專利名稱：一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信技術領域，尤其涉及在擴頻通信中能獲取時間同步的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法。
在擴頻通信中，接收機首先要獲取時間同步，也就是使本地的擴頻序列與發(fā)送的擴頻序列相位對齊，這是由接收機的捕獲完成。
在CDMA(碼分多址)蜂窩移動通信的前向鏈路(從基站到移動臺)中，為了便于移動臺的相干檢測和chip(碼片級)級的同步，在系統(tǒng)設計(包括IS-95、CDMA2000、WCDMA)中往往都采用連續(xù)導頻的信道。這樣移動臺就可以在公共導頻信道上做PN碼(偽隨機碼)捕獲。
根據(jù)基站擴頻結構的不同，移動臺的PN碼捕獲結構也相應有所變化。在第三代移動通信中(包括WCDMA和CDMA2000)，都采用復擴頻的結構。
如

圖1、2所示，其中，圖1是復擴頻的結構示意圖，圖2是移動臺在導頻信道上的捕獲結構示意圖。
對應導頻信道來說，數(shù)據(jù)I＝1，Q＝0，(見圖1、2)，這樣，移動臺在導頻信道上的捕獲結構如圖2所示。將接收到的信號與本地PNI和PNQ進行復相關運算，在經(jīng)過相干累加、平方和取能量、非相干累加后，得到某個相位1所對應的能量z1，然后將z1與一個判決門限進行比較，比較的結果送到搜索控制模塊中進行判決，本地PN(偽隨機)序列就在搜索控制模塊的作用下，不斷改變本地PN序列的相位，直到認為擴頻序列已經(jīng)同步。
對于接收機來說，捕獲時間和捕獲概率是兩個衡量捕獲性能的重要指標。而較低的信噪比、多普勒頻移、信道衰落等都是影響移動臺接收性能的重要因素。在這種情況下，目前常用的捕獲策略有(1).最大似然法最大似然法是克服信道衰落、提高捕獲性能的最好方法。它在整個PN碼相位上進行搜索，然后選擇最大相關值所對應的相位作為候選相位。這種方法由于需要對所有的PN碼相位進行搜索，這樣捕獲時間就與PN碼長成正比，當PN碼較長時(如CDMA2000)，捕獲時間就不能滿足系統(tǒng)的要求。如果采用多相關器并行捕獲結構，可以縮短捕獲時間，但是相應的硬件資源增加，系統(tǒng)將十分復雜而不可接受。
(2).串行搜索、門限判決法這是一種在捕獲時間和捕獲概率兩方面取得平衡的方法。它將當前的相關值z1與判決門限進行比較，如果z1超過判決門限，就認為當前的相位為候選相位，采用這種方法時，門限的設定對性能的影響很大。
通常有兩種門限設定法固定門限和自適應門限。固定門限的方法在實際應用中不能滿足信噪比動態(tài)變化的需要，因此性能較差；自適應門限法的關鍵是準確地估計當前的噪聲能量，從而得到相應的判決門限。采用參考相關器估計噪聲能量，可以得到較準確的判決門限，但是這種方法要求在本地產(chǎn)生與接收信號所用擴頻碼相正交的PN碼，尋求這樣的碼字增加了接收機的設計復雜度。
(3).捕獲證實在實際應用中，為了降低捕獲的虛警概率，減少捕獲時間。對超過判決門限的可能相位需要作進一步的證實。傳統(tǒng)的證實策略大概可以分為兩種對相關值進行多次判決和雙停頓(多停頓)證實。
對相關值進行多次判決證實是指對超過判決門限的可能的候選相位再進行Nmax次的相關運算，其結果再與自適應門限進行比較，等到比較模塊送出的超過判決門限的次數(shù)累加到Nmin次后，才認為候選相位為同步相位，從而進入跟蹤狀態(tài)，Nmax和Nmin是系統(tǒng)預先設置好的參數(shù)。
雙停頓(多停頓)證實是指對可能的候選相位在更長的時間上再進行進行N次的相關運算，如果這N次的相關結果都超過了各自的判決門限，才認為候選相位為同步相位。
這兩種傳統(tǒng)證實策略的共同特點都是僅僅利用了自適應的門限信息，這樣整個系統(tǒng)的捕獲性能就與判決門限的準確性、參數(shù)Nmax和Nmin的選擇以及停頓次數(shù)N有很大的關系，這時在不同的條件下所得到的性能改善往往就有較大的差別。
本發(fā)明的目的在于提供一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，它能適用于發(fā)射端采用復擴頻，并且具有連續(xù)導頻信道的CDMA系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，它應用于擴頻通訊中，包括步驟
