CN100574300C - 接收器中检测有用信号的装置及方法 - Google Patents

Abstract

依据本发明而用于检测有用信号的装置包含用于自动相关包含周期信号的信号(s(t))的一自动相关单元(AK)，及用于相关该信号(s(t))及已知信号(b(t))的一交叉相关单元(CK)。再者，该装置包含用于逻辑组合该自动相关单元(AK)及该交叉相关单元(CK)的输出的一逻辑单元(VE)，其输出明确界定该有用信号是否被检测出的一组合信号(d(t))。

Description

接收器中检测有用信号的装置及方法

技术领域

本发明是有关接收器，特别是无线接收器中检测有用信号的装置及方法。

背景技术

现在，无线局域网络中每秒最高54M位的数据传输速率可被达成。此规格可于”IEEE 802.11a-Part 11：无线局域网络媒体存取控制(MAC)及实体层(PHY)规格：5GHz频带中的高速实体层”及”IEEE802.11g-Part 11：无线局域网络媒体存取控制(MAC)及实体层(PHY)规格：2.4GHz频带中的另一高速实体层分支”或亦于”ETSI TS 101761-1宽频无线存取网络(BRAN)；高速无线局域网络型2：实体层”中被找出。为了检测有用信号，有用信号的数据丛集开始时被送出的周期信号被寻找。

图1显示除了噪声信号n(t)之外，具有一定义周期的周期信号u(t)发生于特定时间t₀。时间沿着图标x轴被绘制于一采样周期的单位，也就是采样指数，而包含噪声信号n(t)及周期信号u(t)的总信号r(t)振幅沿着y轴被绘制。噪声信号n(t)被重叠于周期信号u(t)上的发生是通过信号检测器来检测。若信号检测器正确地操作，则其必须在时间t₀之前发现是否无周期信号u(t)。周期信号的错误检测于此周期中必须尽可能低。另一方面，一旦周期信号u(t)发生于时间t₀，则信号检测器必须尽快验证周期信号u(t)的出现。错误率接着亦应尽量低。例如，周期信号u(t)及有用信号应以4μs内90％机率来验证。

图2显示该信号检测器的可能使用。包含噪声信号n(t)及可能周期信号u(t)的模拟复合信号r(t)通过具有自动增益控制(AGC)1的放大器来丈量且被供应至模拟/数字转换器2。可被检拾于模拟/数字转换器2输出处的模拟复合信号r(t)被供应至信号检测器3。此外，信号s(t)被供应至接收器4。信号检测器3经由出现于检测器输出DA的信号来通知接收器4周期信号是否已被检测。

因为具有自动增益控制1的放大器改变总功率，所以不足以检测周期信号u(t)来仅监视信号s(t)的改变。具有自动增益控制1的放大器时常使该信号增益适应要求。针对此，功率变动于模拟/数字转换器2的输入及输入信号s(t)功率变化为何不提供周期信号u(t)存在或不存在的可靠信息的信号检测器3的输入DE处。

图3显示如上述IEEE规格所定义的丛集结构，其被用于数据传输及用于传送器及接收器间的同步。丛集结构以亦被称为实体层收敛协议(PLCP)前置或正交分频调变(OFDM)训练队列的短训练队列的前置STP建立而开始。图3中被称为t₁的0.8μs长信号(短训练队列)针对STP内的总共8μs被重复10次。图3中，该重复是通过t₂，t₃，...t₁₀来识别。此是被保护区间GI2及两长训练队列T1及T2的前置LTP建立跟随。LTP亦延伸8μs。因为LTP及跟随LTP的丛集区段SIGNAL，Data1，Data2并不重要，所以下文不进一步讨论。有关这些的解释可于上述规格IEEE 802.11a的区段17.3中被找到。

为了检测接收器端的丛集，前置STP的周期信号t₁，t₂，...t₁₀被使用。为了检测信号s(t)中的周期信号，与其本身相似的周期信号t₁，t₂，...t₁₀可于依据信号周期的转移期间被使用。无周期信号的该例中，信号s(t)亦不应出现任何周期。

