CN101562463B - 一种扩频捕获方法及其实现的接收端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩频捕获方法，包括：首先，接收端以当前相位为参考相位，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到m路相关值；然后，计算m路相关值的L1范数的均值；最后，判断上述均值是否大于预设的门限值，如果是则进行摒除虚警的处理以确认本次捕获是否成功，否则使本地相关模板相对于扩频序列滑动m个相位后，继续重复以上所述步骤。本发明还涉及一种对应上述方法的接收端。本发明的扩频捕获方案在不增加扩频码长度的情况下，可以工作在信噪比很低的环境；对于多径信道，该方案能捕获几乎最早到达、能量较大的某一条径；另外，本方案无需硬件乘法器及排序计算，节省了大量硬件资源。

Description

一种扩频捕获方法及其实现的接收端

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种多径信道下直接序列扩频通信系统中定时同步的扩频捕获方法及其实现的接收端。

背景技术

直接序列扩频通信系统中的定时同步一般分为扩频捕获与扩频跟踪两个阶段。扩频捕获为初始同步，也称粗同步。扩频跟踪为初始同步后的跟踪阶段，也称细同步。比较实用的扩频捕获方法一般有滑动相关法和匹配滤波法两种方法。对于数字接收机而言，两者都是基于相关的思想，即用本地的相关模板与接收到的发送扩频信号进行逐相位(采样间隔)相关。如果相关值的能量大于某一门限，认为该相位可能是初始同步。初始同步阶段一般会使本地扩频序列与接收到的扩频序列相位差小于T_c/2(T_c为码元间隔)，然后再利用细同步使相位偏差控制在一个采样间隔之内。

滑动相关法是指采用本地相关模板和接收扩频信号均滑动的办法来减少模板长度，由于扩频序列一般比较长，例如实际应用中常见的PN(Pseudorandom Noise，伪随机噪声)序列，因此可以采用滑动相关法实现硬件资源的节省。例如，如果每次滑动n个码片，则模板长度为n，一般n可以远小于扩频序列的长度N。但滑动相关法在每个扩频序列持续时间内，只能确定一个相位是否可能为初始同步，从而导致建立初始同步的平均时间很长。因此实际一般会采用并行滑动相关法来减少初始同步时间。

而匹配滤波法则是指本地扩频模板不滑动，而接收到的发送扩频信号逐相位滑动。本地相关模板长度等于扩频序列长度N。匹配滤波法每个相位都会有一个相关值输出，因此，理论上在一个扩频周期内，一定能够初始捕获。匹配滤波法建立初始同步的平均时间很短，为1/2个扩频周期，但每个相位即每个采样间隔内都需要输出一个相关值，造成对硬件计算速率要求过高。因此，实际一般会采用并行匹配滤波法来降低硬件计算速率。

可见，不论是滑动相关法还是匹配滤波法，实际采用的都是并行结构。假设并行度为m，则并行滑动相关法一个扩频周期内可以判断m个相位是否可能为初始同步，而并行匹配滤波法每一路相关器的计算速率可以降低m倍。

一般并行结构捕获检测算法又包括门限比较法与最大值法。其中，门限法可描述为：首先得到m路相关值的能量(I路信号与Q路信号的平方和)；再求得最大能量值；最后，判断最大能量值是否超过门限，如果是则认为是初始捕获，否则本地模板滑动m个相位，继续按需重复以上步骤。然而上面的捕获算法尚存在如下缺陷：第一，计算m路相关值的能量需要用到乘法，硬件实现时会消耗大量硬件资源；第二，求能量最大值需要进行排序，硬件实现时会消耗大量硬件资源；第三，判断初始捕获的方法受噪声影响大，对于信噪比较低的情况容易产生假同步，且同步相位容易产生偏差。而峰值法是对一个扩频周期中各个相位的相关值的能量进行排序，找到最大值的相位，再判断相邻几个扩频周期的最大值是否在同一个相位。该方法也需要用到乘法器，需要更为复杂的排序。求最大值容易受噪声影响，尤其是在有多径的情况下，最大值相位就难以精确判断。综上可知，门限比较检测法和最大值法都容易受噪声的影响。在信噪比较低、有多径的情况下性能较差。为了增大信噪比，一般会采用更长的扩频序列，但这样势必增加前导序列的长度，导致系统效率降低。而为了使捕获相位偏差小于T_c/2，排序求最大值必不可少，系统复杂度就不可避免地较高。

