专利名称：分集最大似然扩频通信位同步方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及扩频通信位同步的方法和系统，更具体地涉及用于弱信号情况的分集最大似然扩频通信位同步方法和系统。
背景技术：
扩频通信广泛应用于移动通信、卫星导航等领域。位(比特)同步技术是扩频通信技术中的重要内容。每一个调制电文码元期内包含多个周期的伪随机码，实现位同步，即确定接收信号中调制电文的比特边界的位置，是实现解调电文、伪距计算以及利用相干累加实现高灵敏跟踪的基础。在由谢钢所著的《GPS原理与接收机设计》(北京，电子工业出版社，2009)中和由 Krumvieda K. Xloman C. 、01son Ε. >Thomas J. 、Kober W.禾口 Madhani P.于 2001 年 9 月在犹他州盐湖城的ION GPS会议发表在会议记录第789-8 页的《A Complete IF Software GPS Receiver :A Tutorial About the Details》中，公开了用于位同步的传统的直方图方法。传统的直方图方法是一种被广泛使用的统计估计方法，它通过统计相关器或者锁相环输出的前后数据的符号变化来进行检测。以GPS为例，输出数据的周期是1ms，一共有20个比特边界候选位置，经过一段时间的统计，如果其中一个比特边界候选位置的符号翻转次数明显多于其他位置，那么就判决该比特边界候选位置为比特边界。该方法本质上是对数据输出进行了硬判决，只使用了相邻两个伪随机码(C/A码)周期的符号变化，而不是全部 20个周期(20ms)的能量，因此在低信噪比时性能较差。Dafesh P.在美国专利US 70似930中公开了一种用硬件实现的位同步方法。在这种算法中，接收机利用20个并行相关器对接收信号进行时间长度为20ms的相干积分，并使20个相关支路的相干积分起始沿分别相差1ms，然后检测这20个相干积分结果的信噪比，若某条支路相干积分结果信噪比最小，则相应的相干积分起始沿必定与比特边界相差 10ms，发生了数值正负抵消，导致了相干积分结果信噪比最低。Kaplan Ε.在 2006 年由 Artech House, Inc.出版的《Understanding GPS Princples and Applications, Second Edition》中提到，科思塔斯环对 20 个 Ims 长的相干积分值进行相加，然后根据和的正负来判断该20ms长的正常数据比特值。丹麦Aalborg 大学的 Rinder P.禾口 Bertelsen N.于 2004 年在硕士论文《Design of Single Frequency GPS Software Receiver))中采用了求平均值的方法，首先将Ims宽的数据比特表达成+1 和-1的形式，如果20个Ims长的数据比特电文平均值彡+0. 9或者彡-0. 9，那么相应的数据比特就判为+1或者-1 ；如果电文平均值介于+0. 9至-0. 9之间，则这一数据比特解调结果视为无效，或者当前位同步结果是错误的。Kokkonen M, S Pietila. ψ 2002 ^4^ IEEE Positioning, Location, and Navigation Symposium(PUVNS) ±胃@白勺《A New Bit Synchronization Method of a GPS Receiver》中提出了最大似然方法(Maximum likelihood/ML)，并应用于GPS。该方法把每个比特边界候选位置之后的连续20个数据进行累加，求包络得到相应的比特能量，再把比特能量通过一段时间的累积，获得对应20个位置中比特能量最大的位置，即比特边界的位置。最大似然算法比直方图法性能要好，通过分析，在20dB_Hz下，需要如时间可以得到可靠的同步。kidan在2006年由英国伦敦Artech House出版的《The GNSS Technology and Application Series》中的《GNSS Receivers for Weak Signals》中，给出了一种利用 Viterbi算法对最大似然估计的实现，对最大似然方法的具体实现进行了简化。在实际使用位同步算法的过程中，为了保证在低信噪比情况下较低的错误估计概率Estimation Error Rate/EER)，常固定一个较长的检测时间。但对于强信号，固定一个长的检测时间延长了平均估计时间，从而对于卫星导航接收机来说，延长了首次定位时间 (Time to First Fix/TTFF)。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种分集最大似然扩频通信位同步方法，所述方法包括(1)设定非相干积分总长度N、非相干积分子段长度M和子段数K，其中N = KXM, K和M均是整数；(2)在电文的伪随机码的每个周期t开始时，计算对应于当前比特边界候选位置的单比特能量；(3)每当为一个比特边界候选位置计算了 M个对应于其的单比特能量时，将所述M 个单比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的M比特能量；(4)每当为所有的L个不同的比特边界候选位置中的每一个分别计算了对应于其的M比特能量时，就将所述L个M比特能量进行比较，选出所述L个M比特能量中的最大值， 并且记录出现所述最大值的比特边界候选位置；(5)每当为所述L个比特边界候选位置中的每一个分别计算了 K个M比特能量时，<1>将每个比特边界候选位置处的所述K个M比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的总能量，且<2>统计在每个比特边界候选位置处出现M比特能量最大值的次数，并记录出现M 比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置；(6)如果存在唯一的比特边界候选位置，使得<1>该比特边界候选位置是所述出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置，且<2>对应于该比特边界候选位置的总能量在所述L个比特边界候选位置中是最大的，则判决该比特边界候选位置为比特边界。