CN100505722C - 准时臂辅助参考检测器及其获得定时误差信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准时臂辅助参考检测器，包括顺序连接的采样点选择模块、第一分析滤波器、第一相关器和第一累加器，还包括顺序连接的第一乘法器、第二乘法器、加法器、第二分析滤波器、第二相关器、第二累加器、第三乘法器和取实模块，所述第三乘法器还通过一共轭模块与所述第一累加器的输出端连接，所述第一乘法器和所述第二乘法器同时与所述采样点选择模块的输出端连接，本发明还提供一种利用该准时臂辅助参考检测器获得定时误差信号的方法。本发明提供的准时臂辅助参考检测器结构和硬件电路简单，性能好，使用该准时臂辅助参考检测器计算定时误差信号的方法具有运算量小、输出的定时误差信号的信噪比大的优点。

Description

准时臂辅助参考检测器及其获得定时误差信号的方法

技术领域

本发明涉及一种准时臂辅助参考检测器及其获得定时误差信号的方法，特别是一种利用计算模块代替传统超前臂和滞后臂中相关设备的准时臂辅助参考检测器以及利用准时时刻的采样值获得定时误差信号的方法。

背景技术

在多载波码分多址(MC-CDMA)系统中，为了正确解调发送端发送的四进制相移键控(QPSK)信号，需要先经过捕获阶段使本地伪随机序列(PN码)与接收到的伪随机序列(PN码)实现基本同步，然后经过跟踪阶段调整采样时刻，使在捕获阶段获得的本地PN码与接收到的PN码保持同步关系，并进一步减小本地PN码与接收到的PN码之间的同步误差。而在跟踪阶段，调整采样时刻的依据就是定时误差信号，通常的做法是，使定时误差检测器与定时调整电路构成一个闭环，使接收端接收到的基带信号通过一定时误差检测器输出一定时误差信号和一解调解扩信号，其中的定时误差信号经过环路滤波器平滑后，作为控制信号输入数控振荡器(NC0)产生定时调整控制信号，该定时调整控制信号一部分输入到本地PN序列发生器以控制本地PN码的产生，产生的本地PN码也输入到定时误差检测器，以便使本地PN码与接收到的PN码相关，而另一部分由NCO直接输入定时误差检测器以调整采样时刻，使本地PN码与接收到的PN码保持同步。

现有技术中，常用的定时误差检测器是传统型非相干检测器(CD)，图1所示为该检测器的结构框图，图1中，11为基带信号，12为NCO输出控制信号，13为准时臂采样值，14为超前臂采样值，15为滞后臂采样值，16为本地PN码，17为解调信号，18为定时误差信号，100为采样点选择模块，110、111和112为分析滤波器，120、121和122为相关器，130、131和132为累加器，150和151为模方器，140为加法器。由图可以看出，在该CD中使用了三组分别用于产生超前臂、滞后臂和准时臂相关值的分析滤波器和相关器，因此使该检测器结构和硬件电路复杂，载波数较多时运算量繁多；另外，仅在使本地PN码与接收到的PN码同步的过程中用到超前臂和滞后臂中的分析滤波器和相关器，在大部分时间这两组分析滤波器和相关器均处于闲置状态，造成了资源的严重浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对目前传统型非相干检测器硬件电路和算法复杂、检测性能低下且对资源利用不充分的缺陷和不足，提供一种准时臂辅助参考检测器(PA-CD)及其获得定时误差信号的方法，该准时臂辅助参考检测器采用一计算模块代替传统非相关检测器中的超前臂与滞后臂相关模块，通过准时臂辅助参考的方法，即分别在超前、准时和滞后时刻对接收到的信号采样，并利用准时时刻的采样值作为相位参考，来检测定时误差信号。

为实现上述目的，本发明提供一种准时臂辅助参考检测器，由采样点选择模块200、第一分析滤波器210、第一相关器220和第一累加器230构成，此外，该准时臂辅助参考检测器还包括：