而在多径环境下，一方面单条径的信噪比一般较低，需要克服信噪比较低的影响；另一方面，初始捕获并不需要使相位偏差小于T_c/2，而是只需要确认某相位附近有一个是否有一条几乎最早到达、能量较大的一条径。因为扩频捕获之后系统会进行信道估计，各条径的精确相位和幅度都会在信道估计时确定。可见，常用的扩频捕获算法应用于多径环境下会有很多缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种扩频捕获方法及其实现的接收端，以解决现有技术中常见的扩频捕获算法应用于多径环境下的上述缺陷。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种扩频捕获方法，包括：

接收端以当前相位为参考相位，并利用本地相关模板，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到第一m路相关值，m为大于1的自然数；

计算所述第一m路相关值的L1范数的第一均值；

判断所述第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则进行摒除虚警的处理以确认本次捕获是否成功，否则使所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动m个相位后，重复以上所述步骤。

上述的扩频捕获方法中，所述摒除虚警的处理进一步包括：

将所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动一个扩频周期，作为新的参考相位；

根据所述新的参考相位对所述扩频序列进行m路并行相关处理，得到第二m路相关值；

计算所述第二m路相关值的L1范数的第二均值；

判断所述第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则确定本次捕获成功，否则确定本次捕获为虚警，并返回所述接收端对扩频序列进行m路并行相关处理获取第一m路相关值的步骤；

并且，所述第二门限值略小于所述第一门限值。

上述的扩频捕获方法中，所述判断第二均值是否大于第二门限值的步骤中，如果是则还包括：

将确认成功次数加1，并判断所述确认成功次数是否达到预设的所需次数，如果是则确定本次捕获成功，否则，

返回所述将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期的步骤。

上述的扩频捕获方法中，所述判断第一均值是否大于第一门限值的步骤中，

如果连续n个所述接收数据帧都确认捕获失败，则降低所述第一门限值重复所述判断，直至确认捕获成功；n为大于1的自然数。

上述的扩频捕获方法中，所述并行相关处理采用滑动相关的方式或匹配滤波的方式。

本发明的技术方案还提出一种实现扩频捕获的接收端，包括：

并行处理单元，以当前相位为参考相位，并利用本地相关模板，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到第一m路相关值后传送至范数计算单元，m为大于1的自然数；

所述范数计算单元，用于计算所述第一m路相关值的L1范数的第一均值，并将所述第一均值传送至数值判决单元；

所述数值判决单元，用于判断所述第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则继续确认本次捕获是否成功，否则通知所述并行处理单元在使所述本地相关模板相对于扩频序列滑动m个相位后，继续进行所述m路并行相关处理。

上述的接收端中，还包括序列滑动单元，

所述序列滑动单元，分别与所述数值判决单元、并行处理单元连接，在所述数值判决单元得到“是”的判断结果后，将所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动一个扩频周期，并通知所述并行处理单元作为新的参考相位；

所述并行处理单元，进一步根据所述新的参考相位对所述扩频序列进行m路并行相关处理，得到第二m路相关值；

所述范数计算单元，则计算所述第二m路相关值的L1范数的第二均值；

所述数值判决单元，继续判断所述第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则确定本次捕获成功，否则确定本次捕获为虚警，并通知所述并路处理单元继续按照所述新的参考相位进行所述获取第一m路相关值的处理；所述第二门限值略小于所述第一门限值。

上述的接收端中，还包括计数单元，

所述计数单元，与所述数值判决单元连接，在所述数值判决单元确定第二均值大于第二门限值时，将确认成功次数加1，并在所述确认成功次数达到预设的所需次数时，确定本次捕获成功，否则，通知所述序列滑动单元进行所述将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期的操作。

上述的接收端中，所述并行处理单元进行的并行相关处理采用滑动相关的方式或匹配滤波的方式。

(三)有益效果

本发明技术方案提供的基于直接序列扩频通信的扩频捕获方法及其实现的接收端，对接收的扩频序列采用m路并行相关处理，并对得到的相关值进行L1范数均值的计算，通过均值与预设门限值的比较来确定捕获是否成功，无需硬件乘法器及排序计算，节省了大量硬件资源；另外还设置了摒除虚警的步骤。本发明的扩频捕获方案在不增加扩频码长度的情况下，可以工作在信噪比很低的环境；对于多径信道，该方案能捕获几乎最早到达、能量较大的某一条径。

