā)展最為迅速的通信方式。在移動(dòng)通信的多種體制中，CDMA蜂窩通信技術(shù)以其頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單、系統(tǒng)容量大、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、電磁干擾小等特點(diǎn)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。由美?guó)Qualcomm公司最先提出、目前在世界范圍內(nèi)得到較快發(fā)展的IS-95 CDMA蜂窩通信系統(tǒng)即采用該技術(shù)。第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的幾種主要候選方案均建立在CDMA技術(shù)基礎(chǔ)上。
移動(dòng)通信系統(tǒng)中存在著多徑衰落現(xiàn)象，會(huì)造成嚴(yán)重的多徑干擾。在采用了擴(kuò)展頻譜技術(shù)的CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通過(guò)接收帶有確知信息的導(dǎo)頻(Pilot)信號(hào)，可以對(duì)多徑信號(hào)的幅度和相位信息進(jìn)行估計(jì)，從而使得多徑分集和相干接收成為可能。針對(duì)多徑衰落信號(hào)進(jìn)行分集處理的相干擴(kuò)頻接收機(jī)稱為RAKE相干接收機(jī)，它可對(duì)多個(gè)攜有相同信息且衰落特性相互獨(dú)立的單徑信號(hào)進(jìn)行相位校正并進(jìn)行最大比合并處理，從而達(dá)到克服多徑衰落，提高接收信號(hào)與干擾比之目的。
為了實(shí)現(xiàn)RAKE接收功能，必須實(shí)現(xiàn)本地?cái)U(kuò)頻序列(PN碼)與接收信號(hào)的同步，這種同步分別由捕獲和跟蹤兩個(gè)步驟完成。其中捕獲步驟完成PN碼的初始同步(粗同步)，由搜索和確認(rèn)兩個(gè)階段完成；而跟蹤步驟完成PN碼的精細(xì)同步。兩個(gè)步驟相互結(jié)合，為RAKE接收機(jī)提供所需的PN碼。
CDMA蜂窩移動(dòng)通信擴(kuò)頻接收機(jī)還必須具備對(duì)來(lái)自多個(gè)基站的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行分集合并接收的能力，從而實(shí)現(xiàn)越區(qū)軟切換，并改善接收機(jī)在小區(qū)交界處的接收性能。
由于成本的限制，CDMA接收機(jī)在開機(jī)或失鎖狀態(tài)常常存在較大的本振頻率偏移，因而必須引入自動(dòng)頻率校正(AFC)功能，以使得RAKE接收機(jī)在較大的本振頻率偏移狀況下正常工作。
本發(fā)明的目的是針對(duì)移動(dòng)通信環(huán)境下多徑信號(hào)的不確定性，引入了“能量窗重心”設(shè)計(jì)方法，對(duì)多徑能量窗進(jìn)行并行處理，綜合考慮同步跟蹤、RAKE分集相干合并、AFC及多小區(qū)搜索與合并接收、越區(qū)軟切換，從而使得CDMA擴(kuò)頻接收機(jī)性能得到改善，同時(shí)減少所需的硬件資源。
本發(fā)明由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明擴(kuò)頻綜合相干接收裝置以時(shí)分復(fù)用的相關(guān)器組及由此得到的相干信道估計(jì)器組為核心，集PN初始同步與跟蹤、RAKE分集相干合并、AFC及多小區(qū)搜索與合并接收、越區(qū)軟切換為一體，并引入了“基于滑動(dòng)能量窗的部分并行捕獲方法”和“基于能量窗重心的跟蹤環(huán)”等設(shè)計(jì)方法，對(duì)多徑能量窗進(jìn)行并行處理，而非Qualcomm公司相應(yīng)專利中對(duì)單徑進(jìn)行分別處理，從而具有較強(qiáng)的克服多徑衰落能力，能保證RAKE接收的最佳性能，并在較大程度上簡(jiǎn)化了RAKE接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。
以下詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的原理CDMA擴(kuò)頻相干接收機(jī)算法主要由信道參數(shù)估計(jì)、最大比合并以及與此相關(guān)的初始PN捕獲、跟蹤、自動(dòng)頻率校正、越區(qū)搜索、切換與宏分集等部分組成，分別簡(jiǎn)述如下。1、信道參數(shù)估計(jì)CDMA系統(tǒng)中的導(dǎo)頻(Pilot)信道用于傳送事先確知的導(dǎo)頻序列，可用于系統(tǒng)定時(shí)和載波的提取、信道估計(jì)、越區(qū)切換等。若系統(tǒng)同時(shí)發(fā)射若干個(gè)信道的信號(hào)，則等效基帶接收信號(hào)可表示為 其中，si(t)表示下行信道所發(fā)送的第i個(gè)碼分信道的等效基帶信號(hào)，i=0的分項(xiàng)對(duì)應(yīng)于Pilot信道；z(t)是零均值的復(fù)數(shù)白色高斯噪聲；cn為信道第n徑的衰落因子。信道參數(shù)估計(jì)的目的在于根據(jù)接收信號(hào)r(t)和確知的導(dǎo)頻序列s0(t)估計(jì)出信道衰落因子cn。
