CN100448175C - 多径指峰时间追踪器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多径指峰时间追踪器，从来自模拟基带***的原始I/Q码片中、解调出时间超前、时间延迟、时间同步三路导频I/Q符号序列，通过对三路导频I/Q符号序列的瞬时能量比较，确定出其中最佳的导频I/Q符号序列，从而获得对来自模拟基带***的原始I/Q码片的最佳采样时间，也即确定了对来自模拟基带***的原始I/Q码片的当前采样时间的调整量。然后，将得出的当前采样时间的调整量反馈到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点，从而构成“Finger时间追踪”环路，实现完整的“Finger时间追踪机制”。该Finger时间跟踪机制结构简单、复杂度小、计算开销低、跟踪精度高、易于实现、实用性强，非常适合于嵌入在通信芯片中以硬件的方式实现，可直接商用。

Description

多径指峰时间追踪器

技术领域：

本发明提出一种新型、高集成度、高精度、可嵌入的Rake接收机中的Finger时间***，可用于实现高集成度、高精度、嵌入式的Rake接收机。本发明提出的专利技术属于移动通信领域。

背景技术：

RAKE分集接收技术(俗称路径分集)是FDD模式和TDD模式的CDMA移动通信***的关键技术。RAKE接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。

一般RAKE接收机由搜索器(Searcher)、指峰(Finger)解调单元、合并器(Combiner)3个模块组成。搜索器完成路径搜索，主要原理是利用码的自相关及互相关特性。Finger完成信号的解扩、正交信道解调，Finger的个数决定了正交信道解调可用的路径数，通常CDMA基站***一个RAKE接收机由4个Finger组成，移动台由3个Finger组成。合并器完成多个解调器输出的信号的合并处理，通用的合并算法有选择式相加合并、等增益合并、最大比合并3种。合并后的信号输出到信道解码单元，进行信道解码处理。

一般地，由于移动台的本地载波频率与基站的载波频率存在一定的偏差，以及移动台在移动过程中会导致无线电波从基站到移动台之间的传输多径处于不断的变化过程中，所以，移动台接收到基站发送的码片时间也会不断的变化。在这种情况下，为保证Rake接收机可以正确地接收到并解调出基站发送的经过扩展调制的码片，Rake接收机必须具备一种机制，使之可以准确跟踪接收到基站发送的码片时间的变化，从而可以保持始终同步地接收基站发送的码片。这种机制就是Rake接收机内部的“Finger时间追踪机制”。换言之，Finger时间追踪机制指的是：在Rake接收机的每一个Finger都具有独立的同步地追踪和接收基站发送的码片的机制。

发明内容：

设计目的：本发明提出一种新型、高精度、高集成度的“Finger时间追踪机制”及相应的Finger时间追踪器。基于本发明提出的Finger时间追踪器，可以实现功能完备、高精度、高集成度的Finger解调器和Rake接收机。这种“Finger时间追踪机制”及相应的Finger时间追踪器从来自模拟基带***的原始I/Q码片中(随机序列)解调出时间超前、时间延迟、时间同步三路导频I/Q符号序列，通过对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量比较，确定出其中最佳的导频I/Q符号序列，从而获得对来自模拟基带***的原始I/Q码片的最佳采样时间，也即确定了对来自模拟基带***的原始I/Q码片的当前采样时间的调整量。然后，将得出的当前采样时间的调整量反馈到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点，从而构成“Finger时间追踪”环路，实现完整的“Finger时间追踪机制”。

设计方案：本发明提出“Finger时间追踪机制”及相应的Finger时间追踪单元的框图，如附图1所示。

根据本发明，每一个Finger(解调单元)中的完整的Finger时间追踪环路，是由以下部件构成：

1.Finger的随机序列解扰模块；

2.Finger锁定指示器；

3.Finger控制单元；

4.Finger时间追踪单元。

在Finger解调单元中，利用Finger的随机序列解扰模块，从来自模拟基带***的原始I/Q码片中(随机序列)解调出时间超前、时间延迟、时间同步三路导频I/Q符号序列，通过对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量比较，以便再进一步从中确定出其中最佳的导频I/Q符号序列。

随机序列解扰单元利用随机化码序列发生器产生的随机化码，完成对来自积分欠抽样器的I/Q数据序列进行随机序列解扰。积分欠抽样器完成短周期积分，并将积分得出的结果构成新的序列，由于新的序列比原始I/Q序列的速率低，因而称之为欠抽样序列。

