CN1124728C - 一种多选择相干检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多选择相干检测方法，该方法采用把信号检测所用长度L分为N_multicoh段进行相干累加，再对相干结果分别进行相位调整，并以每个相干结果进行组合；然后将这些组合再相干累加，最后选择最优的作为检测结果。因此，本发明的方法克服了现有的检测方法存在的缺点，在一定范围内，抑制了频偏、相位旋转使信号检测性能下降的影响，提高了信号检测性能和概率。

Description

一种多选择相干检测方法

本发明涉及无线通信的信号检测，更具体地涉及一种多选择相干检测方法。

在无线通信中，由于受到多谱勒频移和系统频偏等因素的影响，接收到的无线通信发射信号在相位上会发生相位旋转甚至翻转，因此，在对信号检测时就必须充分考虑到这些因素的影响，否则必然会影响信号检测的性能。

我们假设发射的复信号为X(k)(k＝0…L-1)，则接收到的信号为：

           Y(k)＝a(k)*X(k)*e^jφ(k)+n(k)，  (k＝0…L-1)

其中，a(k)为通过信道后的衰减因子，φ(k)为信号通过信道后的相位旋转角度。n(k)为加性噪声。信号的样点数为L。

下面为几种现有的信号检测方法：

1、相干信号检测方法，该方法是在L长度范围内对信号直接进行相干累加。遵循如下判决变量计算公式： $Z_{\mathrm{coherent}}=|\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(k\right)*X^{*}\left(k\right){|}^2$ $=\left|\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\right[a\left(k\right)*X\left(k\right)*X^{*}\left(k\right)*e^{\mathrm{j\φ}\left(k\right)}]+n{|}^2$

其中， $n=\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}^{*}\left(k\right)*n\left(k\right),$ X*(k)是X(k)的共轭复信号。

这种检测方法只有在接收信号的相位在L长度内变化不大时，才能得到好的检测结果，而接收信号的相位在L长度内变化不大在一些通信环境下是很难达到的。

2、非相干检测方法，这种检测方法的基本思想就是把信号分成等间距N_noncoh(N_noncoh＞1)段，每一段长度为L/N_noncoh＝S_noncoh，在S_noncoh长度内，用相干累加的方法，每一段的相干结果，共N_noncoh个数据，再进行非相干累加。遵循如下判决变量计算公式： $Z\left(k\right)=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{noncoh}}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\underset{k=0}{\overset{\mathrm{Snoncoh}}{\mathrm{\Σ}}}\right[Y(m*S_{\mathrm{noncoh}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{noncoh}}+k)]{|}^2$ $=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{noncoh}}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\underset{k=0}{\overset{\mathrm{Snoncoh}}{\mathrm{\Σ}}}\right[a(m*S_{\mathrm{noncoh}}+k)*X({m*S}_{\mathrm{noncoh}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{noncoh}}+k)*e^{\mathrm{j\φ}(m*S_{\mathrm{noncoh}}+k)}+]+n_m\left(m\right){|}^2$

其中， $n_m\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{noncoh}}}{\mathrm{\Σ}}}[X^{*}({m*S}_{\mathrm{noncoh}}+k)*n({m*S}_{\mathrm{noncoh}}+k)].$

这种检测方法要达到较好性能，需在S_noncoh信号长度内接收信号相位基本保持不变。但当接收信号在L内(L＞S_noncoh)也能相位基本保持不变，则此非相干检测方法检测性能损失比抑制相位旋转带来的增益要小，综合表现为比方法1的相干检测方法差。

3、差分检测方法，该方法的基本思想也是把信号分成等间距N_diff(N_diff＞1)段，每一段长度为L/N_diff＝S_diff，在S_diff长度内，用相干累加的方法，得到N_diff个相干累加值，相邻段的相干结果再进行两两相乘，共得到N_diff-1个乘积结果，最后把这N_diff-1个乘积结果进行相加。

