CN109743073A - 基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法 - Google Patents

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潘克刚
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Abstract

本发明公开了一种基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法。通过已知的独特码扩频序列对应的差分序列进行相关搜索，将由于频偏引起的不断累积的相偏变成了固定相偏，避免了大频偏带来的相关峰值损失，在相关搜索的同时根据信号幅值产生判定门限，解决了门限设置困难的问题，在完成扩频同步的同时完成了独特码同步。

Description

基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法
技术领域
本发明属于扩频通信领域，具体地说，是一种基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法。
背景技术
直接序列扩频技术是一种信息传输处理技术，利用伪随机序列对被传输信号进行频谱扩展后再送入信道中传输。经扩频后的信号，其带宽远远大于被传输信号所必需的最小带宽。在接收端则采用相同的扩频序列对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。直接序列扩频技术具有许多独特的优点：抗干扰性强、截获概率低、功率谱密度低、易于实现隐蔽通信、可以实现码分多址进行多用户通信、能精确地测距和测速等，在通信、数据传输、定位导航、测距等领域得到了广泛的应用。
扩频信号的同步是扩频通信技术中的一个关键性问题。扩频码同步包括捕获和跟踪两个过程，接收机对接收信号进行搜索，与本地扩频序列进行相关运算，并判断是否捕获，若未捕获，则重新调整本地扩频序列相位，重复上述步骤，直到捕获为止，并停止搜索，转入跟踪状态，精细调整本地扩频序列的相位，进一步减小与接收信号扩频序列的相位差，以满足解扩需要。
扩频系统同步需要本地信号载波频率与接收信号载波频率实现较精确的同步，否则相关会导致较大的性能损失，而在航天、航空、导弹等高速运动载体中应用时，接收扩频信号存在多达几十kHz甚至高达几百kHz的多普勒频移，对于如此大多普勒频移的扩频信号，采用传统相关检测的捕获方法，整个捕获过程非常困难，捕获时间很长。此外多普勒效应还会对载波频率和码片速率造成很大影响，严重干扰信号的正确判决，导致误码率的增加，因此难以适应大频偏下扩频信号的快速同步的要求。
在大频偏条件下扩频系统同步技术中，Ben Persson（CDMA codesynchronization using segmented matched filter with accumulation and bestmatch selection. 2002）提出了分段匹配滤波的扩频同步技术，其基本思想是对匹配滤波器进行分段，然后将每段的相关值平方，最后求和，完成一次相关运算，其优点是易实现，且抗载波频偏能力随分段数的增加而提高，缺点是相关运算的处理增益会有所损耗，并且也未考虑码频频偏的影响。P M Grant和S M Spangenberg（Fast acquisition in spreadspectrum communication systems. IEEE Trans on Communication ,1996）采用FFT辅助的串并搜索的码捕获技术，将载波频偏搜索与频域相关技术相结合，对部分相关值进行FFT，从而消除载波频偏对相关值的影响，将原本的在码相位和载波频偏上的二维搜索，降为码相位上的一维搜索，采用FFT实现PN码的快速捕获，但为了进行FFT及IFFT处理，此技术要求硬件具有较高处理速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于独特码的直接序列扩频同步方方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，包括以下步骤：
1）产生本地差分序列：信息传输中周期性地插入独特码，接收端通过捕获独特码完成信息帧同步，独特码和扩频序列一起形成一个独特码扩频序列，然后按照调制映射关系对独特码扩频序列进行差分运算，得到本地的差分序列；
2）接收信号差分运算：对接收信号匹配滤波，将接收信号抽取至每个chip一个样点，然后对前后样点进行差分运算；
3）与差分序列相关运算：接收端每进一个chip，计算得一个差分信号值，并将接收信号差分运算后的差分信号移位寄存，每进一个差分值，缓冲移动一位，然后将缓冲的差分信号与本地的差分序列进行相关，得到相关值Pki；在计算相关值的同时，计算缓冲中的差分信号的幅值，并累加计算幅值的平均值，作为判决门限值Thi；
4）判断同步与否：根据扩频倍数及独特码的长度设计判定倍数L，不断分析每个chip相位对应的相关值和门限值关系，判断是否同步，如果相关值大于等于判定倍数乘以门限值Pki/Thi≥ L，判定为同步，否则为不同步Pki/Thi < L。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明通过已知的独特码扩频序列对应的差分序列进行相关搜索，将由于频偏引起的不断累积的相偏变成了固定相偏，避免了大频偏带来的相关峰值损失，（2）在相关搜索的同时根据信号幅值产生判定门限，解决了门限设置困难的问题，（3）在完成扩频同步的同时完成了独特码同步，系统实现简单。
附图说明
图1是信息传输格式示意图。
图2是信息处理流程图。
具体实施方式
本发明的基于独特码的大频偏扩频同步方法，解决了大频偏下扩频系统快速同步的问题。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明主要包括以下四个方面：
1. 产生本地差分序列：发送端信息传输格式示意图如图1所示，首先根据编码长度进行信息分组，然后对分组后的信息进行编码、扩频，在传输过程中每组信息插入独特码扩频序列，作为帧同步指示。将独特码扩频序列统一独立设计，保证该序列具有良好的相关性，并且及对应的差分序列具有良好的相关性和平衡性，然后按照调制映射关系对独特码扩频序列进行差分运算，得到本地的差分序列。假设独特码扩频序列为926ABFCD10F6084E4215EB36BC5FE1F01B4755E61292958123D312E2E8F82BFD(十六进制，长度256)，以BPSK为例，信息0对应相位π，信息1对应相位0，则本地的差分序列为49403FA8CEE5E72D39C1C2A43B1FDDEFD23601D5C848417C9B8AC8D8C6F783F8(十六进制，长度255，最后1比特无效)，前后比特相同对应差分序列比特为1，不相同对应差分序列比特为0。
2. 接收信号差分运算：信号处理流程图如图2所示，接收信号经过匹配滤波后，抽取到每个chip一个样点，然后对前后样点进行差分运算，输入信号为s(n), s(n)与s(n-1)的共轭相乘得到差分信号ds(n)，处理过程如下
Δf为频偏，Tc为chip周期，θn为携带信息的调制相位，对BPSK而言，θn为0 或π，Δθn为θn与θn-1的差值。通过差分运算，将不断累积的相位2πΔfTcn变为了固定相位2πΔfTc，码片速率高，Tc持续时间短，2πΔfTc相对较小。
载波频偏相对于信息速率是大频偏，但对于码片速率而言，相对频偏小得多。假设符号速率为2.4kbps，码片速率为240kbps,每个信息符号扩频100倍，频偏若为24kHz，一个信息符号相位旋转3600。，相关峰值大幅下降，不可能通过直接相关运算完成扩频捕获；但先对接收信号在chip信号上进行差分运算，因为码片速率高，前后两个chip上相位旋转只有36。，峰值损失相对小得多，并且在频偏不发生变化时，差分运算后相位旋转是固定的，正交两路取幅值，峰值幅度不损失。
3. 与差分序列相关运算：接收端每进一个chip，计算得一个差分信号值，因为2πΔfTc相对较小，取差分运算后的差分信号的实部real(ds(n))进入移位寄存，每进一个差分值，缓冲移动一位，然后将缓冲的差分信号与本地的差分序列d(n)进行相关，得到相关值Pki。在计算相关值的同时，计算缓冲中的差分信号的幅值，并累加计算幅值的平均值，得到门限值Thi，作为判决门限值,整个处理过程如下
4. 判断同步与否：判定同步与否如下：
根据扩频倍数及独特码的长度来设计相关值和门限值间的判定倍数L，以前述设计的长度为255的差分序列为例，理论上同步时相关值为门限值的255倍，不同步时相关值与同步值基本相等，考虑到噪声影响，以及chip未同步时的性能损失，判定倍数设定为32，通过分析每个chip相位对应的相关值Pki和门限值Thi关系，来判定是否同步，避免了不同信号幅值对判定门限的影响。如果相关值Pki除以门限值大于等于判定倍数L，则判定为同步，否则为不同步，这样，当同步时，既完成了扩频同步，也同时完成了独特码同步。

