CN101753175A - 基于最大似然估计的扩频捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最大似然估计的扩频捕获方法，包括：S1，M个采样周期内，将本地M路码序列与接收码序列进行相关运算，根据运算结果计算得到判决量；将判决量与第一门限比较，若判决量小于第一门限，对本地码序列的相位调整后将其与接收码序列进行相关运算，直到判决量大于第一门限；S2，给全局最大相关值赋0，更新本地M路码序列相位，并将M路码序列与接收码序列进行并行相关运算，根据M个运算结果计算得到新的判决量；若新的判决量大于当前全局最大相关值，将新的判决量的值赋予全局最大相关值；S3，将S2重复执行K次，根据得到的全局最大相关值计算第二门限，将第二门限用于验证。本发明能缩短系统的捕获时间，增加系统同步的稳定性。

Description

基于最大似然估计的扩频捕获方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于最大似然估计的扩频捕获方法。

背景技术

扩频捕获是扩频系统最为关键的技术之一，也叫做粗同步。扩频捕获的目的是粗略估计接收到的码序列相位，以便调整本地码序列相位，使得本地码序列相位与接收码序列相位之差在1个码片之内。整个不确定相位区域是由若干个in-phase相位(H₁)和out-of-phase相位(H₀)组成。H₁相位表示与接收码序列相位之差在1个码片之内的本地码序列相位，而H₀则表示与接收码序列相位之差大于1个码片的本地码序列相位。传统直接序列扩频系统下，一般认为不确定区域内只有一个H₁相位，剩下的都是H₀相位。但是在多径环境下，可能存在多个H₁相位。对于实际的扩频捕获系统，整个不确定相位区域为一个码序列周期N_cT_c，其中N_c为码序列码片数，T_c为码片周期，采样率T_s则为离散相位的基本单元，因此不确定的相位共有N_cT_c/T_s个。

一般来讲，扩频捕获过程分搜索阶段和验证阶段两个阶段。在搜索阶段，接收机按照某种搜索策略，在整个不确定相位区域内进行搜索，不断地步进调整本地码相位，直到搜索到H₁相位。这个搜索到的H₁相位是暂时的，有待进一步验证。然后在验证阶段，接收机进一步验证所搜索到的H₁相位是否正确。对于没有验证阶段的扩频捕获系统，称为单次驻留系统；对于有验证阶段的扩频捕获系统，则称为多次驻留系统；对于在验证阶段仅验证一次的系统，称为双驻留系统。双驻留系统在实际应用中更为广泛。

传统扩频捕获方法如图一所示。在搜索阶段本地序列与接收序列进行相关运算，运算结果作为判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则认为本地序列相位为H₀相位，需要调整本地序列相位后，继续进行比较，直到相关值大于等于第一门限，此时暂时认为本地序列相位为一个H₁相位，系统进入验证阶段。值得说明的是，如果捕获系统每个码序列周期才判决一次，则称采用了滑动相关法；如果捕获系统每个采样间隔都判决一次，则称采用了匹配滤波法。显然由于匹配滤波法每个采样间隔内就需要计算出相关值，因此对硬件电路计算速率要求较高，但可大大缩短捕获时间。在验证阶段，捕获系统保持本地序列与接收序列的相对相位不变，进行同步滑动相关。如果相关值小于第二门限，则验证失败，系统重新返回搜索阶段；否则认为验证成功，从而系统捕获成功。该系统为一个双驻留系统。需要说明的是，图一中所示的系统采用的是相干检测，如果是非相干检测，那么用于判决比较的就不是相关值，而是相关值的一范数或者二范数。一范数为实部与虚部的绝对值之和，二范数为实部与虚部的平方和。

图1为传统扩频捕获方法的流程示意框图。该传统扩频捕获方法在扩频序列较长、信道为加性白高斯信道时工作较好，然而，这种方法存在着如下缺陷：

1)对于包交换通信系统，采用长的扩频序列会增大不确定相位区域(整个不确定区域为一个码序列周期)，使得捕获时间较长，导致用于捕获的开销较大。尽管采用匹配滤波法可以减少捕获时间，但是对硬件计算速率要求过高，难以实现。

2)实际系统在码片速率采样的情况下(T_s＝T_c)会存在两个相邻的H₁相位，因为采样不可能刚好采在相关峰的那一点，而是会采在相关峰的左右两边，这两个点相位差为一个码片。这样先被检测到的H₁相位有可能对应的能量较小，从而在验证阶段验证失败的概率较大。这不仅会增大系统捕获时间，也会影响整个通信系统的稳定性。同样，对于过采样系统，即一个码片采样多个点的系统，更会存在类似情况。

3)在多径环境下，由于存在多个H₁相位，每个H₁相位对应某一条独立径。如果搜索阶段搜索到一条能量较小的径，那么在验证阶段验证失败的概率就会较大。这也会增大系统捕获时间，影响整个通信系统的稳定性。

