CN101854189B - 一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，它有助于在存在频差情况下提高正确识别信号和捕获扩频码的概率。它提出了采用双重判决门限并结合频差估计的软SR/CA方法，对抽样信号的处理包括如下过程：抽样信号与本地扩频码进行匹配相关，计算判决变量，然后与高低门限进行比较，进而决定是否需要进行频差校正。本发明在一路SR/CA的基础上，通过合理设置高低双重判决门限，使得当判决变量介于高低门限之间时，能够进行进一步结合频差估计方法校正频差后再进行判决，这样就能够在虚警概率基本不变的情况下增加信号识别的概率，进而能够提高系统的检测概率。

Description

一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法

技术领域

本发明涉及一种数字通信领域中的直接序列扩频系统同步技术，特别是针对含有一定频差(即频差小于符号速率)的不理想情况下可采用的同步方法，具体地说是带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法。

背景技术

直接序列扩频(DS-SS)技术具有抗干扰、抗截获和抗多径能力强等一系列优点，在军事和商业领域都有着广泛的应用，如蜂窝移动通信系统的第二代IS-95、第三代IMT-2000标准，均采用了基于DS-SS技术的CDMA方案；军事抗干扰通信系统、卫星通信系统也常采用DS-SS技术。在DS-SS系统中，终端要从接收信号中恢复所传输的数据信号，首先必须使本地扩频序列与接收信号中的扩频序列同步。

在实际的扩频通信环境中，存在着多径时延扩展、幅度衰落和多普勒频移等效应，必须采取相应措施加以克服，抑制和消除对DS-SS系统性能的负面影响。传统的方法是Rake接收，通过同步技术来估计不同路径的时延、衰落幅度及相位等信息，把分离的多径信号按某种规则合并起来以减小多径衰落的影响。但该方法只适用于多条路径比较明显的情况，若多条路径区分不明显时，就难以获得可靠的时延估计。

另外，载波频差对DS-SS系统的时延和信道估计以及整体性能都有着重要影响。因为扩频信号本来信噪比就比较低，而载波频差会引起接收扩频信号与本地扩频码的相关峰值能量的损失，使得正确识别相关峰位置非常困难。即使时延估计正确，也会由于接收信噪比的下降，而导致DS-SS接收机性能的恶化。信道也由于载波频差的存在而复杂化，信道参数的估计会很困难，那么，相应均衡器的设计和性能也会受到影响。此外，如果存在强Doppler效应，扩频码速率也会产生偏移，那么此时的扩频码时延和信道估计以及接收机设计就显得更为复杂了。

因此，频差、时延和信道估计非常重要，是DS-SS系统中的关键技术。如何快速可靠地估计频差、时延和信道参数，以及如何有效地评估频差对DS-SS系统性能的影响，都是值得关注的研究问题，这对于DS-SS系统的应用设计和性能分析具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉(软SR/CA)方法。考虑当频差小于符号速率时的DS-SS系统，在一路SR/CA的基础上，通过合理设置高低双重判决门限，使得当判决变量介于高低门限之间时，能够进行进一步结合频差估计方法校正频差后再进行判决，这样就能够在虚警概率基本不变的情况下增加信号识别的概率，进而能够提高系统的检测概率。

本发明的技术方案是：

一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，即软SR/CA，具体步骤如下：

步骤一：初始化——设定高低判决门限λ_H，λ_L，码片周期是T_s，频差校正时间段T_K，频差校正时间T＝0时，将数字压控振荡器(NCO)复位；

步骤二：接收端将接收的信号s(t)经NCO进行下变频处理得到基带信号r(t)信号，

其中Re[·]是取实部，f_c是NCO的输出频率，将基带信号r(t)通过码片匹配滤波器g_R(t)输出，得到连续信号

步骤三：对码片匹配滤波器的输出以码片速率1/T_s抽样得到抽样信号

然后用本地扩频码c^*进行匹配得到一系列相关值e(h)，可表示为：

$e\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(i\right)\tilde{r}(\mathrm{hL}+i)$