该方法遵循如下判决变量计算公式： $Z=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{diff}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\{Q\left(m\right)*Q^{*}(m+1)\}$ $=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{diff}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left\{\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{\Σ}}}\right[Y({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{\Σ}}}[Y^{*}((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)*X((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)\}$ $=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{diff}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left\{\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{\Σ}}}\right[a({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)*e^{\mathrm{j\φ}(m*S_{\mathrm{diff}}+k)}]+n_m\left(m\right))$ $*\left(\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\right[a^{*}((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)*X((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}((m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k)*e^{-\mathrm{j\φ}(m+1)*S_{\mathrm{diff}}+k}]+n_m^{*}(m+1)]$

其中， $Q\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{\Σ}}}[Y({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)];$ $n_m\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{diff}}}{\mathrm{\Σ}}}[n({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{diff}}+k)]$

此差分检测方法同方法2一样，只需在S_diff内接收信号相位基本保持不变就可满足其应用条件。但此种方法在方法1也满足运用条件(在L长度内接收信号相位基本保持不变)时而言，差分检测方法本身的检测性能损失也比抑制相位旋转带来的增益要小，综合表现为比方法1的相干检测方法检测性能差。

4、联合检测方法，这种方法是上面三种方法的结合，通过一定的方法检测(或限定)多谱勒频移的大小范围，在高的多谱勒频移下，用非相干或差分检测的方法；在低多谱勒频移下，用相干检测的方法。这种方法实施起来比较困难，并且也还不能得到最佳的检测性能。

综合比较起来，

方法1是建立在信号在L长度范围内信号相位基本不变的假设基础上的，在低的频偏下(包括多谱勒频移和系统频偏，下同)下，这个条件基本可以满足(视码片速率和信号长度L，下同)，可以达到很好的检测效果，但在大的频偏下，这个假设可能并不成立，在L长度内，信号相位可能有很大改变甚至发生相位翻转，这就可能导致相干结果互相抵消，从而检测性能急剧下降，以至检测不到信号。

方法2的运用条件降低为，信号相位在S_noncoh长度内(S_noncoh＜L)基本保持不变就可以了，因而，在较高的频偏下，信号相位在S_noncoh内(注意到S_noncoh=L/N_noncoh＜L)还不至于发生很大改变，不会产生方法1中发生的性能下降，从在此情况下，性能也比方法1的要好，然而，在低的频偏下，方法一也能满足在相干长度L内相位基本不变的条件，此时，方法2的非相干相比较方法1而言，就有一定的性能损失。

方法3和方法2中所分析的那样，在较高的频偏下，差分检测方法虽可以得到比方法1更好的检测性能，但在低的频偏下，也要比方法1有一定的性能损失。

方法4虽可以得到在各种多谱勒频移下较好的性能。但通过协议限定的方法带来复杂性，用检测的方法需要多谱勒频移估计模块，准确度也难以保证。

为此，本发明的目的是针对上述几种检测方法中存在的问题，提出一种多选择相干检测方法，以降低频偏所引起的相位旋转带来的影响，提高信号检测概率。

为了实现上述目的，本发明的多选择相干检测方法采用如下技术方案：

a，把信号检测所用长度L分为N_multicoh段，每一段内部进行相干累加，共可以得到N_multicoh个相干结果，记为X_i(i＝0…N_multicoh-1)；

b、对这些N_multicoh个相干结果分别进行各种可能相位调整，记可能调整相位的个数为P，调整结果记为Y_i，j(i＝0…N_multicoh-1，j＝0…P-1)；

c、每个相干结果选择一个调整结果的值进行组合；

d、然后将这些组合再相干累加，相干累加后，得到C＝PN_multicoh个相干结果并记为Z_t(t＝0…C-1)；

e、在C＝PN_multicoh个相干结果中，选择最优的作为检测结果。

由于本发明的方法采用把信号检测所用长度L分为N_multicoh段，每一段内部进行相干累加，再对这些N_multicoh个相干结果分别进行相位调整，并以每个相干结果选择一个调整结果的值进行组合；然后将这些组合再相干累加，最后选择最优的作为检测结果。因此，本发明的方法克服了上述四种方法存在的因系统频偏、相位旋转等所引起检测性能差的缺点。该方法在一定范围内，抑制了频偏、相位旋转使信号检测性能下降的影响，提高了信号检测性能和概率。

