CN102244527A - 一种无线扩频接收机精确同步方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线扩频接收机精确同步方法，其实是一种能够支持多扩频因子和低信噪下的扩频码定时跟踪的算法，可用于扩频通信和码分多址(CDMA)系统中的扩频码(伪码)定时同步跟踪。该算法能够利用一个统一的结构实现多种不同扩频因子(特别是当存在小扩频因子甚至是单倍扩频的情况)的同步，解决了对多种扩频因子(含单倍扩频和小扩频因子)不能用一个统一的结构完成同步的问题，并且在极低信噪比下具有良好的跟踪性能。同时，支持MPSK调制方式，实现简单。典型应用如对移动通信、卫星通信、导航等。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线扩频接收机精确同步方法，主要用于无线通信系统中，例如扩频通信和码分多址(CDMA)系统中扩频码(PN码或伪码)的定时同步。
背景技术
扩频通信和码分多址(CDMA)系统中首要考虑的关键性问题就是扩频码(PN码或伪码)的定时同步。扩频码(PN码或伪码)定时同步一般在捕获PN码初始相位完成后采用延迟锁定环(Delay-locked loop)来完成。
在扩频通信系统中，为了能在有限的带宽里提供多种数据接入速率(视不同的信噪比条件和可靠性要求)，系统常常采用多种扩频因子，且常采用扰码式扩频。所谓扰码式扩频方式：生成一个很长的扩频序列M1；当扩频因子SF＝N时，先将数据流中每个数据重复SF＝N次，然后用M1进行扰码，这样扰码的同时完成了扩频；当扩频因子SF＝1时，即通常所说的扰码。为了降低系统干扰，节省功率，接收机通常工作在与所采用的扩频因子相对应的极限解调门限附近，即信噪比极低。
传统的延迟锁定环不支持多扩频因子(特别是扩频因子很小的情况)。当扩频因子SF很小时(如SF＝1或2)，采用传统的延迟锁定环不能得到定时误差S曲线或不能得到较好的S曲线，也就不能有效地闭环跟踪PN码。而且当信噪比很低时，传统延迟锁定环的噪声性能很差，容易失锁--特别是在扩频因子较小时。
诺基亚的申请号为20048000413.4的专利“无线电接收机延迟锁定环电路和相关方法”，电子与信息学报的论文“一种改进型PN码定时跟踪环，电子与信息学报，Vol.28，No.4，Apr.2006”，以及TI的专利号为US6373862的美国专利“Channel-aided，decision-directed delay-locked loop”，都利用了准时支路的输出，与超前、滞后支路的输出复乘，消除了频偏、相位、调制，获得了一定性能改善，但在低信噪比下的性能仍然受限，并且不能支持单倍或较小扩频因子等应用。
IEEE Transaction on Communications的期刊论文“R.D.Gaudenzi，M.Luise，Decision-directed coherent delay-lock tracking loop forDS-spread-spectrum signals，IEEE Transaction on Communications，Vol.39，No.5，May 1991”，采用了相干判决反馈，虽然消除了调制而获得了比非判决指向更好的跟踪性能，但是要实现判决要求载波和相位已经被消除，并且判决反馈抵消发生在超前、滞后支路的相关累加之后，也同样不能支持单倍扩频或较小扩频因子等情况。
中兴的申请号为99124412.5中国专利“一种宽带码分多址系统的PN码精确同步的方法及装置”，也利用了判决结果，并利用了信道估计的结果。但是要实现判决必须在完全消除载波和相位之后，并且判决抵消发生在超前、滞后支路的相关累加之后，也不能支持单倍扩频或较小扩频因子等情况。