附图说明

图1为本发明扩频捕获方法的实施例一流程图；

图2为本发明扩频捕获方法的接收机前端处理示意图；

图3为基于匹配滤波法相关的本发明扩频捕获方法实施例二流程图；

图4为基于滑动法相关的本发明扩频捕获方法实施例三流程图；

图5为本发明实现扩频捕获的接收端实施例结构图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明扩频捕获方法实施例一流程图，如图所示，包括以下步骤：

S101、接收端以当前相位为参考相位，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理；

在接收端接收数据帧的扩频序列之前实际还包括发送端发送包含前导序列的数据帧的步骤。前导序列开始部分必须包含一连串的扩频序列，用于扩频捕获及信道估计，为叙述方便，本实施例及后续实施例的扩频序列均使用PN序列实现，此处特别说明是以排除其对本发明的限制。接续，PN序列的数目视系统具体要求而定。前导序列除了PN序列之外，还可以包含其他内容，如用于帧同步的帧头等。

接收端接收到包含前导序列的数据帧后，首先以系统当前相位为参考相位，并利用本地相关模板对其中的PN序列进行并行相关处理。并行的路数视系统具体需求而定，本实施例设为m路并行相关。相关可以采用滑动相关的方式，从而本地相关模板和接收到的扩频序列同步滑动，一个扩频周期每路相关器可计算出一个相关值；也可以采用匹配滤波的方式，从而本地相关模版均为PN序列，每路相关器在个采样间隔内计算出一个相关值。具体基于匹配滤波及滑动相关的捕获方法分别参见后续实施例二、三。

S102、计算m路相关值的L1范数的第一均值；

在步骤S101的m路并行相关处理后，可以得到m路相关值。本步骤进行的范数均值计算，不是计算相关值的能量，而是L1范数。能量计算方法为I、Q两路相关值的平方和，需要用到乘法器；而L1范数的计算方法为I、Q两路相关值的绝对值和，不需要用到乘法器，从而节省了硬件资源。由于一般能量较大的径，其L1范数也较大，因此用L1范数来代替能量，并不会导致系统受到影响。

另外，本步骤求取m路相关值的L1范数值之后，还需要对其进行平均处理。此处利用均值来比较，而不是求m路相关值L1范数的最大值后来作比较，一方面可以节省排序步骤，节约硬件资源；另一方面，通过平均值的处理方法，信噪比提高了m倍，有效地抑制了低信噪比环境下噪声的影响。

S103、判断第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则转步骤S104，否则使本地相关模板相对于扩频序列滑动m个相位后，返回步骤S101。

在本步骤之前实际还包括设定第一门限值的步骤。在判断某一相位附近是否有一条径时，需要对并行的各路相关值进行一些处理，然后与门限值比较。门限值的选取应该适量偏高，从而一方面可以使得因噪声而产生虚警的概率降低；另一方面也可以避免因捕获到一些较晚到达的、能量较小的径，而对后续的处理(如信道估计)产生影响。门限值也不能取得过高，否则无法容忍一定的信噪比波动，导致信噪比偏低时漏警概率较大。一般门限可以通过给定的信噪比范围通过仿真得到，或者采用计算估计得到。也可以采用自适应门限值，实时调整，以适应环境信噪比。例如一开始将门限值设置稍微偏大，如果连续多个数据帧都捕获失败，则降低门限值，重新捕获；如果仍旧失败，则再降低门限值，直到成功捕获为止。

本步骤的比较过程中，如果步骤S102所得的均值大于通过上述方法预设的第一门限值，则表示当前相位附近有一峰值点，即有一条能量较大的径，认为可能为初始捕获，从而转入后续步骤进行摒除虚警的处理以进一步确认捕获是否成功；而如果均值小于第一门限值，则表示附近没有峰值点，需要继续向前搜索，直到搜索到能量较大的径。

S104、将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期，作为新的参考相位；

本步骤需要说明的是，对于匹配滤波法而言，需要将本地相关模板相对于接收PN序列滑动一个扩频周期，即一个PN序列长度；而对于滑动相关法，则不需要作任何滑动，因为滑动相关法进行一次相关就已经经过了一个扩频周期。

S105、根据新的参考相位对扩频序列进行m路并行相关处理；

S106、计算m路相关值的L1范数的第二均值；

本实施例的步骤S105、S106与上述步骤S101、S102的处理方法相同，仅仅是参考相位有所更新。

S107、判断第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则转步骤S108，否则确定本次捕获为虚警，并返回步骤S101；

