CN1301090A - 含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法及装置,采用延时锁定环(DLL)结构,用三个相关器构成早中迟三个支路,从早迟支路输出解扩后的信号先通过导频信号抽取电路将导频信号从每个时隙中抽取出来,与导频图案相乘去调制,相干累加后再求绝对和(IQ两路绝对值之和)。比较早迟支路的绝对和,得出相位差值指示,经环路滤波后控制本地码字相位以完成跟踪。本发明易于实现,可节省硬件资源,且能去除信道衰落等乘性干扰对跟踪的影响。
Description
本发明涉及一种码分多址通信系统中、在含有导频的信道上完成的采用支路比较方法的跟踪方法及装置。
在码分多址(CDMA)系统中(以下简称CDMA系统)，本地序列和发送序列是否对齐将会直接影响解扩后的信噪比。虽然扩频序列的捕获完成后，两者已大致同步，但是由于捕获精度的限制，以及噪声的影响、信道传输时延的变化、收发时钟频率的偏移等，本地序列和发送序列的相位不可能保持长期稳定的一致。为了解决这个问题，就需要跟踪电路来实时地控制本地码字相位，使其与接收序列保持一致，从而获得良好的解调特性。
常规跟踪器一般采用延迟锁定环(DLL——Delay Locked Loop)原理。要实现对扩频序列相位的跟踪，关键是要能正确地检测出两个序列的相位差，然后用这个相位差去闭环调节本地序列的相位，使之与接收序列尽量一致，从而把两个序列的相位差控制在最小状态，即实现跟踪。这种鉴相特性依靠的是扩频序列的自相关特性。如附图1所示，CDMA系统收发序列的自相关函数R(t)，当t=0时，相关值最大；若码片长度为Tc，当t超过Tc后，相关值就很小。从图中可以看出，将自相关函数分别左右移半个码片后相减，即可构成一条鉴相曲线。t=0，即完全同步时，鉴相器输出相差才为零。当-Tc/2＜t＜Tc/2，鉴相曲线近似线性。根据该曲线和锁相环原理，即可构造跟踪环。若有间隔Tc的两个相关器，将他们的相关值相减，差值去闭环控制本地码字发生器，使本地码字相位趋近于接收相位，即可完成跟踪。这两个相关器分别可称为“早”“迟”支路，跟踪稳定后，它们分别超前和滞后准确同步相位半个码片。如果在这两路中间再放置一个相关器，稳定后即位于同步位置，可做较精确解调。该相关器可称为“中”支路，也是解调支路。这种结构称为延迟锁定环。
常规跟踪环结构如附图二，数据经延迟后分成早中迟三路(间隔半个码片长度)，分别与本地PN码做复数相乘(解调)、积分(解扩)——中路复数相关值为解调输出；早迟两路复数相关值的能量(平方和)差值送入环路滤波器滤波后，再进入相位调节模块，产生码字地址偏移，调节本地码字地址，该地址直接驱动本地码字发生器产生本地PN码字。
现有技术中的存在的不足是：
1、由于现代CDMA移动通信的信道条件极为恶劣，信噪比极低，而且伴有深度可达30-40dB的快速衰落，对于解调后的信号来说，信噪比仍然很低，噪声干扰很大，在这种情况下，送入环路滤波器的相位偏差的精确性不能保证，跟踪效果较差。
2、如上所述，接收数据的能量可能由于快速深衰落的影响而有30-40dB的起伏，虽然经过AGC及功控的调节，但由于AGC及功控的响应时间和调节程度的限制，其上下波动仍然十分剧烈。由于该种衰落是乘性干扰，早迟支路相关能量之差也会受相同影响，这时鉴相出的相位差值实际上还叠加了能量起伏的变化，极大地影响环路收敛速度，降低跟踪精度。
3、由于求取相关能量需做平方和，信号的动态范围大大变宽，所需位宽增加一倍，硬件上较耗费资源。
本发明的目的是为了克服现有技术中的缺陷，而提出的一种易于实现、且能去除信道衰落等乘性干扰对跟踪的影响、节省硬件资源的基于间断导频相干加、采用支路比较方法的跟踪方法及其装置。
实现本发明的技术方案是：一种含有导频信道CDMA通信系统中的跟踪方法，采用DLL结构，用三个相关器构成早中迟三个支路，其特点是，包括以下步骤：
a、输入数据经直通及延时电路后，形成间隔为半个码片的早中迟三路数据，分别进入早中迟支路做相关解调；
b、从早迟支路输出的解扩后的IQ两路信号，通过导频信号抽取电路将导频信号从每个时隙中抽取出来，与导频图案发生器产生的导频图案相乘去调制；
c、去调制后的导频信号进行累加后再求IQ两路绝对值之和；
d、经比较得出相位差值指示；
e、相位差值指示经环路滤波后通过相位控制器输出本地码地址，该本地码地址驱动本地码字发生器产生本地码字再进入早中迟相关器，完成跟踪环路的闭环控制。
