專利名稱：測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法。
背景技術(shù)：
擴頻通信是傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬的一種通信方式，是通信的 一個重要分支和發(fā)展方向。擴頻通信技術(shù)的特點在于抗干擾性強、截獲率低、抗多路徑干擾 性能好、保密性好、易于實現(xiàn)碼分多址，因此其應(yīng)用領(lǐng)域已迅速從軍用擴展到民用通信中， 并實現(xiàn)了與第三代移動通信系統(tǒng)的完美結(jié)合，成為發(fā)展前景極為廣闊的一種通信方式。然 而，擴頻通信在偽隨機碼捕獲過程中接收碼與本地碼之間的相關(guān)運算卻是一件十分復(fù)雜、 耗時的工作。以20級移位寄存器產(chǎn)生的最大長度偽隨機碼序列為例，一個周期內(nèi)序列長度為 220-1個碼元。如果將每個碼元比作齒輪的一個齒，一個周期的隨機碼序列就是一個具有 220-1個齒的齒輪，偽隨機碼周期性地依次產(chǎn)生類似于齒輪一周周地轉(zhuǎn)動。如果將齒輪甲 比作偽隨機碼接收機，齒輪乙比作本地偽隨機碼發(fā)生器，則一次相關(guān)運算相當(dāng)于一個齒輪 的某一個齒與另一個齒輪的某一個齒根對應(yīng)，兩齒輪嚙合后轉(zhuǎn)動一周。其間，每一對齒與 齒根的接觸就是一個“乘”運算，而在轉(zhuǎn)動一周后所有這些運算結(jié)果還要進行“加”的運算， 并根據(jù)“加”的結(jié)果判定是否相關(guān)。在不相關(guān)的情況下該齒再與另一個齒輪的下一個齒根 對應(yīng)，兩齒輪嚙合后再轉(zhuǎn)動一周；……，不斷重復(fù)這種過程，直到找到唯一一個正確的齒 根為止才算完成擴頻碼的捕獲。在最多的情況下，擴頻碼的捕獲大約需要進行(22°-1)2 = 109950000000次“乘”運算和“加”的運算！為了減少擴頻碼的捕獲時間，工程技術(shù)人員通常是利用FPGA進行并行計算，但由 于運算量太大，即使采用1000個相關(guān)器進行并行計算，在最多的情況下，每個相關(guān)器仍需 要進行至少02°-1)2 = 109950000次“乘”運算和“加”的運算！盡管大量地占用了運算資 源，但運算量依舊很大?？梢姡瑑H靠并行計算雖然提高了成本但仍不能從根本上改善擴頻碼 的捕獲時間，只有改進捕獲方法才是縮短捕獲時間出路所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對測距m序列擴頻碼，提出一種快速捕獲方法。假定m序列發(fā)生器的移 位寄存器個數(shù)為r，該方法首先根據(jù)連續(xù)接收的一段長度為r的序列，通過一個寄存器狀態(tài) 解算器，推算出發(fā)送完這段序列后m序列發(fā)生器寄存器的狀態(tài)，并將本地m序列發(fā)生器的寄 存器狀態(tài)置為該狀態(tài)。接收機接收上述長度為r的序列，再接收一段長度為Z-I的序列后 (旨在為狀態(tài)解算器留出解算時間，并復(fù)現(xiàn)移位寄存器的狀態(tài))，本地m序列發(fā)生器開始工 作，并與接收的m序列進行相關(guān)運算和相關(guān)性判定。若判定結(jié)果為“相關(guān)”，則捕獲成功，否 則繼續(xù)重復(fù)上述過程，直到判定結(jié)果為“相關(guān)”為止。出現(xiàn)不相關(guān)情況的原因是作為解算器 輸入的上述一段長度為r的序列包含誤碼，以r = 20為例，其概率僅為1-0. 9802 = 0. 0198， 也就是說，這種方法一次捕獲成功的概率為0. 9802。
