CN105245247A - 自适应门限控制器及控制方法、直扩信号检测方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应门限控制器及控制方法、直扩信号检测方法及电路，自适应门限控制方法包括：统计当前一组待检测信号的个数N；计算N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值；判断移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n；基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε；基于符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。本发明能够在输入信号幅度动态范围很大的情况下，使虚警概率趋于0，同时检测概率趋于1，从而提高系统的捕获性能。

Description

自适应门限控制器及控制方法、直扩信号检测方法及电路

技术领域

本发明涉及信号检测技术领域，具体地说，涉及一种自适应门限控制器及控制方法、直扩信号检测方法及电路。

背景技术

扩频通信因其在抗干扰、保密性、增加系统容量等方面的突出优点，在民用、商用、军事等领域都有广泛的应用。

在各种扩频方式中，应用最广泛的是直接序列扩频方式，它是用PN码和二元信息数字序列模2相加后成复合码去调制载波。扩频信号在接收端必须与本地PN码同步后，才能将信息提取出来，并由此获得扩频增益，以减小误码率。为了实现数字化接收机，可以采用数字匹配滤波器对接收信号进行解扩。由于这种方案与目前通信设备的数字化、智能化、软件化的基础构架相一致，因此基于数字匹配滤的直扩信号检测是现今采用的PN码捕获的主要方法之一。

在实际的通信系统中，传输信道存在着各种衰落，如多径衰落等，而且还受到各种噪声和干扰的影响，这些噪声和干扰往往很强，且通常会随位置和时间的变化而变化。在这种环境下，数字化接收机中，匹配滤波后的门限设置往往关系到系统的检测概率、虚警概率等检测性能。

在采用数字匹配滤波实现PN码捕获时，判决门限的设置通常有固定门限和自适应门限两种。如果采用固定门限对相关值进行检测，则出现虚警和漏检的概率很大，系统无法正确检测信号，检测性能往往很差；采用自适应门限技术，即根据噪声或干扰功率的强弱自适应的修正判决门限值，使系统保持适当的检测概率和虚警概率，从而减少捕获时间，提高捕获性能。

现今主要采用的恒虚警检测(CFAR检测)自适应门限技术，设置门限电平使得虚警概率保持与信号或者噪声变化无关的常量，达到恒虚警的目的。CFAR检测技术为了达到低虚警概率而使门限取得过高，会使检测概率很小，捕获性能下降；而且，最重要的是CFAR检测需通过估计干扰或噪声功率来获得自适应门限，工程实现比较复杂。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种自适应门限控制器及控制方法、直扩信号检测方法及电路，能够在输入信号幅度动态范围很大的情况下，使虚警概率趋于0，同时检测概率趋于1，从而提高系统的捕获性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种自适应门限控制方法，包括：

统计当前一组待检测信号的个数N；

计算N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值；

判断所述移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n；

基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε；

基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。

根据本发明的一个实施例，所述符号函数ε为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{c}-1,n<N\\ 0,n=N\\ 1,n>N\end{array}\right..$

根据本发明的一个实施例，基于所述符号函数修正门限的步骤进一步包括：

β_k＝β_k-1+ε·Δβ

其中，β_k-1为当前一组待检测信号的门限，β_k为下一组待检测信号的门限，Δβ为门限增量。

根据本发明的一个实施例，计算超过门限的移位相关值个数n的步骤进一步包括：

将N个待检测信号与本地扩频序列通过数字匹配滤波器进行移位相关运算，并依次输出运算后的移位相关值；

将所述移位相关值进行包络检波并将包络检波样本与门限进行比较，其中，超过门限的包络检波样本输出相关峰；

统计所述相关峰的数量从而得到超过门限的移位相关值个数n。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种直扩信号检测方法，包括：

统计观测时间内带内待检测直扩信号的NN_P个检测样本，其中，N为待检测直扩信号个数，N_P为单个待检测直扩信号采样个数；

计算NN_P个检测样本与本地扩频序列的移位相关值；

判断NN_P个检测样本与本地扩频序列采样样本的移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n；

基于待检测直扩信号个数N和超过门限的移位相关值个数n选择符号函数ε；

基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一观测时间内待检测直扩信号的门限。

根据本发明的一个实施例，所述符号函数ε为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{c}-1,n<N\\ 0,n=N\\ 1,n>N\end{array}\right..$