一用于将超前臂采样值与超前臂相位补偿因子相乘的第一乘法器240，该乘法器240与所述采样点选择模块200的输出端连接；

一用于将滞后臂采样值与滞后臂相位补偿因子相乘的第二乘法器241，该乘法器241与所述采样点选择模块200的输出端连接；

一用于对同时输入的信号求差的加法器250，该加法器250同时与所述第一乘法器240的输出端和所述第二乘法器241的输出端连接；

一用于对输入的信号进行子载波解调的第二分析滤波器211，该第二分析滤波器211与所述加法器250的输出端连接；

一用于使第二分析滤波器211输入的信号与同时输入的本地PN码相关的第二相关器221，该相关器221与所述第二分析滤波器211的输出端连接；

一用于将第二相关器221同时输入的信号相加的第二累加器231，该累加器231与所述第二相关器221的输出端连接；

一用于求输入信号的共轭值的共轭模块260，该共轭模块260与所述第一累加器230的输出端连接；

一用于将同时输入的信号相乘的第三乘法器242，该乘法器242同时与所述第二累加器231及所述共轭模块260的输出端相连接；

一用于对输入的信号取实部的取实模块270，该取实模块270与所述第三乘法器242的输出端相连接。

一种基于上述准时臂辅助参考检测器的获得定时误差信号的方法，该检测方法利用准时臂辅助的方法检测定时误差信号，具体包括如下步骤：

步骤1.采样点选择模块200接收到输入信号，并在准时、超前和滞后时刻对该输入信号进行采样分别得到准时臂采样值、超前臂采样值和滞后臂采样值；

步骤2.第一分析滤波器210将所述准时臂采样值进行子载波解调得到准时臂各子载波解调信号；同时，第一乘法器240使超前臂采样值与超前臂相位补偿因子相乘后得到超前臂信号，第二乘法器241将滞后臂采样值与滞后臂相位补偿因子相乘后得到滞后臂信号；

步骤3.第一相关器220使所述准时臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到准时臂各子载波相关值；同时，加法器250将所述超前臂信号与所述滞后臂信号相减得到一超前滞后臂差值信号；

步骤4.第一累加器230将同时输入的所述准时臂各子载波相关值相加，得到准时臂解调信号；同时，第二分析滤波器211将所述超前滞后臂差值信号解调得到超前滞后臂各子载波解调信号；

步骤5.共轭模块260对所述准时臂解调信号求共轭得到一共轭值；同时，第二相关器221使所述超前滞后臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到超前滞后臂各子载波相关值；

步骤6.第二累加器231将同时输入的所述超前滞后臂各子载波相关值相加，得到一超前滞后臂累加信号；

步骤7.第三乘法器242将所述共轭值与所述超前滞后臂累加信号相乘得到一复矢量；

步骤8.取实模块270对所述复矢量取实部，得到定时误差信号。

在上述获得定时误差信号的方法中，所述步骤1中，所述接收到输入信号为接收到四进制相移键控信号。

由本发明的内容可知，与传统非相干检测器相比，本发明所提供的准时臂辅助参考检测器结构简单，大大降低了硬件电路的复杂度并有效而充分地利用了硬件资源，检测性能好；利用该准时臂辅助参考检测器计算定时误差信号的方法简单，在载波数较多时运算量大大减少，且输出的定时误差信号的信噪比大，性能好。

以下通过本发明的具体实施例和附图对其做进一步说明。

附图说明

图1为传统非相干检测器(CD)的结构框图；

图2为本发明准时臂辅助参考检测器(PA-CD)实施例的结构框图；

图3为本发明获得定时误差信号的方法实施例的流程图；

图4为加性高斯白噪声信道中，载波数为4的相同条件下，本发明准时臂辅助参考检测器(PA-CD)与传统非相干检测器输出的定时误差信号的信噪比函数图。

具体实施方式

参见图2，图2所示为本发明准时臂辅助参考检测器一实施例的结构框图，该准时臂辅助参考检测器由采样点选择模块200、第一分析滤波器210、第一相关器220和第一累加器230构成，此外，该准时臂辅助参考检测器还包括：

