CN110166080A - 相干多载波捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种相干多载波捕获方法及装置，其中方法包括：对于子载波信号的接收信号，生成子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在二维平面上搜索码相位最大值，作为码相位估计值；根据码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并；将合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出监测门限的相关峰，根据相关峰在子载波的二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。本发明实施例克服了非相干捕获方法在高动态、大频点覆盖范围、弱信号环境下的不足，使捕获性能大幅度提高，缩短平均捕获时间。

Description

相干多载波捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及多载波直接序列扩频通信技术领域，更具体地，涉及一种相干多载波捕获方法。
背景技术
MC-DS-CDMA技术作为单载波直接序列扩频码分多址技术(SC-DS-CDMA)和多载波(MC)技术的有机结合，在性能上既保持了DSSS信号在抗窄带干扰、低截获概率等方面的优势，又兼备了多载波技术在频谱利用率、抗频率选择性衰落和强干扰躲避方面的优良特性，可以有效应对低轨卫星通信星座系统面临的上述挑战，可以适用于低轨卫星(LEO)卫星通信系统。
LEO系统具有低信噪比、高动态、低延时等特征，然而，作为4G备选技术，目前关于MC-DS-CDMA系统捕获技术的研究多集中于地面移动通信背景，且采用基于非相干结构的MC-DS-CDMA信号联合码捕获算法。该算法通过非相干合并分散在各个子载波上的能量和扩频增益，一定程度上提升了MC-DS-CDMA信号在低信噪比环境下的虚漏警性能，但非相干的合并方式不可避免的引入了信噪比损失，且随着参与合并的子载波数目的增多，该损失也随之增大，使分散在各个子载波上的扩频增益无法得到充分利用，恶化MC-DS-CDMA接收机的捕获性能；此外，该算法还存在因为忽略了多普勒较大时相关结果峰值位置不统一无法直接合并的问题，因此并不适用于实际的低轨卫星通信星座系统。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的相干多载波捕获方法及装置。
第一个方面，本发明实施例提供一种相干多载波捕获方法，包括：
对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；
根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；
将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
第二个方面，本发明实施例提供一种相干多载波捕获装置，包括：
码相位估计值获得模块，用于对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；
相干合并模块，用于根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；
捕获模块，用于将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的相干多载波捕获方法及装置，通过对多普勒因子和码相位维度的联合搜索，对子载波的载波相位进行动态估计和补偿，解决了传统算法子载波相关结果峰值位置不统一导致子载波无法合并的问题。同时消除了非相干合并子载波引入的平方损耗，减小系统信噪比损失，相干联合分散在各个子载波上的能量和扩频增益，克服了非相干捕获方法在高动态、大频点覆盖范围、弱信号环境下的不足，使捕获性能大幅度提高，缩短平均捕获时间。
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使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的相干多载波捕获方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的相干多载波捕获装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的相干多载波捕获方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括S101、S102和S103，具体地，
S101、对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值。
需要说明的是，本发明实施例以多普勒因子维度代替频偏维度，构建多普勒因子/码相位二维平面，解决了传统算法中子载波相关结果峰值位置不同意导致的子载波无法合并的问题。可以理解的是，本发明实施例的多普勒因子/码相位二维平面的两个维度分别为多普勒因子和码相位，具体地，子载波的接收信号完成正交解调，并根据预设的采样率进行A/D采样，之后下变频到基带，可获得复基带信号，将复基带信号与子载波相关器中的本地PN序列点乘，即可获得多普勒因子/码相位二维平面。
S102、根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号。
需要说明的是，利用码相位对子载波的载波相位进行补偿的具体办法在现有技术中以公开，本发明实施例不做具体的限定。在本技术领域，子载波的接收信号的信号非常微弱，本发明实施例通过对子载波的载波相位进行补偿，能够在上述步骤中实现子载波合并后进一步实现子载波间的相干合并，消除非相干算法带来的信噪比损失。
