CN106788584B - 一种适应于长码字应用的改进pmf-fft捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应于长码字应用的改进PMF‑FFT捕获方法，包括以下步骤：将长为M的全匹配器分为N段X长的部分匹配滤波器；按照传统PMF‑FFT方法取接收信号与本地伪码相乘信号进行X长度累加，获得N个部分相关值，做N点的FFT；对N点FFT输出的频谱分量做相邻频谱数据差分，并与系数因子Q相乘完成归一化；将处理后的频谱分量与FFT输出的原始频谱分量对应比较，选择较大模值作为该点频谱值输出，用于判决；将系统输出的频谱分量与自动门限比较，选取大于门限的最大值分量为频偏值，同时对应的伪码位置为同步相位，完成伪码同步。本发明可以满足极低信噪比和随机频偏下的捕获性能需求。

Description

一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法。

背景技术

直接序列扩频(DSSS)具有发射功率低、抗干扰能力强、保密性好等优点，成为多项标准采用的物理层通信技术，广泛应用于多种通信领域。DSSS系统优越性的前提是精确的同步接收，因此接收端的捕获是其关键技术之一。频偏会引起伪码同步的相关峰衰落，在实际数字通信中，采用低成本晶振，若用传统的匹配滤波器捕获方法，晶振产生的频率漂移会造成捕获运算中相关峰值的严重衰减，捕获性能恶化，因此本文研究的是低信噪比环境下存在随机频偏时长码字的捕获问题。

针对频偏存在时的捕获算法，国内外学者已有一定的研究。采用差分捕获可以消除频偏的影响，但随着码长增加，差分引起的抗噪声性能损失较大。有学者提出的PMF-FFT算法将时域相关与频域FFT相结合，比二维串行算法速度快，且比时域的FFT并行捕获消耗的资源更小。很多学者对其进行了扩展和研究，其中有通过求平均来计算相关捕获，有针对资源受限的情况通过时分复用来减小资源开销的改进方法，但抗噪性能损失大。Ying通过增加相关积累长度来改善捕获性能，但资源开销太大。Qi将PMF-FFT算法和折叠滤波器结合，但缺点是抗噪声性能差。Wen提出基于PMF-FFT算法通过复用实现多码元相干累积，主要适用于GPS信号中，且频偏范围较小。PMF-FFT算法是串行搜索伪码相位、并行搜索频偏的捕获算法，其存在的一个较大问题是由于FFT点数有限而引起相关增益的扇贝损失(Scalloping Loss)，该损失可通过补零法和加窗法得到一定的改善，但各有缺点，Zhang提出通过加汉宁窗减少扇贝损失，但加窗法不可避免的问题是对输出峰值的衰减较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，可以满足极低信噪比和随机频偏下的捕获性能需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，包括以下步骤：

(1)将长为M的全匹配器分为N段X长的部分匹配滤波器，其中，M＝N*X；

(2)按照传统PMF-FFT方法取接收信号与本地伪码相乘信号进行X长度累加，获得N个部分相关值，做N点的FFT；

(3)对N点FFT输出的频谱分量做相邻频谱数据差分，并与系数因子Q相乘完成归一化；

(4)将处理后的频谱分量与FFT输出的原始频谱分量对应比较，选择较大模值作为该点频谱值输出，用于判决；

(5)将系统输出的频谱分量与自动门限比较，选取大于门限的最大值分量为频偏值，同时对应的伪码位置为同步相位，完成伪码同步。

所述步骤(3)中，N点FFT输出的频谱分量为

其中k＝0,1,2,...,N-1，Δf为系统频偏值，T_c为码片周期，对相邻的k与k+1谱线，当N较大时，近似有(N-1)/N≈1，则可得到

即相邻频谱分量相减，实际是对应模值相加，增加能量。

所述步骤(5)中最大值分量为频偏值为Δf＝k_max/(T_cXN)，其中k_max为超过自动门限的最大频谱功率所对应的频谱分量。

所述步骤(5)后还包括采用L次确认方法以降低捕获虚警概率的步骤。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将PMF-FFT输出的相邻谱线做差分并与固定因子相乘，然后与直接FFT的结果比较并择其大者，与自适应门限比较判决，可以减小扇贝损失，提高低信噪比下的检测概率。同时为降低虚警概率，判决时增加比较判决的确认操作。该改进算法可以满足极低信噪比和随机频偏下的捕获性能需求。本发明相对于传统捕获方法，在低信噪比下具有更高的捕获性能，非常适应于超低接收灵敏度的通信应用场景。该方法也可以应用于IEEE802.15.4k标准超长码字、超低信噪比、远距离通信应用领域。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，如图1所示，包括以下步骤：

