专利名称：一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法
技术领域：
本发明属于无线数据链领域，涉及一种相关数据链的快速捕获与同步方法，尤其是一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法。
背景技术：
在无线通信环境中，信道的多径效应产生的大尺度衰落对通信质量造成非常严重的影响，而直接序列扩频技术在一定程度上克服了多径效应，这也是直接序列扩频技术普遍应用于无线数据链领域的原因之一。目前针对直 接序列扩频信号的捕获普遍采用了折叠匹配滤波器算法，该算法捕获时间短，资源利用率高，如果系统不存在较大的频偏影响，捕获效果出色。折叠匹配滤波器结构如图2所示，其特点是扩频码按照I或0存储在Ibit的伪码寄存器中，数据输入速率与计算输出结果均与扩频码速率相同，理论上系统计算一个符号周期即可捕获到伪码的相关峰值。但是当存在较大频偏时(频偏大于数据符号的1/2)，该匹配滤波器无法正常工作，即捕获失败。但在某些应用场合，如GPS信号接收，多普勒频移产生的大频偏对通信的影响将非常严重，如果不采取措施，无线数据链系统将无法正常工作。为了解决这一难题，以GPS接收机为代表的接收机系统采用了基于相位和频率的二维FFT运算，但是采用此方法需要对频偏范围进行“频率井”的划分，在频域上实际进行了分区域搜索，这就大大降低了系统捕获和同步的时间，以GPS接收机为例，其捕获和同步时间是以秒级为单位的。可见GPS捕获算法适用于连续信号的捕获，如果通信方式为猝发通信模式，信号发送时间短促，又存在较大的频偏影响，该现有方法无法完成捕获任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高动态大频偏的通信环境下的捕获方法，在相位和频率二维空间内同时进行搜索，最终达到快速捕获与同步的目的。本发明所采用的技术方案是一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，输入信号x(k)经自适应折叠匹配滤波器得到输出信号y(k)，再利用输出信号y(k)与理想输出信号d(k)的差值动态自适应的调整滤波器系数Wn(k);每个滤波器系数用多比特表示，其中最高位为符号位；所述输入信号x(k)与系数Wn(k)先进行有符号数乘法运算，再进行加/减运算以及延时单元运算。如上所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其中采用最小均方方法更新系数，更新方程为Wn (k+1) = Wn (k) +2 u e (k) x (k)其中，Wn(k)是折叠匹配滤波器的系数，x(k)是折叠匹配滤波器的输入信号，e(k)是输出值与理想值的差值，U是收敛因子。如上所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其中所述系mwn(k)的初始值为I或-I。如上所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其中所述理想输出信号d(k)计算方法为扩频因子N乘以输入信号x(k)的最佳采样值，所述x(k)最佳采样值为最大有符号数。本发明的有益效果是
(I)将本发明提出的方法应用于数据链系统，数据链系统采用直接扩频体制，能够实现最大频偏为信息符号速率的5倍，捕获和同步时间不大于10ms。(2)本算法与目前其他算法相比，具有算法难度适中，资源开销较小，捕获与同步快，易于FPGA实现的特点。(3)通过采用折叠匹配滤波器，并用多比特表示滤波器每个系数，使折叠匹配滤波器的系数与伪随机码和频率同时具有相关性，成功完成捕获任务。
图I是本发明提出的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法的系统示意图；图2是普通的折叠匹配滤波器结构示意图；图3是本发明提出的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法所采用的改进折叠匹配滤波器结构示意图；图4针对方法收敛性仿真的结果图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提供的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法进行介绍如图I所示，一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，输入信号x(k)经自适应折叠匹配滤波器得到输出信号y(k)，再利用输出信号y(k)与理想输出信号d(k)的差值动态自适应的调整滤波器系数Wn(k);每个系数用多比特表示，其中最高位为符号位；所述输入信号x(k)与系数Wn(k)进行有符号数乘法运算，再进行加/减运算以及延时单元运算。