第二上述ETSI规格中，短训练队列被定义些微不同，但周期信号的周期在此亦出现。在此参考规格区段5.7及5.8。针对此，周期信号u(t)被重叠于噪声信号n(t)上亦可以相同于此规格例中的方式来检测。

图4以时间图显示总共四信号t₁至t₄的实部分4.1及虚部份4.2，其中样本指针沿着x轴，而任意单元振幅沿着y轴来绘制。采集率为20MHz，也就是16样本对应周期信号u(t)之一重复周期(0.8μs)。图4所示的周期信号的信号t₁至t₄应可通过信号检测器3来检测。

从先前技术”2001年第六届汉堡国际OFDM会议第28-1至28-4页，L.Schwoerer，H.Wirz，Nokia研究中心的IEEE 802.11a实体层的超大规模集成电路实行”中，信号检测器已知其使用以下自动相关函数来检测周期信号：

$c_1\left(t\right)=\left|\underset{t_i}{\overset{t_i+T}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right)s^{*}(t-\mathrm{\τ})\right|---\left(1\right)$

其中τ＝0.8μs为周期信号u(t)的周期，而T为集成或加总周期。

图5显示两时间图其中各例中样本指针沿着x轴，而振幅沿着y轴来绘制。上图显示复合数字信号s(t)。样本指针20处产生周期信号u(t)。下图中，如以上方程序(1)详述的自动相关函数c₁(t)被显示。此例中，信号s(t)并不包含噪声信号。集成或加总周期T为0.8μs。1.6μs(对应32采样)之后，信号s(t)的最后0.8μs与信号s(t)的最初0.8μs完全相关，而自动相关总和于周期信号产生后仍维持固定1.6μs。

图6中，两时间图亦被显示，上时间图再次显示信号s(t)，而下时间图显示自动相关函数c₁(t)。采集率再次为20MHz，但信号s(t)现在出现噪声信号组成。自动相关值c₁(t)现在不再稳定。此外，自动相关值c₁(t)亦甚至于周期信号产生之前偏离值0。为了可靠检测周期信号，必须考虑阈值。若自动相关值c₁(t)超过阈值，则假设周期信号出现。阈值愈高，则依据上述函数c₁(t)的自动相关错误检测周期信号的机率愈低。然而，此结果阈值thr_ac愈高，则周期信号被检测到为止的时间愈长。

自动相关值c₁(t)亦视信号s(t)的功率而定。因此，阈值必须匹配信号功率。因为被向上与信号检测器3安置的可变增益放大器1欲保持输出信号于区间内，所以信号s(t)的功率平均值并非固定。为了避免过度驱动模拟/数字转换器2，此是必要。即使图2所示输入信号r(t)呈现固定平均功率，仍不可立即设定可变增益放大器1为正确值。此首先需要若干调整。由于增益变异，任何例中，信号检测器3输入处的信号s(t)平均功率均会变动。此外，当周期信号被检测到且有用信号被接收时，可变增益放大器1通常仅被设定为固定最终值。针对此，功率必须于检测期间被估计。先前技术中，以下公式被用来估计信号s(t)的功率：

$p\left(t\right)=\left|\underset{t_i}{\overset{t_i+T}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right)s^{*}\left(t\right)\right|---\left(2\right)$

功率p(t)被估计于被用于自动相关期间的信号s(t)最后T秒。

通过以下条件来决定周期信号出现与否：

c₁(t)≥p(t)*thr_ac              (3)

