CN108337015B - 一种伪码捕捉方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伪码捕捉方法和装置，属于通信技术领域。所述方法包括：接收发射端发送的信号，得到接收信号；采用本地伪码序列与接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，本地伪码序列为与辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；将第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，延时共轭信号为第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；将内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，设定序列包括M‑1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N‑1个值为0的比特；对第二相关信号与第二相关信号延时4*N*(M‑1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号；根据外相关信号确定辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获。

Description

一种伪码捕捉方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种伪码捕捉方法和装置。
背景技术
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式(简称直扩方式)是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直扩通信系统以其较强的抗干扰、抗噪声、抗多径衰落能力、较好的保密性、较强的多址能力和高精度测量等优点，广泛应用于军用微波高速数据传输系统中。
扩频伪码同步是直扩通信系统的基础，只有完成了伪码同步，使本地伪码序列与接收信号的伪码序列完全同步，直扩通信系统才能对接收信号进行正确解扩从而接收信息。
通常伪码同步分为捕获和跟踪两个阶段，完成伪码捕获后系统才能转入跟踪。伪码捕获是直扩通信系统的关键技术之一，伪码捕获时间、捕获概率和抗干扰能力直接会影响直扩通信系统的性能。
扩频伪码捕获最常用的方法是滑动相关法，将本地伪码序列与接收信号进行相关得到相关信号，将相关信号与设定的门限进行比较，如果相关信号没有超过门限则改变本地伪码序列的初相，重复上述步骤直到相关信号超过门限，表明捕获完成，转入跟踪过程。
利用滑动相关法进行伪码捕获，一方面，系统资源消耗大，捕获时间长；另一方面，当直扩通信系统频偏较大时，相关器(作用是将本地伪码序列与接收信号进行相关)输出无相关峰，无法实现捕获，不能用于工作在很低信噪比条件下的直扩通信系统的伪码捕获。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种伪码捕捉方法和装置。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种伪码捕捉方法，所述方法包括：
接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段，所述同步字段包括辅助字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N为正整数；
采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；
将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；
将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括M-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特；
对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号；
根据所述外相关信号确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，包括：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为所述内相关信号，B(n)为所述第一相关信号，n表示采样点的序号，leg1＝4*M。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号，包括：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为所述外相关信号，D(n)为所述第二相关信号，n表示采样点的序号，leg2＝4*N*(M-1)/2。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述方法还包括：
在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述方法还包括：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做IFFT，得到相偏值；
根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
第二方面，本发明实施例还提供了一种伪码捕捉装置，所述装置包括：
接收模块，用于接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段，所述同步字段包括辅助字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N均为正整数；
计算模块，用于采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括M-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特；对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号；
处理模块，用于根据所述外相关信号确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获。
在本发明实施例的一种实现方式，所述计算模块，用于：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为所述内相关信号，B(n)为所述第一相关信号，n表示采样点的序号，leg1＝4*M。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述计算模块，用于：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为所述外相关信号，D(n)为所述第二相关信号，n表示采样点的序号，leg2＝4*N*(M-1)/2。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述处理单元还用于：在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
在本发明实施例的另一种实现方式，所述处理单元还用于：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做IFFT，得到相偏值；
