專利名稱：基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明為一種基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，屬無線通信技術(shù)領域，涉及無線擴頻通信技術(shù)、多用戶檢測技術(shù)、同頻多相載波同步技術(shù)的研究。
背景技術(shù)：
擴頻技木通過頻譜展寬處理能夠有效提高通信系統(tǒng)的抗干擾和保密性能，因而得到快速發(fā)展，廣泛應用于軍事通信、電子對抗等軍事領域，同時在民用通信領域也得到了重視和應用?，F(xiàn)有的無線擴頻電臺主要采用點對點的通信模式，在實現(xiàn)多點間通信時多采用輪詢的方式，并沒有實現(xiàn)同頻同時的多點通信。這樣就降低了擴頻電臺的通信效率，増加了系統(tǒng)時延。因此亟待開發(fā)ー種新的多用戶擴頻電臺的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)多個用戶與接收機間在同一時刻、同一頻段進行通信。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，通過采用直接序列擴頻通信方式實現(xiàn)多個用戶在同一時刻、同一頻段下的無線數(shù)據(jù)傳輸，其中發(fā)射機采用直接序列擴頻方式對用戶數(shù)據(jù)進行擴頻；接收機采用并行干擾抵消方法去除多址干擾實現(xiàn)多用戶的同時接收，并采用同頻多相載波跟蹤法對多個相位疊加的載波進行載波同步解調(diào)。本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的
一種基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟
1.1.每ー個發(fā)射機將用戶數(shù)據(jù)進行卷積編碼處理，然后用分配的擴頻碼將編碼后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字擴頻和BPSK (Binary Phase Shift Keying，二相相移鍵控)調(diào)制，再經(jīng)過上變頻和濾波處理后通過天線發(fā)送出去；
I.2.接收機接收到發(fā)射機發(fā)出的各個用戶信號后，對其進行下變頻處理，得到模擬中頻信號，將該模擬中頻信號進行可控增益放大處理，再送到模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣芯片進行采樣得到數(shù)字中頻信號，將該數(shù)字中頻信號進行數(shù)字下變頻處理得到基帶數(shù)字信號；
I.3.基帶數(shù)字信號被送入碼同步模塊，通過捕獲和跟蹤操作實現(xiàn)擴頻碼同歩，以其中某一路用戶為當前用戶，則其余幾路用戶為干擾用戶，利用并行干擾抵消算法提取干擾信號，并從基帶數(shù)字信號中去除多個干擾用戶對當前用戶信號造成的多址干擾，得到去除干擾后的當前用戶信號；
I.4.去除干擾后的當前用戶信號在經(jīng)過同步解擴后送到載波同步模塊，此處利用同頻多相載波跟蹤法實現(xiàn)對當前用戶的載波相位精確跟蹤解調(diào)，然后通過位同步判決和差分解碼處理得到當前用戶編碼后的數(shù)據(jù)，再對編碼后的用戶數(shù)據(jù)進行維特比譯碼得到當前用戶接收數(shù)據(jù)；
I.5.將上述接收過程多路并行操作，每一路將當前用戶的擴頻碼進行解擴、去擾、載波 同步等處理，在同一時刻、同一頻率對多個用戶數(shù)據(jù)進行接收和處理。
2、根據(jù)權(quán)カ要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于所述I. 2中采樣前通過自動増益控制調(diào)整接收到的信號幅度，采樣后利用數(shù)控振蕩器產(chǎn)生正弦信號對采樣后信號進行數(shù)字下變頻處理，然后通過積分梳狀濾波器和有限沖激響應修正濾波器實現(xiàn)濾波和抽取過程。3、根據(jù)權(quán)カ要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于所述I. 3中的碼同步包括以下步驟
