用于扩展频谱码分多址通信的正交码同步系统和方法

专利名称：用于扩展频谱码分多址通信的正交码同步系统和方法
技术领域：
本发明涉及扩展频谱通信，特别是涉及利用正交码和移动终端与基站之间距离的信息调节和对准信息信道的相位以便在基站取得正交性的系统和方法。
背景技术：
参考图1，扩展频谱调制器51利用消息码片码(message-chip-code)信号g1(t)处理消息数据d(t)，以产生扩展频谱数据信号。发射机52利用在载频f0的载波信号处理扩展频谱数据信号，并通过通信信道53发射。
在接收机，扩展频谱解调器54去扩展接收的扩展频谱信号，并且通过同步数据解调器60把消息数据恢复为接收数据。同步数据解调器60利用一个参考信号同步解调去扩展的扩展频谱信号。用平方律器件55，带通滤波器56和分频器57从接收的调制数据信号产生参考信号是已知的现有技术。科斯塔斯锁相环或其它参考信号发生电路适用于此目的。
在一个衰落信道中，例如电离层或任何包含多径的信道中，或更一般的任何其中接收的信号幅度随时间波动的信道中，因为输入信号的相位一般与参考信号的相位并不相同，所以同步解调不能实行。在这种情况下，使用差分相移键控(DPSK)。利用DPSK把接收信号延迟一个码元，并乘以基础信号。如果所得的相位小于±90°，则宣告为一个0-位，否则宣告为一个1-位。这样一种系统是复杂的，并且在10-2差错率有大约6dB的退化。
现有技术没有提供利用扩展频谱调制与基站同步通信并且结合使用到移动终端的距离在基站获得正交性的系统和方法。

发明内容
本发明的一般目的是一种可以用作个人通信服务的地理定位系统和方法。
本发明的一个目的是一种用于同步传送嵌在CDMA信号中的调制数据信号，和地理定位远端单元，并且无论信号是否衰落都能良好执行的系统和方法。
本发明的另一个目的是一种使用一分离的扩展频谱信道作为数据链路的导频信号，以地理定位远端单元和解调嵌在CDMA信号中的调制数据信号的地理定位系统和方法。
本发明的一个附加目的是同步扩展频谱通信和地理定位系统。
本发明的再一个目的是利用正交码和到移动终端的已知距离以在基站获得移动终端用户数据信号的正交性的扩展频谱系统和方法。
本发明还有一个目的是一种在一双工无线信道的反向链路上利用正交码系统和方法。
当前蜂窝CDMA系统不在反向链路上使用正交码。实际上IS-95系统在反向链路上使用非相干检测。这是由于当扩展码从多个移动用户到达基站时难于使它们相互同步。为了使代码正交，不同的代码必须在基本上相同的时间开始，并且结束于恰当的时间。因此，由于移动用户站离开基站不同的距离，并且可能在运动，因而既使所有信号在它们离开移动站时被同步，当这些信号到达基站时不同的路径长度也将使它们不同步。
如果在适当的时间进行抽样或如果预定的波形在时间上适当地对准，在检测处理中至少有三种不同的信号可以增益。这两个概念，即，在适当的时间进行抽样或将已知的波形对准，一般被称为同步化。在载波同步的情况下，必须跟踪正确的载波相位。这意味着也遵循正确的频率，因而，已知波形被相位对准。在PN码同步情况下，必须参照接收的PN码滑移本地产生的PN码的相位，直到两个信号具有准确的相位对准；通过使本地产生的PN码的码片时钟锁定于接收的PN码的时钟来维持这种对准。这也是对已知波形的相位对准。
在信息信号的情况下，必然涉及有某种程度的不确定性，或可能没有发射的信息。因此，如果信息是以逐位基础发射的，决策是在信息的每一位期间作出的。如果使一个噪声平均值滤波器或积分器与预定的比特率匹配，而不是与预定波形的预定相位匹配，并且如果在比特周期的末尾进行抽样而使积分处理到达最大值，那么可以测量出接收信号的相位或幅度，以确定信息的内容。例如，一个在fc的预定波形的载波正弦波，在预定的相位持续数百个周期。然后信息信号可能使相位变动到另一个预定的并且是可接受的相位角。这种相位上的改变可以代表一个包含着信息比特的码。现有技术包括了许多用于既使在接收的载波由于信息而偶尔改变其相位时也能维持同步的本地载波的技术。
在CDMA系统中，有一种比从信息信道导出干净的本地载波更好的方式在接收机导出干净的本地载波。在CDMA系统中，可以发送相同的、但是具有叠加在其上的不同的PN码的RF载波。这种信号其上没有未知的信息；它是链路两端都知道的完全预定的信号。由于这种信号具有与用户信息信道码不同的码，因而完全可以从用户信息信道中分辨出它。因此，两个信号可以在同一时间占据相同的频谱，并且仅造成相互之间的很小的干扰。这种信号称为导频信道，并且可以在接收机用一个能够使它成为十分稳定的参考信号的窄带滤波器对其进行滤波。然后把用户信息信道相位与这个干净的参考比较，以确定进行什么改变来反映用户信息信道上的信息。在前向链路上，把相同的导频信道用作许多移动用户站的参考。结果，可以使导频信道的功率比一个单独的用户信息信道的功率大几倍，而对基站发射的总功率仍旧只有小的影响。这种功率因素，加上所有信号都有相同起始点和相同的定时源的事实，使得易于在这种前向传输链路上使用正交码。所有的移动用户接收相同的复合CDMA前向传输信号，和使用相同的导频信道，以从复合CDMA信号中提取它们的分配的用户信息信道。
导出和检测正交码的复杂性导致实际正交码相对的短，即，对于IS-95系统是64码片，一些其它建议为128码片。这些短码限制了可用检波前处理增益。由于这些码是连续重复的，所得的频谱结构是由少数具有大的行间距的行构成的；这不是希望得到的强类噪声码。因此，如同在IS-95的情况下，把一个更长、更强的类噪声码叠加在正交码之上。如果导频信道码也是正交码之一，那么它不会把噪声提供到信息信道中。在IS-95的情况中，导频是沃尔什(Walsh)码0，这意味着它只是叠加的类噪声码，因为沃尔什0码全是零。为了达到充分删除伴随的正交码，必须将码与所有恰在同时发生的零点交叉完全对准。任何的误对准都会产生将对希望的信号造成干扰的不匹配的低频干扰。在前向链路上，把多个发射到所有移动站的信号相加在一起，形成一个复合CDMA信号。结果，信号相互间完全对准，并且由于所有的信号通过相同的路径，因而它们将保持对准。因此，正交码是可实际应用的，并且可以直接实现。唯一的缺点是受限的处理增益，和有限的可用码数量。
由于不同的码是从不同移动站始发的，而这些移动站作为与所有信号必须完全对准地到达的基站的距离的函数而随机分布，所以在反向链路上应用正交码更为困难。这表明，为了使所有信号同步地到达基站，每个移动站必须在不同的时间开始它的参考点，以补偿路径长度上的变化。一直认为这太困难，而不能在当前系统中实际应用。第5,404,376号美国专利提出了这样的建议，使基站建立和播送移动站接收的C/I与根据测量数据不断更新的距离之间的关系。根据这种关系，移动站估算将使PN码与其它移动站的发送几乎同步到达基站的PN码相位。这种方法存在着许多问题。特别是，难于保持C/I与离开基站距离之间的一致的关系。既使在最好的情况下，这种关系将取决于传播路径的方向。第5,404,376号美国专利提出了一些复杂的技术，通过这些技术加入校正因数以适应方向或移动站所在的扇区。最好的结果也只是一种估算，并且仍然有大量的必须寻求的不确定性。本发明通过用一种唯一的、简单且直接的方式确定移动站与基站的距离而克服了这些困难。
根据本发明，在这里作为具体和广泛的说明，提供了一种用于通过双工无线信道通信的扩展频谱码分多址(CDMA)通信系统和方法，其包括至少一个基站和多个移动终端。在基站和移动终端之间传递消息数据。消息数据包括，但不限于，数字话音，计算机数据，传真数据，视频数据，等等。基站通过前向信道向多个移动终端传送基站消息数据。移动终端通过反向链路向基站传送远端消息数据。在这里定义基站消息数据为从基站始发的消息数据，远端消息数据在这里定义为从移动终端始发的消息数据。
用伪噪声码扩展频谱处理远端消息数据以产生扩展频谱处理的远端消息数据。扩展频谱处理的远端消息数据与一个远端导频信号组合以产生远端CDMA信号。远端CDMA信号包含远端导频信号和数据信号。
远端CDMA信号在双工无线信道的反向信道上从移动终端发射到基站。基站接收远端CDMA信号，并把该远端CDMA信号分离为导频信道和数据信道。基站产生一个基站导频信号和一个基站导频参考信号。分离并延迟基站导频参考信号，以产生一个基站导频参考信号的准时信号，一个基站导频参考信号的超前信号，和一个基站导频参考信号的滞后信号。利用基站导频参考信号的准时信号，超前信号和滞后信号分别相关出远端导频信号的准时、超前和滞后信号。基站还产生基站数据参考信号，并利用基站数据参考信号相关出数据信号。
跟踪远端导频信号的相位，并且响应远端导频信号中的峰值，输出一个表明远端导频信号与基站导频参考信号同步的捕获信号。响应捕获信号，测量基站导频信号与基站导频参考信号之间的代码相位差，以确定移动终端和基站之间的距离。在前向信道上把距离发送到移动终端，移动终端响应该距离调节伪噪声码的相位，以调节数据信号到达基站的时间，和获得与其它到达基站的移动终端数据信号的正交性。
基站可以用四种控制模式中的一种在双工信道的反向链路上接收来自移动终端的数据。在第一种模式中，移动终端在反向链路上发送与基站导频不同步的独立的用户导频，并且把用户数据信道同步于这个独立的用户导频。在第二种模式中，移动终端使它的用户导频从属于它从基站接收的导频，并且把用户数据信道与这个从属用户导频同步。为了地理定位和迅速重新捕获的目的，第二种模式允许用户终端接收往返行程时延信息。在第三种模式中，如同模式二的情况，移动终端使它的导频从属于输入的基站导频，但是用户数据信道利用从基站接收的测距信息以正交模式操作。校准用户导频信道和用户数据信道之间的相位关系。用户导频载波也是用户数据信道的载波，并且可以用作检测用户数据信道的载波参考。在第四种模式中，使用模式三的从属导频的方式捕获，但是，在捕获之后，移动用户导频码的相位，以便与用户数据信道同步，因而也使它成为一个正交信道。在这种模式中，在蜂窝内导频不再对用户数据信道造成干扰，并且可以用更高的功率电平发射。
以下的说明中部分指出了本发明的附加目的和优点，并且可以部分地从说明中了解，或可以通过实践本发明而了解。


与说明书结合并构成其一部分的附图示出了本发明的优选实施例，并且与说明书一同用来解释本发明的原理。