其中L为扩频码长度；

步骤四：将得到的一系列相关值e(h)经过平方、平滑得到z(h)，其中W是平滑因子，z(h)表示为：

$z\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|e(h-i)\right|}^2$

步骤五：每隔T_s时间宽度，选择L个平滑结果{z₀(h)，z₁(h)，…，z_L-1(h)}中的最大值z_max(h)，其位置作为捕捉位置，表示为：

$z_{\max }\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\max \{z_0\left(h\right),z_1\left(h\right),...,z_{L-1}\left(h\right)\}$

$\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right){|}_{z_{\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}}=z_{\max }\left(h\right)$

然后将最大值z_max(h)与其他L-1个平滑结果的平均值

的比值作为判决变量λ(h)输出，表示为：

$\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{1}{L-1}\underset{l=0,l\≠\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_l\left(h\right)$

$\mathrm{\λ}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{z}_{\max }\left(h\right)/\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)$

其中

表示“定义为”；

步骤六：将λ(h)和高低门限λ_H，λ_L进行比较，

(a).若λ(h)＞λ_H，则判决信号存在H₁，即接收端检测到信号，此时软SR/CA完成，输出

为捕捉到的位置，识别结束；

(b).若λ(h)≤λ_L，则判决信号不存在H₀，需继续执行步骤二；

(c).若λ_L＜λ(h)≤λ_H，则执行步骤七；

步骤七：锁定捕捉位置

，若频差校正时间T≤T_K，开始执行频差估计方法，对数字压控振荡器NCO进行校正，T＝T+WLT_s，执行步骤二；若T＞T_K，执行步骤一。

本发明的步骤一中，所述的设定高低判决门限λ_H，λ_L的方法是指通过预先设定初始虚警概率P_FA和最终虚警概率P_FA的具体值，记为

，根据

和分别计算出λ_L和λ_H，其中

是指软SR/CA方法的虚警概率计算公式。

本发明的步骤一中，所述的频差校正时间段T_K是指允许的最长频差校正时长，超过此时长则认为频差校正失效。

本发明的步骤四中，所述的将相关值e(h)经过平方、平滑是首先将e(h)取模的平方，然后将W个连续的平方值求和。

本发明的步骤六中，所述的频差估计方法是双滤波器频差估计方法。本发明的步骤三中本地扩频码c^*在接收端已设定，为几十至几千比特。

本发明的有益效果：

本发明带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，针对一定滑动时间段内的接收基带信号，首先通过码片匹配滤波器，然后以码片速率进行抽样，再运用本地扩频码进行匹配得到一系列相关值；随后通过串并变换、幅值平方、平滑和计算，得到信号识别判决变量和最大值位置，将判决变量与高低门限进行比较，进而决定是否需要校正频差来重新进行信号识别与扩频吗捕捉。

本发明针对现有信号识别和扩频码捕捉方法中单判决门限策略的弊端，考虑存在一定频差时(频差小于符号速率)的DS-SS系统，提出一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法。本发明在一路SR/CA的基础上，通过合理设置高低双重判决门限，使得当判决变量介于高低门限之间时，能够通过频差估计方法来校正频差，然后重新进行信号识别与扩频码捕捉，这样就能够在虚警概率基本不变的情况下增加信号识别的概率，进而能够提高系统的检测概率。

附图说明

图1是本发明带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉(软SR/CA)方法的框图。

图2是信号识别和扩频码捕捉SR/CA的具体框图。

图3是双滤波器频差估计方法的框图。

图4是AWGN信道下频差ΔfT_s＝0，0.2，0.4时SR/CA、软SR/CA方法的检测概率和平均码片信噪比的关系曲线图。

图5是单径瑞利慢衰落信道下频差ΔfT_s＝0，0.2，0.4时SR/CA、软SR/CA方法的检测概率和平均码片信噪比

的关系曲线图。

图6是AWGN信道条件下SR/CA、软SR/CA方法的检测概率和频差AfT_s的关系曲线图。

图7是单径瑞利慢衰落信道条件下SR/CA、软SR/CA方法的检测概率和频差ΔfT_s的关系曲线图。

图8是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉(软SR/CA)方法，具体步骤如下：

步骤一：初始化——设定高低判决门限λ_H，λ_L，频差校正时间段T_K，频差校正时间T＝0时，将数字压控振荡器(NCO)复位，T_s是码片周期；

步骤二：接收端将接收的信号s(t)经NCO进行下变频处理得到基带信号r(t)信号，

其中Re[·]是取实部，f_c是NCO的输出频率，将基带信号r(t)通过码片匹配滤波器g_R(t)输出得到连续信号

步骤三：对码片匹配滤波器的输出

以码片速率1/T_s抽样得到抽样信号

然后用本地扩频码c^*进行匹配得到一系列相关值e(h)，可表示为：

$e\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(i\right)\tilde{r}(\mathrm{hL}+i)$

