CN100385815C - 一种具有判决门限自适应估计功能的pn码捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法，首先构建有交叉结构的滑动相关器，实现扩频信号与本地PN码的相关，输出信号经交叉相加、平方求模相加后输入相干累加器得到PN码同步检验判决量，特征是：该量输入缓存器后，一路输至累加器，另一路输至比较器，由累加器输出值减去比较器输出最大值的差值乘因子

得到自适应判决门限，由缓存器输至判决器的检验判决量与判决器得到的自适应判决门限作比较，直至检验判决量大于判决门限，扩频码与本地PN码实现同步，本发明优点是适用不同信噪比环境，检测门限值的估计自适应完成，性能优异，结构简单、设备量小，易于工程实现，扩频及采用PN码实现同步的各种通信系统均可使用。

Description

一种具有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法

技术领域

本发明涉及在直接序列扩频(DSSS)通信系统中，实现信号在发射机和接收机间传输同步，消除接收机PN码定时误差的一种PN码捕获方法。

背景技术

PN码的同步是直接序列扩频(DSSS)通信系统的关键技术之一。同步过程通常分为两步，即捕获和跟踪^[1]。捕获过程将接收机PN码定时误差减小到一个码片的时间范围内，跟踪则继续将定时误差缩小到要求的精度并保持同步。

由于信号在发射机和接收机之间的传输时延是未知的，捕获需要在所有的可能时延范围内进行搜索。搜索有多种策略，包括串行搜索、并行搜索以及串行和并行混合搜索。无论哪种搜索策略，都需要构造一个假设检验装置，以判决接收机是否已完成PN码的捕获。在假设检验装置构造时，判决门限的设置非常重要。文献[1][A.J Viterbi，CDMAPrinciples Of Spread Spectrum Communication，Addison-Wesley Pub，1995]在对判决量统计特性分析的基础上，给出了在纽曼-皮尔逊检测准则下的门限值。由于门限值中包含了等效高斯白噪声方差V，而在实际系统中V通常是未知的，因此文献[1]的门限值确定方法不具有实用性。为了构造出具有实用价值的检验装置，人们提出了多种判决门限自适应设置方法。文献[2][R.D.Gaudenzi，Direct Sequence Spread Spectrum Receiverlncluding Code Acpuisition and Detection Using an Autoadaptive Threshold，US Patent，5,818,868，1998.]提出的门限估计方法非常简单，且检验装置在低信噪比条件下仍具有较好性能。但是，它是在并行搜索的基础上进行门限估计。当搜索范围较大时，其设置量将非常庞大。文献[3][刘乃安等，高速突发通信中的自适应门限技术及其性能，电子学报，1998，26(1)：111-114.]在门限估计时，忽略了噪声的影响。因此当信噪比较低时，该方法不再适用。文献[4][黄倩等，一种基于相关检测的自适应门限控制算法，上海大学学报(自然科学版)，2002，8(1)：11-14.]能够跟踪噪声的变化，但是在其门限自适应估计算法中，却有多项参数需要人工设置。而且其门限估计算法还存在收敛速度慢的问题。

在已提出的专利申请中，发明专利“直序扩频通信PN码捕获方法及电路装置”[申请号：02116874.1]给出了一种PN码捕获方法，该发明在高信噪比时仍能捕获PN码，且捕获速度较快。但是，由于该发明采用对输入信号按信噪比分区，分别采用捕获装置进行捕获。因此，其要求的设备量非常庞大。且在进行信号分区时，需要对输入信号信噪比的分布具有先验知识，而这在某些应用环境下是不现实的。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种适用于不同信噪比条件，检测门限值的估计自适应完成，性能优异，结构简单，设备量小，易于工程实现，可用于直接序列扩频通信系统，也可用于采用PN码实现同步的各种通信系统中、有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法。