3. I通過滑動相關(guān)法進行捕獲首先進行相關(guān)處理，經(jīng)過濾波、平方檢波、積分后送入比較器，當積分結(jié)果小于判決門限吋，比較模塊輸入ー個反饋控制信號去調(diào)整本地偽隨機序列碼的相位，重新進入新一輪的相關(guān)處理，直到積分器的輸出結(jié)果大于門限值即捕獲成功，同時輸出標識進入跟蹤模塊；
3.2跟蹤模塊采用非相干延遲鎖定環(huán)實現(xiàn)細同步捕獲信號分為兩路分別與超前和滯后半個碼元周期的本地參考信號相乘，通過平方運算電路進行平方運算，再通過低通濾波 器進行濾波，經(jīng)過處理的兩路信號送給鑒相器進行相減，根據(jù)鑒相器輸出的結(jié)果來調(diào)整本地擴頻碼的相位，最終使得發(fā)射端與接收端的偽隨機序列碼相位誤差縮小到小于正負1/16個碼元周期；
3.3跟蹤電路要實時檢測判斷偽隨機序列碼同步是否丟失，一旦檢測同步丟失則立即轉(zhuǎn)入3. I中的捕獲階段進行新ー輪的同步過程。4、根據(jù)權(quán)カ要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于I. 3中所述并行干擾抵消算法包括以下步驟
4.I利用跟蹤模塊得到當前所有用戶擴頻序列的相位并計算互相關(guān)系數(shù)，同時將跟蹤解擴后的信號進行再次擴頻，然后乘以互相關(guān)系數(shù)得到干擾信號；
4.2基帶數(shù)字信號減去干擾信號得到去除干擾后的當前用戶信號。5、根據(jù)權(quán)カ要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于I. 4中的同頻多相載波跟蹤法包括以下步驟
5.I同時采用前4組相位依次延遲的本地載波與解擴輸出信號相乗，然后經(jīng)過濾波器和積分器得到積分結(jié)果，選擇積分結(jié)果最高的一路為最終本地載波同步解調(diào)結(jié)果輸出；
5.2上述5. I中過程實時進行，一旦原載波相位變動則積分結(jié)果變動，則重新判決，選擇積分結(jié)果最高即相位匹配最佳的一路作為結(jié)果輸出。本發(fā)明為一種基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果
接收機中采用并行干擾抵消方法實現(xiàn)對于多個用戶相互間多址干擾的抑制。通過去除系統(tǒng)的自干擾可以使得多個用戶在同一時刻、同一頻段下進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)用戶容量和頻帶利用率。多用戶同時傳輸可以降低傳統(tǒng)輪詢方式所帯來的系統(tǒng)延時，每個用戶數(shù)據(jù)傳輸時間不再受到其它用戶的限制。在載波同步模塊創(chuàng)新的使用了同頻多相載波跟蹤法。該方法針對系統(tǒng)多個用戶發(fā)送的載波相位疊加、且每個用戶通過無線信道到達接收機的載波相位隨信道特性變化，傳統(tǒng)鑒相模塊無法實現(xiàn)對當前用戶載波相位準確跟蹤的問題，通過本地重構(gòu)多路相位依次延遲的載波來實現(xiàn)對當前用戶時變相位的準確跟蹤，保證了系統(tǒng)進行準確的同步解調(diào)。與傳統(tǒng)載波跟蹤方法相比，由于沒有添加導頻信號所以提高了系統(tǒng)的發(fā)射效率；沒有采用鑒相模塊因而降低了系統(tǒng)載波同步建立時間。


圖I (a)為本發(fā)明的發(fā)射機系統(tǒng)框 圖I (b)為本發(fā)明的接收機系統(tǒng)框 圖2為自動增益控制流程 圖3為滑動相關(guān)捕獲法原理圖； 圖4為非相干延遲鎖定環(huán)跟蹤法原理 圖5為并行干擾抵消法實現(xiàn)原理 圖6為同頻多相載波跟蹤法原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實施例做進ー步的說明