图1是用于同步恢复消息数据的现有技术方案；图2示出了一个根据本发明的具有一个位同步器、同步于一个通用码片码发生器的同步扩展频谱系统；图3A示出了用于多个消息数据的同步扩展频谱发射机系统；图3B示出了一个利用一同步检波器接收多个扩展频谱处理的信号的扩展频谱接收机；图3C示出了一个利用一非同步检波器接收多个扩展频谱处理的信号的扩展频谱接收机；图4示出了一种同步扩展频谱解调方法；图5是一个用于与远端单元同步通信并地理定位该远端单元的基站的方框图；图6是一个用于与基站通信和地理定位的远端单元的方框图；图7是根据本发明的正交码同步系统和方法的移动终端的方框图；和图8是正交码同步系统和方法的基站的方框图。
具体实施例方式
现在详细说明本发明的优选实施例，实例显示在附图中，其中在数个示图中相同的参考号表示相同的元件。
本发明的扩展频谱通信和正交码同步系统和方法是具有07/626,109的序列号和1990年12月14日申请日，现在公开的美国专利号5,228,056，由DonaldL.Schilling申请的题目为“同步扩展频谱通信系统和方法”的美国专利申请所披露的发明的继续。为了完整地公开，下面的讨论包括出现在原始专利申请中的公开部分，并且随后进入根据本发明的正交码同步化的讨论。
本发明的扩展频谱信号被设计成对于其它用户是“透明的”，也就是说，扩展频谱信号被设计为对于其它现存用户的通信只有可忽略的干扰。扩展频谱信号的存在很难确定。这种特性被称为低截获可能性(LPI)和低检测可能性(LPD)。扩展频谱的LPI和LPD特性允许在一扩展频谱CDMA通信系统的用户之间的传输，而移动蜂窝系统的现存用户不会感受到显著的干扰。本发明在移动蜂窝系统中或固定服务微波系统中关于预定信道利用了LPI和LPD。通过使每个扩展频谱信号的功率电平低于预定的电平，那么来自一蜂窝内的使用的所有扩展频谱的总功率不会干扰移动蜂窝系统中的移动用户，或固定服务微波系统中的微波用户。
扩展频谱也是抗“阻塞”或干扰的。扩展频谱接收机扩展干扰信号的频谱。这减小了来自干扰信号的干扰，因而使得它不会显著地降低扩展频谱系统的性能。这种干扰减小的特性使得扩展频谱对于商业通信是有用的，即，可以把扩展频谱波形叠加在现存窄带信号之上。
本发明使用了利用调相技术的直接序列扩展频谱。直接序列扩展频谱取得要发射的功率，并把它扩展到很宽的带宽上，因而使得每单位带宽的功率(瓦/赫兹)最小。当完成了这种处理时，被移动蜂窝用户或微波用户接收的具有相对窄的带宽的发射扩展频谱功率仅是实际发射功率的一小部分。
在固定服务微波系统中，例如，如果把一个具有10毫瓦的扩展频谱信号在10MHz的固定服务微波带宽上扩展，并且微波用户使用具有仅为2MHz信道带宽的通信系统，那么在窄带通信系统中，由一个扩展频谱信号引起的有效干扰功率被减小到原来的10MHz/2MHz分之一。对于五十个扩展频谱的同时用户，由扩展频谱引起的干扰信号的功率增大五十倍。
导致干扰减小的扩展频谱的特性在于扩展频谱接收机实际上是把接收的任何干扰的能量扩展到同样宽的带宽上，在本例中是10MHz，而把希望的接收信号的带宽压缩到它的起始带宽。例如，如果希望的消息数据的起始带宽仅是30kHz，那么在基站产生的干扰信号的功率被减小到原来的10MHz/30kHz分之一。
直接序列扩展频谱通过利用一个相对于数据带宽的强宽带信号调制原始信号完成了频谱的扩展。选择这个宽带信号使其具有两个可能的幅度，+1和-1，并且这两个幅度以一种“伪随机”方式周期性地切换。因此，在每个等间距的时间间隔，作出宽带调制信号应当是+1还是-1的判定。如果用抛硬币的方式作出这种判定，那么得到的序列会是真正随机的。但是，在这样的情况下，接收机将不能先验地知道该序列，和不能适当地接收发射信号。作为替代，码片码(chip-code)发生器电子地产生一个近似随机序列，称为伪随机序列，其对于发射机和接收机都是先验知道的。
码分多址码分多址(CDMA)是一种直接序列扩展频谱系统，其中多个，至少两个，扩展频谱信号同时通信，每个都在相同的频带上操作。在CDMA系统中，给每个用户一个特殊的码片码。这个码片码标识该用户。例如，如果第一用户具有一个第一码片码g1(t)，第二用户具有一个第二码片码g2(t)，等等，那么一个希望听取第一用户的接收机在它的天线上接收所有用户发送的全部能量。但是，在去扩展第一用户的信号之后，该接收机输出第一用户的全部能量，而仅输出第二、第三、等等，用户发送的能量的一小部分。
CDMA是受干扰限制的。即，可以使用相同频谱并且仍然有可接受的性能的用户的数量是由作为一个整体的所有用户在接收机中产生的总干扰功率确定的。除非非常地注意功率控制，否则那些靠近接收机的CDMA发射机将造成压倒性的干扰。这种效应被称为“近-远”(near-far)问题。在一个移动环境中，近-远问题可能是主要的效应。可以控制每个单独的移动远端用户的功率，使得从每个移动远端用户接收的功率相同。这种技术叫作“自适应功率控制”。见1992年3月3日公开的，由DonaldL.Schilling申请的，题目为“用于扩展频谱系统和方法的自适应功率控制”的第5,093,840号美国专利，该专利结合于此作为参考。
本发明的扩展频谱通信系统是一种码分多址(CDMA)系统。扩展频谱CDMA可以显著地提高频谱的利用。利用CDMA，在一个蜂窝中的每个用户使用相同的频带。但是，每个CDMA信号具有一个使接收机能够从余留信号中区分出希望的信号的单独伪随机码。相邻蜂窝中的远端用户使用相同的频带和相同的带宽，因而相互“干扰”。在PCN基站接收的用户信号数量增多时，接收的信号可能表现出更大一些的噪声。
每个不需要的用户信号产生一定的干扰功率，该干扰功率的幅度取决于处理增益。假设远端用户均匀地分布在所有的相邻蜂窝中，与一个特定蜂窝内的远端用户相比，相邻蜂窝中的远端用户使预期的干扰能量提高了大约50％。因为干扰增大因数不严重，所以不采用频率复用。
每个扩展频谱蜂窝可以使用全部10MHz频带来发射，和全部10MHz频带来接收。因此，使用每秒五百万码片的码片率和4800bps的编码数据率导致大约每比特1000码片的处理增益。熟悉本领域的技术人员都知道，能够同时使用一个频带的CDMA远端用户的最大数量近似地等于处理增益。
正交码现在认为返回链路上的导频是可行的，因为如第5,506,864号美国专利和第5,544,156号美国专利中披露的，它减小了取得希望的Eb/No所需的C/I。这种改善来自于使用同步或相干检测的能力。如这些专利中所述，导频或通用码片码的使用改善了正交和非正交编码链路的性能。对于正交信道，由于每个移动终端需要唯一的导频和信息码，当前用户的数量减少两个。如果存在有限数量的代码，这可能具有严重的影响。第5,506,864号美国专利使用来自移动终端的导频，测量使用非正交码的基站和移动终端之间的距离。本发明把该专利扩充到包括正交码，和利用至移动终端的距离的信息调节信息信道的相位，使它与到达基站的其它移动信号对准。移动终端接收来自基站的导频或通用码片码信号，并利用基站导频信号的定时和相位来始发它发送到基站的远端导频信号。也就是说，返回的导频没有延迟地通过移动终端；返回的导频就好像是从移动终端的雷达反射。由于有许多将要返回基站的远端导频，当然它在信号强度上更强，它是一个与基站导频伪噪声码不同的但类似的伪噪声码。
基站接收来自所有当前移动终端的导频信号并在可能降低到0.1码片时测量返回伪噪声序列与向每个远端移动站的发射的伪噪声序列之间的相位差。所测量的是往返行程时延；实际的距离是以码片测量的数的一半，精确到0.1码片。这个信息被发射到移动用户，并且如果移动用户正在返回链路上以正交模式操作，移动用户利用这个信息调节远端消息上的PN码的相位，以便如基站建立的那样在预定的时间到达基站。因此，远端导频和远端用户消息信道的PN码在不同的相位，但它们都具有相同的载波信号，并且导频载波可以用来产生在用户消息信道中相干检测所用的参考。
数据抽样点通常依赖于PN序列的重复率，并且要在相位上进行调节，以便与用户消息信道上的数据定时一致。因此，可以显著地减小由正在与一个共用基站通信的用户消息信道造成的相互干扰。
来自相邻蜂窝中的移动用户的干扰不是正交的，并且表现为非正交干扰。大多数正交码CDMA系统利用扇形天线获得代码复用，和降低干扰。因此，在跨越扇区表面的蜂窝的边缘，每个蜂窝中的移动用户以最大功率发射，并且引起以最大能量的对两个蜂窝的辐射。但是，当相邻蜂窝中的移动用户向它们的基站移动时，它们减小它们的功率，以使其保持与它们在蜂窝边缘时相同。假设四分之一功率衰减曲线，它们以四分之一功率对距离比的速率降低它们的功率，并且由于它们也正在离开与之发生干扰的基站，它们减小的发射功率电平(减小为四分之一功率)行进了一段也以四分之一功率因数减小的距离。这使四分之一功率因数的效果加倍，这表明来自移动用户的相邻蜂窝的干扰比如果不使用功率控制的干扰要小得多。因此，在原始基站掺入的外部干扰，即来自正在与其它基站操作的移动用户的干扰比来自其它正在与原始基站操作的移动用户在蜂窝内造成的干扰低至少6db。因此，能够把用户的数量增加到四倍。如上所述，每个当前移动用户发射一个导频信道和一个信息或消息信道。调节信息信道，使它们在到达基站时是正交的。但是导频信道不是正交的，但是在信息信道起作用之后，导频信道功率减小了6db。因此，既使有外部干扰和导频信道，本发明的结果使容量加倍。
通过在捕获之后移动远端导频的相位使其与用户信息信道重合可以得到另一种改善。当完成这个处理时，远端导频也成为正交的，并且仅有的干扰是从相邻蜂窝中的用户辐射到原始蜂窝中的外部干扰。如上所述，这种干扰降低至少6db，导致了容量增大四倍。由于差错是在基站中产生的并且由这个差错电压控制的振荡器在移动站中，在反向链路上的代码跟踪变得更为困难。因此，必须使用前向链路把这个差错电压发射到移动站。一般来说距离改变相对较慢，并且这种移动码时钟的远端控制不成问题。当发生足以引起快速严重误对准的突然波动时，移动站把远端导频码码移回到捕获模式。一旦重新捕获和完成了把信息信道带回到适当的对准的必要调节后，移动站切换回到正交跟踪模式。因此，非正交远端导频仅在时间的一小部分上，在容量上产生的影响很小。如果代码集中有足够的正交码以实际利用这个优点，那么容量应当仍然接近于非正交码系统的四倍。
