專利名稱：一種偽碼序列的捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接序列擴頻通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偽碼序列 的捕獲方法。
背景技術(shù)：
軟件無線電的概念是指用可編程微處理器代替模擬或者數(shù)字器 件實現(xiàn)信號處理的大部分功能，軟件無線電把接收機的仿真與實現(xiàn)緊 密聯(lián)系起來，具有更大的靈活性。自從軟件無線電的概念出現(xiàn)以后，
從80年代以硬件為主的數(shù)字無線電技術(shù)開始向著今后更加靈活、更加 先進的方向發(fā)展。
軟件捕獲信號算法的實現(xiàn)可以使接收機更加靈活的適應(yīng)不同碼 長的不同偽隨機噪聲序列、載波頻率、相位變化等，也為接收機的廣 泛使用提供了保障。1)接收機的靈活配置為接收機隨時對所需要的 信號進行實時模擬處理提供了可能性?？梢葬槍Σ煌那闆r采用不同 的算法，對數(shù)據(jù)進行采集、分析和測試。2)接收機的軟件模塊化設(shè) 計也可以對各模塊的輸入和輸出信號進行可視化監(jiān)測，因此在不同算 法后可以對各個模塊的性能進行評估，以便擇優(yōu)使用。3)接收機的 軟件化能夠大大提高接收機的利用效率。接收機的軟件化不僅可以靈 活接收處理來自不同偽隨機噪聲碼，也可以根據(jù)接收機所處的環(huán)境靈 活使用不同的算法來處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等，這樣可以提高接收機的
使用效率。
軟件接收機包括硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換器
(ADC)和數(shù)字信號處理器(DSP)的設(shè)計，軟件設(shè)計包括各種處理算法，
如相關(guān)算法、定位算法等。
對同步捕獲方法的研究是隨著擴頻技術(shù)的出現(xiàn)而開始的，早期曾 經(jīng)采用發(fā)送參考序'列、發(fā)送特定同步碼、統(tǒng)一定時以及序列狀態(tài)估計 等方法實現(xiàn)碼同歩，但是這些都不是很理想。比較成熟的技術(shù)就是相 關(guān)搜索技術(shù)，即采用不同相位的本地序列與接收序列做相關(guān)運算，通 過相關(guān)值的大小判斷序列是否同步。而這些方法目前都是靠使用硬件 來實現(xiàn)的。
就目前而言，關(guān)于接收機偽隨機噪聲碼的同步捕獲方法的研究主 要集中在捕獲方法、捕獲時間、檢測判決變量在各種信道下的統(tǒng)計分 布三個方面。通常在一般的接收機中，對于碼相位的同步，需要對所 有的碼相位進行搜索，計算量大，搜索時間長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種計算量小、搜索時間短的 偽碼序列的捕獲方法。
本發(fā)明的原理是這樣的根據(jù)偽隨機碼序列的相關(guān)性知道，對于 任意一個偽隨機碼序列的自相關(guān)函數(shù)具有如下性質(zhì)
其中/ 為偽隨機碼序列的周期，即碼長；71.為序列的碼元持續(xù)時間， 即碼元寬度。上式也就是說明了如果兩個偽隨機碼序列的相位差在一 個碼元內(nèi)，兩個序列歸一化的相關(guān)結(jié)果比較大，否則，兩個偽隨機碼
序列歸一化的相關(guān)結(jié)果只是-丄。
為了方便表示，這里假設(shè)接收到兩個偽隨機噪聲碼的混合序列， 并且只用其偽碼形式表示，則接收碼為
xOO^/W^ + rJ + P^G + q),其中/W,表示第/個偽隨機噪聲序列碼；「 表示接收到的相應(yīng)碼所對應(yīng)的碼相位。
再假設(shè)本地復(fù)現(xiàn)了第l個偽隨機噪聲序列碼，本地復(fù)現(xiàn)碼可以表
示為
少(,),("r;)
2)
其中/W,表示第l個偽隨機噪聲序列碼；z";表示復(fù)現(xiàn)的第l個偽隨機噪
聲序列碼序列所對應(yīng)的碼相位。
如果把接收的碼序列和復(fù)現(xiàn)的碼序列做相關(guān)運算，則會有
柳-x(,).:K,)
=[/W,(, + r,) +所2(〖+ ^)] ZW,(, + r;)
+ r,) + r;) + iW2(/ + r2) + r;)
(1-3)
上式中的相關(guān)結(jié)果可以看成有兩部分，其中第一部分v ,")是同
一碼族中的兩個碼序列之間的相關(guān)部分，第二部分/^(t)是不同碼族 中的兩個碼序列之間的相關(guān)部分。從偽隨機碼序列的性質(zhì)可以知道，
'兩個不同碼族中的碼序列之間的相關(guān)值為O (理想情況下)。從對第 二部分的說明能夠看出，即使接收到的碼中有多個偽隨機噪聲序列碼 存在，都屬于這一部分，其值理論上都為0 (實際上也是接近0的一個 值)。