本發(fā)明主要分成發(fā)送機和接收機兩部分，發(fā)送機主要完成對用戶數(shù)據(jù)的編碼擴頻和調(diào)制發(fā)送功能，發(fā)射機系統(tǒng)框圖如圖I (a)所示。接收機則要完成對同一時間同一頻段內(nèi)的多個發(fā)射信號進行同時準確接收，在模擬信號處理后，數(shù)字部分需要對接收到的多路疊加信號進行相應的同步解擴、干擾去除和同步解調(diào)等處理，以實現(xiàn)對多路信號的分離和解碼。接收機系統(tǒng)框圖如圖I (b)所示。系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方式可以根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)進行靈活配置，而不需要改動硬件配置。當用戶數(shù)量較少時，考慮到系統(tǒng)的內(nèi)部多址干擾較小，在保證數(shù)據(jù)傳輸誤碼率滿足要求的條件下，可以采用較短的偽隨機序列碼和單級干擾去除方法以提高系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度。當用戶數(shù)量較多時，為保證系統(tǒng)傳輸準確率，可以選擇較復雜的偽隨機序列碼和多級干擾去除方法。接收機將接收到的射頻模擬信號先進行模擬下變頻得到模擬中頻信號，然后對此模擬中頻信號進行可控增益放大，將信號幅值放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊要求的幅值范圍內(nèi)，如圖2所示。首先進行信號幅值鑒別，計算N點信號的絕對值之和，將結(jié)果與設定的上下門限進行相減，將得到的差值信號送入環(huán)路濾波器進行環(huán)路濾波處理，從而得到可控放大器的控制字，可控放大器根據(jù)此控制字修改放大倍數(shù)，實現(xiàn)對中頻信號的自動增益控制。經(jīng)過增益控制后的中頻模擬信號再送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字中頻信號，然后經(jīng)過數(shù)字下變頻后得到基帶數(shù)字信號?；鶐?shù)字信號首先送到碼同步模塊，通過如圖3所示的滑動相關(guān)捕獲法實現(xiàn)粗同步過程?；鶐?shù)字信號分成兩路，一路作為參考信號直接通過帶通濾波器，另一路先與本地當前相位的偽隨機序列碼進行相乘解擴，然后再通過帶通濾波器。濾波后兩路信號均通過平方檢波運算后按照系統(tǒng)設定積分長度進行積分操作。將兩路信號的積分結(jié)果進行比較，如果解擴路信號的積分結(jié)果與參考路信號相比達到一定預設值，則認為本地當前相位的偽隨機序列碼實現(xiàn)了對接收信號的捕獲，此時本地偽隨機序列碼和接收的基帶數(shù)字信號偽隨機序列碼相位的定時誤差在半個碼元周期以內(nèi)。如果沒有達到預設值，則認為本地偽隨機序列碼沒有實現(xiàn)對接收信號的捕獲，此時需要重新調(diào)整本地擴頻碼的相位，再次進行前述捕獲操作直至實現(xiàn)捕獲為止。捕獲后的接收信號送到如圖4所示的非相干延遲鎖定環(huán)跟蹤模塊實現(xiàn)對擴頻接收系統(tǒng)的細同歩。即實現(xiàn)接收機本地偽隨機序列碼和發(fā)射機偽隨機序列碼相位的準確對齊，同時跟蹤發(fā)送端偽隨機序列碼相位的改變。輸入信號首先分成兩路分別和超前半個碼元周期的偽隨機序列碼、滯后半個碼元周期的偽隨機序列碼相乘，然后分別通過帶通濾波器、平方檢波、積分后送入比較器做相減比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整本地偽隨機序列碼的相位。由于系統(tǒng)采用8倍采樣率，跟蹤的結(jié)果可使得接收端偽隨機序列碼和發(fā)射端偽隨機序列碼相位差距縮小到正負1/16個碼元周期內(nèi)。用此偽隨機序列碼與輸入信號進行相乘即可實現(xiàn)同步解擴。 圖5所示為并行干擾抵消法實現(xiàn)原理圖，下面以一路用戶信號A為例詳述算法的執(zhí)行過程。當接收到的基帶數(shù)字信號r (η)通過用本地A用戶的擴頻碼(簡稱PNA)進行捕獲和跟蹤后進行初歩解擴，同時從跟蹤模塊得到當前相位的PM。同樣另外的幾路信號進行類似處理分別得到B用戶當前相位的擴頻碼(簡稱PNB)和C用戶當前相位的擴頻碼(簡稱PNC)。序列互相關(guān)系數(shù)計算公式
