CN101095290A - 用于确定接收序列到达时间的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定接收机中接收序列的到达时间的设备，包括相关装置(102)，被实现用于根据接收序列(112)与发射序列(113)的相关而确定相关值序列(114)，其中所述相关序列(114)包括具有主极大值的峰状和至少一个局部次极大值(124)。所述设备还包括处理装置(104)，被实现用于确定相关序列(114)中的某个点(226)，所述点(226)位于一侧由局部次极大值(224)限制、另一侧由山峰形状限制的区间内，而且所述处理装置被实现用于取决于所述点(226)而确定到达时间。

Description

用于确定接收序列到达时间的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定接收机中接收序列到达时间的设备和方法，它们可以特别用于数字传输系统。

背景技术

为了使数字传输系统中的接收机可以与发射机发出的数字信号同步，发射机发射接收机已知的数字信号。接收机负责确定所发送信号精确的到达时间(TOA)。

为了确定到达时间，计算数字接收信号与已知数字发射信号之间的互相关。

图5示出了从已接收信号与存储在接收机中的发射信号的连续相关中计算得到并随时间绘制的相关序列414。图4中所示相关序列414的相关峰值指示已存储发射序列与接收序列的对应关系。为了根据相关序列414来确定接收序列的到达时间，对相关序列414的幅度极大值进行检测，并根据相关幅度极大值的位置来确定接收信号的到达时间。在图5中，示出了两个主极大值422、422’，针对这两个极大值，把用于指示接收序列到达时间的触发信号设置为1。对于到达时间的计算，不考虑极大值422、422’之间的其它主极大值，因为这个极大值是多径传播导致的。

如果对相关幅度值的预定范围内或相关信号索引为1的预定范围内的相关幅度极大值分别进行搜索，则可以通过确定预定范围内存在的所有相关幅度的极大值而确定相关幅度极大值。如果针对连续信号搜索相关幅度极大值，即针对样本流搜索相关幅度极大值，那么必须连续地评估刚刚计算出的相关幅度是否表示有效的局部极大值。为了确定该局部极大值，可以使用固定阈值和如下规则：当所评估的相关幅度超过阈值时，出现相关幅度极大值。

取决于相关序列的主极大值来确定到达时间是不灵活且不精确的，因为不存在对变化的传输信道做出适应的可能性。此外，相关序列的主极大值对于多径传播是敏感的。这意味着，后续路径严重影响了极大值，移动了极大值的位置，因而破坏了到达时间。此外，主极大值会受到噪声的影响。因此，如果错误地检测到相关幅度极大值，那么根据相关幅度极大值而确定的接收序列的到达时间是很不精确的，或可能导致到达时间的错误确定。到达时间的错误确定的后果是：由于不能确定接收序列的精确到达时间，如果仅以不精确的方式执行同步，那么发射机与接收机之间的同步可能失败，或者可能导致错误的数据传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定接收序列的到达时间的设备、方法和计算机程序产品，实现对到达时间的可靠确定。

这个目的通过根据权利要求1所述的用于确定到达时间的设备、根据权利要求11所述的用于确定接收序列到达时间的方法、以及根据权利要求12所述的用于确定接收序列到达时间的计算机程序来实现。

本发明提供了一种用于确定接收机中接收序列的到达时间的设备，包括：

相关装置，被实现用于根据接收序列与发射序列的相关而确定相关序列，其中所述相关序列包括具有主极大值的峰状和至少一个局部次极大值；以及

处理装置，被实现用于确定相关序列中位于某个区间内的点，所述区间的一侧由局部次极大值限制，另一侧由峰状限制，而且所述处理装置被实现用于取决于所述的点而确定到达时间。

