專利名稱：偽噪聲編碼通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偽噪聲編碼通信系統(tǒng)，尤其涉及具有非常低造價的遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置的無線通信系統(tǒng)，其中該收發(fā)器裝置可以被一個基站收發(fā)器識別以使基站收發(fā)器和遠(yuǎn)程收發(fā)器能夠交換數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
存在很多通信系統(tǒng)的應(yīng)用，這些通信系統(tǒng)采用了能夠與許多遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置進(jìn)行通信的基站收發(fā)器。一種類型的系統(tǒng)涉及一種構(gòu)架，在該構(gòu)架中遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置在長時間內(nèi)保持關(guān)斷。在這些系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置在短時間內(nèi)周期地打開，使得基站收發(fā)器和遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置可以進(jìn)行通信，從而能夠交換數(shù)據(jù)。在這樣一個系統(tǒng)中，基站收發(fā)器必須能夠快速地識別剛剛打開的遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置，使得基站收發(fā)器和遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置可以交換適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。這種系統(tǒng)的實(shí)施必須解決許多導(dǎo)致運(yùn)用困難的障礙。
一個障礙在于遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置的功率消耗。通常，遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置由電池供電。當(dāng)功率消耗降低時，需要更換電池的頻率也降低。這是重要的，因?yàn)檫h(yuǎn)程收發(fā)器裝置可能被放置在難以到達(dá)的地方，其中頻繁地更換電池是不切實(shí)際的。另外，即使在遠(yuǎn)程裝置可以容易地更換電池的那些情況中，這樣做可能仍舊是困難的，因?yàn)檫@些通信系統(tǒng)常常具有上千個、甚至上十萬個遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置來作為網(wǎng)絡(luò)的組成部分。頻繁地更換電池還使這樣一種系統(tǒng)的維護(hù)昂貴，這是所不期望的。
除了功率消耗的問題，包含上千個遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置的通信系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于具有射頻(“RF”)噪聲的環(huán)境中。遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置必須能夠發(fā)送盡管有RF噪聲但基站收發(fā)器能夠識別的數(shù)據(jù)。而且，基站收發(fā)器必須能夠迅速地識別遠(yuǎn)程收發(fā)器，以便使通信系統(tǒng)有效。
當(dāng)一個遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置試圖與基站收發(fā)器通信時，該基站收發(fā)器必須能夠解釋被廣播的信號。因此，施加于所述數(shù)據(jù)的任何編碼都必須與基站相同步。傳統(tǒng)的同步方法，比如在遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置和基站收發(fā)器中都設(shè)有晶體，是不實(shí)用的。其中一個原因是晶體使用的功率比期望的更多。因此，晶體顯著降低了電池壽命。另外，晶體顯著增加通信網(wǎng)絡(luò)的造價，因?yàn)槭褂昧松锨€遠(yuǎn)程裝置的一個系統(tǒng)同樣需要上千個晶體。如此程度地增加造價是不可接受的。
已經(jīng)嘗試了允許基站獲得遠(yuǎn)程收發(fā)器裝置的信號的通信系統(tǒng)。比如，美國專利第6750814描述了一種已知的采用基于FFT的相關(guān)的無線信號探測系統(tǒng)。美國專利第6163548描述了一種已知的采用快速變換的偽噪聲碼同步方法。美國專利第6717977描述了一種已知的用于探測偽噪聲碼和直序列碼的設(shè)備。Srdjan Z.Budisin等人的題目為“FastPN Sequence Correlation by using FWT(通過使用FWT來快速地進(jìn)行PN序列相關(guān))”的論文，地中海電工技術(shù)會議學(xué)報，1989，第513-515頁，其中描述了一種使用快速沃爾什變換來迅速與偽噪聲編碼進(jìn)行相關(guān)的已知方法。Abdulqadir Alaqeeli和Janusz Starzyk的題目為“Hardware Implementation for Fast Convolution with a PN Code UsingField Programmable Gate Array(采用現(xiàn)場可編程門陣列來用于與PN編碼快速卷積的硬件實(shí)現(xiàn))”的論文，系統(tǒng)理論的東南會議學(xué)報，雅典，OH，2001，其中描述了一種用于快速探測PN編相位的快速沃爾什變換方法。Martin Cohn和Abrahan Lempel的題目為“On Fast M-SequenceTransforms(關(guān)于快速M(fèi)序列變換)”的論文，IEEE信息理論學(xué)報，1977年1月，第135-137頁，其中描述了一種用于有效地計(jì)算與偽噪聲編碼的多重相關(guān)的算法。
Ian D.O｀Donnell、Mike S.Chen、Stanley B.T.Wang和Robert W.Brodersen的題目為“An Integrated、Low Power、Ultra-Wideband TransceiverArchitecture For Low-Rate、Indoor Wireless Systems(用于低速率、室內(nèi)無線系統(tǒng)的一種集成的、低功率的、超寬頻帶的收發(fā)器構(gòu)架)”的論文，IEEE無線通信和組網(wǎng)CAS研討會，2002年9月5-6日，其中提供了使用長偽噪聲(“PN”)碼的脈沖通信系統(tǒng)的一個例子以及PN碼相位探測的一種常規(guī)方法。該論文的第7部分尤其討論了并行PN碼相位搜索，并敘述這樣一種搜索是“驚人地大”。因此，該論文教導(dǎo)應(yīng)當(dāng)連續(xù)地進(jìn)行PN碼相位探測。但是，連續(xù)的PN碼相位探測花費(fèi)相當(dāng)長的時間，這對電池壽命有負(fù)面影響。
