CN1151622C - 基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于多径能量窗的导频跟踪方法包括三个步骤：1)估计多径衰落信道参数；2)计算多径能量窗重心；3)环路滤波及扩频序列码相位调整。本方法无须对每一延迟路径单独跟踪，从而提高扩频接收机的跟踪性能及定时恢复的稳定性。对多个发送信号源所发送的导频的信号的跟踪只需时分复用一个多径信道估计器和一个多径能量窗重心计算电路，节约了接收机硬件资源，因此，与其他部分配合起来可构成完整的新型相干扩频接收机。

Description

基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法

本发明属于CDMA(码分多址)蜂窝通信***领域。

CDMA蜂窝通信技术以其频率规划简单、***容量大、抗多径能力强、通信质量好、电磁干扰小等特点显示出巨大的发展潜力，是未来移动通信的主流技术。CDMA扩频信号接收机分为相干接收机和非相干接收机两种方式。相干接收机需要得知接收信号的相位信息，而非相干接收机不需要接收信号的相位信息，但要求发送信号为正交调制方式。本发明主要考虑在未来CDMA蜂窝***中占主导地位的相干接收方式。

移动通信***中存在着多径衰落现象，会造成严重的多径干扰。在采用了扩展频谱技术的CDMA蜂窝移动通信***中，通过接收带有确知信息的导频(Pilot)信号，可以对多径信号的幅度和相位信息进行估计，从而使得多径分集和相干接收成为可能。针对多径衰落信号进行分集处理的相干扩频接收机称为RAKE相干接收机，它可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的单径信号进行相位校正并进行最大比合并处理，从而达到克服多径衰落，提高接收信号干扰比之目的。

为了实现RAKE接收功能，必须实现本地扩频序列(PN码)与接收信号的同步，这种同步分别由捕获和跟踪两个步骤完成。其中捕获步骤通过对导频信道的捕获与确认完成PN码的初始同步(粗同步)；而跟踪步骤通过对导频信道的跟踪完成PN码的精细同步。两个步骤相互结合，为RAKE接收机提供所需的PN码，并为接收机提供精确的本地定时。

传统的PN码跟踪方法基于所谓的“迟早门(carly-latc-gate)”技术，通过对当前导频信号超前时刻和迟后时刻平均能量的观察和比较，对本地PN码的相位进行微调，从而达到PN码的精细同步之目的。在存在多径到达信号的条件下，可通过对每一径有效到达信号分别进行“迟早门”处理，从而实现对多径信号的精细同步。但不幸的是，由于移动通信***中存在着严重的衰落现象，每一径到达信号在幅度和相位上均存在较大范围的随机变化，若使用传统的“迟早门”技术，则会使每一径信号的跟踪过程随着信号的衰落变得极不稳定。此外，由于接收机本地定时的建立通常是以最早有效到达径信号为基础的，而最早有效到达径信号是极不稳定的，这使得接收机本地定时的建立缺乏稳健性。

本发明的目的是针对移动通信环境下多径信号的不确定性，引入多径能量窗概念及能量窗重心计算方法，由此建立基于多径能量窗重心的导频信号跟踪方法，从而克服传统“迟早门”处理方法所可能产生的多径信号跟踪性能恶化及本地定时信号恢复的不确定性。

本发明提出了基于多径衰落信号能量窗重心跟踪环路的PN码跟踪方法，其基本思路基于以下事实：尽管在多径衰落环境下每一径到达信号的幅度和相位是随机变化的，但多径信号的能量窗口及其重心位置是相对稳定的。若根据多径信号能量窗口重心的变化调整本地的PN码，确定相干接收机的本地定时，并在能量窗口的范围内对有效多径进行选择，则由此所获得PN码跟踪方法能够有效地克服上述对单径信号进行“迟早门”处理所带来的***定时和PN码跟踪特性的不确定性，从而提高相干扩频接收机的稳健性。本发明还引入了多径能量窗的并行处理方法，使导频信号跟踪、本地定时恢复、RAKE分集相干合并、AFC及多小区搜索等功能的综合实现成为可能。

本发明由以下步骤构成：

1、多径衰落信道参数估计：

CDMA***中的导频(Pilot)信道用于传送事先确知的导频序列，可用于***定时和载波的提取、信道估计、越区切换等。若***同时发射若干个信道的信号，则等效基带接收信号可表示为：

$r\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{c}_n\·\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{s}_i(t-n/W)+z\left(t\right)$

[公式1]

其中，s_i(t)表示下行信道所发送的第i个码分信道的等效基带信号，i＝0的分项对应于Pilot信道；z(t)是零均值的复数白色高斯噪声；c_n为信道第n径的衰落因子。信道参数估计的目的在于根据接收信号r(t)和确知的导频序列s₀(t)估计出信道衰落因子c_n。