仿真结果表明，本算法消除了MC-DS-CDMA非相干合并码捕获算法带来的信噪比损失，大大改善了星载接收机在低信噪比大动态环境下接收信号的捕获性能，缩短了平均捕获时间。
S103、将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏和传播时延。
本发明实施例的监测门限可以由具体应用环境下多次仿真确定，通过将所有子载波的接收信号进行相干合并，实际上就可以消除噪声的影响，凸显出子载波真正的相关峰信号，若合并后的峰值信号大于预测的门限值，则记录该相关峰在二维平面上的位置，该位置在多普勒因子维度上的值即可认为是多普勒因子的真实值，通过现有技术进行简单计算即可确定子载波的频偏，同理，该位置在码相位维度上的值即可认为是码相位的真实值，同样通过现有技术进行简单计算即可确定传播时延。
本发明实施例通过对多普勒因子和码相位维度的联合搜索，对子载波的载波相位进行动态估计和补偿，解决了传统算法子载波相关结果峰值位置不统一导致子载波无法合并的问题。同时消除了非相干合并子载波引入的平方损耗，减小系统信噪比损失，相干联合分散在各个子载波上的能量和扩频增益，克服了非相干捕获方法在高动态、大频点覆盖范围、弱信号环境下的不足，使捕获性能大幅度提高，缩短平均捕获时间。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，经载波相位补偿后的接收信号，具体通过以下公式计算：
其中，yu(t)表示第u个子载波经过载波相位补偿后的接收信号；Ru(β,τ)表示第u个子载波的多普勒因子β/码相位τ二维平面；j表示欧拉公式中的虚数单位，表示第u个子载波的载波相位补偿量。通过上式进行相位补偿，可以实现多载波相关平面的相干累计，避免非相关累计带来的平方损耗。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，具体为：
获取多普勒因子的估计精度、子载波的载频、所述码相位估计值以及码相位的估计精度；
根据以下公式计算子载波的载波相位补偿量：
其中，表示第u个子载波的载波相位补偿量；Δβ表示多普勒因子的估计精度；fu表示第u个子载波的载频；表示所述码相位估计值；Δτp表示码相位的估计精度。
需要注意的是，由上述载波相位补偿量的计算公式可知，在本发明实施例，载波相位的补偿量与传输时延无关，因此可以有效避免传输时延的准确估计问题。若考虑两个相邻的子载波，其载频分别为fu1、fu2，则此时其载波相位差可表示为：
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面的具体获取方法为：
考虑LEO卫星通信信道，子载波的接收信号可建模为：
其中，Ec为MC-DS-CDMA信号总能量，{αu}、{bu(t)}、cu(t)、{fu}、{φ′u}分别为第u路子载波的接收信号的幅度衰落系数、发送信号序列、伪随机扩频序列、载波频率和载波相位，且有 为载波初相。发送信号波形满足bu为二进制信息序列，Ts为符号周期，为方波成型滤波器的冲击响应函数；伪随机扩频序列cu为二进制伪随机码，Tc为一个码片持续的时间，本发明实施例假设cu的长度为且对于不同用户该序列彼此正交。τ分别表示多普勒因子和传输时延，v为收发信机间的相对运动速度，n(t)表示均值为0，双边功率谱密度为的AWGN信道噪声。在本发明实施例中，假设所有子载波的载波初相均为0，且在整个初始同步过程中不传输信号，即bu＝1，则有：
子载波信号经AD器件接收后，下变频到基带，得到复基带信号ru′(t)：
子载波相关器中本地PN序列为：
其中L为PN码长度，Tc为码片时间间隔。可以得到子载波相关结果二维平面Ru(β,τ)为：
在上述各实施例的基础上，所述将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，具体为对所有补偿后的接收信号进行加和：U表示子载波的总数，进一步地：
在上述各实施例的基础上，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏和传播时延，具体为：
根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子以及所述子载波的载频的乘积，作为所述子载波的频偏值；
根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的码相位与两倍码片速率的商，作为传播时延。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，子载波的多普勒因子的估计精度和码相位的估计精度通过以下方法获得：
将上一周期获得的相关峰在子载波的二维平面上的多普勒因子和码相位分别作为多普勒因子真实值和码相位真实值；
将所述多普勒因子真实值与二维平面上搜索的多普勒因子最大值的差作为下一周期使用的多普勒因子的估计精度；将所述码相位真实值与二维平面上搜索的码相位最大值的差作为下一周期使用的码相位的估计精度。
需要说明的是，本发明实施例的多普勒因子的估计精度和码相位的估计精度都是通过前一周期的二维平面和相关峰计算得到。通过在步骤S101生成的二维平面上搜索多普勒因子最大值和码相位最大值，可以作为最接近真是情况的多普勒因子的估计值和码相位的估计值，在步骤S103获得相关峰后，相关峰在二维平面上的多普勒因子维度的值和码相位维度的值则可认为多普勒因子的真实值和码相位的真实值，通过将真实值和估计值相减，即可获得估计精度。由此可知，本发明实施例的相干多载波捕获方法实际上一种不断迭代提高估计精度的方案。
图2为本发明实施例提供的相干多载波捕获装置的结构示意图，如图2所示，该相干多载波捕获方法装置包括：码相位估计值获得模块201、相干合并模块202和捕获模块203，其中：
码相位估计值获得模块201，用于对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值。