這些參考文獻(xiàn)都沒有教導(dǎo)或暗示具有提供用于快速遠(yuǎn)程裝置探測、高度的抗擾度和遠(yuǎn)程裝置低功率消耗的基站或遠(yuǎn)程裝置的一種通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在此描述了一種改進(jìn)的碼相位探測系統(tǒng)和方法，其在被接收的射頻信號上執(zhí)行快速的沃爾什變換。所述快速沃爾什變換探測射頻信號的偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率。從偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率中捕獲多路濾波器系數(shù)。然后利用通過快速沃爾什變換所探測的偽噪聲碼相位來對一個偽噪聲發(fā)生器進(jìn)行初始化。利用一個鎖相回路來跟蹤偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率以與射頻信號保持通信。一旦被鎖定，偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率就被解擴(kuò)以恢復(fù)射頻信號中的數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在將參照附圖具體描述上述的以及其他優(yōu)選特征，包括多種不同類型的詳細(xì)實(shí)施以及要素的組合，并將在權(quán)利要求中指出。顯然僅僅通過示例的方式來示出具體的方法和設(shè)備，但并不作為對它的限制。那些熟悉本領(lǐng)域的人員會明白這里所解釋的原理和特征可以應(yīng)用于不同的、許多的實(shí)施例中。


圖1示出了具有施加于調(diào)制器之前的偽噪聲(“PN”)擴(kuò)展的一種典型的擴(kuò)展頻譜通信模型。
圖2示出了具有施加于調(diào)制器之后的PN擴(kuò)展的一種典型的擴(kuò)展頻譜通信模型。
圖3示出了具有用于調(diào)制的多個PN碼發(fā)生器的一種典型的擴(kuò)展頻譜通信模型。
圖4示出了用于非相干信號探測的本教導(dǎo)的一種典型的功能框圖。
圖5示出了具有多重子PN位相位采樣瞬間的一種典型的信號圖。
圖6示出了本發(fā)明的探測算法的三維搜索空間的一種典型圖。
圖7示出了用于非相干信號探測的本教導(dǎo)的一種備選功能框圖。
圖8示出了用于非相干信號探測、環(huán)路濾波器鎖定和數(shù)據(jù)解擴(kuò)的本教導(dǎo)的一種功能框圖。
圖9示出了通過使用一種非相干多路濾波器而應(yīng)用于非相干信號探測、環(huán)路濾波器鎖定和數(shù)據(jù)解擴(kuò)的本教導(dǎo)的一種功能框圖。
圖10示出了使用過采樣來捕獲子PN比特相位樣本的一種典型的信號圖。
圖11示出了用于相干信號探測的本教導(dǎo)的一種典型的功能框圖。
圖12示出了通過使用一種相干RAKE多路濾波器來用于相干信號探測、碼鎖定和數(shù)據(jù)解擴(kuò)的本教導(dǎo)的一種典型的功能框圖。
圖13示出了根據(jù)這里所公開的一個實(shí)施例來描述一種用于非相干PN碼相位探測的方法的一個流程圖。
圖14示出了根據(jù)這里所公開的一個實(shí)施例來描述一種用于相干PN編碼相位探測的方法的一個流程圖。
應(yīng)當(dāng)注意的是，這些圖沒有按規(guī)定比例繪制，并且相同構(gòu)造或相同功能的元件在所有圖中為了闡述清楚的目的而一般用相同的參考數(shù)字來表示。還應(yīng)當(dāng)注意的是，這些圖僅用于幫助闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。這些圖并沒有描述本發(fā)明的每一方面，并且并沒有限制本發(fā)明的范圍。
具體實(shí)施例方式
以下所公開的每種附加特征和教導(dǎo)可以單獨(dú)地應(yīng)用或者與其他特征和教導(dǎo)相結(jié)合，以提供改進(jìn)的通信系統(tǒng)和設(shè)計(jì)及使用該系統(tǒng)的方法。本發(fā)明的典型的例子單獨(dú)地或組合地使用了許多附加特征和教導(dǎo)，這些例子現(xiàn)在將參照附圖來進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本詳述僅僅用于給熟悉本行業(yè)的人員講解得更詳細(xì)，以實(shí)踐本教導(dǎo)的優(yōu)選的方面，并且本詳述不打算限制本發(fā)明的范圍。因此，在下文詳述中所公開的特征和步驟的組合在最廣泛的意義上可能并不是實(shí)踐本發(fā)明所必須的，而是僅僅被講授來特殊描述本教導(dǎo)的典型例子。
而且，典型例子和從屬權(quán)利要求的許多特征可以以未被具體清楚列出的方式進(jìn)行組合，從而提供本教導(dǎo)的附加有用的實(shí)施例。另外，顯然要注意的是，出于原始公開的目的，并出于獨(dú)立于實(shí)施例和/或權(quán)利要求中的特征的組合而對所申明的主題進(jìn)行限制的目的，在本詳述和/或權(quán)利要求中所公開的所有特征而將相互分離和獨(dú)立地進(jìn)行公開。并且顯然要注意的是，出于原始公開的目的，并出于對所申明的主題進(jìn)行限制的目的，所有的值的范圍或?qū)ο笕航M的指示公開了每一種可能的中間值或中間對象。
圖1示出了具有施加于調(diào)制之前的偽噪聲(“PN”)擴(kuò)展的一種擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)框圖。普通的擴(kuò)展頻譜技術(shù)諸如跳頻(“HP”)和跳時(“TP”)可以使用圖1的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)。調(diào)制方法尤其是諸如脈沖位置調(diào)制(“PPM”)和正交頻分多路復(fù)用(“OFDM”)與圖1的擴(kuò)展頻譜構(gòu)造相兼容。在圖1的左邊所示的、可以被包含在遠(yuǎn)程裝置中的發(fā)送器包括一個輸入數(shù)據(jù)的源100、一個信道編碼器101、一個混頻器102、一個偽噪聲(PN)碼發(fā)生器103和一個調(diào)制器104。在一個實(shí)施例中，輸入數(shù)據(jù)100包括利用偽噪聲碼(PN編碼)而被編碼的以及利用任何合適的數(shù)字調(diào)制技術(shù)而被調(diào)制的導(dǎo)頻信號或信標(biāo)信號。一個多路信道105(也即其中運(yùn)行通信系統(tǒng)的環(huán)境)承載了被發(fā)送的信息，引入諸如多路反射、頻率選擇性衰減、噪聲以及窄頻帶和寬頻帶干擾的這些惡化現(xiàn)象。在圖1的右邊所示的、可以被包含于一個基站中的接收器包括一個解調(diào)器106、一個第二混頻器107、一個第二PN碼發(fā)生器108、一個信道解碼器109和一個輸出數(shù)據(jù)流110。
在本實(shí)施例中，要被發(fā)送的輸入數(shù)據(jù)100通過信道編碼器101被編碼為一個波形。有許多信道編碼和解碼形式可供使用，比如分組碼、卷積碼、渦輪碼和低密度奇偶校驗(yàn)碼。本實(shí)施例并不局限于選擇編碼和解碼方法。