假設(shè)移動(dòng)信道為頻率選擇性慢衰落信道模型，則可認(rèn)為在一個(gè)信道估計(jì)區(qū)間內(nèi)cn近似為常數(shù)。由此可得出cn的估計(jì)值如下 式中Na、Nc和Nz分別是擴(kuò)頻碼的相關(guān)特性不夠理想造成的多徑干擾、多址干擾以及白噪聲通過(guò)相關(guān)器后產(chǎn)生的輸出；Tc為一個(gè)碼片的時(shí)間寬度，NTc為信道估計(jì)的積分區(qū)間；Ec是導(dǎo)頻信道在一個(gè)碼片之內(nèi)的發(fā)送能量。2、最大比合并在得到了各徑的信道參數(shù)估計(jì)值之后即可對(duì)承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠渌a道進(jìn)行相干解調(diào)，為此只需將其它碼道各徑分別進(jìn)行解擴(kuò)，并利用公式2得到的信道估計(jì)參數(shù) 對(duì)各徑解擴(kuò)結(jié)果進(jìn)行幅度加權(quán)和相位校正，使之能夠同相合成。該過(guò)程稱作為最大比合并，具體可由以下公式描述 式中 為第i數(shù)據(jù)承載碼道所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；Ts為該數(shù)據(jù)的持續(xù)間隔； 為 的共軛運(yùn)算。實(shí)際應(yīng)用中，并不是RAKE接收機(jī)所能分辨的每一徑上均有有效信號(hào)分量，需要對(duì) 進(jìn)行門限判決，并只需對(duì)高于門限的多徑分量進(jìn)行合并。3、本地導(dǎo)頻信號(hào)的恢復(fù)在上述的信道估計(jì)運(yùn)算中，需要確知所發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)s0(t)，為此需要根據(jù)接收信號(hào)r(t)在本地恢復(fù)出所需的導(dǎo)頻信號(hào)s0(t)?；謴?fù)導(dǎo)頻信號(hào)的過(guò)程包括捕獲和跟蹤兩個(gè)步驟，分別完成導(dǎo)頻信號(hào)的粗同步(初始同步)和細(xì)同步。導(dǎo)頻信號(hào)的捕獲也稱為PN碼捕獲，導(dǎo)頻信號(hào)的跟蹤也稱為PN碼跟蹤。在本發(fā)明中，導(dǎo)頻信號(hào)的捕獲采用基于最大能量窗的CDMA蜂窩系統(tǒng)初始同步方法。導(dǎo)頻信號(hào)的跟蹤采取基于多徑信道能量窗重心跟蹤環(huán)路的導(dǎo)頻信道跟蹤方法。
基于最大能量窗的CDMA蜂窩系統(tǒng)初始同步方法的基本原理為在CDMA接收機(jī)的初始同步階段，由于無(wú)法確知接收信號(hào)的相位信息，常需要在分?jǐn)?shù)間隔上對(duì)多徑衰落信道進(jìn)行估計(jì)，且需要采用不同相位的本地導(dǎo)頻序列(PN碼)進(jìn)行試探，這時(shí)公式2可演變?yōu)閏-n,m(k)=1NEc∫0NTcr(t-nTc-mTc/M)·s0*(t-kTc/M)dt,m=0,1,…M-1]]>[公式4]式中Tc/M為分?jǐn)?shù)采樣間隔，k為某一可能的本地導(dǎo)頻PN序列相位參數(shù)。
公式1中信道衰落因子cn的有效分布范圍定義為多徑信號(hào)能量分布窗口(簡(jiǎn)稱為多徑能量窗)，該窗口的大小由多徑信道的時(shí)延擴(kuò)展范圍確定。為方便以下的討論，設(shè)cn的有效分布范圍為n∈[-L1,L2]。在城市、鄉(xiāng)村和山區(qū)多徑衰落環(huán)境下，該窗口的大小分別約為3μS、6μS和15μS。窗口的大小與蜂窩通信系統(tǒng)所處的環(huán)境有關(guān)，而與所使用的頻段無(wú)關(guān)。為使擴(kuò)頻接收機(jī)能夠適用于各種環(huán)境，多徑能量窗口的大小應(yīng)按最大可能值選取，通常不大于30μS，則L=L2-L1+1的取值應(yīng)不大于30μS/Tc。
在多徑能量窗口內(nèi)，并不是所有的信號(hào)到達(dá)徑均是有效的。為此應(yīng)設(shè)定合適的門限，對(duì)窗口內(nèi)每一徑信號(hào)的能量(也即cn的強(qiáng)度)進(jìn)行判決。若大于門限，則為有效到達(dá)信號(hào)徑；否則則為純干擾徑(IOP)。為避免性能惡化，所有的純干擾徑均不應(yīng)參加運(yùn)算。判決門限的選取應(yīng)略大于導(dǎo)頻信號(hào)(PN碼)部分互相關(guān)(PartialCorrelation)值的旁瓣值。
為了提供足夠的捕獲精度，接收機(jī)使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行取樣，其采樣速率為PN碼碼片速率的M倍。設(shè)需要同步的導(dǎo)頻PN碼長(zhǎng)度為P，則本發(fā)明所給出的PN碼捕獲方法需要從M×P個(gè)可能的PN碼相位中，選擇一個(gè)相位，使得多徑能量窗口中所包含的多徑能量最大化。
根據(jù)上述多徑能量窗的概念，定義本地導(dǎo)頻PN碼相位為k時(shí)的多徑能量窗如下 則基于多徑能量窗的捕獲方法可以描述為，從所有可能的本地導(dǎo)頻PN碼相位k值中，選擇一個(gè)k值使得下式取最大值 另一方面由公式4可得知，公式5所示的多徑能量窗計(jì)算存在以下滑動(dòng)窗遞推關(guān)系 由此可在較大程度上簡(jiǎn)化初始同步所需的計(jì)算。
相鄰小區(qū)搜索方法與上述PN碼初始同步方法相類似，不同之處在于公式中所采用的PN碼應(yīng)為某一鄰近小區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)序列，所需要進(jìn)行搜索的區(qū)間也應(yīng)為由基站事先指定的區(qū)間，而非PN碼所有可能的相位。
