專利名稱：用于擴展頻譜碼分多址通信的正交碼同步系統和方法
技術領域：
本發明涉及擴展頻譜通信，特別是涉及利用正交碼和移動終端與基站之間距離的信息調節和對準信息信道的相位以便在基站取得正交性的系統和方法。
背景技術：
參考圖1，擴展頻譜調制器51利用消息碼片碼(message-chip-code)信號g1(t)處理消息數據d(t)，以產生擴展頻譜數據信號。發射機52利用在載頻f0的載波信號處理擴展頻譜數據信號，并通過通信信道53發射。
在接收機，擴展頻譜解調器54去擴展接收的擴展頻譜信號，并且通過同步數據解調器60把消息數據恢復為接收數據。同步數據解調器60利用一個參考信號同步解調去擴展的擴展頻譜信號。用平方律器件55，帶通濾波器56和分頻器57從接收的調制數據信號產生參考信號是已知的現有技術。科斯塔斯鎖相環或其它參考信號發生電路適用于此目的。
在一個衰落信道中，例如電離層或任何包含多徑的信道中，或更一般的任何其中接收的信號幅度隨時間波動的信道中，因為輸入信號的相位一般與參考信號的相位并不相同，所以同步解調不能實行。在這種情況下，使用差分相移鍵控(DPSK)。利用DPSK把接收信號延遲一個碼元，并乘以基礎信號。如果所得的相位小于±90°，則宣告為一個0-位，否則宣告為一個1-位。這樣一種系統是復雜的，并且在10-2差錯率有大約6dB的退化。
現有技術沒有提供利用擴展頻譜調制與基站同步通信并且結合使用到移動終端的距離在基站獲得正交性的系統和方法。
發明內容
本發明的一般目的是一種可以用作個人通信服務的地理定位系統和方法。
本發明的一個目的是一種用于同步傳送嵌在CDMA信號中的調制數據信號，和地理定位遠端單元，并且無論信號是否衰落都能良好執行的系統和方法。
本發明的另一個目的是一種使用一分離的擴展頻譜信道作為數據鏈路的導頻信號，以地理定位遠端單元和解調嵌在CDMA信號中的調制數據信號的地理定位系統和方法。
本發明的一個附加目的是同步擴展頻譜通信和地理定位系統。
本發明的再一個目的是利用正交碼和到移動終端的已知距離以在基站獲得移動終端用戶數據信號的正交性的擴展頻譜系統和方法。
本發明還有一個目的是一種在一雙工無線信道的反向鏈路上利用正交碼系統和方法。
當前蜂窩CDMA系統不在反向鏈路上使用正交碼。實際上IS-95系統在反向鏈路上使用非相干檢測。這是由于當擴展碼從多個移動用戶到達基站時難于使它們相互同步。為了使代碼正交，不同的代碼必須在基本上相同的時間開始，并且結束于恰當的時間。因此，由于移動用戶站離開基站不同的距離，并且可能在運動，因而既使所有信號在它們離開移動站時被同步，當這些信號到達基站時不同的路徑長度也將使它們不同步。
如果在適當的時間進行抽樣或如果預定的波形在時間上適當地對準，在檢測處理中至少有三種不同的信號可以增益。這兩個概念，即，在適當的時間進行抽樣或將已知的波形對準，一般被稱為同步化。在載波同步的情況下，必須跟蹤正確的載波相位。這意味著也遵循正確的頻率，因而，已知波形被相位對準。在PN碼同步情況下，必須參照接收的PN碼滑移本地產生的PN碼的相位，直到兩個信號具有準確的相位對準；通過使本地產生的PN碼的碼片時鐘鎖定于接收的PN碼的時鐘來維持這種對準。這也是對已知波形的相位對準。
在信息信號的情況下，必然涉及有某種程度的不確定性，或可能沒有發射的信息。因此，如果信息是以逐位基礎發射的，決策是在信息的每一位期間作出的。如果使一個噪聲平均值濾波器或積分器與預定的比特率匹配，而不是與預定波形的預定相位匹配，并且如果在比特周期的末尾進行抽樣而使積分處理到達最大值，那么可以測量出接收信號的相位或幅度，以確定信息的內容。例如，一個在fc的預定波形的載波正弦波，在預定的相位持續數百個周期。然后信息信號可能使相位變動到另一個預定的并且是可接受的相位角。這種相位上的改變可以代表一個包含著信息比特的碼。現有技術包括了許多用于既使在接收的載波由于信息而偶爾改變其相位時也能維持同步的本地載波的技術。
在CDMA系統中，有一種比從信息信道導出干凈的本地載波更好的方式在接收機導出干凈的本地載波。在CDMA系統中，可以發送相同的、但是具有疊加在其上的不同的PN碼的RF載波。這種信號其上沒有未知的信息；它是鏈路兩端都知道的完全預定的信號。由于這種信號具有與用戶信息信道碼不同的碼，因而完全可以從用戶信息信道中分辨出它。因此，兩個信號可以在同一時間占據相同的頻譜，并且僅造成相互之間的很小的干擾。這種信號稱為導頻信道，并且可以在接收機用一個能夠使它成為十分穩定的參考信號的窄帶濾波器對其進行濾波。然后把用戶信息信道相位與這個干凈的參考比較，以確定進行什么改變來反映用戶信息信道上的信息。在前向鏈路上，把相同的導頻信道用作許多移動用戶站的參考。結果，可以使導頻信道的功率比一個單獨的用戶信息信道的功率大幾倍，而對基站發射的總功率仍舊只有小的影響。這種功率因素，加上所有信號都有相同起始點和相同的定時源的事實，使得易于在這種前向傳輸鏈路上使用正交碼。所有的移動用戶接收相同的復合CDMA前向傳輸信號，和使用相同的導頻信道，以從復合CDMA信號中提取它們的分配的用戶信息信道。
導出和檢測正交碼的復雜性導致實際正交碼相對的短，即，對于IS-95系統是64碼片，一些其它建議為128碼片。這些短碼限制了可用檢波前處理增益。由于這些碼是連續重復的，所得的頻譜結構是由少數具有大的行間距的行構成的；這不是希望得到的強類噪聲碼。因此，如同在IS-95的情況下，把一個更長、更強的類噪聲碼疊加在正交碼之上。如果導頻信道碼也是正交碼之一，那么它不會把噪聲提供到信息信道中。在IS-95的情況中，導頻是沃爾什(Walsh)碼0，這意味著它只是疊加的類噪聲碼，因為沃爾什0碼全是零。為了達到充分刪除伴隨的正交碼，必須將碼與所有恰在同時發生的零點交叉完全對準。任何的誤對準都會產生將對希望的信號造成干擾的不匹配的低頻干擾。在前向鏈路上，把多個發射到所有移動站的信號相加在一起，形成一個復合CDMA信號。結果，信號相互間完全對準，并且由于所有的信號通過相同的路徑，因而它們將保持對準。因此，正交碼是可實際應用的，并且可以直接實現。唯一的缺點是受限的處理增益，和有限的可用碼數量。
由于不同的碼是從不同移動站始發的，而這些移動站作為與所有信號必須完全對準地到達的基站的距離的函數而隨機分布，所以在反向鏈路上應用正交碼更為困難。這表明，為了使所有信號同步地到達基站，每個移動站必須在不同的時間開始它的參考點，以補償路徑長度上的變化。一直認為這太困難，而不能在當前系統中實際應用。第5,404,376號美國專利提出了這樣的建議，使基站建立和播送移動站接收的C/I與根據測量數據不斷更新的距離之間的關系。根據這種關系，移動站估算將使PN碼與其它移動站的發送幾乎同步到達基站的PN碼相位。這種方法存在著許多問題。特別是，難于保持C/I與離開基站距離之間的一致的關系。既使在最好的情況下，這種關系將取決于傳播路徑的方向。第5,404,376號美國專利提出了一些復雜的技術，通過這些技術加入校正因數以適應方向或移動站所在的扇區。最好的結果也只是一種估算，并且仍然有大量的必須尋求的不確定性。本發明通過用一種唯一的、簡單且直接的方式確定移動站與基站的距離而克服了這些困難。
根據本發明，在這里作為具體和廣泛的說明，提供了一種用于通過雙工無線信道通信的擴展頻譜碼分多址(CDMA)通信系統和方法，其包括至少一個基站和多個移動終端。在基站和移動終端之間傳遞消息數據。消息數據包括，但不限于，數字話音，計算機數據，傳真數據，視頻數據，等等。基站通過前向信道向多個移動終端傳送基站消息數據。移動終端通過反向鏈路向基站傳送遠端消息數據。在這里定義基站消息數據為從基站始發的消息數據，遠端消息數據在這里定義為從移動終端始發的消息數據。
用偽噪聲碼擴展頻譜處理遠端消息數據以產生擴展頻譜處理的遠端消息數據。擴展頻譜處理的遠端消息數據與一個遠端導頻信號組合以產生遠端CDMA信號。遠端CDMA信號包含遠端導頻信號和數據信號。
遠端CDMA信號在雙工無線信道的反向信道上從移動終端發射到基站。基站接收遠端CDMA信號，并把該遠端CDMA信號分離為導頻信道和數據信道。基站產生一個基站導頻信號和一個基站導頻參考信號。分離并延遲基站導頻參考信號，以產生一個基站導頻參考信號的準時信號，一個基站導頻參考信號的超前信號，和一個基站導頻參考信號的滯后信號。利用基站導頻參考信號的準時信號，超前信號和滯后信號分別相關出遠端導頻信號的準時、超前和滯后信號。基站還產生基站數據參考信號，并利用基站數據參考信號相關出數據信號。
跟蹤遠端導頻信號的相位，并且響應遠端導頻信號中的峰值，輸出一個表明遠端導頻信號與基站導頻參考信號同步的捕獲信號。響應捕獲信號，測量基站導頻信號與基站導頻參考信號之間的代碼相位差，以確定移動終端和基站之間的距離。在前向信道上把距離發送到移動終端，移動終端響應該距離調節偽噪聲碼的相位，以調節數據信號到達基站的時間，和獲得與其它到達基站的移動終端數據信號的正交性。
基站可以用四種控制模式中的一種在雙工信道的反向鏈路上接收來自移動終端的數據。在第一種模式中，移動終端在反向鏈路上發送與基站導頻不同步的獨立的用戶導頻，并且把用戶數據信道同步于這個獨立的用戶導頻。在第二種模式中，移動終端使它的用戶導頻從屬于它從基站接收的導頻，并且把用戶數據信道與這個從屬用戶導頻同步。為了地理定位和迅速重新捕獲的目的，第二種模式允許用戶終端接收往返行程時延信息。在第三種模式中，如同模式二的情況，移動終端使它的導頻從屬于輸入的基站導頻，但是用戶數據信道利用從基站接收的測距信息以正交模式操作。校準用戶導頻信道和用戶數據信道之間的相位關系。用戶導頻載波也是用戶數據信道的載波，并且可以用作檢測用戶數據信道的載波參考。在第四種模式中，使用模式三的從屬導頻的方式捕獲，但是，在捕獲之后，移動用戶導頻碼的相位，以便與用戶數據信道同步，因而也使它成為一個正交信道。在這種模式中，在蜂窩內導頻不再對用戶數據信道造成干擾，并且可以用更高的功率電平發射。
以下的說明中部分指出了本發明的附加目的和優點，并且可以部分地從說明中了解，或可以通過實踐本發明而了解。
與說明書結合并構成其一部分的附圖示出了本發明的優選實施例，并且與說明書一同用來解釋本發明的原理。
