CN1889371A - 直接序列扩频通信的信号检测方法及装置 - Google Patents

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张效义
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Abstract

本发明公开了一种直接序列扩频通信的信号检测方法，包括：计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值；计算所述相关值的平均值，搜索所述相关值的最大值；如果计算出的最大值与平均值的比值大于预定有效阈值，则接收信号为有效信号。本发明还公开了一种直接序列扩频通信的信号检测装置。本发明能够在大的信噪比范围内采用固定的阈值对有效信号进行准确检测。

Description

直接序列扩频通信的信号检测方法及装置
技术领域
本发明涉及无线直接序列扩频通信系统和无线直接序列扩频移动自组织网络系统，尤其涉及直接序列扩频通信的导频辅助信号检测方法及装置。
背景技术
扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传输信息必需的最小带宽，频带的扩展通过采用一个独立的码序列进行编码及调制来实现，这个独立的码序列称之为扩频码。扩频通信具有抗干扰性强，误码率低，隐蔽性好等特点，在实际中具有广泛的应用。
在直接序列扩频中，在发送端要发送的信息数据流叠加在一个由伪随机码发生器产生的扩频码序列上形成扩频信号。每个发送端具有一个扩频码，每个扩频信号在频域和时域上都与所有其他扩频信号以及相关的噪声相重叠。由不同的扩频码调制的一组扩频信号在射频载波上发射，在接收机上作为一个复信号接收。接收机用与发送端相同的扩频码序列进行相关同步接收和解调，把展宽的扩频信号还原成原始的信号，以获得所传输的数据信息。
在突发通信中，通信是以突发方式进行的，因此接收机必须时刻检测信道，以避免漏检应接收的信号。接收机信号接收装置的结构请参见图1，信号捕获与同步单元110用来在接收信号中搜捕出发送给本接收机的扩频信号，并实现与扩频信号发送端在频率和相位上的同步；之后将扩频信号传输至解调处理单元120，从扩频信号中将基带信号分离出来，输出至后级单元处理后得到接收数据；信号检测单元130用来对接收信号的有效性进行检测，在检测到有效信号后才向捕获与同步单元110和解调处理单元120输出启动信号，信号捕获与同步单元110和解调处理单元120在收到启动信号后进入工作状态。
有效信号是指在接收信号中，存在符合通信双方约定格式的信号，即接收信号确实是由与接收机通信的发射机发送的信号。接收机能够正确解读有效信号，其他的无效信号对接收机而言是噪声或干扰信号。如果对进入接收机的信号不加区别均令信号捕获与同步单元110与解调处理单元120进行处理，将显著降低终端的处理效率并大大增加终端的功耗。
在现有技术中，信号检测单元通常为接收机前端的射频或天线信号能量检测器实现。这种能量检测器时刻检测射频或天线信号的能量，当能量值大于某一门限值时，认为存在有效信号，启动信号捕获与同步单元110和解调处理单元120对接收信号进行处理。
如前所述，每个扩频信号在频域和时域上都与所有其他扩频信号以及相关的噪声相重叠，所以检测出的能量值中包括了噪声产生的能量。因此，这种有效信号的检测方法对信噪比非常敏感，设定的门限值能够适用的信噪比范围相当小。在较为复杂的环境下信噪比的波动范围较大，信号检测效果得不到保证。
发明内容
本发明要解决的问题是现有的接收机信号检测方法和装置能够适用的信噪比范围小的问题。
本发明所述直接序列扩频通信的信号检测方法包括以下步骤：
a)计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值；
b)计算所述相关值的平均值，搜索所述相关值的最大值；
c)如果计算出的最大值与平均值的比值大于预定有效阈值，则接收信号为有效信号。
优选地，所述步骤a)之前包括：以设定的接收信号长度为检测周期；
所述设定的接收信号长度不小于导频信号长度与搜索区间长度之和；所述搜索区间为接收信号的时域搜索范围。
优选地，步骤a)中通过匹配滤波器进行滑动相关计算。
优选地，所述步骤a)之前还包括：存储长度超过一个检测周期的接收信号。
优选地，步骤a)中通过相关器进行滑动相关计算。
优选地，所述预定有效阈值为5。
本发明还提供了一种直接序列扩频通信的信号检测装置，包括相关计算单元、平均值计算单元、最大值选择单元和阈值判决单元，其中：
相关计算单元计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值；
平均值计算单元计算相关计算单元输出相关值的平均值；
最大值选择单元搜索相关计算单元输出相关值的最大值；
阈值判决单元计算最大值选择单元输出的最大值与平均值计算单元输出的平均值之间的比值，当比值大于预定有效阈值时输出启动信号。
优选地，还包括信号存储单元，用来存储长度超过一个检测周期的接收信号，以及输出存储的接收信号至相关计算单元。