基于多徑信道能量窗重心跟蹤環(huán)路的導(dǎo)頻信道跟蹤方法的基本原理為若用k表示第k次信道估計(jì)結(jié)果，則相應(yīng)的多徑能量窗的重心由cg(k)=cgw(k)/cgs(k)給出，其中cgw(k)和cgs(k)的計(jì)算方法如下 式中，n對(duì)應(yīng)于多徑信道衰落因子 在多徑能量窗口內(nèi)所在的位置。注意公式8中每一參加運(yùn)算的 應(yīng)為大于指定門限的有效到達(dá)信號(hào)徑。
設(shè)計(jì)多徑能量窗重心PN碼跟蹤環(huán)路的基本思路是，設(shè)定多徑能量窗重心的目標(biāo)位置為cgtaget，通過(guò)觀察實(shí)際測(cè)量所得到的多徑能量窗重心值cg(k)與cgtarget的差別，調(diào)節(jié)接收機(jī)本地PN碼的相位，使得兩者的差別盡可能小。為方便計(jì)算，設(shè)cgtarget取值為零，則本地PN碼的相位調(diào)整可簡(jiǎn)單地通過(guò)判斷cgw(k)的極性而得到，而無(wú)需計(jì)算cgs(k)和cg(k)。
為避免多徑衰落信號(hào)的隨機(jī)變化及信道估計(jì)誤差所帶來(lái)的誤調(diào)整，應(yīng)對(duì)公式8所得到的重心估計(jì)值進(jìn)行平滑濾波。設(shè)平滑濾波后的重心估計(jì)值為 ，則PN相位調(diào)節(jié)方法可概括為若 ，則使本地PN碼的相位超前δ；若 ，則使本地PN碼的相位遲后δ；[公式9]若 ，則使本地PN碼的相位保持不變。
本地PN碼相位調(diào)整部分主要完成公式9所示的運(yùn)算。采用對(duì)本地PN碼發(fā)生時(shí)鐘進(jìn)行微調(diào)的方法，實(shí)現(xiàn)所需的本地PN碼相位調(diào)整。圖2示出了這種方法的實(shí)現(xiàn)框圖。圖中本地PN碼時(shí)鐘的發(fā)生是通過(guò)對(duì)一高倍(M倍)外部時(shí)鐘的分頻計(jì)數(shù)來(lái)完成的，而碼片時(shí)鐘的微調(diào)又是通過(guò)可變模計(jì)數(shù)器來(lái)完成的。若 取值為正，則計(jì)數(shù)器的模值取為M-1；若 取值為負(fù)，則計(jì)數(shù)器的模值取為M+1；其它情況下計(jì)數(shù)器的模值取為M。通過(guò)這種方法，可實(shí)現(xiàn)公式9所示的PN碼相位調(diào)整，其微調(diào)的相位差為δ=Tc/M。通常M的數(shù)值可取為16或32，以保證足夠精細(xì)的調(diào)整精度。4、自動(dòng)頻率校正(AFC)實(shí)際應(yīng)用中，由于受體積和成本等方面的限制，移動(dòng)終端的初始頻率穩(wěn)定度約限制在1ppm，所帶來(lái)的基站和移動(dòng)終端之間的頻率差約為數(shù)百赫茲至數(shù)千赫茲。為此必須在移動(dòng)終端中引入頻率自動(dòng)校正(AFC)功能，以降低上述頻率差所帶來(lái)的系統(tǒng)性能下降?？紤]收發(fā)兩端頻率差的影響，公式1所示的等效基帶模型可描述為 式中Δωc為收發(fā)兩端的頻率差。公式2所示的信道估計(jì)可相應(yīng)地修正為c-n=1NEc∫0NTcr(t-nTc)·s0*(t)dt=cn·{ejΔωcNTc/2sin(ΔωcNTc/2)ΔωcNTc/2}+Na+Nc+Nz]]> 上式中假定ΔωcNTc/2＜＜1。利用 在接連兩個(gè)區(qū)間t∈
和t∈[(N+1)Tc,(2N+1)Tc]的估計(jì)值，并假定cn在接連兩個(gè)區(qū)間內(nèi)近似保持不變，可以得到Δωc的估計(jì)值，并利用該估計(jì)值調(diào)整移動(dòng)終端的本振源，則可實(shí)現(xiàn)所需的AFC功能。5、越區(qū)軟切換與宏分集越區(qū)軟切換與宏分集是CDMA蜂窩通信系統(tǒng)一項(xiàng)必不可少的重要功能。在移動(dòng)終端進(jìn)入兩個(gè)或多個(gè)相鄰小區(qū)的邊界區(qū)域時(shí)，需要對(duì)相鄰的基站信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行搜索，當(dāng)某個(gè)相鄰基站的強(qiáng)度大于指定值時(shí)，移動(dòng)終端進(jìn)入宏分集狀態(tài)，對(duì)兩個(gè)或多個(gè)基站同時(shí)進(jìn)行通信，并對(duì)來(lái)自兩個(gè)或多個(gè)基站發(fā)送的相同數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合并，以提高移動(dòng)終端在位于小區(qū)邊界時(shí)的性能。
上述越區(qū)軟切換時(shí)所需的對(duì)相鄰基站信號(hào)強(qiáng)度的搜索，可通過(guò)對(duì)相鄰基站所發(fā)送的導(dǎo)頻信道強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)而完成。這只需要把公式2中的導(dǎo)頻信號(hào)換成相鄰基站的導(dǎo)頻信號(hào)，并在一定的多徑分布區(qū)間內(nèi)進(jìn)行信道估計(jì)而進(jìn)行。當(dāng)估計(jì)得到的導(dǎo)頻信號(hào)大于指定的強(qiáng)度時(shí)，移動(dòng)終端需通知目前正在進(jìn)行通信的基站，并準(zhǔn)備進(jìn)入宏分集狀態(tài)。
