CN102638288B - 一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获方法和捕获装置。思路是在相邻的频点，码片试探值进行错位，提高每个试探点搜索效率。它可以改善低信噪比下的接收机性能，提高码捕获效率。和现有技术相比，本发明具有效率高、搜索时间短的优点，在直接序列扩频通信系统中有一定的实用价值。在实际应用中，时域搜索模块，比较器，数控振荡器和频率偏移补偿模块可以沿用现成的模块，不需要太大改动便可以实现码捕获，非常方便。

Description

一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种直接序列扩频通信系统中用于对扩频码捕获的频域串行搜索的方法和装置。

背景技术

码分多址是一种常用的扩展频谱通信技术。在码分多址通信系统中，接收机对扩频码的捕获是实现信号解调的前提。由于收发双方的相对运动，在接收信号和本地信号之间中会存在多普勒频率偏移。多普勒频率偏移会影响到扩频码同步时的相关检测幅值，公式为：

$Z_d=Z\·\frac{1}{N_{\mathrm{corr}}}\left|\frac{\sin \left(\mathrm{\π}{N}_{\mathrm{corr}}{f}_D{T}_c\right)}{\sin \left(\mathrm{\π}{f}_D{T}_c\right)}\right|$

其中，Z是无频偏时的相关检测幅值，f_D是多普勒频率偏移值，Z_d是在频偏为f_D时的相关检测幅值，N_corr为接收机做相关运算时的码片数，T_c是每一个码片的持续时间。由上式可见，存在频偏时，相关检测幅值存在衰减。当频率偏移较小时衰减较小，接收机可以通过单纯的时域搜索完成扩频码捕获。但当频率偏移较大时，相关检测幅值衰减较大，即时域相关信噪比显著降低，导致单纯的时域搜索无法完成扩频码捕获，此时需要在时域和频域进行二维搜索才能够完成扩频码捕获。

在二维搜索过程中，接收机需在频域上的一系列频点进行搜索，在每个频点上要针对扩频码相位进行时域搜索。其中，时域搜索是为了使本地扩频码发生器相位与接收信号中的扩频码相位对齐，即实现扩频码同步，而频域搜索则是为了减少接收信号频率偏移造成的信噪比损失从而保证时域搜索的成功。能否快速正确地补偿频率偏移和码同步是正确接收数据的前提，也是直接序列扩频系统中必不可少的一个环节。

现有的时频二维搜索方案中，在各个频点上所搜索的扩频码码相位试探点，或者互不相关，或者完全对齐。从频率-码相位二维图上来看，这些搜索点的排列方式使得搜索效率不高，增加搜索时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种频率偏移补偿和码捕获的方法和装置，思路是在相邻的频点，码片试探值进行错位，提高每个试探点搜索效率。它可以改善低信噪比下的接收机性能，提高码捕获效率。

本发明的技术方案如下：

一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获方法，包括如下步骤：

1）根据实际通信系统的参数，得到频率偏移范围[F_min,F_max]和码片偏移范围[C_min,C_max]；根据系统可承受的码片偏移和频率偏移导致的最大信噪比损失，确定同步检测统计量的门限值Th；根据频率偏移造成的信噪比衰减幅度和码片偏移造成的信噪比衰减幅度，计算出频率偏移值试探间隔Δf_D和码片偏移值试探间隔Δc_s；根据频率偏移范围[F_min,F_max]和频率偏移值试探间隔Δf_D确定频率偏移试探值集合{f_m}；根据码片偏移范围和码片偏移值试探间隔Δc_s确定每个频率偏移试探值上的码片偏移试探值集合{c_m,n}，相邻频点所对应的码片偏移试探值集合之间的码片偏移试探值会相应地错开0.5Δc_s；

其中，F_min为接收信号频率偏移可能的最小值，F_max为接收信号频率偏移可能的最大值；C_min为本地扩频码相对于接收信号扩频码时间偏移可能的最小值，C_max为该时间偏移可能的最大值；f_m为频率偏移试探值集合中的第m个频率偏移试探值；c_m,n表示码片偏移试探值集合中的第m个频率偏移试探值上的第n个码片偏移试探值；

2）在频率偏移试探值集合{f_m}中，选择第一个频率偏移试探值进行搜索；

3）在当前的频率偏移试探值所对应的码片偏移值试探集合{c_m,n}中，依次选取码片偏移试探值，计算对应的同步检测统计量a，选取其中最大值a_max，判定同步检测量a_max是否超过门限Th，若超过门限Th则为达到扩频码同步，最大值所对应的相位即为接收信号中扩频码的相位，完成码捕获；