A
P =(O
-4+ ￡)
其中，A為兩序列對應位相同的個數(shù)；D為兩序列對應位不同的個數(shù)。利用公式(I)可以計算得到當前相位的各個擴頻序列的相關(guān)系數(shù)矩陣為
Σ^·(2)
利用公式(2)可以計算得到PNA和PNB之間的互相關(guān)系數(shù)AiS ,PNB和PNC之間的互相
關(guān)系數(shù)/ ,PNA和PNC之間的互相關(guān)系數(shù)Aie。將二次擴頻信號BI和/^相乘，得到B用
戶對A用戶的干擾；二次擴頻信號Cl與P紀相乗，得到C用戶對A用戶的干擾。將上述兩
個干擾信號相加即可得到當前B和C用戶對A用戶形成的多址干擾
XPbc^ ^(3 )
將接收信號r (η)減去該多址干擾得到去擾后的信號Α2，將Α2送到后續(xù)的捕獲模塊再次進行同步解擴、解調(diào)濾波等后續(xù)處理，如此便實現(xiàn)了對用戶A的ー級多用戶干擾抵消操作。系統(tǒng)同時對B和C用戶實行類似A用戶的操作實現(xiàn)并行處理，當用戶數(shù)量較多干擾較為強烈時接收系統(tǒng)可采用多級干擾抵消操作，以降低系統(tǒng)內(nèi)部自干擾引起的誤碼。圖6所示為同頻多相載波跟蹤法原理圖，利用此部分實現(xiàn)對多路用戶相位疊加的載波信號進行同步解調(diào)。本系統(tǒng)采用的是8倍采樣率，即每個載波周期有8個相位，后4個相位和前面4個相位相差V相位，由于系統(tǒng)采用了差分編碼可以去掉倒,相位的影響，所以本地只采用前半周期4個相位進行載波相位跟蹤。本地產(chǎn)生初始相位依次遞減的4路本地載波信號a、b、c、d，分別于解擴信號y (η)相乗，之后依次通過濾波器進行相應的幅度和相位修正，再通過積分器，其中積分周期=處理增益X采樣率，將積分結(jié)果送到比較器進行比較判決，選擇判決積分結(jié)果最高的一路作為相位匹配最佳的一路，即最終本地載波同步解調(diào)結(jié)果輸出。上述過程實時進行，如果由于發(fā)送端或無線信道的較大變化引起接收端載波相位改變則積分結(jié)果變動，載波同步模塊就重新判決選擇相位匹配最佳的一路進行同步解調(diào)。
權(quán)利要求
1. 一種基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟 1.1.每一個發(fā)射機將用戶數(shù)據(jù)進行卷積編碼處理，然后用分配的擴頻碼將編碼后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字擴頻BPSK (Binary Phase Shift Keying，二相相移鍵控)調(diào)制，再經(jīng)過上變頻和濾波處理后通過天線發(fā)送出去； I. 2.接收機接收到發(fā)射機發(fā)出的各個用戶信號后，對其進行下變頻處理，得到模擬中頻信號，將該模擬中頻信號進行可控增益放大處理，再送到模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣芯片進行采樣得到數(shù)字中頻信號，將該數(shù)字中頻信號進行數(shù)字下變頻處理得到基帶數(shù)字信號； I. 3.基帶數(shù)字信號被送入碼同步模塊，通過捕獲和跟蹤操作實現(xiàn)擴頻碼同步，以其中某一路用戶為當前用戶，則其余幾路用戶為干擾用戶，利用并行干擾抵消算法提取干擾信號，并從基帶數(shù)字信號中去除多個干擾用戶對當前用戶信號造成的多址干擾，得到去除干擾后的當前用戶信號； I. 4.去除干擾后的當前用戶信號在經(jīng)過同步解擴后送到載波同步模塊，此處利用同頻多相載波跟蹤法實現(xiàn)對當前用戶的載波相位精確跟蹤解調(diào)，然后通過位同步判決和差分解碼處理得到當前用戶編碼后的數(shù)據(jù)，再對編碼后的用戶數(shù)據(jù)進行維特比譯碼得到當前用戶接收數(shù)據(jù)； 1.5.將上述接收過程多路并行操作，每一路采用當前用戶的擴頻碼進行解擴、去擾、載波同步等處理，同一時刻、同一頻率對多個用戶數(shù)據(jù)進行接收和處理。