一用于将超前臂采样值与一超前臂相位因子相乘的第一乘法器240，该乘法器240与所述采样点选择模块200的输出端连接；

一用于将滞后臂采样值与一滞后臂相位补偿因子相乘的第二乘法器241，该乘法器241与所述采样点选择模块200的输出端连接；

一用于对同时输入的两个信号求差的加法器250，该加法器250同时与所述第一乘法器240的输出端和所述第二乘法器241的输出端连接；

一用于对输入的载波解调的第二分析滤波器211，该第二分析滤波器211与所述加法器250的输出端连接；

一用于使同时输入的两个信号相关的第二相关器221，该相关器221与所述第二分析滤波器211的输出端连接；

一用于将同时输入的各信号相加的第二累加器231，该累加器231与所述第二关器221的输出端连接；

一用于对输入信号求共轭值的共轭模块260，该共轭模块260与所述第一累加器230的输出端连接；

一用于将同时输入的两个信号相乘的第三乘法器242，该乘法器242同时与所述第二累加器231及所述共轭模块260的输出端相连接；

一用于对输入的信号取实部的取实模块270，该取实模块270与所述第三乘法器242的输出端相连接。

图2中，21为基带信号，22为NCO输出控制信号，23为超前臂相位补偿因子，24为滞后臂相位补偿因子，25为本地PN码，26为为解调信号，27为定时误差信号。

在该准时臂辅助参考检测器中，加法器250与第二分析滤波器211可以为一体设置；第三乘法器242与取实模块270也可以为一体设置。

上述准时臂辅助参考检测器利用准时臂辅助的方法计算定时误差信号。以下对该利用准时臂辅助的方法计算定时误差信号的原理和方法进行说明。

在多载波码分多址(MC-CDMA)系统中，第k个用户发送的四进制相移键控(QPSK)信号sk(t)可以表示为：

$s_k\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left(n\right)c_k\left(m\right)h(t-{\mathrm{nT}}_c)e^{j({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_m)t}---\left(1\right)$

该信号在准时臂辅助参考检测器的接收端可以表示为：

$r_k\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left(n\right)c_k\left(m\right)h(t-{\mathrm{nT}}_c)e^{j({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_m)t}+n\left(t\right)---\left(2\right)$

在式(1)和(2)中，c_k是第k个用户的频域扩频序列；M为扩频码周期(即系统载波数)；d_k(n)为该第k个用户发送的第n个信息(该信息的能量为E_c)；T_c为伪随机码片持续时间；h(t)为波形成形滤波器冲激响应，该响应满足归一化条件 ${\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|H\left(f\right)\right|}^2=1,$ 其中H(f)是h(t)的频域表示；ω_c是发送载波的频率；ω_m＝(m-1)f是第m个子载波的中心频率相对于ω_c的偏移(m＝1，2，...，M)，其中f是符号速率且f＝1/T；n(t)为信道中的加性高斯白噪声。

准时臂辅助参考检测器根据接收到的上述四进制相移键控信号r_k(t)，计算定时误差信号，请同时参见图2和图3，图3所示为使用该准时臂辅助参考检测器计算定时误差信号的一具体流程，执行以下步骤：

步骤301.采样点选择模块200接收到四进制相移键控信号r_k(t)，并将该四进制相移键控信号r_k(t)在准时、超前和滞后时刻进行采样分别得到准时臂采样值、超前臂采样值和滞后臂采样值；

步骤302.第一分析滤波器210将所述准时臂采样值进行子载波解调得到准时臂各子载波解调信号；同时，第一乘法器240将超前臂采样值与一超前臂相位补偿因子e^iπf(M-1)V相乘后得到超前臂信号R_-(τ)，该超前臂信号R_-(τ)中的有用信号可表示为 ${\left[R_{-}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left(n\right)c_k\left(m\right)h(t-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{nT}}_c)e^{j[{\mathrm{\ω}}_m(t-\mathrm{\Δ})+\mathrm{\πf}(M-1)\mathrm{\Δ}]},$ 第二乘法器241将滞后臂采样值与滞后臂相位补偿因子e^-iπf(M-1)V相乘后得到滞后臂信号R₊(τ)，该滞后臂信号R+(τ)中的有用信号可表示为

