专利名称：正交调幅扩频方法
技术领域：
本发明通常涉及蜂窝通信，特别是涉及一种在码分多址接入(CDMA)通信系统的前向信道的发送部分中对数据进行正交调幅扩频(quadraturespreading)的技术。
背景技术：
在由美国通信工业协会制定的IS-95(Interim-Standard ninety-five)和CDMA RC1中规定了CDMA系统和协议。
移动台和基站之间的链路由2种信道，即前向信道(从基站到移动台)和反向信道(从移动台到基站)构成。
前向信道包括4种不同类型的码道(code channel)导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道。
典型的前向CDMA信道由64个码道构成。这64个码道通常包括1个导频信道、1个同步信道、7个寻呼信道和55个前向业务信道。
导频信道是未经调制的直接序列扩展频谱信号，其一直在每个激活的前向信道上发送。移动台监测导频信道以获得该前向CDMA信道的定时和获得相干解调的相位参考(phase reference)。
同步信道用来在CDMA小区内将同步消息传送给移动台。移动台用它来获得初始时间同步(initial time synchronisation)。
寻呼信道被用来发送控制信息和寻呼位于CDMA小区内的移动台。
前向业务信道被用来在电话呼叫期间发送从基站到特定移动台的用户和信令业务。
在前向CDMA信道中的所有码道都用适当的Walsh函数进行正交码扩频(orthogonally spread)，然后进行正交调幅扩频(在被正交码扩频之前，还对同步信道、寻呼信道和前向业务信道进行其它几种处理)。
使用固定码片速率为1.2288Mcps的Walsh函数对前向CDMA信道进行正交码扩频。正交码扩频的目的在于提供所有码道之间的正交信道化(orthogonal channelization)。始终用Walsh码0对导频信道进行扩频，始终用Walsh码32对同步信道进行扩频，且将Walsh码1到7分配给寻呼信道。
Walsh扩频之后，所有编码信道都进行正交调幅扩频，其包括正交码扩频数据与由短码发生器产生的伪噪声(PN)序列之间的模2相加。正交调幅扩频器的输出是以同相(I)和正交(Q)信道的形式输出的。
然后，I和Q数据流(信道)分别经过基带滤波器，其对波形进行整形以符合所需带宽的限制并最小化符号间干扰(ISI)。
然后，使用正交相移键控(QPSK)调制I和Q信道。在I信道中，上述调制是通过使用二进制数“0”和“1”的振幅对余弦函数进行振幅调制来产生BPSK(二进制相移键控)波形完成的。在Q信道中，调制正弦函数来产生正交BPSK波形。然后，对BPSK波形求和就得到了QPSK波形。
在传统系统中，所有信道都要分别进行正交调幅扩频。
据申请人所知，所有现有CDMA系统都是用硬件实现的。最近，有人建议用软件实现的无线通信系统代替现有的蜂窝通信硬件。人们将意识到软件实现将会从使用短码(short code)对信道进行扩频的有效技术中获益，且如果降低处理负载，也有益处。
发明内容
因此，本发明提供了一种在码分多址接入(CDMA)通信系统中的正交调幅扩频方法，其包括步骤提供短码的1比特；将N个数据信道中的每一个的1比特加在一起，以便获得组合信道值(Xin)；和执行扩频操作 以获得扩频信道值。
因此，在执行扩频操作之前，就组合了信道。
最好，每个组合信道值用K比特表示，并且，将S组合信道值组合在一起，以便形成具有M比特的组合信道数据，并且所述方法包括对所述组合信道数据执行所述扩频操作，以便获得包括S个扩频信道值的扩频信道数据。
最好，通过下述步骤执行所述扩频操作提供短码的S比特；将每个短码比特扩展成具有K个相同比特，并组合短码的S个扩展比特，以便形成具有M比特的短码数据；提供具有M比特的常数数据，其中，表示信道数N的二进制序列被重复了S次；通过将所述组合信道数据与所述短码数据的逆进行逻辑与，来执行所述组合信道数据的第一操作(manipulation)，从而获得第一操作组合信道数据。