在所述發(fā)送器中的PN碼發(fā)生器103產(chǎn)生一個確定的比特流，其與來自101的編碼數(shù)據(jù)流相組合。在一個實(shí)施例中，PN碼發(fā)生器103輸出一個比特流，該比特流具有類似于噪聲的屬性并差不多隨機(jī)地出現(xiàn)。對于大多數(shù)擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)，PN碼流率通常是輸入數(shù)據(jù)流率的幾倍(比如10∶1)?；祛l器102將所述確定的較高速度(寬頻帶)PN碼與低速(窄頻帶)輸入數(shù)據(jù)相組合以產(chǎn)生一個寬頻帶組合信號。來自混頻器102的所述組合信號驅(qū)動調(diào)制器104，該調(diào)制器通過信道105發(fā)送寬頻帶信號。在數(shù)據(jù)到達(dá)解調(diào)器106之前，信道105用噪聲、衰減、多路反射、干擾等惡化了數(shù)據(jù)，該解調(diào)器對信號以及在多頻帶信道中引入的信道惡化進(jìn)行解調(diào)。該接收器的PN碼發(fā)生器108產(chǎn)生與收發(fā)器的PN碼發(fā)生器103同步的相同的PN碼序列。所述擴(kuò)展功能被反轉(zhuǎn)，并且最初的窄頻帶數(shù)據(jù)信號被恢復(fù)，這在現(xiàn)有技術(shù)中是共知的。信道解碼器109將所產(chǎn)生的比特流進(jìn)行解碼以產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)121?；祛l器107對信號帶寬的縮減是被用于在混頻器104和106處將信號擴(kuò)展和縮減的同步寬頻帶信號的直接結(jié)果。在混頻器107處對信號的縮減還與帶寬縮減成正比地提高了被接收的數(shù)據(jù)流的信噪比。信噪比的增加被稱為處理增益。處理增益還與之相關(guān)地并總是被定義為擴(kuò)展編碼速率與被編碼的數(shù)據(jù)速率的比值成比例。對于10∶1快于被編碼的符號速率的一個擴(kuò)展編碼速率，處理增益為10*log(10)＝10dB。
在一個實(shí)施例中，調(diào)制器104和解調(diào)器106是線性的或近似線性的。線性調(diào)制是遵從疊加的調(diào)制，比如，modulation(A+B)＝modulation(A)+modulation(B)，對于解調(diào)也是相同的，比如，demodulation(A+B)＝demodulation(A)+demodulation(B)。二進(jìn)制相移鍵控(“BPSK”)、四相移鍵控(“QPSK”)、正交幅度調(diào)制(“QAM”)、正交頻分多路復(fù)用(“OFDM”)、幅度調(diào)制(“AM”)、頻率調(diào)制(“FM”)、脈沖幅度調(diào)制(“PAM”)、開關(guān)鍵控(“OOK”)和脈沖位置調(diào)制(“PPM”)均是與本教導(dǎo)相兼容的線性調(diào)制方法的例子。除了應(yīng)當(dāng)是線性的或近似線性的外，關(guān)于圖1的構(gòu)造的調(diào)制和解調(diào)方案方面本教導(dǎo)并沒有進(jìn)行限制。參見2001年John G.Proakis的“Digital Communications，4thEdition(數(shù)字通信，第4版)”，McGraw Hill關(guān)于擴(kuò)展頻譜通信、編碼/解碼方法和調(diào)制/解調(diào)方法的討論。
PN碼發(fā)生器103和PN碼發(fā)生器108均產(chǎn)生一個近似噪聲但實(shí)際是確定的和循環(huán)的偽隨機(jī)比特序列。作為最大長度序列(M序列)而被共知的一類PN碼可以通過線性反饋移位寄存器(“LFSR”)來產(chǎn)生。對于一個具有N比特的LFSR，M序列二進(jìn)制碼將具有2N-1的長度。M序列和諸如JPL編碼、黃金碼和Kasami碼的其他PN碼是本行業(yè)中所共知的，并在此不必描述。本公開涉及M序列和相關(guān)的PN碼，諸如多相PN序列和JPL碼。也可以選擇諸如沃爾什或Hadamard函數(shù)的其他擴(kuò)展碼來用于碼發(fā)生器103和108。本教導(dǎo)并不受限于擴(kuò)展碼的頻譜屬性。
圖2示出了擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的一個選擇實(shí)施例。圖2中所示的實(shí)施例與圖1中所示的實(shí)施例直接的主要區(qū)別在于混頻器的位置。在圖2中所示的實(shí)施例中，混頻器114插入在調(diào)制器113之后。直接序列擴(kuò)展頻譜(“DSSS”)調(diào)制是可以通過圖2來表示的一種普通的技術(shù)。可以被包含于一個遠(yuǎn)程裝置中的發(fā)送器在圖2的左邊被示出。該發(fā)送器包括一個輸入數(shù)據(jù)源111、一個信道編碼器112、一個調(diào)制器113、一個混頻器114和一個PN碼發(fā)生器115。在一個實(shí)施例中，輸入數(shù)據(jù)111包括利用偽噪聲碼而被編碼的以及利用任何合適的數(shù)字調(diào)制技術(shù)而被調(diào)制的導(dǎo)頻信號或信標(biāo)信號。代表通信系統(tǒng)所運(yùn)行的環(huán)境的多路信道116承載和并惡化了由發(fā)送器向接收器廣播的信號，其中該接收器在圖2的右邊被示出。該接收器包括一個第二混頻器117、一個第二PN碼發(fā)生器118、一個解調(diào)器119和一個產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)流121的信道解碼器。
在一個與圖1中所示實(shí)施例相反的實(shí)施例中，調(diào)制器113和解調(diào)器119可以是非線性的，也可以是線性的，如果不是全部則也涵蓋了大多數(shù)調(diào)制方案，其中包括上文已提及的，包括連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)和連續(xù)相位調(diào)制(CPM)兩種公知的非線性調(diào)制方案。
圖3示出了擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的另一種形式，其中的調(diào)制使用了多重PN擴(kuò)展碼序列。應(yīng)用于圖3的調(diào)制方法的例子有循環(huán)碼移位鍵控(“CCSK”)、補(bǔ)碼鍵控(“CCK”，用于802.11)、碼移位鍵控(“CSK”)、Barker碼位置調(diào)制(“BCPM”)、M-ary正交鍵控(MOK)、M-ary雙正交鍵控(MBOK)和正交碼分多路復(fù)用(“OCDM”)。本教導(dǎo)并不局限于圖3中所使用的調(diào)制形式。
在這個通信系統(tǒng)的實(shí)施例中所使用的發(fā)送器在圖3的左邊被示出。信道編碼器123對輸入數(shù)據(jù)122進(jìn)行編碼。擴(kuò)展碼發(fā)生器125產(chǎn)生多重的PN、正交或近似正交的比特流，該比特流與被編碼的數(shù)據(jù)一起被提供給一個調(diào)制器124。該調(diào)制器124選擇這些信號或者將這些信號與被編碼的信號相組合，并將被組合的信號通過多路信道126、也即通信系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行發(fā)送。在圖3的右邊所示的一個接收器對通過多路信道126而被廣播的信號進(jìn)行接收。
該碼發(fā)生器125可以產(chǎn)生由調(diào)制器124中的被編碼的數(shù)據(jù)流來選擇的兩個M序列，并發(fā)送到多路信道126中。在一個實(shí)施例中，擴(kuò)展碼循環(huán)周期等于被編碼的符號率。
通過將輸入信號與來自擴(kuò)展碼發(fā)生器127的一個同步匹配擴(kuò)展碼組相組合，而將通過多路信道126發(fā)送的信號輸入到接收器解調(diào)器128中。在一個實(shí)施例中，解調(diào)器128包括一個或多個將輸入信號與擴(kuò)展碼進(jìn)行相關(guān)的相關(guān)器。
為了正確地恢復(fù)信號，在信道兩邊的PN或擴(kuò)展碼發(fā)生器(圖1中的103和108，圖2中的115和118，圖3中的125和127)必須同步。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，在發(fā)送器和接收器中的晶體將對被發(fā)送和接收的信號進(jìn)行同步。如前所討論的，在本文所公開的收發(fā)器中設(shè)置晶體帶來造價和功率消耗方面的缺點(diǎn)，這正是本教導(dǎo)要克服的。