圖1是用于同步恢復消息數據的現有技術方案；圖2示出了一個根據本發明的具有一個位同步器、同步于一個通用碼片碼發生器的同步擴展頻譜系統；圖3A示出了用于多個消息數據的同步擴展頻譜發射機系統；圖3B示出了一個利用一同步檢波器接收多個擴展頻譜處理的信號的擴展頻譜接收機；圖3C示出了一個利用一非同步檢波器接收多個擴展頻譜處理的信號的擴展頻譜接收機；圖4示出了一種同步擴展頻譜解調方法；圖5是一個用于與遠端單元同步通信并地理定位該遠端單元的基站的方框圖；圖6是一個用于與基站通信和地理定位的遠端單元的方框圖；圖7是根據本發明的正交碼同步系統和方法的移動終端的方框圖；和圖8是正交碼同步系統和方法的基站的方框圖。
具體實施例方式
現在詳細說明本發明的優選實施例，實例顯示在附圖中，其中在數個示圖中相同的參考號表示相同的元件。
本發明的擴展頻譜通信和正交碼同步系統和方法是具有07/626,109的序列號和1990年12月14日申請日，現在公開的美國專利號5,228,056，由DonaldL.Schilling申請的題目為“同步擴展頻譜通信系統和方法”的美國專利申請所披露的發明的繼續。為了完整地公開，下面的討論包括出現在原始專利申請中的公開部分，并且隨后進入根據本發明的正交碼同步化的討論。
本發明的擴展頻譜信號被設計成對于其它用戶是“透明的”，也就是說，擴展頻譜信號被設計為對于其它現存用戶的通信只有可忽略的干擾。擴展頻譜信號的存在很難確定。這種特性被稱為低截獲可能性(LPI)和低檢測可能性(LPD)。擴展頻譜的LPI和LPD特性允許在一擴展頻譜CDMA通信系統的用戶之間的傳輸，而移動蜂窩系統的現存用戶不會感受到顯著的干擾。本發明在移動蜂窩系統中或固定服務微波系統中關于預定信道利用了LPI和LPD。通過使每個擴展頻譜信號的功率電平低于預定的電平，那么來自一蜂窩內的使用的所有擴展頻譜的總功率不會干擾移動蜂窩系統中的移動用戶，或固定服務微波系統中的微波用戶。
擴展頻譜也是抗“阻塞”或干擾的。擴展頻譜接收機擴展干擾信號的頻譜。這減小了來自干擾信號的干擾，因而使得它不會顯著地降低擴展頻譜系統的性能。這種干擾減小的特性使得擴展頻譜對于商業通信是有用的，即，可以把擴展頻譜波形疊加在現存窄帶信號之上。
本發明使用了利用調相技術的直接序列擴展頻譜。直接序列擴展頻譜取得要發射的功率，并把它擴展到很寬的帶寬上，因而使得每單位帶寬的功率(瓦/赫茲)最小。當完成了這種處理時，被移動蜂窩用戶或微波用戶接收的具有相對窄的帶寬的發射擴展頻譜功率僅是實際發射功率的一小部分。
在固定服務微波系統中，例如，如果把一個具有10毫瓦的擴展頻譜信號在10MHz的固定服務微波帶寬上擴展，并且微波用戶使用具有僅為2MHz信道帶寬的通信系統，那么在窄帶通信系統中，由一個擴展頻譜信號引起的有效干擾功率被減小到原來的10MHz/2MHz分之一。對于五十個擴展頻譜的同時用戶，由擴展頻譜引起的干擾信號的功率增大五十倍。
導致干擾減小的擴展頻譜的特性在于擴展頻譜接收機實際上是把接收的任何干擾的能量擴展到同樣寬的帶寬上，在本例中是10MHz，而把希望的接收信號的帶寬壓縮到它的起始帶寬。例如，如果希望的消息數據的起始帶寬僅是30kHz，那么在基站產生的干擾信號的功率被減小到原來的10MHz/30kHz分之一。
直接序列擴展頻譜通過利用一個相對于數據帶寬的強寬帶信號調制原始信號完成了頻譜的擴展。選擇這個寬帶信號使其具有兩個可能的幅度，+1和-1，并且這兩個幅度以一種“偽隨機”方式周期性地切換。因此，在每個等間距的時間間隔，作出寬帶調制信號應當是+1還是-1的判定。如果用拋硬幣的方式作出這種判定，那么得到的序列會是真正隨機的。但是，在這樣的情況下，接收機將不能先驗地知道該序列，和不能適當地接收發射信號。作為替代，碼片碼(chip-code)發生器電子地產生一個近似隨機序列，稱為偽隨機序列，其對于發射機和接收機都是先驗知道的。
碼分多址碼分多址(CDMA)是一種直接序列擴展頻譜系統，其中多個，至少兩個，擴展頻譜信號同時通信，每個都在相同的頻帶上操作。在CDMA系統中，給每個用戶一個特殊的碼片碼。這個碼片碼標識該用戶。例如，如果第一用戶具有一個第一碼片碼g1(t)，第二用戶具有一個第二碼片碼g2(t)，等等，那么一個希望聽取第一用戶的接收機在它的天線上接收所有用戶發送的全部能量。但是，在去擴展第一用戶的信號之后，該接收機輸出第一用戶的全部能量，而僅輸出第二、第三、等等，用戶發送的能量的一小部分。
CDMA是受干擾限制的。即，可以使用相同頻譜并且仍然有可接受的性能的用戶的數量是由作為一個整體的所有用戶在接收機中產生的總干擾功率確定的。除非非常地注意功率控制，否則那些靠近接收機的CDMA發射機將造成壓倒性的干擾。這種效應被稱為“近-遠”(near-far)問題。在一個移動環境中，近-遠問題可能是主要的效應。可以控制每個單獨的移動遠端用戶的功率，使得從每個移動遠端用戶接收的功率相同。這種技術叫作“自適應功率控制”。見1992年3月3日公開的，由DonaldL.Schilling申請的，題目為“用于擴展頻譜系統和方法的自適應功率控制”的第5,093,840號美國專利，該專利結合于此作為參考。
本發明的擴展頻譜通信系統是一種碼分多址(CDMA)系統。擴展頻譜CDMA可以顯著地提高頻譜的利用。利用CDMA，在一個蜂窩中的每個用戶使用相同的頻帶。但是，每個CDMA信號具有一個使接收機能夠從余留信號中區分出希望的信號的單獨偽隨機碼。相鄰蜂窩中的遠端用戶使用相同的頻帶和相同的帶寬，因而相互“干擾”。在PCN基站接收的用戶信號數量增多時，接收的信號可能表現出更大一些的噪聲。
每個不需要的用戶信號產生一定的干擾功率，該干擾功率的幅度取決于處理增益。假設遠端用戶均勻地分布在所有的相鄰蜂窩中，與一個特定蜂窩內的遠端用戶相比，相鄰蜂窩中的遠端用戶使預期的干擾能量提高了大約50％。因為干擾增大因數不嚴重，所以不采用頻率復用。
每個擴展頻譜蜂窩可以使用全部10MHz頻帶來發射，和全部10MHz頻帶來接收。因此，使用每秒五百萬碼片的碼片率和4800bps的編碼數據率導致大約每比特1000碼片的處理增益。熟悉本領域的技術人員都知道，能夠同時使用一個頻帶的CDMA遠端用戶的最大數量近似地等于處理增益。
正交碼現在認為返回鏈路上的導頻是可行的，因為如第5,506,864號美國專利和第5,544,156號美國專利中披露的，它減小了取得希望的Eb/No所需的C/I。這種改善來自于使用同步或相干檢測的能力。如這些專利中所述，導頻或通用碼片碼的使用改善了正交和非正交編碼鏈路的性能。對于正交信道，由于每個移動終端需要唯一的導頻和信息碼，當前用戶的數量減少兩個。如果存在有限數量的代碼，這可能具有嚴重的影響。第5,506,864號美國專利使用來自移動終端的導頻，測量使用非正交碼的基站和移動終端之間的距離。本發明把該專利擴充到包括正交碼，和利用至移動終端的距離的信息調節信息信道的相位，使它與到達基站的其它移動信號對準。移動終端接收來自基站的導頻或通用碼片碼信號，并利用基站導頻信號的定時和相位來始發它發送到基站的遠端導頻信號。也就是說，返回的導頻沒有延遲地通過移動終端；返回的導頻就好像是從移動終端的雷達反射。由于有許多將要返回基站的遠端導頻，當然它在信號強度上更強，它是一個與基站導頻偽噪聲碼不同的但類似的偽噪聲碼。
基站接收來自所有當前移動終端的導頻信號并在可能降低到0.1碼片時測量返回偽噪聲序列與向每個遠端移動站的發射的偽噪聲序列之間的相位差。所測量的是往返行程時延；實際的距離是以碼片測量的數的一半，精確到0.1碼片。這個信息被發射到移動用戶，并且如果移動用戶正在返回鏈路上以正交模式操作，移動用戶利用這個信息調節遠端消息上的PN碼的相位，以便如基站建立的那樣在預定的時間到達基站。因此，遠端導頻和遠端用戶消息信道的PN碼在不同的相位，但它們都具有相同的載波信號，并且導頻載波可以用來產生在用戶消息信道中相干檢測所用的參考。
數據抽樣點通常依賴于PN序列的重復率，并且要在相位上進行調節，以便與用戶消息信道上的數據定時一致。因此，可以顯著地減小由正在與一個共用基站通信的用戶消息信道造成的相互干擾。
來自相鄰蜂窩中的移動用戶的干擾不是正交的，并且表現為非正交干擾。大多數正交碼CDMA系統利用扇形天線獲得代碼復用，和降低干擾。因此，在跨越扇區表面的蜂窩的邊緣，每個蜂窩中的移動用戶以最大功率發射，并且引起以最大能量的對兩個蜂窩的輻射。但是，當相鄰蜂窩中的移動用戶向它們的基站移動時，它們減小它們的功率，以使其保持與它們在蜂窩邊緣時相同。假設四分之一功率衰減曲線，它們以四分之一功率對距離比的速率降低它們的功率，并且由于它們也正在離開與之發生干擾的基站，它們減小的發射功率電平(減小為四分之一功率)行進了一段也以四分之一功率因數減小的距離。這使四分之一功率因數的效果加倍，這表明來自移動用戶的相鄰蜂窩的干擾比如果不使用功率控制的干擾要小得多。因此，在原始基站摻入的外部干擾，即來自正在與其它基站操作的移動用戶的干擾比來自其它正在與原始基站操作的移動用戶在蜂窩內造成的干擾低至少6db。因此，能夠把用戶的數量增加到四倍。如上所述，每個當前移動用戶發射一個導頻信道和一個信息或消息信道。調節信息信道，使它們在到達基站時是正交的。但是導頻信道不是正交的，但是在信息信道起作用之后，導頻信道功率減小了6db。因此，既使有外部干擾和導頻信道，本發明的結果使容量加倍。
通過在捕獲之后移動遠端導頻的相位使其與用戶信息信道重合可以得到另一種改善。當完成這個處理時，遠端導頻也成為正交的，并且僅有的干擾是從相鄰蜂窩中的用戶輻射到原始蜂窩中的外部干擾。如上所述，這種干擾降低至少6db，導致了容量增大四倍。由于差錯是在基站中產生的并且由這個差錯電壓控制的振蕩器在移動站中，在反向鏈路上的代碼跟蹤變得更為困難。因此，必須使用前向鏈路把這個差錯電壓發射到移動站。一般來說距離改變相對較慢，并且這種移動碼時鐘的遠端控制不成問題。當發生足以引起快速嚴重誤對準的突然波動時，移動站把遠端導頻碼碼移回到捕獲模式。一旦重新捕獲和完成了把信息信道帶回到適當的對準的必要調節后，移動站切換回到正交跟蹤模式。因此，非正交遠端導頻僅在時間的一小部分上，在容量上產生的影響很小。如果代碼集中有足夠的正交碼以實際利用這個優點，那么容量應當仍然接近于非正交碼系統的四倍。
同步擴展頻譜通信如圖2中示出的，提供了一種在通信信道110上使用的擴展頻譜碼分多址(CDMA)通信系統，其包括通用裝置，消息裝置，擴展裝置，加法器裝置，發射裝置，通用擴展頻譜處理裝置，消息擴展頻譜處理裝置，捕獲和跟蹤裝置，檢測裝置，和同步裝置。通用裝置和消息裝置具體體現為發射機通用碼片碼發生器101和發射機消息碼片碼發生器102。擴展裝置示為“異”器件103，可以是一個“異”門。加法器裝置是一個組合器105，發射裝置包括一個體現為耦合于調制器107的信號源108的發射機。發射機消息碼片碼發生器102耦合于“異”器件103。示出的發射機通用碼片碼發生器101耦合于發射機消息碼片碼發生器102和消息數據源。“異”器件103和發射機通用碼片碼發生器101耦合于組合器105。調制器107耦合在組合器105和通信信道110之間。