首先将伪码周期长度为M的全匹配器分为N段，每段X个，形成N个部分匹配滤波器(PMF)，其中，M为伪码周期长度，N为FFT点数，X为部分匹配滤波器长度，满足M＝N*X。

按照传统PMF-FFT捕获方法，将接收信号输入N个PMF中，与本地伪码相乘，然后分别进行X长度的累加，获得N个部分相关值，送入N点FFT。

对FFT输出的N个频谱分量做相邻频谱差分运算，记FFT输出的频谱分量为S(Δf,k)，其中k＝0,1,2,...,N-1，Δf为系统频偏值。相邻频谱差分运算后得到DS(Δf,k)＝S(Δf,k)-S(Δf,k+1)；当伪码同步上时，N点FFT输出的分量为

T_c为码片周期。对相邻的k与k+1谱线，当N较大时，近似有(N-1)/N≈1，则可得到

因此，当伪码同步上时，

其中，s为FFT输出的频谱值，|·|为取模值运算，

为相位。

将DS(Δf,k)乘以系数Q进行归一化，为方便简单实现，可取Q为0.75。

将差分处理后的频谱分量与FFT输出的原始频谱分量进行比较，选取最大值为当前分量的频谱值。

FFT_out(Δf,k)＝max(|Q*DS(Δf,k)|,|S(Δf,k)|),k＝0,1,2,...,N-1

最后将FFT_out各个频谱分量的值与自动门限比较，选取超过门限的最大值分量为系统频偏值Δf＝k_max/(T_cXN)，其中k_max为超过自动门限的最大频谱功率所对应的频谱分量，同时对应的伪码相位为同步相位，完成伪码同步。

值得一提的是，完成伪码同步后可根据系统信噪比需求，选择采用L次(L＝1,2,3,…)确认方法，进一步降低捕获虚警概率。

本发明相对于传统的PMF-FFT捕获算法，在资源、成本不增加的基础上，大大降低了其存在的扇贝损失，提供了捕获算法抗频偏能力以及抗噪声能力，适应于低信噪比、长码字应用场景。具体表现在：本发明利用相邻频谱分量，将频偏落入FFT谱线中间的分量进行了累加增强，使得频偏落入FFT谱线中间这种传统FFT分析性能最差的情况与落在谱线上的情况一样，具有非常高的增益。本发明通过相邻谱线分量相减与原始FFT输出分量进行联合考虑，选取最大值作为判决输入，综合了频偏落入谱线中间与频偏落入谱线上两种极端情况的优势，使得本方法对各种频偏扇贝损失都很少。

Claims (4)

1.一种适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将长为M的全匹配器分为N段X长的部分匹配滤波器，其中，M＝N*X；

(2)按照传统PMF-FFT方法取接收信号与本地伪码相乘信号进行X长度累加，获得N个部分相关值，做N点的FFT；

(3)对N点FFT输出的频谱分量做相邻频谱数据差分，并与系数因子Q相乘完成归一化；

(4)将处理后的频谱分量与FFT输出的原始频谱分量对应比较，选择较大模值作为该点频谱值输出，用于判决；

(5)将系统输出的频谱分量与自动门限比较，选取大于门限的最大值分量为频偏值，同时对应的伪码位置为同步相位，完成伪码同步。

2.根据权利要求1所述的适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，其特征在于，所述步骤(3)中，N点FFT输出的频谱分量为

其中k＝0,1,2,...,N-1，Δf为系统频偏值，T_c为码片周期。

3.根据权利要求1所述的适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，其特征在于，所述步骤(5)中最大值分量为频偏值为Δf＝k_max/(T_cXN)，其中k_max为超过自动门限的最大频谱功率所对应的频谱分量。

4.根据权利要求1所述的适应于长码字应用的改进PMF-FFT捕获方法，其特征在于，所述步骤(5)后还包括采用L次确认方法以降低捕获虚警概率的步骤。

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