下面再來說明第一部分的情況。關(guān)于第一部分也可以分為兩種情
況
1、當(dāng)接收到的序列與本地復(fù)現(xiàn)的序列是同族序列中的相位不同
(指相位差大于一個碼片)的兩個序列時，根據(jù)式a-1)，第一部
分可以寫成
<formula>formula see original document page 7</formula>(l-4)
其中，<formula>formula see original document page 7</formula>7;為碼元寬度。上式說明隨著p的增大，這樣的兩 個序列相關(guān)值也是比較小的。
2當(dāng)接收到的序列與本地復(fù)現(xiàn)的序列是同族序列中的相位接近(指
相位差小于一個碼片)兩個的序列時，同樣根據(jù)式(i-i)，第一部
分可以寫成
<formula>formula see original document page 7</formula>(1-5)
其中，h-r;^7;.， 7;為碼元寬度。上式說明隨著兩個序列的相位差越
小，其歸一化的相關(guān)值越大，二者呈現(xiàn)一個線性增長關(guān)系。
通過上述分析可以得到不論復(fù)現(xiàn)的序列是否與接收序列是同 族，只要復(fù)現(xiàn)序列與接收序列的相位相差不在一個碼片之內(nèi)，那么其 歸一劃的相關(guān)值就是比較小。
利用上述的分析結(jié)果，可以得出如果把本地復(fù)現(xiàn)的多個不同相 位的序列疊加在一起，用它們的和來與接收碼序列相關(guān)，根據(jù)相關(guān)結(jié) 果就可以判斷出多個不同相位序列中的一個序列是否出現(xiàn)接收序列。 利用這個分析結(jié)果，把前面的算法進行了改進。 為了說明該算法，進一步假設(shè)接收的碼序列為
<formula>formula see original document page 8</formula>，
本地復(fù)現(xiàn)的碼序列可以表示為少<formula>formula see original document page 8</formula>，其中 /W/表示第l種偽隨機噪聲序列碼；r;表示復(fù)現(xiàn)的第l種偽隨機噪聲序列 碼的第一個碼序列所對應(yīng)的碼相位；、表示復(fù)現(xiàn)的第1種偽隨機噪聲 序列碼的第二個碼序列所對應(yīng)的碼相位，這里還要假設(shè)h -r;^7;和 z",-r;^7;，表示復(fù)現(xiàn)序列中的第一個序列的碼相位與接收序列的碼 相位的相位差在一個碼片或者碼元內(nèi)，而第二個復(fù)現(xiàn)序列中的碼相位 與接收序列的碼相位的相位差大于一個碼元周期。
同樣如果把接收的序列碼和復(fù)現(xiàn)的序列碼做相關(guān)運算，則會有
<formula>formula see original document page 8</formula>
(1-6)
上式中一共有三項，其中第三項還包括兩部分，分別是<formula>formula see original document page 9</formula>
和
<formula>formula see original document page 9</formula>
根據(jù)前面分析知道，這兩項都是不同族的兩個序列進行相關(guān)運算，其 歸一化的相關(guān)值是很小的，可以忽略不計的。
式G-6)中的第二項是<formula>formula see original document page 9</formula>，表示的是同族的 兩個相位不同的序列進行相關(guān)運算。由于已經(jīng)假設(shè)卜,-r;^z;，因此
該項歸一化的相關(guān)結(jié)果可以直接得到，應(yīng)該是-1。
式(1-6)中的第一項是/W," + O"A^ + 0，表示的是同族的
兩個相位不同的序列進行相關(guān)運算。由于已經(jīng)假設(shè)h-巧l^7;，因此
該項歸一化的相關(guān)結(jié)果也可以直接從式(1-5)得到，應(yīng)該是
1-
到此可以得到接收碼序列與復(fù)現(xiàn)碼序列的相關(guān)值為:
<formula>formula see original document page 9</formula>
(1-7)
上式與式(1-5)相比，多了一項-丄，顯然，是因為經(jīng)過求和才使
得相關(guān)結(jié)果中增加了該項，會導(dǎo)致結(jié)果有一定的衰減。
需要補充說明一點，由于上面推導(dǎo)假設(shè)了求和中有一個復(fù)現(xiàn)碼序 列與接收序列是同族但是相位差大于一個碼元寬度，如果有仿個這樣