4)传统扩频系统在搜索阶段和验证阶段第一门限和第二门限都是固定门限，对于动态范围较大的系统环境，捕获会表现得不稳定。特别是验证第二门限，需要根据当前接收信号的强度来确定，才能保证系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种能够缩短系统的捕获时间，增加系统同步的稳定性的基于最大似然估计的扩频捕获方法，该方法尤其适用于直接序列扩频系统。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于最大似然估计的扩频捕获方法，所述方法包括步骤：

S1，在M个采样周期内，将本地的M路码序列与接收到的码序列进行并行的相关运算，并根据M个相关运算结果计算得到判决量；然后将判决量与第一门限进行比较，若判决量小于第一门限，则对本地的M路码序列的相位分别进行调整后再将其与接收到的码序列进行相关运算，直到判决量大于第一门限，执行步骤S2，其中M为正整数；

S2，给全局最大相关值赋初值0，按步骤S1所述方式更新本地的M路码序列的相位，并将该M路码序列与接收到的码序列进行并行相关运算，根据M个相关运算结果计算得到新的判决量；若新的判决量大于当前全局最大相关值，则将新的判决量的值赋予全局最大相关值，并保存当前的判决量所对应的本地码序列的M个相位；否则不更新该全局最大相关值；

S3，将步骤S2重复执行K次，K＝(N_cT_c)/(MT_s)，其中N_c为本地的码序列的码片数，T_c为码片周期，T_s为采样间隔，然后根据经K次计算之后所得到的全局最大相关值计算第二门限，将该第二门限用于验证阶段进行验证，若验证成功，则完成扩频捕获；否则返回步骤S1重新运算。

其中，所述步骤S3中验证阶段的步骤具体为：将本地的M路码序列的相位更新为全局最大相关值所对应的相位，将当前的本地M路码序列与接收到的码序列进行并行的相关运算，并根据M个相关运算结果计算得到判决量，将该判决量与第二门限比较，若该判决量大于第二门限，验证成功，完成扩频捕获；否则返回搜索阶段重新运算。

其中，根据M个相关运算结果计算得到判决量的步骤具体为：选择M个相关运算结果中的最大值作为判决量，或者选择M个相关运算结果的均值作为判决量。

其中，所述M个相关运算结果为相关值、相关值的一范数和二范数之一。

其中，在步骤S1中将判决量与第一门限进行比较的方式为：每个采样周期MT_s判断一次，此时，用并行匹配滤波器实现；或者，每个码序列周期N_cT_c判断一次，此时，用并行滑动相关器实现。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1)过采样或者多径的影响将导致存在多个H₁相位，传统扩频捕获方案在搜索模式下可能会搜索到能量较小的H₁相位，这会使得验证模式下验证失败的概率较大。不仅会增大系统捕获时间，也会影响整个通信系统的稳定性。而在本发明中，在搜索模式下，采用最大似然法估计H₁相位，即在某次判决量大于第一门限之后，需要找到全局最大相关值及对应的本地序列相位，作为H₁相位，从而可以缩短系统捕获时间，增加系统同步的稳定性；

2)传统方案搜索模式和验证模式下的第一门限和第二门限都是固定门限值，对于动态范围较大的情况会导致同步不稳定现象。本发明所提出的方案中第二门限是根据搜索模式下所得到的全局最大相关值计算所得，对于动态范围较大的情况也能适用。

3)采用并行匹配滤波结构实现最大似然扩频捕获方案，缩短了系统捕获时间，从而使得本方案应用于包通信系统时，可降低系统开销。

附图说明

图1是传统扩频捕获方法的流程示意框图；

图2是本发明实施例的方法的流程示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

依据本发明实施例的方法的流程示意框图如图2所示，该方法包括如下步骤：

1)当直接序列扩频系统处于搜索阶段，每M个采样周期(MT_s秒)内计算出一组共M个相关值，这M个相关值分别为本地的M个不同相位的码序列与接收序列的相关结果。本地序列i与本地序列i+1之间的相位差为1个采样间隔T_s。每进行一次计算可以判断M个相邻离散相位是否为H₁相位(H₁相位表示与接收码序列相位之差在1个码片之内的本地码序列相位)；由于每MT_s秒就判断一次，并更新M个相邻离散相位，因此这种并行方式可以看成是匹配滤波器的并行实现。而如果每个码序列周期才判断一次，则应看成是并行滑动相关器结构。

2)根据步骤1)所计算得到的M个相关值计算得到判决量。这里有两种方式得到：一是选择M个相关值中的最大值作为判决量，二是选择M个相关值的均值作为判决量；

3)将步骤2)所得到的判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则对本地M个码序列的相位进行调整，以进行下一M个相邻离散相位的判断，例如，假设调整前的相位为s，s+1，…，s+M-1，则调整后的相位为s+M，s+M+1，…，s+2M-1，调整之后重新回到步骤1)；如果所得到的判决量大于等于第一门限，则执行步骤4)；需要说明的是：第一门限可根据接收到的信号的解扩信噪比以及所要求的虚警概率进行计算得到，也可取经验值。

