专利名称：大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接序列扩频/码分多址(DS/CDMA)通信系统的接收方法及装置，它可以实现在大信号动态条件及大载波频偏条件下的伪随机序列(PN码)的同步。
通常PN码捕获方法利用了伪随机码的自相关特性，也就是用本地PN码同接收PN码进行相关，当两者完全对齐时，自相关值最大，而两者之间的相位相差一个码片以上时，其自相关值相对较小。由于在直接序列扩频通信系统中，在PN码同步之前很难实现载波的同步，因此往往使用非相干接收机来实现PN码的捕获。非相干接收机的原理是对相关器的输出进行包络检波，从而得到一个码同步检验统计量，当检验统计量大于预设门限时，认为接收信号与本地PN码实现了同步。
PN码的捕获电路的结构主要可以分为滑动相关器方式以及匹配滤波器方式两种。匹配滤波器方式可以在较短的时间内实现PN码的快速捕获，但是在全数字系统中，实现数字匹配滤波器所需的硬件复杂度高，因而限制了它的应用范围。滑动相关器方式由于其实现简单，因而在工程实践中应用广泛，但其捕获时间较长。为了提高滑动相关器方式的捕获速度，通常可以采用使用不同相位本地PN码的滑动相关器组成并行相关器组来进行码捕获。
在通信系统中，信道是变化的，接收机输入信号的功率以及信噪比都是变化的，对于有限字长的数字接收机来说，输入信号的动态幅度过大或这过小都会导致接收机无法正常工作，因此接收机前端往往需要使用自动增益控制技术(AGC)来控制输入信号的幅度。在扩频系统中经常使用非相干AGC来控制输入信号的功率，也就是说使输入的有用信号和噪声的总功率保持恒定，但是当输入信号的信噪比变化较大时，非相干AGC的输出信号中有用信号的幅度也会有较大的变化，因而相关器输出的自相关主峰的幅度也会有比较大的变化。对于一些自相关旁瓣较大的伪随机码如GOLD码来说，在高信噪比时非同步情况下的码同步检验统计量的值往往大于低信噪比时同步情况下的码同步检验统计量。另外有些场合，接收机本地载波频率与接收信号的载波频率有较大偏差，在实现PN码同步前，该频差很难被补偿，而未知的频差将导致更大的观测空间。因而对于采用固定判决门限的接收机而言，很难适应较大的信号动态范围，而且难以实现PN码快速同步。
本发明中的大信号动态条件下伪随机码的快速捕获方法，其步骤包括1)依据码同步检验统计量的统计特性及可能的频差范围将信号的整个动态范围按照信噪比的高低分为低信噪比区和高信噪比区；2)根据所需的捕获性能分别设定适应于低信噪比区的低门限TL和适应于高信噪比区的高门限TH；低门限的设定满足以低门限在低信噪比区搜索PN码相位时虚警概率趋于0和检测概率趋于1，且发生假锁的概率趋于0；高门限的设定满足以高门限在高信噪比区搜索PN码相位时虚警概率趋于0和检测概率趋于1，且信噪比位于低信噪比区时，码同步检验统计量过高门限的概率趋于0；3)在低信噪比区适用常规搜索，使用低门限TL，驻留时间长，每次驻留采取多样本检测；在高信噪比区适用快搜索，驻留时间短，每次驻留的样本数少于常规搜索的样本数；4)常规搜索完成之后进行一次全程快搜索，对所有的PN码相位进行一次检测，如果有某个相位所对应的码同步检验统计量超过TH，则判定该相位为正确的PN码相位，否则判定所捕获的PN码相位为正确的PN码相位。
本发明的捕获方法还包括使搜索过程进一步加速的方法，其步骤包括1)设定过第一次驻留概率P，满足高信噪比时，常规搜索得到的码同步检验统计量过第一次驻留的概率大于P；2)先以TL为门限值，采用常规搜索进行PN码捕获，同时记录过第一次驻留的次数和码相位调整的次数；3)当码相位的调整次数已经达到一个固定的值N时，检验码同步检验统计量过第一次驻留的概率是否大于P，如果大于P，则判定此时为高信噪比，直接转入快搜索；在所述常规搜索中采用多驻留、多样本检测。同一个观测点的下一次驻留检验所用样本数均大于上次驻留检验所用的样本数。