也有一种可能的方法：采用Gardner的文献(F.M.Gardner，Interpolationin digital modems-Part I：Fundamentals，IEEE Trans.On Comunications，Vol.41，No.3，Mar.1993)中所提到的鉴相方法实现对单倍扩频的同步跟踪，超过单倍的扩频则采用传统延迟锁定环。这种方法不仅带来环路、鉴相方式等的切换，而且在低信噪比下性能相当差一特别是当扩频比较小时(比如扩频因子为2)。
综上所述，现有的方法没有统一的实现结构能实现对多扩频因子的同步跟踪，不支持单倍扩频和较小扩频的因子，且在低信噪比下性能差。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种无线扩频接收机精确同步方法，采用统一的结构实现各种扩频因子的同步，并且在极低信噪比下具有良好的跟踪性能。
本发明技术解决方案：一种无线扩频接收机精确同步的方法，构建超前、滞后、准时三个支路；利用准时支路的角度信息补偿超前、滞后支路；然后，对超前支路和滞后支路的补偿结果分别求和；超前支路、滞后支路的求和结果相减，相减结果作为环路误差；环路误差滤波后反馈到前端相乘闭环控制结构，完成精确同步。
所述形成闭环控制结构的实现方式为插值、采样点选择、调整PN码发生器相位。
所述构成超前、滞后、准时三个支路的的实现方式有插值后不同延迟、选择不同相位的采样点、利用不同的PN码相位。
所述的补偿是利用了准时支路的角度对超前和滞后支路进行补偿。
所述的环路误差滤波后可反馈到数控振荡器、采样点选择器、PN码发生器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)能够利用一个统一的结构实现多种扩频因子的扩频码同步跟踪，解决了不能统一同步的问题
(2)在门限信噪比附近具备良好的跟踪性能
(3)支持MPSK调制方式
(4)实现简单
本发明一般涉及无线通信系统，例如扩频通信和码分多址(CDMA)系统中扩频码(PN码或伪码)的定时同步方法。在无线扩频接收机初始捕获完成后，频偏大小适中的情况下，实现精确的同步跟踪，以准确保持码片的定时同步，适应多种扩频因子、门限信噪比、MPSK调制方式。可应用于移动通信、卫星通信、导航等。
附图说明
图1为利用插值的数字延迟锁定环结构；
图2为选择采样点位置的数字延迟锁定环结构；
图3为调整本地PN码相位的数字延迟锁定环结构。
具体实施方式
本发明实施例给出三种结构，但不仅限于这三种结构。只要是满足权利要求的结构均可以实现。
本发明给出的三种结构如图1，2，3所示，其输入信号为采样的数字信号，该信号可以是数字基带信号，也可以是数字中频信号。
下面首先对图1所示的结构进行说明。图1采用插值的数字延迟锁定环，如图1所示，输入信号为插值输出的过采样基带数字扩频信号。插值输出的过采样基带信号进过适当的延迟，得到超前、滞后、准时三个支路。如图1中，从上到下，第1路为超前支路，第2路为滞后支路，第3路为准时支路。超前、滞后、准时三个支路分别和本地PN码相关。
其工作过程为：
(1)采样数字信号经过插值器后，输出插值数据；
(2)插值输出数据直接进入超前支路，延迟1个单位作为准时支路的输入，延迟2个单位作为滞后支路的输入；
(3)伪码发生器产生所需的PN码；
(4)在超前、准时、滞后支路中，PN码与各自输入数据做相关运算，分别得到超前、准时、滞后支路相关输出；
(5)准时支路相关输出求和，对求和结果求得角度θ；
(6)超前、滞后支路的相关输出经过延时后，用上述步骤(5)得到的角度θ补偿超前、滞后支路的延时输出，得到补偿后的输出；
(7)对超前、滞后支路补偿后的输出进行累加，得到超前、滞后支路的累加求和输出；
(8)将超前、滞后支路的累加求和输出相减，得到环路定时误差；
(9)步骤8)得到的环路定时误差经环路滤波后输出给数控振荡器，进而控制控制插值器，最终完成对扩频码相位的闭环跟踪。
