用于檢測多層信號的組件和方法
【專利摘要】多層信號是從每個具有相關(guān)性質(zhì)的多于一層的分量序列來構(gòu)造的。一種接收機(18)接收多層信號。接收機中的信號檢測器(66)對接收的信號執(zhí)行做相關(guān)或匹配濾波。當(dāng)檢測到信號時，信號檢測器觸發(fā)定時估值器(70)、相位估值器(68)和頻率估值器(72)。定時估值器采用來自信號檢測器的輸出信號，執(zhí)行插值和定時估值。定時估值調(diào)整采樣時鐘以用于時間同步。相位估值器采用來自相關(guān)設(shè)備的輸出信號來對相位進行估值。相位估值被用來實現(xiàn)相位同步。頻率估值器將接收的信號轉(zhuǎn)換成等效的連續(xù)波信號。頻率估值器對連續(xù)波信號執(zhí)行離散傅立葉變換，并且對頻率偏移進行估值。頻率偏移估值被用來實現(xiàn)頻率同步。
【專利說明】用于檢測多層信號的組件和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在通信系統(tǒng)中生成信號、發(fā)送信號和檢測信號的設(shè)備和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 信號檢測是通信系統(tǒng)中的必要任務(wù)。通常在信息開始處發(fā)送前綴信號以用于信號 檢測和參數(shù)估值。前綴信號也被稱為獨特字。前綴信號的設(shè)計等同于設(shè)計序列。前綴信號 優(yōu)選具有優(yōu)良的相關(guān)性質(zhì)、良好的序列集合大小（family size)和高線性復(fù)雜度。相同的 前綴信號被存儲在接收機中。接收機接收到信號，執(zhí)行與預(yù)先存儲的前綴信號的做相關(guān)，并 與閾值比較。如果相關(guān)度不低于閾值，則接收機宣告檢測到信號，并使用接收到的信號和相 關(guān)度用于參數(shù)估值、包括時間、相位和頻率。
[0003] 傳統(tǒng)上，接收機必須計算接收到的信號與整個前綴信號的相關(guān)度。一個示例為發(fā) 送最大長度序列，并且通過逐個樣本地計算接收到的信號與預(yù)先存儲的前綴信號的全相關(guān) 度來檢測該序列。結(jié)果信號檢測的復(fù)雜度較高。在傳統(tǒng)的寬帶通信終端中，信號檢測器必 須計算大量的乘法，該信號檢測器總是占用接收機的硬件的一大部分，并且是接收機中昂 貴的模塊。某些信號檢測器對乘法要求之大讓市面上最快的硬件也無法支持。
[0004] 在保持與傳統(tǒng)信號設(shè)計和檢測方法相同的檢測性能的同時，必須設(shè)計出具有優(yōu)良 特征的新的信號以最小化信號檢測復(fù)雜度并降低信號檢測器成本。
[0005] 1968年，Turyn非常簡要地引入了兩個序列的張量積的概念，作為將序列的定義 移位到不同群的方式。張量積也被稱作兩個序列的克羅內(nèi)克積，或僅僅被稱為克羅內(nèi)克序 列。Turyn沒有給出任何利用克羅內(nèi)克序列工作的硬件設(shè)計。
[0006] 1991年，Karkkainen和Leppanen比較了使用克羅內(nèi)克序列的異步CDMA系統(tǒng)的性 能與使用諸如Gold，Kasami和最大長度序列之類的傳統(tǒng)序列的通信系統(tǒng)的性能。他們考慮 到將克羅內(nèi)克序列應(yīng)用到兩個分量序列，包括：長度為11的Barker序列和長度為127的Μ 序列；長度為31的Gold序列和長度為63的Gold序列；長度為11的Barker序列和長度為 127的Gold序列；長度為11的Barker序列和長度為63的小Kasami序列。接收機首先對 接收到的信號做相關(guān)以找到第一序列的正確相位。在對第一序列實現(xiàn)檢測和同步后，內(nèi)序 列（第一序列）將被鎖定于接收到的信號，然后第二相關(guān)器開始搜索外序列（第二序列） 的正確相位。這樣的用于克羅內(nèi)克序列的獲取方案的成功取決于接收機輸入信噪比（SNR) 在E b/NQ > 15dB處足夠大以準(zhǔn)許可靠檢測到第一分量序列（內(nèi)序列）的自相關(guān)中的同相 峰。設(shè)這一計要求第一序列的長度要大，系統(tǒng)信噪比要高，并且第二序列長度要小。作者指 出內(nèi)分量序列的選擇并不關(guān)鍵，并且外分量序列（第二序列）長度必須比第一序列短很多。 Barker序列是外序列的很好選擇。然而，不推薦用Barker序列作內(nèi)序列。研究表明，克羅 內(nèi)克序列在異步CDMA系統(tǒng)中導(dǎo)致信噪比在E b/NQ = 15dB處的0. 5dB到1. OdB的劣化。該 損失在通信系統(tǒng)中是相當(dāng)大的。