积分欠抽样器的输出，送入随机化码解扰单元后，分成三路，一路送到时间同步随机序列解扰器，第二路送到时间超前随机序列解扰器，第三路送到时间延迟随机序列解扰器。时间超前随机序列解扰器的解扰的I/Q码片时间比时间同步随机序列解扰器解扰的I/Q码片时间提前3/M个码片，其中M是积分欠抽样器的积分码片长度(即模拟基带输入的I/Q信号速率与随机码序列速率之间的比值)。而时间延迟随机序列解扰器的解扰的I/Q码片时间比时间同步随机序列解扰器解扰的I/Q码片时间滞后3/M个码片。

Finger锁定指示器用于指示该Finger解调单元是否已锁定当前小区导频。只有在Finger锁定指示器指示已锁定当前小区导频的前提下，Finger时间追踪环路才会追踪跟踪接收到基站发送的码片时间的变化，进行“Finger时间追踪”。

Finger控制单元根据Finger锁定指示，发送随机序列码片偏移调整和/或时间延迟调整信号到随机序列码发生器，控制随机序列码发生器调整码片偏移和/或时间延迟量。

Finger时间追踪单元是Finger时间追踪环的核心部件。在本发明中，Finger时间追踪单元由以下主要功能模块构成：

(1)IIR(无限冲击响应)滤波器；

(2)遗忘因子产生器；

(3)除法器；

(4)比较器；

(5)门限值产生器；

(6)累加器；

(7)更新速率激励器。

在本发明中，Finger时间追踪单元可按照1/M个原始I/Q码片码片(来自模拟基带电路)的时间分辨率，跟踪并调整Finger对原始I/Q码片的同步和取样时间。M是原始I/Q码片(来自模拟基带电路)的速率与Rake接收机内部随机序列码速率之间的比值。

在本发明中，每一个Finger(解调单元)的完整的Finger时间追踪环路，是由Finger的随机序列解扰模块、Finger锁定指示器与Finger时间追踪单元共同构成。

随机序列解扰单元的(同步、超前、延迟)三路I/Q数据序列，在经过各自的I/Q积分收集器，即获得(同步、超前、延迟)三路I/Q符号序列。在分别计算出三路I/Q符号序列的瞬时符号能量后，将三路瞬时符号能量序列发送到Finger时间跟踪单元。其中，超前、延迟两路I/Q瞬时符号能量序列相减，得到的结果再与同步I/Q瞬时符号能量序列同步地分别经过IIR滤波器的滤波。滤波后的两路序列值保持同步地送入一个除法器进行相除运算，相除后的结果送入一个比较器，逐一与设置的门限值相比较。比较输出送入累加器，逐一累加。累加结果按照更新速率取出，作为采样时间的调整量发送到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点。

以上所述是Finger时间追踪的基本原理和过程，以下阐述Finger时间追踪的有关算法。

1.解扰输出的同步、超前、延迟三路I/Q符号序列

(1)超前I/Q符号序列记作：

1)超前I符号序列S_ei(n)

2)超前Q符号序列S_eq(n)

(2)延迟I/Q符号序列记作：

1)延迟I符号序列S_li(n)

2)延迟Q符号序列S_lq(n)

(3)时间同步I/Q符号序列记作：

1)时间同步I符号序列S_oi(n)

2)时间同步Q符号序列S_oq(n)

2.Finger指示(Finger控制单元的输出)B_nf(n)

B_nf(n)＝1，表示该Finger是一个新搜索到的Finger，需要重新初始化追踪过程；

B_nf(n)＝0，表示该Finger是一个之前已搜索到的Finger，，不需要重新初始化过程。

3.对应于同步、超前、延迟三路I/Q符号序列的瞬时能量序列

将同步、超前、延迟三路I/Q符号序列的瞬时能量序列分别记作S_op(n)、S_ep(n)S_lp(n)，则有下式成立：

$S_{\mathrm{ep}}\left(n\right)=S_{\mathrm{ei}}^2\left(n\right)+S_{\mathrm{eq}}^2\left(n\right)$

$S_{\mathrm{op}}\left(n\right)=S_{\mathrm{oi}}^2\left(n\right)+S_{\mathrm{oq}}^2\left(n\right)$