在接收機，通用擴展頻譜處理裝置具體體現為接收機通用碼片碼發生器121，通用混頻器123，和通用帶通濾波器125。通用混頻器123耦合在接收機通用碼片碼發生器121和通用帶通濾波器125之間。消息擴展頻譜處理裝置具體體現為一個接收機消息碼片碼發生器122，一個消息混頻器124，和一個消息帶通濾波器126。消息混頻器124耦合在接收機消息碼片碼發生器122和消息帶通濾波器126之間。功率分配器115耦合在通信信道110和通用混頻器123及消息混頻器124之間。
捕獲和跟蹤裝置具體體現為一個捕獲和跟蹤電路131。捕獲和跟蹤電路131耦合到通用帶通濾波器125的一個輸出端，并耦合到接收機通用碼片碼發生器121。接收機消息碼片碼發生器122最好是耦合到接收機通用碼片碼發生器121。
檢測裝置具體體現為一個檢波器139。檢波器139耦合于消息帶通濾波器126和通用帶通濾波器125。檢波器139可以是一個非同步檢波器，例如包絡檢波器，或平方律檢波器。作為選擇，檢波器139可以是一個同步檢波器，它利用來自通用帶通濾波器125的已恢復載波信號。
同步裝置包括位裝置，低通濾波器128，和電子開關130。位裝置具體體現為一個位同步器129。低通濾波器128和電子開關130耦合于位同步器129。如圖2中所示，位同步器129最好耦合到接收機通用碼片碼發生器121。作為選擇，可以把位同步器129耦合到檢波器139的一個輸出端。
發射機通用碼片碼發生器101產生通用碼片碼信號g0(t)，發射機消息碼片碼發生器102產生消息碼片碼信號g1(t)。在圖2中，由通用碼片碼信號提供消息數據d1(t)，和消息碼片碼信號的同步定時，盡管也可以使用其它源，例如，用于同步化的共用時鐘信號。“異”器件103通過以消息碼片碼信號擴展頻譜處理消息數據來產生擴展頻譜信號。擴展頻譜處理可以通過把消息數據與消息碼片碼信號的模2相加完成。組合器105將通用碼片碼信號與擴展頻譜處理的信號組合。組合的通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號可以是一個具有通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號的瞬時電壓電平的多電平信號。
作為發射機部件的調制器107利用在載頻f0的載波信號cosω0t調制組合的通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號。把已調制的通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號在通信信道110上作為碼分多址(CDMA)信號xc(t)發射。因而，CDMA信號包括通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號，仿佛它們每一個在具有相同載頻f0的單獨的載波信號上被單獨和同步地調制，并通過通信信道發射。
在一個接收機，通用擴展頻譜處理裝置從CDMA信號xc(t)恢復載波信號cosω0t，并且消息擴展頻譜處理裝置去擴展CDMA信號xc(t)，成為已調制數據信號d1(t)。更具體地講，參考圖2，功率分配器115分離從通信信道110接收的CDMA信號。接收機通用碼片碼發生器121產生一個通用碼片碼信號g0(t)的復制信號。通用混頻器123利用通用碼片碼信號的復制信號去擴展來自功率分配器115的CDMA信號xc(t)，成為已恢復載波信號。具有通用碼片碼信號g0(t)cosω0t的CDMA信號的擴展頻譜信道一般不包括數據，因而去擴展CDMA信號僅產生載波信號。通用帶通濾波器125在載頻，或等價地在中頻過濾已恢復載波信號。與具有為已調制數據信號濾波的足夠寬的帶寬的消息帶通濾波器126相比，通用帶通濾波器125可以具有為已恢復載波信號濾波的非常窄的帶寬。通用帶通濾波器125的非常窄的帶寬有助于從噪聲中提取已恢復載波信號。
捕獲和跟蹤電路131從通用帶通濾波器125的輸出中捕獲和跟蹤已恢復載波信號。經過捕獲和跟蹤電路131使來自接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號的復制信號與已恢復載波信號同步。
接收機消息碼片碼發生器122產生一個消息碼片碼信號g1(t)的復制信號。將消息碼片碼信號g1(t)的復制信號與來自接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號g0(t)的復制信號同步。因此，經過同步化于接收機通用碼片碼發生器121的接收機消息碼片碼發生器122具有與經過同步化于發射機通用碼片碼發生器101的發射機消息碼片碼發生器102相同的同步。因此，具有通用碼片碼信號的擴展頻譜通信信道提供了帶有數據的擴展頻譜信道的相干擴展頻譜解調。
消息混頻器124利用消息碼片碼信號的復制信號為來自功率分配器115的CDMA信號去擴展，以產生調制數據信號d1(t)cosω0t。調制數據信號實際上是用載波信號調制的消息數據。消息帶通濾波器126在載頻，或等價地，在中頻(IF)為調制數據信號濾波。可以選擇使用把調制數據信號變換為IF的下變換器，而不會改變本發明的協作功能或教導。
檢波器139把已調制數據信號解調為已檢波信號。將已檢波信號通過低通濾波器128濾波，用電子開關130抽樣，并作為接收數據d1(t)輸出。沒有差錯的接收數據與消息數據相同。在位同步器129的控制下，低通濾波器128和電子開關分別發揮“積分和轉儲”的功能。
位同步器129控制低通濾波器128和電子開關130的積分和轉儲。位同步器129最好使用來自如圖2中所示的接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號的復制信號導出同步。位同步器129也可以如圖1中所示從檢波器139的輸出信號導出同步。
在一個優選實施例中，位同步器129接收來自接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號g0(t)的復制信號。通用碼片碼信號的復制信號，例如，可以包括具有8250個碼片的碼片碼字。假設每碼片碼字有11位，那么每數據位有750個碼片。由于通用碼片碼信號的復制信號向位同步器129提供有關碼片碼字從何處開始的信息，因此位同步器129知道用于同步化的對應位的定時。
本發明還可以包括作為CDMA信號發射用于處理多個信息數據的多個擴展頻譜處理的信號。在這種情況下，本發明包括多個消息裝置和多個擴展裝置。參考圖3A，多個消息裝置可以具體體現為多個發射機消息碼片碼發生器，多個擴展裝置可以具體體現為多個“異”門。多個發射機消息碼片碼發生器產生多個消息碼片碼信號。在圖3A中，多個發射機消息碼片碼發生器被示出為產生第一消息碼片碼信號g1(t)的第一發射機消息碼片碼發生器102，產生第二消息碼片碼信號g2(t)的第二發射機消息碼片碼發生器172，至產生第N消息碼片碼信號gN(t)的第N發射機消息碼片碼發射器182。多個“異”門被示出為第一“異”門103，第二“異”門173，至第N“異”門183。多個“異”門通過把多個消息數據d1(t)，d2(t)，…，dN(t)分別與多個消息碼片碼信號g1(t)，g2(t)，…，gN(t)模2相加產生多個擴展頻譜處理的信號。更具體地講，第一消息數據d1(t)與第一消息碼片碼信號g1(t)模2相加，第二消息數據d2(t)與第二消息碼片碼信號g2(t)模2相加，至第N消息數據dN(t)與第N消息碼片碼信號gN(t)模2相加。
發射機通用碼片碼發生器101耦合于多個發射機消息碼片碼發生器和用于多個消息數據d1(t)，d2(t)，…，dN(t)的源。在一個優選實施例中，通用碼片碼信號g0(t)為多個消息碼片碼信號g1(t)，g2(t)，…，gN(t)，和多個消息數據d1(t)，d2(t)，…，dN(t)提供同步定時。
組合器105通過通用碼片碼信號與多個擴展處理的信號的線性相加組合通用碼片碼信號和多個擴展處理的信號。組合的信號一般是多電平信號，它具有通用碼片碼信號和多個擴展頻譜處理的信號的瞬時電壓電平。
作為發射機部件的調制器107用在載頻f0的載波信號cosω0t調制組合的通用碼片碼信號和多個擴展頻譜處理的信號。把已調制的通用碼片碼信號和多個擴展頻譜處理的信號通過通信信道110作為CDMA信號XC(t)發射。CDMA信號XC(t)具有形式XC(t)=g0(t)+Σ1N[gi(t)+di(t)]cosω0t]]>因此，CDMA信號包括通用碼片碼信號和多個擴展頻譜處理的信號，仿佛它們每個單獨和同步地在具有相同載頻f0的單獨載波信號上調制，并且通過通信信道發射。
本發明包括接收具有多個擴展頻譜處理的CDMA信號。接收機還包括多個消息擴展頻譜處理裝置，多個檢波裝置，和多個同步裝置。如圖3B中所示，多個消息擴展頻譜處理裝置可以具體體現為多個消息碼片碼發生器，多個消息混頻器，和多個消息帶通濾波器。一個混頻器連接在一個對應的消息碼片碼發生器和消息帶通濾波器之間。多個消息混頻器耦合于功率分配器115。更具體地講，多個消息碼片碼發生器具體顯示為第一消息碼片碼發生器122，第二消息碼片碼發生器172，至第N消息碼片碼發生器182。多個消息混頻器具體顯示為第一消息混頻器124，第二消息混頻器174，至第N消息混頻器184。多個消息帶通濾波器具體顯示為第一消息帶通濾波器126，第二消息帶通濾波器176，至第N消息帶通濾波器186。
多個檢波裝置可以具體體現為多個示為第一同步檢波器127，第二同步檢波器177，至第N同步檢波器187的同步檢波器。多個同步檢波器中的每一個耦合于多個消息帶通濾波器中的一個。
多個同步裝置可以包括一個位同步器129，多個低通濾波器，和多個電子開關。多個低通濾波器顯示為第一低通濾波器128，第二低通濾波器178，至第N低通濾波器188。多個電子開關顯示為第一電子開關130，第二電子開關180，至第N電子開關190。多個同步檢波器中的每一個耦合于通用帶通濾波器125的一個輸出端。來自通用帶通濾波器125的已恢復載波信號用作參考信號，用于通過多個同步檢波器把多個消息數據信號的每一個同步解調為多個接收數據d1(t)，d2(t)，…，dN(t)。