[0007] 1997年，Elders-Boll等人研究了通信系統(tǒng)中使用Turyn方法構(gòu)造序列的序列獲 取。研究顯示，與等長的最大長度序列比較，使用Turyn方法構(gòu)造的序列在序列獲取時間上 減少50%。然而，獲取僅考慮內(nèi)序列而沒有考慮外序列，因此帶來很大的性能損失。
[0008] 1999年，劉給出了 3層序列的示例。劉獨立提出了對每層信號分別運用三個相關(guān) 器和三個信號檢測器來檢測3層序列。劉的方法的優(yōu)點在于能夠減小信號檢測器的硬件復(fù) 雜度。其弱點在于要求在每一層信號執(zhí)行信號檢測，這是因為如果任何一層i < 3處的信 號檢測器遺漏分量信號，則整個信號就未檢測到。
[0009] 總而言之，此前的信號設(shè)計和檢測的方法都使用了整個信號的相關(guān)，其中相關(guān)是 針對接收到的信號和預(yù)先存儲的整個信號逐個樣本來計算的。這些方法遵循傳統(tǒng)的理論和 實踐，要求相關(guān)必須針對整個信號逐個樣本地來計算。就設(shè)計克羅內(nèi)克序列而言，現(xiàn)有技術(shù) 僅考慮了兩個分量序列。就檢測克羅內(nèi)克序列而言，現(xiàn)有技術(shù)強調(diào)僅檢測內(nèi)分量序列。如 果內(nèi)分量序列沒有被檢測到，則現(xiàn)有技術(shù)必然失敗。因為內(nèi)序列只包含整個克羅內(nèi)克序列 能量的一部分，所以現(xiàn)有技術(shù)在檢測階段遺漏克羅內(nèi)克序列的概率很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 用于檢測接收到的信號的信號檢測器包括同相輸入端口，用于接收同相接收的信 號，和正交輸入端口，用于接收正交接收的信號。同相相關(guān)設(shè)備電連接到同相輸入端口，并 且正交相關(guān)設(shè)備電連接到正交輸入端口。存儲器設(shè)備電連接到同相相關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè) 備。存儲器設(shè)備存儲將被提供給同相相關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè)備兩者的密鑰作為同相接收的 信號和正交接收的信號的操作數(shù)（operand)。分別地，相關(guān)產(chǎn)生同相相關(guān)信號，并且正交相 關(guān)器產(chǎn)生正交相關(guān)信號。同相平方裝置對同相相關(guān)信號求平方以生成同相平方信號。正交 平方設(shè)備對正交相關(guān)信號求平方以生成正交平方信號。加法器將同相平方信號和正交平方 信號相加以產(chǎn)生相加信號。比較器將相加信號同閾值進行比較以決定接收的信號是否是通 信信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 隨著本發(fā)明通過參照以下【具體實施方式】、在結(jié)合附圖進行考慮時變得更好理解， 本發(fā)明的優(yōu)點將易于領(lǐng)會，在附圖中：
[0012] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的通信系統(tǒng)的一個實施例的框圖；
[0013] 圖2A和2B分別是本發(fā)明的信號發(fā)生器的第一實施例的框圖和第二實施例的框 圖；
[0014] 圖3是本發(fā)明的發(fā)射機的框圖；
[0015] 圖4是本發(fā)明的接收機的框圖；
[0016] 圖5是本發(fā)明的信號檢測器的第一實施例的框圖；
[0017] 圖6是本發(fā)明的信號檢測器的第二實施例的框圖；以及
[0018] 圖7是本發(fā)明的信號檢測器的第三實施例的框圖。

【具體實施方式】 [0019] 信號生成
[0020] 參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的通信系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括序列發(fā)生 器12,發(fā)射機14,信道16和接收機18。發(fā)射機14通過信道16發(fā)射信號到接收機18,信道 可以是任何已知的用于發(fā)送電磁信號的媒介。序列發(fā)生器12生成信號，該信號將由發(fā)射機 14通過信道16發(fā)射并且被接收機18接收，接收機可以使用天線、信號放大器、或如現(xiàn)有技 術(shù)已知的其它此類設(shè)備。