在本发明的另一方面，提供了一种分集最大似然扩频通信位同步系统，所述系统包括M比特能量最大值位置统计模块，能量计算模块，与判决模块；其中(1)所述系统设定非相干积分总长度N、非相干积分子段长度M和子段数K，其中N =KXM，K和M均是整数；(2)在电文的伪随机码的每个周期t开始时，所述能量计算模块计算对应于当前比特边界候选位置的单比特能量；(3)每当为一个比特边界候选位置计算了 M个对应于其的单比特能量时，所述能量计算模块将所述M个单比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的M比特能量；(4)每当所述能量计算模块为所有的L个不同的比特边界候选位置中的每一个分别计算了对应于其的M比特能量时，所述M比特能量最大值位置统计模块就将所述L个M 比特能量进行比较，选出所述L个M比特能量中的最大值，并且记录出现所述最大值的比特边界候选位置；(5)每当所述能量计算模块为所述L个比特边界候选位置中的每一个分别计算了 K次M比特能量时，<1>所述能量计算模块将每个比特边界候选位置处的K个M比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的总能量，且<2>所述M比特能量最大值位置统计模块统计在每个比特边界候选位置出现M比特能量最大值的次数，并记录出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置；(6)如果存在唯一的比特边界候选位置，使得<1>该比特边界候选位置是所述出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置，且<2>对应于该比特边界候选位置的总能量在所述L个比特边界候选位置中是最大的，则所述判决模块判决该比特边界候选位置为比特边界。
图1是根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步方法的非相干积分的示意图，将长为N的序列分为K个子段，每个子段长为M, N次非相干积分可以由K次长为M的非相干积分实现。图2是根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步系统的示意图。图3是根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步方法中，某个比特边界候选位置对应的单比特能量计算过程的示意图。图4示意性地示出了根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步方法中，不同比特边界候选位置对应的总能量与M比特最大能量在不同候选位置出现的次数分布图。图5是根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步方法的流程图。图6a、图6b示出了根据本发明的一个实施方案的扩频通信位同步方法在取不同的N、M和K值的情况下的位同步错误概率的对比图。
具体实施例方式由于位同步错误会给扩频通信系统造成灾难性的影响，所付出的代价是巨大的。 因此，必须尽量减少错误同步概率。Sturza Mark A禾口 Brown Alison K在《Comparison of Fixed and Variable Threshold RAIM Algorithms》中给出了机载 GPS 接收机的误码率要求是10-6，这也要求错误同步概率必须尽量低。本发明在最大似然位同步方法的基础之上提出了一种改进的方法和系统，其适合弱信号情况下使用，可以有效降低位同步错误概率。假定最大似然算法非相干积分长度为N，N = M * K。根据本发明的分集最大似然算法，首先计算不同候选位置的长为M的比特能量，找出当前M比特能量的最大值，统计能量最大的位置出现在各个比特边界候选位置的次数，然后将各个候选位置出现M比特能量最大值的次数以及N比特能量集中判决，降低位同步错误概率。如图2所示，根据本发明的方法所设计的扩频通信位同步系统包括M比特能量最大值位置统计模块201、能量计算模块202和判决模块203。能量计算模块202计算不同比特边界候选位置M比特能量，以及检测完成时总共N比特的总能量；M比特能量最大值位置统计模块201统计M比特能量最大值在不同候选位置出现的次数；判决模块203综合考虑总能量和不同比特边界候选位置分别出现M比特最大能量的次数，对比特边界(电文比特起始位置)进行判断。算法描述假定伪随机码周期lms，单个调制电文码元时间内包括L个伪随机码周期，相关器或者锁相环输出的数据包含L个可能的比特边界，算法求出比特边界。假定码跟踪环已经锁定。进行位同步判断使用的数据为^T1 = AXc^ni(1)其中，r,是相关器输出的数值，是接收到的扩频信号同本地伪随机码相关得到的结果。A为接收到的扩频信号的幅度，Ci为调制导航电文的L次重复编码，满足，ci+s =ci+s+1 =…Cy+H =、，每个Ci保持一个伪随机码周期，在此实施例中是lms，δ为比特边界候选
