CN1889416A - 直接序列扩频通信系统中的定时估计装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，包括：依次连接的匹配滤波器、三路相关器、累加处理模块以及定时估计器。本发明还涉及一种直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，包括以下步骤：捕获电路利用匹配滤波器输出的过采样信号进行扩频码捕获；在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，并存储所述三路相关器输出的相关值；对接收符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值；定时估计器通过二项式插值计算接收信号的定时偏差并输出。本发明利用二次插值得到定时偏差估计，定时偏差的估计精度可以通过增加数据块的长度得到提高。

Description

直接序列扩频通信系统中的定时估计装置及方法

技术领域

本发明涉及一种直接序列扩频通信系统中的定时估计装置及方法，尤其是一种在直接序列扩频通信系统扩频码捕获后，可以进行更加精确的定时估计的定时估计装置及方法。属于通信中的定时同步技术领域。

背景技术

在直接扩频通信系统中，必须首先进行扩频码的同步，才能正确解调接收信号。所谓扩频码的同步，是指利用扩频码的自相关特性，调整接收机本地扩频码序列相位，使之与接收信号扩频码序列的相位一致。通常扩频码的同步分为捕获和跟踪两个过程。捕获后，本地扩频码与接收信号扩频码定时偏差通常在±T_c/2M以内，其中T_c为扩频码片宽度，M为过匹配滤波器后的信号的过采样率。捕获实现了扩频码的初始同步。为了提高解调性能，需要在捕获的基础上进一步提高码同步精度，这通常是用码跟踪来实现的。码跟踪是指动态地维持该同步，并使扩频码定时偏差尽量小的过程。

码跟踪常采用非相干超前滞后跟踪环路，将超前滞后两个相关器输出的非相干相关值之差经过环路滤波器后作为调整信号选择最佳采样值，采用非相干超前滞后跟踪环路进行定时同步的电路结构如图1所示。这种非相干超前滞后跟踪环路包括同相匹配滤波器1、正交匹配滤波器2、插值滤波器3、三路相关器即准时相关器4，滞后相关器5，超前相关器6，以及取模器7，还包括用于生成调整信号的码产生器10，当滞后相关器5和超前相关器6计算出的相关值取模，再通过环路滤波器8和码钟9，最终获得用来选择最佳采样值的调整信号。这种方式的定时精度决定于环路滤波器带宽，当环路滤波器带宽比较宽时，定时精度往往不够高。而且这种反馈式的结构需要一定的时间才能使得环路锁定，不适合突发通信的情况。

为了适应突发通信的情况，还可以直接进行定时偏差的估计，然后根据估计的定时偏差选择最佳采样值或者插值得到最佳采样值。对于宽带扩频通信系统，采样率低，算法简单高效的定时估计方法是必须的，这样可以有效的降低实现难度，但现有的许多定时偏差的估计方法或者不够简单，或者需要较高的采样率，很难满足宽带扩频通信系统的要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的定时估计方法中的缺陷，提供一种直接序列扩频通信系统中的定时估计装置及方法，既可对直接序列扩频信号进行定时估计，而且采样率低，算法简单高效。

为实现上述目的，本发明提供了一种直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，包括：

匹配滤波器，用于接收输入的同相信号和正交信号，输出过采样信号；

三路相关器，与所述匹配滤波器相连，用于输出三个不同定时偏差对应的相关值；

累加处理模块，与所述三路相关器相连，用于计算所述三个不同定时偏差对应的相关值的相干累加值或非相干累加值；

定时估计器，与所述累加处理模块相连，用于根据累加处理模块输出的相干累加值或非相干累加值进行插值计算，获得与相关值最大值对应的时刻。

在上述技术方案中，所述匹配滤波器可进一步包括：

同相支路匹配滤波器，与所述三路相关器相连，用于接收输入的同相信号，并输出过采样信号；

正交支路匹配滤波器，与所述三路相关器相连，用于接收输入的正交信号，并输出过采样信号。

所述三路相关器也进一步包括：

准时相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后准时路的相关值；

超前相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后超前路的相关值；

滞后相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后滞后路的相关值。

当处于相干方式的工作状态，所述累加处理模块还可以包括：

数个相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将数据块的相关值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值；

数个累加器，与对应的所述数个相干处理器和定时估计器相连，用于将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。

当处于非相干方式的工作状态，所述累加处理模块进一步包括：

数个非相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将所述三路相关器输出的相关值进行取模运算或求模方运算，并输出相关值的模或模方；