通过上述1-9的步骤，形成闭环的插值延迟锁定跟踪环路，完成了扩频码的同步跟踪。图1中虚线框A和B内部的次序可以交换。基于同样的工作原理，除了图1所示的实现方案外，还有图2(采用的是采样点选择的方法)、图3(调整本地PN码相位的方法)。
下面对图2所示的结构进行说明。图2采样点选择式的数字延迟锁定环，其工作过程为：
(1)采样数字信号经过采样选择器，选择前一个样点、当前样点、下一个样点分别作为超前支路、滞后支路、准时支路的输入；
(2)伪码发生器产生所需的PN码；
(3)在超前、准时、滞后支路中，PN码与各自输入数据做相关运算，分别得到超前、准时、滞后支路相关输出；
(4)准时支路相关输出求和，对求和结果求得角度θ；
(5)超前、滞后支路的相关输出经过延时后，用上述步骤(5)得到的角度θ补偿超前、滞后支路的延时输出，得到补偿后的输出；
(6)对超前、滞后支路补偿后的输出进行累加，得到超前、滞后支路的累加求和输出；
(7)将超前、滞后支路的累加求和输出相减，得到环路定时误差；
(8)将定时误差滤波后直接去控制采样点的选择
下面对图3所示的结构进行说明。图3是调整本地PN码相位的数字延迟锁定环，其工作过程为：
(1)产生三种不同的PN码相位(超前相位、滞后相位、准时相位)，分别作为超前支路、滞后支路、准时支路的本地PN码输入
(2)在超前、准时、滞后支路中，PN码与输入采样数据做相关运算，分别得到超前、准时、滞后支路相关输出；
(3)准时支路相关输出求和，对求和结果求得角度θ；
(4)超前、滞后支路的相关输出经过延时后，用上述步骤(3)得到的角度θ补偿超前、滞后支路的延时输出，得到补偿后的输出；
(5)对超前、滞后支路补偿后的输出进行累加，得到超前、滞后支路的累加求和输出；
(6)将超前、滞后支路的累加求和输出相减，得到环路定时误差；
(7)将环路定时误差经环路滤波后输出给数控振荡器，进而控制本地PN码发生器的相位，最终完成对扩频码相位的闭环跟踪
上述图1～图3中，虚线框A和B内部的次序可以交换。由于本方法可以对短PN码进行长时间累加，从根本上解决了多种扩频因子的同步问题；同时通过避免传统的乘法运算，防止了在低信噪比下产生大的噪声，故在低信噪比下性能可逼近LDPC译码门限；并且上述实现方法对角度调制不敏感，可以支持MPSK调制；由框图可见，显然其实现简单、结构统一。
由于调整PN码相位，与调整接收信号的采样位置是等效的，所以无论是插值获取最佳采样点的结构(图1)，还是选择采样点位置的结构(图2)，或是调整本地PN码相位的结构(图3)，本质上都一样，都具有超前-准时-滞后三个相关支路。
Claims (5)
1.一种无线扩频接收机精确同步方法，其特征在于：构建超前、滞后、准时三个支路；利用准时支路的角度信息补偿超前、滞后支路；对超前支路和滞后支路的补偿结果分别求和；超前支路、滞后支路的求和结果相减，相减结果作为环路误差；环路误差滤波后反馈到前端相乘闭环控制结构，完成精确同步。
2.根据权利要求1所述的一种无线扩频接收机精确同步方法，其特征在于：所述形成闭环控制结构的实现方式为插值、采样点选择、调整PN码发生器相位。
3.根据权利要求1所述的一种无线扩频接收机精确同步方法，其特征在于：所述构成超前、滞后、准时三个支路的的实现方式有插值后不同延迟、选择不同相位的采样点、利用不同的PN码相位。
4.根据权利要求1所述的一种无线扩频接收机精确同步方法，其特征在于：所述的补偿是利用了准时支路的角度对超前和滞后支路进行补偿。
5.根据权利要求1所述的一种无线扩频接收机精确同步方法，其特征在于：所述的环路误差滤波后可反馈到数控振荡器、采样点选择器、PN码发生器。
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