專利名稱：一種帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字通信領(lǐng)域中的直接序列擴頻系統(tǒng)同步技術(shù)，特別是針對含有 一定頻差(即頻差小于符號速率)的不理想情況下可采用的同步方法，具體地說是帶有頻 差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法。
背景技術(shù)：
直接序列擴頻(DS-SS)技術(shù)具有抗干擾、抗截獲和抗多徑能力強等一系列優(yōu) 點，在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如蜂窩移動通信系統(tǒng)的第二代IS-95、第三代 IMT-2000標準，均采用了基于DS-SS技術(shù)的CDMA方案；軍事抗干擾通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系 統(tǒng)也常采用DS-SS技術(shù)。在DS-SS系統(tǒng)中，終端要從接收信號中恢復所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，首 先必須使本地擴頻序列與接收信號中的擴頻序列同步。在實際的擴頻通信環(huán)境中，存在著多徑時延擴展、幅度衰落和多普勒頻移等效應(yīng)， 必須采取相應(yīng)措施加以克服，抑制和消除對DS-SS系統(tǒng)性能的負面影響。傳統(tǒng)的方法是 Rake接收，通過同步技術(shù)來估計不同路徑的時延、衰落幅度及相位等信息，把分離的多徑信 號按某種規(guī)則合并起來以減小多徑衰落的影響。但該方法只適用于多條路徑比較明顯的情 況，若多條路徑區(qū)分不明顯時，就難以獲得可靠的時延估計。另外，載波頻差對DS-SS系統(tǒng)的時延和信道估計以及整體性能都有著重要影響。 因為擴頻信號本來信噪比就比較低，而載波頻差會引起接收擴頻信號與本地擴頻碼的相關(guān) 峰值能量的損失，使得正確識別相關(guān)峰位置非常困難。即使時延估計正確，也會由于接收信 噪比的下降，而導致DS-SS接收機性能的惡化。信道也由于載波頻差的存在而復雜化，信 道參數(shù)的估計會很困難，那么，相應(yīng)均衡器的設(shè)計和性能也會受到影響。此外，如果存在強 Doppler效應(yīng)，擴頻碼速率也會產(chǎn)生偏移，那么此時的擴頻碼時延和信道估計以及接收機設(shè) 計就顯得更為復雜了。因此，頻差、時延和信道估計非常重要，是DS-SS系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。如何快速可 靠地估計頻差、時延和信道參數(shù)，以及如何有效地評估頻差對DS-SS系統(tǒng)性能的影響，都是 值得關(guān)注的研究問題，這對于DS-SS系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計和性能分析具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種帶有頻差估計的軟信號識別和 擴頻碼捕捉(軟SR/CA)方法?？紤]當頻差小于符號速率時的DS-SS系統(tǒng)，在一路SR/CA的 基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置高低雙重判決門限，使得當判決變量介于高低門限之間時，能夠進行 進一步結(jié)合頻差估計方法校正頻差后再進行判決，這樣就能夠在虛警概率基本不變的情況 下增加信號識別的概率，進而能夠提高系統(tǒng)的檢測概率。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，即軟SR/CA，具體步驟如下步驟一初始化——設(shè)定高低判決門限XH，入卩碼片周期是Ts，頻差校正時間段TK，頻差校正時間T = 0時，將數(shù)字壓控振蕩器(NC0)復位；
步驟二 接收端將接收的信號s(t)經(jīng)NC0進行下變頻處理得到基帶信號r(t)信 號，
其中Re[ ]是取實部，f。是NC0的輸出頻率，將基帶信號r⑴通過碼片匹配濾波器輸出，得到連續(xù)信號 步驟三對碼片匹配濾波器的輸出;^？)以碼片速率1/TS抽樣得到抽樣信號;然 后用本地擴頻碼c*進行匹配得到一系列相關(guān)值e (h)，可表示為
其中L為擴頻碼長度；
步驟四將得到的一系列相關(guān)值e(h)經(jīng)過平方、平滑得到z(h)，其中W是平滑因 子，z(h)表示為
步驟五每隔八時間寬度，選擇L個平滑結(jié)果{Z(1(h)，Zl(h)，…，zM(h)}中的最 大值(h)，其位置作為捕捉位置或/0，表示為 然后將最大值z_(h)與其他L-l個平滑結(jié)果的平均值巧/z)的比值作為判決變量 入(h)輸出，表示為
其中全表示“定義為”；步驟六將入(h)和高低門限Ah,入l進行比較，(a).若X (h) > Ah,則判決信號存在即接收端檢測到信號，此時軟SR/CA完 成，輸出我/0為捕捉到的位置，識別結(jié)束；(b).若X (h)彡則判決信號不存在氏，需繼續(xù)執(zhí)行步驟二 ；(c) 若X L < X (h)彡X H，則執(zhí)行步驟七；步驟七鎖定捕捉位置我/0，若頻差校正時間T ( Tk，開始執(zhí)行頻差估計方法，對數(shù) 字壓控振蕩器NC0進行校正，T = T+WLTS，執(zhí)行步驟二 ；若T > TK，執(zhí)行步驟一。本發(fā)明的步驟一中，所述的設(shè)定高低判決門限XH，的方法是指通過預(yù)先設(shè) 定初始虛警概率pFA和最終虛警概率PFA的具體值，記為、PfEa,根據(jù)