相干合并模块202，用于根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号。
捕获模块203，用于将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
本发明实施例提供的相干多载波捕获装置，具体执行上述各相干多载波捕获方法实施例流程，具体请详见上述各相干多载波捕获方法实施例的内容，在此不再赘述。本发明实施例提供的相干多载波捕获装置通过对多普勒因子和码相位维度的联合搜索，对子载波的载波相位进行动态估计和补偿，解决了传统算法子载波相关结果峰值位置不统一导致子载波无法合并的问题。同时消除了非相干合并子载波引入的平方损耗，减小系统信噪比损失，相干联合分散在各个子载波上的能量和扩频增益，克服了非相干捕获方法在高动态、大频点覆盖范围、弱信号环境下的不足，使捕获性能大幅度提高，缩短平均捕获时间。
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储在存储器330上并可在处理器310上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的相干多载波捕获方法，例如包括：对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的相干多载波捕获方法，例如包括：对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相干多载波捕获方法，其特征在于，包括：
对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；
根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；
将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
2.根据权利要求1所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，所述经载波相位补偿后的接收信号，具体通过以下公式计算：
其中，yu(t)表示第u个子载波经过载波相位补偿后的接收信号；Ru(β,τ)表示第u个子载波的多普勒因子β/码相位τ二维平面；j表示欧拉公式中的虚数单位，表示第u个子载波的载波相位补偿量。
3.根据权利要求1所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，所述根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，具体为：
获取多普勒因子的估计精度、子载波的载频、所述码相位估计值以及码相位的估计精度；
根据以下公式计算子载波的载波相位补偿量：
其中，表示第u个子载波的载波相位补偿量；Δβ表示多普勒因子的估计精度；fu表示第u个子载波的载频；表示所述码相位估计值；Δτp表示码相位的估计精度。
4.根据权利要求1所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，所述生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，具体为：
对子载波的接收信号进行下变频处理，获得复基带信号；
将所述复基带信号与子载波相关器中本地PN序列进行克罗内克积处理，获得所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面。
5.根据权利要求1所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，所述将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，具体为对所有补偿后的接收信号进行加和。
6.根据权利要求1所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏和传播时延，具体为：
根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子以及所述子载波的载频的乘积，作为所述子载波的频偏值；
根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的码相位与两倍码片速率的商，作为传播时延。
7.根据权利要求3所述的相干多载波捕获方法，其特征在于，所述多普勒因子的估计精度和码相位的估计精度的获取方法为：
将上一周期获得的相关峰在子载波的二维平面上的多普勒因子和码相位分别作为多普勒因子真实值和码相位真实值；
将所述多普勒因子真实值与二维平面上搜索的多普勒因子最大值的差作为下一周期使用的多普勒因子的估计精度；将所述码相位真实值与二维平面上搜索的码相位最大值的差作为下一周期使用的码相位的估计精度。
8.一种相干多载波捕获装置，其特征在于，包括：
码相位估计值获得模块，用于对于任意一个子载波信号的接收信号，生成所述子载波的多普勒因子/码相位二维平面，在所述二维平面上搜索码相位最大值，作为最接近真实情况的码相位估计值；
相干合并模块，用于根据所述码相位估计值计算子载波的载波相位补偿量，结合所述二维平面获得经载波相位补偿后的接收信号，将所有子载波的补偿后的接收信号进行相干合并，获得合并后的接收信号；
捕获模块，用于将所述合并后的接收信号与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏值和传播时延。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述相干多载波捕获方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至7中任意一项所述的相干多载波捕获方法。
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