CN116647251A - 适合低信噪比、大频偏mc-cdma系统的信号捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合低信噪比、大频偏MC‑CDMA系统的信号捕获方法，在前导结构的基础上，采用PMF‑FFT算法进行信号捕获，包括定时同步和频偏估计，其中PMF‑FFT算法是由部分匹配滤波器PMF和快速傅里叶变换FFT结合而成的算法，然后在频偏估计范围内，通过自适应门限法进行信号捕获。本发明能够很好地抵抗噪声，同时PMF‑FFT通过并行的频偏搜索能够显著减小频偏带来的相关损失，相较于直接互相关的输出峰值，PMF‑FFT的输出峰值明显很多。

Description

适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法
技术领域
本发明属于MC-CDMA系统参数设计技术领域，具体涉及一种适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法。
背景技术
在MC-CDMA或OFDM中，前导用于信号的捕获，包括定时同步和频率同步两部分。
在传统OFDM系统中，定时同步算法主要包括Schmidl&Cox算法、Minn算法、Park算法、shao算法和M-park算法，其中前四种算法均利用重复序列进行时域延时相关，属于时域的自相关算法，优点在于前后两部分的重复性能够抵抗频偏带来的影响，缺点是当信噪比较低时，自相关算法序列之间的相关性会严重降低，导致定时估计错误。而M-park算法属于互相关算法，受噪声影响较小，但对频偏很敏感。对于频率同步算法，主要有Moose算法、Schmidl&Cox算法、M&M算法和Kim算法等，其中除Moose算法在频域进行外，其他算法都是在时域进行的，然而这些算法无一例外对信噪比要求较高。
综上分析，这些传统的OFDM定时和频率同步算法大都是利用时域信号的循环统计特性，采用时域延迟相关进行同步，但这些方法受噪声影响严重。
发明内容
为了在低信噪比、大频偏条件下同时完成定时同步和频率同步，本发明提供一种适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法。
本发明保护一种适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，在前导结构的基础上，采用PMF-FFT算法进行信号捕获，包括定时同步和频偏估计，其中PMF-FFT算法是由部分匹配滤波器PMF和快速傅里叶变换FFT结合而成的算法；
假设接收机采样频率为f s =B，B为信道带宽，子载波数为N，子载波间隔∆f =B/N，PMF抽头数为M，则PMF个数G=N p /M，其中N p 为前导长度且N p =ND，D为前导序列个数；频偏估计范围为，通过改变M能够调整频偏估计的范围，频偏估计的分辨率；
在频偏估计范围内，通过自适应门限法进行信号捕获，具体包括以下步骤：
步骤1，计算窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值，计算V中元素的平均值/>和最大值/>；若v max≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置，其中Γ=α·v a 为判决门限，其中α为常量，与虚警概率相关；
步骤2，记录定时同步位置对应的PMF-FFT输出的最大模值以及左右相邻的两个模值/>和/>，其中k 0为PMF-FFT输出的最大幅值对应的索引；
步骤3，计算偏差，再计算峰值位置k p=k 0+δ，最后计算频偏估计值/>，其中S FFT为PMF-FFT中的FFT的谱线间隔。
进一步的，前导结构由D个ZC序列经过逆向傅里叶变换IFFT后组成，分别用Z-1、Z-2、...、Z-D表示，其中D个ZC序列的根两两互质，D的大小由信噪比条件以及频偏估计精度要求决定。
进一步的，在频偏估计范围内，基于双窗的自适应门限法进行信号捕获；先计算第一个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V中元素的平均值和最大值以及第二个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V´中元素的平均值/>和最大值/>；
再比较与/>的关系，若/>＞/>且/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置，若/>＞/>且/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置。
进一步的，在G个部分匹配滤波器输出值的后面补零，组成L个输入，即FFT长度变为L。
本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，以及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法的各个步骤。