Claims (5)

1.一种基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，其特征在于包括以下步骤：
1）产生本地差分序列：信息传输中周期性地插入独特码，接收端通过捕获独特码完成信息帧同步，独特码和扩频序列一起形成一个独特码扩频序列，然后按照调制映射关系对独特码扩频序列进行差分运算，得到本地的差分序列；
2）接收信号差分运算：对接收信号匹配滤波，将接收信号抽取至每个chip一个样点，然后对前后样点进行差分运算；
3）与差分序列相关运算：接收端每进一个chip，计算得一个差分信号值，并将接收信号差分运算后的差分信号移位寄存，每进一个差分值，缓冲移动一位，然后将缓冲的差分信号与本地的差分序列进行相关，得到相关值Pki；在计算相关值的同时，计算缓冲中的差分信号的幅值，并累加计算幅值的平均值，作为判决门限值Thi；
4）判断同步与否：根据扩频倍数及独特码的长度设计判定倍数L，不断分析每个chip相位对应的相关值和门限值关系，判断是否同步，如果相关值大于等于判定倍数乘以门限值Pki/Thi ≥ L，判定为同步，否则为不同步Pki/Thi < L。
2.根据权利要求1所述的基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，其特征在于，信息传输格式具体为：首先根据编码长度进行信息分组，然后对分组后的信息进行编码、扩频，在传输过程中每组信息插入独特码扩频序列，作为帧同步指示；搜索具有良好的相关性的独特码扩频序列，且及对应的差分序列也有良好的相关性和平衡性，然后按照调制映射关系对独特码扩频序列进行差分运算，得到本地的差分序列。
3.根据权利要求2所述的基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，其特征在于：良好的相关性是指序列的最大自相关值远大于次大自相关值，即大于10倍以上；良好的平衡性是指序列中0和1的个数大致相等。
4.根据权利要求1所述的基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，其特征在于：所述2）中输入信号为s(n), s(n)与s(n-1)的共轭相乘得到差分信号ds(n)，
ds(n) = s(n) * conj(s(n-1)) = A2exp(j*2π*Δf*Tc+Δθn)
上式中，
s(n)：当前输入符号，s(n)= A*exp(j*2π*Δf*n*Tc+θn +θ0)
A：归一化信号幅度，
Δf：信号频偏
Tc：chip周期
θn：当前调制相位
θ0：初始相位
s(n-1)：上一个输入符号，s(n-1)= A*exp(j*2π*Δf*(n-1)*Tc+θn-1+θ0)
ds(n)：当前差分信号值，ds(n) = s(n) * conj(s(n-1)) = A2exp(j*2π*Δf*Tc+Δθn)）
Δθn：差分相位，Δθn =θn -θn-1
Pki：相关值
Thi：决门限值
L：判定倍数。
5.根据权利要求1所述的基于独特码的大频偏直接序列扩频快速同步方法，其特征在于，所述4中，根据扩频倍数及独特码的长度设计判定倍数L的方法为：设独特码长度为N，扩频倍数为M，理论上独特码扩频序列完全对准时的归一化相关值Pki为N*M加上噪声项，归一化判决门限值Thi为1加上噪声项，判定倍数设定为N*M/8 ~ N*M/4。
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