同步扩展频谱通信如图2中示出的，提供了一种在通信信道110上使用的扩展频谱码分多址(CDMA)通信系统，其包括通用装置，消息装置，扩展装置，加法器装置，发射装置，通用扩展频谱处理装置，消息扩展频谱处理装置，捕获和跟踪装置，检测装置，和同步装置。通用装置和消息装置具体体现为发射机通用码片码发生器101和发射机消息码片码发生器102。扩展装置示为“异”器件103，可以是一个“异”门。加法器装置是一个组合器105，发射装置包括一个体现为耦合于调制器107的信号源108的发射机。发射机消息码片码发生器102耦合于“异”器件103。示出的发射机通用码片码发生器101耦合于发射机消息码片码发生器102和消息数据源。“异”器件103和发射机通用码片码发生器101耦合于组合器105。调制器107耦合在组合器105和通信信道110之间。
在接收机，通用扩展频谱处理装置具体体现为接收机通用码片码发生器121，通用混频器123，和通用带通滤波器125。通用混频器123耦合在接收机通用码片码发生器121和通用带通滤波器125之间。消息扩展频谱处理装置具体体现为一个接收机消息码片码发生器122，一个消息混频器124，和一个消息带通滤波器126。消息混频器124耦合在接收机消息码片码发生器122和消息带通滤波器126之间。功率分配器115耦合在通信信道110和通用混频器123及消息混频器124之间。
捕获和跟踪装置具体体现为一个捕获和跟踪电路131。捕获和跟踪电路131耦合到通用带通滤波器125的一个输出端，并耦合到接收机通用码片码发生器121。接收机消息码片码发生器122最好是耦合到接收机通用码片码发生器121。
检测装置具体体现为一个检波器139。检波器139耦合于消息带通滤波器126和通用带通滤波器125。检波器139可以是一个非同步检波器，例如包络检波器，或平方律检波器。作为选择，检波器139可以是一个同步检波器，它利用来自通用带通滤波器125的已恢复载波信号。
同步装置包括位装置，低通滤波器128，和电子开关130。位装置具体体现为一个位同步器129。低通滤波器128和电子开关130耦合于位同步器129。如图2中所示，位同步器129最好耦合到接收机通用码片码发生器121。作为选择，可以把位同步器129耦合到检波器139的一个输出端。
发射机通用码片码发生器101产生通用码片码信号g0(t)，发射机消息码片码发生器102产生消息码片码信号g1(t)。在图2中，由通用码片码信号提供消息数据d1(t)，和消息码片码信号的同步定时，尽管也可以使用其它源，例如，用于同步化的共用时钟信号。“异”器件103通过以消息码片码信号扩展频谱处理消息数据来产生扩展频谱信号。扩展频谱处理可以通过把消息数据与消息码片码信号的模2相加完成。组合器105将通用码片码信号与扩展频谱处理的信号组合。组合的通用码片码信号和扩展频谱处理的信号可以是一个具有通用码片码信号和扩展频谱处理的信号的瞬时电压电平的多电平信号。
作为发射机部件的调制器107利用在载频f0的载波信号cosω0t调制组合的通用码片码信号和扩展频谱处理的信号。把已调制的通用码片码信号和扩展频谱处理的信号在通信信道110上作为码分多址(CDMA)信号xc(t)发射。因而，CDMA信号包括通用码片码信号和扩展频谱处理的信号，仿佛它们每一个在具有相同载频f0的单独的载波信号上被单独和同步地调制，并通过通信信道发射。
在一个接收机，通用扩展频谱处理装置从CDMA信号xc(t)恢复载波信号cosω0t，并且消息扩展频谱处理装置去扩展CDMA信号xc(t)，成为已调制数据信号d1(t)。更具体地讲，参考图2，功率分配器115分离从通信信道110接收的CDMA信号。接收机通用码片码发生器121产生一个通用码片码信号g0(t)的复制信号。通用混频器123利用通用码片码信号的复制信号去扩展来自功率分配器115的CDMA信号xc(t)，成为已恢复载波信号。具有通用码片码信号g0(t)cosω0t的CDMA信号的扩展频谱信道一般不包括数据，因而去扩展CDMA信号仅产生载波信号。通用带通滤波器125在载频，或等价地在中频过滤已恢复载波信号。与具有为已调制数据信号滤波的足够宽的带宽的消息带通滤波器126相比，通用带通滤波器125可以具有为已恢复载波信号滤波的非常窄的带宽。通用带通滤波器125的非常窄的带宽有助于从噪声中提取已恢复载波信号。
捕获和跟踪电路131从通用带通滤波器125的输出中捕获和跟踪已恢复载波信号。经过捕获和跟踪电路131使来自接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号的复制信号与已恢复载波信号同步。
接收机消息码片码发生器122产生一个消息码片码信号g1(t)的复制信号。将消息码片码信号g1(t)的复制信号与来自接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号g0(t)的复制信号同步。因此，经过同步化于接收机通用码片码发生器121的接收机消息码片码发生器122具有与经过同步化于发射机通用码片码发生器101的发射机消息码片码发生器102相同的同步。因此，具有通用码片码信号的扩展频谱通信信道提供了带有数据的扩展频谱信道的相干扩展频谱解调。
消息混频器124利用消息码片码信号的复制信号为来自功率分配器115的CDMA信号去扩展，以产生调制数据信号d1(t)cosω0t。调制数据信号实际上是用载波信号调制的消息数据。消息带通滤波器126在载频，或等价地，在中频(IF)为调制数据信号滤波。可以选择使用把调制数据信号变换为IF的下变换器，而不会改变本发明的协作功能或教导。
检波器139把已调制数据信号解调为已检波信号。将已检波信号通过低通滤波器128滤波，用电子开关130抽样，并作为接收数据d1(t)输出。没有差错的接收数据与消息数据相同。在位同步器129的控制下，低通滤波器128和电子开关分别发挥“积分和转储”的功能。
位同步器129控制低通滤波器128和电子开关130的积分和转储。位同步器129最好使用来自如图2中所示的接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号的复制信号导出同步。位同步器129也可以如图1中所示从检波器139的输出信号导出同步。
在一个优选实施例中，位同步器129接收来自接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号g0(t)的复制信号。通用码片码信号的复制信号，例如，可以包括具有8250个码片的码片码字。假设每码片码字有11位，那么每数据位有750个码片。由于通用码片码信号的复制信号向位同步器129提供有关码片码字从何处开始的信息，因此位同步器129知道用于同步化的对应位的定时。
本发明还可以包括作为CDMA信号发射用于处理多个信息数据的多个扩展频谱处理的信号。在这种情况下，本发明包括多个消息装置和多个扩展装置。参考图3A，多个消息装置可以具体体现为多个发射机消息码片码发生器，多个扩展装置可以具体体现为多个“异”门。多个发射机消息码片码发生器产生多个消息码片码信号。在图3A中，多个发射机消息码片码发生器被示出为产生第一消息码片码信号g1(t)的第一发射机消息码片码发生器102，产生第二消息码片码信号g2(t)的第二发射机消息码片码发生器172，至产生第N消息码片码信号gN(t)的第N发射机消息码片码发射器182。多个“异”门被示出为第一“异”门103，第二“异”门173，至第N“异”门183。多个“异”门通过把多个消息数据d1(t)，d2(t)，…，dN(t)分别与多个消息码片码信号g1(t)，g2(t)，…，gN(t)模2相加产生多个扩展频谱处理的信号。更具体地讲，第一消息数据d1(t)与第一消息码片码信号g1(t)模2相加，第二消息数据d2(t)与第二消息码片码信号g2(t)模2相加，至第N消息数据dN(t)与第N消息码片码信号gN(t)模2相加。
发射机通用码片码发生器101耦合于多个发射机消息码片码发生器和用于多个消息数据d1(t)，d2(t)，…，dN(t)的源。在一个优选实施例中，通用码片码信号g0(t)为多个消息码片码信号g1(t)，g2(t)，…，gN(t)，和多个消息数据d1(t)，d2(t)，…，dN(t)提供同步定时。
组合器105通过通用码片码信号与多个扩展处理的信号的线性相加组合通用码片码信号和多个扩展处理的信号。组合的信号一般是多电平信号，它具有通用码片码信号和多个扩展频谱处理的信号的瞬时电压电平。
作为发射机部件的调制器107用在载频f0的载波信号cosω0t调制组合的通用码片码信号和多个扩展频谱处理的信号。把已调制的通用码片码信号和多个扩展频谱处理的信号通过通信信道110作为CDMA信号XC(t)发射。CDMA信号XC(t)具有形式XC(t)=g0(t)+Σ1N[gi(t)+di(t)]cosω0t]]>因此，CDMA信号包括通用码片码信号和多个扩展频谱处理的信号，仿佛它们每个单独和同步地在具有相同载频f0的单独载波信号上调制，并且通过通信信道发射。
本发明包括接收具有多个扩展频谱处理的CDMA信号。接收机还包括多个消息扩展频谱处理装置，多个检波装置，和多个同步装置。如图3B中所示，多个消息扩展频谱处理装置可以具体体现为多个消息码片码发生器，多个消息混频器，和多个消息带通滤波器。一个混频器连接在一个对应的消息码片码发生器和消息带通滤波器之间。多个消息混频器耦合于功率分配器115。更具体地讲，多个消息码片码发生器具体显示为第一消息码片码发生器122，第二消息码片码发生器172，至第N消息码片码发生器182。多个消息混频器具体显示为第一消息混频器124，第二消息混频器174，至第N消息混频器184。多个消息带通滤波器具体显示为第一消息带通滤波器126，第二消息带通滤波器176，至第N消息带通滤波器186。
多个检波装置可以具体体现为多个示为第一同步检波器127，第二同步检波器177，至第N同步检波器187的同步检波器。多个同步检波器中的每一个耦合于多个消息带通滤波器中的一个。
多个同步装置可以包括一个位同步器129，多个低通滤波器，和多个电子开关。多个低通滤波器显示为第一低通滤波器128，第二低通滤波器178，至第N低通滤波器188。多个电子开关显示为第一电子开关130，第二电子开关180，至第N电子开关190。多个同步检波器中的每一个耦合于通用带通滤波器125的一个输出端。来自通用带通滤波器125的已恢复载波信号用作参考信号，用于通过多个同步检波器把多个消息数据信号的每一个同步解调为多个接收数据d1(t)，d2(t)，…，dN(t)。