作為選擇，檢波裝置可以具體體現為多個非同步檢波器，例如，包絡檢波器139，189，199，如圖3C中所示。非同步檢波器一般不需要已恢復載波信號。
位同步器129從通用碼片碼信號g0(t)的復制信號導出定時，并控制多個低通濾波器和多個電子開關的積分及轉儲功能的定時。
利用圖3B中體現的本發明，如上所述，作為CDMA信號一部分的通用擴展頻譜信道提供已恢復載波信號。捕獲和跟蹤電路131捕獲并跟蹤來自通用帶通濾波器125的一個輸出端的已恢復載波信號。把來自接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號的復制信號同步于經過捕獲和跟蹤電路131的已恢復載波信號。接收機通用碼片碼發生器121產生通用碼片碼信號g0(t)的復制信號，其提供對位同步器129和對多個接收機消息碼片碼發生器122，172，182的定時。
本發明也包括一種用于同步解調CDMA信號的方法。把消息數據輸入到擴展裝置。參考圖4，該方法包括產生403通用碼片碼信號的步驟。該方法還包括產生405同步于通用碼片碼信號的消息數據，和產生407同步于通用碼片碼信號的消息碼片碼信號。使用一擴展頻譜調制器以消息碼片碼信號處理消息數據，產生擴展頻譜處理的信號。將通用碼片碼信號與擴展頻譜處理的信號組合409。該方法把組合的通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號在載波信號上通過通信信道作為CDMA信號發射。
在接收機，該方法包括從CDMA信號恢復413載波信號，和把CDMA信號去擴展415為已調制數據信號。把已恢復載波信號用于同步去擴展CDMA信號的步驟，和可選擇地用于同步解調417和輸出419已調制數據信號作為接收的數據。
在圖3A中示出的系統的使用中，發射機通用碼片碼發生器101產生通用碼片碼信號g0(t)。用“異”器件103以來自發射機消息碼片碼發生器102的消息碼片碼信號g1(t)擴展頻譜處理消息數據。組合器105將通用碼片碼信號與擴展頻譜處理的信號組合。組合的信號可以是，例如，多電平信號，它是由通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的信號的電壓電平線性地相加產生的，或是把通用碼片碼信號與多個擴展頻譜處理的信號的電壓電平相加產生的。發射機在具有載頻f0的載波信號上發射組合的通用碼片碼信號和多個擴展頻譜處理的信號。CDMA信號通過通信信道110發射。
如圖3B中所示，在接收機，通用擴展頻譜處理裝置具體體現為協同操作以從CDMA信號恢復載波信號的接收機通用碼片碼發生器121，通用混頻器123，和通用帶通濾波器125。消息擴展頻譜處理裝置具體體現為協同把CDMA信號去擴展為已調制數據信號的接收機消息碼片碼發生器122，消息混頻器124，和消息帶通濾波器126。最好把接收機消息碼片碼發生器122同步于來自接收機通用碼片碼發生器121的通用碼片碼信號的復制信號。可以使用多個同步于通用碼片碼信號的復制信號的接收機消息碼片碼發生器。具體體現為同步于已恢復載波信號的同步檢波器127的同步裝置，把已調制數據信號解調為接收的數據。
在位同步器129的控制下，低通濾波器128和電子開關130積分及轉儲接收的數據。位同步器129最好使用通用碼片碼信號的復制信號來同步化積分及轉儲功能。
擴展頻譜地理定位本發明提供了一種在通信信道上使用的擴展頻譜碼分多址(CDMA)通信和地理定位系統和方法，其包括至少一個基站和多個遠端單元。遠端單元可以是移動的或在固定的靜止位置上。消息數據在基站和遠端單元之間傳遞。消息數據包括，但不限于，數字化話音，計算機數據，傳真數據，視頻數據，等等。基站向多個遠端單元傳遞基站消息數據。遠端單元向基站傳遞遠端消息數據。在這里基站消息數據定義為從基站始發的消息數據，遠端消息數據在這里定義為從遠端單元始發的消息數據。以下討論的是一個優選的實施例，基站和遠端單元之間的距離是在基站確定的。基站和遠端單元的角色可以互換，此時距離是在遠端單元確定的，這對于熟悉本領域的技術人員來說是等價的。
在圖5中所示的示例配置中，基站包括基站擴展裝置，基站通用裝置，基站組合器裝置，基站發射機，和基站天線。用作前綴的“基站”一詞表示位于基站的元件，或是從基站始發的信號。
基站擴展裝置擴展頻譜處理基站消息數據d1(t)。基站擴展裝置具體體現為一個基站擴展頻譜調制器。基站擴展頻譜調制器被示為一個消息碼片碼發生器502和一個“異”門503。“異”門503耦合于消息碼片碼發生器502。消息碼片碼發生器502使用一個碼片碼字產生用于擴展頻譜處理基站消息數據d1(t)的碼片碼序列。通過“異”門503的模加法運算擴展頻譜處理來自消息碼片碼發生器502的碼片碼序列。熟悉本領域的技術人員都知道，有許多等價的電路可以用于基站擴展頻譜調制器，這些電路包括，但不限于，用于把碼片碼序列乘以基站消息數據的乘積器件，匹配濾波器和具有匹配于碼片碼序列的脈沖響應的表面聲波器件。
基站通用裝置產生基站通用碼片碼信號。用作前綴的“通用”一詞表示通用碼片碼信號是一個未調制的，或低數據率的，直接序列擴展頻譜信號，它可以用作導頻信道。導頻信道使用戶可以獲取定時，和提供用于相干解調的相位參考。基站通用裝置具體體現為一個基站通用碼片碼發生器501。基站通用碼片碼發生器501利用與基站通信的所有遠端單元共享的碼片碼字產生基站通用碼片碼信號。消息碼片碼發生器501耦合于基站通用碼片碼發生器502，用于導出共用定時。作為選擇，可以用一個共用時鐘為消息碼片碼發生器502和基站通用碼片碼發生器501提供定時信號。
基站組合器裝置將基站通用碼片碼信號與擴展頻譜處理的基站消息數據組合，以產生基站CDMA信號。基站組合器裝置具體體現為一個基站組合器505。基站組合器505耦合于基站通用碼片碼發生器501和“異”門503。基站組合器505把基站通用碼片碼信號與來自“異”門503的擴展頻譜處理的基站消息數據線性地相加。在基站組合器505的輸出端所得的信號是碼分多址(CDMA)信號，在這里表示為基站CDMA信號。也可以使用各種可選的非線性組合，只要所得的基站CDMA信號能夠使它的信道在擴展頻譜接收機被檢測到。
基站發射機裝置從基站向遠端單元發射基站CDMA信號。基站發射機裝置具體體現為信號源508和乘積器件507。乘積器件507耦合在基站組合器505與信號源508之間。信號源508在第一載頻f1產生第一載波信號。乘積器件507把從基站組合器505輸出的基站CDMA信號乘以第一載波信號。在現有技術中已知可以用其它發射器件把希望的信號置于選擇的載頻。
基站天線509通過一隔離器513耦合于基站發射機裝置。基站天線509以第一載頻輻射基站CDMA信號。
如圖6中所示，遠端單元包括遠端天線511，遠端檢波裝置，遠端擴展裝置，遠端組合器裝置，和遠端發射機裝置。每個遠端單元也可以包括遠端通用裝置。用作前綴的“遠端”一詞表示位于遠端單元的元件，或從遠端單元始發的信號。
遠端天線511接收從基站輻射的基站CDMA信號。
遠端檢波裝置耦合于遠端天線511。遠端檢波裝置為嵌在基站CDMA信號中的基站通用碼片碼信號檢波。使用已檢波的基站通用碼片碼信號，遠端檢波裝置恢復從基站傳播的基站消息數據。遠端單元可以再發射已檢波的基站通用碼片碼信號，或作為選擇，可以使遠端通用裝置產生一個不同的遠端通用碼片碼信號。
在圖6中，遠端檢波裝置具體體現為乘積器件536，帶通濾波器537，捕獲和跟蹤電路538，通用碼片碼發生器539，消息碼片碼發生器541，乘積器件542，帶通濾波器543，數據檢波器544，低通濾波器545，和位同步器540。如本領域中所熟知的，可以使用其它器件和電路發揮同樣的功能，包括，但不限于，匹配濾波器，表面聲波器件，等等。這個電路捕獲并跟蹤嵌在基站CDMA信號中的基站通用碼片碼信號。在遠端天線511接收基站CDMA信號，并使其通過隔離器534和功率分配器535。用乘積器件536，帶通濾波器537，捕獲和跟蹤電路538，和通用碼片碼發生器539為基站通用碼片碼信號檢波。該電路的功能與前面章節中所述的相同。利用消息碼片碼發生器541，乘積器件542，帶通濾波器543，數據檢波器544，低通濾波器545，和同步器540把已檢波的基站通用碼片碼信號用于恢復嵌在基站CDMA信號中的基站消息數據。數據檢波器544可以相干地或非相干地操作。已檢波基站消息數據作為已檢波數據dR1(t)輸出。
如果要把基站通用碼片碼信號組合為遠端CDMA信號的一部分，那么不需要通用碼片碼發生器546，因為可用通用碼片碼發生器539輸出端的基站通用碼片碼信號。如果使用與基站通用碼片碼信號不同的遠端通用碼片碼信號，那么可以用通用碼片碼發生器546來產生遠端通用碼片碼信號。在后一種情況下，把遠端通用碼片碼信號定時或同步于已檢波基站通用碼片碼信號。為了討論的目的，將遠端通用碼片碼信號考慮為從遠端單元發送到基站，也應當知道遠端通用碼片碼信號可以與已檢波基站通用碼片碼信號相同，或是同一個。
遠端擴展裝置擴展頻譜處理遠端消息數據。遠端擴展裝置具體體現為一個遠端擴展頻譜調制器。遠端擴展頻譜調制器被示出為一個消息碼片碼發生器548和一個“異”門547。“異”門547耦合于消息碼片碼發生器548。消息碼片碼發生器548利用一碼片碼字來產生用于擴展頻譜處理遠端消息數據d2(t)的碼片碼序列。“異”門547用模加法運算對來自消息碼片碼發生器548的碼片碼序列進行擴展頻譜處理。熟悉本領域的技術人員知道，許多等價的電路可以用作遠端擴展裝置，包括，但不限于，用于把碼片碼序列乘以基站消息數據的乘積器件，匹配濾波器和表面聲波器件。
遠端組合器裝置把遠端通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的遠端消息數據組合為遠端CDMA信號。遠端組合器裝置具體體現為一個遠端組合器549。遠端組合器549耦合于“異”門547，和遠端通用碼片碼發生器546，或作為選擇耦合于通用碼片碼發生器539。遠端組合器549把遠端通用碼片碼信號與來自“異”門547的擴展頻譜處理的遠端消息數據線性地相加。在遠端組合器549輸出端產生的信號是碼分多址(CDMA)信號，在這里表示為遠端CDMA信號。也可以選擇使用各種其它非線性組合，只要產生的遠端CDMA信號能夠使它的信道在擴展頻譜接收機被檢測到。
