CN1346191A - 一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法,它应用于扩频通讯中,包括步骤:1.将发射端的I、Q数据经过复扰码转换后送达到接收端;其特点是还包括以下步骤:2.将接收到的信号与由PN码发生器产生的本地PN_I和PN_Q进行复相关运算,在经过相干累加、平方相加取能量、非相干累加后,得到某个相位1所对应的信号能量z₁;3.采用参考相关器估计噪声能量y_n;4.对信号能量z₁和噪声能量y_n进行比较判断,并根据判断结果控制PN码发生器的相位;由此具有连续导频信道的码分多址系统。

Description

一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及在扩频通信中能获取时间同步的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法。

在扩频通信中，接收机首先要获取时间同步，也就是使本地的扩频序列与发送的扩频序列相位对齐，这是由接收机的捕获完成。

在CDMA(码分多址)蜂窝移动通信的前向链路(从基站到移动台)中，为了便于移动台的相干检测和chip(码片级)级的同步，在系统设计(包括IS-95、CDMA2000、WCDMA)中往往都采用连续导频的信道。这样移动台就可以在公共导频信道上做PN码(伪随机码)捕获。

根据基站扩频结构的不同，移动台的PN码捕获结构也相应有所变化。在第三代移动通信中(包括WCDMA和CDMA2000)，都采用复扩频的结构。

如图1、2所示，其中，图1是复扩频的结构示意图，图2是移动台在导频信道上的捕获结构示意图。

对应导频信道来说，数据I＝1，Q＝0，(见图1、2)，这样，移动台在导频信道上的捕获结构如图2所示。将接收到的信号与本地PN_I和PN_Q进行复相关运算，在经过相干累加、平方和取能量、非相干累加后，得到某个相位1所对应的能量z₁，然后将z₁与一个判决门限进行比较，比较的结果送到搜索控制模块中进行判决，本地PN(伪随机)序列就在搜索控制模块的作用下，不断改变本地PN序列的相位，直到认为扩频序列已经同步。

对于接收机来说，捕获时间和捕获概率是两个衡量捕获性能的重要指标。而较低的信噪比、多普勒频移、信道衰落等都是影响移动台接收性能的重要因素。在这种情况下，目前常用的捕获策略有：

(1).最大似然法

最大似然法是克服信道衰落、提高捕获性能的最好方法。它在整个PN码相位上进行搜索，然后选择最大相关值所对应的相位作为候选相位。这种方法由于需要对所有的PN码相位进行搜索，这样捕获时间就与PN码长成正比，当PN码较长时(如CDMA2000)，捕获时间就不能满足系统的要求。如果采用多相关器并行捕获结构，可以缩短捕获时间，但是相应的硬件资源增加，系统将十分复杂而不可接受。

(2).串行搜索、门限判决法

这是一种在捕获时间和捕获概率两方面取得平衡的方法。它将当前的相关值z₁与判决门限进行比较，如果z₁超过判决门限，就认为当前的相位为候选相位，采用这种方法时，门限的设定对性能的影响很大。

通常有两种门限设定法：固定门限和自适应门限。固定门限的方法在实际应用中不能满足信噪比动态变化的需要，因此性能较差；自适应门限法的关键是准确地估计当前的噪声能量，从而得到相应的判决门限。采用参考相关器估计噪声能量，可以得到较准确的判决门限，但是这种方法要求在本地产生与接收信号所用扩频码相正交的PN码，寻求这样的码字增加了接收机的设计复杂度。

(3).捕获证实

在实际应用中，为了降低捕获的虚警概率，减少捕获时间。对超过判决门限的可能相位需要作进一步的证实。传统的证实策略大概可以分为两种：对相关值进行多次判决和双停顿(多停顿)证实。

对相关值进行多次判决证实是指对超过判决门限的可能的候选相位再进行N_max次的相关运算，其结果再与自适应门限进行比较，等到比较模块送出的超过判决门限的次数累加到N_min次后，才认为候选相位为同步相位，从而进入跟踪状态，N_max和N_min是系统预先设置好的参数。

双停顿(多停顿)证实是指对可能的候选相位在更长的时间上再进行进行N次的相关运算，如果这N次的相关结果都超过了各自的判决门限，才认为候选相位为同步相位。

这两种传统证实策略的共同特点都是仅仅利用了自适应的门限信息，这样整个系统的捕获性能就与判决门限的准确性、参数N_max和N_min的选择以及停顿次数N有很大的关系，这时在不同的条件下所得到的性能改善往往就有较大的差别。

本发明的目的在于提供一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，它能适用于发射端采用复扩频，并且具有连续导频信道的CDMA系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，它应用于扩频通讯中，包括步骤：

(1).将发射端的I、Q数据经过复扰码转换后送达到接收端；

其特特点是，还包括以下步骤：

(2).将接收到的信号与由PN码发生器产生的本地PN_I和PN_Q进行复相关运算，在经过相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某个相位1所对应的信号能量z₁； $Z_1=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[{(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(t\right)\·(P{N}_I(n+(k-I)N)-j\·{\mathrm{PN}}_Q(n+(k-1)N))}^2\right]---\left(2\right)$