在所述快搜索中驻留时间短，检测样本数少。
本发明的大信号动态条件下伪随机码捕获装置，包括用于获得码同步检验统计量的相关器或相关器组，还包括一个跟踪捕获到的PN码相位的单独的相关器及其相应相位的PN码产生电路；还包括统计过第一次驻留次数和码相位调整次数的计数装置。
本发明提供了一种在加性高斯信道中用于DS/CDMA系统的PN码捕获方案，其基本思想在于将信号的动态范围区分为高信噪比和低信噪比两个区，并且设定高低两个门限，其中高门限用于高信噪比下的相关峰捕获，低门限用于低信噪比下的相关峰捕获。搜索的策略也可以按照信噪比的不同区分为低信噪比下和高信噪比下的搜索策略。
在信噪比较低的情况下，由于AGC放大器中输出的信号中有用信号幅度较小，因而需要使用一个较低的门限来进行捕获。而且在低信噪比下，使用单个样本同门限比较的方法容易导致较高的虚警概率和较低的检测概率，因而此时采用了多样本检验，也就是取多个码同步检验统计量的平均值同门限作比较以减少同步所需的时间以及锁定在错误的PN码相位上的可能性。为了进一步减少平均同步时间，减少码捕获的虚警概率和增加检测概率，在低信噪比时要进行多次驻留检验，且往往每次驻留检验所用的样本数均要大于上一次的。这种低信噪比下的搜索策略在本发明中称之为常规搜索。但是如果在较高的信噪比中使用常规搜索，由于PN码的自相关特性往往不理想，因而其自相关旁瓣的幅度往往较大，因而虚警概率可能很高，从而导致平均捕获时间的下降甚至于有可能锁定在错误的PN码相位上，造成“假锁”。
在高信噪比下，由于AGC放大器所输出的信号中有用信号的幅度较大，因而需要使用较高的门限来进行码捕获，这样才能保证较低的虚警概率以使得搜索的结果不至于错误地锁定在PN码的自相关旁瓣上。另外由于信噪比高，所以对于每一个PN码相位可以使用较少的样本数甚至于单个样本来进行检验就可以得到很高的检测概率，因而可以减少捕获所需的时间。这种高信噪比下的搜索策略在本方案中称之为快搜索。但是如果在较低的信噪比中使用快搜索策略，由于PN码的同步相关峰的幅度比较小，因而其超过高门限的概率极小，从而无法正确地实现PN码相位的捕获。
本发明中，在捕获过程刚开始的时候，先假设此时信噪比较低，因而使用常规搜索，如果此时信噪比的确比较低，因而使用低门限进行PN码的捕获是合适的。本发明所要解决的问题是如何在常规搜索过程中判断出当时的信噪比是位于高信噪比区，从而尽可能快地转入快搜索策略，从而减少总的平均捕获时间。
如果实际上信噪比较高，由于PN码的自相关旁瓣较大，因而此时的非同步情况下的码同步检验统计量大于低门限的概率很高，因而通过常规搜索的第一次驻留的概率也比较大，因而可以利用这个特点来判断信噪比。在捕获过程中，记录在一定数量连续相位的检测中通过第一次驻留的次数，如果大于一个预先设定的值，则认为此时的信噪比高，因而可以改为使用高信噪比下的同步策略。
当信噪比相当高时，一部分PN码相位上的码同步检验统计量有可能在常规搜索中通过多次驻留，发生“假锁”的情况。当发生假锁时，常规搜索无法通过多次驻留的检验来退出假锁。本发明中，在常规搜索完成之后，采用快搜索的策略对所有的相位进行检验，在低信噪比下，码同步检验统计量的自相关旁瓣以及主峰往往都不能通过快搜索的高门限，所以如果没有一个伪随机码相位上的码同步检验统计量能够超过高门限，则认为以前常规策略所捕获的PN码相位为正确的同步相位。反之，如果此时信噪比高，则码同步检验统计量的主峰以很大的概率超过高门限而自相关旁瓣只有极小的概率可以通过高门限，因而如果在快搜索策略中如果捕获到一个相位上的码同步检验统计量超过高门限，则认为此PN码相位为正确的同步相位。在常规搜索完成捕获后所进行的快搜索我们称之为全程快搜索。
