CN1430372A - 对自相关序列的自适应定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字通信中对接收信号中的已知自相关序列进行定位的方法及定位装置，包括输入信号储存器、相关器、相关值序列储存器、搜索窗控制器和相关峰搜索器；输入信号储存器将接收到的信号序列储存下来，相关器将已知的自适应序列与接收到的序列进行相关，逐次移位得到一个相关值序列，保存这个序列于相关值序列储存器中，搜索窗控制器控制搜索窗的宽度，进行可信度判断并储存搜索结果，控制器将搜索结果输出，相关峰搜索器按照搜索窗控制器给出的搜索窗宽度，在相关值序列储存器保存的相关值序列中搜索最大和次大相关峰；本发明能有效地处理在多径情况下寻找自相关序列位置的问题，具有定位准确，误判可能性小的特点。

Description

对自相关序列的自适应定位方法及装置

技术领域

本发明涉及数字通信系统中对信号中的自相关序列进行定位的方法，尤其涉及一种数字无线通信中对接收信号中的已知自相关序列进行定位的方法，本发明还涉及一种基于所述方法的定位装置。

背景技术

在数字通信系统中，需在发送的信号中插入一个已知的具有很好的自相关特性的序列，便于接收机一侧对接收到的信息进行定位，这种定位方式是在无线通信和其他通信领域中广泛采用的技术；其中定位方法可以简单叙述为使用已知自相关序列与接收到的未知序列进行逐次移位相关，通过寻找最大的相关峰，来确定未知序列中自相关序列的位置。但是在无线通信中，由于无线传输的特点，接收到的信号实际包含了多径和码间干扰，这样相关峰会展宽，或者出现多个峰，搜索就会有一定的困难。

在已公开的专利，专利号为95190253的《用于数字通信接收机的相干检测器和相干检测方法》提出了应用导频信号估算传递函数，应用所估算的传递函数进行内插相干检测，存储检测结果作为伪导频信号，对于传递函数再估算的方法。专利号为95121337《用于数字通讯信道的盲多路径校正》提出采用多个信号抽头的方法，每个抽头响应抽头系数和时间偏移，产生多路径均衡的数字输出信号。专利号为97103050《同步装置》提出在被接收信号中增加第二已知模式。通过第一已知模式和一个第二已知模式之间的相关处理，改进接收定位。美国专利US5402450：《信号时间同步(Signal timing synchronizer)》提出采用一个时间上独立的第二相关器，帮

助确定多径信号对自相关函数的影响，从而实现对信号的准确定时。以上这些所公开的定位方法都具有一定的实用性，但是都存在以下不足：大多数方法都对信号的编码和调制提出要求，比如说增加导频信号，或者是增加第二已知模式，这只能在专用设备例如收发由同一厂家生产的设备采用的，对于按照行业标准生产的设备，设备生产者无法对标准的编码和调制方法作修改；此外，如果采用多个信号抽头或者是多个相关器的方法，也会增加设备的成本和复杂度。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种自相关序列的自适应定位方法，不需要对信号的编码和调制作修改，可以有效地处理在多径情况下寻找自相关序列位置，定位准确，误判可能性小；本发明另一个目的在于，提供一种基于上述方法的自相关序列的自适应定位装置，可使得接收装置快速准确地和发射装置同步，提高接收性能，降低误码率。

本发明提供的技术方案是：提供一种定位方法，是将接收到的序列和已知的自相关序列逐次相关得到一系列的相关值，在搜索相关值的最大值时，采用长度可变的自适应窗口进行搜索，同时根据信号特性确定表示搜索结果可靠性的阈值，在搜索过程中将搜索结果和阈值相比较，以得到最佳的搜索结果。

定位方法的步骤如下：

第一步：使用相关器，将已知的自适应序列与接收到的序列进行相关，在序列可能处于的位置范围内，逐次移位得到一个相关值序列，包括：

从前级接收信号序列，储存；

根据信号的组成和可能的传输偏差，确定接收信号可能的位置范围，将已知的自适应序列与信号序列进行相关运算；

在可能的位置范围内将整个序列移位，重复第2步，直到所有可能的位置都计算出相关值。

第二步：根据接收信号和传输信道的特点，相关峰宽度的范围是已知的。首先将搜索窗宽度设置为初始值，包括以下步骤：

将搜索窗置于相关值序列的开头，

计算相关窗内相关值的模值和，记为E(0)