其中thr_ac表示自动相关的阈值(不计量为功率)。若c₁(t)大于或等于p(t)及阈值thr_ac的乘积，则假设周期信号出现。

阈值thr_ac的大小为检测周期信号的预期高可靠性及另一方面检测周期信号的最快可能间的置换结果。

图7中的方块图显示实行上述先前技术中的方程式的信号检测器3配置。

粗线标示复合信号，而细线标示实信号。

图7中方块图所示的信号检测器3具有一输入DE，作为模拟/数字转换器2的复合数字输出信号的输入信号s(t)出现于此。输入信号s(t)被供应至用于功率估计13之一单元，其于其输出处提供依据方程式(2)被计算的功率估计信号p(t)。针对此，用于功率估计13之一单元具有使一量5及一模拟加法器6成方型之一单元。同时，信号s(t)被供应至一自动相关单元15。自动相关单元15包含用于形成共轭复合信号之一单元9，用于延迟信号s(t)一周期τ之一延迟单元10，及将信号s(t)乘上延迟复合共轭信号s*(t-τ)之一乘法器16。具有加法周期T之一模拟加法器11及用于绝对值产生12之一单元被安置于乘法器16之后。自动相关单元15的输出被连接至一决定单元14的第一输入。阈值thr_ac出现于决定单元14的第二输入处。决定单元14的第三输入被连接至用于功率估计的单元13的输出。阈值thr_ac通过乘法器7来计量。依据方程式(3)的阈值条件通过比较器8来检查。信号检测器3的输出DA处，明定周期信号是否被检测到的检测器信号d(t)可被检拾。

使用自动相关来检测信号具有检测周期信号时不必知道周期信号形状的优点。为了检测周期信号，仅其周期τ必须得知。具有大失真或干扰的传输频道例中，被接收信号形状与被传输信号形状相比被大大改变。然而，被传输信号周期仍维持不变。这些传输条件下，接收器正确操作所需的信号噪声比(SNR)通常相当高，但于自动相关所检测的信号大小任何例中可毫无问题地被达成。也就是说，具高失真的频道例中，问题不在于通过检测器中的自动相关来验证(大失真)有用信号的存在，而在于译码接收器4中的有用信号。

近似理想传输频道例中的条件不同。此例中，接收器可操作所需的信号噪声比可非常低，可能低到0dB。此意指接收器仍可译码非常扰杂的有用信号。此情况可能发生于即使接收器可译码几乎无失真，非常扰杂的有用信号，但执行自动相关的检测器仍不能指出有用信号出现时。也就是说：近似理想传输频道例中，问题在于检测信号检测器3中的信号(验证有用信号的出现)，而不在于接收器4中的接续信号译码。

信号检测的问题是损害包含接收器4及检测器3的系统效能。接收器4及检测器3形成似乎呈现递增错误率的总系统。递增错误率具缺点地产生额外再传输。此最后产生全系统的数据产出下降。

发明内容

本发明的目的是明确界定一种检测可达成即使具有不同频道条件的全系统良好效能的有用信号的装置及方法。特别是，即使用于低失真但高噪声的频道，该有用信号仍应以最低可能实行支出被可靠及快速检测。

通过的通过的依据本发明可检测有用信号出现且包含一周期信号的装置包含用于自动相关有用信号可能出现的信号之一自动相关单元，用于交叉相关具有已知信号的信号之一交叉相关单元，用于逻辑组合该自动相关单元及该交叉相关单元的输出之一逻辑单元，其可输出明确界定有用信号是否出现于该信号中的组合信号。

依据本发明可检测有用信号且包含一周期信号的方法呈现以下步骤。有用信号可能出现之一信号通过一自动相关被与本身延迟版本相关，而自动相关信号被形成。此外，该信号通过一交叉相关被与一已知信号相关，而交叉相关信号被形成。该自动相关信号及该交叉相关信号接着彼此被逻辑组合，而明确界定有用信号是否出现于该信号中的组合信号被形成。

本发明基本概念在于通过已知自动相关来扩展有用信号检测，通过交叉相关来扩展有用信号检测。交叉相关程序本身已知，但通常被用于行动无线接收器中的同步任务而非用于信号检测(验证有用信号的出现)。

具高噪声位准的信号中，与自动相关相较下的交叉相关重要优点是已知信号并不供应噪声组成，因此并无如方程式(1)中的两噪声因子s(t)及s*(t-τ)彼此相乘的乘积。该结果于信号检测中为较佳无噪声。

的依据本发明的装置较佳包含用于估计信号(s(t))振幅之一振幅估计单元，被该振幅估计单元输出的振幅估计信号被供应至该逻辑单元。此法中，可达成不同信号强度对有用信号检测不具有任何影响或仅具有非常小影响。