4)本步骤又分如下几小步：

a)设置全局最大相关值的初始值为0；

b)按步骤3)所述调整本地序列相位方法调整本地M个序列的相位，并与接收序列进行M路并行相关，得到M个相关值；

c)按照步骤2)所述方法，根据M个相关值计算判决量；

d)如果判决量大于全局最大相关值，则更新全局最大相关值等于判决量，并保存取得当前判决量值所对应的本地码序列相位t，t+1，…，t+M-1；否则不更新全局最大相关值；

e)执行步骤b)至步骤d)K次，K＝(N_cT_c)/(MT_s)，其中N_c为码序列码片数，T_c为码片周期。

5)根据步骤4)所得到的全局最大相关值，计算第二门限：Γ₂＝cr_max，其中Γ₂为第二门限，r_max为步骤d)得到的全局最大相关值，c为经验常数，取值范围0到1之间，例如可取1/2，2/3等。

6)系统进入验证阶段：按步骤3)所述调整本地序列相位方法调整本地M个序列的相位，每MT_s调整一次，直到本地M个序列相位为全局最大相关值所对应的本地序列相位t，t+1，…，t+M-1时，根据步骤2)所述方法得到判决量。如果判决量大于第二门限则验证成功，同时捕获成功，否则重新从1)开始执行。

为举例说明本发明实施例的方法，上述参数可以为：T_s＝T_c/4；M＝4；N_c＝31；K＝31；c＝1/2。

需要说明的是，上述方法实施例中，直接序列扩频系统采用的是相干检测，如果是非相干检测，那么用于判决比较的就不是相关值，而是相关值的一范数或者二范数，一范数为实部与虚部的绝对值之和，二范数为实部与虚部的平方和。

由以上实施例可以看出，本发明中，在搜索模式下，采用最大似然法估计H₁相位，即在某次判决量大于第一门限之后，需要找到全局最大相关值及对应的本地序列相位，作为H₁相位，从而可以缩短系统捕获时间，增加系统同步的稳定性；上述方案中第二门限是根据搜索模式下所得到的全局最大相关值计算所得，对于动态范围较大的情况也能适用；采用并行匹配滤波结构可实现最大似然扩频捕获方案，缩短了系统捕获时间，从而使得本方案应用于包通信系统时，可降低系统开销。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于最大似然估计的扩频捕获方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1，在M个采样周期内，将本地的M路码序列与接收到的码序列进行并行的相关运算，并根据M个相关运算结果计算得到判决量；然后将判决量与第一门限进行比较，若判决量小于第一门限，则对本地的M路码序列的相位进行调整后再将其与接收到的码序列进行相关运算，直到判决量大于第一门限，执行步骤S2，其中M为正整数；

S2，给全局最大相关值赋初值0，按步骤S1所述的方式更新本地的M路码序列的相位，并将该M路码序列与接收到的码序列进行并行相关运算，根据M个相关运算结果计算得到新的判决量；若新的判决量大于当前全局最大相关值，则将新的判决量的值赋予全局最大相关值，并保存当前的判决量所对应的本地码序列的M个相位；否则不更新该全局最大相关值；

S3，将步骤S2重复执行K次，K＝(N_cT_c)/(MT_s)，其中N_c为本地的码序列的码片数，T_c为码片周期，T_s为采样间隔，然后根据经K次计算之后所得到的全局最大相关值计算第二门限，将该第二门限用于验证阶段进行验证，若验证成功，则完成扩频捕获；否则返回步骤S1重新运算。

2.如权利要求1所述的基于最大似然估计的扩频捕获方法，其特征在于，所述步骤S3中验证阶段的步骤具体为：将本地的M路码序列的相位更新为全局最大相关值所对应的相位，将当前的本地M路码序列与接收到的码序列进行并行的相关运算，并根据M个相关运算结果计算得到判决量，将该判决量与第二门限比较，若该判决量大于第二门限，验证成功，完成扩频捕获；否则返回搜索阶段重新运算。

3.如权利要求1或2所述的基于最大似然估计的扩频捕获方法，其特征在于，根据M个相关运算结果计算得到判决量的步骤具体为：选择M个相关运算结果中的最大值作为判决量，或者选择M个相关运算结果的均值作为判决量。

4.如权利要求3所述的基于最大似然估计的扩频捕获方法，其特征在于，所述M个相关运算结果为相关值、相关值的一范数和二范数之一。

5.如权利要求1所述的基于最大似然估计的扩频捕获方法，其特征在于，在步骤S1中将判决量与第一门限进行比较的方式为：每个采样周期MT_s判断一次，此时，用并行匹配滤波器实现；或者，每个码序列周期n_cT_c判断一次，此时，用并行滑动相关器实现。

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