$S_{\mathrm{lp}}\left(n\right)=S_{\mathrm{li}}^2\left(n\right)+S_{\mathrm{lq}}^2\left(n\right)$

4.用一个指数窗滤波器对S_op(n)、S_ep(n)、S_lp(n)进行滤波

如果B_nf(n)＝1

S_e(n)＝S_ep(n)

S_o(n)＝S_op(n)

S_l(n)＝S_lp(n)

否则

S_e(n)＝β·S_e(n-1)+(1-β)·S_ep(n)

S_o(n)＝β·S_o(n-1)+(1-β)·S_op(n)     (EQ1)

S_l(n)＝β·S_l(n-1)+(1-β)·S_lp(n)

5.计等以下比值

$r\left(n\right)=\frac{S_l\left(n\right)-S_e\left(n\right)}{S_o\left(n\right)}---\left(\mathrm{EQ}2\right)$

6.如果n＝iT，则对于第k个finger，按照下面算法实现Finger时间跟踪：

(1)如果对于任意一个Finger l(l≠k)，下面条件得到满足

r(n)＞d_th，且|(t_PN，k(n-1)-1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min        (EQ3)

则第k个finger将跟踪的时间提前，即

t_PN，k＝t_PN，k-1/M              (EQ4)

(2)如果对于任意一个Finger l(l≠k)，下面条件得到满足

r(n)＜d_th，且|(t_PN，k(n-1)+1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min       (EQ5)

则第k个finger将跟踪的时间延迟，即

t_PN，k＝t_PN，k+1/M                                     (EQ6)

在以上各式中，各参数符号的意义如下：

β：指数窗IIR滤波器的遗忘因子；

T：时间跟踪校正间隔；

d_th：用于时间跟踪校正的比较门限值；

d_min：不同Finger之间允许的最小跟踪(采样)时间距离。

技术方案：新型高精度高集成度的Finger时间追踪器，该Finger时间追踪器除使用一般的Finger时间追踪器通常包含的Finger随机序列解扰模块、Finger锁定指示器、Finger控制单元、Finger时间追踪单元外，在其Finger时间追踪单元内包含以下功能模块：

(1)IIR(无限冲击响应)滤波器；

(2)遗忘因子产生器；

(3)除法器；

(4)比较器；

(5)门限值产生器；

(6)累加器；

(7)更新速率激励器。

Finger时间追踪器中，采用了指数窗IIR滤波器对随机序列解扰单元输出的(同步、超前、延迟)三路I/Q符号序列的瞬时符号能量序列进行滤波，

如果B_nf(n)＝1

S_e(n)＝S_ep(n)

S_o(n)＝S_op(n)

S_l(n)＝S_lp(n)

否则

S_e(n)＝β·S_e(n-1)+(1-β)·S_ep(n)

S_o(n)＝β·S_o(n-1)+(1-β)·S_op(n)

S_l(n)＝β·S_l(n-1)+(1-β)·S_lp(n)

Finger时间追踪器中，对随机序列解扰单元输出的(同步、超前、延迟)三路I/Q符号序列的瞬时符号能量序列的IIR滤波值(权利要求2)的比较，采用了计算超前、延迟两路I/Q符号序列的瞬时符号能量差与同步I/Q符号序列的瞬时符号能量之间的比值的方法，

计算以下比值

$r\left(n\right)=\frac{S_l\left(n\right)-S_e\left(n\right)}{S_o\left(n\right)}$

Finger时间追踪器中，对权利要求3计算出的比值与设定的门限值进行比较，

如果n＝iT，则对于第k个finger，按照下面算法实现Finger时间跟踪：

(1)如果对于任意一个Finger l(l≠k)，下面条件得到满足

r(n)＞d_th，且|(t_PN，k(n-1)-1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min     (EQ3)

则第k个finger将跟踪的时间提前，即

t_PN，k＝t_PN，k-1/M                                   (EQ4)

(2)如果对于任意一个Finger l(l≠k)，下面条件得到满足

r(n)＜d_th，且|(t_PN，k(n-1)+1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min     (EQ5)

则第k个finger将跟踪的时间延迟，即

t_PN，k＝t_PN，k+1/M                                   (EQ6)