的序列出現(xiàn)在和項中，式(卜7)需要重新寫成下式<formula>formula see original document page 10</formula>(l-8)
其中參數(shù)范表示參與求和的序列中與接收序列同族但是與接收序列 碼相位的相位差大于一個碼元的序列個數(shù)。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的， 一種偽碼序 列的捕獲方法，其特征在于， '第一步，由偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生位于接收機上空的衛(wèi)星偽碼序列 (衛(wèi)星偽隨機碼)的本地復(fù)制碼，將此本地復(fù)制碼的所有不同碼相位 序列均勻的劃分成n分組，每分組包含m個不同碼相位序列，將每分 組中的m個碼相位序列相加，得到該分組的復(fù)合碼序列，記為Pi， i 為分組號，i=l，2,3……n;
第二步，將復(fù)合碼序列P(分別與接收到的衛(wèi)星偽碼序列進行相關(guān) 積分，如果復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值大于閾值Thl，則表示檢測的衛(wèi) 星偽碼序列包含在該分組的碼相位序列中；如果復(fù)合碼序列P,相關(guān)積 分值小于閾值Thl，則繼續(xù)進行復(fù)合碼序列Pw的相關(guān)積分運算；如 果所有的復(fù)合碼序列P'相關(guān)積分值都不大于閾值Thl，則改為用每個 單獨的碼相位序列進行搜索，即采用傳統(tǒng)碼相位序列搜索方法；
第三步，對于上述復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值大于閾值Thl的相應(yīng) 分組，將該分組中的m個碼相位序列再分別和接收到的衛(wèi)星偽碼序列 進行相關(guān)積分，如果某個碼相位序列相關(guān)積分值大于閾值Th2，該碼 相位序列就和衛(wèi)星偽碼序列同步，即衛(wèi)星偽碼序列被捕獲。
所述衛(wèi)星偽碼序列是GPS信號。
所述將此本地復(fù)制碼的所有不同碼相位序列均勻的劃分成n分 組，每分組包含m個不同碼相位序列，其中m為10 32， n為32 103。
所述將此本地復(fù)制碼的所有不同碼相位序列均勻的劃分成n分 組，每分組包含m個不同碼相位序列，其中m為32， n為32。 所述衛(wèi)星偽碼序列是伽利略信號。
本發(fā)明對要進行搜索的碼相位序列先進行分組，根據(jù)比較閾值， 找出包含衛(wèi)星偽碼序列的分組，然后再對分組中的碼相位序列進行搜 索，找出最終要伺步的碼相位序列，這樣將會大大降低搜索量和搜索 時間，提高接收機的性能。
當(dāng)m-l， n二1023時，相當(dāng)于每分組一個碼相位，有1023組， 這種情況等于沒有進行分組，和傳統(tǒng)的碼相位搜索方法一樣了 。
當(dāng)m=1023， n-l時，相當(dāng)于只有一個分組，但是這個分組中 有1023個碼相位，同樣和傳統(tǒng)的方法是一樣的。
當(dāng)m-10， n=103,每組10個碼相位， 一共103組，最后一組 3個碼相位，相關(guān)積分計算量Cgal03 + 10-113。
因此，最小相關(guān)積分計算量應(yīng)該是min(〃 + 1023/z7),"e[U023]，可以 求出《*32，最小的相關(guān)積分計算量C2-32 + 31-63 。而傳統(tǒng)的碼相位 檢測方法需要的相關(guān)積分計算量是1023。


以下結(jié)合

和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(xì) 說明。
圖l是本發(fā)明的流程圖。
圖2是兩個序列自相關(guān)函數(shù)歸一化的圖形，橫坐標(biāo)為兩個同族碼 相差的碼相位r，縱坐標(biāo)為歸一化自相關(guān)函數(shù)值。-l是歸一化相關(guān)
值，7;為碼元寬度。
圖3 GPS信號仿真模塊圖。
圖4是信噪比為-10dB時的情況，橫坐標(biāo)為相關(guān)時間點，縱坐標(biāo) 為歸一化自相關(guān)函數(shù)值。
圖4a表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和都與接收碼序列的相位 對齊。
圖4b表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和，其中的一個復(fù)現(xiàn)碼序 列與接收碼序列相位相同。
圖4c表示本地復(fù)現(xiàn)碼的12個延遲碼中不存在與接收碼對齊的碼。