本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：

一种具有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法，由下述步骤实现：

a、首先构建具有交叉连接结构的4路并行的滑动相关器C₁₁、C_1Q、C_QQ、C_Q1，将扩频信号的同相分量r₁及本地PN码的同相分量a_n ⁽¹⁾和正交分量a_n ^(θ)分别输入到相关器C₁₁、C_1Q中，将扩频信号的正交分量r_Q及本地PN码的正交分量a_n ^(θ)和同向分量a_n ⁽¹⁾，分别输入到相关器C_QQ、C_Q1中，实现相关；

b、将滑动相关器C₁₁的输出信号与C_QQ的输出信号进行交叉相加处理，将C_1Q输出信号与C_Q1的输出信号进行交叉相加处理，并分别对两个交叉相加处理过的信号进行平方求模，然后将两个模数相加即得到相关值模值，以克服频偏的影响；

c、将得到的相关值模值输入相干累加器，得到了改善信噪比的PN码同步检测判决量；其特征在于：

d、相干累加器将得到的PN码同步检测判决量输入缓存器，该缓存器通过三路将该判决量输出，一路输出至累加器，完成一个PN码周期内各时间相位相关值的累加，用于检测门限自适应估计，进一步降噪；另一路输出至比较器，完成一个PN码周期内各个时间相位的相关值比较，选出其中的最大值：第三路输出至判决器；

e、将累加器输出的累加值与比较器输出的最大值相减，得到的差值乘因子

即得到判决器所需的对检测判决量进行判断的自适应判决门限，其中α为PN码的捕获虚警概率，根据系统性能选定，N为一个PN码的周期长度；

f、判决器将输入的PN码同步检测判决量与输入的自适应判决门限相比较，当判决量低于判决门限值时，其对应的时间相位与本地PN码没有同步，缓存器输出下一个时间相位的检测判决量，与判决门限比较，如此重复，直到某一个时间相位对应的检测判决量大于判决门限，则其对应的时间相位与本地PN码同步，判决器输出PN码同步指示信号，PN码捕获完成。

附加技术特征是：将相关值模值输入相干累加器得到输出的PN码同步检测判决量，是指相干累加器在多个周期L对相同时间相位上的相关值模值进行累加，得到提高检测性能的检测判决量。

本发明的优点在于：由于采用了纽曼-皮尔逊准则估计检测门限，并且能够利用判决量自适应估计噪声方差，因此本发明在PN码捕获时能够根据输入信号信噪比情况，对判决门限进行自适应调整。同时，由于采用了判决量相干累加方法，对信噪比非常低的情况，本发明仍能有比较好的捕获性能。因此，本发明可适用于不同的信噪比环境，并且结构简单、设备量小，易于工程实现，可应用于直接序列扩频通信系统的PN码捕获，也可应用于采用PN码实现同步的各种通信系统。

附图说明

图1为本发明PN码捕获方法实现示意图，

图2为各滑动相关器实现扩频信号与本地PN码相关的示意图，

图3为相干累加器在多个周期，对相同时间相位上的相关值模值进行累加运算的示意图，

图4为信噪比为5dB和10dB时，本发明的PN码同步虚警概率与检测概率的关系图。

图中标记：r₁为扩频信号同相分量，r_Q为扩频信号正交分量，C₁₁、C_1Q、C_QQ、C_Q1为滑动相关器，a_n ⁽¹⁾、a_n ^(θ)分别为产生的本地PN码的同相及正交分量，符号

为加法运算，()²为平方运算，M₁、M₂…M_N为贮存器，

为乘法运算，Z^-1为扩频信号一个码片延时，a(N)、a(N-1)，…a(3)、a(2)、a(1)为本地PN码。

具体实施方式

在本发明的实施例中，接收机信号是直接序列扩展频谱(DSSS，DirectSequence Spread Spectrum)信号，调制方式为四相相移键控(QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)，两个正交支路分别采用不同的PN码进行扩频(a_n ⁽¹⁾和a_n ^(θ))，即接收信号类型为DSSS/QPSK信号。其中PN码采用周期为1023的m序列，在码序列末端插入一个0码，将PN码周期扩展为1024。数据速率为2.4kpbs，扩频增益为30.1dB。扩频方式采用码同步方式，即PN码码片(chip)与信息码元同步，且PN码周期等于信息码元时间。

在实施例中，后期累加数目L为3。根据系统对PN码捕获性能要求，设定的PN码捕获虚警概率为0.0001。由此，可计算出在估计判决门限时需要乘上的因子值为 $\frac{-\ln 0.001}{1024-1}\≈\frac{9.21}{1023}.$ 至此，我们完成了码捕获装置中判决门限估计参数的设置。