本发明还提供了一种用于确定接收机中接收序列的到达时间的方法，包括下列步骤：

根据接收序列与发射序列的相关而确定相关序列，其中所述相关序列包括具有主极大值的峰状和至少一个局部次极大值；以及

确定相关序列中位于某个区间内的点，所述区间的一侧由局部次极大值限制，另一边由峰状限制，并且取决于所述的点而确定到达时间。

本发明基于这样的发现，即：基于相关序列主极大值周围区间内的某个点而不是基于该主极大值而确定接收机中接收序列的到达时间是有利的。接收序列可以是接收机接收到的信号的一部分。到达时间指示接收序列到达接收机或被接收机检测到的时间点。例如，到达时间可以是绝对时间信息，也可以是触发时间点。该点可以是相关序列中的值，或设置于相关序列中两个相关值之间的点。

使用主极大值周围区间内的点是有利的，因为该点相比于主极大值自身来说对于多径传播的敏感性较低。这意味着，后续路径对该点的影响比对极大值的影响要小。此外，主极大值周围的点对于噪声的鲁棒性更好。这意味着，使用主极大值周围区间内的点比使用主极大值自身能够更为精确地确定到达时间。

根据一个实施例，所述区间被设置于主极大值前的时间中。这意味着，仅使用与某些相关值相对应的点来确定到达时间，所述相关值在与主极大值有关的相关值之前的时间中被确定。这对于到达时间的确定是有利的，由于多径传播在主极大值之前的影响比对主极大值自身或后续相关值的影响要小，所以能够更为可靠地确定到达时间。

根据一个实施例，所述点是反向点，即相关值序列中具有最大梯度的位置或相关值序列的极值(例如极大值)。为了确定所述点，可以确定相关序列的一阶导数和二阶导数，其中所述点可以是极值或过零导数。

根据一个实施例，仅当确定主极大值后才会搜索所述点。这对于仅当实际需要确定到达时间时才执行用于计算所述点的步骤来说是有利的。由于主极大值的出现，至少接收到被搜索的接收序列的可能性会高。在这一点上需要注意的是，可能会存在若干个反向点，而这些反向点并不一定都是有效的。

根据另一个实施例，根据相关序列而连续地确定满足到达时间确定标准的潜在点。作为相关极大值确定的结果，最后确定的点被确定为确定到达时间时所依据的点。连续地确定可能的点具有如下优点：由于在确定主极大值之前已经确定了所述点，所以能够很快地确定到达时间。

根据另一个实施例，对相关序列进行内插，以便能够极其精确地确定到达时间。

根据另一个实施例，如果不能够确定潜在的时间点，则取决于相关序列的主极大值而确定到达时间。这具有如下优点：至少可以确定到达时间，即使它不够精确，而且可以暂时使用所确定的到达时间而执行进一步的处理。

附图说明

在下文中，参考附图更加详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例用于确定接收序列到达时间的设备的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的相关的图形；

图3a示出了根据本发明实施例的内插装置的示意图；

图3b示出了图3a中使用的滤波器系数的概图；

图4示出了具有根据本发明实施例用于确定到达时间的设备的接收机的示意图；以及

图5示出了根据现有技术的相关序列的图形。

具体实施方式

在下文对本发明优选实施例的描述中，对不同附图中示出的相似元件使用相似的附图标记，其中省略了对这些元件的重复描述。

图1示出了根据本发明实施例用于确定接收序列到达时间的设备的示意图。该设备包括相关装置102和处理装置104。相关装置102被实现用于接收接收序列112。此外，相关装置102被实现用于接收发射序列112或包括存储装置(图中未示出)，该存储装置中包含有发射序列113。相关装置102被实现用于执行接收序列112与发射序列113之间的相关，并用于向处理装置104提供根据接收序列112与发射序列113的相关而得到的相关序列114。处理装置104被实现用于确定相关序列114主极大值上的区间边界内的点，并用于根据这个限定了接收序列112的到达的点而计算和提供到达时间116。这里，主极大值不是该区间的一部分，或者当确定该点时把表示主极大值的相关值排除在外。