优选地，所述平均值计算单元包括累加器和除法器，其中累加器累加相关计算单元输出相关值的和值，除法器根据累加器输出的和值计算平均值。
优选地，所述检测周期为不小于导频信号长度与搜索区间长度之和的设定的接收信号长度，其中所述搜索区间为接收信号的时域搜索范围；
所述预定有效阈值为5。
本发明利用接收信号中导频信号和噪声信号在信号空间上的差异，通过检测导频信号均值和噪声信号均值的比值是否超过设定有效阈值来判断接收信号是否有效，从而能够在大的信噪比范围内采用固定的阈值对有效信号进行准确检测。
附图说明
图1所示为接收机信号接收装置的结构示意图；
图2所示为本发明所述信号检测方法的流程图；
图3所示为本发明所述信号检测装置的结构图；
图4所示为本发明第一实施例的结构图；
图5所示为本发明第一实施例中匹配滤波器的结构示意图；
图6所示为本发明第二实施例的结构图；
图7所示为本发明第二实施例中相关器的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中的检测天线或射频信号能量的方法之所以只能适用于小范围的信噪比，是因为这种检测方法没有考虑信号能量中包含的噪声能量。因此，本发明中，同时利用有效信号和噪声信号的统计特征来进行信号检测。
本发明的实施条件是通信信号中存在导频信号。在直接序列扩频通信中，几乎所有的通信系统都存在导频。导频的设置方式一般为两种：时分导频和并行导频。采用时分导频方式时，导频序列插入在数据序列的中间，并非时时存在；而采用并行导频方式时，导频序列与数据序列并行传输，导频序列始终都存在。本发明既适用于时分导频和并行导频，也适用于其他的导频方式。
本发明中，以检测周期为单位对接收信号进行检测。为便于处理，设定一定长度的接收信号作为检测周期。此设定的接收信号长度至少为导频信号长度与搜索区间长度之和。在进行信号检测时，通常会设定一个时间区间作为搜索范围，检测在这样一个时间区间内是否存在有效信号，这个搜索范围即为搜索区间。搜索区间的确定与具体的通信系统(如同步还是异步)、通信系统的工作环境以及所采用的搜索策略有关，应根据具体的情况确定。搜索区间的确定方法不影响本发明的实现。
本发明所述信号检测方法的流程请参见图2，在步骤S210，以设定的接收信号长度为检测周期。
在步骤S220，计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值。将接收信号与本地导频信号进行滑动相关运算，设导频信号长度为Npilot，搜索区间长度为Nsearch，如果检测周期为Npilot+Nsearch，则经过滑动相关运算后，获得的相关值个数至少为Npilot+Nsearch。
本步骤中的相关运算可以采用现有的能实时计算两种信号相关值的任一种方式进行，例如采用各种不同实现方式的匹配滤波器。
在步骤S230，计算所得相关值的平均值。这些相关值的平均值反映了检测周期内接收信号中噪声信号的能量均值。
在步骤S240，搜索所得相关值的最大值。导频信号通常是伪随机序列，具有很好的自相关特性，在存在有效信号的时候，最大相关值反映了有效信号的能量均值。
在步骤S250，计算所得相关值的最大值与平均值的比值。最大值与平均值的比值即为最大值除以平均值的结果。在存在有效信号时，该比值反映了有效信号与噪声信号之间的能量差异。
在步骤S260，判断最大值与平均值的比值是否大于预定有效阈值，如果是，则接收信号为有效信号；如果否，则接收信号为无效信号。
接收信号与导频信号相关值的获取可以实时进行也可以非实时进行。上述流程为实时工作流程。非实时流程只需在上述流程的步骤S220前增加一个步骤：存储长度超过一个检测周期的接收信号。之后，用存储的接收信号与导频信号完成有效信号判决。要存储的接收信号长度可以根据具体需要确定，只要超过一个检测周期即可。在非实时流程中，可以采用相关器进行相关运算。
图3所示为本发明所述信号检测装置的结构图。信号存储单元350将长度超过一个检测周期的接收信号存储下来，之后向相关计算单元310输出存储的接收信号。信号存储单元350是可选单元，只用于非实时的接收信号检测。在对接收信号进行实时检测时，由相关运算单元310直接进行信号接收。
相关运算单元310计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值，并将计算出的相关值输出至平均值计算单元320和最大值选择单元330。在进行接收信号的实时检测时，相关运算单元310应能够实时完成相关值的计算。关于相关运算在现有技术中已有多种实现，可参阅下文中的第一实施例和第二实施例。
平均值计算单元320计算相关计算单元310输出相关值的平均值，并将计算出的平均值输出至阈值判决单元340。
平均值计算单元320包括累加器321和除法器322，相关计算单元310输出的相关值先进入累加器321，由累加器321求出其和值输出给除法器322；由除法器322计算平均值。
最大值选择单元340在相关计算单元310输出相关值中搜索出最大值，并将此最大值输出至阈值判决单元340。
阈值判决单元340计算出最大值选择单元330输出的最大值与平均值计算单元320输出的平均值之间的比值，即最大值除以平均值的结果，并判断此比值是否大于预定有效阈值，在判断结果为是时输出启动信号，启动接收机中的信号捕获与同步单元和解调处理单元进入工作状态。
