在dsss信号的前导码检测之前的频率偏移估计和校正的方法及装置的制造方法
【专利说明】在DSSS信号的前导码检测之前的频率偏移估计和校正的 方法及装置
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求 2014 年 5 月 21 日提交的题为"Frequency offset estimation and correction on oversampled signal prior to acquisition or preamble detection of direct sequence spread spectrum(DSSS) signal for smart utility networks,'，的专利 号62/001，289的美国申请的优先权，该美国专利申请通过引用全部并入在此。
技术领域
[0003] 本申请涉及通信系统，并且具体涉及直接序列扩频（DSSS)信号通信系统。更具体 地，构成本申请的多方面的配置涉及诸如在智能公用网络系统中所使用的（例如，但不限 制本申请）接收的DSSS通信中的载波频率偏移校正。
【背景技术】
[0004] DSSS网络用于实现跨越空中系统。在一个示例中，智能公用事业网络（SUN)是专 门设计用在公用事业计量应用中的低速率（5kb/s至IMb/s)、低功率、无线通讯技术，公用 事业计量应用诸如用于将电、燃气或水的使用数据从客户终端上的一个或多个仪表传输到 操作用于公用事业的数据采集点。该数据采集点可以接着通过类似的或不同的接口被连接 到用于公用事业的中心局，该接口可以是例如到包括中心局的网络的光纤、铜线或其它高 速有线连接的高速"回程"。
[0005] 在现有的已知解决方案中，不同的物理层（PHY)可被用于跨越空中网络的通信， 例如，包括频移键控（FSK)、直接序列扩频（DSSS)以及正交频分复用（OFDM)的SUN。在封 闭的公用事业网络的示例DSSS通信系统中，被允许进入网络的设备可以由公用事业操作 员或网络操作员来控制。注意，虽然在此所讨论的用于说明的示例中的一些包括智能公用 事业网络的操作，但是被公开为本申请的多方面的配置并不受此限制，并且该配置一般可 以结合DSSS通信网络来应用和使用。
[0006] 相关称为IEEE标准号802. 15. 4g的由IEEE计算机协会于2012年4月27日发布 的题为"Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPAN) " 的标准已经由 IEEE 颁 布，并且该标准由LAN/MAN标准委员会发起。该标准确定低数据速率、无线、智能计量公用 网络（SUN)的物理层（PHY)规范。该标准旨在提供促进非常大规模的过程控制应用诸如公 用事业智能电网网络的全球使用标准，该全球使用标准能够以最小的基础设施支承大的、 不同地理位置的网络并且潜在地包含数百万个固定端点。注意的是，本申请的配置不限于 包括SUN应用的特定环境，但是形成本申请的多方面的各种配置适用于此类应用。
[0007] 图1是由IEEE 802. 15. 4g规范定义的100千码片/秒（kchip/sec)的DSSS物理 层报文（packet)的一部分的图示。在DSSS通信系统中，"码片（chip) "指的是具有持续 时间等于1/码片秒速率的单个电脉冲。例如，在IOOKchip速率系统中，码片持续时间将 是1/100,000 = 10uS。图1中的DSSS报文100包括字段，诸如同步头（SHR) 110、物理层头 (PHR) 112以及物理层服务数据单元（PSDU) 114。每个SHR包含可以由接收器利用的用于检 测DSSS报文的前导码（preamble) 120和帧起始定界符（SFD) 122。对于100千码片/秒模 式，前导码120包含32比特，该32比特与32个扩展码一起扩展以形成示出的130、132的 (32比特X 32扩展的）1024个码片的串。SFD 122包含16比特，该16比特也与32个扩展 码一起扩展。当前申请的方面提供将提高前导码120的检测的方法和装置。
[0008] 在此所描述的示例通信系统中，相移键控被用于调制数据。在相移键控（PSK)中， 数字调制用于通过调制参考信号或载波的相位来传送数据。在正交相移键控（QPSK)中，星 座图上的四个点被使用，这四个点围绕圆均匀分布，提供四个阶段。因此2个比特可以被用 来表示正交相位。在此所描述的示例中，偏移QPSK或O-QPSK调制被使用。在O-QPSK中，符 号的同相分量和正交分量或I和Q分量的两个部分，通过其二者之间的偏移而被发送。以 这种方式，仅两比特中编码方案中的一比特在给定时间处改变，并且因此由于噪声或干扰 引起的符号接收中可能发生的接收错误可以被减少。
