专利名称：基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法
技术领域：
本发明为一种基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，属无线通信技术领域，涉及无线扩频通信技术、多用户检测技术、同频多相载波同步技术的研究。
背景技术：
扩频技木通过频谱展宽处理能够有效提高通信系统的抗干扰和保密性能，因而得到快速发展，广泛应用于军事通信、电子对抗等军事领域，同时在民用通信领域也得到了重视和应用。现有的无线扩频电台主要采用点对点的通信模式，在实现多点间通信时多采用轮询的方式，并没有实现同频同时的多点通信。这样就降低了扩频电台的通信效率，増加了系统时延。因此亟待开发ー种新的多用户扩频电台的实现方法，实现多个用户与接收机间在同一时刻、同一频段进行通信。
发明内容
本发明的目的在于，通过采用直接序列扩频通信方式实现多个用户在同一时刻、同一频段下的无线数据传输，其中发射机采用直接序列扩频方式对用户数据进行扩频；接收机采用并行干扰抵消方法去除多址干扰实现多用户的同时接收，并采用同频多相载波跟踪法对多个相位叠加的载波进行载波同步解调。本发明是采用以下技术手段实现的
一种基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于包括以下步骤
1.1.每ー个发射机将用户数据进行卷积编码处理，然后用分配的扩频码将编码后的数据进行数字扩频和BPSK (Binary Phase Shift Keying，二相相移键控)调制，再经过上变频和滤波处理后通过天线发送出去；
I.2.接收机接收到发射机发出的各个用户信号后，对其进行下变频处理，得到模拟中频信号，将该模拟中频信号进行可控增益放大处理，再送到模数转换采样芯片进行采样得到数字中频信号，将该数字中频信号进行数字下变频处理得到基带数字信号；
I.3.基带数字信号被送入码同步模块，通过捕获和跟踪操作实现扩频码同歩，以其中某一路用户为当前用户，则其余几路用户为干扰用户，利用并行干扰抵消算法提取干扰信号，并从基带数字信号中去除多个干扰用户对当前用户信号造成的多址干扰，得到去除干扰后的当前用户信号；
I.4.去除干扰后的当前用户信号在经过同步解扩后送到载波同步模块，此处利用同频多相载波跟踪法实现对当前用户的载波相位精确跟踪解调，然后通过位同步判决和差分解码处理得到当前用户编码后的数据，再对编码后的用户数据进行维特比译码得到当前用户接收数据；
I.5.将上述接收过程多路并行操作，每一路将当前用户的扩频码进行解扩、去扰、载波 同步等处理，在同一时刻、同一频率对多个用户数据进行接收和处理。
2、根据权カ要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于所述I. 2中采样前通过自动増益控制调整接收到的信号幅度，采样后利用数控振荡器产生正弦信号对采样后信号进行数字下变频处理，然后通过积分梳状滤波器和有限冲激响应修正滤波器实现滤波和抽取过程。3、根据权カ要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于所述I. 3中的码同步包括以下步骤
3. I通过滑动相关法进行捕获首先进行相关处理，经过滤波、平方检波、积分后送入比较器，当积分结果小于判决门限吋，比较模块输入ー个反馈控制信号去调整本地伪随机序列码的相位，重新进入新一轮的相关处理，直到积分器的输出结果大于门限值即捕获成功，同时输出标识进入跟踪模块；
3.2跟踪模块采用非相干延迟锁定环实现细同步捕获信号分为两路分别与超前和滞后半个码元周期的本地參考信号相乘，通过平方运算电路进行平方运算，再通过低通滤波 器进行滤波，经过处理的两路信号送给鉴相器进行相減，根据鉴相器输出的结果来调整本地扩频码的相位，最終使得发射端与接收端的伪随机序列码相位误差缩小到小于正负1/16个码元周期；