4）若在频率偏移试探值集合{f_m}中还有未搜索的频点，则选择下一个频率偏移试探值进行搜索，回到步骤3)；若频率偏移试探值集合{f_m}中的每个频点都已搜索完毕，则回到步骤2)，重新进行一轮二维搜索。

所述的捕获方法，步骤1）中所述实际通信系统的参数包括：接收信号的频率偏移值f，码片周期T_c，接收机做相关运算时的码片数N_corr。

所述的捕获方法，步骤1）中所述频率偏移、码片偏移造成的信号幅度衰减公式如下：

$G\left(f_D\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{corr}}}\left|\frac{\sin \left(\mathrm{\π}{N}_{\mathrm{corr}}{f}_D{T}_c\right)}{\sin \left(\mathrm{\π}{f}_D{T}_c\right)}\right|$

其中，G(f_D)为频率偏移造成的信号幅度衰减，G(t)为码片偏移造成的信号幅度衰减，T_c为码片周期，f_D为频率偏移值，N_corr为接收机做相关运算时的码片数，t为码片偏移时间。

从而码片偏移、频率偏移造成的信号幅度衰减公式为

所述的捕获方法，对频率偏移和码片偏移进行搜索的方法为，以Δf_D、Δc_s作为搜索间隔，在闭区间[F_min,F_max]、[C_min,C_max]内进行搜索。

所述的捕获方法，通过应用错位搜索方案，在相邻频点上所搜索的扩频码码片偏移试探值错位0.5Δc_s。从频率-码相位二维图上来看，错位搜索的搜索点排列方式使得搜索效率提高。从而减少捕获时间。

本发明同时提供一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获装置（见图2），包括频率补偿模块、比较器、时域搜索模块、数控振荡器、策略控制模块；其中：对频点位置进行设定以及对码片偏移试探值进行错位的策略控制模块；产生本地载波的数控振荡器；利用数控振荡器产生的载波对接收信号进行补偿的频率补偿模块；对补偿后的信号进行时域搜索的时域搜索模块；以及将时域搜索的检测量和门限进行比较的比较器；

策略控制模块将当前搜索的频点发送给数控振荡器，同时采用“错位搜索”的策略，对相邻频点所对应的码片偏移试探值进行错位，并发送码片偏移至时域搜索模块；

数控振荡器连接至频率补偿模块，频率补偿模块连接至时域搜索模块，时域搜索模块连接至比较器，比较器连接至策略控制模块。

所述频率补偿模块，用于对接收信号的频率偏移值f进行补偿；

所述时域搜索模块，用于以码片偏移值试探间隔Δc_s在码片偏移范围[C_min,C_max]的范围内搜索扩频码相位，针对每个相位计算同步检测统计量，并选取其最大值；根据错位搜索的策略，在相邻频率上的码相位试探值之间偏移0.5Δc_s；

比较器将时域搜索的检测量最大值和门限进行比较，如果检测量最大值超过门限Th，则认为完成捕获，最大值所对应的扩频码相位即为接收信号的扩频码相位，此时捕获成功；否则，通知策略控制模块将下一个频点的数值发送给数控振荡器，开始对下一个频点的搜索。

所述数控振荡器，根据策略控制模块发送过来的频点的数值产生本地载波，并将载波信号传递给频率补偿模块；

所述策略控制模块，在初始化时已经在该模块中写入了根据实际系统参数计算所得的一系列频点数值，根据搜索的进程发送给数控振荡器当前搜索的频率值，和通知时域搜索模块在相邻频点进行码相位0.5Δc_s的偏移。

本发明的有益效果：

和现有技术相比，本发明具有效率高、搜索时间短的优点，在直接序列扩频通信系统中有一定的实用价值。在实际应用中，时域搜索模块，比较器，数控振荡器和频率偏移补偿模块可以沿用现成的模块，不需要太大改动便可以实现码捕获，非常方便。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图。