通过(a)从所述常数数据中减去所述组合信道数据，来获得中间数据，和(b)将所述中间数据与所述短码数据进行逻辑与，来执行所述组合信道数据的第二操作，从而获得第二操作组合信道数据；和将所述第一和第二操作组合信道数据进行逻辑或，来获得所述扩频信道数据。
最好，K是表示最大可能组合信道值所需的最少比特数，该最大可能的组合信道值也可被均分成M份。
最好，M是用于执行该方法的处理器的本机数(native number)个比特。
因此，如果32位处理器被用来执行该方法且该组合信道数据具有32比特，并且有4-15个信道，4个比特将被用来表示每个组合信道值，且在该组合信道数据中将有8个组合信道值。如果有16-255个信道，每8个比特被用来表示每个组合信道值，且在组合信道数据中将有4个组合信道值。应该理解可以用比所需的比特数多的比特数来表示每个组合信道值，例如，用8比特来表示0-15个信道，但是，这将会降低计算效率。
本发明还提供了一种处理器，其可被编程来实现上述方法。
最好，该处理器是数字信号处理器(DSP)。
该DSP最好是32位DSP。
现在，结合附图来描述本发明的优选实施例的一个示例，其中图1A、1B和1C说明了前向CDMA信道结构；图2是示出了使用优选实施例的技术对4信道进行正交调幅扩频的示意图；
图3是示出了该优选实施例的方法的流程图；和图4是示出了图3的方法的替换方法的流程图。
具体实施例方式
在CDMA系统中，移动台和基站之间的链路由2种信道，即前向信道(从基站到移动台)和反向信道(从移动台到基站)构成。
该优选实施例涉及前向信道的发送部分。现在给出对前向CDMA信道的描述。
图1A、1B和1C说明了现有技术的前向CDMA信道结构。优选实施例涉及该前向信道结构的修改，并且特别涉及一种允许用软件有效执行正交调幅扩频的方法。
如图所示，前向信道由4种不同类型的码道构成导频信道20a、同步信道20b、寻呼信道20c和前向业务信道20d。
典型的前向CDMA信道包括64个可用的码道。64个码道通常由1个导频信道、1个同步信道、7个寻呼信道和55个前向业务信道导频信道20a是未经调制的直接序列扩展频谱的信号，其由基站一直在每个激活的前向信道上发送。移动台监测导频信道，以便获得该前向CDMA信道的定时和获得用于相干解调的相位参考。
同步信道20b被用来在CDMA小区内，将同步消息传送给移动台。移动台用它来获得初始时间同步。
寻呼信道20c被用来发送控制信息和寻呼位于CDMA小区内的移动台。
前向业务信道20d被用来在电话呼叫期间发送从基站到特定移动台的用户和信令业务。
参照图1A和1B，前向CDMA信道中的所有码道20a到20d在进行正交调幅扩频之前，都用适当的Walsh函数36进行了正交码扩频。但是，如本领域专业技术人员所知，还要对同步信道、寻呼信道和前向业务信道进行下面将要描述的其它几种处理。
所有同步、寻呼和业务信道都要使用卷积编码器101、201、303进行卷积编码。该处理保护了系统不受在CDMA中使用高数据率时可能出现的误码的影响。在卷积编码过程中，信道数据流被分成了长度为k的较小块，然后被编码成长度为n的码字符号(code word symbol)。执行(n，k，m)卷积编码，其中，k是输入，n是输出，而m是存储器级数(memory order)。用编码率(code rate)R＝k/n来定义编码器的速率。所有同步、寻呼和业务信道都使用编码率R＝1/2的编码器。
除了导频信道之外的所有信道都使用符号重复(symbol repetition)102、202、304。该处理的功能是将数据率提高到块交织器103、203、305所使用的水平，其是19200sps(symbols per second，码元/秒)或19.2ksps。例如，卷积编码后，同步信道上的数据率是2.4ksps。通过将每个卷积编码码元重复7次，将该值提高了8倍，达到了19.2ksps。然而，9.6ksps的数据流仅需要重复一次，就可以产生19.2ksps的数据流。
执行块交织103、203、305以便重排码元序列，并且执行块交织，以便获得时间分集(time diversity)和提高性能。