當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入上述宏分集狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)來(lái)自多個(gè)基站的信號(hào)進(jìn)行接收并進(jìn)行合并。這只需要把公式3中的擴(kuò)頻信號(hào)(序列)替換成相鄰基站所發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)，對(duì)處于宏分集狀態(tài)的兩個(gè)或多個(gè)基站的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行接收，然后在時(shí)間上對(duì)齊后進(jìn)行二次合并即可。
本發(fā)明有益效果本發(fā)明針對(duì)衰落環(huán)境下多徑信號(hào)的隨機(jī)變化特性，提出了基于能量窗的初始同步方法，以及基于能量窗重心的PN碼跟蹤方法，無(wú)需對(duì)每一延遲路徑單獨(dú)進(jìn)行處理，從而增加了整個(gè)擴(kuò)頻接收機(jī)在多徑衰落環(huán)境下的穩(wěn)健性。本發(fā)明還把擴(kuò)頻接收機(jī)所需進(jìn)行的運(yùn)算歸結(jié)為公式2(或公式5)和公式3，并在此基礎(chǔ)上提出了擴(kuò)頻接收機(jī)的一種綜合設(shè)計(jì)方法，在較大程度上節(jié)省了所需的硬件資源。


圖1．?dāng)U頻接收機(jī)總體構(gòu)成示意圖。
圖2．本地PN碼相位調(diào)整實(shí)現(xiàn)框圖。
由上述可知，CDMA擴(kuò)頻接收機(jī)的各個(gè)組成部分均以公式3和公式11(或公式2)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)一定處理后可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻信道的初始同步、跟蹤以及信道估計(jì)、多徑最大比合并、AFC、越區(qū)搜索、切換及宏分集等。依此為出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明給出了一種CDMA擴(kuò)頻接收機(jī)的綜合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)結(jié)合附圖1說(shuō)明作為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)明結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共由狀態(tài)控制單元(FSM_CONTROL)、定時(shí)發(fā)生單元(SYS_CLK)、數(shù)據(jù)延遲線單元(DELAY_LINE)、相關(guān)器組(CORRELATOR_BANK)、相關(guān)后數(shù)據(jù)處理單元(POST_CORR)、RAKE合并單元(RAKE_COMB)、二次合并單元(POST_COMB)、PN碼發(fā)生及滑動(dòng)單元(PN_GROUP)、WALSH函數(shù)發(fā)生單元(WALSH_GEN)、AFC環(huán)路計(jì)算單元(AFC_LOOP)和PN碼跟蹤單元等11個(gè)部分組成，各部分的功能簡(jiǎn)述如下1)狀態(tài)控制單元FSM_CONTROL該單元主要由CPU接口、接收機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制(TOP_FSM)、單元狀態(tài)控制信號(hào)發(fā)生(DOWN_FSM)等三個(gè)基本模塊組成，完成與基帶控制CPU的信息交互，接收來(lái)自CPU的控制信息、產(chǎn)生各模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移所需的控制信息，對(duì)各模塊的狀態(tài)執(zhí)行情況進(jìn)行記錄，并上報(bào)CPU等功能。CPU接口模塊設(shè)內(nèi)置RAM一塊，其存儲(chǔ)空間大小視具體應(yīng)用而定，典型情況為64×8bits。CPU通過(guò)中斷輪尋方式對(duì)該RAM進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)與接收機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制模塊的信息交互。TOP_FSM以中斷信號(hào)(26.67ms、20ms或10ms，視具體應(yīng)用或接收機(jī)狀態(tài)而定)為周期從該RAM掃描并接收來(lái)自CPU的控制信息(如捕獲狀態(tài)、搜索狀態(tài)、各種碼道接收狀態(tài))及工作狀態(tài)配置所需的系統(tǒng)參數(shù)(如碼道號(hào)、擴(kuò)頻速率、搜索區(qū)間、幀偏移等)，決定下一個(gè)工作狀態(tài)，并指示DOWN_FSM產(chǎn)生其它單元所需的控制信號(hào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移完成的指示信息通過(guò)TOP_FSM反送至RAM單元內(nèi)，以便CPU能夠獲取相應(yīng)的反饋信息。2)定時(shí)發(fā)生單元SYS_CLK定時(shí)發(fā)生單元主要接受外部時(shí)鐘(通常為擴(kuò)頻序列碼片速率的16倍或32倍)，通過(guò)分頻與計(jì)數(shù)，完成系統(tǒng)所需的CPU中斷信號(hào)、定時(shí)時(shí)鐘及時(shí)序，并結(jié)合跟蹤單元及狀態(tài)控制單元進(jìn)行定時(shí)調(diào)整。由于最多需支持N個(gè)基站的宏分集，因此需產(chǎn)生N套分別依賴于各個(gè)基站接收鏈路的定時(shí)信號(hào)，并配合各個(gè)基站信道估計(jì)及跟蹤部分的結(jié)果對(duì)各個(gè)鏈路分別進(jìn)行定時(shí)跟蹤。