CN111181598B - 一种极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，属于通信技术领域，涉及扩频系统中的定时同步技术。在扩频通信系统中，基于导频和数据符号两次联合检测进行定时同步，通过两级检测，实现在极低信噪比条件下，针对突发扩频信号的快速检测和定时捕获；既能保证极低信噪比下很高的检测和捕获同步概率，又能在无信号时保持低虚警概率。

Description

一种极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及扩频系统中的定时同步技术，具体涉及一种能够在极低信噪比条件下工作，针对突发扩频通信信号，基于导频和数据两次联合检测的定时同步方法。
背景技术
通常，对于扩频系统而言，扩频比越高扩频同步捕获时间越长。另一方面，对于时长较短的数据突发分组，用于方便接收端同步的导频符号数目通常较少(导频是无效载荷，导频比例越大，传输效率越低)，因此接收机需要在极短的时间内对突发信号同时进行检测、扩频码捕获和同步，并且要求极高的捕获成功概率。因为一旦信号检测或扩频码同步失败，该突发信息就丢掉了，这一点与连续方式的扩频通信完全不同。连续方式的扩频信号，如果判决周期内检测或同步失败，接收端可以对下一段信号进行检测，直至成功检测信号并实现定时同步，此后即能持续解调信息。
因此，对于突发扩频通信而言，信号检测和定时同步是接收端的难点和关键技术。扩频比越大，扩频码捕获搜索点越多；突发时长越短，导频符号数就越少，因而需要在更短的时间内搜索更大的范围，所以难度越大。
发明内容
为了克服现有扩频通信系统中传统定时同步方案的不足，本发明提出了一种基于导频和数据符号两次联合检测的定时同步的方法，能够在极低信噪比下实现突发扩频信号的快速检测和定时捕获，既能保证极低信噪比下很高的检测和捕获同步概率，又能在无信号时保持低虚警概率。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，在扩频通信系统中，基于导频和数据符号两次联合检测进行定时同步，在极低信噪比下实现突发扩频信号的快速检测和定时捕获；包括如下步骤：
S1.对所有导频符号进行时域相关运算，通过相干累加，得到第一级定时同步检测统计量；根据第一级定时同步检测统计量进行首次判决，通过首次筛选获得帧定时同步和扩频码序列同步的备选观测点若干，待后续确认；
设置第一门限为低门限，进行首次判决以降低漏检概率。当第一级定时同步检测统计量低于第一门限时判定为失步，忽略该观测点；高于第一门限时，进入下一步骤S2，等待第二次判决。通过这一流程实现帧定时同步、扩频码序列同步观测点的首次筛选；
S2.对步骤S1获得的各个帧定时同步和扩频码序列同步的备选观测点的所有数据符号进行非相干累加，得到多个第二级定时同步检测统计量；再根据第二级定时同步检测量进行第二次判决；
步骤S1进行第一级检测得到多个备选同步观测点。以此为起始，对各观测点的所有数据符号进行非相干累加，得到多个第二级定时同步检测量。设置第二门限为高门限，判决以降低虚警概率。当第二级定时同步检测统计量低于第二门限时，判断为虚警，忽略该观测点；高于第二门限时，对检测量进行暂存，等待最终判决输出；
S3.将通过第二次检测判决的多个检测量进行择大判决，将检测统计值最大观测点对应的时刻作为定时同步时刻输出。
通过以上步骤，获得突发扩频信号定时同步。在极低信噪比且满足一定虚警概率的前提下，达到以很高的概率一次成功捕获的目的，同时实现帧定时同步和扩频码序列同步。具体实施中，在码片信噪比为-28dB时，正确传输概率可实现至少为99.75％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的极低信噪比的突发扩频信号定时同步的方法，其技术优势包括：
1)相比于单一数据符号非相干定时同步方法，本发明提供的方法可实时监测是否有突发帧到来并能实现极高的一次成功捕获概率。
2)本发明通过联合导频数据符号进行两级定时同步捕获，并通过第二级检测判决电路实现精确帧定时同步、扩频序列同步，并且保证在极低信噪比下较高的捕获概率和较低的漏检概率。
附图说明
图1是本发明方法采用两次判决实现的极低信噪比的突发扩频信号定时同步流程框图。
图2是本发明中导频数据符号两级联合检测状态转移示意图。