其中，R(t)为接收信号，N为相干累加的次数；

(3).采用参考相关器估计噪声能量y_n；

(4).对信号能量z₁和噪声能量y_n进行比较判断，并根据判断结果控制PN码发生器的相位，方法如下：

a.如果信号能量z₁大于噪声能量y_n，则当前相位1就是一个可能的候选相位，这时进入相位证实过程，对该相位进行Z_max证实判断；

b.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数大于N_min次，就认为候选相位1为同步相位，从而捕获完成，其中Z_max为相应能量的历史最大值，y为调整系数；

c.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数小于等于N_min次，就认为候选相位1为非同步相位，并且令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位；

d.如果信号能量z₁小于或等于噪声能量y_n，则令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位。

在上所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法中，其中，在所述的步骤(3)中，所述的采用参考相关器估计噪声能量y_n是直接将接收到的I、Q信号与接反后的PN_I和PN_Q进行相关运算，再经过相干累加、平方相加取能量得到估计噪声能量y_n。 $E_1=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(t\right)\·\left({\mathrm{PN}}_Q(n+k-1)N\right)-j\·{\mathrm{PN}}_I(n+(k-1)N)\left){)}^2\right]---\left(3\right)$

在上所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法中，其中，在所述的步骤(3)中，将得到的噪声能量y_n进行滤波，以得到比较稳定的噪声能量估计值y_n。

在上所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法中，其中，所述的滤波采用阿尔法滤波，滤波系数α的取值大于0.9。

y_n＝(1-a)·E₁+a·y_n-1    (4)

本发明一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1).噪声能量估计准确。

本发明由于在CDMA空中接口的设计中，为了减少I、Q两路之间的相互干扰，所选用的PN_I和PN_Q之间都具有良好的正交性，这样接收端就可以利用这个特点方便地得到噪声能量的准确估值，而这种方法不需要在本地产生与接收信号扩频码正交的码字，因此简化了接收机的设计。

(2).将自适应门限判决法和最大似然法有机结合起来。

本发明由于设计为当接收机工作在低信噪比，同时受到多普勒频移、信道衰落和其它突发性干扰的影响时，门限法的应用本身就存在较大的局限性，这时对超过判决门限的可能相位进行最大似然的证实是一种更加合理的选择，我们以对相关值进行多次判决证实的方法为例，可以这样设计捕获证实策略：对可能的候选相位再进行N_max次的相关运算，在比较模块中将乘上一个比例系数后的历史最大值与所得到的N_max个相关值进行比较，如果超过这个最大似然门限值的次数累加到N_min次，才认为候选相位为同步相位，从而进入跟踪状态，M_max和N_min是系统预先设置好的参数。

(3).本发明由于仅对超过判决门限的可能相位才采用最大似然的多次证实，避免了对整个PN码的相位进行搜索，大大缩短了捕获时间。

(4).本发明的这种自适应门限的捕获证实方法还可以与双停顿、多停顿、多相关器并行捕获结构相结合，满足不同的需要，具有很大的灵活性。

通过以下对本发明一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体技术特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术的移动通信中复扩频的结构示意图；

图2是现有技术的移动台导频信号同步捕获原理图；

图3是根据本发明提出的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法的主径捕获实现原理框图；

图4是本发明提出的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法中门限比较搜索控制模块判决流程图。

如图3所示，这是本发明一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法的主径捕获实现原理框图。本发明，一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，它应用于扩频通讯中，包括以下步骤：

第一步，将发射端的I、Q数据经过复扰码转换后送达到接收端，接收信号表达为：

R(t)＝(I+j·Q)    (1)

第二步，将接收到的信号与由PN码发生器产生的本地PN_I和PN_Q进行复相关运算，在经过相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某个相位1所对应的信号能量z₁，其中，N为相干累加的次数，M为非相干累加的次数； $Z_1=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[{(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(t\right)\·(P{N}_1(n+(k-1)N)-j\·{\mathrm{PN}}_Q(n+(k-1)N))}^2\right]----\left(2\right)$

第三步，采用参考相关器估计噪声能量y_n，以得到判决门限，在此步骤中，我们仍然采用参考相关器产生判决门限的办法，并且，与在接收机本地产生与所接收PN码相互正交码字的方法不同的是：我们利用复扩频的特点以及PN_I和PN_Q之间良好的正交性，直接将接收到的I、Q信号与接反后的PN_I和PN_Q进行相关运算，再经过相干累加、平方相加取能量得到的； $E_1=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[{(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(t\right)\·\left({\mathrm{PN}}_Q(n+k-1)N\right)-j\·{\mathrm{PN}}_I(n+(k-1)N)))}^2\right]----\left(3\right)$