依据本发明另一较佳实施例，该逻辑单元包含被向下连接该自动相关单元之一第一决定单元，其可输出明确界定有用信号是否已被自动相关检测到之一第一逻辑信号，被向下连接该交叉相关单元之一第二决定单元，其可输出明确界定有用信号是否已被交叉相关检测到之一第二逻辑信号，及一OR(或)组件，被向下连接该两决定单元，其可输出组合信号。该逻辑单元呈现低实行支出。

作为此的替代，该逻辑单元以仅单阈值决定被执行的方式来建构。此例中，自动相关单元的输出信号及交叉相关单元的输出信号于各例中被加权，且该被加权输出信号被逻辑组合来产生组合信号，如被添加及接受阈值决定。

依据本发明的装置及方法可被较佳用于无线局域网络，特别是依据IEEE 802.11a标准或IEEE 802.11g标准或ETSI TS 101761-1(BRAN)，高速无线局域网络型2标准。

附图说明

下文中，本发明将通过实施例参考复图做说明，其中：

图1显示周期信号被重叠其上的被评估的噪声信号时间图；

图2显示用于检测周期信号的信号检测器可能应用方块图；

图3显示如IEEE规格中说明的丛集结构；

图4显示图3的训练队列前置传输期间的信号时间图；

图5显示出现于信号检测器输入处的信号的信号变异及自动相关函数的相关变异；

图6显示呈现噪声组成及出现于信号检测器输入处的信号的信号变异及自动相关函数的相关变异；

图7显示类似先前技术的信号检测器结构方块图；

图8A显示呈现噪声组成及出现于信号检测器输入处的信号的信号变异；

图8B显示来自图8A的自动相关信号的变异；

图8C显示来自图8A的交叉相关信号的交叉相关变异；及

图9显示依据本发明的信号检测器结构方决图。

具体实施方式

图1至图7的说明于下文将不做进一步详细讨论，但有关本发明的此观点已解释作为参考。

若传输频道仅出现低失真，则可将噪声从方程式(1)中的两因子之一移除。此例中，被接收信号为已知，而其与图4相较下类似被传输信号。因此，有用信号亦可通过以下方程序来检测：

$c_2\left(t\right)=\left|\underset{t_i}{\overset{t_i+T}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right)\left(b^{*}\left(t\right)\right)\right|---\left(4\right)$

其中b(t)为已知被传输信号的T秒长信号组成。例如，此信号组成可为前置STP的信号或符号t₁及t₂或亦可为已知于接收器中的被传输信号的另一信号区段。再者，除了方程式(4)中的b(t)之外，从b(t)被导出或被转换的信号亦可被使用，如sgn(b(t))，其中sgn(·)为符号函数。

方程式(4)说明已知信号b(t)的信号s(t)(或从已知信号b(t)被导出的信号)的交叉相关。该交叉相关通常被用于同步。然而，依据本发明的解决方案中，其被用来检测有用信号。

图8A显示噪声信号8.2被重叠其上的有用信号8.1。仅该两信号的实部分被显示。采样值指针(20MHz采样率)沿着时间图x轴，而总信号s(t)的实振幅沿着y轴来绘制。样本指针20处出现有用信号8.1。很明显地，有用信号8.1几乎”被淹没”于噪声中，也就是出现低信号噪声比。

图8B显示依据方程式(2)的自动相关变异。在此，采样值指针亦沿着x轴，而振幅亦沿着y轴来绘制。在此，变异8.3显示用于无噪声有用信号的自动相关预期变异。具有噪声信号的有用信号自动相关被显示为信号变异8.4。明显地，可看到信号变异8.4非常偏离预期信号变异8.3。特定情况下，依据方程式(3)的功率控制阈值并不及时达成，其对应信号接收中的错误(为了降低错误检测机率，功率控制阈值p(t)*thr_ac必须相当高)。

图8C的时间图中，图8A所示的交叉相关的信号变异8.5被显示。在此，采样值指针亦沿着x轴，而振幅亦沿着y轴来绘制。下文中，亦被称为滤波器b(t)的已知信号部分b(t)，被形成自第三同中的两信号t₁及t₂。与滤波器长度无关的图8C中的峰值是每0.8μs出现一次。其值尚未被噪声扭曲严重。如上述，这些峰值通常被用来同步信号。然而，本例中，其被用来检测有用信号。针对此，另一阈值thr_cc与被用于自动相关期间的阈值thr_ac相较下被选择。该被选择阈值thr_cc必须确保不可能有特定机率的错误检测。