M序列和其他PN序列總是具有一個窄的(一比特)自相關(guān)峰值，該峰值對于碼分多址(“CDMA”)中的多路化是有益的，而當(dāng)對被發(fā)送和接收的PM碼相位進(jìn)行同步時會產(chǎn)生問題。在低功率的短暫通信方案中，其中無線電可能進(jìn)入延長的并有時不確定的斷電休眠時期以降低全部電池消耗，快速探測是尤其重要的。尤其期望有一種用于快速PN碼相位探測的有效方法來使功率消耗最小化。在數(shù)學(xué)上，碼相位探測是一個滑動相關(guān)或卷積的問題。
快速變換方法已經(jīng)用于加速碼相位探測問題并分成兩類?；诳焖俑盗⑷~變換(FFT)的方法典型地計(jì)算輸入樣本的FFT，并與一個參考向量做一個點(diǎn)到點(diǎn)的復(fù)數(shù)乘法，其中該參考向量是期望的PN碼向量的FFT。所產(chǎn)生的結(jié)果向量進(jìn)行反FFT，產(chǎn)生一個輸出向量，該輸出向量等于PN碼和輸入樣本在所有可能的偏移上的卷積。輸入信號的特殊PN碼相位在輸出向量中產(chǎn)生一個峰值。
第二種快速變換方法是基于快速沃爾什變換(“FWT”)，也稱作快速Hadamard變換(FHT)。沃爾什變換與M序列PN碼有特殊的關(guān)系，其中變換矩陣的列可以被置換以產(chǎn)生一個新的矩陣，其中該新矩陣的行是給定PN M序列的順序移位。應(yīng)用于碼相位搜索問題，該輸入數(shù)據(jù)首先被置換，然后進(jìn)行FWT，然后被反置換。該輸出向量將在輸入數(shù)據(jù)中占優(yōu)勢地位的PN碼相位上具有一個峰值。FWT比FFT有優(yōu)勢，因?yàn)樗鼉H需要加和減，顯著降低了硬件需求。
在很多通信系統(tǒng)中，一個信標(biāo)或?qū)ьl參考信號被用于使發(fā)送器和接收器同步。該信標(biāo)允許在發(fā)送器和接收器處設(shè)置PN序列的速率，如此使得在接收器處僅僅需要恢復(fù)發(fā)送器的碼相位。其他系統(tǒng)，諸如前往所討論的那些，依靠在發(fā)送器和接收器處相同地將PN序列速率設(shè)置為一個足夠精確的值的穩(wěn)定的頻率參考(比如晶體)，如此使得僅需要再次恢復(fù)PN碼發(fā)生器的相位。
在另外其他系統(tǒng)中，諸如全球定位系統(tǒng)(“GPS”)，PN碼周期非常長，并且頻率由于在發(fā)送和接收之間的高的相對速度而可能由于多普勒效應(yīng)而被明顯移位。在這種情況下，需要一個二維搜索來改變碼相位和碼頻率。
對于使用PN擴(kuò)展序列的脈沖通信系統(tǒng)，使用諸如FWT或FFT的快速或加速算法無法確定PN碼相位和頻率。本文提供了許多教導(dǎo)來在脈沖系統(tǒng)中進(jìn)行PN碼相位的快速探測。
在本教導(dǎo)的一個實(shí)施例中，提供了一種方法，使用一種三維搜索來恢復(fù)被接收信號的碼相位、頻率和子樣本相位。該方法對于恢復(fù)碼相位、頻率和多路信道特征是有用的，其中多路信道特征可以用于多路濾波器(比如RAKE)系數(shù)。附加的或可選擇的，在利用短暫或脈沖通信的低功率無線電系統(tǒng)中，接收器可以在每個被接收的比特周期期間周期地關(guān)斷，而不會遭受樣本混迭效應(yīng)。在一個實(shí)施例中，發(fā)送器發(fā)送一個PN M序列編碼的信號，接收器確定相位、頻率和子樣本相位。
圖4示出了一種非相干同步機(jī)制的一個典型框圖，其中該機(jī)制用于確定一個M序列PN碼的信號的碼頻率、碼相位和子PN比特相位。該構(gòu)造的電路實(shí)現(xiàn)通常存在于遠(yuǎn)程收發(fā)器中。輸入數(shù)據(jù)135被輸送到包絡(luò)檢測器/放大器137中。在一個實(shí)施例中，輸入數(shù)據(jù)135包括利用PN碼編碼的并利用任意合適的脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)制的一個導(dǎo)頻或信標(biāo)信號。附加的或可選擇的，一個或多個混頻器(未示出)、一個或多個濾波器(未示出)和/或一個或多個附加放大器(未示出)可以用于在包絡(luò)檢測之前或作為包絡(luò)檢測的一部分把輸入信號轉(zhuǎn)換為它的基帶狀態(tài)。包絡(luò)檢測器/放大器137的輸出是一個包絡(luò)信號。要注意的是也可以使用對于本行業(yè)普通技術(shù)人員所熟知的其他前端無線電接收器構(gòu)造。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(“ADC”)138接收該包絡(luò)信號并進(jìn)行數(shù)字化。在另一實(shí)施例中，在包絡(luò)檢測之前進(jìn)行數(shù)字化，從而允許包絡(luò)檢測以數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。圖5示出了在ADC 138的輸出上所看到的一個數(shù)字化M序列編碼信號11的樣本。在一個選擇實(shí)施例中，ADC 138的輸出可以是一個脈沖信號14，這也在圖5中被示出。ADC 138以一個速率和相位對包絡(luò)檢測器的輸出進(jìn)行采樣，其中該速率和相位由在圖4中所示的諸如壓控振蕩器的可編程振蕩器139來確定。要注意的是這里的許多教導(dǎo)允許使用非常低造價的、低精度的振蕩器而不需晶體。2N-1個順序采樣的一個向量被收集，其中M序列的長度是2N-1。該樣本向量按照一個置換映射而被重新排序。被置換的樣本向量被輸入到一個FWT引擎141，該引擎執(zhí)行快速沃爾什變換。FWT引擎141的輸出被輸入到一個峰值檢測器142中，該峰值檢測器可以確定FWT引擎141所產(chǎn)生的最大輸出。反置換函數(shù)143可以將峰值位置映射為一個碼相位。
圖6示出了本發(fā)明的探測算法的一個典型的三維搜索空間。如圖6所示，振蕩器139(比如見圖4)對涵蓋所關(guān)注的時間范圍的所有采樣速率15和子樣本相位16的組合進(jìn)行掃描。所關(guān)注的范圍就是搜索范圍，并取決于本地振蕩器在該裝置沒有發(fā)送時(也即在該裝置出于休眠模式時)漂移的程度，或者取決于本地振蕩器已經(jīng)受諸如元件老化、環(huán)境溫度、電池電壓等的其他因素影響了多大。在圖5中，示出了對應(yīng)于許多子樣本相位的一組可能的采樣點(diǎn)13。每組采樣時間12都被用于在圖6中所示的每個FWT 18。在每個采樣速率和子樣本相位上，2N-1個樣本被累加，并通過FWT引擎141進(jìn)行處理。對于每個采樣速率和子樣本相位，峰值檢測器142確定了在被采樣的數(shù)據(jù)組(2N-1個點(diǎn))與目標(biāo)PN M序列的最大相關(guān)。具有來自峰值探測器142的最大峰值的振蕩器采樣速率和子樣本相位被確定是最匹配的碼相位，頻率(也即采樣速率)和子樣本相位。
在另一實(shí)施例中，振蕩器139僅僅掃描最后已知的采樣速率和子樣本相位以及直接相鄰的速率和相位工作點(diǎn)。該搜索算法可以沿著峰值相關(guān)的梯度來獲得最佳的結(jié)果。本地搜索方法和其他優(yōu)化技術(shù)是本行業(yè)所共知的，對其的選擇并不對本教導(dǎo)構(gòu)成限制。
在一個實(shí)施例中，接收器模擬前端僅僅在每個PN比特周期期間被激活一個短的時間以節(jié)省能量。比如，接收包絡(luò)檢測器/放大器137可能在一個100ns的PN比特周期期間僅僅被激活10ns。這種短持續(xù)時間的采樣可能導(dǎo)致在碼相位和采樣速率中的一個常規(guī)搜索錯過信號峰值。在該實(shí)施例中，需要子樣本搜索來成功地探測信號。
在另一實(shí)施例中，輸入信號使用幅度調(diào)制(AM)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)、開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制而被調(diào)制。