图3是本发明实施例提供的一种可参考的系统帧结构格式。
具体实施方式
下面结合附图，通过实例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种能在极低信噪比下实现突发扩频信号的快速检测和定时捕获的方法，该方法既能保证极低信噪比下有突发信号时很高的成功捕获概率，又能在无突发信号时保持低虚警概率。
图1是本发明所述方法的实现流程图。采用本发明实现导频数据两级联合检测定时捕获的转移图如图2所示。其中，H1表示有突发帧的假设条件，H0表示无突发帧的假设条件。Pd1,Pm1,Pf1分别表示第一次导频符号判决的检测概率，漏检概率和虚警概率；Pd2,Pm2,Pf2分别表示第二次数据符号判决的检测概率，漏检概率和虚警概率。
图3是本发明具体实施中可参考的一种系统帧结构格式，包括前置导频符号和数据符号两个部分。
具体实施过程如下：
1)利用相干累加实现装置，通过经典的相干累加计算方法得到第一级定时同步检测量(包括相应的虚警概率、漏检概率等指标)，设置第一门限以保证低漏检概率。当检测量小于该门限时，判定为失步状态。大于门限时，送入第二级同步检测。
由经典的相干累加实现可知，同步检测统计量可用公式1表达
Figure BDA0001859970220000031
其中，N表示累加所需码片数，r＝ΔfTc为频偏相对码片速率归一化的值，Δf为频偏，Tc是码片间隔，Ec是单个码片的能量。SinA(Nπr)＝sin(Nπr)/Nsin(πr)反映由频偏引起的同步检测统计量损失。
Figure BDA0001859970220000032
其中i表示对N个码片累加所得检测量的索引，φ表示载波相位，τ信道传输延迟。R(τ)为本地PN码与接收信号PN码未对齐所引起的损失。
通过绘制公式1中概率密度函数曲线，可通过要求的漏检概率、虚警概率设定门限值。由于此处涉及两级检测，故使用一高一低经典双门限检测策略，以降低漏检概率和虚警概率。
本发明提供的两级检测算法中，高门限和低门限是根据实际需求，按照式1检测量的PDF曲线，根据理论的虚警概率、漏检概率进行设置的。具体地，根据式1可绘制出检测量在有信号和无信号发送(噪声)时的PDF曲线，二者的交点可称为参考门限点。当需要尽可能降低漏检概率，则可选择更低门限(低于参考门限值)；若需要尽可能低的虚警概率，则可选择较高的门限(高于参考门限值)；具体可根据PDF曲线积分计算得到。
根据频偏与检测统计量衰减的关系：
Figure BDA0001859970220000041
其中，R(r)为衰减；
Figure BDA0001859970220000042
Δf表示频偏，Rc表示码片速率；当衰减达1dB时，可认为频偏较大。
当收发端载波频偏较大时，容易使同步检测量产生较大衰减，此时可引入经典的DFT/FFT频偏补偿措施对导频部分进行时频两维相关运算，用以替代步骤S1中的原有的一维时域相关运算(即利用导频符号实现的相干累加计算检测统计量)，相应得到的第一级定时同步检测量数量将增加为原来的M倍，算法后续过程保持不变。在进行DFT/FFT频偏补偿时，需将导频码片分组，M代表分组数。
2)若通过第一级检测，此时则将所有数据非相干累加得到第二级同步检测量，进行第二次判决，以提高捕获概率。
在第一级同步检测的过程中，可能会出现多个过第一门限的检测量，包含噪声与旁瓣引起的虚警。当第一级导频判决检测量过第一门限后，可设置多个二级暂存电路以提升容错概率。同时若第二级判决电路出现多个检测量过第二门限时，需和当前已暂存检测量进行对比，选择较大者保存，否则认为是虚警而忽略。
第二级检测电路判决策略为：若第一次检测仅有一个检测量超过第一门限，则第二级只需一个检测电路便可实现第二次判决。否则，需要设定多个第二级检测电路，将多个通过第一级检测的观测点进行筛选，并保留其中较大的几个值。
保留值的具体数量根据捕获性能要求和设备代价折中选定。由于第一级检测虚警概率不同，出现不同虚警次数的概率不同，比如当第一级虚警概率Pf1＝3.91e-7时，出现3次及以上的虚警概率为2.16e-3；若此时要求漏检概率为2.5e-3，则需要4套二级检测电路保证正确的信息不被丢弃。因此，需要在第一级检测概率和第二级检测电路数量之间折中考虑。
3)在多个通过第二级检测的检测统计量中选择最大值对应的时刻作为定时同步时刻点输出。