假设移动信道为频率选择性慢衰落信道模型，则可认为在一个信道估计区间内c_n近似为常数。由此可得出c_n的估计值如下：

$\stackrel{\‾}{c_n}=\frac{1}{{\mathrm{NE}}_c}{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}r(t-{\mathrm{nT}}_c)\·s_0^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}=c_n+N_a+N_c+N_z$

[公式2]式中N_a、N_c和N_z分别是扩频码的相关特性不够理想造成的多径干扰、多址干扰以及白噪声通过相关器后产生的输出；T_c为一个码片的时间宽度，NT_c为信道估计的积分区间；E_c是导频信道在一个码片之内的发送能量。

2、多径能量窗及其重心计算：

公式1中信道衰落因子c_n的有效分布范围定义为多径信号能量分布窗口(简称为多径能量窗)，该窗口的大小由多径信道的时延扩展范围确定。为方便以下的讨论，设c_n的有效分布范围为n∈[-L₁，L₂]。在城市、乡村和山区多径衰落环境下，该窗口的大小分别约为3μS、6μS和15μS。窗口的大小与蜂窝通信***所处的环境有关，而与所使用的频段无关。为使扩频接收机能够适用于各种环境，多径能量窗口的大小应按最大可能值选取，通常不大于30μS，则L＝L₂-L₁+1的取值应不大于30μS/T_c。

在多径能量窗口内，并不是所有的信号到达径均是有效的。为此应设定合适的门限，对窗口内每一径信号的能量(也即c_n的强度)进行判决。若大于门限，则为有效到达信号径；否则则为纯干扰径(IOP)。为避免性能恶化，所有的纯干扰径均不应参加运算。判决门限的选取应略大于导频信号(PN码)部分互相关(PartialCorrelation)值的旁瓣值。

若用k表示第k次信道估计结果，则相应的多径能量窗的重心由cg(k)＝cg_w(k)/cg_s(k)给出，其中cg_w(k)和cg_s(k)的计算方法如下：

${\mathrm{cg}}_w\left(k\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}n{\left|c_n\left(k\right)\right|}^2,{\mathrm{cg}}_s\left(k\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left|c_n\left(k\right)\right|}^2$

[公式3]

式中，n对应于多径信道衰落因子 在多径能量窗口内所在的位置。注意公式3中每

一参加运算的

应为大于指定门限的有效到达信号径。

3、环路滤波与本地PN码相位调整：

设计多径能量窗重心PN码跟踪环路的基本思路是，设定多径能量窗重心的目标位置为cg_target，通过观察实际测量所得到的多径能量窗重心值cg(k)与cg_target的差别，调节接收机本地PN码的相位，使得两者的差别尽可能小。为方便计算，设cg_target取值为零，则本地PN码的相位调整可简单地通过判断cg_w(k)的极性而得到，而无需计算cg_x(k)和cg(k)。

为避免多径衰落信号的随机变化及信道估计误差所带来的误调整，应对公式3所得到的重心估计值进行平滑滤波。设平滑滤波后的重心估计值为

则PN相位调节方法可概括为：

若 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)}>0,$ 则使本地PN码的相位超前δ；

若 $\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)}<0,$ 则使本地PN码的相位迟后δ；

[公式4]

若 $\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)}=0,$ 则使本地PN码的相位保持不变。

本发明有益效果：

1.采用了“基于多径能量窗重心的跟踪环”，针对多径能量的包络进行跟踪，无须对每一延迟路径单独跟踪，提高了扩频接收机的跟踪性能以及定时恢复的稳定性。

2.对于多个发送信号源所发送的导频信号的跟踪，只需时分复用一个多径信道估计器和一个多径能量窗重心计算电路，节省了接收机的硬件资源。

3.本发明给出的多径能量窗重心跟踪环路设计，可与其它部分相互配合，构成完整的新型相干扩频接收机。

附图说明：

图1为本发明方法步骤示意图

图2为本发PN码相位调整实现框图

图3为适合于多个发送信号源的多径能量窗重心跟踪环路实现框图

以下结合附图说明实施例：

由上述可知，基于多径能量窗的导频跟踪方法可分为多径信道估计、能量窗重心计算及环路滤波和PN码相位调整等三个部分组成。图1示出了多径能量窗导频跟踪的具体实施框图。各部分的具体构成及功能描述如下。

多径信道估计：该部分由抽头延迟线和并行相关器两个部分组成。抽头延迟线接收基带采样信号，采样间隔为T_c/M，M根据具体应用可取值为2、4或8。并行相关器受外部定时的控制，完成多径能量窗口内所有多径信道衰落参数 的计算，其结果送往能量窗重心计算部分进行后续处理。