接收扩频信号(DSSS/QPSK)经非相干解调后，分为正交的I、Q两路，分别送入到四路并行的滑动相关器C₁₁、C_1Q、C_QQ和C_Q1。进行各个时间相位的输入信号与本地PN码的两路正交扩频码a_n ⁽¹⁾和a_n ^(θ)的相关。为了消除经非相干解调带来的相位偏差对相关值的影响，滑动相关器C₁₁与C_QQ，C_1Q与C_Q1的输出分别由加法器进行交叉相加。再分别对交叉相加处理后的输出信号由平方器平方求模，再对两路的相关值的模植相加，送入相干累加器，进行相干累加得到检测判决量，并改善相关器输出相关值的信噪比。

将相干累加器得到的检测判决量输出信号送入缓存器，缓存器可以存储一个PN码周期长度的、经相干累加后的相关值。缓存器中的检测判决量分为三路输出：第一路输出到累加器N，累加器N完成一个PN码周期内各个时间相位相关值的累加；第二路输出到比较器，比较器比较一个PN码周期内各个时间相位的相关值，并选取出其中最大值；第三路将检测判决量输出到判决器，与判决门限(自适应估计得到)比较，得到PN码捕获信号。

累加器N的输出值和比较器输出的最大值，由减法器相减取差值并乘上根据实施例中得到的因子

就得到了PN码捕获所需的自适应估计的判决门限。

缓存器的第三路输出与估计得到的判决门限进行比较。当检测判决量相关值低于判决门限时，则其对应的时间相位与本地PN码没有同步，缓存器输出下一个时间的检测判决量相关值，与判决门限进行比较；如此重复，直到某一个时间相位对应的检测判决量相关值大于判决门限，则其对应的时间相位与本地PN码同步，判决器输出PN码同步指示信号，PN码捕获完成。

在实施例中，PN码捕获全部由硬件实现。在实际应用时，设计者可以根据情况选择具体的软件实现方式。

图4给出了信噪比分别为5dB和10dB时，本实施例的PN码同步虚警概率和检测概率的关系，其性能与文献[1]的理论分析结果非常一致，表明本发明的有效性。

Claims (2)

1.一种具有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法，由下述步骤实现：

a、首先构建具有交叉连接结构的4路并行的滑动相关器C₁₁、C_1Q、C_QQ、C_Q1，将扩频信号的同相分量r₁及本地PN码的同相分量a_n ⁽¹⁾和正交分量a_n ^(θ)分别输入到相关器C₁₁、C_1Q中，将扩频信号的正交分量r_Q及本地PN码的正交分量a_n ^(θ)和同向分量a_n ⁽¹⁾，分别输入到相关器C_QQ、C_Q1中，实现相关；

b、将滑动相关器C₁₁的输出信号与C_QQ的输出信号进行交叉相加处理，将C_1Q输出信号与C_Q1的输出信号进行交叉相加处理，并分别对两个交叉相加处理过的信号进行平方求模，然后将两个模数相加即得到相关值模值，以克服频偏的影响；

c、将得到的相关值模值输入相干累加器，得到了改善信噪比的PN码同步检测判决量；其特征在于：

d、相干累加器将得到的PN码同步检测判决量输入缓存器，该缓存器通过三路将该判决量输出，一路输出至累加器，完成一个PN码周期内各时间相位相关值的累加，进一步降噪；另一路输出至比较器，完成一个PN码周期内各个时间相位的相关值比较，选出其中的最大值：第三路输出至判决器；

e、将累加器输出的累加值与比较器输出的最大值相减，得到的差值乘因子

即得到判决器所需的对检测判决量进行判断的自适应判决门限，其中α为PN码的捕获虚警概率，根据系统性能选定，N为一个PN码的周期长度；

f、判决器将输入的PN码同步检测判决量与输入的自适应判决门限相比较，当判决量低于判决门限值时，其对应的时间相位与本地PN码没有同步，缓存器输出下一个时间相位的检测判决量，与判决门限比较，如此重复，直到某一个时间相位对应的检测判决量大于判决门限，则其对应的时间相位与本地PN码同步，判决器输出PN码同步指示信号，PN码捕获完成。

2.按照权利要求1所述的具有判决门限自适应估计功能的PN码捕获方法，其特征在于：将相关值模值输入相干累加器得到输出的PN码同步检测判决量，是指相干累加器在多个周期L对相同时间相位上的相关值模值进行累加，得到提高检测性能的检测判决量。

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