3.3跟踪电路要实时检测判断伪随机序列码同步是否丢失，一旦检测同步丢失则立即转入3. I中的捕获阶段进行新ー轮的同步过程。4、根据权カ要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于I. 3中所述并行干扰抵消算法包括以下步骤
4.I利用跟踪模块得到当前所有用户扩频序列的相位并计算互相关系数，同时将跟踪解扩后的信号进行再次扩频，然后乘以互相关系数得到干扰信号；
4.2基带数字信号减去干扰信号得到去除干扰后的当前用户信号。5、根据权カ要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于I. 4中的同频多相载波跟踪法包括以下步骤
5.I同时采用前4组相位依次延迟的本地载波与解扩输出信号相乗，然后经过滤波器和积分器得到积分結果，选择积分结果最高的一路为最终本地载波同步解调结果输出；
5.2上述5. I中过程实时进行，一旦原载波相位变动则积分结果变动，则重新判决，选择积分结果最高即相位匹配最佳的一路作为结果输出。本发明为一种基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果
接收机中采用并行干扰抵消方法实现对于多个用户相互间多址干扰的抑制。通过去除系统的自干扰可以使得多个用户在同一时刻、同一频段下进行数据传输，提高了系统用户容量和频带利用率。多用户同时传输可以降低传统轮询方式所帯来的系统延时，每个用户数据传输时间不再受到其它用户的限制。在载波同步模块创新的使用了同频多相载波跟踪法。该方法针对系统多个用户发送的载波相位叠加、且每个用户通过无线信道到达接收机的载波相位随信道特性变化，传统鉴相模块无法实现对当前用户载波相位准确跟踪的问题，通过本地重构多路相位依次延迟的载波来实现对当前用户时变相位的准确跟踪，保证了系统进行准确的同步解调。与传统载波跟踪方法相比，由于没有添加导频信号所以提高了系统的发射效率；没有采用鉴相模块因而降低了系统载波同步建立时间。
图I (a)为本发明的发射机系统框 图I (b)为本发明的接收机系统框 图2为自动增益控制流程 图3为滑动相关捕获法原理图； 图4为非相干延迟锁定环跟踪法原理 图5为并行干扰抵消法实现原理 图6为同频多相载波跟踪法原理图。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明的实施例做进ー步的说明
本发明主要分成发送机和接收机两部分，发送机主要完成对用户数据的编码扩频和调制发送功能，发射机系统框图如图I (a)所示。接收机则要完成对同一时间同一频段内的多个发射信号进行同时准确接收，在模拟信号处理后，数字部分需要对接收到的多路叠加信号进行相应的同步解扩、干扰去除和同步解调等处理，以实现对多路信号的分离和解码。接收机系统框图如图I (b)所示。系统的软件实现方式可以根据系统工作状态进行灵活配置，而不需要改动硬件配置。当用户数量较少时，考虑到系统的内部多址干扰较小，在保证数据传输误码率满足要求的条件下，可以采用较短的伪随机序列码和单级干扰去除方法以提高系统带宽和数据传输速度。当用户数量较多时，为保证系统传输准确率，可以选择较复杂的伪随机序列码和多级干扰去除方法。接收机将接收到的射频模拟信号先进行模拟下变频得到模拟中频信号，然后对此模拟中频信号进行可控增益放大，将信号幅值放大到模数转换模块要求的幅值范围内，如图2所示。首先进行信号幅值鉴别，计算N点信号的绝对值之和，将结果与设定的上下门限进行相减，将得到的差值信号送入环路滤波器进行环路滤波处理，从而得到可控放大器的控制字，可控放大器根据此控制字修改放大倍数，实现对中频信号的自动增益控制。经过增益控制后的中频模拟信号再送到模数转换模块得到数字中频信号，然后经过数字下变频后得到基带数字信号。基带数字信号首先送到码同步模块，通过如图3所示的滑动相关捕获法实现粗同步过程。基带数字信号分成两路，一路作为參考信号直接通过带通滤波器，另一路先与本地当前相位的伪随机序列码进行相乘解扩，然后再通过带通滤波器。滤波后两路信号均通过平方检波运算后按照系统设定积分长度进行积分操作。