CN106230574B - 一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统及其测距方法，其将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号耦合成为一路信号进行发射，能够同时兼顾CDMA同步性能优越、对频偏敏感度小以及MC‑DS/CDMA测距精度高及通信容量较大的优点。通过接收多子载波直接序列码分多址与频分多址结合的多址测距信号，实现高精度的测距。

Description

一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距 系统及其测距方法
技术领域
本发明涉及通信及定位领域，特别涉及一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的测距系统及方法。
背景技术
定位服务已广泛进入人们生活，成为经济建设、社会生活中不可或缺的部分。例如现在的伪卫星定位系统、卫星导航系统以及基于移动通信系统的基站定位模式等。实现定位服务时，常常需要进行测距，测距误差影响定位精度。因此如何减小测距误差以提高定位精度是当前需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的是提供一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统及其测距方法，使得测距精度得到提升。
本发明的技术方案是，
一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，包括用户设备和信号测距装置。
本发明中的测距信号采用码分多址与多子载波直接序列码分多址时分结合的信号结构，测距信号包括码分多址(CDMA)导频信号以及多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)测距信号。其中多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)测距信号对应的子载波个数为M个。
所述信号测距装置包括CDMA导频信号同步模块、MC-DS/CDMA测距模块、直接序列码分多址(DS/CDMA)信号解扩解调模块；所述CDMA导频信号同步模块接收本发明中的测距信号，实现CDMA导频信号的捕获与跟踪，并解析CDMA导频信号携带的指示后端MC-DS/CDMA信号所在子频谱的信息，输出测距信号的时频同步信息以及MC-DS/CDMA信号所在子频谱信息至MC-DS/CDMA测距模块；所述MC-DS/CDMA测距模块根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精密测距，得到精密测距信息；所述DS/CDMA信号解扩解调模块对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息；
所述用户设备将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA导频信号以及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号，并向所述信号测距装置传输所述码分多址与多子载波直接序列码分多址时分结合的测距信号。
进一步地，所述MC-DS/CDMA测距模块包括N级BOC信号接收模块和加权平均模块；N级BOC信号接收模块分别对各子载波进行精密测距，得到每个时刻对应各子载波的测距值。每一级BOC信号接收模块对应两个子载波。其中，若M为偶数，则N为子载波个数M的一半；若M为奇数，则N为M-1的一半。第一级BOC信号接收模块对应频谱左右最外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；第二级BOC信号接收模块对应频谱左右次外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；以此类推直至第N级BOC信号接收模块对应频谱左右最靠里两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值。
加权平均模块，对各BOC信号接收模块输出的测距值及跟踪用于同步的CDMA导频信号得到的测距值进行加权平均，得到更精确的测距值。
进一步地，所述DS/CDMA信号解扩解调模块还用于对DS/CDMA信号进行解扩跟踪，获取时频同步信息，反馈辅助MC-DS/CDMA测距模块。
进一步地，所述用户设备包括基带信号生成模块和载波调制与射频发射模块，基带信号生成模块将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA信号及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号；载波调制与射频发射模块，用于载波调制及向上述信号测距装置发送码分多址与多子载波直接序列码分多址时分结合的测距信号。
基于上述测距系统，本发明还提供一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法，包括以下步骤：
步骤S1：测距接收装置接收用户设备发送的测距信号，该测距信号同时承载用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精密测距及通信的多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)信号；
步骤S2：确定CDMA导频信号的初始码相位及载波频率；根据CDMA导频信号的初始码相位及载波频率跟踪CDMA导频信号，得到MC-DS/CDMA信号的时、频同步信息，用于辅助MC-DS/CDMA信号的精细测距。
步骤S3：根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精细测距，实现高精度测距。