圖7示出了用于信號碼相位探測的一種非相干接收器的一種選擇實(shí)施，該接收器在上文中已討論過，并且該接收器將典型地設(shè)置于遠(yuǎn)程收發(fā)器中。輸入信號150包括諸如利用PN碼而被編碼的脈沖幅度調(diào)制信號的一個脈沖導(dǎo)頻或信標(biāo)信號，該輸入信號150被輸入到一個正交混頻器/濾波器/放大器152中，其中該正交混頻器/濾波器/放大器152包括至少一個混頻器、一個或多個任選的放大器以及一個或多個任選的濾波器以把輸入信號150變換為一個正交基帶或中頻狀態(tài)。這種模擬前端降頻變換過程是本行業(yè)所共知的，并且本教導(dǎo)并不對正交降頻前端的實(shí)施細(xì)節(jié)進(jìn)行限制。一個正交振蕩器153產(chǎn)生兩個參考信號以用于降頻變換一個90度的相對相位。該正交混頻器/濾波器/放大器152產(chǎn)生兩個正交輸出，I和Q，該輸出通過ADC 155和156以由振蕩器154所確定的采樣速率和相位而被數(shù)字化。被數(shù)字化的信號在量值計(jì)算器157中被組合。在一個實(shí)施例中，該量值計(jì)算器計(jì)算I和Q輸入的平方根(“RMS”)，也即output＝sqrt(I2+Q2)。在量值計(jì)算器的一個備選實(shí)施例中，可以對I和Q的絕對值求和，也即output＝abs(I)+abs(Q)。本教導(dǎo)并不對量值計(jì)算器157的選擇進(jìn)行限制。該正交降頻變換前端構(gòu)造總是比附圖4中所示的包絡(luò)檢測器前端更優(yōu)選，因?yàn)檩d頻是在一個寬的范圍內(nèi)可調(diào)的，頻帶外的信號/噪聲更容易被抑制并總是可以使用較便宜的部件。
量值計(jì)算157的輸出如前一樣被收集為2N-1長度的M序列的一個2N-1個樣本的向量。該向量然后被輸入到一個置換排序器158，之后跟著一個FWT 159。FWT 159的輸出是一個具有2N-1個點(diǎn)的向量，等于目標(biāo)M序列的被置換的卷積，被輸入一個峰值檢測器160。峰值檢測器160的指數(shù)輸出，也即峰值的指數(shù)通過一個反置換函數(shù)161以指示輸入信號M序列的被找到的碼相位。該碼相位可以隨后按照擴(kuò)展頻譜通信的要求被用于使接收器的PN發(fā)生器(比如108、118或127)與發(fā)送器的PN發(fā)生器(比如103、115或125)相同步。
圖8示出了一種可選擇的非相干碼探測系統(tǒng)的一個典型框圖，其中該系統(tǒng)包括一個頻率鎖定機(jī)制和數(shù)據(jù)解擴(kuò)器，其中該數(shù)據(jù)解擴(kuò)器可以在遠(yuǎn)程收發(fā)器中被實(shí)現(xiàn)。輸入信號250被輸入到一個正交混頻器/濾波器/放大器252中，其中該輸入信號250包括利用PN碼而被編碼的一個導(dǎo)頻或信標(biāo)信號，該正交混頻器/濾波器/放大器252包括至少一個混頻器、一個或多個任選的放大器以及一個或多個任選的濾波器以把輸入信號150變換為一個正交基帶或中頻狀態(tài)。這種模擬前端降頻變換過程是本行業(yè)所共知的，并且本教導(dǎo)并不對正交降頻變換前端的實(shí)施細(xì)節(jié)進(jìn)行限制。一個本地正交振蕩器253給該正交混頻器/濾波器/放大器252提供標(biāo)稱為90度異相的兩個參考信號。該混頻器/濾波器/放大器252的輸出通過ADC 255和256被數(shù)字化，然后被輸入到與上述157功能類似的一個量值計(jì)算器257中。ADC 255和256通過一個可編程振蕩器254來驅(qū)動，該可編程振蕩器254用于步進(jìn)控制前面所述的各種搜索頻率和相位。量值計(jì)算器257的輸出首先被輸入到一個置換排序器258中，該排序器258進(jìn)行2N-1次采樣并對他們排序，以準(zhǔn)備進(jìn)行基于FWT的M序列相關(guān)。對置換的樣本執(zhí)行FWT259，其輸出被輸入給一個峰值檢測器260。該峰值檢測器的輸出被輸入到一個反置換函數(shù)261中，該函數(shù)給出所檢測的峰值的PN碼相位262。
PN碼相位262可以用于初始化一個PN發(fā)生器263，以產(chǎn)生一個所接收的PN碼的本地形式，其與被探測的信號大致同相。在一個實(shí)施例中，振蕩器254被編程為被檢測峰值的頻率和相位設(shè)置，2N-1個新樣本被收集并被排序，F(xiàn)WT被計(jì)算，峰值檢測器260和反置換函數(shù)261如前述一樣被用于產(chǎn)生一個當(dāng)前的PN碼相位，該P(yáng)N碼相位被用于初始化PN發(fā)生器263。當(dāng)可能給振蕩器頻率和/或相位產(chǎn)生輕微的變化時，該峰值重檢測可能被重復(fù)幾次。該步驟的目的是給PN相關(guān)器264和267提供一個當(dāng)前PN碼相位的最佳當(dāng)前評估。本地PN發(fā)生器263產(chǎn)生與輸入信號相同的PN碼，大致同相。在一個實(shí)施例中，PN發(fā)生器263通過振蕩器254來提供時鐘脈沖。由263所產(chǎn)生的PN碼被輸入到一個早/晚相關(guān)器塊264，該塊264包括用作相位相關(guān)器的至少兩個相關(guān)器，該相關(guān)器塊提供一個信號，該信號首先在環(huán)路濾波器265中被濾波，然后被輸送給振蕩器254以根據(jù)該早/晚信號來調(diào)節(jié)它的頻率。振蕩器254、ADC 255和256、量值計(jì)算器257、早/晚相關(guān)器264、PN發(fā)生器263和環(huán)路濾波器265構(gòu)成一個鎖相回路(“PLL”)，該鎖相回路跟蹤輸入PN碼比特頻率和相位。通過初始PN碼相位對PN發(fā)生器263的初始化允許該回路開始于或接近正確的頻率和相位，使得早/晚相關(guān)器264處于提供正確信號的范圍內(nèi)。在FWT搜索過程期間的頻率和相位步長必須足夠精細(xì)，以便允許實(shí)現(xiàn)PLL的部件鎖定初始值。
在另一實(shí)施例中，利用一個第二PN碼而被編碼的一個第二數(shù)據(jù)信號可以從發(fā)送器被發(fā)送并與用于PLL的第一PN碼相重疊。一個第二PN發(fā)生器266可以產(chǎn)生與該P(yáng)N數(shù)據(jù)碼相同的碼，其中該P(yáng)N數(shù)據(jù)碼在與第一PN碼相位相同步時允許一個或多個相關(guān)器267將該量值計(jì)算器257的輸出變換為一個解擴(kuò)的數(shù)據(jù)流268。在又一實(shí)施例中，用于鎖定機(jī)制的第一PN碼是一個M序列碼。在另外一個實(shí)施例中，該第二數(shù)據(jù)PN碼是與用于鎖定的第一PN碼的長度相等或較短的一個M序列碼。在一個備選實(shí)施例中，用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)的第二PN碼的長度是用于PLL的第一PN碼長度的倍數(shù)，并且該數(shù)據(jù)PN發(fā)生器266必須循環(huán)通過多個起始相位，直到該相關(guān)器267的輸出最大。
或者，該第二PN碼不是第一PN碼的倍數(shù)，并使用一種備選的數(shù)據(jù)同步方法。比如，長度為2N-1的第一PN碼的重復(fù)信標(biāo)序列有時可以被替換為一個與表示幀周期界線的長度相同或不相同的備選PN序列。一個第二相關(guān)器(未示出)監(jiān)控被解調(diào)的信標(biāo)信號以確定該第二PN序列的存在。如果該第二PN序列被檢測到，那么該收發(fā)器重新開始一個幀計(jì)數(shù)器(未示出)，其中該計(jì)數(shù)器然后每收到第一PN序列就加一。在其中承載第二PN碼的數(shù)據(jù)長于第一PN信標(biāo)碼的情況下，可以相對于幀定時邊界明確地確立該第二碼相位。這樣，時序長于第一PN序列的想法可以在基站和遠(yuǎn)程收發(fā)器之間進(jìn)行同步，便于使用較長的第二PN碼來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于熟悉本行業(yè)的人會明白，許多類似的幀同步方法可以替換，并且沒有脫離本教導(dǎo)的范疇。