作为选择，检波装置可以具体体现为多个非同步检波器，例如，包络检波器139，189，199，如图3C中所示。非同步检波器一般不需要已恢复载波信号。
位同步器129从通用码片码信号g0(t)的复制信号导出定时，并控制多个低通滤波器和多个电子开关的积分及转储功能的定时。
利用图3B中体现的本发明，如上所述，作为CDMA信号一部分的通用扩展频谱信道提供已恢复载波信号。捕获和跟踪电路131捕获并跟踪来自通用带通滤波器125的一个输出端的已恢复载波信号。把来自接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号的复制信号同步于经过捕获和跟踪电路131的已恢复载波信号。接收机通用码片码发生器121产生通用码片码信号g0(t)的复制信号，其提供对位同步器129和对多个接收机消息码片码发生器122，172，182的定时。
本发明也包括一种用于同步解调CDMA信号的方法。把消息数据输入到扩展装置。参考图4，该方法包括产生403通用码片码信号的步骤。该方法还包括产生405同步于通用码片码信号的消息数据，和产生407同步于通用码片码信号的消息码片码信号。使用一扩展频谱调制器以消息、码片码信号处理消息数据，产生扩展频谱处理的信号。将通用码片码信号与扩展频谱处理的信号组合409。该方法把组合的通用码片码信号和扩展频谱处理的信号在载波信号上通过通信信道作为CDMA信号发射。
在接收机，该方法包括从CDMA信号恢复413载波信号，和把CDMA信号去扩展415为已调制数据信号。把已恢复载波信号用于同步去扩展CDMA信号的步骤，和可选择地用于同步解调417和输出419已调制数据信号作为接收的数据。
在图3A中示出的系统的使用中，发射机通用码片码发生器101产生通用码片码信号g0(t)。用“异”器件103以来自发射机消息码片码发生器102的消息码片码信号g1(t)扩展频谱处理消息数据。组合器105将通用码片码信号与扩展频谱处理的信号组合。组合的信号可以是，例如，多电平信号，它是由通用码片码信号和扩展频谱处理的信号的电压电平线性地相加产生的，或是把通用码片码信号与多个扩展频谱处理的信号的电压电平相加产生的。发射机在具有载频f0的载波信号上发射组合的通用码片码信号和多个扩展频谱处理的信号。CDMA信号通过通信信道110发射。
如图3B中所示，在接收机，通用扩展频谱处理装置具体体现为协同操作以从CDMA信号恢复载波信号的接收机通用码片码发生器121，通用混频器123，和通用带通滤波器125。消息扩展频谱处理装置具体体现为协同把CDMA信号去扩展为已调制数据信号的接收机消息码片码发生器122，消息混频器124，和消息带通滤波器126。最好把接收机消息码片码发生器122同步于来自接收机通用码片码发生器121的通用码片码信号的复制信号。可以使用多个同步于通用码片码信号的复制信号的接收机消息码片码发生器。具体体现为同步于已恢复载波信号的同步检波器127的同步装置，把已调制数据信号解调为接收的数据。
在位同步器129的控制下，低通滤波器128和电子开关130积分及转储接收的数据。位同步器129最好使用通用码片码信号的复制信号来同步化积分及转储功能。
扩展频谱地理定位本发明提供了一种在通信信道上使用的扩展频谱码分多址(CDMA)通信和地理定位系统和方法，其包括至少一个基站和多个远端单元。远端单元可以是移动的或在固定的静止位置上。消息数据在基站和远端单元之间传递。消息数据包括，但不限于，数字化话音，计算机数据，传真数据，视频数据，等等。基站向多个远端单元传递基站消息数据。远端单元向基站传递远端消息数据。在这里基站消息数据定义为从基站始发的消息数据，远端消息数据在这里定义为从远端单元始发的消息数据。以下讨论的是一个优选的实施例，基站和远端单元之间的距离是在基站确定的。基站和远端单元的角色可以互换，此时距离是在远端单元确定的，这对于熟悉本领域的技术人员来说是等价的。
在图5中所示的示例配置中，基站包括基站扩展装置，基站通用装置，基站组合器装置，基站发射机，和基站天线。用作前缀的“基站”一词表示位于基站的元件，或是从基站始发的信号。
基站扩展装置扩展频谱处理基站消息数据d1(t)。基站扩展装置具体体现为一个基站扩展频谱调制器。基站扩展频谱调制器被示为一个消息码片码发生器502和一个“异”门503。“异”门503耦合于消息码片码发生器502。消息码片码发生器502使用一个码片码字产生用于扩展频谱处理基站消息数据d1(t)的码片码序列。通过“异”门503的模加法运算扩展频谱处理来自消息码片码发生器502的码片码序列。熟悉本领域的技术人员都知道，有许多等价的电路可以用于基站扩展频谱调制器，这些电路包括，但不限于，用于把码片码序列乘以基站消息数据的乘积器件，匹配滤波器和具有匹配于码片码序列的脉冲响应的表面声波器件。
基站通用装置产生基站通用码片码信号。用作前缀的“通用”一词表示通用码片码信号是一个未调制的，或低数据率的，直接序列扩展频谱信号，它可以用作导频信道。导频信道使用户可以获取定时，和提供用于相干解调的相位参考。基站通用装置具体体现为一个基站通用码片码发生器501。基站通用码片码发生器501利用与基站通信的所有远端单元共享的码片码字产生基站通用码片码信号。消息码片码发生器501耦合于基站通用码片码发生器502，用于导出共用定时。作为选择，可以用一个共用时钟为消息码片码发生器502和基站通用码片码发生器501提供定时信号。
基站组合器装置将基站通用码片码信号与扩展频谱处理的基站消息数据组合，以产生基站CDMA信号。基站组合器装置具体体现为一个基站组合器505。基站组合器505耦合于基站通用码片码发生器501和“异”门503。基站组合器505把基站通用码片码信号与来自“异”门503的扩展频谱处理的基站消息数据线性地相加。在基站组合器505的输出端所得的信号是码分多址(CDMA)信号，在这里表示为基站CDMA信号。也可以使用各种可选的非线性组合，只要所得的基站CDMA信号能够使它的信道在扩展频谱接收机被检测到。
基站发射机装置从基站向远端单元发射基站CDMA信号。基站发射机装置具体体现为信号源508和乘积器件507。乘积器件507耦合在基站组合器505与信号源508之间。信号源508在第一载频f1产生第一载波信号。乘积器件507把从基站组合器505输出的基站CDMA信号乘以第一载波信号。在现有技术中已知可以用其它发射器件把希望的信号置于选择的载频。
基站天线509通过一隔离器513耦合于基站发射机装置。基站天线509以第一载频辐射基站CDMA信号。
如图6中所示，远端单元包括远端天线511，远端检波装置，远端扩展装置，远端组合器装置，和远端发射机装置。每个远端单元也可以包括远端通用装置。用作前缀的“远端”一词表示位于远端单元的元件，或从远端单元始发的信号。
远端天线511接收从基站辐射的基站CDMA信号。
远端检波装置耦合于远端天线511。远端检波装置为嵌在基站CDMA信号中的基站通用码片码信号检波。使用已检波的基站通用码片码信号，远端检波装置恢复从基站传播的基站消息数据。远端单元可以再发射已检波的基站通用码片码信号，或作为选择，可以使远端通用装置产生一个不同的远端通用码片码信号。
在图6中，远端检波装置具体体现为乘积器件536，带通滤波器537，捕获和跟踪电路538，通用码片码发生器539，消息码片码发生器541，乘积器件542，带通滤波器543，数据检波器544，低通滤波器545，和位同步器540。如本领域中所熟知的，可以使用其它器件和电路发挥同样的功能，包括，但不限于，匹配滤波器，表面声波器件，等等。这个电路捕获并跟踪嵌在基站CDMA信号中的基站通用码片码信号。在远端天线511接收基站CDMA信号，并使其通过隔离器534和功率分配器535。用乘积器件536，带通滤波器537，捕获和跟踪电路538，和通用码片码发生器539为基站通用码片码信号检波。该电路的功能与前面章节中所述的相同。利用消息码片码发生器541，乘积器件542，带通滤波器543，数据检波器544，低通滤波器545，和同步器540把已检波的基站通用码片码信号用于恢复嵌在基站CDMA信号中的基站消息数据。数据检波器544可以相干地或非相干地操作。已检波基站消息数据作为已检波数据dR1(t)输出。
如果要把基站通用码片码信号组合为远端CDMA信号的一部分，那么不需要通用码片码发生器546，因为可用通用码片码发生器539输出端的基站通用码片码信号。如果使用与基站通用码片码信号不同的远端通用码片码信号，那么可以用通用码片码发生器546来产生远端通用码片码信号。在后一种情况下，把远端通用码片码信号定时或同步于已检波基站通用码片码信号。为了讨论的目的，将远端通用码片码信号考虑为从远端单元发送到基站，也应当知道远端通用码片码信号可以与已检波基站通用码片码信号相同，或是同一个。
远端扩展装置扩展频谱处理远端消息数据。远端扩展装置具体体现为一个远端扩展频谱调制器。远端扩展频谱调制器被示出为一个消息码片码发生器548和一个“异”门547。“异”门547耦合于消息码片码发生器548。消息码片码发生器548利用一码片码字来产生用于扩展频谱处理远端消息数据d2(t)的码片码序列。“异”门547用模加法运算对来自消息码片码发生器548的码片码序列进行扩展频谱处理。熟悉本领域的技术人员知道，许多等价的电路可以用作远端扩展装置，包括，但不限于，用于把码片码序列乘以基站消息数据的乘积器件，匹配滤波器和表面声波器件。
远端组合器装置把远端通用码片码信号和扩展频谱处理的远端消息数据组合为远端CDMA信号。远端组合器装置具体体现为一个远端组合器549。远端组合器549耦合于“异”门547，和远端通用码片码发生器546，或作为选择耦合于通用码片码发生器539。远端组合器549把远端通用码片码信号与来自“异”门547的扩展频谱处理的远端消息数据线性地相加。在远端组合器549输出端产生的信号是码分多址(CDMA)信号，在这里表示为远端CDMA信号。也可以选择使用各种其它非线性组合，只要产生的远端CDMA信号能够使它的信道在扩展频谱接收机被检测到。