将两路信号的积分结果进行比较，如果解扩路信号的积分结果与參考路信号相比达到一定预设值，则认为本地当前相位的伪随机序列码实现了对接收信号的捕获，此时本地伪随机序列码和接收的基带数字信号伪随机序列码相位的定时误差在半个码元周期以内。如果没有达到预设值，则认为本地伪随机序列码没有实现对接收信号的捕获，此时需要重新调整本地扩频码的相位，再次进行前述捕获操作直至实现捕获为止。捕获后的接收信号送到如图4所示的非相干延迟锁定环跟踪模块实现对扩频接收系统的细同歩。即实现接收机本地伪随机序列码和发射机伪随机序列码相位的准确对齐，同时跟踪发送端伪随机序列码相位的改变。输入信号首先分成两路分别和超前半个码元周期的伪随机序列码、滞后半个码元周期的伪随机序列码相乘，然后分别通过带通滤波器、平方检波、积分后送入比较器做相减比较，根据比较结果调整本地伪随机序列码的相位。由于系统采用8倍采样率，跟踪的结果可使得接收端伪随机序列码和发射端伪随机序列码相位差距缩小到正负1/16个码元周期内。用此伪随机序列码与输入信号进行相乘即可实现同步解扩。 图5所示为并行干扰抵消法实现原理图，下面以一路用户信号A为例详述算法的执行过程。当接收到的基带数字信号r (η)通过用本地A用户的扩频码(简称PNA)进行捕获和跟踪后进行初歩解扩，同时从跟踪模块得到当前相位的PM。同样另外的几路信号进行类似处理分别得到B用户当前相位的扩频码(简称PNB)和C用户当前相位的扩频码(简称PNC)。序列互相关系数计算公式
A
P =(O
-4+ ￡)
其中，A为两序列对应位相同的个数；D为两序列对应位不同的个数。利用公式(I)可以计算得到当前相位的各个扩频序列的相关系数矩阵为
Σ^·(2)
利用公式(2)可以计算得到PNA和PNB之间的互相关系数AiS ,PNB和PNC之间的互相
关系数/ ,PNA和PNC之间的互相关系数Aie。将二次扩频信号BI和/^相乘，得到B用
户对A用户的干扰；二次扩频信号Cl与P紀相乗，得到C用户对A用户的干扰。将上述两
个干扰信号相加即可得到当前B和C用户对A用户形成的多址干扰
XPbc^ ^(3 )
将接收信号r (η)减去该多址干扰得到去扰后的信号Α2，将Α2送到后续的捕获模块再次进行同步解扩、解调滤波等后续处理，如此便实现了对用户A的ー级多用户干扰抵消操作。系统同时对B和C用户实行类似A用户的操作实现并行处理，当用户数量较多干扰较为强烈时接收系统可采用多级干扰抵消操作，以降低系统内部自干扰引起的误码。图6所示为同频多相载波跟踪法原理图，利用此部分实现对多路用户相位叠加的载波信号进行同步解调。本系统采用的是8倍采样率，即每个载波周期有8个相位，后4个相位和前面4个相位相差V相位，由于系统采用了差分编码可以去掉倒,相位的影响，所以本地只采用前半周期4个相位进行载波相位跟踪。本地产生初始相位依次递减的4路本地载波信号a、b、c、d，分别于解扩信号y (η)相乗，之后依次通过滤波器进行相应的幅度和相位修正，再通过积分器，其中积分周期=处理增益X采样率，将积分结果送到比较器进行比较判决，选择判决积分结果最高的一路作为相位匹配最佳的一路，即最终本地载波同步解调结果输出。上述过程实时进行，如果由于发送端或无线信道的较大变化引起接收端载波相位改变则积分结果变动，载波同步模块就重新判决选择相位匹配最佳的一路进行同步解调。
权利要求
1. 一种基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于包括以下步骤 1.1.每一个发射机将用户数据进行卷积编码处理，然后用分配的扩频码将编码后的数据进行数字扩频BPSK (Binary Phase Shift Keying，二相相移键控)调制，再经过上变频和滤波处理后通过天线发送出去； I. 2.接收机接收到发射机发出的各个用户信号后，对其进行下变频处理，得到模拟中频信号，将该模拟中频信号进行可控增益放大处理，再送到模数转换采样芯片进行采样得到数字中频信号，将该数字中频信号进行数字下变频处理得到基带数字信号； I. 3.