圖9示出了用于PN編碼探測、通過使用PLL和多路濾波器的PN碼鎖定的一種備選的非相干框圖。在一個實(shí)施例中，圖9中所示系統(tǒng)的運(yùn)行包括在圖13所示的四個主要步驟。第一步驟是探測PN碼相位和PN碼比特率290，也即確定一個近似正確的采樣速率。第二步驟是從FWT數(shù)據(jù)中捕獲多路濾波器系數(shù)292。第三步驟是初始化PN發(fā)生器294。第四步驟是PLL的鎖定和解擴(kuò)被接收的數(shù)據(jù)196。一旦完成這些步驟，那么碼相位就已經(jīng)被探測到并且被廣播的信號就已經(jīng)被鎖定，如此使得基站收發(fā)器和遠(yuǎn)程收發(fā)器可以交換數(shù)據(jù)。
PN碼相位和PN碼比特率的探測290實(shí)質(zhì)上以與前文所述相同的方式來實(shí)現(xiàn)，也即具有信標(biāo)信號的輸入數(shù)據(jù)170首先通過包絡(luò)檢測器/放大器172或它的等效裝置被檢測并被變換為一個基帶信號。在一個備選實(shí)施例中，該包絡(luò)檢測器/放大器172與前文所述類似地被替換為一個混頻器/濾波器/放大器和降頻變換本地振蕩器(未示出)。該信號然后通過ACD 173以可編程振蕩器174所設(shè)定的一個速率和子PN比特相位而被數(shù)字化。然后該振蕩器被編程為在圖6中所示的子PN比特相位/采樣速率空間中的一系列搜索點(diǎn)，在每個空間上都進(jìn)行2N-1次采樣，并通過175而置換地被排列。在每個置換的數(shù)據(jù)向量上執(zhí)行FWT 176，一個峰值檢測器177用于對結(jié)果分級。在搜索階段的末尾(步驟290)，最佳的樣本頻率和子樣本相位被獲得。
在圖5的采樣圖中所示的一個實(shí)施例中，為每個子PN比特相位13進(jìn)行了多次采樣。多個PN比特相位向量可以被聚集，比如圖5中的12，每個所研究的子PN比特相位一個，然后被輸入到FWT引擎176中。比如，ADC 173可以在一百納秒的一個PN比特周期內(nèi)以一納秒的周期(109次采樣/秒)來進(jìn)行采樣(100x過采樣)。類似地，可以為100個子PN比特相位中的每一個都組合一組2N-1長度的樣本向量。使用FWT引擎176和峰值檢測器177對所有一百個樣本向量進(jìn)行峰值確定。一旦所有一百個FWT操作的全局峰值被確定，那么可以恢復(fù)在該峰值附近的剩余FWT輸出，以創(chuàng)建多路信道105、116、126的一個時間域模型。該多路模型瞬象(snapshot)可以用于對多路濾波器181進(jìn)行編程。
為了從FWT數(shù)據(jù)中捕獲多路濾波器系數(shù)，步驟292，用于獲得頻率的FWT結(jié)果，比如圖6的二維結(jié)果塊19，被編程到多路匹配濾波器181中作為抽頭加權(quán)。FWT的子PN比特相位輸出與源PN編碼信號的輸入信號中的多路反射成正比。在一個實(shí)施例中，所有搜索點(diǎn)的FWT結(jié)果被存儲在一個存儲器(未示出)中，并且一旦峰值采樣速率是已知的，則從該存儲器中編程取出多路匹配濾波器181抽頭(圖9)。在被編程到該多路匹配濾波器181中之前，該FWT結(jié)果被反置換180。在一個備選實(shí)施例中，一旦峰值采樣速率被獲知，則可編程振蕩器174被設(shè)置為這個最佳頻率，并且測試多個相位，以重新產(chǎn)生FWT結(jié)果并捕獲多路匹配濾波器181系數(shù)。在一個備選實(shí)施例中，該多路濾波器系數(shù)被設(shè)置為一個臨時值，然后在PLL鎖定和解擴(kuò)被接收數(shù)據(jù)之后進(jìn)一步改進(jìn)，并且PLL一次就鎖定到輸入信號。
為了初始化PN發(fā)生器294，利用來自FWT/反置換函數(shù)(比如見圖9，塊178)的PN碼相位數(shù)據(jù)179來初始化PN發(fā)生器182。在一個實(shí)施例中，在搜索最佳ADC采樣速率之后，可編程振蕩器174被設(shè)置為這個最佳的采樣速率。一個附加置換/FWT/反置換被執(zhí)行以找到當(dāng)前PN碼相位179，該碼相位被用于初始化PN發(fā)生器182。
輸入信號170中具有被編碼的數(shù)據(jù)。典型地，輸入數(shù)據(jù)170具有同時使用長PN碼而被編碼的多個消息，該長PN碼被疊加到該信號上。為了使PLL鎖定并解擴(kuò)被接收的數(shù)據(jù)，步驟296，相關(guān)器183提供一個校正信號給跟蹤濾波器159，該跟蹤濾波器159驅(qū)動振蕩器174以構(gòu)成一個PLL。該P(yáng)LL包括振蕩器174、ADC 173、多路濾波器181、相關(guān)器183和跟蹤濾波器159。另外，該相關(guān)器183還提取解擴(kuò)數(shù)據(jù)184，可能還利用一個或多個與該P(yáng)LL中所使用的不同的PN碼進(jìn)行編碼。另外，一旦PLL被鎖定，可以執(zhí)行一系列FWT或相關(guān)，以設(shè)置、改進(jìn)或跟蹤多路匹配濾波器181系數(shù)。
可以獨(dú)立地執(zhí)行與圖9相關(guān)的步驟290、292、294和296中的每一個，或者以和前述不同的順序執(zhí)行。本教導(dǎo)并不局限于這些所列步驟的順序、組合或者將其替換為其他已知的或已描述的步驟。
圖10示出了具有PN碼周期20和二進(jìn)制值的一個基帶輸入信號波形21。在一個備選實(shí)施例中，ADC 173的輸出可以是一個脈沖信號24，這也在圖10中被示出。在一個實(shí)施例中，ADC 138、155、156、256和/或257被時鐘同步到一個比輸入PN編碼比特率高的速率，以對信號過采樣來獲得所有的子PN比特相位樣本，如圖9中采樣點(diǎn)23所示。置換/排序塊(140、158、175、258)然后取每第k個樣本22，構(gòu)成一個被排序的輸入向量，用于FWT塊(141、159、176、259)，其中k范圍從0到P～1，而P是子PN比特相位的數(shù)目。比如，具有一百納秒的PN比特周期的一個輸入信號可以使用一個1GHz的ADC塊而被過采樣100x。在該例子中有一百個子PN比特相位，每個都產(chǎn)生2N-1個樣本的一個向量來進(jìn)行FWT處理，其需要一百次FWT操作來處理。所產(chǎn)生的多路分辨率將為一納秒。
圖11示出了一種相干信號相位探測框圖。輸入信號185如前所述第被輸入到一個正交混頻器/濾波器/放大器187中，該正交混頻器/濾波器/放大器187產(chǎn)生I和Q基帶信號。這些信號通過ADC190和191被數(shù)字化。該正交混頻器/濾波器/放大器187通過一個本地正交振蕩器188來驅(qū)動，其中該正交振蕩器188提供兩個90度異相的參考信號至該混頻器以對輸入信號降頻變換。該ADC利用來自正交振蕩器頻率使用比如一個除法電路189來獲得的一個時鐘而被驅(qū)動。在一個實(shí)施例中，在ADC 190 191時鐘和正交振蕩器188之間的相位關(guān)系必須是相對固定的和穩(wěn)定的，以允許相干檢測。