Finger时间追踪器中，对权利要求4比较的结果进行累加，累加结果按照更新速率取出，作为采样时间的调整量发送到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点，随机序列解扰单元的(同步、超前、延迟)三路I/Q数据序列，在经过各自的I/Q积分收集器，即获得(同步、超前、延迟)三路I/Q符号序列。在分别计算出三路I/Q符号序列的瞬时符号能量后，将三路瞬时符号能量序列发送到Finger时间跟踪单元。其中，超前、延迟两路I/Q瞬时符号能量序列相减，得到的结果再与同步I/Q瞬时符号能量序列同步地分别经过IIR滤波器的滤波。滤波后的两路序列值保持同步地送入一个除法器进行相除运算，相除后的结果送入一个比较器，逐一与设置的门限值相比较。比较输出送入累加器，逐一累加。累加结果按照更新速率取出，作为采样时间的调整量发送到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点。

本发明提出的Rake接收机中的Finger时间***，采用从来自模拟基带***的原始I/Q码片中(随机序列)解调出时间超前、时间延迟、时间同步三路导频I/Q符号序列，通过对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量比较，确定出其中最佳的导频I/Q符号序列，从而实现对来自模拟基带***的原始I/Q码片的时间跟踪。在Finger时间跟踪单元中，采用指数窗IIR滤波器对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量序列进行滤波，提高了Finger时间跟踪的精度。该Finger时间跟踪机制结构简单、复杂度小、计算开销低、跟踪精度高、易于实现、实用性强，非常适合于嵌入在通信芯片中以硬件的方式实现，可直接商用。

附图说明：

图1是本发明提出的新型、高精度、高集成度的“Finger时间追踪机制”及相应的Finger时间追踪器框图。

根据本发明，每一个Finger(解调单元)中的完整的Finger时间追踪环路，是由以下部件构成：

1、Finger的随机序列解扰模块；

2、Finger锁定指示器；

3、Finger控制单元；

4、Finger时间追踪单元。

Finger时间追踪单元是Finger时间追踪环的核心部件。在本发明中，Finger时间追踪单元由以下主要功能模块构成：

(1)IIR(无限冲击响应)滤波器；

(2)遗忘因子产生器；

(3)除法器；

(4)比较器；

(5)门限值产生器；

(6)累加器；

(7)更新速率激励器。

上述单元的功能及相互之间关系，均已在发明内容中阐述说明。

具体实施方式：

实施例：参照附图1。附图1是本发明提出的新型、高精度、高集成度的Finger时间追踪器框图。

在本发明中，Finger时间追踪单元可按照1/M个原始I/Q码片码片(来自模拟基带电路)的时间分辨率，跟踪并调整Finger对原始I/Q码片的同步和取样时间。M是原始I/Q码片(来自模拟基带电路)的速率与Rake接收机内部随机序列码速率之间的比值。

在本发明中，每一个Finger(解调单元)的完整的Finger时间追踪环路，是由Finger的随机序列解扰模块、Finger锁定指示器与Finger时间追踪单元共同构成。

随机序列解扰单元的(同步、超前、延迟)三路I/Q数据序列，在经过各自的I/Q积分收集器，即获得(同步、超前、延迟)三路I/Q符号序列。在分别计算出三路I/Q符号序列的瞬时符号能量后，将三路瞬时符号能量序列发送到Finger时间跟踪单元。其中，超前、延迟两路I/Q瞬时符号能量序列相减，得到的结果再与同步I/Q瞬时符号能量序列同步地分别经过IIR滤波器的滤波。滤波后的两路序列值保持同步地送入一个除法器进行相除运算，相除后的结果送入一个比较器，逐一与设置的门限值相比较。比较输出送入累加器，逐一累加。累加结果按照更新速率取出，作为采样时间的调整量发送到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点。

本发明提出的Rake接收机中的Finger时间***，采用从来自模拟基带***的原始I/Q码片中(随机序列)解调出时间超前、时间延迟、时间同步三路导频I/Q符号序列，通过对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量比较，确定出其中最佳的导频I/Q符号序列，从而实现对来自模拟基带***的原始I/Q码片的时间跟踪。在Finger时间跟踪单元中，采用指数窗IIR滤波器对(超前、延迟、同步)三路导频I/Q符号序列的瞬时能量序列进行滤波，提高了Finger时间跟踪的精度。该Finger时间跟踪机制结构简单、复杂度小、计算开销低、跟踪精度高、易于实现、实用性强，非常适合于嵌入在通信芯片中以硬件的方式实现，可直接商用。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明说明性的，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1、一种多径指峰时间追踪器，其特征是：该多径指峰时间追踪器除使用多径指峰随机序列解扰模块、多径指峰锁定指示器、多径指峰控制单元、多径指峰时间追踪单元外，在其多径指峰时间追踪单元内包含以下功能模块：