总的说来，可以将本发明的优点与积极效果总结如下1、在使用非相干自动增益控制器的以及存在频偏的条件下，本发明所提供的PN码捕获方案相对于普通的单门限接收机可以在更大的信号动态范围内可靠工作。
2、在上述1中的条件下，可以获得较为理想的平均捕获时间。
3、本发明所提供的PN码捕获电路可以以较小的硬件代价实现上述1、2中所述的捕获方案，并且无需额外的专门用于测量信噪比的设备。
图1是本发明所用的数字信号接收机的原理框图。
图2是本发明的实施例中所使用的非相干AGC的结构。
图3是本发明的实施例中所使用的非相干接收机的结构。
图4是本发明的实施例中所使用的码捕获电路的结构图。
图5是本发明的实施例中所用的PN码捕获策略的流程图。
图6是本发明的实施例中所用的PN码捕获策略中的常规搜索的流程图。
图7是本发明的实施例中所用的PN码捕获策略中的快搜索的流程图。
下面结合附图来对本实施例进行说明。
图1是DS/CDMA全数字接收机中基带信号处理单元的系统结构图。基带信号处理单元的输入信号是经过中频处理后下变频得到的基带模拟信号。中频单元输出的基带信号在送入A/D变换器110与111之前由自动增益控制模块(AGC)100与101分别控制其幅度，这样做的原因是由于实施例中信号的动态范围很大，为了保证A/D变换的正常工作，在其之前加入AGC使得进入A/D变换器的信号加噪声的电平保持在恒定的范围(即A/D变换器的线性工作区)之内。由于中频下变频后的模拟信号仍然带有很大的频差，所以需要经过正交数字下变频120纠正频偏，纠正后残余的频偏在600Hz之内。数字匹配滤波器130的作用是使得数字相关器组所抽样的点上的信噪比最大。最终得到的I路与Q路基带数字信号被送入本发明所描述的伪随机码捕获电路之中以完成PN码相位的同步过程。
本实施例中所使用的AGC为非相干AGC，它同相干AGC的区别是其工作并不依赖于解扩之后的信号，其原理图如图2所示。非相干AGC使得A/D的输入信号中有用信号的幅度以及噪声信号的幅度的比值无论如何变化，输出的总信号强度(平均功率)都保持恒定。在本实施例中，将输出的总信号强度归一为1。
在本实施例中，码捕获算法采用串行搜索的方案，单个码捕获检验统计量的产生电路如图3所示。I路数字相关器300与Q路数字相关器301的输入分别是I、Q路匹配滤波器的输出。I、Q路相关器的输出经过平方器310与311之后再相加就得到了一个码同步检验统计量。
在本实施例中，对PN码相位的检测是以1/2码片为步长进行检测的，整个并行相关器由20个相关器组成，相邻的两个相关器的接收信号中的PN码相位相差1/2个码片，此并行相关器组可以同时检测10个PN码片范围内的20个PN码相位。
在采用非相干AGC的条件下，高信噪比(如Eb/N0＝40dB)时自相关旁瓣同步识别检测量有相当大的概率会大于低信噪比时的主峰的均值。在没有信噪比先验知识的前提下，如果按照低信噪比下的主峰的统计特性来设计门限，则当PN码同步识别检测量均值大于判决门限时，无法判定是高信噪比下的自相关旁瓣，还是低信噪比下的自相关主瓣，而必须利用其他观测点上的幅度信息来辅助判决。
在常规搜索中，由于设想此时的信噪比较低，为了减少平均捕获时间，在本实施例中使用了三次驻留的检测方法，每次驻留的样本数分别为4、8、16。每次驻留中取该次驻留所采集的码同步检验统计量的平均值同低门限作比较，如果该平均值大于低门限，则通过该次驻留，对该PN码相位进行下一次的驻留，如果通过了三次驻留，则认为该PN码相位为常规搜索所捕获到的正确的PN码相位。