每個ADC(ADC 190和ADC191)的輸出優(yōu)選地保持分離，如此使得信噪比特性增加。每個正交的成分都被置換重新排序。見塊192和193。然后，每個置換重排序的正交成分都被輸入到FWT 194、195來進(jìn)行處理。FWT 194和195的輸出在塊196處被組合以找出復(fù)數(shù)相關(guān)的量值。通過在解擴(kuò)之后執(zhí)行量值/峰值檢測，信噪比增加。該峰值檢測196確定了FWT結(jié)果的峰值，該峰值然后通過反置換函數(shù)197而被重新映射，以產(chǎn)生輸出PN碼相位198。與非相干檢測相比時，相干檢測的優(yōu)點(diǎn)包括抑制噪聲的較好的能力和較高的處理增益。但是，為了使相干檢測正常進(jìn)行，正交振蕩器188和由塊189產(chǎn)生的ADC采樣速率必須具有一個固定的相位關(guān)系。在現(xiàn)有技術(shù)中已知有許多方法來固定兩個振蕩器之間的相位關(guān)系，包括分頻，鎖相回路(PLL)和延遲鎖定回路(“DLL”)。本教導(dǎo)并不局限于保持在ADC采樣速率和正交振蕩器188之間固定相位的方法。要注意的是，實(shí)現(xiàn)相干檢測的系統(tǒng)由于需要固定振蕩器188和ADC 190、191之間的相位關(guān)系而將比那些實(shí)現(xiàn)非相干檢測的系統(tǒng)要更昂貴。
圖12示出了基于圖11的相干PN碼探測系統(tǒng)的一種相干PN碼相位探測、復(fù)數(shù)多路濾波器和數(shù)據(jù)解擴(kuò)系統(tǒng)框圖。在一個實(shí)施例中，圖12的系統(tǒng)執(zhí)行以下的方法，該方法在圖14中被示出。該相干PN碼相位探測方法探測PN碼相位和PN碼比特率300。在第二步驟中，利用FWT數(shù)據(jù)的復(fù)共軛來編程該復(fù)數(shù)多路濾波器系數(shù)310。在第三步驟中，該P(yáng)N發(fā)生器被初始化320。第四步驟是PLL的鎖定和解擴(kuò)被接收的數(shù)據(jù)330。一旦完成這些步驟，那么碼相位就已經(jīng)被探測，并且被廣播的信號就已經(jīng)被鎖定，如此使得基站收發(fā)器和遠(yuǎn)程收發(fā)器可以交換數(shù)據(jù)。
對于這些步驟中的所以或一些，輸入信號200如前述相類似地被輸入到一個正交混頻器/濾波器/放大器202中。該正交混頻器/濾波器/放大器202通過一個可編程正交振蕩器203來驅(qū)動，該正交振蕩器203提供標(biāo)稱為90度異相的兩個參考信號以用于降頻變換過程，這是現(xiàn)有技術(shù)所共知的。被降頻變換的正交信號，I和Q，被輸入到兩個ADC204和205中，其中這兩個ADC以通過塊206所設(shè)定的一個采樣速率對I和Q信號進(jìn)行數(shù)字化。塊206提供與正交振蕩器203具有固定相位關(guān)系的一個采樣時鐘。在一個實(shí)施例中，塊206將正交振蕩器時鐘除以一個固定的數(shù)來產(chǎn)生一個較低速度的時鐘。用于實(shí)現(xiàn)相同的功能的其他相位、頻率或延遲鎖定回路是現(xiàn)有技術(shù)所共知的，并可以替換206或203。
在相干PN碼相位探測方法的第一步驟中，探測PN碼相位和PN碼比特率300，該正交振蕩器和I和Q采樣信號被組合為長度2N-1的向量(與輸入PN M序列的長度相同)，通過置換函數(shù)207和208來重新排序，然后輸入到兩個FWT塊209和210，I和Q各一個。FWT塊209和210的輸出被輸入到一個量值峰值檢測器210中，其中該量值峰值檢測器210在逐點(diǎn)基礎(chǔ)上計(jì)算FWT I和Q向量的RMS或其他類似于量值的函數(shù)(也即在結(jié)果量值向量中的2N-1個點(diǎn))。該量值峰值探測器211然后找到并紀(jì)錄最大量值點(diǎn)的采樣速率和峰值相位。當(dāng)在步驟300中探測PN碼相位和PN碼比特率時，ADC 204和205的可編程采樣速率和相位以及正交振蕩器203的頻率掃過一系列的驗(yàn)證運(yùn)行點(diǎn)。在一個實(shí)施例中，該正交振蕩器203和除法器206相互獨(dú)立地變化。在另一實(shí)施例中，改變塊206中的除數(shù)比例M，以按照相干檢測的要求在正交振蕩器和ADC采樣速率之間保持一個確定的相位關(guān)系。通過將206替換為PLL或DLL，PLL或DLL也可以用于類似獨(dú)立的或相位鎖定的搜索。
在搜索范圍上的峰值量值通過量值峰值檢測塊211來確定，其中該量值峰值檢測塊211將指數(shù)發(fā)送給一個反置換函數(shù)214以恢復(fù)PN碼相位219。該P(yáng)N碼相位219用于初始化一個或多個PN發(fā)生器221，該P(yáng)N發(fā)生器221在稍后初始化PN發(fā)生器(步驟320)時用于設(shè)置PLL鎖定函數(shù)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。
在搜索期間，F(xiàn)WT塊(209和210)的輸出在兩個隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)212和213中被捕獲。一旦峰值是已知的，那么使用一個選擇器215以確定的峰值采樣速率，從RAM 212和213中讀出一段3D FWT搜索結(jié)果19。該選擇器返回在峰值PN碼相位附近的I和QFWT結(jié)果，包括PN碼相位和子PN比特相位，以覆蓋符號間多路效應(yīng)和符號內(nèi)多路效應(yīng)。比如，如果設(shè)計(jì)者需要用一個一百納秒的PN碼比特周期和一個1GHz ADC采樣速率來進(jìn)行三百納秒的多路濾波，那么該選擇器將返回三百個點(diǎn)(一百個子PN比特點(diǎn)乘以三個PN碼相位)，該選擇器提供三百納秒的相關(guān)結(jié)果(復(fù)數(shù))，其中每個步長一納秒。FWT結(jié)果19的2D片段在該峰值FWT量值附近被串行化，以恢復(fù)比單個PN比特周期任意長的一個1D多路模型。被恢復(fù)的1D多路模型的每一點(diǎn)都對應(yīng)于一個子PN比特相位步長相關(guān)偏移，提供一個高分辨率的子PN比特多路模型。選擇器215的輸出是具有子PN比特相位分辨率的信道的一個復(fù)數(shù)多路模型。
該多路模型的Q成分通過倒相器218被反相，以形成被選擇的FWT結(jié)果的復(fù)數(shù)共軛，然后被加載給一個復(fù)數(shù)匹配多路濾波器220。復(fù)數(shù)多路濾波器220然后與來自ADC 204和205的輸入信號數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)相關(guān)。在一個備選實(shí)施例中，該復(fù)數(shù)多路濾波器是一個復(fù)數(shù)RAKE濾波器。在另一實(shí)施例中，該RAKE抽頭系數(shù)被設(shè)置為在通過峰值檢測器211所確定的FTW峰值附近中的M最大量值的復(fù)數(shù)共軛。
在第三步驟320中，在第一步驟中所探測的PN碼相位219被用于初始化一個或多個PN發(fā)生器221的碼相位，該P(yáng)N發(fā)生器輪流將他們的一個或多個所產(chǎn)生的PN碼提供給兩個或多個相關(guān)器222和223。該復(fù)數(shù)多路濾波器220提供一個復(fù)數(shù)I和Q濾波信號，該濾波信號在相關(guān)器222和223中進(jìn)行相關(guān)，以產(chǎn)生被輸入到一個跟蹤濾波器225中的一個或多個信號。在一個實(shí)施例中，該相關(guān)器222和223執(zhí)行早/晚相關(guān)，并把一個或多個加速/減速信號傳輸給跟蹤濾波器225。
在一個實(shí)施例中，該跟蹤濾波器225提供一個相關(guān)信號至正交振蕩器203，并通過正交振蕩器203和ADC采樣時鐘除法器/DLL/PLL 206之間的固定關(guān)系對ADC采樣速率進(jìn)行校正。在另一實(shí)施例中，該正交振蕩器203是一個獨(dú)立的自由運(yùn)行的振蕩器。