(1)指数窗无限冲击响应滤波器；

(2)遗忘因子产生器；

(3)除法器；

(4)比较器；

(5)门限值产生器；

(6)累加器；

(7)更新速率激励器；

在上述多径指峰时间追踪器中，多径指峰时间追踪单元可按照1/M个原始I/Q码片的时间分辨率，跟踪并调整多径指峰对原始I/Q码片的同步和取样时间，M是原始I/Q码片的速率与Rake接收机内部随机序列码速率之间的比值；随机序列解扰单元的同步、超前、延迟三路I/Q数据序列，在经过各自的I/Q积分收集器，即获得同步、超前、延迟三路I/Q符号序列；在分别计算出三路I/Q符号序列的瞬时符号能量后，将三路瞬时符号能量序列发送到多径指峰时间跟踪单元；其中，超前、延迟两路I/Q瞬时符号能量序列相减，得到的结果再与同步I/Q瞬时符号能量序列同步地分别经过指数窗无限冲击响应滤波器的滤波；滤波后的两路序列值保持同步地送入一个除法器进行相除运算，相除后的结果送入一个比较器，逐一与设置的门限值相比较；比较输出送入累加器，逐一累加；累加结果按照更新速率取出，作为采样时间的调整量发送到原始I/Q码片的采样单元，控制采样单元调整采样时间点。

2、根据权利要求1所述的多径指峰时间追踪器，其特征是：采用了指数窗无限冲击响应滤波器，根据多径指峰控制单元在时刻n的输出，对随机序列解扰单元输出的同步、超前、延迟三路I/Q符号序列的瞬时符号能量序列进行滤波，

如果B_nf(n)＝1

S_e(n)＝S_ep(n)

S_o(n)＝S_op(n)

S_l(n)＝S_lp(n)

否则

S_e(n)＝β·S_e(n-1)+(1-β)·S_ep(n)

S_o(n)＝β·S_o(n-1)+(1-β)·S_op(n)

S_l(n)＝β·S_l(n-1)+(1-β)·S_lp(n)

上式中，S_op(n)、S_ep(n)、S_lp(n)分别是同步、超前、延迟三路I/Q符号序列的瞬时能量序列在时刻n的值；S_o(n)、S_e(n)、S_l(n)分别是在时刻n指数窗无限冲击响应滤波器对S_op(n)、S_ep(n)、S_lp(n)进行滤波后的的输出值；β是指数窗无限冲击响应滤波器的遗忘因子；B_nf(n)是多径指峰指示，也就是多径指峰控制单元在时刻n的输出，B_nf(n)＝1表示该多径指峰是一个新搜索到的多径指峰，需要重新初始化追踪过程，B_nf(n)＝0表示该多径指峰是一个之前已搜索到的多径指峰，不需要重新初始化过程。

3、根据权利要求1所述的多径指峰时间追踪器，其特征是：

如果n＝iT，则对于第k个多径指峰，按照下面算法实现多径指峰时间跟踪：

(1)如果对于任意一个多径指峰l(l≠k)，下面条件得到满足，

r(n)＞d_th，且|(t_PN，k(n-1)-1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min

则第k个多径指峰将跟踪的时间提前，即

t_PN，k＝t_PN，k-1/M

(2)如果对于任意-个多径指峰1(l≠k)，下面条件得到满足

r(n)＜d_th，且|(t_PN，k(n-1)+1/M)-t_PN，l(n)|≥d_min

则第k个多径指峰将跟踪的时间延迟，即

t_PN，k＝t_PN，k+1/M；

在以上各式中，各参数符号的意义如下：

$r\left(n\right)=\frac{S_l\left(n\right)-S_e\left(n\right)}{S_o\left(n\right)}$

其中的S_o(n)、S_e(n)、S_l(n)根据权利要求2给出方法计算得出；

t_PN，k：第k个多径指峰的跟踪时间；

T：时间跟踪校正间隔；

d_th：用于时间跟踪校正的比较门限值；

d_min：不同多径指峰之间允许的最小跟踪采样时间距离；

M：原始I/Q码片的速率与Rake接收机内部随机序列码速率之间的比值。

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