下面通过附图和实施例，对本发明的多选择相干检测方法作一详细地说明：

图1为宽带码分多址(WCDMA)反向接入前缀多选择相干检测结构图。

图2为宽带码分多址(WCDMA)反向接入前缀检测方法性能比较图。

把信号检测所用长度L分为N_multicoh多相干段，每一段内部进行相干累加，共可以得到N_multicoh个相干结果，记为X_i(i＝0…N_multicoh-1)；再对这些N_multicoh个相干结果分别进行各种可能相位调整，记可能调整相位的个数为P，调整结果记为Y_i，j(i＝0…N_multicoh-1，j＝0…P-1)；每个相干结果选择一个调整结果的值进行各种可能的组合；然后将这些可能的组合再相干累加，相干累加后，得到C＝PN_multicoh个相干结果并记为Z_t(t＝0…C-1)；在C＝PN_multicoh个相干结果中，选择最优的作为检测结果。本发明的方法遵循下面判别公式：设信号等间距分段，则每段长度为S_multicoh=L/N_multicoh， $Z=\mathrm{OPT}\left\{Z_t\right\}$ $=\mathrm{OPT}\left\{\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}\right[\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}(Y({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k))*e^{j{\mathrm{\φ}}_{t,m}}\left]\right\}$ $=\mathrm{OPT}\left\{\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}\right[\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}(a({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*X({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)$ $*X^{*}({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*e^{\mathrm{j\φ}({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)}+n_m\left(m\right)]*e^{j{\mathrm{\φ}}_{t,m}}\}$ $=\mathrm{OPT}\left\{\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}\right[b\left(m\right)*e^{j({\mathrm{\φ}}_m+{\mathrm{\φ}}_{t,m})}]+n_{t,m}\left(t\right)\}$

其中，OPT{}为选择最优算子，意为从一系列值中，选择最优的值，另， $b\left(m\right)*e^{j{\mathrm{\φ}}_m}=\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}(a({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*X({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*X^{*}({m*S}_{\mathrm{multticoh}}+k))*e^{\mathrm{j\φ}\left(\right(m*S_{\mathrm{multicoh}+k})},$ $n_m\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{S_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}{X}^{*}({m*S}_{\mathrm{multicoh}}+k)*n\left(k\right),n_{t,m}\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{multicoh}}}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{t,m}}*n_m\left(m\right)$

上述的分段一般为等间距分段，但视具体情况，也可为不等间距分段。

在步骤b的相位调整中，当相位调整个数为P时，则分别对信号做＝₀+k*2π/p，(k＝0…P-1)的相位旋转，其中，₀可以为任何值。

在步骤a中，每一段得到一个相干结果X_i，共有N_multicoh个，又按步骤b对每一个相干结果进行P个相位调整，又得到总共N_multicoh*P个调整相干结果。

从上述每一个相干结果对应的P个调整相干结果中选取一个，共N_multicoh个调整相干结果进行相干叠加，得到一个最终相干结果Z_t。这样总共有可能的C＝P^Nmulticoh个选取方法，就又可以得到C＝P^Nmulticoh个最终相干结果Z_t。

步骤e中选择最优的原则可以采用最大值或最大绝对值的方法。

所述的最大相干结果个数为C＝P^Nmulticoh，并不意味着实际运用必须得到C＝P^Nmulticoh个相干结果，视情况可采用数量少于C＝P^Nmulticoh个相干结果的方法，以减少所需的相干结果个数。