根据这个实施例，用于确定接收序列到达时间的设备被设置在数字传输系统的接收机中。接收序列112可以用于同步发射机与接收机。为此，发射序列113对于所述设备是已知的，其中发射序列113由发射机发出并由接收机作为接收序列112而接收。在理想传输中，排除发射机与接收机之间的载波频率偏移，恒定信道系数为a且延迟为L，则接收机接收复基带信号

$y[k+L]=\mathrm{\α}\·x\left[k\right]\·e^{j(2\mathrm{\π\ΔFk}+{\mathrm{\φ}}_0)}$

当发射机发出发射序列x[k]时，相关装置102被实现用于把接收信号y[k]与发射机和接收机中存储的原始信号x[k]进行相关。接收信号y[k]与相关序列x[k]之间的互相关被定义为

$r_{\mathrm{yx}}\left[l\right]=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}y[k+l]\·x^{*}\left[k\right]$

在这里，索引1指示在相关计算中把y[k]移动多远。如果移动y[k]以使y[k+L]和x[k]最佳地相对应，那么获得如下作为相关值

$r_{\mathrm{yx}}\left[L\right]=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\·{\left|x\left[k\right]\right|}^2{e}^{j(2\mathrm{\π\ΔFk}+{\mathrm{\φ}}_0)}$

在这种情况下，相关序列114具有一个最大值，对于它来说ryx[L]是极值。在图1中，接收序列112与信号y相对应，接收序列113与信号x相对应，而相关序列114与信号r相对应。

处理装置104被实现用于：根据相关序列114的值的进展(course)而确定接收序列112的到达。为此，处理装置104被实现用于确定相关序列114的主极大值。这可以使用用于确定主极大值的装置(图中未示出)、通过阈值判定来确定相关极大值而执行。这意味着，当相关序列114的相关值超过特定阈值时，出现主极大值。

取决于传输系统，用于检测主极大值的装置可以被实现用于对也受到干扰效应影响的主极大值进行检测。根据这个实施例，在相关值序列114上搜索所考虑窗口内的主极大值之前的反向点。这意味着，首先确定主极大值，然后对相关值曲线114在时间上逐步后退(stepback)，直到找到第一反向点。该反向点被看作确定到达时间时所依据的点。为了搜索反向点，需要对相关值函数114求一阶和二阶导数。由于相关值函数114的导数仅以采样的方式出现，因而仅以采样的方式大致地计算该导数。因此，仅能够在过采样光栅或采样光栅中检测到反向点的位置。为了进行求导，处理装置104可以包括用于形成相关序列114的一阶和二阶导数的装置。

在确定了位于主极大值之前的反向点后，处理装置104提供触发信号。该触发信号指示接收序列112的到达时间116。到达时间116可以是基于接收机内部定时的时间信息。如果到达时间用于接收机同步，那么仅需要提供接收机可以与之同步的触发信号。

可选择地，处理装置104可以被实现用于连续地确定相关序列114上的反向点。如果在相关序列114中确定得到额外的反向点，则把最后确定的反向点226用于确定到达时间。

图2示出了相关序列114的图形。图2所示相关序列114是图4所示相关序列的一部分。具体地，图2示出了图4所示相关序列中的第一相关峰值。相关序列114包括图1所示相关装置中计算的多个相关值。附图标记指定了这些相关值中的三个相关值。相关值222表示主相关值，相关值224是局部次极大值，而相关值226是相关序列114的反向点。随着时间绘出了相关序列114的相关值。在相关装置102中，在相关值226、222之前的时间上计算相关值224。相关序列114是相关值序列，即相关值的幅度在垂直方向上绘出。

相关序列114包括朝向主极大值222的峰状。点224是主极大值222之前的第一次极大值。次极大值224之后的相关值是主极大值222之前的局部最小值。在反向点226与位于反向点226之前的相关值之间，相关序列的梯度最大。从图2中可以看出，在主极大值222之后，还设置有反向点、最大梯度范围、局部极小值和局部次极大值。