根据本发明的一个实施例，基于所述符号函数修正门限的步骤进一步包括：

β_k＝β_k-1+ε·Δβ

其中，β_k-1为当前观测时间内待检测直扩信号的门限，β_k为下一观测时间内待检测直扩信号的门限，Δβ为门限增量。

根据本发明的一个实施例，计算超过门限的相关值个数n的步骤进一步包括：

将NT_P个检测样本与本地扩频序列采样样本通过数字匹配滤波器进行移位相关运算，并依次输出运算后的移位相关值；

将所述移位相关值进行包络检波并将包络检波样本与门限进行比较，其中，超过门限的包络检波样本输出相关峰；

统计所述相关峰的数量从而得到超过门限的相关值个数n。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种自适应门限控制器，包括：

累加单元，用于统计超过门限的移位相关值个数n；

比较单元，与所述累加单元连接，基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε；

修正单元，与所述比较单元连接，基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种采用以上所述的自适应门限控制器的直扩信号检测电路，包括：

带通滤波器，用于选择所需的带内信号；

数字匹配滤波器，与所述带通滤波器连接，用于将待检测信号与本地扩频序列进行移位相关运算；

包络检波器，与所述数字匹配滤波器连接，用于对移位相关运算的结果进行包络计算；

判决器，分别与所述包络检波器和所述自适应门限控制器连接，基于所述自适应门限控制器输出的门限进行判断，对应于高出门限的包络信号输出相关峰。

本发明的有益效果：

本发明基于数字匹配滤和自适应门限判决的直扩信号检测方法，能够充分利用信号能量进行直扩信号的检测，解决了CFAR检测中为了保证虚警概率导致检测概率减小的缺点，能够在输入信号幅度动态范围很大的情况下，使虚警概率P_f→0，同时检测概率P_d→1，从而提高系统的捕获性能。同时，本发明的电路结构简单，工程实现较CFAR检测容易。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的自适应门限控制方法流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的信号检测方法流程图；

图3是根据本发明的一个实施例的信号检测算法流程图；

图4是根据本发明的一个实施例的自适应门限控制器的结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的信号检测电路的结构示意图；以及

图6是根据本发明的一个实施例的数字匹配滤波器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为了解决CFAR检测只利用了噪声功率，没有充分利用信号能量，也没有考虑检测概率的自适应的问题。本发明采用一种自动判决门限电平控制技术，能在输入信号幅度动态范围很大的情况下，使虚警概率P_f→0，同时检测概率P_d→1，从而提高系统的捕获性能。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的自适应门限控制方法流程图，以下参考图1来对本发明进行详细说明。

首先，在步骤S110中，统计当前一组待检测信号脉冲个数N。具体的，在该步骤中，当前一组待检测信号脉冲的个数N由数字匹配滤波器中的位移寄存器的抽头数确定。

接下来，在步骤S120中，计算N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值。具体的，将该N个待检测信号与本地扩频序列通过数字匹配滤波器进行移位相关运算。

接下来，在步骤S130中，判断该N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n。具体的，对这些移位相关值进行包络检波，并将包络检波样本与门限进行比较。对应超过门限的包络检波样本输出相关峰，统计相关峰的数量从而得到超过门限的移位相关值个数n。

接下来，在步骤S140中，基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε。在该步骤中，基于待检测信号个数N和相关值个数n的大小关系来选择符号函数ε，具体的，在一组N个待检测信号中，如果n＞N，则表明门限设置过低，门限应增大，符号函数ε＝1；如果n＝N，表明门限设置得比较合适，门限应保持不变，符号函数ε＝0；如果n＜N，表明门限设置过高，门限应减少，符号函数ε＝-1。即，符号函数ε可通过下式表示：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{c}-1,n<N\\ 0,n=N\\ 1,n>N\end{array}\right.---\left(1\right)$

最后，在步骤S150中，基于符号函数ε修正门限并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。具体的，在该步骤中，基于下式对门限进行修正：

β_k＝β_k-1+ε·Δβ(2)

其中，β_k-1为检测当前一组待检测信号的门限，β_k为检测下一组待检测信号的门限，Δβ为门限增量。如果n＞N，则表明门限设置过低，门限应增大Δβ，即ε＝1，β_k＝β_k-1+Δβ；如果n＝N，表明门限设置得比较合适，门限应保持不变，即ε＝0，β_k＝β_k-1；如果n＜N，表明门限设置过高，门限应减少Δβ，即ε＝-1，β_k＝β_k-1-Δβ。