由于本发明同时统计了导频信号和噪声信号的均值，因此预定有效阈值的设定对信噪比不敏感。本发明推荐采用的预定有效阈值为5，此时，应用本发明的接收机可在SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)超过-2dB(分贝)的范围内可靠工作。
同时，直接序列扩频通信系统采用时分、并行或其他导频不会影响预定有效阈值的设定，本发明对导频的设置没有特殊的要求。
本发明第一实施例的信号检测装置对接收信号进行实时检测，其结构如图4所示。接收信号进入匹配滤波器410，匹配滤波器410计算检测周期内接收信号与导频信号的相关值，这些相关值输入至累加器420和最大值选择单元440；经累加器420和除法器430后输出这些相关值的平均值，经最大值选择单元440后输出这些相关值的最大值；平均值和最大值输入至阈值判决单元450，阈值判决单元450根据最大值与平均值的比值与预定有效阈值的比较结果决定是否输出启动信号。
匹配滤波器410可以采用图5所示的结构。设本地导频信号有N个导频码C0至CN-1，图5中的匹配滤波器相应包括N个移位延时单元T和N个乘法器，导频码C0至CN-1分别输入至N个乘法器；每两个移位延时单元T之间有一个抽头，将经过各个移位延时单元后的输入信号也送入到各个乘法器，与输入到该乘法器的导频码相乘；N个乘法器将相乘结果送入加法器求和，加法器的输出结果即为导频信号与输入信号的相关值。
本发明第二实施例的信号检测装置对接收信号进行非实时检测，其结构如图6所示。首先由存储器660存储所需长度的接收信号，之后将接收信号输出至相关器610；相关器610计算检测周期内接收信号与导频信号的相关值，并将各个计算结果输出至累加器620和最大值选择单元640；累加器620和除法器630输出所得相关值的平均值，最大值选择单元640输出所得相关值中的最大值；阈值判决单元650接收除法器630输出的平均值和最大值选择单元640输出的最大值，根据最大值与平均值的比值与预定有效阈值的比较结果决定是否输出启动信号。
图7所示为相关器610的一种简单实现。设本地导频信号有N个导频码C0至CN-1，输入信号与导频码逐次送入乘法器相乘，乘法器将相乘结果送入累加器，累加器将逐次相乘的结果累加求和，累加器的输出结果即为导频信号与输入信号的相关值。
在上述两个实施例中的结构图中，除法器中的M为累加相关值的数目。
本发明在进行信号检测时同时考虑了有效信号的能量和噪声信号的能量，因而可以在相当宽的接收信噪比范围内，尤其是低接收信噪比的情况下获得良好的信号检测性能，而且本发明易于实现，不需要复杂的装置。
以上所述本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直接序列扩频通信的信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值；
b)计算所述相关值的平均值，搜索所述相关值的最大值；
c)如果计算出的最大值与平均值的比值大于预定有效阈值，则接收信号为有效信号。
2.按照权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，所述步骤a)之前包括：以设定的接收信号长度为检测周期；
所述设定的接收信号长度不小于导频信号长度与搜索区间长度之和；所述搜索区间为接收信号的时域搜索范围。
3.按照权利要求2所述的信号检测方法，其特征在于：步骤a)中通过匹配滤波器进行滑动相关计算。
4.按照权利要求2所述的信号检测方法，其特征在于，所述步骤a)之前还包括：存储长度超过一个检测周期的接收信号。
5.按照权利要求4所述的信号检测方法，其特征在于：步骤a)中通过相关器进行滑动相关计算。
6.按照权利要求1至5任意一项所述的信号检测方法，其特征在于：所述预定有效阈值为5。
7.一种直接序列扩频通信的信号检测装置，其特征在于，包括相关计算单元、平均值计算单元、最大值选择单元和阈值判决单元，其中：
相关计算单元计算检测周期内的接收信号与本地导频信号的相关值；
平均值计算单元计算相关计算单元输出相关值的平均值；
最大值选择单元搜索相关计算单元输出相关值的最大值；
阈值判决单元计算最大值选择单元输出的最大值与平均值计算单元输出的平均值之间的比值，当比值大于预定有效阈值时输出启动信号。
8.按照权利要求7所述的信号检测装置，其特征在于：还包括信号存储单元，用来存储长度超过一个检测周期的接收信号，以及输出存储的接收信号至相关计算单元。
9.按照权利要求7或8所述的信号检测装置，其特征在于：所述平均值计算单元包括累加器和除法器，其中累加器累加相关计算单元输出相关值的和值，除法器根据累加器输出的和值计算平均值。
10.按照权利要求9所述的信号检测装置，其特征在于：所述检测周期为不小于导频信号长度与搜索区间长度之和的设定的接收信号长度，其中所述搜索区间为接收信号的时域搜索范围；
所述预定有效阈值为5。
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