步骤S4：对MC-DS/CDMA信号进行正交频分调制解调，解调出DS/CDMA信号，对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息。
本发明的有益技术效果：
将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号耦合成为一路信号进行发射，能够同时兼顾CDMA同步性能优越、对频偏敏感度小以及MC-DS/CDMA测距精度高及通信容量较大的优点。通过接收多子载波直接序列码分多址与频分多址结合的多址测距信号，实现高精度的测距。
附图说明
图1是本发明提供的一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法的原理流程示意图；
图2是本发明提供的信号测距装置的原理结构示意图；
图3a是本发明的测距信号结构示意图；
图3b是本发明的测距信号频谱示意图；
图4是本发明提供的用户设备原理示意图；
图5是本发明一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统原理示意图；
图6是本发明提供的测距方法的测距精度示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本实施例提供的一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法包括:
步骤S1：测距接收装置接收用户设备发送的测距信号，该测距信号同时承载用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精密测距及通信的多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)信号；
本发明实施例中构造的测距信号的信号结构采用码分多址与多子载波直接序列码分多址时分结合的信号结构。本发明实施例中测距信号的信号结构如图2a所示。测距信号的信号结构包括码分多址(CDMA)导频符号、以及多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)测距符号。其中多子载波直接序列码分多址(MC-DS/CDMA)测距符号对应的子载波个数为M个。
测距信号可以表示如下公式
式中：下脚标p：表示导频信号；下脚标d：表示通信信号；A：表示信号振幅；C：表示扩频码；D：表示扩频码上调制的数据码；T：表示OFDM调制符号长度；M：表示OFDM调制子载波数；Ts：表示导频信号长度；Ts+d：表示总的测距信号长度；s(t)表示成型滤波函数；u(t)：表示阶跃函数；f0：表示载波频率；表示载波初相。
图2a所示的信号结构中各部分信号所起作用的描述如下:
CDMA导频:确定CDMA信号的初始码相位及载波频率。根据CDMA信号的初始码相位及载波频率跟踪CDMA信号，得到MC-DS/CDMA信号的时、频同步信息，并用于辅助MC-DS/CDMA信号的解调及精细测距。CDMA导频可选用自相关、互相关特性良好的Gold码，码长根据信标可根据信标可用时间长度及系统带宽进行设计。
MC-DS/CDMA符号:需要进行两步的处理，第一步是精细测距，对MC-DS/CDMA信号进行精细测距，获取时频同步信息，具体测距原理见下述步骤S3；第二步是根据精细跟踪后的信息对MC-DS/CDMA信号进行正交频分调制解调，解调出DS/CDMA信号，对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息。两步处理时耦合在一起进行的。
图2b为测距信号的频谱示意图，码分多址导频信号与MC-DS/CDMA信号分时发送，占据整个可用频段。
步骤S2：确定CDMA信号的初始码相位及载波频率；根据CDMA信号的初始码相位及载波频率跟踪CDMA信号，得到MC-DS/CDMA信号的时、频同步信息，用于辅助MC-DS/CDMA信号的精细测距。CDMA信号的跟踪方法参考扩频信号的载波跟踪环路和伪码跟踪环路，由于扩频信号的载波跟踪环路及伪码跟踪环路为CDMA信号接收的公知方法，这里不再赘述。
步骤S3：根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精细测距，实现高精度测距。
MC-DS/CDMA信号高精度测距的基本原理为：采用N级二进制偏移载波(BOC)信号接收模块，用于对各子载波进行精密测距，其中N为子载波个数的一半；对各级BOC信号接收的测距值及前端CDMA信号的测距值进行加权平均，得到更精确的测距值。
其中，N级BOC信号接收模块具体用于，对各子载波进行精密测距，得到每个时刻各子载波的测距值。由于有CDMA信号的辅助信息，因此，N级BOC信号接收模块直接采用的是匹配接收方式，不存在模糊跟踪的情况。BOC信号接收模块的实现方式可以参考公开号为1846146，申请号为200480025000.1中提供的测距系统，这里不予赘述。
加权平均模块具体用于，对N级BOC信号接收模块输出的测距值及步骤S2中跟踪CDMA导频信号得到的的测距值进行加权平均，得到最终的测距值。
设CDMA导频信号的测距值及N级BOC信号接收模块输出的测距值及其测距方差分别为d1,d2,…,dN及则加权平均输出的测距值为：
d＝a1d1+a2d2+…+aNdN
式中：a1,a2,…,aN表示各测距值的加权系数，满足如下约束条件：
其中，σ2表示加权平均输出的测距值的测距方差，min{}表示取最小值。
步骤S4：对MC-DS/CDMA信号进行正交频分调制解调，解调出DS/CDMA信号。采用快速傅里叶变换(FFT)实现正交频分调制解调。由于快速傅里叶变换(FFT)为公知常识，这里不再赘述。
对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息。DS/CDMA信号的解扩解调方法参考扩频信号的解扩解调方法，由于扩频信号的解扩解调方法为公知方法，这里不再赘述。