本發(fā)明的特點之一是極大地減少了捕獲的運算量和時間。傳統(tǒng)的捕獲方法平均 需要進行Olr-I)/2次相關(guān)運算，而本發(fā)明專利提出的方法一次相關(guān)運算捕獲成功的概率為 0.9802 ！本發(fā)明的特點之二是容易實現(xiàn)，只需增加一個狀態(tài)解算器并對捕獲軟件稍作修改 即可。


圖1是測距m序列擴頻碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 ， ，…，\為當(dāng)前寄存器狀 態(tài)，MD)為當(dāng)前輸出。圖2是與測距m序列擴頻碼發(fā)生器相對應(yīng)的寄存器狀態(tài)解算器示意圖。圖中的輸 入數(shù)據(jù)X1, X2,…，Xr是由接收器連續(xù)接收的一段長度為r的序列，該序列依次輸入寄存器 狀態(tài)解算器中。圖3是m序列擴頻碼捕獲過程的框圖。
具體實施例方式1.移位寄存器狀態(tài)的確定及實施在接收信號無誤碼的情況下，捕獲m序列就是在本地m序列發(fā)生器上產(chǎn)生與接收 測距碼序列相同(包括相位)的m序列，這就需要根據(jù)獲得的一定長度的接收序列確定本 地m序列發(fā)生器的當(dāng)前狀態(tài)。假定寄存器的個數(shù)為r，由長度為r的接收序列就可以確定移 位寄存器狀態(tài)。圖1為通用反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)，生成多項式為g(D) = l+D+D2+...+Dr假定寄存器的初始值分別為a1; ει2，…，art，iv若以Xl，x2，…，xrt，\表示依次 的輸出，則第一次的輸出和各寄存器的值可以通過如下矩陣表示Ei1 a2 ... ar_! ar00 a^ “‘ a!gr_2 a^^其中第一列的模2和表示輸出，第二列的模2和表示第一個寄存器的值，…，第 r+Ι列的模2和表示第r個寄存器的值。以此類推，矩陣
0
0 0
a2 ^igi
0 0
SLr
aI Sr-
0
的模2和表示第-r個輸出，其中

… Xr-2 §2 … Xr-I Sr-2 … ^r-I Sl… XrSr-3
』個輸出，第二列的模2和表示第二
0
xr_1gr_1 Xrgr_2
.個輸出，·
Xr-1 Sr 0
Xrgr-1 Xrgr 中，第一列 ，第r+Ι列的模2和表示第
X1 = S1
X2 = a2+x^
xr-l — ar-l+Xlgr-2+X2gr-3+…+Χι·-2§2
xr = ar+xig^i+x^^+··· +Xr^g1
分別為第1，2，…，r次的輸出，由此得移位寄存器的狀態(tài)
a! = X1a2 = χ2+χ^!...ar_! = X^i+Xig^+X^^+··· +xr_2g2ar = Xr+Xig^i+X^^+··· +Xr^g1實現(xiàn)其運算的移位寄存器連接如圖2所示。然而，如此的狀態(tài)解算器，在執(zhí)行過程中需要一定的時間才能解出本地m序列發(fā) 生器的狀態(tài)，而后才能產(chǎn)生本地m序列。這樣，本地m序列發(fā)生器與接收到的m序列之間必 然存在較大的相位滯后，實現(xiàn)兩序列的同步成為捕獲問題的關(guān)鍵。慶幸的是m序列是周期 序列。假定生成多項式g (D)為本原多項式，則m序列具有最大長度Z-I。當(dāng)接收一段長度 為r的m序列Xl，x2,…，, \之后采用并行處理的方法，一方面通過狀態(tài)解算器解算本 地m序列發(fā)生器的狀態(tài)，并將本地m序列發(fā)生器的寄存器狀態(tài)置為該狀態(tài)，一方面等待另一 段長度為2〔1的m序列中最后一個碼元的出現(xiàn)。這一段等待時間為本地m序列發(fā)生器寄 存器狀態(tài)的設(shè)置留出了足夠的時間。2.接收序列錯誤概率分析上述移位寄存器狀態(tài)確定的條件是接收信號無誤碼，這是一種理想的情況。實際 問題中接收信號是一個隨機變量，它以一定的概率正確接收，以另外的概率錯誤接收，錯誤 接收的概率即誤碼率。