在宏分集過(guò)程中，還需統(tǒng)計(jì)各個(gè)接收鏈路的相對(duì)時(shí)延變化，并通知CPU，由CPU控制二次合并單元，把各個(gè)鏈路的時(shí)延對(duì)齊后，實(shí)現(xiàn)宏分集功能。3)數(shù)據(jù)延遲線單元DELAY_LINE數(shù)據(jù)延遲線由四組存儲(chǔ)空間為18×6比特的RAM或D觸發(fā)器組成，完成輸入數(shù)據(jù)四倍采樣及72個(gè)1/4碼片間隔的延遲抽頭輸出，其結(jié)果通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式送往相關(guān)器組單元。4)相關(guān)器組CORRELATOR_BANK相關(guān)器組由四組相關(guān)器組成，每組相關(guān)器通過(guò)時(shí)分復(fù)用1個(gè)復(fù)數(shù)相關(guān)器(以32倍碼片速率進(jìn)行復(fù)用)完成31次有效相關(guān)積分，從而形成總數(shù)為31×4的等效相關(guān)器。每個(gè)等效相關(guān)器以碼片間隔完成公式3及公式5(或公式2)所示的計(jì)算，每組相關(guān)器按照時(shí)分復(fù)用的順序分別編號(hào)為0至30號(hào)，其中每組中的0至17號(hào)相關(guān)器(四組共4×18個(gè)等效相關(guān)器)用于多徑信道并行估計(jì)，并由后續(xù)的POST_CORR單元完成捕獲、越區(qū)搜索、有效徑的選取等；每組中的18至30號(hào)相關(guān)器分別用于不同基站的有效徑的信道估計(jì)和數(shù)據(jù)承載碼道的數(shù)據(jù)解擴(kuò)，共可支持多達(dá)3個(gè)基站的宏分集。
上述相關(guān)器組的配置可根據(jù)不同的具體應(yīng)用進(jìn)行配置，能夠方便地支持不同的體制標(biāo)準(zhǔn)。5)相關(guān)后數(shù)據(jù)處理單元POST_CORR本單元接收來(lái)自CORRELATOR_BANK的相關(guān)器輸出，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)，完成對(duì)相關(guān)器輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，主要完成基于能量窗的初始捕獲、越區(qū)搜索、有效多徑選擇等。并將處理結(jié)果送往PN碼跟蹤單元、AFC環(huán)路單元和狀態(tài)控制單元。6)RAKE合并單元RAKE_COMB接收來(lái)自POST_CORR單元的信道估計(jì)和解相關(guān)數(shù)據(jù)流，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)完成對(duì)有效多徑的合并功能(公式3)，其結(jié)果輸送至二次合并單元。7)二次合并單元POST_COMB接收來(lái)自RAKE_COM單元的多徑合并結(jié)果，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)決定是否需要進(jìn)行多個(gè)基站的宏分集功能。若需要進(jìn)行宏分集，則需按照CPU提供的各個(gè)基站的路徑時(shí)延差進(jìn)行延遲，使之相互在時(shí)間上對(duì)齊，最終完成多個(gè)基站的宏分集功能。8)PN碼發(fā)生及滑動(dòng)控制單元PN_GROUP提供系統(tǒng)所需的五路PN碼，其中三路可用于解擴(kuò)三基站數(shù)據(jù)，一路用于越區(qū)搜索，一路可用于發(fā)射機(jī)。其中越區(qū)搜索用的PN碼定時(shí)依賴于主接收鏈路。PN碼滑動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)過(guò)程被屏蔽，以避免接收機(jī)的解調(diào)結(jié)果發(fā)生混亂。用于發(fā)射機(jī)的PN碼，其定時(shí)依賴于開機(jī)捕獲到的基站定時(shí)。當(dāng)任何一個(gè)接收鏈路釋放時(shí)，該鏈路PN碼應(yīng)與主接收鏈路PN碼同步。以保持PN碼間相對(duì)參考位置處于確知狀態(tài)。9)Walsh函數(shù)發(fā)生單元WALSH_GEN接受FSM_CONTROL及SYS_CLK的控制，產(chǎn)生三路依賴于各接收鏈路的Walsh序列。10)AFC環(huán)路計(jì)算單元AFC_LOOP根據(jù)POST_CORR單元提供的導(dǎo)頻信道有效多徑信息，進(jìn)行頻率誤差估計(jì)及環(huán)路濾波計(jì)算，其結(jié)果送往可控的頻率基準(zhǔn)單元。11)PN碼跟蹤單元CG_LOOP TRACKING接收來(lái)自POST_CORR單元提供的導(dǎo)頻信道有效多徑的信道估計(jì)，進(jìn)行能量窗重心計(jì)算及環(huán)路濾波計(jì)算，通過(guò)公式9得到可變模計(jì)數(shù)器的模值。送往定時(shí)發(fā)生單元SYS_CLK對(duì)本地PN碼發(fā)生時(shí)鐘進(jìn)行微調(diào)，從而完成本地PN碼相位調(diào)整。