通过对不同信噪比下码同步检验量统计特性的仿真以及分析，发现由于AGC的作用使得白噪声的功率(方差)在Eb/N0≤20dB的范围内近似保持不变，在这一区间内解扩单元输入信号中白噪声占据了绝大部分功率，如果按照Eb/N0等于10dB的情况来设计门限，此门限在这个范围内都是可以正常工作的。当Eb/N0进一步增大时，白噪声方差开始减小，信号自相关旁瓣的影响逐渐增大，因而造成检测器“假锁”的可能性增大。当20dB＜Eb/N0＜27dB时，常规搜索通过第一次驻留的概率明显增加，但很少出现“假锁”。当Eb/N0＞27dB时，容易出现“假锁”，而且信噪比越大越容易发生。因此定义Eb/N0≤20dB为低信噪比区并设计一个可以满足平均捕获时间的门限作为常规搜索过程中的低门限。高信噪比区取为20dB以上，根据这一信噪比区所设定的高门限满足在20dB≤Eb/N0≤60dB的范围内虚警概率接近0，检测概率接近1。且在低信噪比区内，码同步检验统计量过高门限的概率接近于0，因此这样的高门限设置适用于高信噪比下的快搜索与全程快搜索。
设定了高门限与低门限之后，常规搜索与全程快搜索就可以覆盖整个信号所在的动态范围，接下来的问题是如何区分低信噪比与高信噪比的情况。在刚开始进行码捕获的时候，由于没有关于信噪比的先验知识，因此只能从常规搜索开始进行码捕获。当Eb/N0≤20dB时，常规搜索可以很好地工作。当20dB＜Eb/N0＜27dB时，由于虚警概率过高，常规搜索通过第一次驻留的概率增大，因此平均捕获时间增大，导致接收机的性能下降，但是此时我们可以通过接收机通过第一次驻留的概率来判断出此时的信噪比，转而采用更为合适的快搜索策略。概率P就是由20dB＜Eb/N0＜27dB时接收机通过第一次驻留的概率来设定的。当Eb/N0＞27dB时，非同步条件下的码同步检验统计量通过三次驻留的概率增大，容易造成假锁。因此在常规搜索完成后，需要加入使用高门限搜索的全程快搜索。在高信噪比下，非同步情况下的码同步检验统计量超过高门限的概率非常小，而同步情况下的相关峰超过此门限的概率很高，因此全程快搜索可以很容易地使得接收机退出因为高信噪比而导致的假锁并且快速地找到正确的PN码相位。
本实施例所使用的硬件电路资源为AGC、一个包含N个相关器的并行相关器组，一个自由相关器以及相应相位的PN码产生电路，平方器、相应的码捕获控制电路。
下面将PN码捕获的过程简要叙述如下1.连续相位相关器组在连续N个PN码相位观测点上分别观测4次，每个观测点获得4个样本值，取均值作为码同步检验统计量，取N个检验统计量的最大值与低门限作比较，如果小于门限，则调整本地PN码的相位至下N个相位，并且过第一次驻留计数加一，如果过第一次驻留的概率大于预设的值P，则跳转到第4步。反之，则记具有最大判决量的相关器序号为L(L≤N)，跳至步骤2。
2.并行相关器组在同一观测点继续观测8次进行校验，取8个样本值的均值作为判决量，取第L个相关器的判决量与低门限比较，如果小于门限则调整本地PN码的相位至下N个相位，重复第1步。
3.并行相关器组在同一观测点继续观测16次以进行确认，取16个样本值的均值作为判决量，将第L个相关器的判决量与低门限比较，如果小于门限则调整本地PN码的相位至下N个相位，重复第1步；大于门限，则将第N个相关器的PN码相位信息置给自由相关器，自由相关器进入码跟踪过程，同时转入第5步。
4.并行相关器组改用快搜索策略继续在所有相位上进行搜索，搜索时使用高门限，每个观测点只观测1个样本并取均值作为码同步检验统计量，直到遍历所有的相位。此过程中如果判决量超过门限，则在相应观测点位置再观测1个样本，如果仍旧超过门限，则认为所寻找的真正的主峰，跳至第11步。反之如果遍历完一周，没有发现过门限的点，则返回第1步。
5.并行相关器组改用快搜索策略继续在所有相位上进行搜索，搜索时使用高门限，每个观测点只观测1个样本并取其均值作为码同步检验统计量，直到遍历所有的相位。此过程中如果检验统计量超过门限，则在相应观测点位置再观测1个样本，如果判决量仍旧超过门限，则认为该点的相位为所寻找的真正的主峰。反之如果遍历一周，没有发现超过高门限的观测点，则认定自由相关器的当前位置为真正的主峰。
