CN113890562A - 一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，包括：启动一次轮结构运算，轮结构运算的输出送入第一判决器；若第一判决器判决失败，则启动新的轮结构运算，直至第一判决器判决成功，或者轮结构运算次数达到预设上限；其中，每启动一次新的轮结构运算，都利用上一次轮结构运算的输出更新当前轮结构输出，然后送入第一判决器；若轮结构运算次数达到预设上限第一判决器仍未成功，则将最后一次轮结构输出送入第二判决器；第一或第二判决器成功后输出码相位估计值；第一或第二判决器成功后，代表码相位搜索完成，利用已知码相位剥离扩频序列，然后变换到频域完成载波频偏估计。本发明实现了载波频率和码相位的并行搜索，提高了捕获效率。

Description

一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其设计一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法。

背景技术

在物联网突发通信系统的接收过程中，首先需要完成捕获，以确认目标信号到来，并决定接收机是否继续工作，捕获成功以后才能进行后续同步、解调等操作。捕获过程中需要对载波频偏、码相位进行二维搜索，以获得最大相关增益，提高捕获可靠性。伪码越长，码相位的串行搜索时间越长；载波频率偏差的范围越大，载波频偏的串行搜索时间越长。而物联网终端设备多采用电池供电，为了保证续航，需尽可能降低功耗，例如减少捕获时间、降低运算量、减少误捕获等。

为了提高捕获效率，可以利用并行搜索方案一次完成所有伪码相位或者载波频率的搜索。码相位或载波频率的偏差都会制约另一个维度的搜索，导致只能先固定码相位然后进行载波频率的并行搜索，或者先固定载波频率然后进行码相位的搜索，仍然无法避免串行搜索。

在未知信道质量的情况下，为了提高捕获成功率，需采用最高性能模式，运算量和捕获时间消耗最大，而这种开销在高信道质量下是一种资源浪费。若结合上层网络反馈机制，利用已知信息来调整捕获策略，又需要额外的传输控制。若采用自适应迭代控制，可以根据信号质量高自适应调整迭代次数，合理分配运算量。

捕获的搜索方法决定了捕获时间和运算量，捕获的判决机制则影响捕获的准确性，包括对目标信号的捕获成功率和对非目标信号的误捕获率。利用相关峰值的绝对能量判决是常见的判决方式，但绝对能量会受到接收信号强度和干扰信号强度的影响，不利于统一门限。利用峰均比判决不会受到接收信号强度的影响，但会受到窄带干扰的影响导致漏捕获。

由此可见，对于扩频信号的捕获，相关方法在捕获效率和准确性上仍有值得改进的地方。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，实现了载波频率和码相位的并行搜索，提高了捕获效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，包括以下步骤：

S1：启动一次轮结构运算，并将轮结构运算的输出送入第一判决器，如果所述第一判决器判决成功，则执行步骤S4，如果所述第一判决器判决失败，则执行步骤S2；

S2：启动新的轮结构运算，并将对应的轮结构运算的输出送入第一判决器，如果所述第一判决器判决失败则重复启动新的轮结构运算步骤，直至所述第一判决器判决成功或者轮结构运算的次数达到预设上限，如果所述第一判决器判决成功，则执行步骤S4，如果轮结构运算的次数达到预设上限，则执行步骤S3，其中每启动一次新的轮结构运算，都利用上一次轮结构运算的输出更新当前的轮结构输出，再送入所述第一判决器；

S3：将最后一次轮结构运算的输出送入第二判决器，如果所述第二判决器判决成功，则执行步骤S4；

S4：利用所述第一判决器或所述第二判决器判决成功时码相位搜索得到的码相位来剥离扩频序列，再变换到频域以完成载波频偏估计。

优选地，所述轮结构运算包括延迟相乘、相干累加、对本地扩频序列和接收扩频序列的频域相乘结果进行IFFT变换以及非相干累加。

优选地，其中延迟相乘构造了新的扩频序列，新的扩频序列仍具有良好的自相关性。

优选地，所述延迟相乘具体包括：将接收的中频信号St延迟τ(r,m)后与自身共轭相乘，得到新信号S_{diff_τ(r，m)}(t)，其中，τ(r,m)表示第r次轮结构中第m个延迟支路的延迟距离，r＝0,1,2,…,R，m＝1,2,…，M；R和M分别表示轮结构运算次数和每个轮结构中的延迟支路数。

优选地，所述相干累加具体包括：当新信号S_{diff_τ(r，m)}(t)的持续时间为N*T_P时，以K*T_P为周期进行多段相干累加，其中K≥1且N能被K整除，T_P为扩频序列的周期；并对本轮的M次延迟共轭结果分别执行相干累加。