根据这个实施例，为了确定接收机中接收序列的到达时间，不使用主极大值222，而是使用主极大值222周围区间内设置的点或相关值。根据这个实施例，该区间的一侧由局部次极大值224限制，另一侧由主极大值222限制。这个区间内最适于确定到达时间的点取决于所使用的发射序列和传输系统，该点在时间轴上的位置对于多径传播和噪声是最不敏感的。例如，第一局部次极大值224、第一局部极小值、最大梯度区域(即反向点)或主极大值222之前的第一反向点可以用于确定到达时间。

在这个实施例中，反向点226被确定为适于确定到达时间的点。为此，在相关值序列114上搜索所考虑窗口或区间中的主极大值之前的反向点。这意味着，首先确定主极大值222，然后对相关值曲线114在时间上逐步后退，直到找到第一反向点116。

为了搜索反向点，需要求相关值函数114的一阶和二阶导数。由于这个函数仅以采样的方式出现，即相关序列114仅包括图2中的十字所指定的相关值，图1所示处理装置104中的求导可能仅以采样的方式近似地计算。因此，仅在采样光栅中检测到反向点的位置。

可选择地，所述区间也可以跨越到主极大值222之后。

图1所示的接收序列112和发射序列113包括复数值。通过对相关装置102中计算的复数相关值进行上采样，可以增加到达时间估计的精确性。这还可以通过零插入和低通滤波来实现。随后，计算上采样复数相关值的大小，并用于进一步的处理。

图3a示出了用于对相关序列进行上采样的装置的实施例，其具体实现形式为多相结构中的上采样滤波器。相关序列314’被设置为上采样装置的输入，而上采样装置的输出是具有上采样相关序列形式的输出314。图3a所示的上采样滤波器包括由块0-5-1、0-5-2、0-5-3指定的三个并行设置的FIR滤波器。延迟装置0-5-4与FIR滤波器并行连接。FIR滤波器和延迟装置的输入与输入314’相连。FIR滤波器和延迟装置的输出与并行/串行转换器0-5-5相连，该转换器根据FIR滤波器和延迟装置的输出值而确定上采样相关序列314。

使用图3a所示的上采样滤波器为相关极大值或相关序列中用于确定到达时间的点的位置的细化确定提供了可能。为此，通过插入(r-1)个零并随后进行低通滤波，把利用采样率B_block_16而获得的相关信号314’引入大小为B_block_16*R的采样块。这里，R指定了上采样因数。为了进行实施，省略上采样滤波、选择另一个上采样因数或减小滤波器系数的个数可能是有利的。在这个实施例中，选择了上采样滤波器。因此，上采样因数被设置为R＝4。

可以对滤波器的实施方式进行简化。一方面，多相实施方式是可能的。输入序列314’仅在每四个数字位上具有与零不同的值。如果假定FIR滤波器具有“抽头延迟线”的结构，那么在计算每一个输出值时仅使用L/R个系数。这里，L指定了FIR滤波器的长度。所使用的系数在恰好R个输出值后周期性地重复。因此，这种FIR滤波器可以被分为R个长度为L/R的局部滤波器。仅需要把相应滤波器的输出按照正确的顺序多路复用为高速率数据流。

利用局部滤波器的对称性而获得另一种简化。FIR滤波器的实现导致了针对局部滤波器0-5-2的有规律的系数结构，即直线长度(straight length)和轴对称，而且导致了第四局部滤波器缩减为延迟单元0-5-4。

输入数据流314’并行地输入四个滤波器。即，在把第四局部滤波器缩减为延迟单元0-5-4后，经过延迟单元0-5-4以及三个滤波器0-5-1、0-5-2、0-5-3的滤波，四个并行数据流net31、net28、net29、net38在表示并行/串行转换器的块0-5-5中被转换为具有数据速率B block 4的串行数据流。通过输入处的这个并行化，实现了输入314’与输出314之间的端口速率改变4倍。