位置，δ e {0,,......L-1}屯为调制的导航电文，{-1,1}叫为均值为0，均方差为
σ的加性高斯白噪声。位同步的目的就是求得S。传统最大似然方法只在非相干积分达到预定长度N后，进行一次能量比较，以此来进行位同步判断。根据本发明的扩频通信位同步方法，在非相干积分过程中增加了通过统计规律进行判断，从而降低错误同步概率。假定传统最大似然方法固定非相干累加长度为N，设Ν/Μ =K，其中K和M均是整数，则N次非相干积分可以由连续K次长为M的非相干积分实现，同时，对于每个比特边界候选位置，得到了 K组M个码元周期的能量。将这些能量按组进行K 次比较，统计能量最大的比特边界候选位置，则在比特边界处也即码元开始位置，出现M比特最大能量的次数应该最多。在根据本发明的扩频通信位同步系统的一个实施方案中1)由所述系统设定非相干积分总长度N、非相干积分子段长度Μ、以及子段数K，其中Ν/Μ = K，K和M均是整数；(2)参见图3，从所述调制电文的开始处起，在每个周期t的开始，能量计算模块 202都通过相干积分计算当前比特边界候选位置对应的单比特能量；
权利要求
1.一种分集最大似然扩频通信位同步方法，包括(1)设定非相干积分总长度N、非相干积分子段长度M和子段数K，其中N= KXM，K和 M均是整数；(2)在电文的伪随机码的每个周期t开始时，计算对应于当前比特边界候选位置的单比特能量；(3)每当为一个比特边界候选位置计算了M个对应于其的单比特能量时，将所述M个单比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的M比特能量；(4)每当为所有的L个不同的比特边界候选位置中的每一个分别计算了对应于其的M 比特能量时，就将所述L个M比特能量进行比较，选出所述L个M比特能量中的最大值，并且记录出现所述最大值的比特边界候选位置；(5)每当为所述L个比特边界候选位置中的每一个分别计算了K个M比特能量时，<1>将每个比特边界候选位置处的所述K个M比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的总能量，且<2>统计在每个比特边界候选位置处出现M比特能量最大值的次数，并记录出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置；(6)如果存在唯一的比特边界候选位置，使得<1>该比特边界候选位置是所述出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置，且<2>对应于该比特边界候选位置的总能量在所述L个比特边界候选位置中是最大的，则判决该比特边界候选位置为比特边界。
2.根据权利要求1所述的分集最大似然扩频通信位同步方法，其中20< K < 500。
3.一种分集最大似然扩频通信位同步系统，包括M比特能量最大值位置统计模块，能量计算模块，与判决模块；其中(1)所述系统设定非相干积分总长度N、非相干积分子段长度M和于段数K，其中N= KXM，K和M均是整数；(2)在电文的伪随机码的每个周期t开始时，所述能量计算模块计算对应于当前比特边界候选位置的单比特能量；(3)每当为一个比特边界候选位置计算了M个对应于其的单比特能量时，所述能量计算模块将所述M个单比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的M比特能量；(4)每当所述能量计算模块为所有的L个不同的比特边界候选位置中的每一个分别计算了对应于其的M比特能量时，所述M比特能量最大值位置统计模块就将所述L个M比特能量进行比较，选出所述L个M比特能量中的最大值，并且记录出现所述最大值的比特边界候选位置；(5)每当所述能量计算模块为所述L个比特边界候选位置中的每一个分别计算了K次 M比特能量时，<1>所述能量计算模块将每个比特边界候选位置处的K个M比特能量求和，得出对应于该比特边界候选位置的总能量，且<2>所述M比特能量最大值位置统计模块统计在每个比特边界候选位置出现M比特能量最大值的次数，并记录出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置；(6)如果存在唯一的比特边界候选位置，使得<1>该比特边界候选位置是所述出现M比特能量最大值次数最多的比特边界候选位置，且<2>对应于该比特边界候选位置的总能量在所述L个比特边界候选位置中是最大的，则所述判决模块判决该比特边界候选位置为比特边界。
4.根据权利要求3所述的分集最大似然扩频通信位同步系统，其中所述系统将K指定为在20彡K彡500的范围内的一个值。
全文摘要
本发明涉及扩频通信位同步的方法和系统，更具体地涉及用于弱信号情况的分集最大似然扩频通信位同步方法和系统。根据本发明的方法和系统，将长度为N的非相干积分由K次长为M的非相干积分实现，并对不同候选位置对应的M比特能量进行K次比较，将各个候选位置出现M比特最大能量的次数以及不同比特边界候选位置的N比特能量结果集中起来进行判断，在不增加非相干积分长度的前提下，降低位同步错误概率。
文档编号H04B1/7073GK102355279SQ201110366640
公开日2012年2月15日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者刘岩, 吕达, 白志强, 陆伟宁, 饶才杰 申请人:中国航天科工信息技术研究院