在信号检测开始时，将本地扩频信号序列的自相关值作为门限初始时β₀进行迭代计算。门限增量Δβ在信号的调试过程中基于信号的具体情况设置，将Δβ设置的较小，则迭代过程较慢，迭代结果误差较小；将Δβ设置的较大，则迭代过程较快，迭代结果误差较大。

当信道噪声发生变化时，待检测信号的值也会随之变化，使得变量ε的值发生变化，然后根据ε的值来控制当前门限的修正方向，从而实现门限的自适应控制。

具体的，当信道中不存在噪声时，PN码序列的互相关函数为0，于是有ε＝0，门限保持不变，因此在当前一组N个待检测信号的检测时间段内只会出现N个样本值大于门限值，分别对应N个最大相关峰值。当信道中存在噪声时，若门限设置过高，本应出现的N个最大相关峰中的某些相关峰值会被漏检，使n＜N，于是有ε＝-1，使得门限β_k减少一个Δβ；若门限设置得太低，会出现虚警，使n＞N，于是有ε＝1，使得门限β_k增加一个Δβ。

本发明能够充分利用待检测信号能量进行直扩信号的检测，能够在输入信号幅度动态范围很大的情况下，使虚警概率P_f→0，同时检测概率P_d→1，从而提高系统的捕获性能。解决了自适应门限检测中为了保证虚警概率导致检测概率减小的缺点。

根据本发明的另一方面，还提供了一种直扩信号检测方法。如图2所示为根据本发明的一个实施例的直扩信号检测方法流程图，图3为该直扩信号检测方法算法实现图，以下参考图2和图3来对本发明进行详细说明。

首先，在步骤S210中，获取观测时间内带内待检测直扩信号的NN_P个检测样本。具体的，在该步骤中，在观测时间τ＝NT_P内对待检测直扩信号进行采样，然后经带通滤波后得到带内待检测直扩信号的NN_P个检测样本。其中，N为待检测直扩信号脉冲个数，N_P为单个待检测直扩信号脉冲内的采样个数，N_P＝T_Pf_s，f_s为采样率，T_P为脉冲周期。

在步骤S220中，计算NN_P个检测样本与本地扩频序列的移位相关值。具体的，在该步骤中，将该NN_P个检测样本与本地扩频序列采样样本通过数字匹配滤波器进行移位相关运算。

在步骤S230中，判断NN_P个检测样本与本地扩频序列采样样本的移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的相关值个数n。将NN_P个检测样本与本地扩频序列采样样本的移位相关值进行包络检波，输出NN_P个包络检波样本将包络检波样本分别与门限β_k-1进行比较。对应超过门限的包络检波样本输出相关峰，统计相关峰的数量从而得到超过门限的相关值个数n。

在步骤S240中，基于待检测直扩信号个数N和超过门限的移位相关值个数n选择符号函数ε，符号函数ε如式(1)所示。

最后，在步骤S250中，基于符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一观测时间内检测直扩信号的门限。具体的，基于式(2)采用符号函数修正门限，其中的参数，β_k-1对应为当前观测时间内待检测直扩信号的门限，β_k为下一观测时间内待检测直扩信号的门限，Δβ为门限增量。

根据本发明的一个方面，还提供了一种自适应门限控制器，该控制器包括：累加单元510、比较单元520和修正单元530。如图4所示为根据本发明的一个实施例的一种自适应门限控制器的结构示意图。同时，为表明检测信号的处理过程，在该控制器外侧中还设置有判决器。判决器统计当前一组待检测信号个数N，并判断这N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值是否超过门限。具体实施时，对N个待检测信号进行采样，获取观测时间内带内待检测直扩信号的NN_P个检测样本。

如图4所示，累加单元510与判决器连接，用于统计超过门限的相关值个数n。比较单元520与累加单元510连接，基于待检测信号个数N和超过门限的移位相关值个数n选择符号函数ε，符号函数ε如式(1)所示。修正单元530与比较单元520和判决器连接，基于符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。也就是将上一组待测信号的门限经一延时器保存后，经符号函数ε对该门限进行修正后作为下一组待检测信号的门限。比较单元520输出符号函数ε，该符号函数通过乘法器与门限增量Δβ相乘后输出ε·Δβ给加法器，该加法器将上一观测时间内对应的门限β_k-1与ε·Δβ相加为β_k＝β_k-1+ε·Δβ后，输出给判决器。同时，β_k还通过一延时器将其延时后，留作下一观测时间门限的计算。

根据本发明的一个方面，还提供了一种直扩信号检测电路，该检测电路包括以上所述的自适应门限控制电器。如图5所示为根据本发明的一个实施例的一种直扩信号检测电路结构示意图。