本实施例的扩频捕获方法采用双门限法，在摒除预警的确认阶段采用第二门限值。第二门限值比第一门限值略小，具体小多少可视系统环境而定。采用双门限法增添了捕获算法对于噪声的容忍度，在减小虚警概率的同时，不至于显著增大漏警概率。

S108、确认成功次数加1，并判断加1后的成功次数是否大于预设的所需次数，如果是则确定本次捕获成功，否则返回步骤S104。

以下分别对基于匹配滤波及滑动相关的方法对本发明的扩频捕获方法进行描述。在此之前，另对接收机的前端处理及比较门限值的确定加以详述。

图2为接收机前端处理示意图，如图所示，经过射频处理后得到的I、Q两路基带接收信号首先经过AGC(自动增益控制)处理，然后经过ADC采样，接着经过匹配滤波器进行波形的匹配，最后才进行扩频捕获。本实施例中发送的前导部分PN序列长度为31，即N＝31，码片速率为250Mcps，即T_c＝4ns，采样速率为1GHz，即一个码片可以采4个点，T_c＝1ns。扩频捕获的相关器并行度为8路，即m＝8。

上述本发明实施例一中的第一门限值是比较关键的参数，一方面，可以根据上面确定的系统参数，引入实际的多径信道模型，根据链路预算确定接收机可以获得的信噪比，仿真得到本地PN序列与接收到的PN序列相关值，然后以8个为单位依次求其L1范数均值，得到均值范围和噪声范围。门限值取值应比最大值略小，大于噪声最大值。另外，对于ADC前面有AGC的系统，可以大致估计出门限值。设ADC后的范围为[-1，+1]，则理论上本地PN序列与接收到的PN序列相关值一范数最大值为PN序列长度，即31。8路平均后大约降半变为15.5。门限取值可以更小一些，如14或者更低即可。当然也可以采用自适应门限法。初始值的设定可以采用前面所述的仿真和估算的方法。然后如果连续多帧数据都没有捕获成功，则降低门限值。第二门限值比上面确定的门限值稍小，如门限值取14，则第二门限值可取12，如果信噪比很小，则可以取得更小些。而要求的总连续成功次数则可以取3左右即可。

图3为基于匹配滤波法相关的本发明扩频捕获方法的实施例二流程图，如图所示，包括以下步骤：

S301、以系统当前相位为参考相位，对接收到的PN序列进行8路并行相关；

S302、对8路相关值求L1范数均值；

S303、比较均值与第一门限值的大小，如果均值小于第一门限值，执行步骤S304，否则执行步骤S305；

S304、本地相关模板相对于接收到的PN序列滑动8个相位点，重新返回步骤S301开始执行；

S305、本地相关模板相对于接收到的PN序列滑动124个相位点；

S306、以待确认相位为参考相位，对接收到的PN序列进行8路并行相关；

S307、对8路相关值求L1范数均值；

S308、比较均值与第二门限值的大小，如果均值小于第二门限值，则返回步骤S301开始执行，否则执行步骤S309；

S309、成功次数增加1；

S310、判断成功次数是否达到总连续成功次数，是则认为扩频捕获成功，否则返回步骤S305开始执行。

图4为基于滑动法相关的本发明扩频捕获方法的实施例三流程图，如图所示，本实施例的捕获流程与图3所示的基于匹配滤波法相关的扩频捕获流程基本一致，只是步骤S405应该为本地相关模板相对于接收到的PN序列滑动0个相位点，即不滑动。是以本实施例不再加以赘述。

图5为本发明实现扩频捕获的接收端实施例结构图，如图所示，本实施例的接收端包括：并行处理单元51，其以当前相位为参考相位，并利用本地相关模板，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到第一m路相关值后传送至范数计算单元52，m为大于1的自然数；范数计算单元52，则用于计算第一m路相关值的L1范数的第一均值，并将第一均值传送至数值判决单元53；数值判决单元53，用于判断第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则通知序列滑动单元54进行摒除虚警的处理以确认本次捕获是否成功，否则通知并行处理单元51在使本地相关模板相对于扩频序列滑动m个相位后，继续进行m路并行相关处理及其后续操作。