遠端單元也包括用于從遠端單元向基站發射遠端CDMA信號的遠端發射機裝置。遠端發射機裝置具體體現為信號源551和乘積器件550。乘積器件550耦合在遠端組合器549和信號源551之間。信號源551在第二載頻f2產生載波信號。乘積器件550將來自遠端組合器549輸出的遠端CDMA信號乘以第二載波信號。本領域中已知可以用其它發射器件把希望的信號置于選定的載頻。第二載頻可以和第一載頻相同或不同。
遠端天線511通過一個隔離器534耦合于遠端發射機裝置。遠端天線511以第二載頻輻射遠端CDMA信號。
每個基站還包括基站檢波裝置和距離裝置。基站檢波裝置通過隔離器513和功率分配器515耦合于基站天線509。基站檢波裝置檢測嵌在遠端CDMA信號中的遠端通用碼片碼信號。如圖5中所示，基站檢波裝置可以具體體現為一個基站檢波器，它可以包括乘積器件523，帶通濾波器525，捕獲和跟蹤電路531，通用碼片碼發生器521，消息碼片碼發生器522，乘積器件524，帶通濾波器526，數據檢波器527，低通濾波器528，和位同步器529。如本領域中熟知的，可以用執行相同功能的其它器件和電路來實現基站檢波裝置，其它器件和電路包括，但不限于，匹配濾波器，表面聲波器件，等等。這個電路捕獲和跟蹤嵌在遠端CDMA信號中的遠端通用碼片碼信號。在基站天線509接收遠端CDMA信號，并通過隔離器513和功率分配器515。利用乘積器件523，帶通濾波器525，捕獲和跟蹤電路531以及通用碼片碼發生器521檢測遠端通用碼片碼信號。該電路的功能如前面所述。用消息碼片碼發生器522，乘積器件524，帶通濾波器526，數據檢波器527，低通濾波器528，位同步器529把已檢波遠端通用碼片碼信號用于恢復嵌在遠端CDMA信號中的遠端消息數據。數據檢波器527可以相干地或非相干地操作。已檢波遠端消息數據作為已檢波數據dR2(t)輸出。因此，基站檢波器利用已檢波遠端通用碼片碼信號恢復了從遠端單元傳送的遠端消息數據。
利用已檢波遠端通用碼片碼信號和基站通用碼片碼信號，距離裝置確定遠端單元和基站之間的距離延遲。距離裝置具體體現為一個距離延遲器件530，它可以比較來自通用碼片碼發生器501的基站通用碼片碼信號與來自通用碼片碼發生器521的已檢波遠端通用碼片碼信號之間的定時。
本發明可以進一步包括步驟擴展頻譜處理基站消息數據；產生基站通用碼片碼信號；組合基站通用碼片碼信號與擴展頻譜處理的基站消息數據，因而產生基站CDMA信號；從基站向遠端單元發射基站CDMA信號；檢波嵌在基站CDMA信號中的基站通用碼片碼信號；利用已檢波基站通用碼片碼信號恢復基站消息數據；擴展頻譜處理遠端消息數據；利用已檢波通用碼片碼信號和擴展頻譜處理的遠端數據產生遠端CDMA信號；從遠端單元向基站發射遠端CDMA信號；檢波嵌在遠端CDMA信號中的遠端通用碼片碼信號；利用已檢波遠端通用碼片碼信號恢復遠端消息數據；和利用已檢波遠端通用碼片碼信號和基站通用碼片碼信號確定遠端單元與基站之間的距離延遲。
在使用中，基站用一個消息碼片碼信號擴展頻譜處理基站消息數據，并將擴展頻譜處理的基站消息數據與基站通用碼片碼信號組合。組合的信號是一個通過通信信道發射到至少一個遠端單元的基站CDMA信號。
遠端單元接收基站CDMA信號，檢波嵌在基站CDMA信號中的基站通用碼片碼信號，并使用已檢波基站通用碼片碼信號恢復嵌在基站CDMA信號中的基站消息數據。
將已檢波基站通用碼片碼信號延遲為遠端通用碼片碼信號，或用其為從遠端單元發送到基站的不同遠端通用碼片碼信號設置定時。遠端單元用遠端碼片碼信號擴展頻譜處理遠端消息數據，并把擴展頻譜處理的遠端消息數據與遠端通用碼片碼信號組合為一個遠端CDMA信號。把遠端CDMA信號通過通信信道發送到基站。
在基站，從遠端CDMA信號檢波遠端通用碼片碼信號，并將已檢波遠端通用碼片碼信號用于檢波嵌在遠端CDMA信號中的遠端消息數據。此外，把已檢波遠端通用碼片碼信號與基站通用碼片碼信號在距離延遲電路中比較，以確定遠端單元離開基站的距離。實際上，遠端單元與基站之間的距離是發送產生了基站通用碼片碼信號的碼片碼字序列和接收由產生了遠端通用碼片碼信號的碼片碼字產生的序列之間定時的函數。
利用射頻(RF)信號確定距離的概念在本領域中是已知的。RF信號應有固定的傳播速率，3×108米/秒。RF信號在其到達接收機之前的某一時間離開發射機。把基站通用碼片碼信號和遠端通用碼片碼信號的特定序列用作時間標記。在遠端單元的接收機看到的基站通用碼片碼信號序列與在基站發射機處該序列的時間差，直接與基站和遠端單元之間的距離有關。同樣，在基站的接收機看到的遠端通用碼片碼信號序列與在遠端單元的發射機處該序列的時間差，直接與遠端單元和基站之間的距離有關。
基站通用碼片碼信號和遠端通用碼片碼信號的使用與雷達系統中所用的回波測距法是相同的類型。許多雷達系統簡單地發出RF能量的脈沖，然后等待由于脈沖從目標反射而返回的一部分能量。雷達標記從脈沖發射時刻直到其返回的時間。脈沖返回所需的時間是至目標的往返距離的函數。從信號的傳播速度很容易確定距離。
本發明的擴展頻譜信號具有同樣的距離/時間關系。本發明的擴展頻譜信號的優點在于它的相位易于分辨。基站碼片碼信號或遠端碼片碼信號序列的基本分辨率是一個代碼碼片。因此，碼片率越高，可測量性越好。因而，在10M碼片/秒的碼片率，基本距離分辨率是10-7秒，或30米。還要考慮可能在遠端單元電路中遇到的附加的延遲。在確定基站與遠端單元之間的距離時，可以在基站補償這些延遲。
正交碼同步也可以將本發明體現為一種利用正交碼和至移動終端的距離的信息調節和對準信息信道的相位以便在基站天線得到正交性的系統和方法。
利用正交碼和至移動終端的距離的信息在基站天線得到正交性的系統包括多個移動終端和一個基站。多個移動終端中的每一個包括遠端擴展頻譜處理裝置，遠端導頻裝置，組合裝置，遠端發射裝置，和代碼相位調節裝置。
遠端擴展頻譜處理裝置和遠端導頻裝置耦合于組合裝置。遠端發射裝置耦合于組合裝置。
基站包括接收裝置，第一基站導頻裝置，第二基站導頻裝置，第一延遲裝置，第二延遲裝置，相關器裝置，跟蹤裝置，距離延遲裝置，和基站發射裝置。
遠端擴展頻譜處理裝置利用偽噪聲碼處理遠端消息數據。遠端導頻裝置產生遠端導頻信號。組合裝置把遠端導頻信號與擴展頻譜處理的遠端消息數據組合，產生遠端復合信號。遠端復合信號具有遠端導頻信號和至少一個遠端用戶信息信道。遠端發射裝置在雙工無線信道的反向信道上向基站發射遠端復合信號。
在基站，接收裝置接收遠端復合信號。第一基站導頻裝置產生基站導頻信號。第二基站導頻裝置產生基站導頻參考信號。第一延遲裝置產生基站導頻參考信號的一個準時，一個超前，和一個滯后信號。第二延遲裝置產生信息參考信號。將信息參考信號與基站導頻參考信號的準時信號同步。相關器裝置把遠端復合信號與基站導頻參考信號的準時、超前和滯后信號相乘，以便分別相關出遠端導頻信號的一個準時、一個超前和一個滯后信號。相關器裝置也把遠端復合信號與信息參考信號相乘，以相關出遠端用戶信息信道。
跟蹤裝置跟蹤遠端導頻信號的相位，并響應遠端導頻信號的峰值，輸出捕獲信號。捕獲信號表示遠端導頻信號與基站導頻參考信號的同步。
響應捕獲信號，距離延遲裝置計算基站導頻信號與基站導頻參考信號之間的相位差以確定移動站與基站之間的距離。基站發射裝置通過雙工無線信道的前向信道從基站向移動終端發射該距離。
響應從基站接收的距離信息，在移動終端的代碼相位調節裝置調節偽噪聲碼的相位，以便確定擴展頻譜處理的遠端消息數據到達基站的時間。
在調節偽噪聲碼的相位時，遠端擴展頻譜處理裝置可以用一代碼碼片的增量調節偽噪聲碼。在移動終端調節偽噪聲碼時，基站處理器比較擴展頻譜處理的遠端消息數據的信號強度電平。響應使操作特性最強化的一個代碼碼片增量，基站校準遠端導頻信號和具有該代碼碼片增量的擴展頻譜處理的遠端消息數據之間的關系。
擴展頻譜CDMA蜂窩無線通信系統可以進一步包括基站擴展裝置和基站組合裝置。基站擴展裝置擴展頻譜處理基站消息數據。基站擴展裝置可以包括用于處理一個帶有選定碼片碼的特定移動終端的基站消息數據的裝置。基站組合裝置將擴展頻譜處理的基站消息數據和基站導頻信號組合為一個復合基站信號。復合基站信號包括一個共用擴展頻譜導頻信號和至少一個用于每個移動終端的專用擴展頻譜用戶信息信道。共用擴展頻譜導頻信號和專用擴展頻譜用戶信息信道中的每個的擴展碼可以包含一個正交碼元。可以將遠端導頻信號從屬于共用擴展頻譜導頻信號作為用于遠端導頻信號的相位和定時的參考。
遠端導頻信號和每個移動終端的遠端用戶信息信道的擴展碼可以包含一個正交碼元。此外，可以把遠端用戶信息信道同步于遠端導頻信號。
系統還可以包括用于產生差錯信號和跟蹤遠端導頻信號的基站延遲鎖定環裝置。移動終端響應從基站接收的差錯信號，調節正交偽噪聲碼的相位，以便補償當移動終端在蜂窩內移動時距離上的改變。
更具體地講，本發明的移動終端包括遠端用戶數據源，第一正交碼集發生器，第一類噪聲碼發生器，遠端導頻數據源，信號組合器，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，調制器，天線裝置，代碼相位調節器，和處理器。
第一模2加法器耦合于遠端用戶數據源和第一正交碼集發生器。第二模2加法器耦合于第一模2加法器的一個輸出端和第一類噪聲碼發生器。第三模2加法器耦合于第一正交碼集發生器和遠端導頻數據源。第四模2加法器耦合于第三模2加法器的一個輸出端和第一類噪聲碼發生器。信號組合器耦合于第四模2加法器和第二模2加法器。調制器耦合于信號組合器。代碼相位調節器耦合于第一正交碼集發生器和第一類噪聲碼發生器。處理器耦合于代碼相位調節器。
遠端用戶數據源產生用戶數據信號。第一正交碼集發生器產生第一正交碼和第一遠端導頻碼。第一模2加法器用第一正交碼擴展頻譜處理用戶數據信號，以便產生擴展信號。第一類噪聲碼發生器產生第一偽噪聲碼。第二模2加法器用第一偽噪聲碼處理該擴展信號，以產生擴展頻譜用戶數據信號。
遠端導頻數據源產生導頻數據信號。導頻數據信號可以全部由1組成。作為選擇，遠端導頻數據源可以產生全部由0組成的導頻數據信號。
第三模2加法器用第一遠端導頻碼擴展頻譜處理導頻數據信號，產生擴展導頻信號。第四模2加法器用第一偽噪聲碼處理擴展導頻信號，產生遠端擴展頻譜導頻數據信號。
信號組合器把遠端擴展頻譜導頻數據信號和擴展頻譜用戶數據信號組合成組合的擴展頻譜數據信號。調制器將組合的擴展頻譜數據信號調制到載波上，成為組合的擴展頻譜調制數據信號。天線裝置在雙工無線信道的反向信道上發射組合的擴展頻譜調制數據信號。天線裝置也接收從基站在雙工無線信道的前向信道上發射的復合擴展頻譜調制載波信號。前向信道上的復合擴展頻譜調制載波信號具有共用擴展頻譜導頻信號和移動終端的專用擴展頻譜用戶信息信道。