和
分別計算出、和入『其中
指軟SR/CA方法的虛警概率計算公式。本發(fā)明的步驟一中，所述的頻差校正時間段&是指允許的最長頻差校正時長，超 過此時長則認為頻差校正失效。
本發(fā)明的步驟四中，所述的將相關(guān)值e(h)經(jīng)過平方、平滑是首先將e(h)取模的平 方，然后將W個連續(xù)的平方值求和。 本發(fā)明的步驟六中，所述的頻差估計方法是雙濾波器頻差估計方法。本發(fā)明的步 驟三中本地擴頻碼c*在接收端已設(shè)定，為幾十至幾千比特。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，針對一定滑動時間段內(nèi)的 接收基帶信號，首先通過碼片匹配濾波器，然后以碼片速率進行抽樣，再運用本地擴頻碼進 行匹配得到一系列相關(guān)值；隨后通過串并變換、幅值平方、平滑和計算，得到信號識別判決 變量和最大值位置，將判決變量與高低門限進行比較，進而決定是否需要校正頻差來重新 進行信號識別與擴頻嗎捕捉。本發(fā)明針對現(xiàn)有信號識別和擴頻碼捕捉方法中單判決門限策略的弊端，考慮存在 一定頻差時(頻差小于符號速率)的DS-SS系統(tǒng)，提出一種帶有頻差估計的軟信號識別和 擴頻碼捕捉方法。本發(fā)明在一路SR/CA的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置高低雙重判決門限，使得當 判決變量介于高低門限之間時，能夠通過頻差估計方法來校正頻差，然后重新進行信號識 別與擴頻碼捕捉，這樣就能夠在虛警概率基本不變的情況下增加信號識別的概率，進而能 夠提高系統(tǒng)的檢測概率。
圖1是本發(fā)明帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉(軟SR/CA)方法的框圖。圖2是信號識別和擴頻碼捕捉SR/CA的具體框圖。圖3是雙濾波器頻差估計方法的框圖。圖4是AWGN信道下頻差A(yù) fTs = 0，0. 2，0. 4時SR/CA、軟SR/CA方法的檢測概率 和平均碼片信噪比的關(guān)系曲線圖。圖5是單徑瑞利慢衰落信道下頻差A(yù) fTs = 0，0. 2，0. 4時SR/CA、軟SR/CA方法的 檢測概率和平均碼片信噪比廠(乙)的關(guān)系曲線圖。圖6是AWGN信道條件下SR/CA、軟SR/CA方法的檢測概率和頻差A(yù)fTs的關(guān)系曲線 圖。圖7是單徑瑞利慢衰落信道條件下SR/CA、軟SR/CA方法的檢測概率和頻差A(yù) fTs 的關(guān)系曲線圖。圖8是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。一種帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉(軟SR/CA)方法，具體步驟如下步驟一初始化——設(shè)定高低判決門限入H，入y頻差校正時間段TK，頻差校正時間 T = 0時，將數(shù)字壓控振蕩器(NC0)復位，Ts是碼片周期；步驟二 接收端將接收的信號s (t)經(jīng)NC0進行下變頻處理得到基帶信號r (t)信 號，r⑷=Re[小)V^]，其中Re[*]是取實部，f。是NC0的輸出頻率，將基帶信號r⑴
6通過碼片匹配濾波器gK⑴輸出得到連續(xù)信號 步驟三對碼片匹配濾波器的輸出;以碼片速率1/TS抽樣得到抽樣信號卩(i)，然 后用本地擴頻碼c*進行匹配得到一系列相關(guān)值e (h)，可表示為
其中L為擴頻碼長度；
步驟四將得到的一系列相關(guān)值e(h)經(jīng)過平方、平滑得到z(h)，其中W是平滑因 子，z(h)表示為
步驟五每隔??；時間寬度，選擇L個平滑結(jié)果{Z(1(h)，Zl(h)，…，zM(h)}中的最 大值(h)，其位置作為捕捉位置我/0，表示為
然后將最大值z_(h)與其他L-1個平滑結(jié)果的平均值穴/0的比值作為判決變量 入(h)輸出，表示為
其中蘭表示“定義為”。
步驟六將\ (h)和高低門限XH，進行比較，
(a).若X (h) > ，則判決信號存在&，即接收端檢測到信號，此時軟SR/CA完 成，輸出為捕捉到的位置，識別結(jié)束；(b).若X (h)彡則判決信號不存在氏，需繼續(xù)執(zhí)行步驟二。(c) 若X (h)彡XH，則執(zhí)行步驟七。步驟七鎖定捕捉位置勿/0，若頻差校正時間T ( Tk，開始執(zhí)行頻差估計方法，對數(shù) 字壓控振蕩器NC0進行校正，T = T+WLTS，執(zhí)行步驟二 ；若T > TK，執(zhí)行步驟一。具體實施時實施例一以二進制DS-SS/MPSK系統(tǒng)為例，給出了帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕 捉方法的具體計算過程，DS-SS系統(tǒng)參數(shù)為數(shù)L = 31，W = 8。本實施例的流程如圖8所 示，具體計算過程如下1.根據(jù)常虛警概率CFAR準則設(shè)置雙門限假設(shè)初始虛警概率PFA和最終虛警概率PFA的具體值為P^、定義輔助變量