将相关窗向后移动1个数字，重复计算模值和，直到相关窗到达序列末尾；

记录得到的E(n)序列，求出其中的最大值Em；

根据事先确定的算法，判断目前的最大值是否符合可信度门限，符合要求，输出搜索到的自相关序列起始点，否则记录可信度。

第三步：将搜索窗宽度改变，重复第二步，如果搜索窗的各种可能取值都已尝试过，转第四步。

第四步：选取可信度最高的搜索窗搜索结果。

第五步：输出搜索到的自相关序列起始点。

本发明提供的自相关序列的自适应定位装置由以下几个部分组成：输入信号储存器，相关器，相关值序列储存器，搜索窗控制器，相关峰搜索器；输入信号储存器将接收到的信号序列储存下来，供相关器使用；相关器将已知的自适应序列与接收到的序列进行相关，在序列可能处于的位置范围内，逐次移位得到一个相关值序列；保存这个序列于相关值序列储存器中供相关峰搜索器使用；搜索窗控制器负责控制搜索使用的搜索窗宽度，并对使用各个宽度得到的搜索结果进行可信度判断，同时储存搜索结果，如果没有一个搜索窗的可信度达到门限，就选择一个最可信的。控制器同时负责将搜索结果输出；相关峰搜索器按照搜索窗控制器给出的搜索窗宽度，在相关值序列储存器保存的相关值序列中搜索最大和次大相关峰。

实现本发明提供的对自相关序列的自适应定位方法及装置，利用无线传输中的多径影响的本身特点，采用自适应方法搜索自相关序列位置，实现信号同步；本发明方法(方法和装置单与方法相比，不具有可比性)与现有方法相比，不需要对信号的编码和调制作修改；可以有效地处理在多径情况下寻找自相关序列位置的问题，与普通的搜索相关峰方法相比，具有定位准确，误判可能性小的特点；采用本发明提出的方法及装置可以使得接收装置快速准确地和发射装置同步，相应地也提高了接收性能，降低了误码率。同时本发明提出的全部装置可以在原有接收设备基础上实现，实施成本低。

附图说明

图1是本发明的定位方法的流程图；

图2是本发明自相关序列的自适应定位装置的结构框图；

图3是存在多径影响时相关峰展宽的示意图；

图4是搜索窗宽度大于实际相关峰时的搜索误差示意图；

图5是搜索窗宽度小于实际相关峰时的搜索误差示意图；

图6是存在着两个相隔较大的相关峰时的搜索误差示意图；

图7是自适应搜索算法的流程方框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明定位方法的步骤如下：

从前级接收信号序列，储存；

根据信号的组成和可能的传输偏差，确定接收信号可能的位置范围，将已知的自适应序列与信号序列进行相关运算；

在可能的位置范围内将整个序列移位，重复第2步，直到所有可能的位置都计算出相关值。

第二步：根据接收信号和传输信道的特点，相关峰宽度的范围是已知的。首先将搜索窗宽度设置为初始值，包括以下步骤：

将搜索窗置于相关值序列的开头，

计算相关窗内相关值的模值和，记为E(0)

将相关窗向后移动1个数字，重复计算模值和，直到相关窗到达序列末尾；

记录得到的E(n)序列，求出其中的最大值Em；

根据事先确定的算法，判断目前的最大值是否符合可信度门限，符合要求，输出搜索到的自相关序列起始点，否则记录可信度。

第三步：将搜索窗宽度改变，重复第二步，如果搜索窗的各种可能取值都已尝试过，转第四步。

第四步：选取可信度最高的搜索窗搜索结果。

第五步：输出搜索到的自相关序列起始点。

如图2所示，本发明提供的定位装置包括输入信号储存器、相关器、相关值序列储存器、搜索窗控制器和相关峰搜索器；输入信号储存器接收前级的信号序列并储存，通过相关器和已知的自相关同步序列进行相关运算，得到的相关值序列存放在相关值序列储存器中。

搜索窗控制器是整个装置的核心，负责选择当前合适的搜索窗宽度，下发到相关峰搜索器，由相关峰搜索器根据这个搜索窗宽度对相关值序列存储器保存的相关值序列进行搜索。搜索结果由相关峰搜索器回送到搜索窗控制器，搜索窗控制器对搜索结果进行判别，决定下一步是否采用另一个窗口进行搜索。

如果搜索窗控制器判别某个搜索结果符合阈值要求，或者所有窗口都已尝试过后确定了一个最佳结果。就将相应的搜索结果传送到后级处理装置。

为便于说明本发明提供的定位方法，本发明定义以下信号序列的表示方法：

需要传输的信号序列A0(n)，n＝0，1，2，…………N。

一个具有很好的自相关特性的序列S(m)，m＝0，1，2，…………M。

将S插入A0的第K位置，得到一个新的序列A(l)，l＝0，1，2，…………，L。L＝M+N。

A(i)＝A0(i)，当i＝0，…………，K-1。

A(i)＝S(i-K)，当i＝K，…………，K+M-1。

A(i)＝A0(i-(K+M))，当i＝K+M，…………，M+N。

A(i)为实际通过信道传输的序列。

接收机一侧，接受到的信号序列为Y(j)，j＝0，1，2，……………J，J＝L+TAM，TAM(time advance max)是系统允许的接收时间差，也就是说，实际的有用序列A(l)在Y(j)中的对应位置的开始点可能是Y(0)，Y(1)，…………Y(TAM)中的一个。