${\left[R_{+}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left(n\right)c_k\left(m\right)h(t+\mathrm{\Δ}-{\mathrm{nT}}_c)e^{j[{\mathrm{\ω}}_m(t+\mathrm{\Δ})-\mathrm{\πf}(M-1)\mathrm{\Δ}]};$

步骤303.第一相关器220使所述准时臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到准时臂各子载波相关值Z_0,m(τ)，该相关值Z_0,m(τ)中的有用信号可表示为[Z_0,m(τ)]^s＝d_k(n)R_a(τ)·e^{-j[φ-2πf(m-1)τ]}，其中，τ为本地PN码同接受的PN码之间的同步误差；同时，加法器250将所述超前臂信号R_-(τ)与所述滞后臂信号R₊(τ)相减得到超前滞后臂差值信号R_m(τ)，该超前滞后臂差值信号R_m(τ)中的有用信号可以表示为

${\left[R_m\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^s=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left(n\right)c_k\left(m\right)\{h(t-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{nT}}_c)e^{j[{\mathrm{\ω}}_m(t-\mathrm{\Δ})+\mathrm{\πf}(M-1)\mathrm{\Δ}]}-h(t+\mathrm{\Δ}-{\mathrm{nT}}_c)e^{j[{\mathrm{\ω}}_m(t+\mathrm{\Δ})-\mathrm{\πf}(M-1)\mathrm{\Δ}]}\};$

步骤304.第一累加器230将同时输入的所述准时臂各子载波相关值Z_0,M(τ)相加，得到解调信号Z₀(τ)；同时，第二分析滤波器211将所述超前滞后臂差值信号R_m(τ)解调得到超前滞后臂各子载波解调信号；

步骤305.共轭模块260对所述解调信号Z₀(τ)求共轭得到一共轭值；同时，第二相关器221使所述超前滞后臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到超前滞后臂各子载波相关值Z_m,m(τ)，该超前滞后臂各子载波相关值Z_m,m(τ)中的有用信号可以表示为[Z_m,m(τ)]s＝d_k(n)[R_a(τ-Δ)·e^{j[2πf(m-1)(τ-Δ)-φ]}·e^jπf(M-1)Δ-R_a(τ+Δ)·e^{j[2πf(m-1)(τ+Δ)-φ]}·e^-jπf(M-1)Δ]；

步骤306.第二累加器231将同时输入的各子载波的相关值Z_m,m(τ)相加，得到一超前滞后臂累加信号Z_m(τ)，该超前滞后臂累加信号Z_m(τ)中的有用信号可以表示为[Z_m(τ)]^s＝Md_k(n)[R(τ-Δ)-R(τ+Δ)]e^{-j[φ-πf(M-1)τ]}，其中R(τ)＝R_a(τ)·R_f(τ)；

步骤307.第三乘法器242将所述共轭值与所述超前滞后臂累加信号Z_m(τ)相乘得到一复矢量U_m(τ)，该复矢量U_m(τ)中的有用信号可以表示为[U_m(τ)]^s＝E_cM²R(τ)·[R(τ-Δ)-R(τ+Δ)]；

步骤308.取实模块270对所述复矢量U_m(τ)取实部，得到定时误差信号e(τ)，该定时误差信号e(τ)中的有用信号为

[e(τ)]^s＝E_cM²R_f(τ)R_a(τ)·[R_a(τ-Δ)R_f(τ-Δ)-R_a(τ+Δ)R_f(τ+Δ)]。其中， $R_a\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{T_c-\left|\mathrm{\τ}\right|}{T_c},$

$R_f\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{M\πf\τ}\right)}{M\sin \left(\mathrm{\πf\τ}\right)}.$