根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的伪码捕获捕捉方案，通过将接收得到的接收信号与本地伪码序列进行内相关，然后将内相关结果和内相关结果的延时共轭信号进行相乘，然后对相乘得到的信号进行外相关，然后对外相关结果进行延迟做差处理，使得相对峰值更突出，最终实现伪码捕获，该方案具有捕获时间短、抗干扰能力强、捕获概率大、虚警率低等特点，能够实现了信噪比为-5dB、频偏为10KHz等恶劣环境下的同步伪码捕获。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种伪码捕捉方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的帧格式示意图；
图3是本发明实施例提供的同步字段的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种伪码捕捉方法的流程图；
图5a-图5d是本发明实施例提供的信号的时域图；
图6是本发明实施例提供的一种伪码捕捉装置的结构示意图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种伪码捕捉方法的流程图，参见图1，所述方法包括：
步骤101：接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧。
图2是本发明实施例提供的帧格式示意图，参见图2，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段。图3是本发明实施例提供的同步字段的结构示意图，参见图3，所述同步字段包括辅助字段和唯一字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N均为正整数。
在本发明实施例中，M、N的长度根据实际情况确定，例如所述M和N均可以为32。
步骤102：采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列。
在本发明实施例中，采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，包括：
采用如下公式计算第一相关信号：
其中，B(n)为第一相关信号，A(n)为接收信号，具体地由接收到的信号采样而来，n表示所述接收信号中的采样点的序号，f1(m)为本地伪码序列，m表示所述本地伪码序列中的采样点的序号。
可选地，该方法还可以包括：
在采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算前，将本地伪码序列插零，使其长度达到4原来的4倍，然后再与接收信号做卷积运算。
以N＝32为例，将本地伪码序列插值补零实现4倍过采样处理，具体地，在本地伪码序列的每个比特后补入3个比特的零，使其长度达到32×4比特，也即每个码元符号由4个比特表示。
如图4所示，A(n)通过内相关与长度为32×4比特的序列卷积得到B(n)。图5a是本发明实施例提供的信号序列B(n)的时域图，该时域图采用matlab函数plot(abs(B(n)))得到，横坐标是n，纵坐标是信号序列B(n)的每个采样点值的大小，该时域图具体为信噪比为-5db、采样频率为4.5MHz时B(n)的时域图。需要时说明的是，图5a-图5d中横坐标的单位为104，也即图中横坐标2表示第2×104个采样点。
步骤103：将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号。
在本发明实施例中，将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，包括：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为内相关信号，leg1＝4*M。
本步骤中对第一相关信号进行延时处理的目的如下：由于频偏影响，如果不对第一相关信号做延时处理，运算结果中的峰值可能会被抵消，造成达不到捕获的效果。
如图4所示，B(n)通过共轭取模得到C(n)。图5b是本发明实施例提供的信号序列C(n)的时域图，对比图5a和5b可以看出，经过步骤103的运算之后峰值更加明显，这样的处理有利于低信噪比下的伪码捕获。图5b中的峰值数量比图5a中的峰值数量比少1，分别为M-1个和M个。
步骤104：将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括N-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特。
步骤104为外相关过程，外相关相当于将N-1个峰值累加的过程，所以此时的设定序列如前所述。
在本发明实施例中，将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，包括：
采用如下公式计算所述第二相关信号：
其中，D(n)为第二相关信号，f2(m)为设定序列。
以N＝32为例，则该设定序列包括31个值为1的比特，且两个相邻的值为1的比特之间存在4*32-1个值为0的比特。
如图4所示，C(n)通过外相关与长度为31×128比特的序列卷积得到D(n)。图5c是本发明实施例提供的信号序列D(n)的时域图，经过外相关后，此时的最大峰值对应的序号即可用来计算出伪码序列的同步头位置，以完成伪码捕获。
步骤105：对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号。
在本发明实施例中，对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号，包括：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为外相关信号，leg2＝4*N*(M-1)/2。
当M、N均为32时，则leg2＝4*32*31/2。
如图4所示，D(n)通过延时做差处理得到E(n)。图5d是本发明实施例提供的信号序列E(n)的时域图，通过步骤105后，最大峰值得到增强，从而可以很容易确定出伪码序列的同步头位置，完成伪码捕获。
步骤106：根据所述外相关信号确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获。
在经过两次相关之后可以很明显的得到最大峰值，其中最大相对峰值对应在信息帧中的位置设为max_pos，那么可推算出伪码序列的起始位置即为max_pos-num_sample*M*N+num_sample，其中num_sample为一个码元符号对应的采样点个数。其中，根据项目需求设定四倍过采样，所以num_sample的取值可以为num_sample＝4。
可选地，所述方法还可以包括：在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
其中，根据所述外相关信号计算频偏值，可以包括：
在确定出所述辅助字段的起始位置后，从伪码序列的起始位置开始按间隔N×4比特抽取M个有效峰值，采用M个有效峰值进行离散傅氏变换的快速算法(Fast FourierTransformation，FFT)运算，得到频偏值fe。
其中，根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿，公式如下：
R(n)＝A'(n)*ej*2*pi*n*fe/H，其中A'(n)序列为按辅助字段的起始位置从A(n)中按照间隔num_sample*M*N选取的有效数据序列，H为fft长度*num_sample，pi即π，e是指数函数，j是复数的虚部标量。
可选地，所述方法还可以包括：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，得到相偏值；根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
其中，相偏值为快速傅里叶逆变换的最大值。
其中，根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值，可以采用如下公式实现：
r(n)＝R(n)*conj(a+j*b)，相偏值为a+j*b。
在本发明实施例中，长度为N的伪码序列具体可以为A次本原序列，例如5次本原序列，长度为32。唯一字序列可以为A+3次本原序列，例如8次本原序列，长度为256。具体地产生方式可以根据对应的多项式随机产生。