[0021] 圖2A示出多層（multiple level)序列發(fā)生器12的第一結(jié)構(gòu)。在此第一結(jié)構(gòu)12 中，序列發(fā)生器20產(chǎn)生第一分量序列&，序列發(fā)生器22生成第二分量序列A 2，序列發(fā)生器 24提供第三個分量序列A3，序列發(fā)生器26提供第Μ個分量序列AM。多層序列乘法器28將 這些元件序列軋A2…，AM用作輸入信號并且生成多層序列Λ ?為? ? ,其在下面 被定義。當(dāng)序列發(fā)生器12輸出信號的長度大時，有必要用硬件實現(xiàn)多層序列發(fā)生器12以 便快速生成信號。
[0022] 在圖2B中，帶上標(biāo)的附圖標(biāo)記類似于圖2A中所示的元件，第二結(jié)構(gòu)12'由用于& 的序列發(fā)生器20'、用于A 2的序列發(fā)生器22'，用于A3的序列發(fā)生器24'，用于&的序列發(fā) 生器20'和主時鐘38組成，該主時鐘38通過連接39、通過生成時鐘信號來操作序列發(fā)生器 20'。時鐘信號還經(jīng)由連接41被發(fā)送給第一輔時鐘40。第一輔時鐘40是用于操作序列發(fā) 生器22'的除以U電路，U是&的長度。第二輔時鐘42是用于操作序列發(fā)生器24'的除 以L 2電路，L2是A2的長度。第二輔時鐘42由第一輔時鐘40驅(qū)動。類似地，第M-1輔時鐘 44是用于操作序列發(fā)生器26'的除以k電路，k是A M_i的長度。乘法器46將Αρ A2…，Am 用作輸入信號并且生成多層序列4?為。因此，包括主時鐘38在內(nèi)的每個時鐘 輸出被并行發(fā)送給序列發(fā)生器和與下一序列發(fā)生器關(guān)聯(lián)連線的下一輔時鐘。如果忽略時鐘 與序列發(fā)生器之間的連接，也可以說主時鐘38和眾輔時鐘40,42,44是串聯(lián)連接的，第Μ輔 時鐘由第Μ-1輔時鐘驅(qū)動（并且第一輔時鐘由主時鐘驅(qū)動）。
[0023] 在電信領(lǐng)域，信號設(shè)計也被稱作序列設(shè)計。在通信系統(tǒng)中，用于檢測和估值的信號 是通過對序列用脈沖成形函數(shù)進行濾波來生成的。信號可以被寫成序列與脈沖成形函數(shù)的 卷積。信號的相關(guān)函數(shù)是由序列的相關(guān)函數(shù)和脈沖成形函數(shù)確定的。因為脈沖成形函數(shù)是 確定性的，所以設(shè)計信號等同于設(shè)計序列。
[0024] Μ > 2層的多層序列可以通過對Μ個分量序列應(yīng)用克羅內(nèi)克乘積來構(gòu)造。使用克 羅內(nèi)克乘積來定義多層序列。多層序列的構(gòu)造是本發(fā)明人以前工作的廣義化。檢測多層序 列的方法在以下給出。
[0025] 讓A = (aij)為mXk的矩陣，B = (bu)為ηΧ 1的矩陣。Α和Β的克羅內(nèi)克乘積 用表示，其定義如下：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于接收接收的信號（r(t))的接收機（18)，所述接收機（18)包括： 輸入端口（51)，用于接收所接收的信號（r(t))，所述輸入端口（51)定義從其延伸出的 第一分支（53)和第二分支（55)，所述第一分支（53)和所述第二分支（55)允許所接收的信 號（r(t))沿著所述第一分支（53)和所述第二分支（55)兩者而被發(fā)送； 同相混頻器（54)，電連接到所述第一分支（53); 正交混頻器（60)，電連接到所述第二分支（55); 本地振蕩器（52)，電連接到所述同相混頻器（54)和所述正交混頻器（60)，所述振蕩器 (52)產(chǎn)生同相波信號和正交波信號，所述同相混頻器（54)對所接收的信號（r(t))與所述 同相波信號進行混頻以產(chǎn)生同相接收的信號，所述正交混頻器￠0)對所述通信信號與所 述正交波信號進行混頻以產(chǎn)生正交接收的信號； 信號檢測器（66)，與所述同相混頻器（54)和所述正交混頻器（60)操作連接以接收所 述同相接收的信號和所述正交接收的信號并且對其做相關(guān)，所述信號檢測器產(chǎn)生參數(shù)估值 輸出和指示檢測到所接收的信號（r(t))的信號輸出； 參數(shù)估值器（67)，電連接到所述信號檢測器（66)并且操作連接到所述同相混頻器 (54)和所述正交混頻器（60)以用于對所接收的信號（r(t))的參數(shù)進行估值；以及 解調(diào)器（74)，操作連接到所述同相混頻器（54)、所述正交混頻器（60)、所述信號檢測 器（66)和所述參數(shù)估值器￠7)，以對所接收的信號（r(t))進行解調(diào)以用于其指定用途。