本发明实施例的测距方法接收用户设备发送的同时承载用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号；解析测距信号得到CDMA信号；解析测距信号得到MC-DS/CDMA信号；根据CDMA信号实现时频同步，通过MC-DS/CDMA信号实现精细测距及业务通信。
如图3所示，本实施例提供的信号测距装置，包括:CDMA导频信号同步模块，用于检测分析CDMA信号；MC-DS/CDMA测距模块，用于精密测距，得到DS/CDMA信号；DS/CDMA信号解扩解调模块，用于解扩解调DS/CDMA符号。
CDMA导频信号同步模块具体用于，确定CDMA信号的初始码相位及载波频率。
CDMA导频信号同步模块还用于，根据CDMA信号的初始码相位及载波频率跟踪CDMA信号，得到MC-DS/CDMA信号的时、频同步信息，用于辅助MC-DS/CDMA信号的精密测距。
MC-DS/CDMA测距模块具体用于，根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精密测距，得到精密测距信息。
DS/CDMA信号解扩解调模块具体用于，对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息。
DS/CDMA信号解扩解调模块还用于，对DS/CDMA信号进行解扩跟踪，获取时频同步信息，反馈辅助MC-DS/CDMA测距模块。
如图4所示，本实施例提供的MC-DS/CDMA测距模块的原理结构示意图，包括:N级二进制偏移载波(BOC)信号接收模块，用于对各子载波进行精密测距；加权平均模块，对各BOC信号接收模块输出的测距值及前端CDMA信号的测距值进行加权平均，得到更精确的测距值。
N级BOC信号接收模块具体用于对各子载波进行精密测距，得到每个时刻各子载波的测距值。由于有CDMA信号的辅助信息，因此，后端的BOC信号接收模块直接采用的是匹配接收方式，不存在模糊跟踪的情况。BOC信号匹配接收模块的实现方式可以参考CN200480025000.1等关于副载波调制信号接收的相关专利，这里不予赘述。
加权平均模块具体用于对各BOC信号接收模块输出的测距值及前端CDMA信号的测距值进行加权平均，得到最终的测距值。
设CDMA导频信号的测距值及各BOC信号接收模块输出的测距值及其测距方差分别为d1,d2,…,dN及则加权平均输出的测距值为：
d＝a1d1+a2d2+…+aNdN
式中：a1,a2,…,aN表示各测距值的加权系数，满足如下约束条件：
其中，σ2表示加权平均输出的测距值的测距方差，min{}表示取最小值。
如图5所示，本发明实施例提供的用户设备的原理示意图，包括：基带信号生成模块，用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA信号及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号；载波调制与射频发射模块，用于载波调制及向控制接收终端传输通信消息。
图6是本发明提供的一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统的原理示意图，包括用户设备及信号测距装置，其中：用户设备用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA信号及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号，向所述信号测距装置传输所述测距信号。
本发明实施例的信号测距装置接收用户设备发送的同时承载用于导频同步的CDMA信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号，解析DS/CDMA信号得到通信业务信息。
图7是不同接收载噪比下的理论测距精度示意图，为了便于对比，这里给出了采用等信号带宽CDMA信号、OFDM信号的理论测距精度。设信号带宽为18.414MHz，MC-DS/CDMA信号(OFDM信号)的子载波数目为8，前端接收带宽为50MHz。MC-DS/CDMA测距模块中的BOC信号接收模块分为4级，分别为BOC(7,2)、BOC(5,2)及两个BOC(1,1)信号接收模块。由于有CDMA信号的辅助信息，因此，后端的BOC信号接收模块直接采用的是匹配接收方式，不存在模糊跟踪的情况。OFDM信号测距方式采用先正交频分调制解调再解扩的方式。从图6可以看出，采用新体制后，测距精度明显提升。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (8)

1.一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，其特征在于：包括用户设备和信号测距装置；
所述信号测距装置包括CDMA导频信号同步模块、MC-DS/CDMA测距模块、DS/CDMA信号解扩解调模块；所述CDMA导频信号同步模块接收用户设备发送出的测距信号，实现CDMA导频信号的捕获与跟踪，并解析CDMA导频信号携带的指示后端MC-DS/CDMA信号所在子频谱的信息，输出测距信号的时频同步信息以及MC-DS/CDMA信号所在子频谱信息至MC-DS/CDMA测距模块；所述MC-DS/CDMA测距模块根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精密测距，得到精密测距信息；所述DS/CDMA信号解扩解调模块对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息；
所述用户设备将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA导频信号以及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号，并向所述信号测距装置传输所述测距信号，测距信号包括CDMA导频信号以及MC-DS/CDMA信号，其中MC-DS/CDMA测距信号对应的子载波个数为M个，其中测距信号表示如下：