图3b示出了图3a所示滤波器的滤波器系数。根据这些系数而产生局部滤波器。由于第二局部滤波器具有奇数长度的轴对称结构，所以这个滤波器可以被缩减，即至少对乘法个数减半。

由于局部滤波器4仅在第6位是1，所以这个块可以被延迟＝5的延迟元件0-5-4所替换。这导致输入被移位了5个基本单位。

可以使用局部相关来执行图1所示接收序列112和发射序列113的相关。这在接收序列与发射序列之间出现频率偏移、并由此而可能导致相关值被取消时尤其明智。

为了以高度精确的方式来确定在确定到达时间时所依据的点的位置，图1所示的处理装置104可以额外地包括用于在图2所示相关序列114的样本间执行内插的装置。例如，所述内插可以是线性内插。可以针对完整的相关序列而执行内插。在图2所示的实施例中，即根据反向点来确定到达时间，可能仅在反向点周围的时间点之间执行内插。根据对反向点位置的非常细分的估计，最终可以高度精确地确定到达时间。

本发明的方法能够以matlab函数而实现。根据一个实施例，接收机接收到beacon beaconno。在亚采样(subsample)范围中，在相关序列中的大量相关值corrval中搜索第一峰值。相关值以复数值而不是其幅度而传输。该实施例的算法以8倍过采样而工作，并且利用迟早相关器(early-late correlator)对相关值进行求导，从而可以非常精确地确定最陡峭梯度的时间点或第一峰值的反向点。

根据这个实施例，当根据反向点不能确定到达时间时，输出第一峰值的位置。此外，可以产生sync-los-TOA数据集。确定了被规范化为反向点的数值的反向点的理想T脉冲自相关的规范化一阶导数。此外，执行相关值函数的上采样。通过在每一个值后加上七个零而产生了上采样的corrval。这意味着，每一个第八数值是相关值。在随后的低通滤波中，去除上采样信号中的所有谱图像(spectral image)。这里实现了内插滤波器，从而采样光栅中的相关值实际上仅被内插而没有被放大。这意味着，系数1恰好位于中间，而且在8个数字位的距离内只有零。根据这个实施例，仅对上采样相关值的数值感兴趣。

现在，上采样相关值的一阶导数包含具有索引为i和i+1的子样本之间的导数，即实际上为索引i+0.5处的导数。确定二阶导数，其中把哑值0放到前面，从而二阶导数的索引与子样本的索引相对应。针对TOA的确定，即到达时间的确定，确定反向点的位置。为此，对主峰值进行搜索，然而这不需要是第一路径。搜索第一峰值的近似位置，即第一次达到关于极大值的预定阈值t_peakthresh的位置。根据这个实施例，第一路径不会比主路径低多于10*log10(t_peakthresh)dB。

在可用情况下，如果找到自相关的左侧纹波而不是主纹波，那么第一路径甚至可以不比主路径小太多。如果需要精确地查找主纹波，那么通过观察自相关，可以看出第一侧纹波比极大值小多少倍，从而1在安全侧且不会进入具有因数t_peakthresh的侧纹波(side ripple)。

相关值函数具有每个峰值之前的反向点，即具有最大一阶导数的点。在下文中，搜索左反向点左边相邻的索引，即具有正的二阶导数的最后元素。在确定了反向点左边最靠近的点的索引后，通过线性内插而计算反向点的精确位置。在确定到达时间时，减去滤波器的组运行时间(group run time)。如果没有找到反向点，那么尽管实际上不能确定到达时间，可以采用第一峰值的位置，从而该窗口对于接下来的脉冲在右向连续。

此外，确定具有来自理想曲线的导数的形式的品质测定。来自理想曲线的导数对于具有噪声的单向接收也是适合的品质测定，但当后续路径不比第一路径弱很多时主要用于多径接收。为此，确定反向点左边和右边的上采样相关值的索引。在反向点处，精确地确定相关值的线性内插。此外，确定反向点左边和右边的导数点的索引。这里考虑一阶导数的索引关于相关值的索引移动了0.5。在对反向点进行精确的导数线性内插后，确定了反向点的规范化导数。现在，品质测定是反向点的实际规范化梯度与理想规范化梯度的对数比。如果没有找到反向点，则上采样失去意义。因此，产生了极差的品质值。在所述实施方式中，使用可表示的最小值。