检测器输出的定时误差信号在零点的信噪比决定了该检测器的性能，定时误差信号的信噪比越高，说明相应的定时误差检测器的性能越好，参见图4，图4所示为加性高斯白噪声信道中，在载波数为4的相同条件下，本发明准时臂辅助参考检测器与传统非相干检测器输出的定时误差信号的信噪比函数图，由图4可以看出，在相同条件下，本发明准时臂辅助参考检测器输出的定时误差信号的信噪比远高于传统型非相干检测器，因此，其性能比传统型非相干检测器的性能更加优越。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1、一种准时臂辅助参考检测器，由顺序连接的采样点选择模块(200)、第一分析滤波器(210)、第一相关器(220)和第一累加器(230)构成，其特征在于，该准时臂辅助参考检测器还包括：

一用于将超前臂采样值与超前臂相位补偿因子相乘的第一乘法器(240)，该乘法器(240)与所述采样点选择模块(200)的输出端连接；

一用于将滞后臂采样值与滞后臂相位补偿因子相乘的第二乘法器(241)，该乘法器(241)与所述采样点选择模块(200)的输出端连接；

一用于对同时输入的信号求差的加法器(250)，该加法器(250)同时与所述第一乘法器(240)的输出端和所述第二乘法器(241)的输出端连接；

一用于对输入信号进行子载波解调的第二分析滤波器(211)，该第二分析滤波器(211)与所述加法器(250)的输出端连接；

一用于使第二分析滤波器(211)输入的信号与同时输入的本地PN码相关的第二相关器(221)，该相关器(221)与所述第二分析滤波器(211)的输出端连接；

一用于将第二相关器(221)同时输入的信号相加的第二累加器(231)，该累加器(231)与所述第二相关器(221)的输出端连接；

一用于求输入信号的共轭值的共轭模块(260)，该共轭模块(260)与所述第一累加器(230)的输出端连接；

一用于将同时输入的信号相乘的第三乘法器(242)，该乘法器(242)同时与所述第二累加器(231)及所述共轭模块(260)的输出端相连接；

一用于对输入的信号取实部的取实模块(270)，该取实模块(270)与所述第三乘法器(242)的输出端相连接。

2、一种基于上述权利要求1所述的准时臂辅助参考检测器的获得定时误差信号的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1.采样点选择模块(200)接收到输入信号，并在准时、超前和滞后时刻对该输入信号进行采样分别得到准时臂采样值、超前臂采样值和滞后臂采样值；

步骤2.第一分析滤波器(210)将所述准时臂采样值进行子载波解调得到准时臂各子载波解调信号；同时，第一乘法器(240)使超前臂采样值与超前臂相位补偿因子相乘后得到超前臂信号，第二乘法器(241)将滞后臂采样值与滞后臂相位补偿因子相乘后得到滞后臂信号；

步骤3.第一相关器(220)使所述准时臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到准时臂各子载波相关值；同时，加法器(250)将所述超前臂信号与所述滞后臂信号相减得到一超前滞后臂差值信号；

步骤4.第一累加器(230)将同时输入的所述准时臂各子载波相关值相加，得到准时臂解调信号；同时，第二分析滤波器(211)将所述超前滞后臂差值信号的各子载波解调得到超前滞后臂各子载波解调信号；

步骤5.共轭模块(260)对所述准时臂解调信号求共轭得到一共轭值；同时，第二相关器(221)使所述超前滞后臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到超前滞后臂各子载波相关值；

步骤6.第二累加器(231)将同时输入的所述超前滞后臂各子载波相关值相加，得到一超前滞后臂累加信号；

步骤7.第三乘法器(242)将所述共轭值与所述超前滞后臂累加信号相乘得到一复矢量；

步骤8.取实模块(270)对所述复矢量取实部，得到定时误差信号。

3、根据权利要求2所述的准时臂辅助参考检测器的获得定时误差信号的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述接收到输入信号为接收到四进制相移键控信号。

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