其中L为扩频码长度；

步骤四：将得到的一系列相关值e(h)经过平方、平滑得到z(h)，其中W是平滑因子，z(h)表示为：

$z\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|e(h-i)\right|}^2$

步骤五：每隔T_s时间宽度，选择L个平滑结果{z₀(h)，z₁(h)，…，z_L-1(h)}中的最大值z_max(h)，其位置作为捕捉位置

，表示为：

$z_{\max }\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\max \{z_0\left(h\right),z_1\left(h\right),...,z_{L-1}\left(h\right)\}$

$\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right){|}_{z_{\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}}=z_{\max }\left(h\right)$

然后将最大值z_max(h)与其他L-1个平滑结果的平均值

的比值作为判决变量λ(h)输出，表示为：

$\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{1}{L-1}\underset{l=0,l\≠\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_l\left(h\right)$

$\mathrm{\λ}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{z}_{\max }\left(h\right)/\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)$

其中

表示“定义为”。

步骤六：将λ(h)和高低门限λ_H，λ_L进行比较，

(a).若λ(h)＞λ_H，则判决信号存在H₁，即接收端检测到信号，此时软SR/CA完成，输出

为捕捉到的位置，识别结束；

(b).若λ(h)≤λ_L，则判决信号不存在H₀，需继续执行步骤二。

(c).若λ_L＜λ(h)≤λ_H，则执行步骤七。

步骤七：锁定捕捉位置

，若频差校正时间T≤T_K，开始执行频差估计方法，对数字压控振荡器NCO进行校正，T＝T+WLT_s，执行步骤二；若T＞T_K，执行步骤一。

具体实施时：

实施例一：

以二进制DS-SS/MPSK系统为例，给出了带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法的具体计算过程，DS-SS系统参数为：数L＝31，W＝8。本实施例的流程如图8所示，具体计算过程如下：

1.根据常虚警概率CFAR准则设置双门限

假设初始虚警概率P_FA和最终虚警概率P_FA的具体值为

，定义辅助变量

则高低判决门限λ_L、λ_H的计算公式为

$P_{\mathrm{FA}}^B\≅1-F_{\mathrm{\λ}0}^{H_0}\left({\mathrm{\λ}}_L\right)$

$P_{\mathrm{FA}}^E\≅1-F_{\mathrm{\λ}0}^{H_0}\left({\mathrm{\λ}}_H\right)$

软SR/CA方法的初始P_FA和最终P_FA分别为：

双重门限设置为：λ_L＝2.5，λ_H＝3.2，λ₀＝λ_H。

2.计算匹配滤波后的相关值

假设c^*表示本地扩频码，

表示接收信号经过码片匹配滤波和抽样后的输出抽样信号，则用本地扩频码进行滤波后的相关值输出可表述为：

$e\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(i\right)\tilde{r}(\mathrm{hL}+i)$

3.构造判决辅助变量

e(h)经过平方、W个符号周期平滑后的输出分别为：

$z\left(h\right)=\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|e(h-i)\right|}^2$

定义下列辅助变量：

$z_{\max }\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\max \{z_0\left(h\right),z_1\left(h\right),...,z_{L-1}\left(h\right)\}$

$\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{1}{L-1}\underset{l=0,l\≠\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_l\left(h\right)$

4.计算捕捉位置和判决变量

$\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right){|}_{z_{\widehat{\mathrm{\δ}}\left(h\right)}=z_{\max }\left(h\right)}$

$\mathrm{\λ}\left(h\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{z}_{\max }\left(h\right)/\stackrel{\‾}{z}\left(h\right)$