則高低判決門限^、的計算公式為 軟SR/CA方法的初始PFA和最終PFA分別為
；雙重門
限設(shè)置為 2.計算匹配濾波后的相關(guān)值假設(shè)c*表示本地擴頻碼，表示接收信號經(jīng)過碼片匹配濾波和抽樣后的輸出抽 樣信號，則用本地擴頻碼進行濾波后的相關(guān)值輸出可表述為 3.構(gòu)造判決輔助變量e(h)經(jīng)過平方、W個符號周期平滑后的輸出分別為 定義下列輔助變量 4.計算捕捉位置和判決變量5.判決將\ (h)和高低門限XH，\進行比較。(1)若X (h) > X H，則判決信號存在(H!)，此時軟SR/CA完成。(2)若X (h)彡X l，則判決信號不存在(Hq)，需繼續(xù)執(zhí)行軟SR/CA。(3)若X (h) < ，則激活頻差估計和校正環(huán)路，頻差校正后繼續(xù)執(zhí)行軟 SR/CA。為了便于對本發(fā)明中的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法與現(xiàn)有差 分解調(diào)方法進行比較，下面結(jié)合仿真結(jié)果說明AWGN和瑞利衰落信道中兩種方法的檢測概 率PD和虛警概率PFA變化情況。圖4，5分別針對AWGN信道和單徑瑞利慢衰落信道，給出了頻差A(yù) fTs = 0,0. 2， 0. 4時SR/CA、軟SR/CA方法的檢測概率和平均碼片信噪比廣沅)的關(guān)系曲線。從圖中可以 看出在相同的頻差A(yù)fTjn平均碼片信噪比廣仄)條件下，軟SR/CA方法的檢測概率&要 高于SR/CA方法。當漏檢概率為0. 001、頻差為0. 4時，軟SR/CA方法具有l(wèi)dB左右的性能增碰。圖6，7則分別給出了不同;條件下兩方法的檢測概率和頻差A(yù)fTs的關(guān)系曲 線。從圖中可以看出當頻差々^；升高或者平均碼片信噪比廠^)降低時，SR/CA、軟SR/CA 方法的檢測概率PD均降低，但軟SR/CA方法的性能仍明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SR/CA方法。在上述實施例中，雖然研究工作針對二進制DS-SS/MPSK系統(tǒng)，但同樣可用于多進 制正交擴頻系統(tǒng)(NOrth-MDPSK)，因為在以多進制正交擴頻傳輸數(shù)據(jù)之前，完全可以通過二 進制擴頻方式、甚至不傳輸任何數(shù)據(jù)來實現(xiàn)SR/CA。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，即軟SR/CA，其特征是具體步驟如下步驟一初始化——設(shè)定高低判決門限λH，λL，碼片周期是Ts，頻差校正時間段TK，頻差校正時間T＝0時，將數(shù)字壓控振蕩器(NCO)復位；步驟二接收端將接收的信號s(t)經(jīng)NCO進行下變頻處理得到基帶信號r(t)信號，其中Re[·]是取實部，fc是NCO的輸出頻率，將基帶信號r(t)通過碼片匹配濾波器gR(t)輸出，得到連續(xù)信號步驟三對碼片匹配濾波器的輸出以碼片速率1/Ts抽樣得到抽樣信號然后用本地擴頻碼c*進行匹配得到一系列相關(guān)值e(h)，可表示為 <mrow><mi>e</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msup> <mi>c</mi> <mo>*</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mover> <mi>r</mi> <mo>~</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>hL</mi> <mo>+</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中L為擴頻碼長度；步驟四將得到的一系列相關(guān)值e(h)經(jīng)過平方、平滑得到z(h)，其中W是平滑因子，z(h)表示為 <mrow><mi>z</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>W</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msup> <mrow><mo>|</mo><mi>e</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>步驟五每隔Ts時間寬度，選擇L個平滑結(jié)果{z0(h)，z1(h)，…，zL-1(h)}中的最大值zmax(h)，其位置作為捕捉位置表示為 <mrow><msub> <mi>z</mi> <mi>max</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mover> <mo>=</mo> <mi>Δ</mi></mover><mi>max</mi><mo>{</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mi>z</mi> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow> <mrow><mover> <mi>δ</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mo>|</mo> <msub><mi>z</mi><mrow> <mover><mi>δ</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow> </msub></msub><mo>=</mo><msub> <mi>z</mi> <mi>max</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>然后將最大值zmax(h)與其他L-1個平滑結(jié)果的平均值的比值作為判決變量λ(h)輸出，表示為 <mrow><mover> <mi>z</mi> <mo>‾</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mover> <mo>=</mo> <mi>Δ</mi></mover><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>l</mi><mo>≠</mo><mover> <mi>δ</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>z</mi> <mi>l</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>λ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mover> <mo>=</mo> <mi>Δ</mi></mover><msub> <mi>z</mi> <mi>max</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mover> <mi>z</mi> <mo>‾</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中表示“定義為”；步驟六將λ(h)和高低門限λH，λL進行比較，(a).若λ(h)＞λH，則判決信號存在H1，即接收端檢測到信號，此時軟SR/CA完成，輸出為捕捉到的位置，識別結(jié)束；(b).若λ(h)≤λL，則判決信號不存在H0，需繼續(xù)執(zhí)行步驟二；(c).若λL＜λ(h)≤λH，則執(zhí)行步驟七；步驟七鎖定捕捉位置若頻差校正時間T≤TK，開始執(zhí)行頻差估計方法，對數(shù)字壓控振蕩器NCO進行校正，T＝T+WLTs，執(zhí)行步驟二；若T＞TK，執(zhí)行步驟一。FSA00000127654300011.tif,FSA00000127654300012.tif,FSA00000127654300013.tif,FSA00000127654300014.tif,FSA00000127654300017.tif,FSA000001276543000110.tif,FSA00000127654300021.tif,FSA00000127654300022.tif,FSA00000127654300023.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，其特征是步 驟一中，所述的設(shè)定高低判決門限λΗ，λ ^的方法是指通過預(yù)先設(shè)定初始虛警概率Pfa和最 終虛警概率Pfa的具體值，記為砥、PfEa，根據(jù) 分別計算出Xjp λΗ，其中 是指軟SR/CA方法的虛警概 率計算公式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，其特征是步 驟一中，所述的頻差校正時間段Tk是指允許的最長頻差校正時長，超過此時長則認為頻差 校正失效。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，其特征是步 驟四中，所述的將相關(guān)值e(h)經(jīng)過平方、平滑是首先將e(h)取模的平方，然后將W個連續(xù) 的平方值求和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，其特征是步 驟六中，所述的頻差估計方法是雙濾波器頻差估計方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，其特征是步 驟三中本地擴頻碼c*在接收端已設(shè)定，為幾十至幾千比特。
全文摘要
本發(fā)明的一種帶有頻差估計的軟信號識別和擴頻碼捕捉方法，它有助于在存在頻差情況下提高正確識別信號和捕獲擴頻碼的概率。它提出了采用雙重判決門限并結(jié)合頻差估計的軟SR/CA方法，對抽樣信號的處理包括如下過程抽樣信號與本地擴頻碼進行匹配相關(guān)，計算判決變量，然后與高低門限進行比較，進而決定是否需要進行頻差校正。本發(fā)明在一路SR/CA的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置高低雙重判決門限，使得當判決變量介于高低門限之間時，能夠進行進一步結(jié)合頻差估計方法校正頻差后再進行判決，這樣就能夠在虛警概率基本不變的情況下增加信號識別的概率，進而能夠提高系統(tǒng)的檢測概率。
文檔編號H04B1/707GK101854189SQ201010178018
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者任國春, 張玉明, 沈良, 王金龍, 程云鵬, 鄭學強 申請人:中國人民解放軍理工大學