如方程式(1)中，方程式(4)的输出值c₂(t)视信号强度而定。然而，因为方程式(4)中仅两因子之一视信号强度而定，所以必须考虑信号s(t)振幅而非其功率。例如，此可通过依据方程式(2)撷取p(t)的平方根并使用其来计量该阈值thr_cc而达成。

可替代是，亦可以近似来运作。以下方程序可被用来近似信号振幅：

$m\left(t\right)=\underset{t_i}{\overset{t_i+T}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|\mathrm{Re}\left(s\left(t\right)\right)|+|\mathrm{Im}\left(s\left(t\right)\right)\left|\right)---\left(5\right)$

此产生进一步检测准则：

c₂(t)≥m(t)*thr_cc             (6)

其中thr_cc为第二阈值(用于交叉相关的阈值)。

也就是一旦高于乘积m(t)*thr_cc的相关峰值出现，则假设检测到有用信号。再者，这些峰值的周期可被用来提供检测有用信号的更强力算法。

依据方程式(3)及(6)的两检测准则是通过如OR组合而被逻辑组合。对应方块图被显示于图9。出现于检测器输入DE处的输入信号s(t)被供应至自动相关单元AK及交叉相关单元CK。两相关单元AK及CK的输出信号c₁(t)及c₂(t)分别通过逻辑单元VE彼此被逻辑组合。若个别条件被满足，则逻辑单元VE可依据方程式(3)及(6)来检查该条件并于各例中内部产生逻辑状态”1”。这些逻辑信号被OR组合于逻辑单元VE中。亦形成检测器3输出的OR组件的输出DA处(无单独显示)，提供有用信号出现的信息的检测信号d(t)可被检拾。若OR组件的输出DA位于逻辑状态”1”，则此可被解释为出现有用信号。

使用依据本发明的解决方案，有用信号现在亦可于最大改变情况下被可靠及快速检测。依据本发明的解决方案以高信号噪声比要求的失真频道及非常低允许信号噪声比的几乎理想频道来正确操作。此增加被正确接收的丛集数量。被在传输的丛集数量下降。因此，可达成可用频宽较佳使用及更大数据产出。

通过包含以交叉相关为基础的准则(方程式6)，选择自动相关的适当阈值thr_ac亦变成较简单，因为其可被维持于较高值来达成较低错误检测机率。

除了用于逻辑组合两相关单元AK及CK的OR组件外，相关单元AK及CK的两输出亦可通过加权单元彼此被逻辑组合。除了计量之外，输出信号c₁(t)及c₂(t)亦可被加权，也就是考虑到依据方程式(3)及(6)的信号功率及信号振幅。该逻辑组合可为如自动相关单元AK及交叉相关单元CK的被计量，被加权及被相加的输出信号c₁(t)及c₂(t)的阈决定。

加权可如预期决定地调整两检测机构(自动相关，交叉相关)的相对影响。

见图2，如图8所示依据本发明的检测器3的输入DE可被连接至模拟/数字转换器2的输出。检测器3的输出DE处，做为模拟/数字转换器2的复合数字输出信号的输入信号s(t)接着可被施加。

图9所示本发明实施例不限于仅依据上述两规格检测有用信号。本发明亦可被用于检测实信号。

再者，应指出本文献中，”自动相关”项不仅包含如方程式(1)中明确界定的信号s(t)与其本身的自动相关，亦包含信号s(t)与被导出自该信号s(t)的(时间延迟及共轭复数)信号的相关。此意指自动相关信号c₁(t)亦可依据如以下方程序来形成

$c_1\left(t\right)=\left|\underset{t_i}{\overset{t_i+T}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right){\left(\mathrm{sgn}\left(s(t-\mathrm{\τ})\right)\right)}^{*}\right|---\left(7\right)$

其中sgn(x)为复合值例中的复合信号s(t)的正负号，依据以下被定义

sgn(x)＝sgn(Re(x))+j·sgn(Im(x))      (8)