5.判决

将λ(h)和高低门限λ_H，λ_L进行比较。

(1)若λ(h)＞λ_H，则判决信号存在(H₁)，此时软SR/CA完成。

(2)若λ(h)≤λ_L，则判决信号不存在(H₀)，需继续执行软SR/CA。

(3)若λ_L＜λ(h)≤λ_H，则激活频差估计和校正环路，频差校正后继续执行软SR/CA。

为了便于对本发明中的带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法与现有差分解调方法进行比较，下面结合仿真结果说明AWGN和瑞利衰落信道中两种方法的检测概率P_D和虚警概率P_FA变化情况。

图4，5分别针对AWGN信道和单径瑞利慢衰落信道，给出了频差ΔfT_s＝0，0.2，0.4时SR/CA、软SR/CA方法的检测概率和平均码片信噪比

的关系曲线。从图中可以看出：在相同的频差ΔfT_s和平均码片信噪比条件下，软SR/CA方法的检测概率P_D要高于SR/CA方法。当漏检概率为0.001、频差为0.4时，软SR/CA方法具有1dB左右的性能增益。

图6，7则分别给出了不同

条件下两方法的检测概率和频差ΔfT_s的关系曲线。从图中可以看出：当频差AfT_s升高或者平均码片信噪比

降低时，SR/CA、软SR/CA方法的检测概率P_D均降低，但软SR/CA方法的性能仍明显优于传统SR/CA方法。

在上述实施例中，虽然研究工作针对二进制DS-SS/MPSK系统，但同样可用于多进制正交扩频系统(NOrth-MDPSK)，因为在以多进制正交扩频传输数据之前，完全可以通过二进制扩频方式、甚至不传输任何数据来实现SR/CA。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，即软SR/CA，其特征是具体步骤如下：

步骤一：初始化——设定高低判决门限                                                

，码片周期是

，频差校正时间段，频差校正时间

时，将数字压控振荡器（NCO）复位； 

步骤二：接收端将接收的信号

经NCO进行下变频处理得到基带信号

信号，

，其中是取实部，

是NCO的输出频率，将基带信号

通过码片匹配滤波器输出，得到连续信号，

；

步骤三：对码片匹配滤波器的输出

以码片速率抽样得到抽样信号

，然后用本地扩频码

进行匹配得到一系列相关值

，可表示为：

其中

为扩频码长度； 

步骤四：将得到的一系列相关值

经过平方、平滑得到，其中

是平滑因子，

表示为：

步骤五：每隔

时间宽度，选择

个平滑结果中的最大值

，其位置作为捕捉位置

，表示为：

然后将最大值

与其他

个平滑结果的平均值

的比值作为判决变量

输出，表示为：

其中

表示“定义为”；

步骤六：将

和高低门限进行比较，

（a）.若

，则认为判决信号存在，且用表示判决信号存在，即接收端检测到信号，此时软SR/CA完成，输出

为捕捉到的位置，识别结束；

（b）.若

，则认为判决信号不存在，且用

表示判决信号不存在，需继续执行步骤二；

（c）.若

，则执行步骤七；

步骤七：锁定捕捉位置

，若频差校正时间

，开始执行频差估计方法，对数字压控振荡器NCO进行校正，

，执行步骤二；若

，执行步骤一；

步骤一中，设定高低判决门限

的方法是指通过预先设定初始虚警概率

和最终虚警概率

的具体值，记为

、

，根据

和

分别计算出

和，其中

是指软SR/CA方法的虚警概率计算公式。

2.根据权利要求1所述的带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，其特征是步骤一中，所述的频差校正时间段

是指允许的最长频差校正时长，超过此时长则认为频差校正失效。

3.根据权利要求1所述的带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，其特征是步骤四中，所述的将相关值

经过平方、平滑是首先将

取模的平方，然后将

个连续的平方值求和。

4.根据权利要求1所述的带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，其特征是步骤七中，所述的频差估计方法是双滤波器频差估计方法。

5.根据权利要求1所述的带有频差估计的软信号识别和扩频码捕捉方法，其特征是步骤三中本地扩频码

在接收端已设定，为几十至几千比特。

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