代碼相位調節器，響應來自處理器的輸入和共用擴展頻譜導頻信號，調節第一正交碼的相位以調節擴展頻譜用戶數據信號到達基站的時間。這個相位調節操作調節擴展頻譜用戶數據信號的到達時間使其與其它到達的擴展頻譜用戶數據信號是正交的。使第一遠端導頻碼的相位從屬于共用擴展頻譜導頻信號，以使基站能夠利用往返行程延遲確定基站與移動終端之間的距離。處理器產生處理器輸入并存儲基站與移動終端之間的距離。
代碼相位調節器還可以調節第一正交碼的相位，使其具有與第一偽噪聲碼相同的相位。第一偽噪聲碼的長度是第一正交碼長度的整數倍。代碼相位調節器還可以響應捕獲移動第一遠端導頻碼的相位，使其與擴展頻譜用戶數據信號同步。
本發明的移動終端可以進一步包括功率分配器，第二正交碼集發生器，第二類噪聲碼發生器，模式控制和捕獲器件，時鐘脈沖發生器，第五模2加法器，第六模2加法器，第一延遲器件，第二延遲器件，第一乘法器/相關器，第二乘法器/相關器，第三乘法器/相關器，第四乘法器/相關器，延遲鎖定環，和鎖相環振蕩器。
模式控制和捕獲器件耦合在第二正交碼集發生器與第二類噪聲發生器之間。時鐘脈沖發生器耦合于模式控制和捕獲器件、第一正交碼集發生器、和第一類噪聲碼發生器。第五模2加法器耦合于第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器。第六模2加法器耦合于第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器。第一延遲器件耦合于第五模2加法器。第一、第二、和第三乘法器/相關器每個耦合于功率分配器和第一延遲器件。第二延遲器件耦合于第六模2加法器和處理器。第四乘法器/相關器耦合于第二延遲器件和功率分配器。延遲鎖定環耦合于第二和第三乘法器/相關器。鎖相環振蕩器耦合于第一乘法器/相關器。
功率分配器把復合擴展頻譜調制載波信號分離為一個導頻信道和一個數據信道。第二正交碼集發生器，響應來自基站的命令，產生多個本地產生的導頻碼，在任何給定時間可以產生和/或使用它們中的任何一個，或它們中任意多個。
第二類噪聲碼發生器產生第二偽噪聲碼。模式控制和捕獲器件接收來自基站的定時信息，并產生用于第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器的時鐘。模式控制和捕獲器件也產生同步信號。時鐘脈沖發生器提供同步時鐘信號。時鐘脈沖發生器可以有其本身的振蕩器，或可以鎖定于來自模式控制和捕獲器件的時鐘。
第五模2加法器組合第一本地產生的導頻碼和第二偽噪聲碼，以形成第一本地擴展頻譜導頻參考信號。第六模2加法器組合一特定的正交碼和第二偽噪聲碼，以形成第一本地擴展頻譜信息參考信號。第一延遲器件，響應處理器，延遲第一本地擴展頻譜導頻參考信號，以產生第一本地擴展頻譜導頻參考信號的一個準時、一個超前和一個滯后信號。
第一、第二和第三乘法器/相關器將復合擴展頻譜調制載波信號與第一本地擴展頻譜導頻參考信號的準時、超前和滯后信號相乘，以分別相關出共用擴展頻譜導頻信號的準時、超前、和滯后信號。第二延遲器件提供與第一本地擴展頻譜導頻參考信號的準時信號同步的信息參考信號。第四乘法器/相關器將復合擴展頻譜調制載波信號與第一本地擴展頻譜信息參考信號相乘，以相關出專用擴展頻譜用戶信息信道。延遲鎖定環跟蹤輸入的共用擴展頻譜導頻信號的相位，并響應相關峰值向模式控制和捕獲器件輸出時鐘信號和捕獲信號。鎖相環振蕩器集中于相關峰值，并對本地數據檢波器和延遲鎖定環提供相干載波參考。
利用剛才說明的系統，基站可以通過測量共用擴展頻譜導頻信號與第一遠端導頻碼之間的代碼相位差確定基站與移動終端之間的距離。共用擴展頻譜導頻信號可以包含正交碼元。第一遠端導頻碼也可以包含正交碼元。
在本發明的擴展頻譜CDMA數字蜂窩無線系統中，系統也包括一個基站。基站包括基站用戶數據源，第一正交碼集發生器，第一類噪聲碼發生器，第一模2加法器，第二模2加法器，系統數據源，系統數據擴展裝置，基站導頻數據源，導頻數據擴展裝置，信號組合器，調制器，天線裝置，導頻參考信號發生裝置，時鐘脈沖發生器，距離延遲裝置，和處理器。
第一模2加法器耦合于基站用戶數據源和第一正交碼集發生器。第二模2加法器耦合于第一模2加法器的一個輸出端和第一類噪聲碼發生器。信號組合器耦合于導頻數據信號擴展裝置，系統數據擴展裝置，和第二模2加法器。調制器耦合于信號組合器。時鐘脈沖發生器耦合于第一正交碼集發生器和第一類噪聲碼發生器。距離延遲裝置耦合于導頻數據擴展裝置的一個輸出端和導頻參考信號發生裝置的一個輸出端。
基站用戶數據源產生基站用戶數據信號。第一正交碼集發生器產生第一正交碼和第一基站導頻碼。第一模2加法器用第一正交碼擴展頻譜處理基站用戶數據信號，以產生擴展信號。第一類噪聲碼發生器產生第一偽噪聲碼。第二模2加法器用第一偽噪聲碼處理擴展信號，以產生擴展頻譜用戶數據信號。系統數據源產生要發射到多個移動終端的系統數據。系統數據擴展裝置擴展頻譜處理系統數據。基站導頻數據源產生基站導頻數據信號。導頻數據信號擴展裝置用第一基站導頻碼把基站導頻數據信號擴展頻譜處理為共用擴展頻譜導頻信號。
信號組合器將共用擴展頻譜導頻信號，擴展頻譜系統數據，和擴展頻譜用戶數據信號組合為組合的擴展頻譜數據信號。調制器將組合的擴展頻譜數據信號調制到一載波上，成為組合的擴展頻譜調制數據信號。天線裝置發射組合的擴展頻譜調制數據信號。天線裝置也接收分別從多個移動終端發射的多個復合擴展頻譜調制載波信號。每個復合擴展頻譜調制載波信號具有接收的遠端擴展頻譜導頻信號和用于每個移動終端的信息信道。
導頻參考信號發生裝置產生導頻參考信號。時鐘脈沖發生器保持全系統時間。距離延遲裝置計算導頻參考信號與共用擴展頻譜導頻信號之間的相位差作為第一值。處理器存儲第一值，并利用第一值向移動終端提供代表往返行程延遲的處理器輸出信號。
導頻數據信號擴展裝置可以包括第三模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碼集發生器和基站導頻數據源。第四模2加法器耦合于第三模2加法器的一個輸出端和第一類噪聲碼發生器。
第三模2加法器用第一基站導頻碼擴展頻譜處理導頻數據信號，以產生擴展導頻信號。第四模2加法器用第一偽噪聲碼處理擴展導頻信號，以產生共用擴展頻譜導頻信號。
系統數據擴展裝置可以包括第五模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碼集發生器和系統數據源。第六模2加法器耦合于第五模2加法器的一個輸出端和第一類噪聲碼發生器。
第一正交碼集發生器產生第二正交碼。第五模2加法器用第二正交碼擴展頻譜處理系統數據，以產生擴展頻譜數據信號。第六模2加法器用第一偽噪聲碼處理擴展頻譜數據信號，以產生擴展頻譜系統數據信號。
基站可以進一步包括功率分配器，第二正交碼集發生器，第二類噪聲碼發生器，模式控制和捕獲器件，第七模2加法器，第八模2加法器，第一延遲器件，第二延遲器件，第一乘法器/相關器，第二乘法器/相關器，第三乘法器/相關器，第四乘法器/相關器，延遲鎖定環，和鎖相環振蕩器。
模式控制和捕獲器件耦合在第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器之間。第七模2加法器耦合于第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器。第八模2加法器耦合于第二正交碼集發生器和第二類噪聲碼發生器。第一延遲器件耦合于第七模2加法器。第二延遲器件耦合于第八模2加法器和處理器。第一、第二、和第三乘法器/相關器每個耦合于功率分配器和第一延遲器件。第四乘法器/相關器耦合于第二延遲器件和功率分配器。延遲鎖定環耦合于第二和第三乘法器/相關器。鎖相環振蕩器耦合于第一乘法器/相關器。
功率分配器將復合擴展頻譜調制載波信號分離為一個導頻信道和一個數據信道。第二正交碼集發生器產生第三正交碼。第二類噪聲碼發生器產生第二偽噪聲碼。模式控制和捕獲器件提供時鐘和控制信號。
第七模2加法器組合分配的導頻正交碼和第二偽噪聲碼，以形成第一擴展頻譜導頻參考信號。第八模2加法器組合分配的數據正交碼和第二偽噪聲碼，以形成第一擴展頻譜數據參考信號。
第一延遲器件，響應處理器，延遲第一擴展頻譜導頻參考信號，以產生第一擴展頻譜導頻參考信號的準時、超前、和滯后信號。第一、第二、和第三乘法器/相關器將復合擴展頻譜調制載波信號與第一擴展頻譜導頻參考信號的準時、超前和滯后信號相乘，以分別相關出接收的遠端擴展頻譜導頻信號的準時、超前和滯后信號。
第二延遲器件提供與第一擴展頻譜導頻參考信號的準時信號同步的信息參考信號。第四乘法器/相關器將復合擴展頻譜調制載波信號與信息參考信號相乘，以相關出信息信道。
延遲鎖定環跟蹤接收的遠端擴展頻譜導頻信號的相位。響應相關峰值，延遲鎖定環向模式控制和捕獲器件輸出時鐘信號和捕獲信號。鎖相環振蕩器向本地數據檢波器和延遲鎖定環提供相干載波參考。
利用剛才所述的系統，基站可以通過測量共用擴展頻譜導頻信號與接收的遠端擴展頻譜導頻信號之間的代碼相位差確定至每個移動終端的距離。
移動終端可以響應往返行程延遲調節每個復合擴展頻譜調制載波信號的信息信道的代碼相位，使其在復合擴展頻譜調制載波信號到達基站時與一特定的時間標記相符。基站可以把該特定時間標記設定在一時間絕對值，以滿足蜂窩的正交性標準。
如圖7中所示，本發明的移動終端包括遠端天線727，遠端數據源700，遠端導頻數據源701，遠端正交碼集發生器702，740，類噪聲碼發生器703，741，六個模2加法器710-715，組合器716，射頻調制器/轉換器720，時鐘脈沖發生器730，處理器732，代碼相位調節器731，模式控制和捕獲器件733，四個帶通濾波器754，755，756，757，位同步器759，相干檢波器758，積分和轉儲電路760，延遲鎖定環751，兩個延遲元件752，753，四個乘法器相關器725，726，728，729，鎖相環振蕩器750，功率分配器722，雙工器721，和載波發生器719。圖7還示出了處理器輸入/輸出端口771，用戶數據輸入端口770，和射頻輸入/輸出端口773。