以下進(jìn)一步描述使用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)CDMA蜂窩系統(tǒng)擴(kuò)頻接收機(jī)幾個(gè)主要功能的基本操作方法。1)初始捕獲功能由控制CPU向FSM_CONTROL模塊寫入初始捕獲狀態(tài)控制字，該控制字包括初始捕獲控制命令、搜索的區(qū)間長(zhǎng)度及滑動(dòng)相關(guān)使用的PN碼編號(hào)、每次積分周期長(zhǎng)度等信息。當(dāng)下幀起始位置到來(lái)時(shí)，TOP_FSM模塊從接口RAM接收該初始捕獲信息，進(jìn)行捕獲初始化，并通知DOWN_FSM模塊產(chǎn)生PN碼狀態(tài)控制信號(hào)、CORRELATOR_BANK模塊的積分周期控制信號(hào)及POST_CORR模塊捕獲狀態(tài)控制字等信號(hào)。
PN_GROUP模塊接收到所使用的PN碼編號(hào)及每次滑動(dòng)的碼片數(shù)等信息后，周期性地滑動(dòng)PN碼，使其輸出每一積分周期跳過(guò)16個(gè)碼片，并將其輸出送到CORRELATOR_BANK模塊。
CORRELATOR_BANK模塊接受基帶輸入采樣信號(hào)及上述PN碼信號(hào)，并根據(jù)DOWN_FSM的控制信號(hào)，周期性地進(jìn)行公式2或5所示的相關(guān)運(yùn)算，每次積分得到64個(gè)1/4碼片間隔的多徑信道估計(jì)，其結(jié)果送到POST_CORR模塊進(jìn)行后續(xù)處理。
POST_CORR接收到CORRELATOR_BANK模塊的并行積分輸出，并根據(jù)DOWN_FSM提供的控制信號(hào)，進(jìn)行滑動(dòng)能量窗的計(jì)算與最大值的比較。
重復(fù)上述過(guò)程，直至到達(dá)CPU所指定的搜索區(qū)間長(zhǎng)度時(shí)，DOWN_FSM發(fā)出捕獲停止信號(hào)，POST_CORR模塊將滑動(dòng)能量窗所在最大位置及能量值反送至FSM_CONTROL模塊，由CPU讀取。
CPU獲得最大能量窗位置及能量值，判斷是否大于捕獲所需的基本能量。若成立，則由CPU向FSM_CONTROL發(fā)出PN碼滑動(dòng)信息，由FSM_CONTROL模塊控制相應(yīng)的PN碼建立所需的初始同步PN碼(稱作為主同步碼)。否則本次捕獲宣告失敗。
初始同步完成后，CPU應(yīng)立即通知FSM_CONTROL進(jìn)入同步跟蹤狀態(tài)，這時(shí)CORRELATOR_BANK模塊根據(jù)所建立的主同步碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其結(jié)果送到POST_CORR模塊，由其選出有效路徑，計(jì)算其重心所在位置，并根據(jù)重心的偏移產(chǎn)生PN微調(diào)信號(hào)。SYS_CLK模塊根據(jù)該微調(diào)信號(hào)，對(duì)碼片時(shí)鐘進(jìn)行微調(diào)，以保持碼片時(shí)鐘的同步。CPU還應(yīng)通知FSM_CONTROL模塊進(jìn)行AFC運(yùn)算，并將其結(jié)果用于調(diào)節(jié)接收機(jī)RF模塊的主參考時(shí)鐘。2)數(shù)據(jù)解擴(kuò)功能當(dāng)接收機(jī)需對(duì)某一碼道進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，CPU需向FSM_CONTROL模塊寫入狀態(tài)控制信息及所需的參數(shù)信息，包括碼道號(hào)(WALSH序列號(hào))、積分長(zhǎng)度等。FSM_CONTROL接收到CPU寫入的信息后，由TOP_FSM在中斷到來(lái)時(shí)讀入該信息，并通知DOWN_FSM產(chǎn)生所需的控制信號(hào)。
PN_GROUP模塊提供數(shù)據(jù)解擴(kuò)所需的主同步PN碼。
WALSH_GEN模塊產(chǎn)生所需的WALSH序列信號(hào)。
CORRELATOR_BANK模塊接收基帶采樣信號(hào)、主同步PN碼及WALSH序列，并根據(jù)DOWN_FSM產(chǎn)生的積分周期控制信號(hào)，進(jìn)行公式3中所示的積分運(yùn)算，同時(shí)進(jìn)行公式5所示的信道估計(jì)運(yùn)算(每個(gè)積分間隔完成4×18個(gè)信道參數(shù)的估計(jì))，其結(jié)果由POST_CORR取出后傳送至RAKE_COMB模塊。
POST_CORR模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)解擴(kuò)功能運(yùn)算時(shí)主要完成兩方面的工作，一方面根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)的接收結(jié)果，確定有效多徑數(shù)及其位置，反送至CORRELATOR_BANK模塊，從而確定出下一積分間隔數(shù)據(jù)解擴(kuò)有效多徑的位置。另一方面把有效多徑的信道參數(shù)挑選出來(lái)，送往RAKE_COMB模塊進(jìn)行多徑合并。
RAKE_COMB模塊接收來(lái)自POST_CORR提供有效路徑參數(shù)估計(jì)結(jié)果及數(shù)據(jù)解擴(kuò)結(jié)果，進(jìn)行最大比合并，其結(jié)果通過(guò)并行接口送往信道譯碼單元。3)越區(qū)搜索功能越區(qū)搜索功能的過(guò)程與初始捕獲過(guò)程基本相同，所不同的是，越區(qū)搜索功能需與其它功能(如數(shù)據(jù)解擴(kuò)功能)同時(shí)進(jìn)行，且搜索的區(qū)間是由CPU指定的某一局部區(qū)間。4)宏分集與軟切換功能宏分集與軟切換功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較復(fù)雜，共分為宏分集準(zhǔn)備階段、宏分集實(shí)施階段和宏分集去除階段三個(gè)部分。在宏分集準(zhǔn)備階段，需進(jìn)行以下操作a)在與單基站通話過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)按照基站的要求搜索各個(gè)基站導(dǎo)頻強(qiáng)度，當(dāng)某一基站的強(qiáng)度超過(guò)指定門限時(shí)，向基站報(bào)告搜索結(jié)果，接到基站應(yīng)答后，修改移動(dòng)臺(tái)所維護(hù)的激活集ActiveSet。