假定通信信道的誤碼率為P，接收的一段長度為r的m序列為X1, X2,…，X^1, Xr這一段接收序列發(fā)生錯誤也就是r比特的序列中至少有1個比特發(fā)生接收錯誤； 這一段接收序列未發(fā)生錯誤也就是r比特的序列中每1個比特都未發(fā)生接收錯誤，其概率 為(Ι-ρ)、以ρ = 0. 001，τ = 20為例，正確接收一段長度為r的m序列的概率為(1-p)r = 0. 99920 = 0. 9802而當(dāng)ρ = 0. 005，r = 20時，正確接收一段長度為r的m序列的概率為(1-p)r = 0. 9952° = 0. 9046可見接收的一段長度為r的m序列發(fā)生錯誤的概率非常小。3.執(zhí)行步驟i)依次接收一段m序列Xl，&，…，xrt，\，置i = 0，k = 0(分別為接收比特計數(shù) 和本地m序列發(fā)生器開始信號)；i i)以Xl，X2,…，, \作為狀態(tài)解算器的輸入，獲得狀態(tài)解算器的輸出，并以 此作為本地m序列發(fā)生器的狀態(tài)，與此并行處理的是iii)接收1個比特信號，i = i+Ι，若i >2M則返回iii)，否則k= 1 ；iv)若k = 1則開始相關(guān)運算，否則返回iv)；ν)若相關(guān)，捕獲成功，否則返回i)。圖3是上述步驟的框圖。上述分析已經(jīng)表明，當(dāng)步驟i)中獲得的序列X1, x2，…， xrt，\無誤碼時，步驟V)無須返回步驟i)，只有在Xl，X2，…，Xrt，\存在誤碼的情況下步 驟ν)才可能返回到步驟i)，因此返回概率只有0. 0198本發(fā)明未詳盡描述的技術(shù)內(nèi)容均為公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法，其特征在于假定m序列發(fā)生器的移位寄存器 個數(shù)為r (如圖1所示)，該方法首先根據(jù)連續(xù)接收的一段長度為r的序列，通過一個寄存 器狀態(tài)解算器(如圖2所示)，推算出發(fā)送完這段序列后m序列發(fā)生器寄存器的狀態(tài)，并將 本地m序列發(fā)生器的寄存器狀態(tài)置為該狀態(tài)；接收機接收上述長度為r的序列，再接收一段 長度為 -l的序列后(旨在為狀態(tài)解算器留出解算時間，并復(fù)現(xiàn)移位寄存器的狀態(tài))，本地 m序列發(fā)生器開始工作，并與接收的m序列進行相關(guān)運算和相關(guān)性判定；若判定結(jié)果為“相 關(guān)”，則捕獲成功，否則繼續(xù)重復(fù)上述過程，直到判定結(jié)果為“相關(guān)”為止(程序框圖如圖3所 示)°
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法，其特征在于在接收信 號無誤碼的情況下，捕獲m序列就是在本地m序列發(fā)生器上產(chǎn)生與接收測距碼序列相同 (包括相位)的m序列，這就需要根據(jù)獲得的一定長度的接收序列確定本地m序列發(fā)生器的 當(dāng)前狀態(tài)，假定寄存器的個數(shù)為r，由長度為r的接收序列就可以確定移位寄存器狀態(tài)，圖1 為通用反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)，生成多項式為g(D) = 1+D+D2+…+Dr假定寄存器的初始值分別為a1; ，…，ar_i; \，若以Xl，X2，…，, Xr表示依次的輸 出，則第一次的輸出和各寄存器的值可以通過如下矩陣表示a1 a2 ··· ar_j ar00H^1 …a!gr_2 H^1 a^其中第一列的模2和表示輸出，第二列的模2和表示第一個寄存器的值，…，第r+Ι列 的模2和表示第r個寄存器的值，以此類推，矩陣B1 a2ar".00000^igiaI Sr-000000Xr-2§2Xr-I Sr-2 ^r-I Sr-I Xr-I Sr 0 0"" Xr-I Sl "" Xrgr-3 ^rSr-2 XrSr-中，第一列的模2和表示第一個輸出，第二列的模2和表示第: 的模2和表示第r個輸出，其中X1 = S1 X2 =Xfgr個輸出，.