該相關(guān)器222和223也可以將輸入多路濾波數(shù)據(jù)流與重疊到輸入信號200上的其他PN碼進(jìn)行相關(guān)，以編碼數(shù)據(jù)流。這種可選數(shù)據(jù)PN碼可以與所述相位探測碼的長度相同或不同。在一個實(shí)施例中，探測的PN碼長度比用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜N碼長度長，以防止該數(shù)據(jù)PN碼相位中的歧義性，并用于降低由于濾波器系數(shù)中的噪聲而引起的誤差的大小。在另一實(shí)施例中，所探測的和數(shù)據(jù)PN碼的長度是成倍的，以降低在FWT和相關(guān)器之間相位協(xié)調(diào)的復(fù)雜性。
被探測的PN碼和數(shù)據(jù)PN碼的碼長度可能被擴(kuò)展一個比特(也即不是2N-1而是2N)，以保持一個簡單的長度倍數(shù)關(guān)系。比如，一個PN探測碼可能是2048比特長，一個數(shù)據(jù)PN碼可能是512比特長，有因數(shù)4的關(guān)系。或者，如果該探測PN碼比數(shù)據(jù)PN碼長，那么一組順序的數(shù)據(jù)PN碼可以補(bǔ)充附加的比特，以與被探測PN碼的長度相等。該相關(guān)器222和223以及PN發(fā)生器221可以適當(dāng)?shù)靥崆盎蜓舆t數(shù)據(jù)PN碼，以適當(dāng)?shù)乇３謹(jǐn)?shù)據(jù)提取相位。比如，如果該探測PN碼長度是2047(＝211-1)，并且數(shù)據(jù)PN碼長度是511(29-1)，那么可以利用3個被補(bǔ)充了一個額外比特的數(shù)據(jù)PN碼長度來組合四個數(shù)據(jù)碼以與該探測PN碼的長度相匹配(比如512+512+512+511＝2047)。
那些熟悉本行業(yè)的人員將認(rèn)識到這里所公開的多個實(shí)施例能夠容易地實(shí)現(xiàn)多種變化和備選形式，并且其中的特定例子已經(jīng)通過附圖中示例的方式來示出并在此進(jìn)行了詳細(xì)描述。
權(quán)利要求
1.用于探測碼相位的一種裝置，包括一個振蕩器；一個接收基帶信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以由所述振蕩器控制的速率來對所述基帶信號進(jìn)行采樣；一個快速沃爾什變換引擎，該快速沃爾什變換引擎接收所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的置換輸出并輸出一個輸出向量；和一個峰值檢測器，該峰值檢測器在所述輸出向量中檢測峰值。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述基帶信號通過一個包絡(luò)檢測器來產(chǎn)生。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中所述峰值檢測器包括多個相關(guān)器。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中來自所述峰值檢測器的所述輸出向量將一個反置換函數(shù)應(yīng)用于其上，如此使得一個峰值位置可以被映射為一個碼相位。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出包括一個2N-1個順序樣本的向量，從而產(chǎn)生一個具有2N-1個樣本長度的M序列。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中所述輸出向量在所述M序列的一個主要偽噪聲碼相位上具有所述的峰值。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中所述振蕩器是一個可編程振蕩器。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中所述振蕩器是一個可變化的振蕩器。
9.一種用于探測來自遠(yuǎn)程無線電頻率收發(fā)器的無線電頻率信號的方法，其中所述遠(yuǎn)程無線電頻率收發(fā)器對一個具有偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率的信號進(jìn)行廣播，該方法包括在所述無線電頻率信號上執(zhí)行一個快速沃爾什變換，其中該無線電頻率信號已經(jīng)被數(shù)字化以探測該無線電頻率信號的偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率；從所述快速沃爾什變換的結(jié)果中確定多路濾波器系數(shù)；以及在所述快速沃爾什變換步驟期間利用所獲得的偽噪聲碼相位來初始化一個偽噪聲發(fā)生器；跟蹤所述偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率以與所述無線電頻率信號保持通信。
10.一種用于探測一個M序列PN編碼脈沖信號的子PN比特相位的方法，包括從一個數(shù)字化的和置換的M序列PN編碼脈沖信號中產(chǎn)生一個順序采樣的向量；對所述向量執(zhí)行一個快速沃爾什變換；檢測所述快速沃爾什變換的峰值輸出；以及將所述峰值輸出映射為一個碼相位，所述峰值輸出對應(yīng)于一個信標(biāo)信號，指示將被探測的信號。
11.一種用于探測脈沖無線電頻率信號的方法，該脈沖無線電頻率信號具有采樣速率和子樣本相位并利用一個預(yù)定的碼序列而被編碼，該方法包括對覆蓋所關(guān)注的時間范圍的所有采樣速率和子樣本相位進(jìn)行掃描；在每個采樣速率和子樣本相位上對樣本進(jìn)行累加；對所述樣本執(zhí)行一個快速沃爾什變換；以及針對每個采樣速率和子樣本相位，在所述樣本中確定與所述預(yù)定碼序列的相關(guān)性，一個最大相關(guān)對應(yīng)于所述要被探測的預(yù)定碼序列的相位。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述預(yù)定碼序列是一個偽噪聲碼。
13.一種用于探測從遠(yuǎn)程無線電頻率收發(fā)器廣播的信標(biāo)信號的方法，其中所述信標(biāo)信號具有一個偽噪聲碼相位，該方法包括對已經(jīng)被數(shù)字化的一個脈沖無線電頻率信號執(zhí)行一個快速沃爾什變換，從而產(chǎn)生一個輸出向量；在所述輸出向量中檢測一個峰值；對所述峰值反置換以找到偽噪聲碼相位；跟蹤所述偽噪聲碼相位以與所述信標(biāo)信號保持通信；以及解擴(kuò)所述噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率以恢復(fù)在所述無線電頻率信號中的任何數(shù)據(jù)。
全文摘要
用于在通信設(shè)備中探測碼相位和多路信道模型的系統(tǒng)、裝置和方法。使用快速沃爾什變換引擎來探測已被廣播的無線電頻率信號的偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率。從所述偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率中恢復(fù)多路濾波器系數(shù)。利用在快速沃爾什變換步驟期間所探測的偽噪聲碼相位對一個偽噪聲發(fā)生器進(jìn)行初始化。該偽噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率通過一個鎖相回路而被鎖定，由此使與無線電頻率信號的通信得以保持。然后，所接收的噪聲碼相位和偽噪聲碼比特率被解擴(kuò)，由此恢復(fù)在該無線電頻率信號中的任何數(shù)據(jù)。
文檔編號H04B1/707GK101015132SQ200580020033
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者C·F·諾伊格鮑爾 申請人:W5網(wǎng)絡(luò)公司