优选地，其中对本地扩频序列和接收扩频序列的频域相乘结果进行IFFT变换具体包括：对相干累加的结果进行FFT变换，与P_{diff_τ(r，m)}的FFT变换结果进行共轭相乘，对相乘结果进行IFFT变换到时域，搜索并记录峰值位置，其中P_{diff_τ(r，m)’}(t)＝P(t)P^*(t-τ(r,m))，P(t)为周期为T_P的扩频序列；

优选地，所述非相干累加具体包括：对本轮M个延迟支路进行非相干累加，搜索并记录峰值位置，并计算峰均比；进一步地，计算峰均比具体包括：对待求峰均比的扩频序列搜索最大峰值，并记录峰值位置；对扩频序列中峰值位置左右采样点以外的其它所有采样点计算均值，求得峰值与均值的比值为扩频序列的峰均比。

优选地，步骤S1和步骤S2中将轮结构运算的输出送入第一判决器具体包括：将本轮M个延迟支路的峰值位置以及非相干累加后的峰值位置作为输入，对本轮M个峰值位置的一致性概率进行统计判决，若高于判决阈值，则判决码相位捕获成功，否则判决码相位捕获失败。

优选地，步骤S3具体包括：利用非相干累加后的峰均比进行判决，若高于阈值，则判定码相位捕获成功并执行步骤S4，否则捕获失败，退出本次捕获。

优选地，步骤S4具体包括：利用本地扩频序列对已知码相位偏差的中频接收数据进行扩频序列的消除，然后利用FFT变换，在频域范围搜索能量峰值，峰值位置对应的频点为载波频率估计值。

本发明提出的捕获方法与已有的技术相比，有以下优点：

1)实现了载波频率和码相位各自的并行搜索，提高了捕获效率；

2)两种判决器的结合，提高了捕获准确率和成功率；

3)采用自适应迭代控制，以及灵活的参数配置，实现了运算资源合理分配；

附图说明

图1是本发明优选实施例的低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法流程图；

图2是本发明优选实施例的码相位捕获示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

捕获的目标是确认扩频信号是否到来，在信号到来时给出捕获成功标志；但是空中的扩频信号可能存在频偏，而且扩频信号的起始码相位未知。码相位和载波频偏的存在都会严重影响扩频信号的捕获，需要先对码相位和载波频偏进行二维搜索。所以在扩频序列已知的情况下，捕获的过程就是码相位和载波频偏的搜索过程，二者的搜索没有先后顺序要求。因此，本发明优选实施例提供了一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，通过对接收的扩频信号进行延迟相乘，先剥离载波频率，再对码相位和载波频偏依次进行并行搜索，减少了搜索次数，提高了信号捕获效率。该低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法包括以下步骤：

1)启动一次轮结构运算，轮结构运算的输出送入第一判决器；

在本实施例中，采用轮结构运算进行码相位估计，轮结构运算包括延迟相乘、相干累加、对本地扩频序列和接收扩频序列的频域相乘结果进行IFFT变换以及非相干累加，其中延迟相乘构造了新的扩频序列，新的扩频序列仍具有良好的自相关性；延迟相乘的延迟时间、相干累加次数、IFFT点数以及非相干累加次数都可以灵活配置，以满足性能和功耗的需求。

2)若第一判决器判决失败，则启动新的轮结构运算，直至第一判决器判决成功，或者轮结构运算次数达到预设上限；其中，每启动一次新的轮结构运算，都利用上一次轮结构运算的输出更新当前轮结构输出，然后送入第一判决器。

其中采用了自适应迭代控制，在判决器判决成功或迭代次数达到预设上限之前，每次迭代增加一次轮结构运算。

3)若轮结构运算次数达到预设上限第一判决器仍未成功，则将最后一次轮结构输出送入第二判决器。第一或第二判决器成功后输出码相位估计值；

4)第一或第二判决器成功后，代表码相位搜索完成，利用已知码相位剥离扩频序列，然后变换到频域完成载波频偏估计。

其中，采用两种判决器，每一次迭代后都会优先使用第一判决器，最后一次迭代完成后第一判决器仍未成功才会使用第二判决器；第一判决器是为了降低误捕获率，利用多路相关器输出的峰值位置判决，第二判决器是为了提高捕获成功率，利用相关器输出的峰均比门限判决。

下述以具体实施例对本发明优选实施例提出的种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法作进一步的说明。

(1)进行一次轮结构运算，轮结构运算的输出送入第一判决器。

轮结构运算包括延迟相乘、相干累加、对本地序列和接收序列的频域相乘结果进行IFFT变换以及非相干累加。

(1.1)延迟相乘，剥离载波频率，构造新的扩频序列。

扩频通信系统中接收机模数转换器输出的中频信号S(t)可以表示为：

S(t)＝P(t)exp(2πft)+n(t) (1)