本发明基于PMF-FFT算法进行信号捕获，能够很好地抵抗噪声，同时PMF-FFT通过并行的频偏搜索能够显著减小频偏带来的相关损失，相较于直接互相关的输出峰值，PMF-FFT的输出峰值明显很多；前导采用自相关和互相关性更好的ZC序列，在多径信道下可以提高定时同步和频偏估计的准确性；同时，低峰均比特性可减小放大器非线性的影响；针对信噪比较高时 ZC序列互相关的旁瓣容易造成虚警的问题，也提出了基于双窗的自适应门限法的解决方案。总之，本发明很好地解决了MC-CDMA系统在低信噪比与大频偏共存条件下的信号捕获问题。
附图说明
图1为正确定时位置和其他位置的PMF-FFT的输出峰值比较示意图；
图2为直接互相关的输出和PMF-FFT的输出对比示意图；
图3为ZC序列互相关的旁瓣容易造成虚警示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
本实施例预设的信道条件：三径莱斯信道，莱斯因子Kr=10dB，最大多普勒频偏在±450KHz，信噪比范围E s /N 0 ≥-11dB。
本实施例预设的捕获要求：捕获后的残余频偏大于0.012∆f 的概率在10-6量级，单次信号检测的检测概率P d ＞0.9，虚警概率P f ＜10-4。
本实施例中的前导结构由D个ZC序列经过逆向傅里叶变换IFFT后组成，分别用Z-1、Z-2、...、Z-D表示，其中D个ZC序列的根两两互质，D的大小由信噪比条件以及频偏估计精度要求决定。
相较于传统的PN序列，ZC序列的自相关和互相关性更好，在多径信道下可以提高定时同步和频偏估计的准确性；同时，低峰均比特性可减小放大器非线性的影响。
ZC序列的数学表达式为
，
其中N z 是ZC序列的长度，μ是序列的根且满足μ＜N z 且μ与N z 互质，q为任意整数。
通过选取不同的参数，便可得到不同的ZC序列。
示例1
在子载波数N=64，子载波间隔∆f =280KHz，PMF抽头数M=8，窗长W=128的情况下，信噪比E s /N 0 与ZC序列数D的关系如下表1所示。
表1
于双窗的自适应门限法进行信号捕获
示例2
在子载波数N=1024，子载波间隔∆f =280KHz，PMF抽头数M=128，窗长W=2048的情况下，信噪比E s /N 0 与ZC序列数D的关系如下表2所示。
表2
FFT长度变为L是在G个部分匹配滤波器输出值的后面补零，组成L个输入。当D=6时，G=ND/M=1024*6/128=48，后面补208个零，构成256个输入。此操作的目的在于降低PMF-FFT中FFT的扇贝损失和改善栅栏效应。
此处，参数D和L的取值准则是满足性能要求的前提下最大限度降低开销，包括存储和计算资源。以示例1中E s /N 0 为[-11,-7)为例，ZC序列数D为16且FFT长度L为512时，是满足性能要求的最小开销，此取值是通过仿真确定的。
本实施例通过调节ZC序列数D的大小来应对不同信噪比。在示例1中ZC序列数D数值更大，因此可供调节选择较多，因此将信噪比分了四个区间；而示例2中ZC序列数D只有6个，同时为了兼顾系统参数设计的简洁性，因此信噪比只分了两个区间。
本发明中的前导由相关特性良好的ZC序列构成，保证只有正确定时位置才能得到明显的PMF-FFT的输出峰值。图1展示了E s /N 0 = -11dB时，正确定时位置和其他位置处的PMF-FFT的输出峰值，从中可以看出，只有正确定时位置处才会有明显的峰值，而其他位置处的值却很小。
PMF-FFT实质上是一种可进行能量累积的基于互相关的算法，能够很好地抵抗噪声。同时，PMF-FFT通过并行的频偏搜索能够显著减小频偏带来的相关损失。图2给出了频偏300KHz时，直接互相关的输出和PMF-FFT的输出对比，可以看出，PMF-FFT的输出峰值相较于直接互相关的输出峰值，明显很多。
由于接收信噪比的动态范围很大，当信噪比较高时， ZC序列互相关的旁瓣容易造成虚警，为此提出了基于双窗的自适应门限法来解决这一问题，双窗顾名思义，意味着用两个窗口，假设每个窗口有W个位置。
本发明在频偏估计范围内，基于双窗的自适应门限法进行信号捕获，具体包括以下步骤：
步骤1，计算第一个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V中元素的平均值和最大值/>以及第二个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V´中元素的平均值/>和最大值/>；
步骤2，比较与/>的关系，若/>＞/>且、/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置，若/>＞/>且/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置；