图4示出了具有根据本发明实施例用于确定接收机中接收序列的到达时间的设备的接收机的框图。所述设备包括相关装置102、处理装置104和上采样装置301。混频器430把在采样块B_block中转换至复基带的接收信号412传递给滤波器431。滤波器431连接到混频器430的下游。由包括图1所示接收序列112的滤波器431产生的接收信号在相关块102中与已知的信号序列进行相关。相关块102被实现用于连续地提供相关值，随后根据这些相关值来确定接收序列的到达时间。然后，可以在后面的上采样块301中对相关值进行上采样。在后面的处理装置104中，确定上采样相关序列的反向点，并以触发信号116的形式输出到达时间。

尽管上面的实施例涉及数字通信系统，然而本发明的方法还可以用于确定装置中任意数据序列的到达时间。根据接收序列，通过互相关、自相关、或其他类型的相关，可以确定相关序列，然后根据这个相关序列来确定到达时间。

取决于多个条件，本发明用于确定到达时间的方法能够以硬件或软件来实现。可以在数字存储介质上实施本发明，特别是在软盘或具有可以和可编程计算机系统一同工作的电可读控制信号的DC上实施本发明，以执行相应的方法。通常，本发明还包括一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，在机器可读载体上存储的程序代码用于执行本发明的方法。换句话说，本发明还可以以具有程序代码的计算机程序而实现，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行本发明的方法。

Claims (14)

1.一种用于确定接收机中接收序列的到达时间的设备，包括：

相关装置(102)，被实现用于根据接收序列(112)与发射序列(113)的相关而确定相关序列(114)，其中所述相关序列包括具有主极大值(222)的峰状；以及

处理装置(104)，被实现用于确定相关序列中位于靠近主极大值的区间内的某个点(226)，并且用于根据所述点而确定到达时间。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述区间的一侧由主极大值(222)来限制，而且主极大值不是确定所述点时所依据的区间的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述点(226)是反向点，即相关序列(114)中的极值或具有最大梯度的点。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的设备，其中，所述处理装置(104)被实现用于确定相关序列(114)的导数，而且所述点(226)是极值或过零导数。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的设备，其中，所述设备包括被实现用于确定主极大值(222)的检测装置。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的设备，其中，所述设备被实现用于根据主极大值的确定结果而确定所述点。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的设备，其中，所述设备被实现用于连续地确定选择点，并响应主极大值的确定而把选择点确定为位于所述区间内的点(226)。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的设备，其中，处理装置(104)包括内插装置，所述内插装置被实现用于对相关序列(114)进行内插并提供内插后的相关序列，而且所述处理装置被实现用于根据内插后的相关序列而确定所述点(226)。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的设备，其中，所述设备被实现用于：响应所述点(226)的确定，提供具有与到达时间有关的信息的触发信号(116)。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的设备，其中，所述设备被实现用于：当在所述区间中不能确定点(226)时，根据主极大值(222)来确定到达时间。

11.根据权利要求1至10中的一项所述的设备，其中，所述相关序列包括至少一个局部次极大值(124)；以及

其中所述区间的一侧由局部次极大值来限制，另一侧由山峰形状来限制。

12.根据权利要求1至11中的一项所述的设备，其中，所述点位于主极大值之前。

13.一种用于确定接收机中接收序列的到达时间的方法，包括：

根据接收序列(112)与发射序列(113)的相关而确定相关序列(114)，其中所述相关序列包括具有主极大值(222)的峰状；以及

确定相关序列中位于靠近主极大值的区间内的某个点(226)，并且根据所述点而确定到达时间。

14.一种具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行根据权利要求13所述的方法。

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