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機（18)，其中所述參數(shù)估值器￠7)包括與所述信號檢 測器（66)進行電通信的相位估值器（68)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的接收機（18)，其中所述參數(shù)估值器￠7)包括與所述信號檢 測器（66)進行電通信的定時估值器（70)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的接收機（18)，其中所述參數(shù)估值器￠7)包括與所述信號檢 測器（66)進行電通信并且操作連接到所述同相混頻器（54)和所述正交混頻器（60)的頻 率估值器（72)。
5. -種用于檢測接收的信號的信號檢測器，所述信號檢測器包括： 同相輸入端口，用于接收同相接收的信號； 正交輸入端口，用于接收正交接收的信號； 同相相關(guān)設(shè)備（178)，電連接到所述同相輸入端口； 正交相關(guān)設(shè)備（182)，電連接到所述正交輸入端口； 存儲器設(shè)備，電連接到所述同相相關(guān)設(shè)備和所述正交相關(guān)設(shè)備，所述存儲器設(shè)備存儲 將被提供給所述同相相關(guān)設(shè)備和所述正交相關(guān)設(shè)備兩者的密鑰作為針對所述同相接收的 信號和所述正交接收的信號的操作數(shù)以分別產(chǎn)生同相相關(guān)信號和正交相關(guān)信號； 同相平方設(shè)備，用于對所述同相相關(guān)信號求平方以生成同相平方信號； 正交平方設(shè)備，用于對所述正交相關(guān)信號求平方以生成正交平方信號； 加法器，用于將所述同相平方信號和所述正交平方信號相加以產(chǎn)生相加信號；以及 比較器，用于將所述相加信號與閾值進行比較以確定所接收的信號是否為通信信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的信號檢測器，其中所述存儲器設(shè)備存儲所述通信信號的離散 時域信號作為所述密鑰。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的信號檢測器，其中所述存儲器設(shè)備存儲序列（g )作為所述 密鑰。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的信號檢測器，其中所述信號檢測器包括同相匹配濾波器，所 述同相匹配濾波器被電連接在所述同相輸入端口與所述同相相關(guān)設(shè)備之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的信號檢測器，其中所述信號檢測器包括正交匹配濾波器，所 述正交匹配濾波器被連接在所述正交輸入端口與所述正交相關(guān)設(shè)備之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的信號檢測器，其中所述同相相關(guān)設(shè)備和所述正交相關(guān)設(shè)備 是相關(guān)器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的信號檢測器，其中所述同相相關(guān)設(shè)備和所述正交相關(guān)設(shè)備 是匹配濾波器。
12. -種用于檢測接收的信號的信號檢測器，所述信號檢測器包括： 同相輸入端口，用于接收同相接收的信號； 正交輸入端口，用于接收正交接收的信號； 一系列同相相關(guān)設(shè)備（378^378^378^,操作連接到所述同相輸入端口； 一系列正交相關(guān)設(shè)備（382^382^382^,操作連接到所述正交輸入端口； 一系列存儲器設(shè)備，每個存儲器設(shè)備電連接到所述一系列同相相關(guān)設(shè)備和所述一系列 正交相關(guān)設(shè)備中的每個同相相關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè)備，所述存儲器設(shè)備中的每個存儲器設(shè) 備存儲將被提供給所述一系列同相相關(guān)設(shè)備和所述一系列正交相關(guān)設(shè)備中的每個同相相 關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè)備的單層密鑰（ApAyAM)作為針對所述同相接收的信號和所述正交接 收的信號的操作數(shù)以分別產(chǎn)生同相相關(guān)信號和正交相關(guān)信號； 同相平方設(shè)備，用于對所述同相相關(guān)信號求平方以生成同相平方信號； 正交平方設(shè)備，用于對所述正交相關(guān)信號求平方以生成正交平方信號； 加法器，用于將所述同相平方信號和所述正交平方信號相加以產(chǎn)生相加信號；以及 比較器，用于將所述相加信號與閾值進行比較以確定所接收的信號是否為通信信號。