此处，Γ=α·v a 为判决门限，其中α为常量，与虚警概率相关。由于考虑多径信道以及对PMF-FFT输出进行了取最大值操作，因此常量α很难通过理论分析得到，需要依靠设定的虚警概率通过大量仿真来确定；
步骤3，记录定时同步位置对应的PMF-FFT输出的最大模值以及左右相邻的两个模值/>和/>，其中k 0为PMF-FFT输出的最大幅值对应的索引；
步骤4，计算偏差，再计算峰值位置k p=k 0+δ，最后计算频偏估计值/>，其中S FFT为PMF-FFT中的FFT的谱线间隔，/>。
参照图3所示，在E s /N 0 = 20dB时，窗1中旁瓣的值较大并且已经超过判定门限，此时如果直接声明捕获成功，则定时位置便会出错。此时，根据通过比较窗2的最大值和窗1的最大值，便能找到正确的定时位置。
由于互相关的旁瓣容易造成虚警是ZC序列带来的，因此，在前导使用其他互相关特性特别良好的序列时，无需基于双窗的自适应门限法进行信号捕获。
实施例2
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法。
实施例3
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现实施例1所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法的各个步骤。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，其特征在于，在前导结构的基础上，采用PMF-FFT算法进行信号捕获，包括定时同步和频偏估计，其中PMF-FFT算法是由部分匹配滤波器PMF和快速傅里叶变换FFT结合而成的算法；
假设接收机采样频率为f s =B，B为信道带宽，子载波数为N，子载波间隔∆f =B/N，PMF抽头数为M，则PMF个数G=N p /M，其中N p 为前导长度且N p =ND，D为前导序列个数；频偏估计范围为，通过改变M能够调整频偏估计的范围，频偏估计的分辨率；
在频偏估计范围内，通过自适应门限法进行信号捕获，具体包括以下步骤：
步骤1，计算窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值，计算V中元素的平均值/>和最大值/>；若v max≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置，其中Γ=α·v a 为判决门限，其中α为常量，与虚警概率相关；
步骤2，记录定时同步位置对应的PMF-FFT输出的最大模值以及左右相邻的两个模值/>和/>，其中k 0为PMF-FFT输出的最大幅值对应的索引；
步骤3，计算偏差，再计算峰值位置k p=k 0+δ，最后计算频偏估计值/>，其中S FFT为PMF-FFT中的FFT的谱线间隔。
2.根据权利要求1所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，其特征在于，前导结构由D个ZC序列经过逆向傅里叶变换IFFT后组成，分别用Z-1、Z-2、...、Z-D表示，其中D个ZC序列的根两两互质，D的大小由信噪比条件以及频偏估计精度要求决定。
3.根据权利要求2所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，其特征在于，在频偏估计范围内，基于双窗的自适应门限法进行信号捕获；
先计算第一个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V中元素的平均值和最大值/>以及第二个窗内W个位置的PMF-FFT输出的最大模方值V´中元素的平均值/>和最大值/>；
再比较与/>的关系，若/>＞/>且/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置，若/>＞/>且/>≥Γ，则/>对应的采样点索引为定时同步位置。
4.根据权利要求1所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法，其特征在于，在G个部分匹配滤波器输出值的后面补零，组成L个输入，即FFT长度变为L。
5.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1-4任意一项所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1-4任意一项所述的适合低信噪比、大频偏MC-CDMA系统的信号捕获方法的各个步骤。
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黄子轩等: "基于捷变波束的卫星通信网络用户随机接入技术", 天地一体化信息网络, vol. 01, no. 3 *

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