其中j为虚单元。因为信号sgn(s(t-τ))^*振幅为固定，所以此例中自动相关信号c₁(t)亦必须以平均信号振幅m(t)而非以功率p(t)来计量。也就是用于功率估计的单元13可被删除，而仅依据方程式(5)的用于信号振幅估计的单元为必要，其可以远较用于功率估计的单元13为低的支出来实行。

亦强调许多例中，因为已出现用于信号同步的交叉相关器电路亦可被用于交叉相关，所以发明所需的硬件部分甚至全部均已存在于接收器中。

Claims (16)

1.一种检测包含周期信号的有用信号的装置，包含

-用于自动相关该有用信号可出现的第一信号(s(t))的一自动相关单元(AK)，

-用于交叉相关第一信号(s(t))与已知信号(b(t))的一交叉相关单元(CK)，及

-用于逻辑组合该自动相关单元(AK)及该交叉相关单元(CK)的输出的一逻辑单元(VE)，其输出明确界定该有用信号是否被检测出的一组合信号(d(t))。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置包含用于估计该第一信号(s(t))振幅的一振幅估计单元，且其中被该振幅估计单元输出的该振幅估计信号被供应至该逻辑单元(VE)。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于该装置包含用于估计该第一信号(s(t))功率的一功率估计单元(13)，且其中被该功率估计单元(13)输出的该功率估计信号被供应至该逻辑单元(VE)。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于该逻辑单元(VE)包含：

一第一决定单元(14)，被向下连接该自动相关单元(AK)，输出明确界定该有用信号是否被自动相关检测出的一第一逻辑信号，

一第二决定单元，被向下连接该交叉相关单元(CK)，输出明确界定该有用信号是否被交叉相关检测出的一第二逻辑信号，及

一OR组件，被向下连接该两决定单元且输出该组合信号(d(t))。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于该逻辑单元(VE)以加权该自动相关单元(AK)的输出信号(c1(t))及该交叉相关单元(CK)的输出信号(c2(t))，并且逻辑组合被加权的输出信号(c1(t))；(c2(t))来产生该组合信号(d(t))的方式被建构。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于该逻辑组合为加总的该被加权的输出信号(c1(t)；c2(t))的阈值决定。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于该用于该交叉相关的该已知信号(b(t))为被检测的该有用信号的周期信号。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述信号转换为形成正负号。

9.一种检测包含周期信号的有用信号存在的方法，

其中该有用信号可出现的第一信号(s(t))是通过自动相关而与其本身相关，且形成自动相关信号(c1(t))；

其中第一信号(s(t))通过交叉相关而与已知信号(b(t))相关且形成交叉相关信号(c2(t))；

-其中该自动相关信号(c1(t))及该交叉相关信号(c2(t))彼此逻辑组合以形成明确界定该有用信号是否出现于该第一信号(s(t))中的组合信号(d(t))。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于估计该第一信号(s(t))的振幅，其中该组合信号(d(t))是视振幅估计结果而定。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于估计该信号(s(t))的功率，其中该组合信号(d(t))视功率估计结果而定。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于

其中，依该自动相关信号(c1(t))而形成明确界定该有用信号是否被自动相关检测出的第一逻辑信号，

其中，依该交叉相关信号(c2(t))而形成，明确界定该有用信号是否被交叉相关检测出的第二逻辑信号，及

其中该两逻辑信号是通过OR运算而逻辑组合来形成该组合信号(d(t))。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于为了形成该组合信号，将该自动相关信号(c1(t))及该交叉相关信号(c2(t))进行加权，且将被加权的自动相关信号及被加权的交叉相关信号进行逻辑组合来形成该组合信号(d(t))。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于将被加权的自动相关信号及被加权的交叉相关信号相加而形成该组合信号(d(t))，而该该组合信号(d(t))是受到阈值而管制。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于该有用信号为无线局域网络中的有用信号。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述无线局域网络为IEEE 802.11a标准或IEEE 802.11g标准或ETSI TS101 761-1(BRAN)或高速无线局域网络型2标准所主张的无线局域网络。

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