上述一种含有导频信道CDMA通信系统中的跟踪方法，其中，所述的各相关器由输入数据IQ两路和本地码字IQ两路复乘积分构成，积分长度为扩频因子与超采样码率的乘积。
上述一种含有导频信道CDMA通信系统中的跟踪方法，其中，将导频信号从解扩后的信号中抽取出来，与导频图案相乘去调制，形成的导频信号基本同相。
上述一种含有导频信道CDMA通信系统中的跟踪方法，其中，所述的相位差值指示为：当早路绝对和大于迟路绝对和时，比较器输出“1”；当早路绝对和等于迟路绝对和时，比较器输出“0”；当早路绝对和小于迟路绝对和时，比较器输出“-1”。
一种实现上述方法的装置，包括延时模块、相关器、本地码字发生器、相位调节器、环路滤波器；所述的延时模块为早路、迟路两个半个码片延时模块；所述的相关器为早路相关器、中路相关器和迟路相关器；输入的原始数据送到早路相关器，同时送到早路半个码片延时模块；经该早路半个码片延时模块延时后再送到迟路半个码片延时模块，同时送到中路相关器；经该迟路半个码片延时模块延时后的数据送到迟路相关器；所述环路滤波器、相位调节器和本地码字发生器及三个相关器顺序连接；其特点是，还包括：早路、迟路导频抽取模块，早路、迟路相干加模块，早路、迟路求绝对和模块，支路比较模块，导频图案发生器以及与该导频图案发生器连接的迟路乘法器、与迟路乘法器连接的早路乘法器；从早路相关器输出的数据顺序与早路导频抽取模块、早路乘法器、早路相干加模块和早路求绝对和模块相连接，从迟路相关器输出的数据顺序与迟路导频抽取模块、迟路乘法器、迟路相干加模块和迟路求绝对和模块相连接；从早路、迟路求绝对和模块输出的两路绝对值之和再送到支路比较器得到的相位差值指示再输送到所述环路滤波器，经环路滤波器滤波的信号再顺序与相位调节器和本地码字发生器连接及至输送到三个相关器，形成环路跟踪。
上述装置中，所述的早路、迟路延时模块可以采用环型存储器实现，其输出抽头的间隔为输出数据的时延。
上述装置中，所述的早路、迟路导频抽取模块可由通断门实现，由已知的时隙结构来控制门的通断，导频位置时开通，其余位置关断。
上述装置中，所述的导频图案发生器输出的信号为导频图案。
上述装置中，所述的早路、迟路相干加模块将相邻的若干去调制的导频复数相加，提升信噪比。
上述装置中，所述的早路、迟路求绝对和模块完成求I、Q两路绝对值之和的过程。
上述装置中，所述的支路比较模块比较早、迟支路的绝对和，当早路绝对和大于迟路绝对和时，比较器输出“1”；当早路绝对和等于迟路绝对和时，比较器输出“0”；当早路绝对和小于迟路绝对和时，比较器输出“-1”。
上述装置中，所述的环路滤波模块可采用PLL锁相环中的普通环路滤波器。
上述装置中，所述的相位调节模块根据环路滤波后的相位差值，调节本地码字的地址，驱动码字发生器产生本地码字。
由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的积极效果是明显的；
1、用信号的绝对和(I、Q两路的绝对值之和)来代替常规方法中的平方和取能量，可以降低信号位宽，节省硬件资源，更加易于实现。
2、将基本同相的导频信号相干累加，使N个导频的相干加能提高信噪比到原来的N倍，提高早迟支路相关值的信噪比以改善跟踪性能。
3、利用相位差值的正负符号做相位指示，由该指示信号控制码字相位的移动，可去除信号衰落的影响。
为了更清楚了解本发明的性能、特点，现结合以下实施例及其附图作详细的说明。
图1是已有技术扩频序列的自相关特性图；
图2是已有技术跟踪环结构图；
图3是本发明跟踪方法的整体结构示意图；
图4是本发明相关器的结构示意图；
图5是本发明误码率——信噪比的折线图。
现代CDMA系统大都提供包含导频的信道，导频的图案已知；而且虽然受高速移动带来的多普勒频移的影响，相邻信号间的相位会有一定偏转，但是由于现代CDMA通信的码率极高，相邻信号的时间间隔极短，所以它们历经的信道特征基本一致，具有几乎相同的相位。这是导频相干加可行性的基础。
本发明用三个相关器构成早中迟三个支路，但是早迟支路输出解扩后的信号，并不直接进行平方和求能量，而是先通过导频信号抽取电路将导频信号从每个时隙中抽取出来，与导频图案相乘去调制，相干累加后再求绝对和(IQ两路绝对值之和)。比较早迟支路的绝对和，得出相位差值指示，经环路滤波后控制本地码字相位以完成跟踪。其步骤是：
a、输入数据经直通及延时电路后，形成间隔为半个码片的早中迟三路数据，分别进入早中迟支路做相关解调；