远端单元也包括用于从远端单元向基站发射远端CDMA信号的远端发射机装置。远端发射机装置具体体现为信号源551和乘积器件550。乘积器件550耦合在远端组合器549和信号源551之间。信号源551在第二载频f2产生载波信号。乘积器件550将来自远端组合器549输出的远端CDMA信号乘以第二载波信号。本领域中已知可以用其它发射器件把希望的信号置于选定的载频。第二载频可以和第一载频相同或不同。
远端天线511通过一个隔离器534耦合于远端发射机装置。远端天线511以第二载频辐射远端CDMA信号。
每个基站还包括基站检波装置和距离装置。基站检波装置通过隔离器513和功率分配器515耦合于基站天线509。基站检波装置检测嵌在远端CDMA信号中的远端通用码片码信号。如图5中所示，基站检波装置可以具体体现为一个基站检波器，它可以包括乘积器件523，带通滤波器525，捕获和跟踪电路531，通用码片码发生器521，消息码片码发生器522，乘积器件524，带通滤波器526，数据检波器527，低通滤波器528，和位同步器529。如本领域中熟知的，可以用执行相同功能的其它器件和电路来实现基站检波装置，其它器件和电路包括，但不限于，匹配滤波器，表面声波器件，等等。这个电路捕获和跟踪嵌在远端CDMA信号中的远端通用码片码信号。在基站天线509接收远端CDMA信号，并通过隔离器513和功率分配器515。利用乘积器件523，带通滤波器525，捕获和跟踪电路531以及通用码片码发生器521检测远端通用码片码信号。该电路的功能如前面所述。用消息码片码发生器522，乘积器件524，带通滤波器526，数据检波器527，低通滤波器528，位同步器529把已检波远端通用码片码信号用于恢复嵌在远端CDMA信号中的远端消息数据。数据检波器527可以相干地或非相干地操作。已检波远端消息数据作为已检波数据dR2(t)输出。因此，基站检波器利用已检波远端通用码片码信号恢复了从远端单元传送的远端消息数据。
利用已检波远端通用码片码信号和基站通用码片码信号，距离装置确定远端单元和基站之间的距离延迟。距离装置具体体现为一个距离延迟器件530，它可以比较来自通用码片码发生器501的基站通用码片码信号与来自通用码片码发生器521的已检波远端通用码片码信号之间的定时。
本发明可以进一步包括步骤扩展频谱处理基站消息数据；产生基站通用码片码信号；组合基站通用码片码信号与扩展频谱处理的基站消息数据，因而产生基站CDMA信号；从基站向远端单元发射基站CDMA信号；检波嵌在基站CDMA信号中的基站通用码片码信号；利用已检波基站通用码片码信号恢复基站消息数据；扩展频谱处理远端消息数据；利用已检波通用码片码信号和扩展频谱处理的远端数据产生远端CDMA信号；从远端单元向基站发射远端CDMA信号；检波嵌在远端CDMA信号中的远端通用码片码信号；利用已检波远端通用码片码信号恢复远端消息数据；和利用已检波远端通用码片码信号和基站通用码片码信号确定远端单元与基站之间的距离延迟。
在使用中，基站用一个消息码片码信号扩展频谱处理基站消息数据，并将扩展频谱处理的基站消息数据与基站通用码片码信号组合。组合的信号是一个通过通信信道发射到至少一个远端单元的基站CDMA信号。
远端单元接收基站CDMA信号，检波嵌在基站CDMA信号中的基站通用码片码信号，并使用已检波基站通用码片码信号恢复嵌在基站CDMA信号中的基站消息数据。
将已检波基站通用码片码信号延迟为远端通用码片码信号，或用其为从远端单元发送到基站的不同远端通用码片码信号设置定时。远端单元用远端码片码信号扩展频谱处理远端消息数据，并把扩展频谱处理的远端消息数据与远端通用码片码信号组合为一个远端CDMA信号。把远端CDMA信号通过通信信道发送到基站。
在基站，从远端CDMA信号检波远端通用码片码信号，并将已检波远端通用码片码信号用于检波嵌在远端CDMA信号中的远端消息数据。此外，把已检波远端通用码片码信号与基站通用码片码信号在距离延迟电路中比较，以确定远端单元离开基站的距离。实际上，远端单元与基站之间的距离是发送产生了基站通用码片码信号的码片码字序列和接收由产生了远端通用码片码信号的码片码字产生的序列之间定时的函数。
利用射频(RF)信号确定距离的概念在本领域中是已知的。RF信号应有固定的传播速率，3×108米/秒。RF信号在其到达接收机之前的某一时间离开发射机。把基站通用码片码信号和远端通用码片码信号的特定序列用作时间标记。在远端单元的接收机看到的基站通用码片码信号序列与在基站发射机处该序列的时间差，直接与基站和远端单元之间的距离有关。同样，在基站的接收机看到的远端通用码片码信号序列与在远端单元的发射机处该序列的时间差，直接与远端单元和基站之间的距离有关。
基站通用码片码信号和远端通用码片码信号的使用与雷达系统中所用的回波测距法是相同的类型。许多雷达系统简单地发出RF能量的脉冲，然后等待由于脉冲从目标反射而返回的一部分能量。雷达标记从脉冲发射时刻直到其返回的时间。脉冲返回所需的时间是至目标的往返距离的函数。从信号的传播速度很容易确定距离。
本发明的扩展频谱信号具有同样的距离/时间关系。本发明的扩展频谱信号的优点在于它的相位易于分辨。基站码片码信号或远端码片码信号序列的基本分辨率是一个代码码片。因此，码片率越高，可测量性越好。因而，在10M码片/秒的码片率，基本距离分辨率是10-7秒，或30米。还要考虑可能在远端单元电路中遇到的附加的延迟。在确定基站与远端单元之间的距离时，可以在基站补偿这些延迟。
正交码同步也可以将本发明体现为一种利用正交码和至移动终端的距离的信息调节和对准信息信道的相位以便在基站天线得到正交性的系统和方法。
利用正交码和至移动终端的距离的信息在基站天线得到正交性的系统包括多个移动终端和一个基站。多个移动终端中的每一个包括远端扩展频谱处理装置，远端导频装置，组合装置，远端发射装置，和代码相位调节装置。
远端扩展频谱处理装置和远端导频装置耦合于组合装置。远端发射装置耦合于组合装置。
基站包括接收装置，第一基站导频装置，第二基站导频装置，第一延迟装置，第二延迟装置，相关器装置，跟踪装置，距离延迟装置，和基站发射装置。
远端扩展频谱处理装置利用伪噪声码处理远端消息数据。远端导频装置产生远端导频信号。组合装置把远端导频信号与扩展频谱处理的远端消息数据组合，产生远端复合信号。远端复合信号具有远端导频信号和至少一个远端用户信息信道。远端发射装置在双工无线信道的反向信道上向基站发射远端复合信号。
在基站，接收装置接收远端复合信号。第一基站导频装置产生基站导频信号。第二基站导频装置产生基站导频参考信号。第一延迟装置产生基站导频参考信号的一个准时，一个超前，和一个滞后信号。第二延迟装置产生信息参考信号。将信息参考信号与基站导频参考信号的准时信号同步。相关器装置把远端复合信号与基站导频参考信号的准时、超前和滞后信号相乘，以便分别相关出远端导频信号的一个准时、一个超前和一个滞后信号。相关器装置也把远端复合信号与信息参考信号相乘，以相关出远端用户信息信道。
跟踪装置跟踪远端导频信号的相位，并响应远端导频信号的峰值，输出捕获信号。捕获信号表示远端导频信号与基站导频参考信号的同步。
响应捕获信号，距离延迟装置计算基站导频信号与基站导频参考信号之间的相位差以确定移动站与基站之间的距离。基站发射装置通过双工无线信道的前向信道从基站向移动终端发射该距离。
响应从基站接收的距离信息，在移动终端的代码相位调节装置调节伪噪声码的相位，以便确定扩展频谱处理的远端消息数据到达基站的时间。
在调节伪噪声码的相位时，远端扩展频谱处理装置可以用一代码码片的增量调节伪噪声码。在移动终端调节伪噪声码时，基站处理器比较扩展频谱处理的远端消息数据的信号强度电平。响应使操作特性最强化的一个代码码片增量，基站校准远端导频信号和具有该代码码片增量的扩展频谱处理的远端消息数据之间的关系。
扩展频谱CDMA蜂窝无线通信系统可以进一步包括基站扩展装置和基站组合装置。基站扩展装置扩展频谱处理基站消息数据。基站扩展装置可以包括用于处理一个带有选定码片码的特定移动终端的基站消息数据的装置。基站组合装置将扩展频谱处理的基站消息数据和基站导频信号组合为一个复合基站信号。复合基站信号包括一个共用扩展频谱导频信号和至少一个用于每个移动终端的专用扩展频谱用户信息信道。共用扩展频谱导频信号和专用扩展频谱用户信息信道中的每个的扩展码可以包含一个正交码元。可以将远端导频信号从属于共用扩展频谱导频信号作为用于远端导频信号的相位和定时的参考。
远端导频信号和每个移动终端的远端用户信息信道的扩展码可以包含一个正交码元。此外，可以把远端用户信息信道同步于远端导频信号。
系统还可以包括用于产生差错信号和跟踪远端导频信号的基站延迟锁定环装置。移动终端响应从基站接收的差错信号，调节正交伪噪声码的相位，以便补偿当移动终端在蜂窝内移动时距离上的改变。
更具体地讲，本发明的移动终端包括远端用户数据源，第一正交码集发生器，第一类噪声码发生器，远端导频数据源，信号组合器，第一模2加法器，第二模2加法器，第三模2加法器，第四模2加法器，调制器，天线装置，代码相位调节器，和处理器。
第一模2加法器耦合于远端用户数据源和第一正交码集发生器。第二模2加法器耦合于第一模2加法器的一个输出端和第一类噪声码发生器。第三模2加法器耦合于第一正交码集发生器和远端导频数据源。第四模2加法器耦合于第三模2加法器的一个输出端和第一类噪声码发生器。信号组合器耦合于第四模2加法器和第二模2加法器。调制器耦合于信号组合器。代码相位调节器耦合于第一正交码集发生器和第一类噪声码发生器。处理器耦合于代码相位调节器。
远端用户数据源产生用户数据信号。第一正交码集发生器产生第一正交码和第一远端导频码。第一模2加法器用第一正交码扩展频谱处理用户数据信号，以便产生扩展信号。第一类噪声码发生器产生第一伪噪声码。第二模2加法器用第一伪噪声码处理该扩展信号，以产生扩展频谱用户数据信号。
远端导频数据源产生导频数据信号。导频数据信号可以全部由1组成。作为选择，远端导频数据源可以产生全部由0组成的导频数据信号。
第三模2加法器用第一远端导频码扩展频谱处理导频数据信号，产生扩展导频信号。第四模2加法器用第一伪噪声码处理扩展导频信号，产生远端扩展频谱导频数据信号。
信号组合器把远端扩展频谱导频数据信号和扩展频谱用户数据信号组合成组合的扩展频谱数据信号。调制器将组合的扩展频谱数据信号调制到载波上，成为组合的扩展频谱调制数据信号。天线装置在双工无线信道的反向信道上发射组合的扩展频谱调制数据信号。天线装置也接收从基站在双工无线信道的前向信道上发射的复合扩展频谱调制载波信号。前向信道上的复合扩展频谱调制载波信号具有共用扩展频谱导频信号和移动终端的专用扩展频谱用户信息信道。