(1).將發(fā)射端的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過復擾碼轉換后送達到接收端；其特特點是，還包括以下步驟(2).將接收到的信號與由PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PNI和PNQ進行復相關運算，在經(jīng)過相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某個相位1所對應的信號能量z1；Z1=Σk=1M[(Σn=1NR(t)·(PNI(n+(k-I)N)-j·PNQ(n+(k-1)N))2]---(2)]]>其中，R(t)為接收信號，N為相干累加的次數(shù)；(3).采用參考相關器估計噪聲能量yn；(4).對信號能量z1和噪聲能量yn進行比較判斷，并根據(jù)判斷結果控制PN碼發(fā)生器的相位，方法如下a.如果信號能量z1大于噪聲能量yn，則當前相位1就是一個可能的候選相位，這時進入相位證實過程，對該相位進行Zmax證實判斷；b.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)大于Nmin次，就認為候選相位1為同步相位，從而捕獲完成，其中Zmax為相應能量的歷史最大值，y為調整系數(shù)；c.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)小于等于Nmin次，就認為候選相位1為非同步相位，并且令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位；d.如果信號能量z1小于或等于噪聲能量yn，則令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位。
在上所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法中，其中，在所述的步驟(3)中，所述的采用參考相關器估計噪聲能量yn是直接將接收到的I、Q信號與接反后的PNI和PNQ進行相關運算，再經(jīng)過相干累加、平方相加取能量得到估計噪聲能量yn。E1=Σk=1M[(Σn=1NR(t)·(PNQ(n+k-1)N)-j·PNI(n+(k-1)N)))2]---(3)]]>在上所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法中，其中，在所述的步驟(3)中，將得到的噪聲能量yn進行濾波，以得到比較穩(wěn)定的噪聲能量估計值yn。
在上所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法中，其中，所述的濾波采用阿爾法濾波，濾波系數(shù)α的取值大于0.9。
yn＝(1-a)·E1+a·yn-1(4)本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，由于采用了上述的技術方案，使之與現(xiàn)有技術相比具有以下的優(yōu)點和積極效果(1).噪聲能量估計準確。
本發(fā)明由于在CDMA空中接口的設計中，為了減少I、Q兩路之間的相互干擾，所選用的PNI和PNQ之間都具有良好的正交性，這樣接收端就可以利用這個特點方便地得到噪聲能量的準確估值，而這種方法不需要在本地產(chǎn)生與接收信號擴頻碼正交的碼字，因此簡化了接收機的設計。
(2).將自適應門限判決法和最大似然法有機結合起來。
本發(fā)明由于設計為當接收機工作在低信噪比，同時受到多普勒頻移、信道衰落和其它突發(fā)性干擾的影響時，門限法的應用本身就存在較大的局限性，這時對超過判決門限的可能相位進行最大似然的證實是一種更加合理的選擇，我們以對相關值進行多次判決證實的方法為例，可以這樣設計捕獲證實策略對可能的候選相位再進行Nmax次的相關運算，在比較模塊中將乘上一個比例系數(shù)后的歷史最大值與所得到的Nmax個相關值進行比較，如果超過這個最大似然門限值的次數(shù)累加到Nmin次，才認為候選相位為同步相位，從而進入跟蹤狀態(tài)，Mmax和Nmin是系統(tǒng)預先設置好的參數(shù)。
(3).本發(fā)明由于僅對超過判決門限的可能相位才采用最大似然的多次證實，避免了對整個PN碼的相位進行搜索，大大縮短了捕獲時間。
(4).本發(fā)明的這種自適應門限的捕獲證實方法還可以與雙停頓、多停頓、多相關器并行捕獲結構相結合，滿足不同的需要，具有很大的靈活性。
通過以下對本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法的一實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本發(fā)明的目的、具體技術特征和優(yōu)點。其中，附圖為圖1是現(xiàn)有技術的移動通信中復擴頻的結構示意圖；圖2是現(xiàn)有技術的移動臺導頻信號同步捕獲原理圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明提出的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法的主徑捕獲實現(xiàn)原理框圖；圖4是本發(fā)明提出的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法中門限比較搜索控制模塊判決流程圖。