b、从早迟支路输出的解扩后的IQ两路信号，通过导频信号抽取电路将导频信号从每个时隙中抽取出来，与导频图案发生器产生的导频图案相乘去调制；
c、去调制后的导频信号进行累加后再求IQ两路绝对值之和；
d、经比较得出相位差值指示；
e、相位差值指示经环路滤波后通过相位控制器输出本地码地址，该本地码地址驱动本地码字发生器产生本地码字再进入早中迟相关器，完成跟踪环路的闭环控制。
跟踪环路运作的前提是已知信号的结构信息，如：时隙起始、时隙结构、导频位置及图案等等。所以导频的抽取及图案反调制是易于实现的。以99年7月3Gpp提案所描述的CDMA上行控制信道为例，移动速度为120km/h时，相邻信号间的信道相位偏转仅有5°，基本可认为同相。但是提案中规定导频上是有图案(Pattern)的，所以导频信号有0°/180°的调制相位，为了相干加，必须去除该调制相位，也就是进行导频图案的反调制。反调制可以用已知的导频图案与信号相乘完成。这样，相邻去调制后的导频信号可认为基本同相。但是，实际上去调制后的导频并非完全同相，因此，本申请中所涉及的导频信号“相干加”实际上应为“准相干加”，为方便叙述，仍采用“相干加”的说法，特此说明。
假设N个同相信号幅度都是A，零均高斯噪声的方差都是ρ2，而且相互独立，则每路数据的信噪比为A2/ρ2，N路数据相干累加，由于信号同相，幅度变为原来的N倍，即N×A；又由于每路数据间高斯白噪声的独立性，累加后的噪声方差变为N×ρ2。这样，N次相干加后数据信噪比为(N×A)2/(N×ρ2)=N×A2/ρ2，即提高到原来的N倍。在接收信号相位旋转速度的限制下，可取尽量多的导频相干加，在本文中，推荐使用五位，这样，即使在300km/h的高速下，相干加的导频相位偏差最大也不超过67°。由于信噪比的提高，早迟支路的相关值估计就更加精确。
得出早迟支路的相关I、Q值之后，将该早迟两路支路的信号分别求出绝对和(I、Q两路绝对值之和)，作为早迟能量关系的表征。取它们的绝对值之和，采用支路比较的方法，当早路绝对和大于迟路时，比较器就输出1；等于时输出0；否则输出-1。由于采用支路比较法，只关心早迟支路的相对关系，不必力求精确能量，因此，可采用I、Q两路绝对值之和来反映信号的幅值(或能量)关系。设信号为Aejη，A为幅值，η为相位偏转，则I=Acosη,Q=Asinη。I、Q两路绝对值之和为A(|cosη|+|sinη|)。由于早迟两路时间上仅间隔一个码片，可以认为早迟信号的相位偏转η相同。这样，早迟支路的I、Q绝对值之和是可以正确反映早迟信号的幅值相对关系的。去除了平方运算，可以降低信号位宽，节省硬件资源，更加易于实现。
为了去除信号衰落的影响，可以只利用相位差值的信号做相位差指示，由该指示信号控制码字相位的移动。由于信道衰落对于早迟支路的影响是几乎完全一致的，所以衰落并不会改变早迟支路相关能量的相对大小，因此采用支路比较法作出相位估计，可以完全去除信道衰落等乘性干扰造成的环路收敛速度的变化。这是支路比较方法的理论基础。
支路比较的结果只是1、0和-1，这实际上是相位调节指示。由于噪声的影响，这些相位偏差指示未必可靠，如果直接控制码字的地址，势必造成相位的抖动。由于当前3G系统中码率相当大，信号路径时延的变化相对较缓慢，其对应的相位调节信号的频率也较低，所以可以将这些相位偏差指示送入低通环路滤波，去除由噪声引起的高频抖动，再去控制本地码字相位。这样调节的速率不受信号幅度的影响，去除了信号衰落等乘性干扰。
现以99年7月3Gpp提案所描述的CDMA上行控制信道为例，详细说明本发明。99年7月3Gpp提案所描述的CDMA上行控制信道，码片(Chip)速率为3.84MChip/s，扩频因子为256(即每个信号(Symbol)扩成256个码片)，10个信号构成1个时隙(Slot)，在每个时隙中，前五个信号一定是导频，导频的图案已约定。