对上述判决策略仿真10000帧后，可得到：第一次基于导频判决捕获概率99.99％；第二次基于数据判决仿真5000帧后，在有突发信号到来时全部捕获，纯噪声时均没过门限。
需要注意的是，公布实例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，在扩频通信系统中，基于导频和数据符号两次联合检测进行定时同步，实现在极低信噪比下突发扩频信号的快速检测和定时捕获；包括如下步骤：
S1.对所有导频符号进行时域相关运算，利用相干累加实现装置，通过相干累加得到第一级定时同步检测统计量；
设置第一门限，根据第一级定时同步检测统计量进行首次判决以降低漏检概率；通过首次筛选获得帧定时同步和扩频码序列同步的多个备选观测点；
当检测量低于第一门限时判定为失步，忽略该观测点；高于第一门限时，进入步骤S2，等待第二次检测判决；
S2.对步骤S1获得的各个帧定时同步和扩频码序列同步的备选观测点的所有数据符号进行非相干累加，得到多个第二级定时同步检测统计量；再根据第二级定时同步检测统计量进行第二次检测判决；
设置第二门限为高门限进行判决以降低虚警概率；当第二级定时同步检测统计量低于第二门限时，判断为虚警，忽略该观测点；高于第二门限时，暂存第二级定时同步检测统计量；
S3.将通过第二次检测判决暂存的多个检测量进行择大判决，将检测统计值最大观测点对应的时刻作为定时同步时刻输出；
通过以上步骤，获得突发扩频信号定时同步，由此达到在极低信噪比且满足一定虚警概率的前提下，以很高的概率一次成功捕获的目的，同时实现帧定时同步和扩频码序列同步。
2.如权利要求1所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，第二次检测判决的方法具体为：
若第一次检测仅有一个检测统计量超过第一门限，则只需一个检测电路便可实现第二次检测判决；否则，设定多个第二次检测电路，将多个通过第一次检测的观测点进行筛选，并保留其中较大的值。
3.如权利要求1所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，相干累加计算具体通过式1表示同步检测统计量：
Figure FDA0002878609230000011
其中，N表示累加所需码片数；r为频偏相对码片速率归一化的值,r＝ΔfTc，Δf为频偏，Tc是码片间隔；Ec是单个码片的能量；SinA(Nπr)＝sin(Nπr)/Nsin(πr)反映由频偏引起的同步检测统计量损失；
Figure FDA0002878609230000021
其中i表示对N个码片累加所得检测量的索引；φ表示载波相位，τ信道传输延迟；R(τ)为本地PN码与接收信号PN码未对齐所引起的损失。
4.如权利要求3所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，所述第一门限和第二门限具体按式1表示的检测量的PDF曲线，根据虚警概率与漏检概率进行设置。
5.如权利要求1所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，当收发端载波频偏较大时，易使同步检测量产生较大衰减；通过引入DFT/FFT频偏补偿措施弥补在低信噪比条件下由于频偏导致的衰减。
6.如权利要求5所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，步骤S1所述时域相关运算具体通过引入经典的DFT/FFT频偏补偿措施，从而改进为对导频部分同时进行时频两维相关运算，进而得到检测统计量的方法；采用改进方法得到的第一级定时同步检测量数量增加为原来的M倍；其中M为进行DFT频偏补偿时导频码片分组的数目。
7.如权利要求6所述的极低信噪比突发扩频信号定时同步的方法，其特征是，所述收发端载波频偏较大，具体根据下式表示的频偏与检测统计量衰减的关系：
Figure FDA0002878609230000022
其中，R(r)为衰减；
Figure FDA0002878609230000023
Δf表示频偏，Rc表示码片速率；N表示累加所需码片数。
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