数个累加器，与对应的所述数个非相干处理器和定时估计器相连，用于将所述相关值的模或模方进行累加，并输出非相干累加值。

为实现上述目的，本发明还提供了一种直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，包括以下步骤：

步骤1，捕获电路利用匹配滤波器输出的过采样信号进行扩频码捕获；

步骤2，在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，并存储所述三路相关器输出的相关值；

步骤3，对接收到的符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值；

步骤4，定时估计器通过二项式插值计算出所述接收信号的定时偏差估计值，并输出。

基于上述技术方案，本发明将数据分块，然后利用简单的二项式插值得到定时偏差。定时偏差的估计精度可以通过增加数据分块的长度得到提高。过采样率M最小可取到2，此时整个装置最高工作在两倍码片速率，为宽带扩频通信系统的接收机提供了一种简单有效的定时估计方法和装置。对于非相干方式，由于不需要知道数据以及载波相位信息，适于系统初始同步。若采用相干方式，对于采用了高增益编码的直接序列扩频系统，这种将数据分块存储处理的前馈定时估计方式，可以利用解码器的输出反馈给定时估计模块，提高定时估计的精度，进行定时估计和解码的联合迭代，从而使得定时同步的性能大大优于传统的非相干码环。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有的非相干超前滞后跟踪环路进行定时同步的电路结构示意图。

图2为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计装置的电路基本结构示意图。

图3为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计装置的电路具体结构示意图。

图4为本发明定时估计装置中非相干处理器的结构示意图。

图5为本发明定时估计装置中相干处理器的结构示意图。

图6为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的基本流程示意图。

图7为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的在非相干方式下的实施例的流程示意图。

图8为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的在相干方式下的实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了适应突发通信的情况，本发明直接进行定时偏差的估计，为了实现较高的定时精度，本发明利用数据分块以及二项式插值的方式获得定时偏差，有效地提高了估计精度。本发明既可以根据要求采用相干方式，也可以采用非相干方式。若工作在相干方式下，利用了解码的反馈信息进行迭代估计与解码，性能通常大大优于传统方法。

如图2所示，为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计装置的电路基本结构示意图，包括顺次相连的匹配滤波器12、三路相关器14、累加处理模块15和定时估计器16。其中信号进入匹配滤波器后，可以提高信噪比，输出的M倍采样信号进入三路相关器14进行相关运算，获得准时路、超前路和滞后路的相关值，然后再通过累加处理模块15来计算出以上三个不同定时偏差对应的相关值的相干累加值或非相干累加值；最后定时估计器16在根据累加处理模块15输出的相干累加值或非相干累加值进行插值计算，获得与相关值最大值对应的时刻。最后获得的定时偏差可以用来进行信号恢复，获得同步后的信号。

如图3所示，为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计装置的电路具体结构示意图，其中匹配滤波器根据进入信号的不同分为同相支路匹配滤波器1和正交支路匹配滤波器2，分别接收同相信号和正交信号，然后能够提高进入信号的信噪比，再通过捕获电路13以M倍采样信号进行扩频码捕获，捕获后准时路的定时偏差不超过±T_c/2M。三路相关器对应着三种不同定时偏差，包括准时路的准时相关器4、滞后路的滞后相关器5以及超前路的超前相关器6，其中超前路和滞后路相对于准时路分别超前T_c/M和滞后T_c/M。

本发明的定时估计装置可以针对相干检测方式和非相干检测方式进行分别的处理，当不知道载波相位和数据符号的信息，可以采用非相干方式，并采用非相干处理器，如图4所示，为本发明定时估计装置中非相干处理器的结构示意图。在非相干工作方式下，首先对收到的符号信号进行分块，然后三路相关器输出的三个相关值通过三个取模器或求模方器进行取模运算或求模方运算，然后利用累加器18对属于一个数据块的符号对应的三个相关值的模或模方进行N次累加，从而得到准时、滞后和超前三路非相干相关值的累加值。

如果已知载波相位和数据符号的信息或者它们的估计值，可以采用相干方式，并采用相干处理器，如图5所示，为本发明定时估计装置中相干处理器的结构示意图。在相干工作方式下，在数据分块后，利用载波相位的信息(例如估计的载波相位 )和数据符号的信息(例如由解码器反馈的信息

)将数据块的相位和符号调制的影响消除掉，并获得相干的相关值。再通过累加器18对属于一个数据块的符号对应的三个相关值的实部进行N次累加，从而得到准时、滞后和超前三路相干相关值的累加值。