以上步骤的流程图示于图5中。
其中常规搜索的流程图示于图6中，快搜索的流程图示于图7中。
权利要求
1.一种大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法，其步骤包括1)依据码同步检验统计量的统计特性及可能的频差范围将信号的整个动态范围按照信噪比的高低分为低信噪比区和高信噪比区；2)根据所需的捕获性能分别设定适应于低信噪比区的低门限TL和适应于高信噪比区的高门限TH；低门限的设定满足以低门限在低信噪比区搜索PN码相位时虚警概率趋于0和检测概率趋于1，且发生假锁的概率趋于0；高门限的设定满足以高门限在高信噪比区搜索PN码相位时虚警概率趋于0和检测概率趋于1，且信噪比位于低信噪比区时，码同步检验统计量过高门限的概率趋于0；3)在低信噪比区适用常规搜索，使用低门限TL，驻留时间长，每次驻留采取多样本检测；在高信噪比区适用快搜索，驻留时间短，每次驻留的样本数少于常规搜索的样本数；4)常规搜索完成之后进行一次全程快搜索，对所有的PN码相位进行一次检测，如果有某个相位所对应的码同步检验统计量超过TH，则判定该相位为正确的PN码相位，否则判定所捕获的PN码相位为正确的PN码相位。
2.如权利要求1所述的大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法，其特征在于该方法还包括搜索过程进一步加速的方法，其步骤包括1)设定过第一次驻留概率P，满足高信噪比时，常规搜索得到的码同步检验统计量过第一次驻留的概率大于P；2)先以TL为门限值，采用常规搜索进行PN码捕获，同时记录过第一次驻留的次数和码相位调整的次数；3)当码相位的调整次数已经达到一个固定的值N时，检验码同步检验统计量过第一次驻留的概率是否大于P，如果大于P，则判定此时为高信噪比，直接转入快搜索；
3.如权利要求1所述的大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法，其特征在于在所述常规搜索中采用多驻留、多样本检测；同一个观测点的下一次驻留检验所用样本数均大于上次驻留检验所用的样本数。
4.如权利要求1所述的大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法，其特征在于所述快搜索中驻留时间短，检测样本数少。
5.一种大信号动态条件下伪随机码快速捕获装置，包括用于获得码同步检验统计量的相关器或相关器组，还包括一个跟踪捕获到的PN码相位的单独的相关器及其相应相位的PN码产生电路；还包括统计过第一次驻留次数和码相位调整次数的计数装置。
全文摘要
本发明涉及一种大信号动态条件下伪随机码快速捕获方法以及装置，将信号的整个动态范围按信噪比的高低分为两个区域，设定两种不同的PN码捕获策略。适用于高信噪比区的捕获策略称为快搜索，适用于低信噪比区的捕获策略称为常规搜索。捕获开始时，假定信噪比较低，使用常规搜索，如信噪比的确较低，使用低门限进行PN码的捕获。如信噪比较高，在常规搜索过程中做出位于高信噪比的判断，转入快搜索。在引入自动增益控制电路器的条件下，本发明的PN码捕获方案相对于普通的固定门限接收机可在更大的信号动态条件下正常工作，并有理想的平均捕获时间，尤其在大频偏条件下效果更加明显。本发明无需额外的专门用于测量信噪比的设备，可广泛应用于码分多址卫星通信和无限通信领域。
文档编号H04B1/707GK1440152SQ0312141
公开日2003年9月3日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者梁欣, 贾涛, 罗武, 项海格, 梁庆林 申请人:北京大学