代码相位调节器，响应来自处理器的输入和共用扩展频谱导频信号，调节第一正交码的相位以调节扩展频谱用户数据信号到达基站的时间。这个相位调节操作调节扩展频谱用户数据信号的到达时间使其与其它到达的扩展频谱用户数据信号是正交的。使第一远端导频码的相位从属于共用扩展频谱导频信号，以使基站能够利用往返行程延迟确定基站与移动终端之间的距离。处理器产生处理器输入并存储基站与移动终端之间的距离。
代码相位调节器还可以调节第一正交码的相位，使其具有与第一伪噪声码相同的相位。第一伪噪声码的长度是第一正交码长度的整数倍。代码相位调节器还可以响应捕获移动第一远端导频码的相位，使其与扩展频谱用户数据信号同步。
本发明的移动终端可以进一步包括功率分配器，第二正交码集发生器，第二类噪声码发生器，模式控制和捕获器件，时钟脉冲发生器，第五模2加法器，第六模2加法器，第一延迟器件，第二延迟器件，第一乘法器/相关器，第二乘法器/相关器，第三乘法器/相关器，第四乘法器/相关器，延迟锁定环，和锁相环振荡器。
模式控制和捕获器件耦合在第二正交码集发生器与第二类噪声发生器之间。时钟脉冲发生器耦合于模式控制和捕获器件、第一正交码集发生器、和第一类噪声码发生器。第五模2加法器耦合于第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器。第六模2加法器耦合于第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器。第一延迟器件耦合于第五模2加法器。第一、第二、和第三乘法器/相关器每个耦合于功率分配器和第一延迟器件。第二延迟器件耦合于第六模2加法器和处理器。第四乘法器/相关器耦合于第二延迟器件和功率分配器。延迟锁定环耦合于第二和第三乘法器/相关器。锁相环振荡器耦合于第一乘法器/相关器。
功率分配器把复合扩展频谱调制载波信号分离为一个导频信道和一个数据信道。第二正交码集发生器，响应来自基站的命令，产生多个本地产生的导频码，在任何给定时间可以产生和/或使用它们中的任何一个，或它们中任意多个。
第二类噪声码发生器产生第二伪噪声码。模式控制和捕获器件接收来自基站的定时信息，并产生用于第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器的时钟。模式控制和捕获器件也产生同步信号。时钟脉冲发生器提供同步时钟信号。时钟脉冲发生器可以有其本身的振荡器，或可以锁定于来自模式控制和捕获器件的时钟。
第五模2加法器组合第一本地产生的导频码和第二伪噪声码，以形成第一本地扩展频谱导频参考信号。第六模2加法器组合一特定的正交码和第二伪噪声码，以形成第一本地扩展频谱信息参考信号。第一延迟器件，响应处理器，延迟第一本地扩展频谱导频参考信号，以产生第一本地扩展频谱导频参考信号的一个准时、一个超前和一个滞后信号。
第一、第二和第三乘法器/相关器将复合扩展频谱调制载波信号与第一本地扩展频谱导频参考信号的准时、超前和滞后信号相乘，以分别相关出共用扩展频谱导频信号的准时、超前、和滞后信号。第二延迟器件提供与第一本地扩展频谱导频参考信号的准时信号同步的信息参考信号。第四乘法器/相关器将复合扩展频谱调制载波信号与第一本地扩展频谱信息参考信号相乘，以相关出专用扩展频谱用户信息信道。延迟锁定环跟踪输入的共用扩展频谱导频信号的相位，并响应相关峰值向模式控制和捕获器件输出时钟信号和捕获信号。锁相环振荡器集中于相关峰值，并对本地数据检波器和延迟锁定环提供相干载波参考。
利用刚才说明的系统，基站可以通过测量共用扩展频谱导频信号与第一远端导频码之间的代码相位差确定基站与移动终端之间的距离。共用扩展频谱导频信号可以包含正交码元。第一远端导频码也可以包含正交码元。
在本发明的扩展频谱CDMA数字蜂窝无线系统中，系统也包括一个基站。基站包括基站用户数据源，第一正交码集发生器，第一类噪声码发生器，第一模2加法器，第二模2加法器，系统数据源，系统数据扩展装置，基站导频数据源，导频数据扩展装置，信号组合器，调制器，天线装置，导频参考信号发生装置，时钟脉冲发生器，距离延迟装置，和处理器。
第一模2加法器耦合于基站用户数据源和第一正交码集发生器。第二模2加法器耦合于第一模2加法器的一个输出端和第一类噪声码发生器。信号组合器耦合于导频数据信号扩展装置，系统数据扩展装置，和第二模2加法器。调制器耦合于信号组合器。时钟脉冲发生器耦合于第一正交码集发生器和第一类噪声码发生器。距离延迟装置耦合于导频数据扩展装置的一个输出端和导频参考信号发生装置的一个输出端。
基站用户数据源产生基站用户数据信号。第一正交码集发生器产生第一正交码和第一基站导频码。第一模2加法器用第一正交码扩展频谱处理基站用户数据信号，以产生扩展信号。第一类噪声码发生器产生第一伪噪声码。第二模2加法器用第一伪噪声码处理扩展信号，以产生扩展频谱用户数据信号。系统数据源产生要发射到多个移动终端的系统数据。系统数据扩展装置扩展频谱处理系统数据。基站导频数据源产生基站导频数据信号。导频数据信号扩展装置用第一基站导频码把基站导频数据信号扩展频谱处理为共用扩展频谱导频信号。
信号组合器将共用扩展频谱导频信号，扩展频谱系统数据，和扩展频谱用户数据信号组合为组合的扩展频谱数据信号。调制器将组合的扩展频谱数据信号调制到一载波上，成为组合的扩展频谱调制数据信号。天线装置发射组合的扩展频谱调制数据信号。天线装置也接收分别从多个移动终端发射的多个复合扩展频谱调制载波信号。每个复合扩展频谱调制载波信号具有接收的远端扩展频谱导频信号和用于每个移动终端的信息信道。
导频参考信号发生装置产生导频参考信号。时钟脉冲发生器保持全系统时间。距离延迟装置计算导频参考信号与共用扩展频谱导频信号之间的相位差作为第一值。处理器存储第一值，并利用第一值向移动终端提供代表往返行程延迟的处理器输出信号。
导频数据信号扩展装置可以包括第三模2加法器，和第四模2加法器。第三模2加法器耦合于第一正交码集发生器和基站导频数据源。第四模2加法器耦合于第三模2加法器的一个输出端和第一类噪声码发生器。
第三模2加法器用第一基站导频码扩展频谱处理导频数据信号，以产生扩展导频信号。第四模2加法器用第一伪噪声码处理扩展导频信号，以产生共用扩展频谱导频信号。
系统数据扩展装置可以包括第五模2加法器和第六模2加法器。第五模2加法器耦合于第一正交码集发生器和系统数据源。第六模2加法器耦合于第五模2加法器的一个输出端和第一类噪声码发生器。
第一正交码集发生器产生第二正交码。第五模2加法器用第二正交码扩展频谱处理系统数据，以产生扩展频谱数据信号。第六模2加法器用第一伪噪声码处理扩展频谱数据信号，以产生扩展频谱系统数据信号。
基站可以进一步包括功率分配器，第二正交码集发生器，第二类噪声码发生器，模式控制和捕获器件，第七模2加法器，第八模2加法器，第一延迟器件，第二延迟器件，第一乘法器/相关器，第二乘法器/相关器，第三乘法器/相关器，第四乘法器/相关器，延迟锁定环，和锁相环振荡器。
模式控制和捕获器件耦合在第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器之间。第七模2加法器耦合于第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器。第八模2加法器耦合于第二正交码集发生器和第二类噪声码发生器。第一延迟器件耦合于第七模2加法器。第二延迟器件耦合于第八模2加法器和处理器。第一、第二、和第三乘法器/相关器每个耦合于功率分配器和第一延迟器件。第四乘法器/相关器耦合于第二延迟器件和功率分配器。延迟锁定环耦合于第二和第三乘法器/相关器。锁相环振荡器耦合于第一乘法器/相关器。
功率分配器将复合扩展频谱调制载波信号分离为一个导频信道和一个数据信道。第二正交码集发生器产生第三正交码。第二类噪声码发生器产生第二伪噪声码。模式控制和捕获器件提供时钟和控制信号。
第七模2加法器组合分配的导频正交码和第二伪噪声码，以形成第一扩展频谱导频参考信号。第八模2加法器组合分配的数据正交码和第二伪噪声码，以形成第一扩展频谱数据参考信号。
第一延迟器件，响应处理器，延迟第一扩展频谱导频参考信号，以产生第一扩展频谱导频参考信号的准时、超前、和滞后信号。第一、第二、和第三乘法器/相关器将复合扩展频谱调制载波信号与第一扩展频谱导频参考信号的准时、超前和滞后信号相乘，以分别相关出接收的远端扩展频谱导频信号的准时、超前和滞后信号。
第二延迟器件提供与第一扩展频谱导频参考信号的准时信号同步的信息参考信号。第四乘法器/相关器将复合扩展频谱调制载波信号与信息参考信号相乘，以相关出信息信道。
延迟锁定环跟踪接收的远端扩展频谱导频信号的相位。响应相关峰值，延迟锁定环向模式控制和捕获器件输出时钟信号和捕获信号。锁相环振荡器向本地数据检波器和延迟锁定环提供相干载波参考。
利用刚才所述的系统，基站可以通过测量共用扩展频谱导频信号与接收的远端扩展频谱导频信号之间的代码相位差确定至每个移动终端的距离。
移动终端可以响应往返行程延迟调节每个复合扩展频谱调制载波信号的信息信道的代码相位，使其在复合扩展频谱调制载波信号到达基站时与一特定的时间标记相符。基站可以把该特定时间标记设定在一时间绝对值，以满足蜂窝的正交性标准。
如图7中所示，本发明的移动终端包括远端天线727，远端数据源700，远端导频数据源701，远端正交码集发生器702，740，类噪声码发生器703，741，六个模2加法器710-715，组合器716，射频调制器/转换器720，时钟脉冲发生器730，处理器732，代码相位调节器731，模式控制和捕获器件733，四个带通滤波器754，755，756，757，位同步器759，相干检波器758，积分和转储电路760，延迟锁定环751，两个延迟元件752，753，四个乘法器相关器725，726，728，729，锁相环振荡器750，功率分配器722，双工器721，和载波发生器719。图7还示出了处理器输入/输出端口771，用户数据输入端口770，和射频输入/输出端口773。