基于以上的定时估计装置，本发明还提供了直接序列扩频通信系统中定时估计的方法，如图6所示，为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的基本流程示意图，包括以下步骤：

步骤101，接收机的捕获电路利用同相正交两路信号的匹配滤波器输出的M倍过采样信号，进行扩频码捕获，其中M优选2以及2以上的自然数，捕获后准时路的定时偏差在+T_c/2M与-T_c/2M之间；

步骤102，在扩频码捕获后，在每个符号周期，利用准时路、超前路和滞后路的相关器进行相关运算，并将计算出的相关值进行存储，其中，超前相关器和滞后相关器在计算相关值时相对于准时路分别超前和滞后T_c/2M；

步骤103，对接收到的符号进行数据分块，并根据工作方式对每一个数据块都计算相干累加值或非相干累加值；

步骤104，定时估计器通过二项式插值计算出接收信号的定时偏差估计值，并输出。

下面具体描述一下在本发明不同工作方式下的操作流程。

实施例1

在非相干工作方式下，采用非相干处理器进行相关值的累加处理，如图7所示，为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的在非相干方式下的实施例的流程示意图，在本实施例中，所涉及的输入信号为直接序列扩展频谱信号，扩频序列是周期为127的戈尔德码(GOLD)序列通过补零而获得的，周期为128。并采用QPSK调制，信息速率为512kbps，符号速率为256kps，扩频比为128，并采用码长为1056，1/2码率的LDPC码。采用的信道为加性高斯白噪声信道。

经过滤波解调的基带模拟信号进入A/D变换器变换成基带数字信号，基带数字信号在载波同步器的控制下对信号进行残余频偏的纠正，纠正残余频偏后的信号进入匹配滤波器进行最佳接收。接收后的信号以2倍采样速率进行过采样，参见图7的步骤201，接收机的捕获电路对匹配滤波器输出的2倍过采样信号进行扩频码捕获；在扩频码捕获后，三路相关器在每个符号周期对本地扩频码和与准时路、超前路以及滞后路对应的过采样信号进行相关运算，获得准时、超前以及滞后三路的相关值，参见图7的步骤202；步骤203，将接收后到的符号进行数据分块，分成预定长度的数据块，其中数据块的长度与最后获得的定式偏差的精度有关，如果增加数据块的长度，则可以提高定时偏差的估计精度；步骤204，在非相干方式下，将获得的相关值进行取模运算，并输出相关值的模；步骤205，将相关值的模进行累加，并输出非相干累加值；步骤206，定时估计器通过二项式插值计算出接收信号的定时偏差估计值。

无噪声的时候，当定时偏差为0，无论是非相干还是相干的相关值都是最大的，相关值与定时偏差的关系曲线近似为抛物线，再根据三路相关器输出的三个不同定时偏差对应的相关值，利用二项式插值计算出相关值最大时对应的时刻，该时刻为最佳的定时偏差；对于有噪声的情况，通过数据分块以及累加相关值的方式提高信噪比，并获得更精确的定时估计值。假定三路相关器的定时偏差分别为τ_-1、τ₀和τ₁，其中τ₀为捕获后准时路残余的定时偏差，τ_-1＝τ₀-T_c/M，τ₁＝τ₀+T_c/M。对应的三路N个符号的(非相干/相干)相关值的累加值为R_N(τ_-1)、R_N(τ₀)和R_N(τ₁)，则定时估计

可表示为：

$\widehat{\mathrm{\τ}}={\mathrm{\τ}}_{-1}+[0.5+\frac{R_N\left({\mathrm{\τ}}_0\right)-R_N\left({\mathrm{\τ}}_{-1}\right)}{2R_N\left({\mathrm{\τ}}_0\right)-R_N\left({\mathrm{\τ}}_{-1}\right)-R_N\left({\mathrm{\τ}}_1\right)}]T_s,$

其中T_s＝T_c/M为采样间隔，在本发明中，M最小可为2，此时T_s为T_c/2。

本实施例中所采用的信号序列、调制方式、信道等并非作为本发明的实施限制条件，而仅是提供一种实现的方式，而本发明并不局限于以上的实施条件。本实施例适合于系统的初步同步。

实施例2

在已知载波相位和数据符号的信息或者估计值时，可以进行相干方式的处理，通常用于高增益编码的直接序列扩频系统如图8所示，为本发明直接序列扩频通信系统中的定时估计方法的在相干方式下的实施例的流程示意图。