b)計(jì)算各基站到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的時(shí)延，其目的是確定各基站之間的符號(hào)級(jí)時(shí)延關(guān)系，上報(bào)給CPU，并提供給POST_COMB模塊，用于對(duì)齊各基站合并的到達(dá)時(shí)延。
移動(dòng)臺(tái)完成上述宏分集準(zhǔn)備過(guò)程后，進(jìn)入宏分集實(shí)施階段。移動(dòng)臺(tái)在對(duì)多個(gè)基站到達(dá)信號(hào)進(jìn)行合并的同時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)地搜索各個(gè)基站的強(qiáng)度及其到達(dá)移動(dòng)臺(tái)時(shí)延的變化，調(diào)整各基站信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的符號(hào)級(jí)延遲，以保證接收機(jī)完成對(duì)多個(gè)基站信號(hào)的同步接收，并實(shí)時(shí)測(cè)量各基站的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度。
當(dāng)某一參與宏分集基站的導(dǎo)頻強(qiáng)度低于指定門限時(shí)，啟動(dòng)T_Drops定時(shí)器。若定時(shí)器終止，則進(jìn)入宏分集去除階段。
在宏分集去除階段，與待去除宏分集基站有關(guān)的所有定時(shí)及計(jì)數(shù)被復(fù)位，宏分集過(guò)程中被使用的PN碼定時(shí)恢復(fù)到與主接收基站相同步的狀態(tài)。該基站所使用的導(dǎo)頻信號(hào)也被從激活集中消除。
本發(fā)明已應(yīng)用于我們自行研制的符合3GPP2 Release A標(biāo)準(zhǔn)的cdma2000蜂窩移動(dòng)通信車載移動(dòng)臺(tái)樣機(jī)中。該樣機(jī)中的擴(kuò)頻接收部分采用Xilinx公司的一片XC4085×1a FPGA芯片加以實(shí)現(xiàn)，其主要參數(shù)列舉如下擴(kuò)頻碼片速率1.2288MHz；I/Q采樣速率4×1.2288MHz,6比特輸入；
外部時(shí)鐘(EXT_CLK)39.3219MHz；信道估計(jì)積分周期384個(gè)碼片間隔(N=384)；初始同步時(shí)間0.75秒；AFC適應(yīng)范圍正負(fù)2kHz；傳輸數(shù)據(jù)速率19.2kbps至307.2kbps。
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，利用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻接收機(jī)在車載移動(dòng)多徑衰落環(huán)境下，較傳統(tǒng)方法具有較好的穩(wěn)健性。
權(quán)利要求
1．直接擴(kuò)頻/碼分多址綜合擴(kuò)頻相干接收裝置，其特征在于由以下幾部分組成狀態(tài)控制單元(FSM_CONTROL)、定時(shí)發(fā)生單元(SYS_CLK)、數(shù)據(jù)延遲線單元(DELAY_LINE)、相關(guān)器組(CORRELATOR_BANK)、相關(guān)后數(shù)據(jù)處理單元(POST_CORR)、RAKE合并單元(RAKE_COMB)、二次合并單元(POST_COMB)、PN碼發(fā)生及滑動(dòng)單元(PN_BANK)、WALSH函數(shù)發(fā)生單元(WALSH_GEN)、AFC環(huán)路計(jì)算單元(AFC_LOOP)和PN碼跟蹤單元等11個(gè)部分。
2．如權(quán)利要求1所述的直擴(kuò)/碼分多址擴(kuò)頻綜合相干接收裝置，其特征在于1)狀態(tài)控制單元(FSM_CONTROL)主要由CPU接口、接收機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制(TOP_FSM)、單元狀態(tài)控制信號(hào)發(fā)生(DOWN_FSM)等三個(gè)基本模塊組成，完成與基帶控制CPU的信息交互，接收來(lái)自CPU的控制信息、產(chǎn)生各模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移所需的控制信息，對(duì)各模塊的狀態(tài)執(zhí)行情況進(jìn)行記錄，并上報(bào)CPU。2)定時(shí)發(fā)生單元主要接受外部時(shí)鐘(通常為擴(kuò)頻序列碼片速率的16倍或32倍)，通過(guò)分頻與計(jì)數(shù)，完成系統(tǒng)所需的CPU中斷信號(hào)、定時(shí)時(shí)鐘及時(shí)序，并結(jié)合跟蹤單元及狀態(tài)控制單元進(jìn)行定時(shí)調(diào)整。3)數(shù)據(jù)延遲線由四組存儲(chǔ)空間為18×6比特的RAM或D觸發(fā)器組成，完成輸入數(shù)據(jù)四倍采樣及72個(gè)1/4碼片間隔的延遲抽頭輸出，其結(jié)果通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式送往相關(guān)器組單元。