图2是本发明所述装置的示意图。

图3是本发明所述搜索策略示意图。

具体实施方式

本发明所述方法称之为“错位搜索捕获法”，具体的实施方式如下（流程参见图1，搜索策略见图3：

1）执行如下步骤：

a.根据实际通信系统的多普勒频偏和相关码片数，得到频率偏移范围[F_min,F_max]和码片偏移范围[C_min,C_max]（其中min表示最小值，max表示最大值）；通过确定系统可承受的码片偏移和频率偏移导致的最大信噪比损失，计算得出同步检测统计量的门限值Th;

b.根据频率偏移造成的信噪比衰减幅度和码片偏移造成的信噪比衰减幅度，计算出频率偏移值试探间隔Δf_D和码片偏移值试探间隔Δc_s；根据频率偏移范围和频率偏移值试探间隔Δf_D；频率偏移造成的信噪比衰减幅度和码片偏移造成的信噪比衰减幅度计算公式为：

其中，T_c为码片周期，f_D为频率偏移值，N_corr为接收机做相关运算时的码片数，t为码片偏移时间。

c.确定频率偏移试探值集合{f_m}。

试探值的个数M可以通过以下方式求得：

其中，F_max和F_min为频偏范围的上限和下限，Δf_D为频率偏移值试探间隔，符号

表示对括号中的数字向上取整，m的取值：1≤m≤M。

其中，频点序列{f_m,1≤m≤M}可以通过如下公式求出：

$f_m=F_{\min }+\frac{2m-1}{2}\·\mathrm{\Δ}{f}_D,1\≤m\≤M$

其中，m为自然数，f_m表示序列中的第m个频点，M为频点的总数，F_min为频偏范围的下限，Δf_D为频率偏移值试探间隔。

e.以频率偏移试探值确定码片偏移试探值集合{c_m,n}。相邻频点所对应的码片偏移试探值集合之间的码偏偏移试探值相差0.5Δc_s。确定时域偏移试探值集合{c_m,n}。

码片偏移试探值集合{C_m,n,1≤n≤N,1≤m≤M}可以通过如下公式求出：

其中，m,n为自然数，c_m,n表示序列中的第m个频率偏移试探值上的第n个码片偏移试探值,C_min为码偏范围的下限,Δc_s为码片偏移试探值间隔。

其中码片偏移试探值的个数N可以通过以下方式求得：

其中，C_max，C_min为码片偏移范围的上限和下限，若对码片相位无任何先验信息，则C_min=0，C_max为扩频码的周期。Δc_s为码片偏移试探值间隔，符号

表示对括号中的数字向上取整，n的取值：1≤n≤N。

2)在频率偏移试探值集合{f_m}中，选择第一个频率偏移试探值进行搜索。

3）在当前的频率偏移试探值所对应的码片偏移值试探集合{c_m,n}中，依次选取试探值，计算对应的同步检测统计量a，比较器将时域搜索的检测量最大值a_max和门限进行比较，判定同步检测量a_max是否超过门限Th，若超过门限Th则为达到扩频码同步，即最大值所对应的相位为接收信号中扩频码的相位，则扩频码捕获成功；

4）若在频率偏移试探值集合{f_m}中还有未搜索的频点，则选择下一个频率偏移试探值进行搜索，回到步骤3)。若频率偏移试探值集合{f_m}中的每个频点都已搜索完毕，则回到步骤2)，重新进行一轮二维搜索。

Claims (10)

1.一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获方法，其特征是，包括如下步骤：

1）根据实际通信系统的参数，得到频率偏移范围[F_min,F_max]和码片偏移范围[C_min,C_max]；根据系统可承受的码片偏移和频率偏移导致的最大信噪比损失，确定同步检测统计量的门限值Th；根据频率偏移造成的信噪比衰减幅度和码片偏移造成的信噪比衰减幅度，计算出频率偏移值试探间隔Δf_D和码片偏移值试探间隔Δc_s；根据频率偏移范围[F_min,F_max]和频率偏移值试探间隔Δf_D确定频率偏移试探值集合{f_m}；根据码片偏移范围和码片偏移值试探间隔Δc_s确定每个频率偏移试探值上的码片偏移试探值集合{c_m,n}；

其中，F_min为接收信号频率偏移可能的最小值，F_max为接收信号频率偏移可能的最大值；C_min为本地扩频码相对于接收信号扩频码时间偏移可能的最小值，C_max为该时间偏移可能的最大值；f_m为频率偏移试探值集合中的第m个频率偏移试探值；c_m,n表示码片偏移试探值集合中的第m个频率偏移试探值上的第n个码片偏移试探值；