图7的远端数据源700是远端用户提供给移动终端的信息。这个信息可以是话音、数据、传真、或用户希望通过他的移动终端发送到另一个用户、机器或系统的任何其它形式的信息。处理器732也产生无线系统或其它远距离用户使用的消息，和通过用户数据输入端口770将这些消息提供给远端用户数据源，在用户数据输入端口770这些消息与用户数据一起多路复用。远端用户数据源把多路复用用户数据信号提供到模2加法器710，在模2加法器710把分配的一个以比用户数据高得多的比特率操作的正交码叠加在用户数据信号上。该正交码扩展用户数据信号，因而使得数个相似的信号可以占用相同的频谱，并在基站恢复。模2加法器711将一个附加的PN码叠加在扩展信号上，以使产生的扩展频谱信号更像随机噪声。PN码是由类噪声码发生器703产生的。在组合器716中，扩展频谱用户数据信号与扩展频谱导频数据信号组合。射频调制器/转换器720把组合的扩展频谱数据信号在载频WC上调制。扩展频谱调制数据信号通过允许把远端天线727用来发射和接收的双工器721被送到远端天线727。远端天线727通过空中把复合扩展频谱调制载波信号发射到接收它的基站天线装置。熟悉本领域的技术人员知道，可以用许多其它的方式来执行。例如，可以在把正交码和类噪声码加入到数据之前组合它们。可以通过利用正交载波分量和在射频组合该分量，在基带进行调制。可以把不同的PN码用在不同的正交分量上以增加复合信号的随机性。这些对于本技术领域中的专业人员都是已知的技术。
正交码集发生器702可以产生属于预定代码集的任何代码，并且由处理器732指令产生一个专用码。处理器732本身又通过输入/输出端口771接收从基站控制装置在控制信道上发送给它的指令。如上所述，正交码集发生器702建立并产生分配的代码，并且所述正交码被用于在模2加法器710中扩展用户数据信号。正交码集发生器702也产生用于在模2加法器712中扩展导频数据信号的第二分配的正交码。独立地调节这些代码的相位，但是两种代码的时钟频率是相同的。在捕获后，对于操作的所有模式，时钟脉冲发生器730从属于从模式控制和捕获器件733接收的输入，或基站定时和时钟。在捕获模式期间，时钟脉冲发生器730使用一个内部振荡器，该振荡器工作在近似于将从基站接收的预期频率。可以把这个内部振荡器设定为略高于或略低于时钟频率，以便能够进行对输入的复合扩展信号的扫描。一旦捕获，模式控制和捕获器件733向时钟脉冲发生器730提供一个时钟同步信号。
可以调节正交码的相位使其与从基站输入的导频码的相位相同。这使得发射的用户导频信号看起来像是从移动终端的反射，并且基站能够测量至每个特定移动终端的往返行程延迟。将以代码码片测量的往返行程延迟发送到移动终端，并存储在处理器732中。往返行程延迟的一半就是以代码码片测量的移动终端与基站之间的距离。通过使用八分之一或十分之一的码片倍数的增量，和确定来自基站相关器的峰值输出功率，并随后以一个码片的几分之一的精度把延迟时间发送到移动终端，可以提高距离的精确度。
在代码相位调节器731的指令下，移动终端具有以一个码片几分之一的，例如八分之一、十分之一或十六分之一的，精度调节正交码的相位的能力，代码相位调节器731在处理器732的协助下，确定接收的导频信号的相位，并将其转换为对于远端导频扩展码适当的初始状态。
当信号到达基站时，为了使发射的，反向链路，扩展频谱用户数据信号与其它发射的扩展频谱用户数据信号是正交的，必须调节每个用户发射的代码的相位，以补偿到每个独立的用户的不同路径长度，或距离。每个移动终端已经在它的存储器中存储了到基站的距离。利用这个信息，处理器732确定使扩展频谱用户数据信号在特定时间到达基站所需的相位调节。然后，代码相位调节器731向正交码集发生器702提供初始代码设置，并在适当的时间启动发生器。以每码片几分之一的精度，基站用户数据信道校准检波器检测差错电压，以使相干输出功率最大，并且把改正信号发送到移动终端，把增量的调节提供给用户数据正交码相位，以精细地调谐发射信号的相对位置。当移动终端在该区域中移动时，利用导频跟踪差错信号，这些增量调节补偿移动终端的正常移动并跟踪移动终端。
代码相位的迅速变化需要如上所述的通过利用导频重复进行距离测量技术以重新捕获数据信号。用代码相位调节器731对类噪声码发生器703进行相位调节，以使其具有与正交码集发生器702相同的相位。由于类噪声PN码比正交码长得多，因此调节正交码和类噪声PN码，使它们看来像是在相同的时间开始，正交码将在类噪声PN码的每一循环期间重复多次，并且它们将在相同的时间结束。因此，它们都开始于一个信号出现时间的起始时刻，其中信号出现时间是类噪声PN码的长度。正交码的长度是较长的类噪声PN码的偶整数。所有用户使用相同的类噪声PN码，并且成为所有用户数据信号的数字载波。当类噪声PN码被同步检测时，对不同正交码之间的分辨没有影响。
上述处理导致具有相对系统时间参考的不同绝对相位的发射用户数据信号和发射导频。因此，导频扩展频谱信号不能正交于用户数据信号，这表明，假设每个用户终端也具有一个导频信号，如果信号的一半作为随机噪声出现并且另一半不造成干扰，那么干扰已经减少了3db。来自远端导频数据源701的导频数据可以全都是0，全部是1或实际上使低数据率的信息信号输入到导频信道上。假设一个对于远端导频数据源701的“全1”输入，那么导频信道仅发射为导频选择的正交码与类噪声PN码的相加。
如上所述，远端导频的相位和定时从属于来自基站的输入导频。使导频从属，以便它从移动终端通过时表现为没有延迟。这是本发明的关键特征，并且使得基站能够精确地测量往返行程延迟。基站将这个往返行程延迟信息提供给移动终端，移动终端在捕获过程中利用这个信息调节发射的用户数据信号的相位，因而使得基站能够在正交操作模式中迅速地捕获用户数据信号。由于移动终端对导频和用户数据信号都使用相同的载波，因此使用导频载波相位相干地检测用户数据。如上所述，在捕获之后，来自导频的距离信息在数据模式的正常转换期间是不必要的。因此，移动终端包括一种在捕获发生后使用的模式，在这种模式中，移动导频码相位以使其具有与用户数据信道相同的相位。在这种模式中，如果分配的导频码是正交码集的项，那么导频也是正交的。本发明的这个特征再使系统容量几乎增大一倍。这也表明，由于导频不会对其它信号造成干扰，所以导频能够以比较高的功率电平发射。尽管这的确意味着，如果由于有限的正交码数量而不是处理增益造成了容量上的限制，用户的数量已经被减少。由于这个特征是从基站控制的，基站可以作出哪一种模式将给出具有最大容量的最佳操作特性的估计，并相应采取行动。
在加法器712中把导频数据与分配给导频的代码模2相加，产生扩展频谱反向链路导频信号。在加法器713也使一个类噪声PN信号相加于这个信号，在加法器713中使导频信号表现得更像一个随机噪声扩展频谱信号。在组合器716中把类噪声扩展频谱导频信号与扩展频谱用户数据信号组合，形成复合扩展频谱信号，然后在调制器/转换器720中将复合扩展频谱信号调制到载波上。这个已调制复合扩展频谱信号通过双工器721到达天线727。
天线727也接收从基站发射的复合扩展频谱信号。这个信号通过使它与发射信号隔绝的双工器721，并在功率分配器722中被分离为一个导频信道和一个数据信道。导频信道可以使用三个不同的相关器跟踪载波和扩展码；这三个相关器是由乘法器/相关器726，728，729加上积分器/带通滤波器754，756，757构成的。延迟锁定环751跟踪输入代码的相位，并且使由本地产生的正交和类噪声码模2相加生成的本地导频码与基站发射的复合扩展频谱信号保持同步。在乘法器/相关器726，728，729中将本地导频码与输入的复合扩展信号相乘。延迟元件752以适当的方式延迟输入到乘法器/相关器726，728，729的参考导频，使得分别产生参考导频的一个准时、一个超前和一个滞后信号。延迟锁定环751使用由乘法器/相关器728，729分别相乘的超前和滞后信号跟踪输入信号。当代码与来自功率分配器的对三个乘法器/相关器726，728，729的输入信号进行相位对准时，在每个乘法器/相关器726，728，729的输出端出现一个最大信号。当输入信号这样被跟踪时，延迟锁定环751向模式控制和捕获器件733发送一个时钟信号和一个捕获信号。熟悉本领域的技术人员都知道，可以用任何等价的差错发生装置来执行延迟锁定环的功能。
延迟元件752也提供由锁相环振荡器750使用的准时路径。锁相环振荡器750集中于相关峰值，和提供最大载波信号强度。数据信道延迟元件753也使数据信道具有与锁相环路径相同的对准、准时和最大载波强度。锁相环振荡器750向相干检波器758和延迟锁定环751提供相干载波参考。正交码集发生器740向模2加法器715提供一个由基站通过处理器732分配的正交码，在模2加法器715中正交码与类噪声码发生器741的输出组合，形成本地数据扩展频谱参考信号。由于基站导频码和用户数据码信道被同步并在相同的RF载波上发射，在捕获后本地码的相位和导频信道的载波相位可以被用作解调用户数据信道。延迟元件753延迟来自加法器715的参考信号，并且在乘法器/相关器725中与输入的接收组合扩展频谱信号相乘，以相关出用户数据信道。在带通滤波器755中积分乘法器/相关器725的输出，以使信息信道到达相干检波器758检测所用的相关峰值。积分和转储电路760在信息比特周期积分相干检波器758的输出。积分和转储电路760在位同步器759确定的时刻对输出进行抽样。使位同步器759与正交码集发生器740同步，因而当代码被同步时，数据位也自动地同步。发生这种情况是由于基站发射机中的数据也与基站正交码发生器同步。输出信号775是用特定信道附加数据多路复用的用户数据，特定信道附加数据是未示出的多路分解器从数据信号中分离出来，并发送到处理器732。这种附加数据包括功率控制消息，代码相位对准消息，模式改变消息，等等。这些消息通过处理器输入/输出端口771输入处理器。
正交码集发生器740与正交码集发生器702相同，并且类噪声码发生器741与类噪声码发生器703相同。正交码集发生器740和类噪声码发生器741由模式控制和捕获器件733计时。在捕获前，模式控制和捕获器件733用一个稳定的内部时钟向代码发生器提供定时；在捕获后，PLL振荡器750从属于从延迟锁定环751导出的时钟。时钟脉冲发生器730也从属于模式控制和捕获器件733的输出。