圖5是信噪比為-20dB的情況下，橫坐標(biāo)為相關(guān)時間點，縱坐標(biāo) 為歸一化自相關(guān)函數(shù)值。
圖5a表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和都與接收碼序列的相位 對齊。
圖5b表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和，其中的一個復(fù)現(xiàn)碼序 列與接收碼序列相位相同。
圖5c表示本地復(fù)現(xiàn)碼的12個延遲碼中不存在與接收碼對齊的碼。
圖6是信噪比為-30dB的情況，橫坐標(biāo)為相關(guān)時間點，縱坐標(biāo)為 歸一化自相關(guān)函數(shù)值。圖6a表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和都與接收碼序列的相位對齊。
圖6b表示12個復(fù)現(xiàn)碼序列的延遲碼之和，其中的一個復(fù)現(xiàn)碼序
列與接收碼序列相位相同。
圖6c表示本地復(fù)現(xiàn)碼的12個延遲碼中不存在與接收碼對齊的碼。
具體實施例方式
如圖1所示為本發(fā)明的流程圖1)首先由偽隨機碼產(chǎn)生器，產(chǎn) 生位于接收機上空的衛(wèi)星偽碼序列的本地復(fù)現(xiàn)碼。2)將本地復(fù)現(xiàn)碼 的所有不同碼相位序列，均勻的劃分成n分組，每分組包含m個碼相 位序列。3)將每分組中的m個碼相位序列相加得到復(fù)合碼序列。4) 將相加后的復(fù)合碼序列，和接收到的衛(wèi)星偽碼序列進行相關(guān)積分，如 果大于閾值Thl ，則表示檢測的衛(wèi)星偽碼序列包含在此分組中。如 果不大于閾值Thl，則對下一分組的復(fù)合碼序列進行相關(guān)積分，直到 找到大于閾值Thl的復(fù)合碼序列。5)對找出的復(fù)合碼序列，將其相 應(yīng)分組中的每一個碼相位序列與衛(wèi)星偽碼序列再進行相關(guān)積分，找出 其中大于閾值Th2的那個碼相位序列，這樣就可以找出衛(wèi)星偽碼序列 的具體碼相位。
實施例當(dāng)m = 32, n = 32，每分組32個碼相位序列， 一共32 分組，最后一分組31個碼相位序列，因為與32相差不大，可以取相 同閾值作為判定條件或取閾值的31/32作為判定條件。然后對每一分 組的碼相位序列求和，再和衛(wèi)星偽隨機碼序列相關(guān)積分，假如第12
分組的相關(guān)積分值大于閾值2dB,說明這個分組中含有衛(wèi)星偽隨機碼
序列，那么就停止進行組搜索。隨后在第12分組內(nèi)進行32個碼相位 序列的具體搜索，假如第25個碼相位序列進行相關(guān)積分后，其值大 于3dB，那么就可以判斷找到了衛(wèi)星偽隨機碼序列。該碼相位序列的 排列次序為11X32+25=377，相關(guān)積分的計算量是12+25=37。
下面通過對GPS信號和伽利略信號的捕獲實例的仿真進一步說. 明本發(fā)明的實施方式。仿真的平臺是Matlab6.5。
參照圖2，是兩個序列自相關(guān)函數(shù)歸一化的圖形，兩個序列為不 同碼相位的同族偽隨機碼，橫坐標(biāo)為這兩個同族碼相差的碼相位r ， 縱坐標(biāo)為歸一化自相關(guān)函數(shù)值?？梢钥闯觯谝粋€周期內(nèi)，相差的碼 相位r越小，相關(guān)值越大。
參照圖3，因為GPS信號中偽碼的長度是1023，將每個GPS隨機 碼分為86分組，每分組12個碼相位序列，每分組中的不同碼相位序 列進行相加，然后和接收衛(wèi)星偽隨機碼序列進行相關(guān)積分運算。圖中 的加性白高斯噪聲模塊(AWGN)，即對相關(guān)積分運算的輸入信號引入 的是高斯白噪聲，并且此噪聲是加在輸入信號端的。Gold Sequence generator模塊是格爾德碼產(chǎn)生器，產(chǎn)生偽隨機碼。Matrix multiply 模塊是相關(guān)積分的模塊。Delay模塊是延時模塊，延吋一個碼相位。 還有一個碼相位序列相加器，進行碼相位序列的相加，即將12個碼 相位序列進行相加。
圖4、圖5、圖6，分別給出了在不同信噪比(GPS信號和加性
高斯噪聲之比)三種情況的相關(guān)結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出-
圖4 a 、圖5 a 、圖6 a可以說明如果12個本地復(fù)現(xiàn)碼的 碼相位都與接收碼的碼相位相同的話，相關(guān)結(jié)果中的峰值都是比較明 顯的。