本发明跟踪方法的结构如附图3所示，仍采用DLL结构，包括延时模块、相关器、本地码字发生器、相位调节器、环路滤波器；所述的延时模块为早路、迟路两个半个码片延时模块301、302；所述的相关器为早路相关器303、中路相关器304和迟路相关器305；输入的原始数据送到早路相关器303，同时送到早路半个码片延时模块301；经该早路半个码片延时模块301延时后再送到迟路半个码片延时模块302，同时送到中路相关器304；经该迟路半个码片延时模块302延时后的数据送到迟路相关器305；所述环路滤波器316、相位调节器314和本地码字发生器309顺序连接，其输出并与三个相关器顺序连接；还包括：早路、迟路导频抽取模块306、307，早路、迟路相干加模块310、311，早路、迟路求绝对和模块312、313，支路比较模块315，导频图案发生器308以及与该导频图案发生器308连接的早路、迟路乘法器318、319；从早路相关器303输出的数据顺序输送到早路导频抽取模块306、早路乘法器318、早路相干加模块310和早路求绝对和模块312，从迟路相关器305输出的数据顺序输送到迟路导频抽取模块307、迟路乘法器319、迟路相干加模块311和迟路求绝对和模块313，从早路、迟路求绝对和模块输出的两路绝对值之和再送到支路比较器315得到的相位指示再顺序输送到所述环路滤波器316、相位调节器314和本地码字发生器309，其输出再顺序送到三个相关器，形成跟踪环。
延时模块301和302可以采用环型存储器实现，输出抽头的间隔实际就是输出数据的时延。
相关器303、304和305结构如附图4所示，由输入数据IQ两路和本地码字IQ两路复乘积分构成，积分长度为扩频因子与超采样码率的乘积。
导频抽取模块306、307可用通断门实现，由已知的时隙结构来控制门的通断，导频位置时开通，其余位置关断。
导频图案也是已知的，将其与解扩后的导频信号相乘，完成导频图案的反调制，输出的导频其上不再叠加图案信号。
相干加模块310、311将相邻的若干去调制的导频复数相加，提升信噪比。
求绝对和模块312、313完成求I、Q两路绝对值之和的过程。
支路比较模块315比较早迟支路的绝对和，当早路绝对和大于迟路时，就输出1；等于时输出0；否则输出-1。
环路滤波模块316可采用PLL锁相环中的普通环路滤波器。
相位调节模块314根据环路滤波后的相位差值，调节本地PN码字的地址，驱动码字发生器309产生本地码字。
从上述实现描述可知，本方法易于实施。现以99年7月3Gpp提案所描述的CDMA上行控制信道为协议环境，在COSSAP仿真环境中，分别实现了常规跟踪环及本方法。在M1225车载A型多径信道及120km/h的移动速度下，以信噪比1到9dB做了单径跟踪对比测试，结果如下表(下表为不同信噪比下本方法与常规方法的误码率比较表)：
| 信噪比SNR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 常规跟踪误码率(％) | 37.8 | 32.7 | 30.1 | 27.3 | 22.3 | 19.4 | 16.8 | 14.5 | 12.7 |
| 本方法误码率(％) | 32.2 | 29.5 | 26.8 | 24.1 | 21.4 | 18.9 | 16.5 | 14.3 | 12.3 |
根据结果做出误码率——信噪比的折线图如附图5。由测试结果可以看出，信噪比较高时，相干加及支路比较方法略优于常规方法，差别不大；而低信噪比情况下，后者由于噪声及衰落的干扰，不能始终跟踪住主径，而是在各条多径间游离，造成性能的急剧恶化；此时，相干加及支路比较方法却可以始终跟住主径，所以性能变化比较平坦，比常规方法提高1dB左右。众所周知，现代CDMA通信系统都是工作在极低信噪比和较强衰落的多径信道下，因此，本方法的提出更具有实际意义和价值。
与已有技术相比，本发明的优点是：
1、由于N个导频的相干加能提高信噪比到原来的N倍，早迟支路的相关值估计更加准确，相位误差估计的精度也相应提高，因此导频抽取及相干加能提高跟踪精度。
2、采用支路比较法作出相位估计，只需关心早迟支路相关值的相对大小，可以完全去除信道衰落等乘性干扰造成的环路收敛速度的变化，提高跟踪的稳定性(抗衰落性)。
3、由于采用支路比较法，不必力求精确能量，因此，可采用I、Q两路绝对值之和来反映信号的幅值(或能量)关系。去除了平方运算，即降低了信号位宽，可以节省硬件资源，更加易于实现。
Claims (14)
1、一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法，采用延时锁定环结构，用三个相关器构成早中迟三个支路，其特征在于，包括以下步骤：
a、输入数据经直通及延时电路后，形成间隔为半个码片的早中迟三路数据，分别进入早中迟支路做相关解调；
b、从早迟支路输出的解扩后的IQ两路信号，通过导频信号抽取电路将导频信号从每个时隙中抽取出来，与导频图案发生器产生的导频图案相乘去调制；
c、去调制后的导频信号进行累加后再求IQ两路绝对值之和；
d、经比较得出相位差值指示；