其中P(t)为周期为T_P的扩频序列，合法值为+/-1；t为采样时间；f为载波频率，由于多普勒频移和接收机时钟抖动，S(t)的频率范围为f_IF-50KHz≤f≤f_IF+50KHz，其中f_IF为理想中频频点，当f_IF为0时则系统为基带传输；n(t)为加性高斯白噪声，服从N(0,σ²)分布。

将接收的中频信号S(t)延迟τ(r,m)后与自身共轭相乘，得到新信号S_{diff_τ(r,m)}(t)，τ(r,m)表示第r次轮结构中，第m个延迟支路的延迟距离。r＝0,1,2,…,R，m＝1,2,…,M；R和M分别表示轮结构运算次数和每个轮结构中的延迟支路数；下述为了便于书写，用τ'代替τ(r,m)。

S_{diff_τ‘}(t)＝P_{diff_τ’}(t)F(τ')+n_diff(t) (2)

其中，

P_{diff_τ’}(t)＝P(t)P^*(t-τ') (3)

F(τ')＝exp(2πft)*exp^*(2πf(t-τ'))＝exp(2πfτ') (4)

n_diff(t)＝n(t)*n^*(t-τ')+ns(t,τ') (5)

上述公式(3)中，P^*(t-τ')表示对P(t-τ')取共轭；对于任意τ'值，P_{diff_τ'}(t)的取值仍为+/-1，且序列P_{diff_τ'}仍具有良好的自相关性；公式(4)中，f和τ'为固定值，因此F(τ')为定值；公式(5)中，n^*(t-τ')表示对n(t-τ')取共轭，ns(t，τ')代表白噪声与扩频序列的互相关项。

(1.2)相干累加

公式(2)的持续时间为N*T_P，可以进一步地扩展至多个扩频序列周期来获得更高的性能，提高本地相关运算的增益的同时减少本地相关运算的计算量，其中N的最大值取决于捕获过程中的最长等待时间。当公式(2)的持续时间包含多个扩频序列周期时，可进一步地以K*T_P为周期进行多段相干累加，其中累加要求对应的参数K≥1且N能被K整除(即N是K的整数倍)。对本轮的M次延迟共轭结果S_{diff_τ(r,1)}(t)，S_{diff_τ(r，2)}(t)，S_{diff_τ(r，3)}(t),...,S_{diff_τ(r，M)}(t)都执行相干累加操作。

(1.3)码相位并行搜索

对相干累加的结果进行FFT变换，与P_{diff_τ'}的FFT变换结果进行共轭相乘，对相乘结果进行IFFT变换到时域，搜索并记录峰值位置。

将本轮各延迟支路的IFFT输出求模，与上一轮各延迟支路分别进行非相干累加后，再进行峰值搜索，并记录峰值位置mpos1,mpos2,...,mposM。若为首次轮结构运算，则不必进行非相干累加。

(1.4)非相干累加

对本轮的M个延迟支路进行非相干累加，搜索并记录峰值位置accpos，并计算峰均比accpar。其中，峰均比的计算过程为，对待求峰均比的序列par_seqin搜索最大峰值peakval，并记录峰值位置peakpos；对序列par_seqin中，峰值位置peakpos左右采样点以外的其它所有采样点计算均值avgval，峰值与均值的比值peakval/avgval即为序列par_seqin的峰均比。

(2)码相位捕获判决

先进入第一判决器判决，将本轮M个延迟支路的峰值位置以及非相干累加后的峰值位置作为输入，对本轮M个峰值位置的一致性概率进行统计判决，若高于判决阈值，则判决码相位捕获成功。

否则，若未达到轮结构运算次数上限，则进入下一次轮结构运算。若已达到轮结构运算次数上限，则进入第二判决器判决。

第二判决器，利用非相干累加后的峰均比accpar进行判决，若高于阈值，则判定码相位捕获成功，否则捕获失败，退出本次捕获。

若码相位捕获成功，则继续进行载波频率捕获。

本实施例中采用两个判决器是利用了信号的两种不同特征参数进行判决；其中，第一判决器的优点在于判决参数简单可靠，且该门限的合理取值与迭代次数无关，与信号强度，干扰强度无关，仅与理论统计概率有关；为了降低误检概率，第一判决器的门限会尽量设置较高，但也会导致在信号质量较差的情况下，目标信号即使经过多次迭代也可能未通过第一判决器。而在信号质量较好的情况下，信号无需达到最大迭代次数就能通过第一判决器，实现快速准确的捕获。第二判决器采用峰均比判决，门限取决于噪声的峰均比分布以及迭代次数，只在最后一次迭代进入第二判决器是为了简化门限设置，采用第二判决器的目的还包括保证误检概率的前提下，在信号质量较差时，在第一判决器的基础上提高信号的通过率。