2）在频率偏移试探值集合{f_m}中，选择第一个频率偏移试探值进行搜索；

3）在当前的频率偏移试探值所对应的码片偏移值试探集合{c_m,n}中，依次选取码片偏移试探值，计算对应的同步检测统计量a，选取其中最大值a_max，判定同步检测量a_max是否超过门限Th，若超过门限Th则为达到扩频码同步，最大值所对应的相位即为接收信号中扩频码的相位，完成码捕获；

4）若在频率偏移试探值集合{f_m}中还有未搜索的频点，则选择下一个频率偏移试探值进行搜索，回到步骤3)；若频率偏移试探值集合{f_m}中的每个频点都已搜索完毕，则回到步骤2)，重新进行一轮二维搜索。

2.如权利要求1所述的捕获方法，其特征是，步骤1）中所述实际通信系统的参数包括：接收信号的频率偏移值f，码片周期T_c，接收机做相关运算时的码片数N_corr。

3.如权利要求1所述的捕获方法，其特征是，步骤1）中所述频率偏移、码片偏移造成的信号幅度衰减公式如下：

$G\left(f_D\right)=\frac{1}{N}\left|\frac{\sin \left(\mathrm{\πN}{f}_D{T}_c\right)}{\sin \left(\mathrm{\π}{f}_D{T}_c\right)}\right|G\left(f_D\right)=\frac{1}{N_{\mathrm{corr}}}\left|\frac{\sin \left(\mathrm{\π}{N}_{\mathrm{corr}}{f}_D{T}_c\right)}{\sin \left(\mathrm{\π}{f}_D{T}_c\right)}\right|$

其中，G(f_D)为频率偏移造成的信号幅度衰减，G(t)为码片偏移造成的信号幅度衰减，T_c为码片周期，f_D为频率偏移值，N_corr为接收机做相关运算时的码片数，t为码片偏移时间。

4.如权利要求1所述的捕获方法，其特征是，对频率偏移和码片偏移进行搜索的方法为，以Δf_D、Δc_s作为搜索间隔，在闭区间[F_min,F_max]、[C_min,C_max]内进行搜索。

5.如权利要求1所述的捕获方法，其特征是，通过应用错位搜索方案，在相邻频点上所搜索的扩频码码片偏移试探值错位0.5Δc_s。

6.一种直接序列扩频通信系统扩频码的捕获装置，包括频率补偿模块、比较器、时域搜索模块、数控振荡器、策略控制模块，其特征是，

所述策略控制模块，用于对频点位置进行设定以及对码片偏移试探值进行错位；所述数控振荡器，用于产生本地载波；所述频率补偿模块，用于利用数控振荡器产生的载波对接收信号进行补偿；所述时域搜索模块，用于对补偿后的信号进行时域搜索；所述比较器，用于将时域搜索的检测量和门限进行比较；

所述策略控制模块将当前搜索的频点发送给数控振荡器，同时采用“错位搜索”的策略，对相邻频点所对应的码片偏移试探值进行错位，并发送码片偏移至时域搜索模块；所述数控振荡器连接至频率补偿模块，频率补偿模块连接至时域搜索模块，时域搜索模块连接至比较器，比较器连接至策略控制模块。

7.如权利要求6所述的捕获装置，其特征是，所述时域搜索模块，以码片偏移值试探间隔Δc_s在码片偏移范围[C_min,C_max]的范围内搜索扩频码相位，针对每个相位计算同步检测统计量，并选取其最大值；根据错位搜索的策略，在相邻频率上的码相位试探值之间偏移0.5Δc_s；

其中，C_min为本地扩频码相对于接收信号扩频码时间偏移可能的最小值，C_max为该时间偏移可能的最大值。

8.如权利要求6所述的捕获装置，其特征是，所述比较器将时域搜索的检测量最大值和门限进行比较，如果检测量最大值超过门限Th，则认为完成捕获，最大值所对应的扩频码相位即为接收信号的扩频码相位，此时捕获成功；否则，通知策略控制模块将下一个频点的数值发送给数控振荡器，开始对下一个频点的搜索。

9.如权利要求6所述的捕获装置，其特征是，所述数控振荡器，根据策略控制模块发送过来的频点的数值产生本地载波，并将载波信号传递给频率补偿模块。

10.如权利要求6所述的捕获装置，其特征是，所述策略控制模块，在初始化时在该模块中写入根据实际系统参数计算所得的一系列频点数值，根据搜索的进程发送给数控振荡器当前搜索的频率值，和通知时域搜索模块在相邻频点进行码相位0.5Δc_s的偏移。

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