下面我们再以宽带码分多址(WCDMA)反向接入信道前缀检测作本发明算法的实现再加以描述，前缀码片长度为4096chip，在3.84Mbp/s码片速率及2GHz载波频率，及WCDMA协议标准要求的500Km/h速度下，在4096chip码片范围内完全可能发生信号相位翻转，若采用前述的方法1在此条件下，必然会导致性能急剧下降(见图2曲线1)。

我们取N_multicoh＝4，P＝2，则可能的相干结果有2⁴/2＝8种(由于我们最后采用取最大绝对值的方法，第1段数据就可以不需进行相位调整，从而可以减少一倍所需可能相干结果数)，S_multicoh＝4096/4＝1024chip，又取此P＝2种相位为0°和180°，则，可以用乘1和-1来表示对应的相位调整。

如图1所示：信号在经匹配滤波器输出之后，我们把其分为2³＝8条支路，对应每一支路，如图1进行处理：数据进行乘于1(或-1)进行相位调整，然后进行1024码片的延时再累加。其中相位翻转因子1或-1，每1024码片变化一次，变化规律如该图1所示，共有2³＝8种。

最后得到8路输出，再对每一路的最大绝对值Max_n(n＝1，2…8)进行比较，其最大值记为Max，它对应的那一路(记为1)的相干结果做为最终检测结果输出。

我们对相干、非相干、差分、以及本发明的多选择相干检测方法四种检测方法进行仿真测试，在5km/h到500km/h的速度范围内，仿真条件为：

固定虚警率(CFAR)：0.001

系统频偏：0Hz

信道类型：车载A类信道

SNR：5dB

仿真测试结果表明，在图2中，横轴为移动速度(公里/小时)，纵轴为检测概率。差分检测的曲线标号为2、非相干检测的曲线标号为3，显然，本发明的多选择相干检测方法(见曲线标号4)可以得到比其他三种信号检测算法更具有优越的信号检测性能。

Claims (7)

1、一种多选择相干检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

a，把信号检测所用长度L分为N_multicoh段，每一段内部进行相干累加，共可以得到N_multicoh个相干结果，记为X_i(i＝0…N_multicoh-1)；

b、对这些N_multicoh个相干结果分别进行各种可能相位调整，记可能调整相位的个数为P，调整结果记为Y_i，j(i＝0…N_multicoh-1，j＝0…P-1)；

c、每个相干结果选择一个调整结果的值进行组合；

d、然后将这些组合再相干累加，相干累加后，得到C＝PN_multicoh个相干结果并记为Z_t(t＝0…C-1)；

e、在C＝PN_multicoh个相干结果中，选择最优的作为检测结果。

2、根据权利要求1所述的多选择相干检测方法，其特征在于：所述步骤a中的分段为等间距分段或不等间距分段。

3、根据权利要求1所述的多选择相干检测方法，其特征在于：在所述的步骤b的相位调整中，当相位调整个数为P时，则分别对信号做＝₀+k*2π/p，(k＝0…P-1)的相位旋转，其中，₀可以取任何值。

4、根据权利要求1所述的多选择相干检测方法，其特征在于：所述的步骤a中，每一段得到一个相干结果X_i，共有N_multicoh个，又按步骤b对每一个相干结果进行P个相位调整，又得到总共N_multicoh*P个调整相干结果。

5、根据权利要求4所述的多选择相干检测方法，其特征在于：所述的每一个相干结果对应的P个调整相干结果中选取一个，共N_multicoh个调整相干结果进行相干叠加，得到一个最终相干结果Z_t，这样总共有可能的C＝P^Nmulticoh个选取方法，就又可以得到C＝P^Nmulticoh个最终相干结果Z_t。

6、根据权利要求1所述的多选择相干检测方法，其特征在于：所述的步骤e中选择最优的原则可以采用最大值或最大绝对值的方法。

7、根据权利要求5所述的多选择相干检测方法，其特征在于：所述的最大相干结果个数为C＝P^Nmulticoh，并不意味着实际运用必须得到C＝P^Nmulticoh个相干结果，可采用数量少于C＝P^Nmulticoh个相干结果，以减少所需的相干结果个数。

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