如圖3所示，這是本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法的主徑捕獲實現(xiàn)原理框圖。本發(fā)明，一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，它應用于擴頻通訊中，包括以下步驟第一步，將發(fā)射端的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過復擾碼轉換后送達到接收端，接收信號表達為R(t)＝(I+j·Q)(1)第二步，將接收到的信號與由PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PNI和PNQ進行復相關運算，在經(jīng)過相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某個相位1所對應的信號能量z1，其中，N為相干累加的次數(shù)，M為非相干累加的次數(shù)；Z1=Σk=1M[(Σn=1NR(t)·(PN1(n+(k-1)N)-j·PNQ(n+(k-1)N))2]----(2)]]>第三步，采用參考相關器估計噪聲能量yn，以得到判決門限，在此步驟中，我們仍然采用參考相關器產(chǎn)生判決門限的辦法，并且，與在接收機本地產(chǎn)生與所接收PN碼相互正交碼字的方法不同的是我們利用復擴頻的特點以及PNI和PNQ之間良好的正交性，直接將接收到的I、Q信號與接反后的PNI和PNQ進行相關運算，再經(jīng)過相干累加、平方相加取能量得到的；E1=Σk=1M[(Σn=1NR(t)·(PNQ(n+k-1)N)-j·PNI(n+(k-1)N)))2]----(3)]]>并且，將得到的噪聲能量yn進行濾波，以得到比較穩(wěn)定的噪聲能量估計值yn，通常，所述的濾波采用阿爾法濾波，該阿爾法濾波系數(shù)α的取值大于0.9。
yn＝(1-a)·E1+a·yn-1(4)第四步，對信號能量z1和噪聲能量yn進行比較判斷，并根據(jù)判斷結果控制PN碼發(fā)生器的相位。(見圖4)。
如圖4所示，這是本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲的證實方法中門限比較搜索控制模塊判決流程圖。在第四步驟中，對信號能量z1和噪聲能量yn進行比較判斷，并根據(jù)判斷結果控制PN碼發(fā)生器的相位，它包括以下步驟a.如果信號能量z1大于噪聲能量yn，則當前相位1就是一個可能的候選相位，這時進入相位證實過程，對該相位進行Zmax證實判斷；
b.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)大于Nmin次，就認為候選相位1為同步相位，從而捕獲完成，其中Zmax為相應能量的歷史最大值，y為調整系數(shù)；c.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)小于等于Nmin次，就認為候選相位1為非同步相位，并且令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位；d.如果信號能量z1小于或等于噪聲能量yn，則令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位。
如果是虛假的相位，通過Nmax次的證實，可以排除干擾，同時提高了Zmax，這樣在下一次可能相位的最大似然證實中，由于Zmax的提高，可以使虛警概率進一步下降。而對于那些正確的相位，根據(jù)最大似然原理，其相關值必定是最大的，這樣最大相關值有Nmin次超過比例系數(shù)乘上其歷史最大值的可能性是很大的，從而充分保證了捕獲概率。
綜上所述，本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法與傳統(tǒng)的捕獲證實方法相比具有以下特點和優(yōu)勢1)本發(fā)明由于采用單獨的參考相關器估計噪聲能量，產(chǎn)生自適應的判決門限。當參考相關器所采用的本地PN碼相位與接收信號PN碼相位保持正交時，相關輸出的結果就是對噪聲的準確估計。我們在實現(xiàn)中將I、Q兩路接反，這樣它的輸出再通過阿爾法濾波器后就可以得到比較準確和平穩(wěn)的噪聲能量的估計值。這種方法實現(xiàn)簡單，對噪聲估計的準確性較高，在不同信噪比環(huán)境下都有良好的適應性。