圖4b 、圖5b 、圖6b可以說明如果12個本地復(fù)現(xiàn)碼序列 中有一個序列的碼相位與接收碼的碼相位相同的話，其相關(guān)結(jié)果的峰 值雖然較相應(yīng)圖4 a 、圖5 a 、圖6 a的峰值有明顯下降，但是其 峰值也是很明顯的。峰值下降的原因是有11個與接收碼的碼相位不 同的序列參與了求和，實際上就是因為式(1-8)中的第二項在起作 用。
圖4c 、圖5c 、圖6c可以說明如果本地復(fù)現(xiàn)的12個碼序 列的碼相位中沒有一個相位碼與接收碼的碼相位相同，則相關(guān)結(jié)果是 更小的。
將本發(fā)明也可用于捕獲伽利略系統(tǒng)E1頻段開放信號中。對于伽 利略信號的捕獲，與GPS信號的主要區(qū)別就是碼的長度不同，其他步 驟相同，可以得到一致結(jié)果。
因此，上述結(jié)果說明，完全可以先對同族碼的碼相位序列進行分 組求和，確定分組后，再確定具體的碼相位序列。這樣可以減少相關(guān) 積分的次數(shù)，減少運算量和運算時間，對于接收機來說，在同樣的時 鐘周期下，可以縮短捕獲信號的吋間。
權(quán)利要求
1、一種偽碼序列的捕獲方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，由偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生位于接收機上空的衛(wèi)星偽碼序列的本地復(fù)制碼，將此本地復(fù)制碼的所有不同碼相位序列均勻的劃分成n分組，每分組包含m個不同碼相位序列，將每分組中的m個碼相位序列相加，得到該分組的復(fù)合碼序列，記為Pi，i為分組號，i＝1，2，3……n；第二步，將復(fù)合碼序列Pi分別與接收到的衛(wèi)星偽碼序列進行相關(guān)積分，如果復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值大于閾值Th1，則表示檢測的衛(wèi)星偽碼序列包含在該分組的碼相位序列中；如果復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值小于閾值Th1，則繼續(xù)進行復(fù)合碼序列Pi+1的相關(guān)積分運算；如果所有的復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值都不大于閾值Th1，則改為用每個單獨的碼相位序列進行搜索，即采用傳統(tǒng)碼相位序列搜索方法；第三步，對于上述復(fù)合碼序列Pi相關(guān)積分值大于閾值Th1的相應(yīng)分組，將該分組中的m個碼相位序列再分別和接收到的衛(wèi)星偽碼序列進行相關(guān)積分，如果某個碼相位序列相關(guān)積分值大于閾值Th2，該碼相位序列就和衛(wèi)星偽碼序列同步，即衛(wèi)星偽碼序列被捕獲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偽碼序列的捕獲方法，其特征在 于，所述衛(wèi)星偽碼序列是GPS信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偽碼序列的捕獲方法，其特征在 于，所述將此本地復(fù)制碼的所有不同碼相位序列均勻的劃分成n分 組，每分組包含m個不同碼相位序列，其中m為10 32， n為32 103。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種偽碼序列的捕獲方法，其特征在 于，所述m為32， n為32。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偽碼序列的捕獲方法，其特征在 于，所述衛(wèi)星偽碼序列是伽利略信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及直接序列擴頻通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偽碼序列的捕獲方法。本發(fā)明通過將本地復(fù)制碼的所有不同碼相位序列均勻的劃分成n分組，每分組包含m個不同碼相位序列，將每分組中的m個碼相位序列相加，得到該分組的復(fù)合碼序列。首先利用復(fù)合碼序列分別與接收到的衛(wèi)星偽碼序列進行相關(guān)積分，搜索含有衛(wèi)星偽碼序列的復(fù)合碼序列；再通過在該復(fù)合碼序列相應(yīng)分組的m個碼相位序列中搜索衛(wèi)星偽碼序列。這種方法可以廣泛應(yīng)用GPS信號、伽利略信號以及其它通信信號的軟件接收機中，可以靈活捕獲不同長度的直接序列擴頻碼。
文檔編號G01S19/30GK101207405SQ20071019923
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者何秋生, 周文益, 王江安 申請人:西安華迅微電子有限公司