另外，唯一字序列在进行FFT之前需要进行插值补零处理，实现4倍过采样，具体每个比特后补入3个比特的零。
本发明实施例提供的伪码捕获捕捉方案，通过将接收得到的接收信号与本地伪码序列进行内相关，然后将内相关结果和内相关结果的延时共轭信号进行相乘，然后对相乘得到的信号进行外相关，然后对外相关结果进行延迟做差处理，使得相对峰值更突出，最终实现伪码捕获，该方案具有捕获时间短、抗干扰能力强、捕获概率大、虚警率低等特点，能够实现了信噪比为-5dB、频偏为10KHz等恶劣环境下的同步伪码捕获。
图6是本发明实施例提供的一种伪码捕捉装置的结构示意图，参见图6，所述装置用于执行前述伪码捕捉方法，所述装置包括：
接收模块201，用于接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段，所述同步字段包括辅助字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N均为正整数。
计算模块202，用于采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括M-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特；对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号。
处理模块203，用于根据所述外相关信号确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获。
在本发明实施例中，所述计算模块202，用于：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为所述内相关信号，B(n)为所述第一相关信号，n表示采样点的序号，leg1＝4*M。
在本发明实施例中，所述计算模块202，用于：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为所述外相关信号，D(n)为所述第二相关信号，
leg2＝4*N*(M-1)/2。
可选地，所述处理单元203还用于：在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
可选地，所述处理单元203还用于：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做IFFT，得到相偏值；
根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
需要说明的是：上述实施例提供的伪码捕捉装置在进行同步时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的伪码捕捉装置与伪码捕捉方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伪码捕捉方法，其特征在于，所述方法包括：
接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段，所述同步字段包括辅助字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N均为正整数；
采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；
将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；
将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括M-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特；
对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号；
根据所述外相关信号中的最大峰值，确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获，所述最大峰值对应在所述信息帧中的位置为max_pos，则所述伪码序列的起始位置为max_pos-num_sample*M*N+num_sample，其中num_sample为一个码元符号对应的采样点个数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，包括：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为所述内相关信号，B(n)为所述第一相关信号，n表示采样点的序号，leg1＝4*M。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号，包括：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为所述外相关信号，D(n)为所述第二相关信号，n表示采样点的序号，leg2＝4*N*(M-1)/2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做IFFT，得到相偏值；
根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
6.一种伪码捕捉装置，其特征在于，所述装置包括：
接收模块，用于接收发射端发送的信号，得到接收信号，所述接收信号用于传输信息帧，所述信息帧包括前保护字段、同步字段、有效数据和后保护字段，所述同步字段包括辅助字段，所述辅助字段包括M个相同的长度为N的伪码序列，M、N为均正整数；
计算模块，用于采用本地伪码序列与所述接收信号进行卷积运算，得到第一相关信号，所述本地伪码序列为与所述辅助字段中的伪码序列相同的伪码序列；将所述第一相关信号与延时共轭信号相乘，得到内相关信号，所述延时共轭信号为所述第一相关信号延时4*M个采样点的延时信号的共轭信号；将所述内相关信号与设定序列进行卷积运算，得到第二相关信号，所述设定序列包括M-1个值为1的比特，且每两个相邻的值为1的比特之间存在4*N-1个值为0的比特；对所述第二相关信号与所述第二相关信号延时4*N*(M-1)/2个采样点的延时信号进行做差处理，得到外相关信号；
处理模块，用于根据所述外相关信号中的最大峰值，确定所述辅助字段的起始位置，从而实现伪码捕获，所述最大峰值对应在所述信息帧中的位置为max_pos，则所述伪码序列的起始位置为max_pos-num_sample*M*N+num_sample，其中num_sample为一个码元符号对应的采样点个数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块，用于：
采用如下公式计算所述内相关信号：
其中，C(n)为所述内相关信号，B(n)为所述第一相关信号，n表示采样点的序号，leg1＝4*M。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块，用于：
采用如下公式计算所述外相关信号：
其中，E(n)为所述外相关信号，D(n)为所述第二相关信号，n表示采样点的序号，leg2＝4*N*(M-1)/2。
9.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元还用于：在确定出所述辅助字段的起始位置后，根据所述外相关信号计算频偏值；根据所述频偏值对所述接收信号进行频偏补偿。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理单元还用于：
在对所述接收信号进行频偏补偿后，将唯一字序列和所述接收信号分别做FFT后相乘，然后对相乘的结果做IFFT，得到相偏值；
根据所述相偏值纠正所述接收信号的相偏值。
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