如图5所示，该检测电路包括带通滤波器110、与该带通滤波器110连接的数字匹配滤波器120、与数字匹配滤波器120连接的包络检波器130、与包络检波器130连接的判决器140和与判决器连接的自适应门限控制器150。其中，输入信号经带通滤波器110后获得所需的带内信号，带内信号在数字匹配滤波器120中与本地扩频序列进行移位相关运算，相关运算的结果经包络检波器130运算后到达判决器140，判决器基于基于自适应门限控制器150输出的门限进行判断，对应于高出门限的包络信号，输出相关峰。

如图6所示为数字匹配滤波器的结构示意图，其实现部件包括：M级位移寄存器210、M级参考寄存器220、M级乘法器230、M级加法器240，以及所需的内部电路等。其中，本地扩频序列通过M级参考寄存器220、输入信号通过M级乘法器230在乘法器230中进行相关运算，并经加法器240相加后输出相关值 $C_1,C_2,C_3...C_{{\mathrm{NN}}_p}.$

本发明基于数字匹配滤和自适应门限判决的直扩信号检测方法，能够充分利用信号能量进行直扩信号的检测，解决了CFAR检测中为了保证虚警概率导致检测概率减小的缺点；同时，本发明的电路结构简单，工程实现较CFAR检测容易。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种自适应门限控制方法，包括：

统计当前一组待检测信号的个数N；

计算N个待检测信号与本地扩频序列的移位相关值；

判断所述移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n；

基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε；

基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述符号函数ε为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{c}-1,n<N\\ 0,n=N\\ 1,n>N\end{array}\right..$

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述符号函数修正门限的步骤进一步包括：

β_k＝β_k-1+ε·Δβ

其中，β_k-1为当前一组待检测信号的门限，β_k为下一组待检测信号的门限，Δβ为门限增量。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算超过门限的移位相关值个数n的步骤进一步包括：

将N个待检测信号与本地扩频序列通过数字匹配滤波器进行移位相关运算，并依次输出运算后的移位相关值；

将所述移位相关值进行包络检波并将包络检波样本与门限进行比较，其中，超过门限的包络检波样本输出相关峰；

统计所述相关峰的数量从而得到超过门限的移位相关值个数n。

5.一种直扩信号检测方法，包括：

统计观测时间内带内待检测直扩信号的NN_P个检测样本，其中，N为待检测直扩信号个数，N_P为单个待检测直扩信号采样个数；

计算NN_P个检测样本与本地扩频序列的移位相关值；

判断NN_P个检测样本与本地扩频序列采样样本的移位相关值是否超过门限，并统计超过门限的移位相关值个数n；

基于待检测直扩信号个数N和超过门限的移位相关值个数n选择符号函数ε；

基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一观测时间内待检测直扩信号的门限。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述符号函数ε为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{c}-1,n<N\\ 0,n=N\\ 1,n>N\end{array}\right..$

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述符号函数修正门限的步骤进一步包括：

β_k＝β_k-1+ε·Δβ

其中，β_k-1为当前观测时间内待检测直扩信号的门限，β_k为下一观测时间内待检测直扩信号的门限，Δβ为门限增量。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，计算超过门限的相关值个数n的步骤进一步包括：

将NT_P个检测样本与本地扩频序列采样样本通过数字匹配滤波器进行移位相关运算，并依次输出运算后的移位相关值；

将所述移位相关值进行包络检波并将包络检波样本与门限进行比较，其中，超过门限的包络检波样本输出相关峰；

统计所述相关峰的数量从而得到超过门限的相关值个数n。

9.一种自适应门限控制器，包括：

累加单元，用于统计超过门限的移位相关值个数n；

比较单元，与所述累加单元连接，基于待检测信号个数N和超过门限的相关值个数n选择符号函数ε；

修正单元，与所述比较单元连接，基于所述符号函数ε修正门限，并将修正后的门限作为下一组待检测信号的门限。

10.一种采用权利要求9所述的自适应门限控制器的直扩信号检测电路，包括：

带通滤波器，用于选择所需的带内信号；

数字匹配滤波器，与所述带通滤波器连接，用于将待检测信号与本地扩频序列进行移位相关运算；

包络检波器，与所述数字匹配滤波器连接，用于对移位相关运算的结果进行包络计算；

判决器，分别与所述包络检波器和所述自适应门限控制器连接，基于所述自适应门限控制器输出的门限进行判断，对应于高出门限的包络信号输出相关峰。