4)相關(guān)器組CORRELATOR_BANK由四組相關(guān)器組成，每組相關(guān)器通過(guò)時(shí)分復(fù)用1個(gè)復(fù)數(shù)相關(guān)器(以32倍碼片速率進(jìn)行復(fù)用)完成31次有效相關(guān)積分，從而形成總數(shù)為31×4的等效相關(guān)器。5)相關(guān)后數(shù)據(jù)處理POST_CORR單元接收來(lái)自CORRELATOR_BANK的相關(guān)器輸出，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)，完成對(duì)相關(guān)器輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，主要完成基于能量窗的初始捕獲、越區(qū)搜索、有效多徑選擇等。并將處理結(jié)果送往PN碼跟蹤單元、AFC環(huán)路單元和狀態(tài)控制單元。6)RAKE合并單元接收來(lái)自POST_CORR單元的信道估計(jì)和解相關(guān)數(shù)據(jù)流，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)完成對(duì)有效多徑的合并功能，其結(jié)果輸送至二次合并單元。7)二次合并單元接收來(lái)自RAKE_COM單元的多徑合并結(jié)果，并根據(jù)FSM_CONTROL單元的控制信號(hào)決定是否需要進(jìn)行多個(gè)基站的宏分集功能。若需要進(jìn)行宏分集，則需按照CPU提供的各個(gè)基站的路徑時(shí)延差進(jìn)行延遲，使之相互在時(shí)間上對(duì)齊，最終完成多個(gè)基站的宏分集功能。8)PN碼發(fā)生及滑動(dòng)單元提供系統(tǒng)所需的五路PN碼，其中三路可用于解擴(kuò)三基站數(shù)據(jù)，一路用于越區(qū)搜索，一路可用于發(fā)射機(jī)。9)WALSH函數(shù)發(fā)生單元接受FSM_CONTROL及SYS_CLK的控制，產(chǎn)生三路依賴于各接收鏈路的Walsh序列。提供給相關(guān)器組單元。10)AFC環(huán)路計(jì)算單元根據(jù)POST_CORR單元提供的導(dǎo)頻信道有效多徑信息，進(jìn)行頻率誤差估計(jì)及環(huán)路濾波計(jì)算，其結(jié)果送往可控的頻率基準(zhǔn)單元。11)PN碼跟蹤單元接收來(lái)自POST_CORR單元提供的導(dǎo)頻信道有效多徑的信道估計(jì)，進(jìn)行能量窗重心計(jì)算及環(huán)路濾波計(jì)算，得到可變模計(jì)數(shù)器的模值，送往定時(shí)發(fā)生單元SYS_CLK對(duì)本地PN碼發(fā)生時(shí)鐘進(jìn)行微調(diào)，從而完成本地PN碼相位調(diào)整。
3．如權(quán)利要求2所述的直擴(kuò)/碼分多址擴(kuò)頻綜合相干接收裝置，其特征在于該裝置以時(shí)分復(fù)用的相關(guān)器組及由此得到的相干信道估計(jì)器組為核心，集PN初始同步與跟蹤、RAKE分集相干合并、AFC及多小區(qū)搜索與合并接收、越區(qū)軟切換為一體，
4．如權(quán)利要求2所述的直擴(kuò)/碼分多址擴(kuò)頻綜合相干接收裝置，其特征在于引入了“基于最大能量窗的CDMA蜂窩系統(tǒng)初始同步方法”和“基于多徑信道能量窗重心跟蹤環(huán)路的導(dǎo)頻信道跟蹤方法”等設(shè)計(jì)方法，對(duì)多徑能量窗進(jìn)行并行處理，從而具有較強(qiáng)的克服多徑衰落能力，能保證RAKE接收的最佳性能，并在較大程度上簡(jiǎn)化了RAKE接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。
5．如權(quán)利要求2所述的直擴(kuò)/碼分多址擴(kuò)頻綜合相干接收裝置，其特征在于宏分集與軟切換功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較復(fù)雜，共分為宏分集準(zhǔn)備階段、宏分集實(shí)施階段和宏分集去除階段三個(gè)部分。
全文摘要
本發(fā)明擴(kuò)頻綜合相干接收裝置以時(shí)分復(fù)用的相關(guān)器組及由此得到的相干信道估計(jì)器組為核心,集PN初始同步與跟蹤、RAKE分集相干合并、AFC及多小區(qū)搜索與合并接收、越區(qū)軟切換為一體,并引入了“基于滑動(dòng)能量窗的部分并行捕獲方法”和“基于能量窗重心的跟蹤環(huán),”等設(shè)計(jì)方法,對(duì)多徑能量窗進(jìn)行并行處理,而非Qualcomm公司相應(yīng)專利中對(duì)單徑進(jìn)行分別處理,從而具有較強(qiáng)的克服多徑衰落能力,能保證RAKE接收的最佳性能,并在較大程度上簡(jiǎn)化了RAKE接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H04B1/707GK1318920SQ0012822
公開日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2000年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月18日
發(fā)明者蔣良成, 尤肖虎, 王俊超, 郭經(jīng)紅, 程時(shí)昕 申請(qǐng)人:信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所, 東南大學(xué)