本实施例中步骤301、302与上一实施例近似，在步骤303中，将接收到的符号进行数据分块，分成预定长度的数据块，假定数据块长为1056，即每1056个符号完成一次定时偏差估计；步骤304中，将数据块的相干值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值。载波估计器可以根据上一次LDPC解码器的输出进行更精确地载波相位估计，与上一实施例不同，在扩频码捕获后，不进行初始的定时估计，而是直接将准时路的相关值输出给LDPC解码器。在以后的每次迭代中，将上一次的迭代得到的载波相位

和数据符号的估计值

输入到相干处理器进行相位消除和消除符号调制信息，最后将实部输出，并在步骤305中利用累加器进行N次累加，最后步骤306中利用二项式插值计算出定时偏差。计算出的定时偏差用来进行信号恢复，恢复的信号进入LDPC解码器，然后再进行下一次的迭代。

从上述两个实施例可以看出，本发明采用的是一种前馈式的定时估计方法，而且可以将解码迭代的过程与定时估计结合起来，不仅从效率上，还从估计精度上提高了定时估计的效果，从而对突发通信有很好的效果。另外，如果工作在相干方式下，利用了解码的反馈信息进行迭代估计与解码，性能通常大大优于传统方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1、一种直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，其特征在于，包括：

匹配滤波器，用于接收输入的同相信号和正交信号，输出过采样信号；

三路相关器，与所述匹配滤波器相连，用于输出三个不同定时偏差对应的相关值；

累加处理模块，与所述三路相关器相连，用于计算所述三个不同定时偏差对应的相关值的相干累加值或非相干累加值；

定时估计器，与所述累加处理模块相连，用于根据累加处理模块输出的相干累加值或非相干累加值进行插值计算，获得与相关值最大值对应的时刻。

2、根据权利要求1所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，其特征在于，所述匹配滤波器进一步包括：

同相支路匹配滤波器，与所述三路相关器相连，用于接收输入的同相信号，并输出过采样信号；

正交支路匹配滤波器，与所述三路相关器相连，用于接收输入的正交信号，并输出过采样信号。

3、根据权利要求1所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，其特征在于，所述三路相关器进一步包括：

准时相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后准时路的相关值；

超前相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后超前路的相关值；

滞后相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后滞后路的相关值。

4、根据权利要求1所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，其特征在于，所述累加处理模块进一步包括：

数个相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将数据块的相关值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值；

数个累加器，与对应的所述数个相干处理器和定时估计器相连，用于将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。

5、根据权利要求1所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计装置，其特征在于，所述累加处理模块进一步包括：

数个非相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将所述三路相关器输出的相关值进行取模运算或求模方运算，并输出相关值的模或模方；

数个累加器，与对应的所述数个非相干处理器和定时估计器相连，用于将所述相关值的模或模方进行累加，并输出非相干累加值。

6、一种直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，捕获电路利用匹配滤波器输出的过采样信号进行扩频码捕获；

步骤2，在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，并存储所述三路相关器输出的相关值；

步骤3，对接收到的符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值；

步骤4，定时估计器通过二项式插值计算出所述接收信号的定时偏差估计值，并输出。

7、根据权利要求6所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，其特征在于，所述步骤1具体为：捕获电路利用同相信号匹配滤波器和正交信号匹配滤波器输出的M倍过采样信号，进行扩频码捕获，捕获后信号的定时偏差在+T_c/2M与-T_c/2M之间，其中所述M为大于等于2的自然数，T_c为扩频码片宽度。

8、根据权利要求7所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在扩频码捕获后，在每个符号周期利用准时相关器、超前相关器以及滞后相关器将本地扩频码和与准时路、超前路以及滞后路对应的过采样信号进行相关运算，并存储输出的相关值，所述超前相关器相对于准时相关器以超前T_c/M相位的方式进行相关值计算，所述滞后相关器相对于准时相关器以滞后T_c/M相位的方式进行相关值计算；其中T_c为扩频码片宽度，M为一大于等于2的自然数。

9、根据权利要求6所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

步骤31，将接收到的符号进行数据分块，分成预定长度的数据块；

步骤32，在非相干方式下，将获得的相关值进行取模或求模方运算，并输出相关值的模或模方；

步骤33，将所述相关值的模或模方进行累加，并输出非相干累加值。

10、根据权利要求6所述的直接序列扩频通信系统中的定时估计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

步骤31’，将接收到的符号进行数据分块，分成预定长度的数据块；

步骤32’，在相干方式下，将数据块的相关值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值；

步骤33’，将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。

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