[0009] 图2是描绘如由IEEE 802. 15. 4g规范定义的现有技术的DSSS报文的标准化发射 器的框图。图1示出偏移正交相移键控（O-QPSK)调制器210的码片时序。发送的数据在 被耦合到O-QPSK调制器210之前在202处被编码、扩展和级联（concatenated)。O-QPSK 调制器210包含本地振荡器282,该本地振荡器282被设计为与接收器的本地振荡器相同的 规定频率而振荡，并且用于产生发射机的载波频率。接收器具有用于解调接收信号的相同 的频率。
[0010] 图3是描述使用差分序列执行DSSS前导码的检测的现有技术系统300框图。在图 3中，接收器/采样器302被耦合到O-QPSK解调器380。在解调器380内，本地振荡器382 被设计成以与（如以上图2所示）接收器的本地振荡器相同的规定频率而振荡。O-QPSK解 调器380被耦合到例如码片差分块312,该码片差分块312耦合到累积块314。累积块314 被耦合到关联块316,该关联块316产生输出318,指示该前导码已经找到。流312-316被 示出为第一个样本。类似的处理发生在每个后续时序信号，因为它们如由3个流：第二（2 nd) 样本的流322-326、第三（3fd)样本的流322-326以及第四（4th)样本的流342-346所示的 那样到达。
[0011] 在这个示例300中，4倍（4X)过采样被用来在4个离散时间处对块302中的信号 采样。4个信号样本以每过采样时钟一个样本的速率顺序到达。每个信号样本的处理由一 系列的3个块312、314、316来说明。每个块（312、314以及316)中的处理在1个过采样时 钟周期内完成。虽然4个定时样本中的每个的处理流程在300中被描绘，但是在实际的接 收器中，仅存在每个块的单个实例，这是因为采样后的信号到达并且顺序通过块而被处理。 替代地，更多块可以被使用。
[0012] 在如图3所示的操作中，DSSS信号接收自例如天线，并且以4倍（4x)码片率在块 302中被采样。I/Q信号303传输到O-QPSK解调器380, I/Q信号在O-QPSK解调器380中 利用接收器的本地振荡器382作为载波频率被下变频。第一相位的差分码片值在块312中 被计算，并且与块314中之前的数据一起被累积。累积之后，每个样本可以在块316被关联 到已知的码片扩展值，并且该结果可以与阈值比较。当超出阈值时，该结果表明前导码已经 被定位（在块318中）。在一种方法中，单个信号样本可以被用于检测序列中的前导位置， 然而，附加的信号样本322-342的处理提高前导码的检测的成功率，并且通过使用校正的 载波频率检测前导码提高了系统的性能。利用该配置，即使在具有较低信噪比（SNR)特征 的环境中，包括具有干扰设备的环境也能够进行前导码检测。
[0013] 示例的DSSS信号前导码检测系统在由Timothy Mark Schmidl申请的美国专 利公开号为 US2013/0202014A1 的题为"DSSS Preamble Detection for Smart Utility Networks"的美国专利中被描述，其与本申请共有，并且该申请在此通过引用被全部并入。
[0014] DSSS接收器可以在公用事业网络中使用。例如，公用仪表通常安装在居民区中的 每个房子中。仪表数据可以经由RF传输无线地被发送并且由被称作读取器的移动或固定 点采集装置来接收和读取。有些读取器将定期广播使得读取器成为简单的接收器。在其他 实例中，客户端（customer premise)仪表的发射器保持在睡眠状态，等待来自读取器的传 输或轮询消息。读取器的传输使得仪表"唤醒"并且发送累积的数据，该累积的数据接着由 读取器接收。
[0015] 移动读取器可以是车载或根据读取器或其他配置亲自携带。对于最安全最快速的 数据采集，移动读取器优选放置在公共通道上，因此，没有必要输入客户的属性。这允许在 仪表不能够被看到的情况下的公用仪表数据采集，当客户不在家时，该属性存在危险情况， 诸如建筑或狗的存在或使物理读取仪表数据有困难的一些其他障碍。RF仪表数据采集通 过操纵移动读取器足够接近仪器以使信号能够被读取而发生。在路由或仪表读取会话结束 后，移动读取器返回到中心局或基准位置并且仪表读数被传送以便处理。
[0016] 移动读取器非常普遍并且读取器在路由上采集数据之前简单地检查读取器。因为 仪表以这种方式被使用时，存在不同的物理读取器在不同的读取时间处沿给定的路由被使 用的机会。每个读取器包括执行以上所描述的前导码检测的DSSS接收器，该DSSS接收器包 括具有以不同于先前用于读取路由上的仪表的读取器的频率而振荡的