如图8中所示，根据本发明的基站包括基站天线827，用户数据源800，导频数据源801，正交码集发生器802，840，类噪声码发生器803，841，八个模2加法器810-818，信号组合器816，射频转换器/调制器820，时钟脉冲发生器830，距离延迟器件834，处理器832，控制器836，代码相位调节器831，模式控制和捕获器件833，四个带通滤波器854，855，856，857，位同步器859，相干检波器858，积分和转储电路860，延迟锁定环851，延迟元件852，853，四个倍增相关器825，826，828，829，锁相环振荡器850，功率分配器822，多路耦合器821，和载波发生器819。图8也示出了处理器输入/输出端口871，用户数据输入端口870，用户数据输出端口875，和射频输入/输出端口873。
图8是展示本发明特征的基站的说明图。图8的基站与图7的移动终端之间有许多类似性。在下面的讨论中，重点说明基站与移动终端之间的不同之处。
在图8中，有三个数据源。除了如图7中所示的用户数据和导频数据之外，需要有发射到连接于基站的所有用户的系统数据。这种类型的数据包括一般系统参数，寻呼信息，系统同步标记，控制信息和信道分配。许多这样的系统信息始发于网络中心控制器，并通过陆地线路被发送到适配于各个蜂窝的基站控制器836。处理器832与控制器836协同工作，把这些消息接入到基站中。这是一般广播的信息，因而在把它们分配给专用信道之前所有用户都能接收到它。
在移动终端在分配的信道上操作时发送到特定用户的系统信息被输入到在输入端口870的用户数据装置，并且与用户数据多路复用。在加法器817中，系统数据还被用正交码集发生器802产生的唯一的正交码扩展，并且在加法器818中加上一个附加类噪声PN码而进一步随机化。类噪声PN码是由类噪声码发生器803产生的。
可以有数个系统数据信道，每个用一个唯一的正交码扩展，但是所有信道使用相同的类噪声PN码。把相同的类噪声PN码加到包括所有数据信道、所有系统信道和导频信道的所有信道上。仅有一个导频信道，并且它使用唯一正交码中的一个，通常是全部为0的代码。这表明类噪声PN码基本上是导频码，但是它也是所有其它代码的一个分量。前向链路上的导频的概念是被普遍接受了的，并且记载在现有技术的文献中；见第5,228,056号美国专利；第5,420,896号美国专利；第5,103,459号美国专利和第5,416,797号美国专利。还有几种产生用于不同基站的不同导频的装置，包括故意地引入固定代码相移；见第5,103,459号美国专利和第5,416,797号美国专利。
为了说明的目的，图8仅示出了一个用户数据源800，但是一般会有许多的用户数据源或信道，每个当前用户一个。将给每个当前用户分配一个唯一的正交码，并且每个当前用户将使用相同的类噪声PN码。因此，至组合器816的输入一般将包括许多用户数据信道，数个系统信道，和一个导频信道。组合器816的输出是一个复合扩展频谱信号，在转换器/调制器820中将其在载波WC上调制。通过多路耦合器821把已调制复合扩展频谱信号传送到基站天线827。多路耦合器821不仅像在移动终端中所做的提供发射和接收信号之间的隔绝，而且也必须使多个发射信号相互隔绝。一种可选的方法是组合低功率电平信号，并在最后阶段中使用线性放大器。
时钟脉冲发生器830是从一个稳定的振荡器取得的，并且是整个蜂窝的基本时钟。在整个系统中保持绝对时间。在所有基站的这个绝对时间使得移动终端能够确定到几个基站的绝对时间延迟，从而导致精确的地理位置确定。时钟脉冲发生器830为正交码发生器802和类噪声码发生器803提供时钟。它在反向链路以正交码模式操作时还为正交码发生器840和类噪声码发生器841提供时钟。当接收机不在正交码模式操作，并且它已经捕获了一个分配的用户信号时，正交码发生器840和类噪声码发生器841使用延迟锁定环851产生的时钟作为它们的时钟源。
当导频接收信道已经在反向链路上捕获了用户导频信号，并且延迟锁定环851正在跟踪输入导频信号时，由正交码集发生器840和类噪声码发生器841的输出在加法器814中相加产生的参考导频码与来自用户的导频信号完全同步。在发生这种状态时，加法器814的输出被距离延迟器件834接受，并且把这个导频码的相位与从加法器813的输出获得的基站导频码的相位比较。在处理器832的协助下，距离延迟器件834计算两个信号之间的相位差，并把这个值存入处理器832中的存储器。还把往返行程延迟值通过用户数据源800的输入端口870传送给正在发射用户导频信号的移动终端，或作为分配信道建立命令的一部分。
当移动终端在导频测距正交操作模式时，基站发送用户终端测距信息，用户终端以正交模式在返回链路上发回用户数据。在导频信道距离测量和为在正交信道上取得最大噪声降低的正确相位之间可能有小的固定偏差。为了消除这个偏差，处理器832向移动终端发送命令，以一个码片的几分之一，例如，八分之一，十分之一，或十六分之一，移动用户导频和用户数据信道之间的相位关系，与此同时处理器832观察积分和转储电路860的输出电平。当观察到峰值输出信号电平时，锁定该偏差并保持之。这个处理校准了用户导频与用户数据信道之间的关系。一旦达到最优结果，在正常传输过程中不再使这种关系有显著的改变。在一段固定时间间隔之后总是可以对它进行重建。
当移动终端在也发射与用户数据信道同步的正交导频的模式中时，延迟锁定环851差错电压被送到处理器832，分析和用预定的分量补偿，并且发射到移动终端，用于改正移动终端发回的复合信号的相位。由于差错是在基站检测的，而改正是在移动站进行的，在环路中存在固有的延迟。但是，与用户的正常移动相比这种延迟很小，并且由于用户的移动一般不会迅速地改变方向，因而可以根据最后的测量作出预测。如果路径长度有数个码片的突然跳跃，那么命令移动终端返回到先前的模式，使用测距信息重新捕获。这只是在一个强一次多径辐射迅速衰落并且没有现存的二次射线，但在一次射线消失后马上出现一个新的二次射线的情况下才发生。
因此，根据本发明，基站接收机可以在四种模式之一中接收来自移动终端的数据。第一种模式使移动终端能够在反向链路上发送与基站不同步的独立的用户导频，并且用户数据信道与这个独立的用户导频同步。第二种模式要求用户终端使它的用户导频从属于它从基站接收的导频，并且用户数据信道与这个从属的用户导频同步。第二种模式使得用户终端能够接收用于地理定位和迅速重新捕获目的的往返行程延迟信息。第三种模式像模式2的情况一样要求用户终端使它的用户导频从属于输入基站导频，但用户数据信道在使用从基站接收的测距信息的正交模式下操作。校准了用户导频信道与用户数据信道之间的相位关系；以上说明了一种技术，但是熟悉本领域的技术人员应当知道有许多其它的技术。用户导频载波也是用于用户数据信道的载波，并且可以用作检测用户数据信道的载波参考。第四种模式使用模式3的从属导频方式进行捕获，但是，在捕获后，移动用户导频码的相位使其与用户数据信道同步，因此也使导频成为一个正交信道。这意味着在蜂窝内导频不再对用户数据信道造成干扰，并且可以在更高的功率电平发射。
本发明可以进一步包括一种用于通过双工无线信道从移动终端向基站传送远端消息数据的扩展频谱CDMA蜂窝无线通信方法。该方法包括在返回链路上使用导频以在基站天线取得正交性。
该方法包括使用伪噪声码扩展频谱处理远端消息数据，产生远端导频信号，和组合远端导频信号与扩展频谱处理的远端消息数据以产生远端CDMA信号等步骤。远端CDMA信号包含远端导频信号和数据信号。
该方法接着包括步骤在双工无线信道的反向信道上从移动终端向基站发射远端CDMA信号；基站接收远端CDMA信号，并将远端CDMA信号分离为导频信道和数据信道。该方法接着包括步骤产生基站导频信号和产生基站导频参考信号；分离并延迟基站导频参考信号，以产生基站导频参考信号的一个准时信号，基站导频参考信号的一个超前信号，和基站导频参考信号的一个滞后信号；使用基站导频参考信号的准时、超前和滞后信号分别相关出远端导频信号的一个准时、一个超前、和一个滞后信号。
该方法接下来包括步骤产生基站数据参考信号和利用基站数据参考信号相关出数据信号；跟踪远端导频信号的相位，并响应远端导频信号中的峰值输出一个表明远端导频信号与基站导频参考信号同步的捕获信号；响应捕获信号，可以移动远端导频信号的相位使其与数据信号同步。也可以使远端导频信号从属于基站导频信号。
该方法接下来包括步骤响应捕获信号，测量基站导频信号与基站导频参考信号之间的代码相位差以确定移动终端与基站之间距离；把该距离发射到移动终端，响应该距离，移动终端调节伪噪声码的相位，从而调节了数据信号到达基站的时间并且获得了在基站的正交性。
熟悉本领域的技术人员应当知道，可以对本发明的扩展频谱通信系统和方法进行各种修改而不脱离本发明的范围或精神，并且本发明意图包括对这里说明的扩展频谱通信系统和方法的修改和改变，只要它们在附属权利要求及其等同物的范围内。
权利要求
1.一种用于无线CDMA通信系统中的移动终端，所述无线CDMA通信系统具有多个基站，每一个基站发射一个具有相关码的第一扩频信号，所述移动终端包括用于在所述移动终端接收第一扩频信号的装置；用于针对所接收的每一个第一扩频信号发射第二扩频信号的装置，所述第二扩频信号的相关码与从所接收的所述第一扩频信号在时序上同步化，从而致能各基站以做出延迟决定，其中所述第二扩频信号的相关码与从所接收的所述第一扩频信号的同步化是经由利用所述第一扩频信号的相关码来解扩展所接收的第一扩频信号，由延迟锁相循环处理已经解扩展的所接收的第一扩频信号，以及调整用于解扩展的第一扩频信号的相关码以及时钟脉冲的时序，以响应所述延迟锁相循环，并调整所述第二扩频信号的相关码的时序，以响应所调整的时钟脉冲与第一扩频信号的相关码的时序；用于从每一个基站接收延迟决定的装置；以及用于根据部分往返行程延迟信息决定所述移动终端的地理位置的装置。
2.如权利要求1所述的移动终端，其中所述第一与第二扩频信号是导频信号。
全文摘要
一种用于反向链路同步化的方法，其包含以反向链路方向自移动终端传送信号至基站，其中所述信号所使用的定时是根据以前向链路方向自该基站所接收的传输而设定；在该基站检测所传送的信号中的同步化序列；评估该所传送信号的定时；以及根据所述评估发送定时调整信息至该移动终端为同步化指令，该等同步化指令指示定时调整为码片增加量的八分之一。
文档编号H04J11/00GK1881857SQ20061009969
公开日2006年12月20日 申请日期1998年2月26日 优先权日1997年2月28日
发明者吉尔·拉文 申请人:交互数字技术公司