如图2所示，现有折叠匹配滤波器的系数与通常的滤波器(如窄带滤波器、成型滤波器等)相比，系数有所不同，这是因为折叠匹配滤波器的系数是用于与伪随机码进行卷积运算，即与伪随机码具有相关性。但伪码寄存器(即图中codeO，codel...)只存储简单的I或0的Ibit伪码，缺少与频率的相关性。因此，使折叠匹配滤波器原有的伪码寄存器将不再存储简单的I或0的Ibit伪码，而是存储具有一定位宽、数值可变的系数Wn(k)，如图3所示。其中，每个系数用多比特表示，最高位为符号位；且输入信号x(k)不再与伪随机码进行异或运算，而是按照有符号数乘法进行运算。为了能够在大频偏下捕获到正确的伪码相关峰值，需根据滤波器输出信号y(k)与理想输出信号d(k)的差值动态自适应调整滤波器系数Wn (k)，最终达到误差信号最小的结果，此时匹配滤波器输出即为伪码相关峰值，捕获成功。
考虑到计算的复杂度，收敛时间，以及收敛结果的无偏性，采用的LMS (最小均方)方法，更新方程为Wn (k+1) = Wn (k) +2 u e (k) x (k)其中，Wn(k)是折叠匹配滤波器的动态系数，x(k)是折叠匹配滤波器的输入数据，e(k)是输出值与理想值的差值，即误差。U是收敛因子。步骤具体如下I)初始化x(0) =w(0) =
1
2)若 k 彡 0，则e (k) = d (k)-xT (k) Wn (k)Wn (k+1) = Wn (k) +2 u e (k) x (k)Wn(k)的初始值并非置为0，而是± 1，这可以减少到达最优解WO所需的迭代次数，可见当信道频偏为0时，该滤波器退化为普通匹配滤波器。d(k)是理想状态下扩频码的相关峰值，具体值的计算可以为扩频因子N乘以输入数据x(k)最佳采样值，在本方法中将x(k)最佳采样值近似认为是最大有符号数。而收敛因子y则决定系统的收敛性与收敛速度，通过仿真和实际调试确定y =2'仿真结果如图4 通过仿真可以证明在频偏最大为符号速率5倍的情况下该滤波器可以在20个符号周期内收敛，通过实际调试证实该系统在最大频偏环境下捕获时间小于8ms，完全满足系统要求。本方法与现有方法相比，在大频偏的通信环境下可以快速有效的捕获信号。
权利要求
1.一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其特征在于输入信号X(k)经自适应折叠匹配滤波器得到输出信号y(k)，再利用输出信号y(k)与理想输出信号d(k)的差值动态自适应的调整滤波器系数Wn(k);每个滤波器系数用多比特表示，其中最高位为符号位；所述输入信号x(k)与系数Wn(k)先进行有符号数乘法运算，再进行加/减运算以及延时单元运算。
2.根据权利要求I所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其特征在于采用最小均方方法更新系数，更新方程为 Wn (k+1) = Wn (k) +2 μ e (k) x (k) 其中，Wn(k)是折叠匹配滤波器的系数，x(k)是折叠匹配滤波器的输入信号，e(k)是输出值与理想值的差值，μ是收敛因子。
3.根据权利要求2所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其特征在于所述系数1(10的初始值为I或-I。
4.根据权利要求1-3所述的一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法，其特征在于所述理想输出信号d(k)计算方法为扩频因子N乘以输入信号x(k)的最佳采样值，所述x(k)最佳采样值为最大有符号数。
全文摘要
本发明属于无线数据链领域，涉及一种相关数据链的快速捕获与同步方法，尤其是一种适用于大频偏无线信道下自适应匹配滤波器方法。目的是在相位和频率二维空间内同时进行搜索，最终达到快速捕获与同步。该方法为输入信号x(k)经自适应折叠匹配滤波器得到输出信号y(k)，再利用输出信号y(k)与理想输出信号d(k)的差值动态自适应的调整滤波器系数Wn(k)；每个滤波器系数用多比特表示，其中最高位为符号位；所述输入信号x(k)与系数Wn(k)先进行有符号数乘法运算，再进行加/减运算以及延时单元运算。本方法与现有方法相比，在大频偏的通信环境下可以快速有效的捕获信号。
文档编号H04B1/7093GK102820903SQ20121024577
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者李云涌, 李永翔, 庞鹏翔 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所