专利名称：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XH，入卩码片周期是Ts，频差校正时间段TK，频差校正时间T = 0时，将数字压控振荡器(NC0)复位；
步骤二 接收端将接收的信号s(t)经NC0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。是NC0的输出频率，将基带信号r⑴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1/TS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
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
步骤五每隔八时间宽度，选择L个平滑结果{Z(1(h)，Zl(h)，…，zM(h)}中的最 大值(h)，其位置作为捕捉位置或/0，表示为 然后将最大值z_(h)与其他L-l个平滑结果的平均值巧/z)的比值作为判决变量 入(h)输出，表示为
其中全表示“定义为”；步骤六将入(h)和高低门限Ah,入l进行比较，(a).若X (h) > Ah,则判决信号存在即接收端检测到信号，此时软SR/CA完 成，输出我/0为捕捉到的位置，识别结束；(b).若X (h)彡则判决信号不存在氏，需继续执行步骤二 ；(c) 若X L < X (h)彡X H，则执行步骤七；步骤七锁定捕捉位置我/0，若频差校正时间T ( Tk，开始执行频差估计方法，对数 字压控振荡器NC0进行校正，T = T+WLTS，执行步骤二 ；若T > TK，执行步骤一。本发明的步骤一中，所述的设定高低判决门限XH，的方法是指通过预先设 定初始虚警概率pFA和最终虚警概率PFA的具体值，记为、PfEa,根据
和
分别计算出、和入『其中
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&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。
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A fTs = 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A fTs = 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厂(乙)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AfTs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A fTs 的关系曲线图。图8是本发明的流程图。
具体实施例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——设定高低判决门限入H，入y频差校正时间段TK，频差校正时间 T = 0时，将数字压控振荡器(NC0)复位，Ts是码片周期；步骤二 接收端将接收的信号s (t)经NC0进行下变频处理得到基带信号r (t)信 号，r⑷=Re[小)V^]，其中Re[*]是取实部，f。是NC0的输出频率，将基带信号r⑴
6通过码片匹配滤波器gK⑴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/TS抽样得到抽样信号卩(i)，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
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
步骤五每隔！；时间宽度，选择L个平滑结果{Z(1(h)，Zl(h)，…，zM(h)}中的最 大值(h)，其位置作为捕捉位置我/0，表示为
然后将最大值z_(h)与其他L-1个平滑结果的平均值穴/0的比值作为判决变量 入(h)输出，表示为
其中兰表示“定义为”。
步骤六将\ (h)和高低门限XH，进行比较，
(a).若X (h) > ，则判决信号存在&，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X (h)彡则判决信号不存在氏，需继续执行步骤二。(c) 若X (h)彡XH，则执行步骤七。步骤七锁定捕捉位置勿/0，若频差校正时间T ( Tk，开始执行频差估计方法，对数 字压控振荡器NC0进行校正，T = T+WLTS，执行步骤二 ；若T > TK，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PFA和最终虚警概率PFA的具体值为P^、定义辅助变量
则高低判决门限^、的计算公式为 软SR/CA方法的初始PFA和最终PFA分别为
；双重门
限设置为 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 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 定义下列辅助变量 4.计算捕捉位置和判决变量5.判决将\ (h)和高低门限XH，\进行比较。(1)若X (h) > X H，则判决信号存在(H!)，此时软SR/CA完成。(2)若X (h)彡X l，则判决信号不存在(Hq)，需继续执行软SR/CA。(3)若X (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PD和虚警概率PFA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A fTs = 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广沅)的关系曲线。从图中可以 看出在相同的频差AfTjn平均码片信噪比广仄)条件下，软SR/CA方法的检测概率&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ldB左右的性能增碰。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AfTs的关系曲 线。从图中可以看出当频差々^；升高或者平均码片信噪比厂^)降低时，SR/CA、软SR/CA 方法的检测概率PD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。
权利要求
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λH，λL，码片周期是Ts，频差校正时间段TK，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，fc是NCO的输出频率，将基带信号r(t)通过码片匹配滤波器gR(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/Ts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 <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 <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>步骤五每隔Ts时间宽度，选择L个平滑结果{z0(h)，z1(h)，…，zL-1(h)}中的最大值zmax(h)，其位置作为捕捉位置表示为 <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>然后将最大值zmax(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 <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“定义为”；步骤六将λ(h)和高低门限λH，λL进行比较，(a).若λ(h)＞λH，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)≤λL，则判决信号不存在H0，需继续执行步骤二；(c).若λL＜λ(h)≤λH，则执行步骤七；步骤七锁定捕捉位置若频差校正时间T≤TK，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+WLTs，执行步骤二；若T＞TK，执行步骤一。FSA00000127654300011.tif,FSA00000127654300012.tif,FSA00000127654300013.tif,FSA00000127654300014.tif,FSA00000127654300017.tif,FSA000001276543000110.tif,FSA00000127654300021.tif,FSA00000127654300022.tif,FSA00000127654300023.tif
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，所述的设定高低判决门限λΗ，λ ^的方法是指通过预先设定初始虚警概率Pfa和最 终虚警概率Pfa的具体值，记为砥、PfEa，根据 分别计算出Xjp λΗ，其中 是指软SR/CA方法的虚警概 率计算公式。
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 骤一中，所述的频差校正时间段Tk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。
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。
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 骤六中，所述的频差估计方法是双滤波器频差估计方法。
6.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c*在接收端已设定，为几十至几千比特。
全文摘要
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。
文档编号H04B1/707GK101854189SQ201010178018
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者任国春, 张玉明, 沈良, 王金龙, 程云鹏, 郑学强 申请人:中国人民解放军理工大学