，第r+Ι列xr-l — ar_l+Xlgr-2+X2gr_3+... +Χι·_2§2xr = ar+xig^+x^^+··· +Xr^g1分別為第1，2，…，r次的輸出，由此得移位寄存器的狀態(tài)aI = xIa2 = X2+Xigiar-l — Xr_l+Xlgr-2+X2gr_3+... +Χι·_2§2 ar = Xr+Xigr-i+X2gr-2 + ··· +Xr-lgl實現(xiàn)其運算的移位寄存器連接如圖2所示t
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法，其特征在于當(dāng)接收一 段長度為r的m序列Xl，x2,…，, xr之后采用并行處理的方法，一方面通過狀態(tài)解算器 解算本地?。?！序列發(fā)生器的狀態(tài)，并將本地m序列發(fā)生器的寄存器狀態(tài)置為該狀態(tài)，一方面等 待另一段長度為2〔1的m序列中最后一個碼元的出現(xiàn)；這一段等待時間為本地m序列發(fā)生 器寄存器狀態(tài)的設(shè)置留出了足夠的時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法，其特征在于執(zhí)行步驟 (框圖如圖3所示)包括i)依次接收一段m序列Xl，&，…，xrt，\，置i = 0，k = 0(分別為接收比特計數(shù)和本 地m序列發(fā)生器開始信號)； )以Xl，&，…，xrt，\作為狀態(tài)解算器的輸入，獲得狀態(tài)解算器的輸出，并以此作為 本地m序列發(fā)生器的狀態(tài)；與此并行處理的是iii)接收1個比特信號，i= 1+1，若i > 2^-1則返回iii)，否則k = 1 ；iv)若k= 1則開始相關(guān)運算，否則返回iv)；ν)若相關(guān)，捕獲成功，否則返回i)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法，其特征在 于假定通信信道的誤碼率為P，正確接收一段長度為r的m序列的概率為(1-P尸，例如當(dāng) p = 0. 005, r = 20時，正確接收這段m序列的概率為(l-p)r = 0. 99520 = 0. 9046可見接收的一段長度為r的m序列發(fā)生錯誤的概率非常小，因此一次捕獲成功的概率 極大，由步驟ν)返回步驟i)的可能性很小，可以達到快速捕獲的目的。
全文摘要
名稱為《測距m序列擴頻碼的快速捕獲方法》的發(fā)明，針對測距m序列擴頻碼，提出一種快速捕獲方法。假定擴頻碼發(fā)生器的移位寄存器個數(shù)為r，該方法首先根據(jù)連續(xù)接收的一段長度為r的序列，通過一個寄存器狀態(tài)解算器，推算出發(fā)送完這段序列后擴頻碼發(fā)生器寄存器的狀態(tài)，并將本地擴頻碼發(fā)生器的寄存器狀態(tài)置為該狀態(tài)。接收機接收上述長度為r的序列，再接收一段長度為2r-1的序列后，本地擴頻碼發(fā)生器開始工作，并與接收的擴頻碼進行相關(guān)運算和相關(guān)判定。若判定結(jié)果為“相關(guān)”，則捕獲成功，否則繼續(xù)重復(fù)上述過程，直到判定結(jié)果為“相關(guān)”為止。這種方法一次捕獲成功的概率為0.9802。
文檔編號H04B1/7075GK102111179SQ20101062133
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者安凱, 安培亮, 安宏亮, 王曉英 申請人:安凱