圖7的遠端數據源700是遠端用戶提供給移動終端的信息。這個信息可以是話音、數據、傳真、或用戶希望通過他的移動終端發送到另一個用戶、機器或系統的任何其它形式的信息。處理器732也產生無線系統或其它遠距離用戶使用的消息，和通過用戶數據輸入端口770將這些消息提供給遠端用戶數據源，在用戶數據輸入端口770這些消息與用戶數據一起多路復用。遠端用戶數據源把多路復用用戶數據信號提供到模2加法器710，在模2加法器710把分配的一個以比用戶數據高得多的比特率操作的正交碼疊加在用戶數據信號上。該正交碼擴展用戶數據信號，因而使得數個相似的信號可以占用相同的頻譜，并在基站恢復。模2加法器711將一個附加的PN碼疊加在擴展信號上，以使產生的擴展頻譜信號更像隨機噪聲。PN碼是由類噪聲碼發生器703產生的。在組合器716中，擴展頻譜用戶數據信號與擴展頻譜導頻數據信號組合。射頻調制器/轉換器720把組合的擴展頻譜數據信號在載頻WC上調制。擴展頻譜調制數據信號通過允許把遠端天線727用來發射和接收的雙工器721被送到遠端天線727。遠端天線727通過空中把復合擴展頻譜調制載波信號發射到接收它的基站天線裝置。熟悉本領域的技術人員知道，可以用許多其它的方式來執行。例如，可以在把正交碼和類噪聲碼加入到數據之前組合它們。可以通過利用正交載波分量和在射頻組合該分量，在基帶進行調制。可以把不同的PN碼用在不同的正交分量上以增加復合信號的隨機性。這些對于本技術領域中的專業人員都是已知的技術。
正交碼集發生器702可以產生屬于預定代碼集的任何代碼，并且由處理器732指令產生一個專用碼。處理器732本身又通過輸入/輸出端口771接收從基站控制裝置在控制信道上發送給它的指令。如上所述，正交碼集發生器702建立并產生分配的代碼，并且所述正交碼被用于在模2加法器710中擴展用戶數據信號。正交碼集發生器702也產生用于在模2加法器712中擴展導頻數據信號的第二分配的正交碼。獨立地調節這些代碼的相位，但是兩種代碼的時鐘頻率是相同的。在捕獲后，對于操作的所有模式，時鐘脈沖發生器730從屬于從模式控制和捕獲器件733接收的輸入，或基站定時和時鐘。在捕獲模式期間，時鐘脈沖發生器730使用一個內部振蕩器，該振蕩器工作在近似于將從基站接收的預期頻率。可以把這個內部振蕩器設定為略高于或略低于時鐘頻率，以便能夠進行對輸入的復合擴展信號的掃描。一旦捕獲，模式控制和捕獲器件733向時鐘脈沖發生器730提供一個時鐘同步信號。
可以調節正交碼的相位使其與從基站輸入的導頻碼的相位相同。這使得發射的用戶導頻信號看起來像是從移動終端的反射，并且基站能夠測量至每個特定移動終端的往返行程延遲。將以代碼碼片測量的往返行程延遲發送到移動終端，并存儲在處理器732中。往返行程延遲的一半就是以代碼碼片測量的移動終端與基站之間的距離。通過使用八分之一或十分之一的碼片倍數的增量，和確定來自基站相關器的峰值輸出功率，并隨后以一個碼片的幾分之一的精度把延遲時間發送到移動終端，可以提高距離的精確度。
在代碼相位調節器731的指令下，移動終端具有以一個碼片幾分之一的，例如八分之一、十分之一或十六分之一的，精度調節正交碼的相位的能力，代碼相位調節器731在處理器732的協助下，確定接收的導頻信號的相位，并將其轉換為對于遠端導頻擴展碼適當的初始狀態。
當信號到達基站時，為了使發射的，反向鏈路，擴展頻譜用戶數據信號與其它發射的擴展頻譜用戶數據信號是正交的，必須調節每個用戶發射的代碼的相位，以補償到每個獨立的用戶的不同路徑長度，或距離。每個移動終端已經在它的存儲器中存儲了到基站的距離。利用這個信息，處理器732確定使擴展頻譜用戶數據信號在特定時間到達基站所需的相位調節。然后，代碼相位調節器731向正交碼集發生器702提供初始代碼設置，并在適當的時間啟動發生器。以每碼片幾分之一的精度，基站用戶數據信道校準檢波器檢測差錯電壓，以使相干輸出功率最大，并且把改正信號發送到移動終端，把增量的調節提供給用戶數據正交碼相位，以精細地調諧發射信號的相對位置。當移動終端在該區域中移動時，利用導頻跟蹤差錯信號，這些增量調節補償移動終端的正常移動并跟蹤移動終端。
代碼相位的迅速變化需要如上所述的通過利用導頻重復進行距離測量技術以重新捕獲數據信號。用代碼相位調節器731對類噪聲碼發生器703進行相位調節，以使其具有與正交碼集發生器702相同的相位。由于類噪聲PN碼比正交碼長得多，因此調節正交碼和類噪聲PN碼，使它們看來像是在相同的時間開始，正交碼將在類噪聲PN碼的每一循環期間重復多次，并且它們將在相同的時間結束。因此，它們都開始于一個信號出現時間的起始時刻，其中信號出現時間是類噪聲PN碼的長度。正交碼的長度是較長的類噪聲PN碼的偶整數。所有用戶使用相同的類噪聲PN碼，并且成為所有用戶數據信號的數字載波。當類噪聲PN碼被同步檢測時，對不同正交碼之間的分辨沒有影響。
上述處理導致具有相對系統時間參考的不同絕對相位的發射用戶數據信號和發射導頻。因此，導頻擴展頻譜信號不能正交于用戶數據信號，這表明，假設每個用戶終端也具有一個導頻信號，如果信號的一半作為隨機噪聲出現并且另一半不造成干擾，那么干擾已經減少了3db。來自遠端導頻數據源701的導頻數據可以全都是0，全部是1或實際上使低數據率的信息信號輸入到導頻信道上。假設一個對于遠端導頻數據源701的“全1”輸入，那么導頻信道僅發射為導頻選擇的正交碼與類噪聲PN碼的相加。
如上所述，遠端導頻的相位和定時從屬于來自基站的輸入導頻。使導頻從屬，以便它從移動終端通過時表現為沒有延遲。這是本發明的關鍵特征，并且使得基站能夠精確地測量往返行程延遲。基站將這個往返行程延遲信息提供給移動終端，移動終端在捕獲過程中利用這個信息調節發射的用戶數據信號的相位，因而使得基站能夠在正交操作模式中迅速地捕獲用戶數據信號。由于移動終端對導頻和用戶數據信號都使用相同的載波，因此使用導頻載波相位相干地檢測用戶數據。如上所述，在捕獲之后，來自導頻的距離信息在數據模式的正常轉換期間是不必要的。因此，移動終端包括一種在捕獲發生后使用的模式，在這種模式中，移動導頻碼相位以使其具有與用戶數據信道相同的相位。在這種模式中，如果分配的導頻碼是正交碼集的項，那么導頻也是正交的。本發明的這個特征再使系統容量幾乎增大一倍。這也表明，由于導頻不會對其它信號造成干擾，所以導頻能夠以比較高的功率電平發射。盡管這的確意味著，如果由于有限的正交碼數量而不是處理增益造成了容量上的限制，用戶的數量已經被減少。由于這個特征是從基站控制的，基站可以作出哪一種模式將給出具有最大容量的最佳操作特性的估計，并相應采取行動。
在加法器712中把導頻數據與分配給導頻的代碼模2相加，產生擴展頻譜反向鏈路導頻信號。在加法器713也使一個類噪聲PN信號相加于這個信號，在加法器713中使導頻信號表現得更像一個隨機噪聲擴展頻譜信號。在組合器716中把類噪聲擴展頻譜導頻信號與擴展頻譜用戶數據信號組合，形成復合擴展頻譜信號，然后在調制器/轉換器720中將復合擴展頻譜信號調制到載波上。這個已調制復合擴展頻譜信號通過雙工器721到達天線727。
天線727也接收從基站發射的復合擴展頻譜信號。這個信號通過使它與發射信號隔絕的雙工器721，并在功率分配器722中被分離為一個導頻信道和一個數據信道。導頻信道可以使用三個不同的相關器跟蹤載波和擴展碼；這三個相關器是由乘法器/相關器726，728，729加上積分器/帶通濾波器754，756，757構成的。延遲鎖定環751跟蹤輸入代碼的相位，并且使由本地產生的正交和類噪聲碼模2相加生成的本地導頻碼與基站發射的復合擴展頻譜信號保持同步。在乘法器/相關器726，728，729中將本地導頻碼與輸入的復合擴展信號相乘。延遲元件752以適當的方式延遲輸入到乘法器/相關器726，728，729的參考導頻，使得分別產生參考導頻的一個準時、一個超前和一個滯后信號。延遲鎖定環751使用由乘法器/相關器728，729分別相乘的超前和滯后信號跟蹤輸入信號。當代碼與來自功率分配器的對三個乘法器/相關器726，728，729的輸入信號進行相位對準時，在每個乘法器/相關器726，728，729的輸出端出現一個最大信號。當輸入信號這樣被跟蹤時，延遲鎖定環751向模式控制和捕獲器件733發送一個時鐘信號和一個捕獲信號。熟悉本領域的技術人員都知道，可以用任何等價的差錯發生裝置來執行延遲鎖定環的功能。
延遲元件752也提供由鎖相環振蕩器750使用的準時路徑。鎖相環振蕩器750集中于相關峰值，和提供最大載波信號強度。數據信道延遲元件753也使數據信道具有與鎖相環路徑相同的對準、準時和最大載波強度。鎖相環振蕩器750向相干檢波器758和延遲鎖定環751提供相干載波參考。正交碼集發生器740向模2加法器715提供一個由基站通過處理器732分配的正交碼，在模2加法器715中正交碼與類噪聲碼發生器741的輸出組合，形成本地數據擴展頻譜參考信號。由于基站導頻碼和用戶數據碼信道被同步并在相同的RF載波上發射，在捕獲后本地碼的相位和導頻信道的載波相位可以被用作解調用戶數據信道。延遲元件753延遲來自加法器715的參考信號，并且在乘法器/相關器725中與輸入的接收組合擴展頻譜信號相乘，以相關出用戶數據信道。在帶通濾波器755中積分乘法器/相關器725的輸出，以使信息信道到達相干檢波器758檢測所用的相關峰值。積分和轉儲電路760在信息比特周期積分相干檢波器758的輸出。積分和轉儲電路760在位同步器759確定的時刻對輸出進行抽樣。使位同步器759與正交碼集發生器740同步，因而當代碼被同步時，數據位也自動地同步。發生這種情況是由于基站發射機中的數據也與基站正交碼發生器同步。輸出信號775是用特定信道附加數據多路復用的用戶數據，特定信道附加數據是未示出的多路分解器從數據信號中分離出來，并發送到處理器732。這種附加數據包括功率控制消息，代碼相位對準消息，模式改變消息，等等。這些消息通過處理器輸入/輸出端口771輸入處理器。
正交碼集發生器740與正交碼集發生器702相同，并且類噪聲碼發生器741與類噪聲碼發生器703相同。正交碼集發生器740和類噪聲碼發生器741由模式控制和捕獲器件733計時。在捕獲前，模式控制和捕獲器件733用一個穩定的內部時鐘向代碼發生器提供定時；在捕獲后，PLL振蕩器750從屬于從延遲鎖定環751導出的時鐘。時鐘脈沖發生器730也從屬于模式控制和捕獲器件733的輸出。