2.根據(jù)權(quán)力要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于所述I. 2中采樣前通過自動增益控制調(diào)整接收到的信號幅度，采樣后利用數(shù)控振蕩器產(chǎn)生正弦信號對采樣后信號進行數(shù)字下變頻處理，然后通過積分梳狀濾波器和有限沖激響應修正濾波器實現(xiàn)濾波和抽取過程。
3.根據(jù)權(quán)力要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于所述I. 3中的碼同步包括以下步驟 3.I通過滑動相關(guān)法進行捕獲首先進行相關(guān)處理，經(jīng)過濾波、平方檢波、積分后送入比較器，當積分結(jié)果小于判決門限時，比較模塊輸入一個反饋控制信號去調(diào)整本地偽隨機序列碼的相位，重新進入新一輪的相關(guān)處理，直到積分器的輸出結(jié)果大于門限值即捕獲成功，同時輸出標識進入跟蹤模塊； 3.2跟蹤模塊采用非相干延遲鎖定環(huán)實現(xiàn)細同步捕獲信號分為兩路分別與超前和滯后半個碼元周期的本地參考信號相乘，通過平方運算電路進行平方運算，再通過低通濾波器進行濾波，經(jīng)過處理的兩路信號送給鑒相器進行相減，根據(jù)鑒相器輸出的結(jié)果來調(diào)整本地擴頻碼的相位，最終使得發(fā)射端與接收端的偽隨機序列碼相位誤差縮小到小于正負1/16個碼元周期； 3.3跟蹤電路要實時檢測判斷偽隨機序列碼同步是否丟失，一旦檢測同步丟失則立即轉(zhuǎn)入3. I中的捕獲階段進行新一輪的同步過程。
4.根據(jù)權(quán)力要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于I. 3中所述并行干擾抵消算法包括以下步驟 4.I利用跟蹤模塊得到當前所有用戶擴頻序列的相位并計算互相關(guān)系數(shù)，同時將跟蹤解擴后的信號進行再次擴頻，然后乘以互相關(guān)系數(shù)得到干擾信號；.4.2基帶數(shù)字信號減去干擾信號得到去除干擾后的當前用戶信號。
5.根據(jù)權(quán)力要求I所述基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，其特征在于1. 4中的同頻多相載波跟蹤法包括以下步驟 .5.I同時采用前4組相位依次延遲的本地載波與解擴輸出信號相乘，然后經(jīng)過濾波器和積分器得到積分結(jié)果，選擇積分結(jié)果最高的一路為最終本地載波同步解調(diào)結(jié)果輸出； .5.2上述5. I中過程實時進行，一旦原載波相位變動則積分結(jié)果變動，則重新判決，選擇積分結(jié)果最高即相位匹配最佳的一路作為結(jié)果輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于并行干擾抵消算法的多用戶擴頻電臺實現(xiàn)方法，實現(xiàn)在同一時刻、同一頻率上多個用戶與接收機之間的數(shù)據(jù)傳輸。并行干擾抵消算法在接收機上實現(xiàn)。在算法之前接收機的碼同步模塊輸出當前相位的擴頻碼，解擴模塊輸出初次解擴信號。并行干擾抵消算法首先利用擴頻碼對初次解擴信號進行二次擴頻，同時計算不同用戶擴頻碼的互相關(guān)系數(shù)；然后將各個干擾用戶的二次擴頻信號分別和對應的互相關(guān)系數(shù)相乘相加得到干擾信號；再將基帶數(shù)字信號減去干擾信號得到去擾后的基帶信號。最后對去擾后的基帶信號進行碼同步、解擴、載波同步解調(diào)即可得到當前用戶數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過將上述過程并行操作可實現(xiàn)多個用戶與接收機之間在同一時刻、同一頻段進行無線電臺通信和數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號H04L1/00GK102684737SQ20111005652
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者樂磊, 何蘇勤, 王小慶, 王昊, 白天石, 蘇軍龍 申請人:北京化工大學