(3)载波频率捕获

利用本地扩频序列对已知码相位偏差的中频接收数据进行扩频序列的消除。然后利用FFT变换，在频域范围搜索能量峰值，峰值位置对应的频点即为载波频率估计值。

为了减少FFT点数，节省运算量，在进行FFT变换之前，先对接收数据与本地扩频序列相乘的结果进行部分匹配滤波，对滤波输出再进行FFT运算。

本发明实施例提出的低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，实现了载波频率和码相位的并行搜索，提高了捕获效率；通过灵活的参数配置和迭代控制，实现了运算资源合理分配；两种判决器的结合，提高了捕获准确率和成功率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低功耗微功率无线通信的扩频信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动一次轮结构运算，并将轮结构运算的输出送入第一判决器，如果所述第一判决器判决成功，则执行步骤S4，如果所述第一判决器判决失败，则执行步骤S2；

S2：启动新的轮结构运算，并将对应的轮结构运算的输出送入第一判决器，如果所述第一判决器判决失败则重复启动新的轮结构运算步骤，直至所述第一判决器判决成功或者轮结构运算的次数达到预设上限，如果所述第一判决器判决成功，则执行步骤S4，如果轮结构运算的次数达到预设上限，则执行步骤S3，其中每启动一次新的轮结构运算，都利用上一次轮结构运算的输出更新当前的轮结构输出，再送入所述第一判决器；

S3：将最后一次轮结构运算的输出送入第二判决器，如果所述第二判决器判决成功，则执行步骤S4；

S4：利用所述第一判决器或所述第二判决器判决成功时码相位搜索得到的码相位来剥离扩频序列，再变换到频域以完成载波频偏估计。

2.根据权利要求1所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，所述轮结构运算包括延迟相乘、相干累加、对本地扩频序列和接收扩频序列的频域相乘结果进行IFFT变换以及非相干累加。

3.根据权利要求2所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，其中延迟相乘构造了新的扩频序列，新的扩频序列仍具有良好的自相关性。

4.根据权利要求2所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，所述延迟相乘具体包括：将接收的中频信号S(t)延迟τ(r,m)后与自身共轭相乘，得到新信号S_{diff_τ(r,m)}(t)，其中，τ(r,m)表示第r次轮结构中第m个延迟支路的延迟距离，r＝0,1,2,…,R，m＝1,2,…,M；R和M分别表示轮结构运算次数和每个轮结构中的延迟支路数。

5.根据权利要求4所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，所述相干累加具体包括：当新信号S_{diff_τ(r,m)}(t)的持续时间为N*T_P时，以K*T_P为周期进行多段相干累加，其中K≥1且N能被K整除，T_P为扩频序列的周期；并对本轮的M 次延迟共轭结果分别执行相干累加。

6.根据权利要求4所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，其中对本地扩频序列和接收扩频序列的频域相乘结果进行IFFT变换具体包括：对相干累加的结果进行FFT变换，与P_{diff_τ(r,m)}的FFT变换结果进行共轭相乘，对相乘结果进行IFFT变换到时域，搜索并记录峰值位置，其中P_{diff_τ(r,m)’}(t)＝P(t)P^*(t-τ(r,m))，P(t)为周期为T_P的扩频序列。

7.根据权利要求4所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，所述非相干累加具体包括：对本轮M个延迟支路进行非相干累加，搜索并记录峰值位置，并计算峰均比；进一步地，计算峰均比具体包括：对待求峰均比的扩频序列搜索最大峰值，并记录峰值位置；对扩频序列中峰值位置左右采样点以外的其它所有采样点计算均值，求得峰值与均值的比值为扩频序列的峰均比。

8.根据权利要求1至7任一项所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2中将轮结构运算的输出送入第一判决器具体包括：将本轮M个延迟支路的峰值位置以及非相干累加后的峰值位置作为输入，对本轮M个峰值位置的一致性概率进行统计判决，若高于判决阈值，则判决码相位捕获成功，否则判决码相位捕获失败。

9.根据权利要求1至7任一项所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，步骤S3具体包括：利用非相干累加后的峰均比进行判决，若高于阈值，则判定码相位捕获成功并执行步骤S4，否则捕获失败，退出本次捕获。

10.根据权利要求1至7任一项所述的扩频信号捕获方法，其特征在于，步骤S4具体包括：利用本地扩频序列对已知码相位偏差的中频接收数据进行扩频序列的消除，然后利用FFT变换，在频域范围搜索能量峰值，峰值位置对应的频点为载波频率估计值。

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