引入自相关序列S就是为了解决这个问题，很明显的，S(m)在Y(j)中的对应位置的开始点应该是Y(K)，…………，Y(K+TAM)中的一个。

利用S(m)的自相关特性，将S(m)和Y(j)中可能的各个对应序列进行相关运算，得到相关值序列X(p)，p＝0，1，2，…………，TAM。

X(0)＝S(0)*Y(K)+S(1)*Y(K+1)+…………+S(M)*Y(K+M)

X(1)＝S(0)*Y(K+1)+S(1)*Y(K+2)+…………+S(M)*Y(K+M+1)

X(2)＝S(0)*Y(K+2)+S(1)*Y(K+3)+…………+S(M)*Y(K+M+2)

………………………………

X(TAM-1)＝S(0)*Y(K+(TAM-1))+S(1)*Y(K+1+(TAM-1))+…………+S(M)*Y(K+M+(TAM-1))

X(TAM)＝S(0)*Y(K+TAM)+S(1)*Y(K+1+TAM)+…………+S(M)*Y(K+M+TAM)。

如果不考虑传输中的干扰，那么只需要在X(p)中选择最大值X(TA)＝Xmax，那么TA就是S(m)的实际位置。

但是，在实际的通信环境中，存在着多径干扰，因此X(p)不一定呈现很好的单峰，最大相关不是一个点，而是多个较高值组成的相关峰。如图3所示，相关峰的宽度为6，如果简单地选择最大值，可能会造成最大为6的误差。

很明显，为了准确的在图3所示的情况下求出TA，比较好的方法是采用连续相邻的几个相关值的叠加值。在下面的说明中，本发明将连续相邻的几个参数占的位置称为一个“窗口”，求TA的方法改为求出模值和最大的窗口的左边界。如图3中所示，当窗口宽度和相关峰宽度相同时，本发明方法是相当准确的。

但是在大多数情况下，由于无线传输环境的情况相当复杂，很难事先确定适当的搜索窗口宽度。如果出现了窗口宽度和相关峰的宽度不一值得的情况，仍然可能存在误差。

关于上述误差，可以结合附图进一步来说明：

图4示出了当搜索窗的宽度大于相关峰实际大小的情况；图中相关峰的宽度是3，而采用了大小为6的搜索窗，在这种情况下，搜索结果实际上是由搜索峰周围的噪声大小决定的。在最坏的情况下，TA的误差可以达到3。

图5示出了当搜索窗的宽度小于相关峰的实际大小的情况；图中相关峰的宽度是6，而采用了大小为3的搜索窗，在这种情况下，搜索结果实际上是由搜索峰中的各个点的大小决定的；在最坏的情况下，TA的误差也可以达到3。

图6示出了另外一种特殊情况，相关峰分裂为两个部分，而且两峰的距离相对于峰的宽度较大；具体来说，如果搜索窗的宽度是M0，而两个相关峰的距离为Md，如果M0+Md＞TAM，就属于这种情况，请注意在这种情况下，不可能存在一个足够大的搜索窗(最大宽度是TAM)同时包括这两个相关峰，在后面还会提到这一点。

一般地说，如果搜索窗的宽度为M0，实际的相关峰的宽度是M1，那么TA的误差最大值是|M0-M1|。

要消除这个误差，最好的方法是采用自适应的方法来确定搜索窗的宽度，这样就必须找到一种确定某个搜索窗宽度是否适合于当前相关峰的方法。下面详细叙述这种方法的定位原理：

仍然以图4所示的情况为例，图中所示的搜索窗可能得出的位置是TA，TA-1，TA-2，TA-3，在这几个位置上，搜索窗都会包括整个相关峰，那么具体搜索到哪一个位置，只取决于相关峰附近的噪声。这些噪声和搜索峰相比，数值很小。这样，在上述几个位置上，搜索窗的结果应该是比较接近的，同时比起其他位置，结果则相差较大。

如图5所示，搜索窗可能得出的位置是TA，TA+1，TA+2，TA+3；在这几个位置上，搜索窗都会包括相关峰的一部分，那么具体搜索到哪一个位置，取决于相关峰的内部各个点的大小；同样的，在这些位置上，搜索窗的结果是比较接近的，和其他位置相比，结果则相差较大。

通过上面的分析，可以得出一种确定当前搜索窗是否适合于当前相关峰宽度的方法。也就是将搜索窗在各个位置的累加结果加以比较，不仅仅是取出最大值，同时也确定这个最大值是否和其他的累加结果相比具有明显的优势。