基带数字信号被送入码同步模块，通过捕获和跟踪操作实现扩频码同步，以其中某一路用户为当前用户，则其余几路用户为干扰用户，利用并行干扰抵消算法提取干扰信号，并从基带数字信号中去除多个干扰用户对当前用户信号造成的多址干扰，得到去除干扰后的当前用户信号； I. 4.去除干扰后的当前用户信号在经过同步解扩后送到载波同步模块，此处利用同频多相载波跟踪法实现对当前用户的载波相位精确跟踪解调，然后通过位同步判决和差分解码处理得到当前用户编码后的数据，再对编码后的用户数据进行维特比译码得到当前用户接收数据； 1.5.将上述接收过程多路并行操作，每一路采用当前用户的扩频码进行解扩、去扰、载波同步等处理，同一时刻、同一频率对多个用户数据进行接收和处理。
2.根据权力要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于所述I. 2中采样前通过自动增益控制调整接收到的信号幅度，采样后利用数控振荡器产生正弦信号对采样后信号进行数字下变频处理，然后通过积分梳状滤波器和有限冲激响应修正滤波器实现滤波和抽取过程。
3.根据权力要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于所述I. 3中的码同步包括以下步骤 3.I通过滑动相关法进行捕获首先进行相关处理，经过滤波、平方检波、积分后送入比较器，当积分结果小于判决门限时，比较模块输入一个反馈控制信号去调整本地伪随机序列码的相位，重新进入新一轮的相关处理，直到积分器的输出结果大于门限值即捕获成功，同时输出标识进入跟踪模块； 3.2跟踪模块采用非相干延迟锁定环实现细同步捕获信号分为两路分别与超前和滞后半个码元周期的本地参考信号相乘，通过平方运算电路进行平方运算，再通过低通滤波器进行滤波，经过处理的两路信号送给鉴相器进行相减，根据鉴相器输出的结果来调整本地扩频码的相位，最终使得发射端与接收端的伪随机序列码相位误差缩小到小于正负1/16个码元周期； 3.3跟踪电路要实时检测判断伪随机序列码同步是否丢失，一旦检测同步丢失则立即转入3. I中的捕获阶段进行新一轮的同步过程。
4.根据权力要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于I. 3中所述并行干扰抵消算法包括以下步骤 4.I利用跟踪模块得到当前所有用户扩频序列的相位并计算互相关系数，同时将跟踪解扩后的信号进行再次扩频，然后乘以互相关系数得到干扰信号；.4.2基带数字信号减去干扰信号得到去除干扰后的当前用户信号。
5.根据权力要求I所述基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，其特征在于1. 4中的同频多相载波跟踪法包括以下步骤 .5.I同时采用前4组相位依次延迟的本地载波与解扩输出信号相乘，然后经过滤波器和积分器得到积分结果，选择积分结果最高的一路为最终本地载波同步解调结果输出； .5.2上述5. I中过程实时进行，一旦原载波相位变动则积分结果变动，则重新判决，选择积分结果最高即相位匹配最佳的一路作为结果输出。
全文摘要
本发明提供一种基于并行干扰抵消算法的多用户扩频电台实现方法，实现在同一时刻、同一频率上多个用户与接收机之间的数据传输。并行干扰抵消算法在接收机上实现。在算法之前接收机的码同步模块输出当前相位的扩频码，解扩模块输出初次解扩信号。并行干扰抵消算法首先利用扩频码对初次解扩信号进行二次扩频，同时计算不同用户扩频码的互相关系数；然后将各个干扰用户的二次扩频信号分别和对应的互相关系数相乘相加得到干扰信号；再将基带数字信号减去干扰信号得到去扰后的基带信号。最后对去扰后的基带信号进行码同步、解扩、载波同步解调即可得到当前用户数据。本发明通过将上述过程并行操作可实现多个用户与接收机之间在同一时刻、同一频段进行无线电台通信和数据传输。
文档编号H04L1/00GK102684737SQ20111005652
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者乐磊, 何苏勤, 王小庆, 王昊, 白天石, 苏军龙 申请人:北京化工大学