在寻呼和业务信道中，由长码发生器204、307来执行长码(long code)的生成。长码发生器产生长码，其是42比特的伪噪声(PN)序列，其被用来对前向CDMA信道进行扰码，并会产生有限的保密性。
长码发生器产生不同长码的242-1种组合，并且每个长码在前向业务信道和反向业务信道上唯一地标识一个移动台。长码由长码掩码(long code mask)来表征，长码掩码用来形成公用长码(public long code)或专用长码(privatelong code)。
长码发生器的输出经抽取器(decimator)205、308馈送。抽取器通过每64比特取出1比特来降低长码的长度大小(size)。这就带来了这样的结果数据率从1228800cps(码片/秒)或1.2288Mcps降低到19.2ksps。
如上所述，在对相关信道执行了上述处理之后，使用固定码片速率为1.2288Mcps的walsh函数来对前向CDMA信道上的所有码道进行正交码扩频。这就提供了所有码道之间的正交信道化。始终用Walsh码0对导频信道进行扩频，始终用Walsh码32对同步信道进行扩频，且给寻呼信道分配了码道1到7。
如图1C所示，在现有技术中，在Walsh扩频之后，所有码道都要进行正交调幅扩频，其包括执行每个码道的正交扩频数据和由短码发生器产生的PN序列的模2加。正交调幅扩频器的输出是以同相(I)和正交(Q)信道401、402的形式输出的。
然后，每个I和Q数据流(信道)经过基带滤波器403，其对波形进行整形以符合所需带宽的限制且最小化符号间干扰(ISI)。
在所要求的滤波之后，使用正交相移键控(QPSK)调制I和Q信道。在I信道中，上述调制是通过使用二进制数“0”和“1”的振幅来对余弦函数进行振幅调制来产生BPSK(二进制相移键控)波形完成的。在Q信道中，调制正弦函数来产生正交BPSK波形。BPSK波形之和就得到了在前向信道上发送的QPSK波形。
优选实施例不同于现有技术之处在于在执行正交调幅扩频之前，就组合了N个数据信道。
将参照示例来解释本优选实施例，在该示例中，组合了4个信道(即，N＝4)。但是，本技术可以应用于更多个信道，例如，每个小区64个信道的IS-95规范。如果信道控制信号24被设为0，就断开每个信道20。如果信道控制信号24被设为1，就打开信道20。
参照图2来说明该优选实施例，在图2中示出了导频信道20a、同步信道20b、寻呼信道20c和业务信道20d。
在本优选实施例中，对信道20a到20d的比特求和以提供在0到4(用二进制数表示)范围内的二进制组合信道值(binary combined channelvalue)。然后，I和Q短码发生器28和30对这些组合值进行正交调幅扩频。
如图2所示的I和Q码发生器28和30提供用于正交调幅扩频的短码值。IS-95的短码发生器基于多项式对于I信道，PI(X)＝X15+X13+X9+X8+X7+X5+1，而对于Q信道，Pq(X)＝X15+X12+X11+X10+X6+X5+X4+X3+1。为了产生该短码，I和Q码发生器均采用15比特移位寄存器。可以将其用软件实现成为16比特或32比特的实体(entity)。由于IS-95要求短码的长度为215，所以计数器被用来在每14个连续的0之后插入一个0。
为了对该信号进行正交调幅扩频，组合信道值的每个码元与来自短码发生器的一个比特进行异或(XOR)。使用各自的短PN码(short PN code)，对I和Q分量中的每一个的组合信道值进行单独的XOR操作。在这方面，特定XOR操作执行如下Xout＝XinPN即 其中，N＝信道个数(等式1)。
在本优选实施例中，使用数字信号处理器(DSP)形式的处理器来实现本发明的方法。在本优选实施例中，使用了32位DSP体系结构，但是，本领域专业技术人员应该明白可以将能够处理不同比特长度的DSP用作适当的处理器，并且本发明的技术适用于所使用的处理器的本机数个比特(nativenumber of bits)。