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的信號檢測器，其中所述一系列同相相關(guān)設(shè)備中的所有同相 相關(guān)設(shè)備與彼此串聯(lián)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的信號檢測器，其中所述一系列正交相關(guān)設(shè)備中的所有正交 相關(guān)設(shè)備與彼此串聯(lián)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的信號檢測器，其中所述信號檢測器包括同相匹配濾波器， 所述同相匹配濾波器被電連接在所述同相輸入端口與所述同相相關(guān)設(shè)備之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的信號檢測器，其中所述信號檢測器包括正交匹配濾波器， 所述正交匹配濾波器被電連接在所述正交輸入端口與所述正交相關(guān)設(shè)備之間。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號檢測器，其中所述一系列同相相關(guān)設(shè)備和所述一系列 正交相關(guān)設(shè)備中的每個同相相關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè)備是相關(guān)器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號檢測器，其中所述一系列同相相關(guān)設(shè)備和所述一系列 正交相關(guān)設(shè)備中的每個同相相關(guān)設(shè)備和正交相關(guān)設(shè)備是匹配濾波器。
19. 一種多層序列發(fā)生器（12)，包括： 一系列序列發(fā)生器（20,22,24,26)，用于生成序列（4,4，^，4");以及 多層序列乘法器（28)，用于接收所述序列（Ap A2, A3, AM)中的每個序列并且將所述序 列（Αρ A2, A3, AM)相乘在一起以形成將在通信信號的傳輸之前被插入到所述通信信號中的 多層序列（4?為?…殄為,）^
20. -種多層序列發(fā)生器（12'），包括： 主時鐘（38)，所述主時鐘（38)生成主時鐘信號； 多個輔時鐘（40,42,44)，串聯(lián)連接到所述主時鐘（38)，所述多個輔時鐘（40,42,44)中 的每個輔時鐘由所述主時鐘（38)通過與所述多個輔時鐘（40,42,44)中的每個輔時鐘的串 聯(lián)連接操作地驅(qū)動， 一系列序列發(fā)生器（20'，22'，24'，26'），用于生成具有定義的長度的序 列（"'Am)作為來自所述一系列序列發(fā)生器（20'，22'，24'，26'）中的每個序列發(fā)生 器的輸出；以及 多層序列乘法器（46)，用于接收所述序列（Αρ A2, A3, AM)中的每個序列作為去往所述 多層序列乘法器的輸入，并且將所述序列（ApAyAyAM)相乘在一起以形成將在通信信號的 傳輸之前被插入到所述通信信號中的多層序列?···Θ/Ιν )， 其中所述主時鐘（38)和所述多個輔時鐘（40,42,44)中的每個輔時鐘生成特定于所述 一系列序列發(fā)生器（20'，22'，24'，26'）中的每個序列發(fā)生器的時鐘信號。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的多層序列發(fā)生器（12'），其中所述主時鐘（38)和所述多個 輔時鐘（40,42,44)中的每個輔時鐘是除以長度時鐘，使得所述主時鐘（38)和所述多個輔 時鐘（40,42,44)中的每個輔時鐘產(chǎn)生特定于由與所述主時鐘（38)和所述多個輔時鐘（40， 42,44)中的每個輔時鐘相關(guān)聯(lián)的所述序列發(fā)生器（20'，22'，24'，26'）中的每個序列發(fā)生 器產(chǎn)生的所述序列（ApAyAyAM)中的每個序列的所述長度（Ι^Ι^Ι^，。的時鐘信號。
【文檔編號】H04L25/06GK104094570SQ201280065664
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】劉青崇 申請人:劉青崇