本实施例的接收端中还包括序列滑动单元54，其分别与数值判决单元53、并行处理单元51连接，在数值判决单元53得到“是”的判断结果后，将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期，并通知并行处理单元51作为新的参考相位；并行处理单元51则进一步根据新的参考相位对扩频序列进行m路并行相关处理，得到第二m路相关值；范数计算单元52，计算出第二m路相关值的L1范数的第二均值；数值判决单元53则继续判断第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则确定本次捕获成功，否则确定本次捕获为虚警，并通知并路处理单元51继续按照新的参考相位进行获取第一m路相关值的操作；上述的第二门限值应该略小于第一门限值。

本实施例的接收端中还可包括计数单元55，其与数值判决单元53连接，在数值判决单元53确定第二均值大于第二门限值时，将确认成功次数加1，并在确认成功次数达到预设的所需次数时，确定本次捕获成功，否则，通知序列滑动单元54进行将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期的操作及其后续操作。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种扩频捕获方法，其特征在于，包括：

接收端以当前相位为参考相位，并利用本地相关模板，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到第一相位m路相关值，m为大于1的自然数；

计算所述第一相位m路相关值的L1范数的第一均值；

判断所述第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则进行摒除虚警的处理以确认本次捕获是否成功，否则使所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动m个相位后，重复以上所述步骤；

其中，所述摒除虚警的处理进一步包括：

将所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动一个扩频周期，作为新的参考相位；

根据所述新的参考相位对所述扩频序列进行m路并行相关处理，得到第二相位m路相关值；

计算所述第二相位m路相关值的L1范数的第二均值；

判断所述第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则确定本次捕获成功，否则确定本次捕获为虚警，并返回所述接收端对扩频序列进行m路并行相关处理获取第一相位m路相关值的步骤；

并且，所述第二门限值略小于所述第一门限值。

2.如权利要求1所述的扩频捕获方法，其特征在于，所述判断第二均值是否大于第二门限值的步骤中，如果是则还包括：

将确认成功次数加1，并判断所述确认成功次数是否达到预设的所需次数，如果是则确定本次捕获成功，否则，

返回所述将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期的步骤。

3.如权利要求1所述的扩频捕获方法，其特征在于，所述判断第一均值是否大于第一门限值的步骤中，

如果连续n个所述接收数据帧都确认捕获失败，则降低所述第一门限值重复所述判断，直至确认捕获成功；n为大于1的自然数。

4.如权利要求1～3任一项所述的扩频捕获方法，其特征在于，所述并行相关处理采用滑动相关的方式或匹配滤波的方式。

5.一种实现扩频捕获的接收端，其特征在于，包括：

并行处理单元，以当前相位为参考相位，并利用本地相关模板，对接收到数据帧中的扩频序列进行m路并行相关处理，得到第一相位m路相关值后传送至范数计算单元，m为大于1的自然数；

所述范数计算单元，用于计算所述第一相位m路相关值的L1范数的第一均值，并将所述第一均值传送至数值判决单元；

所述数值判决单元，用于判断所述第一均值是否大于预设的第一门限值，如果是则继续确认本次捕获是否成功，否则通知所述并行处理单元在使所述本地相关模板相对于扩频序列滑动m个相位后，继续进行所述m路并行相关处理；

所述接收端还包括序列滑动单元，

所述序列滑动单元，分别与所述数值判决单元、并行处理单元连接，在所述数值判决单元得到“是”的判断结果后，将所述本地相关模板相对于所述扩频序列滑动一个扩频周期，并通知所述并行处理单元作为新的参考相位；

所述并行处理单元，进一步根据所述新的参考相位对所述扩频序列进行m路并行相关处理，得到第二相位m路相关值；

所述范数计算单元，则计算所述第二相位m路相关值的L1范数的第二均值；

所述数值判决单元，继续判断所述第二均值是否大于预设的第二门限值，如果是则确定本次捕获成功，否则确定本次捕获为虚警，并通知所述并路处理单元继续按照所述新的参考相位进行所述获取第一相位m路相关值的处理；所述第二门限值略小于所述第一门限值。

6.如权利要求5所述实现扩频捕获的接收端，其特征在于，还包括计数单元，

所述计数单元，与所述数值判决单元连接，在所述数值判决单元确定第二均值大于第二门限值时，将确认成功次数加1，并在所述确认成功次数达到预设的所需次数时，确定本次捕获成功，否则，通知所述序列滑动单元进行所述将本地相关模板相对于扩频序列滑动一个扩频周期的操作。

7.如权利要求5和6中任一项所述实现扩频捕获的接收端，其特征在于，所述并行处理单元进行的并行相关处理采用滑动相关的方式或匹配滤波的方式。

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