如圖8中所示，根據本發明的基站包括基站天線827，用戶數據源800，導頻數據源801，正交碼集發生器802，840，類噪聲碼發生器803，841，八個模2加法器810-818，信號組合器816，射頻轉換器/調制器820，時鐘脈沖發生器830，距離延遲器件834，處理器832，控制器836，代碼相位調節器831，模式控制和捕獲器件833，四個帶通濾波器854，855，856，857，位同步器859，相干檢波器858，積分和轉儲電路860，延遲鎖定環851，延遲元件852，853，四個倍增相關器825，826，828，829，鎖相環振蕩器850，功率分配器822，多路耦合器821，和載波發生器819。圖8也示出了處理器輸入/輸出端口871，用戶數據輸入端口870，用戶數據輸出端口875，和射頻輸入/輸出端口873。
圖8是展示本發明特征的基站的說明圖。圖8的基站與圖7的移動終端之間有許多類似性。在下面的討論中，重點說明基站與移動終端之間的不同之處。
在圖8中，有三個數據源。除了如圖7中所示的用戶數據和導頻數據之外，需要有發射到連接于基站的所有用戶的系統數據。這種類型的數據包括一般系統參數，尋呼信息，系統同步標記，控制信息和信道分配。許多這樣的系統信息始發于網絡中心控制器，并通過陸地線路被發送到適配于各個蜂窩的基站控制器836。處理器832與控制器836協同工作，把這些消息接入到基站中。這是一般廣播的信息，因而在把它們分配給專用信道之前所有用戶都能接收到它。
在移動終端在分配的信道上操作時發送到特定用戶的系統信息被輸入到在輸入端口870的用戶數據裝置，并且與用戶數據多路復用。在加法器817中，系統數據還被用正交碼集發生器802產生的唯一的正交碼擴展，并且在加法器818中加上一個附加類噪聲PN碼而進一步隨機化。類噪聲PN碼是由類噪聲碼發生器803產生的。
可以有數個系統數據信道，每個用一個唯一的正交碼擴展，但是所有信道使用相同的類噪聲PN碼。把相同的類噪聲PN碼加到包括所有數據信道、所有系統信道和導頻信道的所有信道上。僅有一個導頻信道，并且它使用唯一正交碼中的一個，通常是全部為0的代碼。這表明類噪聲PN碼基本上是導頻碼，但是它也是所有其它代碼的一個分量。前向鏈路上的導頻的概念是被普遍接受了的，并且記載在現有技術的文獻中；見第5,228,056號美國專利；第5,420,896號美國專利；第5,103,459號美國專利和第5,416,797號美國專利。還有幾種產生用于不同基站的不同導頻的裝置，包括故意地引入固定代碼相移；見第5,103,459號美國專利和第5,416,797號美國專利。
為了說明的目的，圖8僅示出了一個用戶數據源800，但是一般會有許多的用戶數據源或信道，每個當前用戶一個。將給每個當前用戶分配一個唯一的正交碼，并且每個當前用戶將使用相同的類噪聲PN碼。因此，至組合器816的輸入一般將包括許多用戶數據信道，數個系統信道，和一個導頻信道。組合器816的輸出是一個復合擴展頻譜信號，在轉換器/調制器820中將其在載波WC上調制。通過多路耦合器821把已調制復合擴展頻譜信號傳送到基站天線827。多路耦合器821不僅像在移動終端中所做的提供發射和接收信號之間的隔絕，而且也必須使多個發射信號相互隔絕。一種可選的方法是組合低功率電平信號，并在最后階段中使用線性放大器。
時鐘脈沖發生器830是從一個穩定的振蕩器取得的，并且是整個蜂窩的基本時鐘。在整個系統中保持絕對時間。在所有基站的這個絕對時間使得移動終端能夠確定到幾個基站的絕對時間延遲，從而導致精確的地理位置確定。時鐘脈沖發生器830為正交碼發生器802和類噪聲碼發生器803提供時鐘。它在反向鏈路以正交碼模式操作時還為正交碼發生器840和類噪聲碼發生器841提供時鐘。當接收機不在正交碼模式操作，并且它已經捕獲了一個分配的用戶信號時，正交碼發生器840和類噪聲碼發生器841使用延遲鎖定環851產生的時鐘作為它們的時鐘源。
當導頻接收信道已經在反向鏈路上捕獲了用戶導頻信號，并且延遲鎖定環851正在跟蹤輸入導頻信號時，由正交碼集發生器840和類噪聲碼發生器841的輸出在加法器814中相加產生的參考導頻碼與來自用戶的導頻信號完全同步。在發生這種狀態時，加法器814的輸出被距離延遲器件834接受，并且把這個導頻碼的相位與從加法器813的輸出獲得的基站導頻碼的相位比較。在處理器832的協助下，距離延遲器件834計算兩個信號之間的相位差，并把這個值存入處理器832中的存儲器。還把往返行程延遲值通過用戶數據源800的輸入端口870傳送給正在發射用戶導頻信號的移動終端，或作為分配信道建立命令的一部分。
當移動終端在導頻測距正交操作模式時，基站發送用戶終端測距信息，用戶終端以正交模式在返回鏈路上發回用戶數據。在導頻信道距離測量和為在正交信道上取得最大噪聲降低的正確相位之間可能有小的固定偏差。為了消除這個偏差，處理器832向移動終端發送命令，以一個碼片的幾分之一，例如，八分之一，十分之一，或十六分之一，移動用戶導頻和用戶數據信道之間的相位關系，與此同時處理器832觀察積分和轉儲電路860的輸出電平。當觀察到峰值輸出信號電平時，鎖定該偏差并保持之。這個處理校準了用戶導頻與用戶數據信道之間的關系。一旦達到最優結果，在正常傳輸過程中不再使這種關系有顯著的改變。在一段固定時間間隔之后總是可以對它進行重建。
當移動終端在也發射與用戶數據信道同步的正交導頻的模式中時，延遲鎖定環851差錯電壓被送到處理器832，分析和用預定的分量補償，并且發射到移動終端，用于改正移動終端發回的復合信號的相位。由于差錯是在基站檢測的，而改正是在移動站進行的，在環路中存在固有的延遲。但是，與用戶的正常移動相比這種延遲很小，并且由于用戶的移動一般不會迅速地改變方向，因而可以根據最后的測量作出預測。如果路徑長度有數個碼片的突然跳躍，那么命令移動終端返回到先前的模式，使用測距信息重新捕獲。這只是在一個強一次多徑輻射迅速衰落并且沒有現存的二次射線，但在一次射線消失后馬上出現一個新的二次射線的情況下才發生。
因此，根據本發明，基站接收機可以在四種模式之一中接收來自移動終端的數據。第一種模式使移動終端能夠在反向鏈路上發送與基站不同步的獨立的用戶導頻，并且用戶數據信道與這個獨立的用戶導頻同步。第二種模式要求用戶終端使它的用戶導頻從屬于它從基站接收的導頻，并且用戶數據信道與這個從屬的用戶導頻同步。第二種模式使得用戶終端能夠接收用于地理定位和迅速重新捕獲目的的往返行程延遲信息。第三種模式像模式2的情況一樣要求用戶終端使它的用戶導頻從屬于輸入基站導頻，但用戶數據信道在使用從基站接收的測距信息的正交模式下操作。校準了用戶導頻信道與用戶數據信道之間的相位關系；以上說明了一種技術，但是熟悉本領域的技術人員應當知道有許多其它的技術。用戶導頻載波也是用于用戶數據信道的載波，并且可以用作檢測用戶數據信道的載波參考。第四種模式使用模式3的從屬導頻方式進行捕獲，但是，在捕獲后，移動用戶導頻碼的相位使其與用戶數據信道同步，因此也使導頻成為一個正交信道。這意味著在蜂窩內導頻不再對用戶數據信道造成干擾，并且可以在更高的功率電平發射。
本發明可以進一步包括一種用于通過雙工無線信道從移動終端向基站傳送遠端消息數據的擴展頻譜CDMA蜂窩無線通信方法。該方法包括在返回鏈路上使用導頻以在基站天線取得正交性。
該方法包括使用偽噪聲碼擴展頻譜處理遠端消息數據，產生遠端導頻信號，和組合遠端導頻信號與擴展頻譜處理的遠端消息數據以產生遠端CDMA信號等步驟。遠端CDMA信號包含遠端導頻信號和數據信號。
該方法接著包括步驟在雙工無線信道的反向信道上從移動終端向基站發射遠端CDMA信號；基站接收遠端CDMA信號，并將遠端CDMA信號分離為導頻信道和數據信道。該方法接著包括步驟產生基站導頻信號和產生基站導頻參考信號；分離并延遲基站導頻參考信號，以產生基站導頻參考信號的一個準時信號，基站導頻參考信號的一個超前信號，和基站導頻參考信號的一個滯后信號；使用基站導頻參考信號的準時、超前和滯后信號分別相關出遠端導頻信號的一個準時、一個超前、和一個滯后信號。
該方法接下來包括步驟產生基站數據參考信號和利用基站數據參考信號相關出數據信號；跟蹤遠端導頻信號的相位，并響應遠端導頻信號中的峰值輸出一個表明遠端導頻信號與基站導頻參考信號同步的捕獲信號；響應捕獲信號，可以移動遠端導頻信號的相位使其與數據信號同步。也可以使遠端導頻信號從屬于基站導頻信號。
該方法接下來包括步驟響應捕獲信號，測量基站導頻信號與基站導頻參考信號之間的代碼相位差以確定移動終端與基站之間距離；把該距離發射到移動終端，響應該距離，移動終端調節偽噪聲碼的相位，從而調節了數據信號到達基站的時間并且獲得了在基站的正交性。
熟悉本領域的技術人員應當知道，可以對本發明的擴展頻譜通信系統和方法進行各種修改而不脫離本發明的范圍或精神，并且本發明意圖包括對這里說明的擴展頻譜通信系統和方法的修改和改變，只要它們在附屬權利要求及其等同物的范圍內。
權利要求
1.一種用于地理上定位移動終端的無線CDMA系統，所述系統包括多個具有固定位置的基站，每一個基站包括用于發射第一擴頻信號的裝置，所述第一擴頻信號具有相關碼；用于接收第二擴頻信號的裝置，所述第二擴頻信號具有相關碼；用于根據部分所接收的第二擴頻信號的接收時序來決定所述移動終端與所述基站之間延遲的裝置；以及所述移動終端包括用于在所述移動終端接收所述第一擴頻信號的裝置；用于針對所接收的每一個第一擴頻信號發射所述第二擴頻信號的裝置，所述第二擴頻信號的相關碼與所接收的所述第一擴頻信號在時序上同步化，其中所述第二擴頻信號的相關碼與從所接收的所述第一擴頻信號的同步化是經由利用所述第一擴頻信號的相關碼來解擴展所接收的第一擴頻信號，由延遲鎖相循環處理已經解擴展的所接收的第一擴頻信號，以及調整用于解擴展的第一擴頻信號的相關碼以及時鐘脈沖的時序，以響應所述延遲鎖相循環，并調整所述第二擴頻信號的相關碼的時序，以響應所調整的時鐘脈沖與第一擴頻信號的相關碼的時序；用于從每一個基站接收延遲決定的裝置；以及用于根據部分往返行程延遲信息決定所述移動終端的地理位置的裝置。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述基站在時序上彼此同步化。
全文摘要
一種用于反向鏈路同步化的方法，其包含以反向鏈路方向自移動終端傳送信號至基站，其中所述信號所使用的定時是根據以前向鏈路方向自該基站所接收的傳輸而設定；在該基站檢測所傳送的信號中的同步化序列；評估該所傳送信號的定時；以及根據所述評估發送定時調整信息至該移動終端為同步化指令，該等同步化指令指示定時調整為碼片增加量的八分之一。
文檔編號H04J11/00GK1878042SQ20061009969
公開日2006年12月13日 申請日期1998年2月26日 優先權日1997年2月28日
發明者吉爾·拉文 申請人:交互數字技術公司