2)為了保證在不同環(huán)境下，捕獲算法都具有較好的性能，對抗通信中的低信噪比、多普勒頻域、信道衰落以及可能出現(xiàn)的突發(fā)性錯誤，本發(fā)明對超過門限估值的可能的候選相位再進行最大似然的多次證實。如果候選相位是正確的相位，根據(jù)最大似然準則，有Nmin次超過其歷史最大值的可能性是很大的，從而充分保證了捕獲概率。對于虛假的相位，通過Nmax次的證實，可以排除干擾，同時提高了Zmax，這樣在下一次可能相位的最大似然證實中，由于Zmax的提高，可以使虛警概率進一步下降。這種證實策略相對于傳統(tǒng)的與判決門限進行多次比較的方法更加合理，充分利用了最大似然的特性，實現(xiàn)也非常簡單，而且采用最大似然證實對參數(shù)Nmin和Nmax的選擇也比較靈活。
3)本發(fā)明采用串行搜索，門限判決，從而避免了對所有相位進行搜索判決，大大縮短了捕獲時間。這種方法還可以與多相關器并行捕獲結構有機地結合起來，進一步縮短捕獲時間。
4)本發(fā)明這種最大似然的證實策略還可以應用到雙停頓、多停頓等捕獲方法中，具有較強的技術兼容性。
權利要求
1.一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，它應用于擴頻通訊中，包括步驟(1).將發(fā)射端的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過復擾碼轉換后送達到接收端；其特征在于，還包括以下步驟(2).將接收到的信號與由PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PNI和PNQ進行復相關運算，在經(jīng)過相干累加、平方相加取能量、非相干累加后，得到某個相位1所對應的信號能量z1；(3).采用參考相關器估計噪聲能量yn；(4).對信號能量z1和噪聲能量yn進行比較判斷，并根據(jù)判斷結果控制PN碼發(fā)生器的相位，方法如下a.如果信號能量z1大于噪聲能量yn，則當前相位1就是一個可能的候選相位，這時進入相位證實過程，對該相位進行Zmax證實判斷；b.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)大于Nmin次，就認為候選相位1為同步相位，從而捕獲完成，其中Zmax為相應能量的歷史最大值，y為調整系數(shù)；c.如果Nmax次判決中信號能量z1大于(1-y)×Zmax的次數(shù)小于等于Nmin次，就認為候選相位1為非同步相位，并且令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位；d.如果信號能量z1小于或等于噪聲能量yn，則令Zmax＝max(z1，Zmax)，接著判斷下一個相位。
2.如權利要求1所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，其特征在于在所述的步驟(3)中，所述的采用參考相關器估計噪聲能量yn是直接將接收到的I、Q信號與接反后的PNI和PNQ進行相關運算，再經(jīng)過相干累加、平方相加取能量得到的。
3.如權利要求1所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，其特征在于在所述的步驟(3)中，將得到的噪聲能量yn進行濾波，以得到比較穩(wěn)定的噪聲能量估計值yn。
4.如權利要求1或3所述的一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法，其特征在于所述的濾波采用阿爾法濾波，濾波系數(shù)α的取值大于0.9。
全文摘要
本發(fā)明一種自適應門限偽隨機碼捕獲與證實方法,它應用于擴頻通訊中,包括步驟:1.將發(fā)射端的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過復擾碼轉換后送達到接收端;其特點是還包括以下步驟:2.將接收到的信號與由PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PN
文檔編號H04J13/02GK1346191SQ0013171
公開日2002年4月24日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權日2000年9月29日
發(fā)明者陸鵬 申請人:華為技術有限公司