并且，将得到的噪声能量y_n进行滤波，以得到比较稳定的噪声能量估计值y_n，通常，所述的滤波采用阿尔法滤波，该阿尔法滤波系数α的取值大于0.9。

y_n＝(1-a)·E₁+a·y_n-1    (4)

第四步，对信号能量z₁和噪声能量y_n进行比较判断，并根据判断结果控制PN码发生器的相位。(见图4)。

如图4所示，这是本发明一种自适应门限伪随机码捕获的证实方法中门限比较搜索控制模块判决流程图。在第四步骤中，对信号能量z₁和噪声能量y_n进行比较判断，并根据判断结果控制PN码发生器的相位，它包括以下步骤：

a.如果信号能量z₁大于噪声能量y_n，则当前相位1就是一个可能的候选相位，这时进入相位证实过程，对该相位进行Z_max证实判断；

b.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数大于N_min次，就认为候选相位1为同步相位，从而捕获完成，其中Z_max为相应能量的历史最大值，y为调整系数；

c.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数小于等于N_min次，就认为候选相位1为非同步相位，并且令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位；

d.如果信号能量z₁小于或等于噪声能量y_n，则令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位。

如果是虚假的相位，通过N_max次的证实，可以排除干扰，同时提高了Z_max，这样在下一次可能相位的最大似然证实中，由于Z_max的提高，可以使虚警概率进一步下降。而对于那些正确的相位，根据最大似然原理，其相关值必定是最大的，这样最大相关值有N_min次超过比例系数乘上其历史最大值的可能性是很大的，从而充分保证了捕获概率。

综上所述，本发明一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法与传统的捕获证实方法相比具有以下特点和优势：

1)本发明由于采用单独的参考相关器估计噪声能量，产生自适应的判决门限。当参考相关器所采用的本地PN码相位与接收信号PN码相位保持正交时，相关输出的结果就是对噪声的准确估计。我们在实现中将I、Q两路接反，这样它的输出再通过阿尔法滤波器后就可以得到比较准确和平稳的噪声能量的估计值。这种方法实现简单，对噪声估计的准确性较高，在不同信噪比环境下都有良好的适应性。

2)为了保证在不同环境下，捕获算法都具有较好的性能，对抗通信中的低信噪比、多普勒频域、信道衰落以及可能出现的突发性错误，本发明对超过门限估值的可能的候选相位再进行最大似然的多次证实。如果候选相位是正确的相位，根据最大似然准则，有N_min次超过其历史最大值的可能性是很大的，从而充分保证了捕获概率。对于虚假的相位，通过N_max次的证实，可以排除干扰，同时提高了Z_max，这样在下一次可能相位的最大似然证实中，由于Z_max的提高，可以使虚警概率进一步下降。这种证实策略相对于传统的与判决门限进行多次比较的方法更加合理，充分利用了最大似然的特性，实现也非常简单，而且采用最大似然证实对参数N_min和N_max的选择也比较灵活。

3)本发明采用串行搜索，门限判决，从而避免了对所有相位进行搜索判决，大大缩短了捕获时间。这种方法还可以与多相关器并行捕获结构有机地结合起来，进一步缩短捕获时间。

4)本发明这种最大似然的证实策略还可以应用到双停顿、多停顿等捕获方法中，具有较强的技术兼容性。

Claims (4)

1.一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，它应用于扩频通讯中，包括步骤：

(1).将发射端的I、Q数据经过复扰码转换后送达到接收端；

其特征在于，还包括以下步骤：

(2).将接收到的信号与由PN码发生器产生的本地PN_I和PN_Q进行复相关运算，在经过相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某个相位1所对应的信号能量z₁；

(3).采用参考相关器估计噪声能量y_n；

(4).对信号能量z₁和噪声能量y_n进行比较判断，并根据判断结果控制PN码发生器的相位，方法如下：

a.如果信号能量z₁大于噪声能量y_n，则当前相位1就是一个可能的候选相位，这时进入相位证实过程，对该相位进行Z_max证实判断；

b.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数大于N_min次，就认为候选相位1为同步相位，从而捕获完成，其中Z_max为相应能量的历史最大值，y为调整系数；

c.如果N_max次判决中信号能量z₁大于(1-y)×Z_max的次数小于等于N_min次，就认为候选相位1为非同步相位，并且令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位；

d.如果信号能量z₁小于或等于噪声能量y_n，则令Z_max＝max(z1，Z_max)，接着判断下一个相位。

2.如权利要求1所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，所述的采用参考相关器估计噪声能量y_n是直接将接收到的I、Q信号与接反后的PN_I和PN_Q进行相关运算，再经过相干累加、平方相加取能量得到的。

3.如权利要求1所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，将得到的噪声能量y_n进行滤波，以得到比较稳定的噪声能量估计值y_n。

4.如权利要求1或3所述的一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，其特征在于：所述的滤波采用阿尔法滤波，滤波系数α的取值大于0.9。

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