能量窗重心计算：该部分由有效径选择和能量窗重心计算两个基本单元组成。有效径选择部分单元接收前级多径信道估计输出结果，对 进行门限判决，以决定是否为有效到达径信号。判决门限的选取应略大于导频信号(PN码)部分互相关(PartialCorrelation)值的旁瓣值。若 的幅度值小于设定的门限，则把相应的 置为零值，并由能量窗重心计算单元完成公式3中所示的cg_w(k)的计算。其结果送往环路滤波单元。

环路滤波与本地PN码相位调整：环路滤波单元对cg_w(k)进行低通滤波运算，以获得PN码相位调整所需的 值。具体的低通滤波器可选择下列一阶低通滤波器

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)}=\mathrm{\&alpha;}\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{cg}}_w(k-1)}+{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)$

[公式5]

或选择如下的滑动窗平均方法进行低通滤波

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{cg}}_w\left(k\right)}=\underset{l=0}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{cg}}_w(k-l)$

[公式6]

其中低通滤波参数α和J的选取视具体应用而定，选择的原则应使得低通滤波器的截止频率大于本地PN码时钟的绝对误差值。环路滤波单元的输出结果 送往本地PN码相位调整部分进行本地PN码相位调整。

本地PN码相位调整部分主要完成公式3所示的运算。本发明采用对本地PN码发生时钟进行微调的方法，实现所需的本地PN码相位调整。图2示出了这种方法的实现框图。图中本地PN码时钟的发生是通过对一高倍(M倍)外部时钟的分频计数来完成的，而码片时钟的微调又是通过可变模计数器来完成的。若

取值为正，则计数器的模值取为M-1；若 取值为负，则计数器的模值取为M+1；其它情况下计数器的模值取为M。通过这种方法，可实现公式3所示的PN码相位调整，其微调的相位差为δ＝T_c/M。通常M的数值可取为16或32，以保证足够精细的调整精度。

在实际应用中，可能需要对多个发送信号源所发送的导频信号进行同时跟踪。例如，在移动台需要对多个基站所发送的信号进行宏分集时便是如此。由于各个发送信号源到达接收端的路径是相互独立的，因而需要对各个信号源所发送的导频信号分别进行PN码的跟踪。由于多径能量窗的重心变化相对较慢，因而可使用时分复用的方式计算来自多个发送信号源的多径能量窗重心，并分别对各个发送信号源的导频信号进行独立跟踪。图3示出了对多个发送信号源进行导频跟踪的实现方案。在该方案中，多径信道估计部分及能量窗重心计算部分采用时分复用的方式，以达到节省硬件资源的目的。而环路滤波以及PN码相位调整部分采用相互独立的并行工作方式。

本发明已应用于我们自行研制的符合3GPP2 Release A标准的cdma 2000-1x蜂窝移动通信车载移动台样机中。该样机中的导频信道同步与跟踪部分采用Xilinx公司的XC4085xla FPGA芯片实现，其主要参数列举如下：

扩频码片速率1.2288MHz；

I/Q采样速率4×1.2288MHz，6比特输入；

多径能量窗参数选取为L＝32，L₁＝12，L₂＝19；

环路滤波采用滑动窗平均方式，参数J取值为16；

外部时钟(EXT_CLK)39.3216MHz；

信道估计积分周期384个码片间隔(N＝384)；

相关器组(CORRELATION BANK)采用16倍时分复用方式；

每一物理相关器可实现15组有效相关运算。

经过实际测试，利用本发明所设计的多径能量窗重心导频跟踪环路在车载移动多径衰落环境下，较传统方法具有较好的稳健型。

Claims (4)

1.基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法，其特征在于由如下步骤组成：

(1)估计多径衰落信道参数；

(2)计算多径能量窗重心；

(3)环路滤波及扩频序列码相位调整。

2.如权利要求1所述的基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法，其特征在于：

(1)多径衰落信道参数估计由抽头延迟线和并行相关器两部分予以实现，前者接收基带采样信号，后者受外部定时的控制，完成多径能量窗口内所有多径信道衰落参数的计算；

(2)多径能量窗重心计算由有效径选择单元及能量窗重心计算单元予以实现，前者接收前级多径信道估计输出结果，对多径信道衰落参数进行门限判决，后者完成平滑滤波后多径能量窗重心估计值cg_w(k)的计算；

(3)环路滤波及扩频序列码相位调整由环路滤波单元及本地扩频序列相位调整单元予以实现，前者对cg_w(k)进行低通滤波运算，后者采用对本地扩频序列码发生时钟进行微调的方法，实现所需的本地PN码相位调整。

3.如权利要求2所述的基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法，其特征在于本地扩频序列码相位调整采用对本地扩频序列码发生时钟进行微调的方法，其中本地扩频序列码时钟的发生是通过对一高倍外部时钟的分频计数来实现的，而码片时钟的微调又是通过可变模计数器来完成。

4.如权利要求1所述的基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法，其特征在于：使用时分复用的方式计算来自多个发送信号源的多径能量窗重心，并分别对各个发送信号源的导频信号进行独立跟踪。

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