式中：下脚标p：表示导频信号；下脚标d：表示通信信号；A：表示信号振幅；C：表示扩频码；D：表示扩频码上调制的数据码；T：表示OFDM调制符号长度；M：表示OFDM调制子载波数；Ts：表示导频信号长度；Ts+d：表示总的测距信号长度；s(t)表示成型滤波函数；u(t)：表示阶跃函数；f0：表示载波频率；表示载波初相。
2.根据权利要求1所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，其特征在于：所述MC-DS/CDMA测距模块包括N级BOC信号接收模块和加权平均模块；
N级BOC信号接收模块分别对各子载波进行精密测距，得到每个时刻各子载波的测距值；
加权平均模块，对各级BOC信号接收模块输出的测距值及前端CDMA信号的测距值进行加权平均，得到更精确的测距值。
3.根据权利要求2所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，其特征在于：N级BOC信号接收模块中的每一级BOC信号接收模块对应两个子载波；其中，若M为偶数，则N为子载波个数M的一半；若M为奇数，则N为M-1的一半；
第一级BOC信号接收模块对应频谱左右最外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；第二级BOC信号接收模块对应频谱左右次外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；以此类推直至第N级BOC信号接收模块对应频谱左右最靠里两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值。
4.根据权利要求1所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，其特征在于：所述DS/CDMA信号解扩解调模块还用于对DS/CDMA信号进行解扩跟踪，获取时频同步信息，反馈辅助MC-DS/CDMA测距模块。
5.根据权利要求1所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距系统，其特征在于：所述用户设备包括基带信号生成模块和载波调制与射频发射模块，基带信号生成模块将用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精细测距及通信的DS/CDMA信号进行耦合，生成同时承载所述CDMA信号及所述MC-DS/CDMA信号的测距信号；载波调制与射频发射模块，用于载波调制及向信号测距装置发送测距信号。
6.一种码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：测距接收装置接收用户设备发送的测距信号，该测距信号同时承载用于同步的码分多址CDMA导频信号及用于精密测距及通信的MC-DS/CDMA信号，其中测距信号S(t)表示如下：
式中：下脚标p：表示导频信号；下脚标d：表示通信信号；A：表示信号振幅；C：表示扩频码；D：表示扩频码上调制的数据码；T：表示OFDM调制符号长度；M：表示OFDM调制子载波数；Ts：表示导频信号长度；Ts+d：表示总的测距信号长度；s(t)表示成型滤波函数；u(t)：表示阶跃函数；f0：表示载波频率；表示载波初相；
步骤S2：确定CDMA导频信号的初始码相位及载波频率；根据CDMA导频信号的初始码相位及载波频率跟踪CDMA导频信号，得到MC-DS/CDMA信号的时、频同步信息，用于辅助MC-DS/CDMA信号的精细测距；
步骤S3：根据时、频同步信息对MC-DS/CDMA信号进行精细测距，实现高精度测距；
步骤S4：对MC-DS/CDMA信号进行正交频分调制解调，解调出DS/CDMA信号，对DS/CDMA信号进行解扩解调，得到通信业务信息。
7.根据权利要求6所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法，其特征在于：步骤S1中，测距信号的信号结构采用码分多址与多子载波直接序列码分多址时分结合的信号结构，测距信号的信号结构包括CDMA导频符号以及MC-DS/CDMA测距符号，其中MC-DS/CDMA测距符号对应的子载波个数为M个。
8.根据权利要求7所述的码分多址与多子载波直接序列码分多址结合的信号测距方法，其特征在于：步骤S3中，采用N级BOC信号接收模块对各子载波进行精密测距，N级BOC信号接收模块中的每一级BOC信号接收模块对应两个子载波；其中，若M为偶数，则N为子载波个数M的一半；若M为奇数，则N为M-1的一半；
第一级BOC信号接收模块对应频谱左右最外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；第二级BOC信号接收模块对应频谱左右次外边两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；以此类推直至第N级BOC信号接收模块对应频谱左右最靠里两个子载波并对这两子载波进行精密测距，得到每个时刻两子载波的测距值；
然后对N级BOC信号接收模块输出的测距值及步骤S2中跟踪CDMA导频信号得到的测距值进行加权平均，得到更精确的测距值；
设CDMA导频信号的测距值及N级BOC信号接收模块输出的测距值及其测距方差分别为d1,d2,…,dN及则加权平均输出的测距值为：
d＝a1d1+a2d2+…+aNdN
式中：a1,a2,…,aN表示各测距值的加权系数，满足如下约束条件：
其中，σ2表示加权平均输出的测距值的测距方差，min{}表示取最小值。
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