应该明白在图2的点26处组合信道时，需要使用足够多的比特来表示该组合信道值，以便可以表示最大可能的组合信道值。例如，对于可以产生最大二进制值100的4个信道，要求3比特。但是，假设32比特的DSP体系结构适于32比特数据的处理，为了获得计算效率，希望能将多个组合信道值打包成单个32比特数据实体，并同时对所有组合信道值进行扩频操作。为了这样做，希望用多个比特来表示每个组合信道值，上述多个比特等分成被用来存储同时被处理的组合信道值的数据实体的比特数份。因此，对于32比特DSP，每个为4比特的8个组合信道值被组合形成32比特组合信道数据。作为一般规则，其中，组合N个数据信道和使用M比特的处理器，使用K比特来表示每个组合信道值，其中K是表示二进制的N所需要的最少比特数，该二进制的N也可被等分成M份。因此，S*K比特的组合信道值将被打包成每个M比特的组合信道值。
将若干数据段打包成32比特值可能会带来不可预期的计算复杂性，即，可能需要提取与每个组合信道值相对应的K比特组，对每个组合信道值执行XOR操作，然后，对其它7个组合信道值重复这些步骤。这个过程是具有多个条件操作的高强度计算，并且不适于数字信号处理器实现。
上述特定XOR操作，以及短码的特定处理，允许在同一时间对所有32比特进行操作。
在4信道的例子中，Xin的所有值都在0-4的范围内，因此，Xout的所有值也都在0-4的范围内。然后，由于每个组合信道值都将与相同的短码值进行逻辑XOR，所以将短码扩展成具有与用来表示每个组合信道值的比特数相同的比特数。这样，在4信道例子中，短码的8比特被扩展成占用32比特。如图3所示，在步骤50获得存储短码的移位寄存器的初始值。然后，在步骤52将寄存器移位8次以便产生短码的8比特，其通过将每个比特扩展成占用4个比特，而被扩展成32比特。例如，8比特短码10010101被扩展成32比特值1111 0000 0000 1111 0000 1111 0000 1111。
为了执行等式1，对于短码值0和1，需要分别操作信道值，并组合结果以便产生适当的输出。对于该点，对组合信道值执行了两次操作，然后，在步骤68使用逻辑或操作，组合第一和第二操作组合信道数据，以便在步骤70产生以32比特信道数据形式的输出数据。
在步骤56，通过对短码数据取反来执行第一操作，并且在步骤60，将短码数据的逆与在步骤58产生的组合信道数据进行逻辑与。这产生了第一操作组合信道数据。
在步骤64中，通过从在步骤62提供的常数中减去在步骤58中获得的组合信道数据来执行第二操作，以便获得中间数据。对于4信道的情况，该常数由二进制序列0100(即，二进制的4)的8次重复构成。然后，在步骤66，中间数据与短码数据进行逻辑与，以便产生第二操作组合信道数据。
还参照了下列示例描述了本方法。但是，应该明白对I和Q信道中的每一个分别进行正交调幅扩频。
例1假定4信道中的每一个的8比特被组合成组合信道数据0001 0011 0000 0011 0010 0000 0010 0011假定短码的8比特被扩展成短码数据1111 0000 0000 1111 0000 1111 0000 1111短码数据的逆为0000 1111 1111 0000 1111 0000 1111 0000步骤1将组合信道数据与短码的逆的与将产生第一操作信道数据0000 0011 0000 0000 0010 0000 0010 0000保存该结果。
步骤2创建二进制常数0x444444440100 0100 0100 0100 0100 0100 0100 0100从该常数中减去组合信道数据就得到了中间数据0011 0001 0100 0001 0010 0100 0010 0001
步骤3步骤2的结果与短码数据的与就产生了第二操作数据0011 0000 0000 0001 0000 0100 0000 0001注意与短码0相对应的每个比特现在也是0。
步骤4将在步骤3得到的第二操作信道数据与在步骤1得到的第一操作信道数据组合。
(或操作)0011 0011 0000 0001 0010 0100 0010 0001本领域专业技术人员应该明白如果有多于15个且IS-95所要求的达到60个信道，就必须用8比特来表示组合信道值。在对其执行了上述操作的每片组合信道数据中有4个数据段。而且，需要将短码的4比特扩展成占用32比特。