为了避免算法过分复杂，可以采用这样一种方法：在使用某一个搜索窗宽度进行搜索时，不仅记录最大值Xmax，同时记录次大值Xmax2。在搜索结束后，通过观察Xmax是否明显地大于Xmax2，来确定当前的搜索窗宽度是否合适。

下面结合图7所示流程方框图进一步说明本发明定位方法：

首先，搜索窗控制器将初始搜索窗口设置为1；相关峰搜索器初始化运算中间变量Xmax，Xmax2，T0，T02，K；然后使用搜索窗口，顺着序列搜索最大值和次大值。

搜索结束后，最大值，次大值保存在Xmax，Xmax2中，相应的相关值位置存放在T0，T02中。

搜索窗控制器对以上结果进行判断，满足以下条件之一，停止搜索：

1、搜索窗口长度已扩大到最大值，也就是TAM；搜索窗控制器在所有的搜索结果中，选择一个可信度最大的，将相应的T0作为结果TA输出。

2、如果F1(Xmax，Xmax2)＞阈值，此处F1(Xmax，Xmax2)就是上面提到的判断最大值是否和次大值相比具有明显优势的函数。在一般的情况下，可以直接取F1(Xmax，Xmax2)＝|Xmax|/|Xmax2|，搜索窗控制器将满足条件的搜索结果中T0作为最终结果T A输出，阈值可以通过对实际系统的试验获得。

3、M0+|T0-T02|＞TAM，对应于图6所示存在两个相隔较大的相关峰的情况；搜索窗控制器将满足条件的搜索结果中T0作为最终结果TA输出。

如果以上条件都不满足，搜索窗控制器将搜索窗口长度增加1，重新由相关峰搜索器进行搜索。

如果以上条件满足，则搜索过程结束。

上述所需的处理步骤如果对于使用系统来说，不是非常重要，也可以采用简化的方法，省略掉对第2，第3步的判断过程。也就是说始终对所有可能的搜索窗长度进行搜索，然后在所有结果中寻找可信度最高的结果。

采用这样的简化方法，一方面可以使得系统更容易实现，避免了比较困难的寻找合适的阈值的工作。另一方面，也可以确保找到的搜索窗是最优的。

采用简化方法的缺点是如果TAM的值比较大，需要较长的时间对所有的可能值进行搜索，增加处理时间。

采用本发明所提供的方法和装置，可以有效地在无线信道存在着多径传输的情况下，准确地利用自相关序列的特性定位，从而实现信号同步。与现有技术相比，不需要特殊的编码和调制方法，具有广泛的适用性；同时全部装置可以通过修改软件或者可编程逻辑实现，节省了成本。

Claims (4)

1、一种对自相关序列的自适应定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)使用相关器，将已知的自适应序列与接收到的序列进行相关运算，在序列可能处于的位置范围内，逐次移位得到一个相关值序列；

2)根据接收信号和传输信道的特点，在相关峰宽度的范围内，将搜索窗宽度设置为初始值；

3)改变搜索窗宽度，重复步骤2)，如果搜索窗的各种可能取值都已尝试过，选取可信度最高的搜索窗搜索结果；

4)输出搜索到的自相关序列起始点。

2、根据权利要求1所述一种自相关序列的自适应定位方法，其特征在于，所述步骤1)中包括如下步骤：

从前级接收信号序列并储存；

根据信号的组成和可能的传输偏差，确定接收信号可能的位置范围；将已知的自适应序列与信号序列进行相关运算；

在可能的位置范围内将整个序列移位，重复进行相关运算，将所有可能的位置都计算出相关值。

3、根据权利要求1所述一种自相关序列的自适应定位方法，其特征在于，所述步骤2)中包括如下步骤：

将搜索窗置于相关值序列的开头；

计算相关窗内相关值的模值和，记为E(0)；

将相关窗向后移动1个数字，重复计量模值和，直到相关窗到达序列末尾；

记录得到的E(n)序列，求出其中的最大值Em；

根据事先确定的算法，判断目前的最大值是否符合可信度门限，如果符合要求，直接输出搜索到的自相关序列起始点，否则记录可信度。

4、一种自相关序列的自适应定位装置，其特征在于，包括输入信号储存器、相关器、相关值序列储存器、搜索窗控制器和相关峰搜索器；所述输入信号储存器将接收到的信号序列储存下来，所述相关器将已知的自适应序列与接收到的序列进行相关，在序列可能处于的位置范围内，逐次移位得到一个相关值序列，并保存这个序列于相关值序列储存器中供相关峰搜索器使用，所述搜索窗控制器控制搜索窗的宽度，并对各个宽度得到的搜索结果进行可信度判断，同时储存搜索结果，控制器将搜索结果输出，相关峰搜索器按照搜索窗控制器给出的搜索窗宽度，在相关值序列储存器保存的相关值序列中搜索最大和次大相关峰。

Images