e、相位差值指示经环路滤波后通过相位控制器输出本地码地址，该本地码地址驱动本地码字发生器产生本地码字再进入早中迟相关器，完成跟踪环路的闭环控制。
2、根据权利要求1所述的一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法，其特征在于，所述的各相关器由输人数据IQ两路和本地码字IQ两路复乘积分构成，积分长度为扩频因子与超采样码率的乘积。
3、根据权利要求1所述的一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法，其特征在于，所述的将导频信号从解扩后的信号中抽取出来，与导频图案相乘去调制后形成的导频信号基本同相。
4、根据权利要求1或3所述的一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法，其特征在于，所述的相干累加是指将基本同相的导频信号作相干累加。
5、根据权利要求1所述的一种含有导频信道码分多址通信系统中的跟踪方法，其特征在于，所述的相位差值指示为：当早路绝对和大于迟路绝对和时，比较器输出“1”；当早路绝对和等于迟路绝对和时，比较器输出“0”；当早路绝对和小于迟路绝对和时，比较器输出“-1”。
6、一种实现上述方法的装置，包括延时模块、相关器、本地码字发生器、相位调节器、环路滤波器；所述的延时模块为早路、迟路两个半个码片延时模块；所述的相关器为早路相关器、中路相关器和迟路相关器；输入的原始数据送到早路相关器，同时送到早路半个码片延时模块；经该早路半个码片延时模块延时后再送到迟路半个码片延时模块，同时送到中路相关器；经该迟路半个码片延时模块延时后的数据送到迟路相关器；所述环路滤波器、相位调节器和本地码字发生器及三个相关器顺序连接；其特征在于，还包括：早路、迟路导频抽取模块，早路、迟路相干加模块，早路、迟路求绝对和模块，支路比较模块，导频图案发生器以及与该导频图案发生器连接的迟路乘法器、与迟路乘法器连接的早路乘法器；从早路相关器输出的数据顺序与早路导频抽取模块、早路乘法器、早路相干加模块和早路求绝对和模块相连接，从迟路相关器输出的数据顺序与迟路导频抽取模块、迟路乘法器、迟路相干加模块和迟路求绝对和模块相连接；从早路、迟路求绝对和模块输出的两路绝对值之和再送到支路比较器得到的相位差值指示再输送到所述环路滤波器，经环路滤波器滤波的信号再顺序与相位调节器和本地码字发生器连接及至顺序输送到三个相关器，形成环路跟踪。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的早路、迟路延时模块可以采用环型存储器实现，其输出抽头的间隔为输出数据的时延。
8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的早路、迟路导频抽取模块可由通断门实现，由已知的时隙结构来控制门的通断，导频位置时开通，其余位置关断。
9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的导频图案发生器输出的信号为导频图案。
10、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的早路、迟路相干加模块将相邻的若干去调制的导频复数相加，提升信噪比。
11、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的早路、迟路求绝对和模块完成求I、Q两路绝对值之和的过程。
12、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的支路比较模块比较早、迟支路的绝对和，当早路绝对和大于迟路绝对和时，比较器输出“1”；当早路绝对和等于迟路绝对和时，比较器输出“0”；当早路绝对和小于迟路绝对和时，比较器输出“-1”。
13、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的环路滤波模块可采用PLL锁相环中的普通环路滤波器。
14、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的相位调节模块根据环路滤波后的相位差值，调节本地码字的地址，驱动码字发生器产生本地码字。
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