图4示出了用于执行说明图3的方法的替换技术。
在如图4所示的实施例中，在步骤60中，通过短码数据，而不是短码数据的逆，与组合信道数据的逻辑与，来进行第一操作。这个改变的结果是，使用短码数据的逆来执行第二操作，并且在步骤68之后，必须做校正，以便在步骤70获得校正的输出扩频信道数据。在步骤69中，通过从步骤62提供的M比特常数中减去步骤68的结果，来实现上述方法。
应该明白熟练的程序员可以生成适当的计算机代码，来实现本发明的方法。在其范围中，本发明包括诸如程序和象DSP这样的处理器，因此可以编程。
本领域的专业技术人员明白在本发明的保护范围之内，可以对前述系统做各种修改。
权利要求
1.一种码分多址接入通信系统中的正交调幅扩频方法，包括步骤提供短码的1比特；将N个数据信道的每一个的1比特加在一起，以便获得组合信道值Xin；和执行扩频操作 以获得扩频信道值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，每个组合信道值用K比特表示，且S个组合信道值被组合在一起，以便形成具有M比特的组合信道数据，并且，所述方法包括对所述组合信道数据执行所述扩频操作，以获得包括S个扩频信道值的扩频信道数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过下述步骤执行所述扩频操作提供短码的S比特；将每个短码比特扩展成具有K个相同比特，并组合短码的S个扩展比特，以便形成具有M比特的短码数据；提供具有M比特的常数数据，其中，表示信道数N的二进制序列被重复了S次；通过将所述组合信道数据与所述短码数据的逆进行逻辑与，来执行所述组合信道数据的第一操作，从而获得第一操作组合信道数据；通过(a)从所述常数数据中减去所述组合信道数据，来获得中间数据，和(b)将所述中间数据与所述短码数据进行逻辑与，从而获得第二操作组合信道数据，来执行所述组合信道数据的第二操作；将所述第一和第二操作组合信道数据进行逻辑或，来获得所述扩频信道数据。
4.如权利要求2所述的方法，其中通过下述步骤执行所述扩频操作提供短码的S比特；将每个短码比特扩展成具有K个相同比特，并组合短码的S个扩展比特，以便形成具有M比特的短码数据；提供具有M比特的常数数据，其中，表示信道数N的二进制序列被重复了S次；通过将所述组合信道数据与所述短码数据进行逻辑与，来执行所述组合信道数据的第一操作，从而获得第一操作组合信道数据；通过(a)从所述常数数据中减去所述组合信道数据，来获得第一中间数据，和(b)将所述中间数据与所述短码数据的逆进行逻辑与，来执行所述组合信道数据的第二操作，从而获得第二操作组合信道数据；将所述第一和第二操作组合信道数据进行逻辑或，并从所述常数数据中减去所述第一和第二操作组合信道数据的逻辑或值，来获得所述扩频信道数据。
5.如权利要求2到4中的任一个所述的方法，其中，K是表示最大可能的组合信道值所需要的最少比特数，该最大可能的组合信道值也可以被均分成M份。
6.如权利要求1到5中的任一个所述的方法，其中，N是4。
7.如权利要求2到6中的任一个所述的方法，其中，M是用来执行本方法的处理器的本机数个比特。
8.如权利要求7所述的方法，其中，M是32。
9.一种处理器，其可被编程执行权利要求1到8中的任一个所述的方法。
10.一种程序，在其被处理器执行时，能使所述处理器实现权利要求1到8中的任一个所述的方法。
全文摘要
本发明提供了一种适于在码分多址接入(CDMA)通信系统的软件实现中使用的正交扩频方法。该方法包括提供短码的1比特；将N个数据信道的每一个的1比特加在一起，以便获得组合信道值(X
文档编号H04B1/707GK1488199SQ01822406
公开日2004年4月7日 申请日期2001年10月29日 优先权日2000年12月13日
发明者鲁道夫·拉迪赞斯基, 鲁道夫 拉迪赞斯基 申请人:先进通讯科技(澳大利亚)有限公司