密集多径环境下的扩频捕获方法.pdf

本发明公开了一种密集多径环境下的扩频捕获方法。所述方法将扩频捕获系统的整个不确定区域划分成为多个连续的能量窗口，然后将各窗口内的能量进行累加，找到最大的能量窗口即找到了首达径。本发明的技术方案在原有扩频捕获基础上，增加了首达径位置估计方法，使得扩频系统的解调误码率达到最小，提高了系统误码性能。

1.  一种密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1，对于相干扩频系统，将在扩频捕获过程中捕获到的径的位置作为多径中首次到达的径的位置的初始值，设置一个宽度为w个采样周期的能量窗口，设置能量窗口滑动次数为n＝0，则当前能量窗口内的w个采样数据为R[0]，R[1]，…，R[w-1]，该采样数据来自扩频捕获的搜索阶段计算得到的本地码序列与接收到的码序列的匹配滤波结果，设最大窗口能量的初始值为0，设首达径位置初始值为0，w、n均为整数；
S2，计算落在该能量窗口内的w个采样数据之和：若s大于当前最大窗口能量，则将最大窗口能量更新为s，并将多径中首次到达的径位置更新为nw；否则不更新最大窗口能量和首次到达的径位置；
S3，判断(n+1)w是否小于扩频捕获过程中一个码片序列周期的不确定相位的个数N_s，若小于，则将能量窗口向前滑动一次，并将n加1，然后返回步骤S2；否则更新后的首次到达的径的位置所对应的值即为首次到达的径的到达时刻的估计值。

2.  如权利要求1所述的密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括扩频捕获的步骤，所述扩频捕获的步骤具体包括搜索阶段和验证阶段；
在搜索阶段，本地码序列与接收到的码序列进行相关运算，运算结果作为判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则认为本地码序列相位为H₀相位，调整本地序列相位后继续比较，直到相关值大于等于第一门限，每个采样间隔比较一次，然后进入验证阶段，保持本地码序列与接收到的码序列的相对相位不变，进行同步滑动相关运算，若相关值小于第二门限，则验证失败，重新返回搜索阶段；否则验证成功，从而捕获到多径中的一条径。

3.  如权利要求1或2所述的密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，所述能量窗口的大小满足wT_s/τ_MAX小于1/2，其中，τ_MAX为多径信道的最大超量时延，T_s为采样间隔。

4.  一种密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1’，对于非相干扩频系统，将在扩频捕获过程中捕获到的径的位置作为多径中首次到达的径的位置的初始值，设置一个宽度为w个采样周期的能量窗口，设置能量窗口滑动次数为n＝0，则当前能量窗口内的w个采样数据为R[0]，R[1]，…，R[w-1]，该采样数据来自扩频捕获的搜索阶段计算得到的本地码序列与接收到的码序列的匹配滤波结果，设最大窗口能量的初始值为0，设首达径位置初始值为0，w、n均为整数；
S2’，计算落在该能量窗口内的w个采样数据的二范数之和：若s大于当前最大窗口能量，则将最大窗口能量更新为s，并将多径中首次到达的径位置更新为nw；否则不更新最大窗口能量和首次到达的径位置，其中，{R[i]}表示求R[i]的二范数；
S3’，判断(n+1)w是否小于扩频捕获过程中一个码片序列周期的不确定相位的个数N_s，若小于，则将能量窗口向前滑动一次，并将n加1，然后返回步骤S2’；否则更新后的首次到达的径的位置所对应的值即为首次到达的径的到达时刻的估计值。

5.  如权利要求4所述的密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括扩频捕获的步骤，所述扩频捕获的步骤具体包括搜索阶段和验证阶段；
在搜索阶段，本地码序列与接收到的码序列进行相关运算，运算结果作为判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则认为本地码序列相位为H₀相位，调整本地序列相位后继续比较，直到相关值大于等于第一门限，每个采样间隔比较一次，然后进入验证阶段，保持本地码序列与接收到的码序列的相对相位不变，进行同步滑动相关运算，若相关值小于第二门限，则验证失败，重新返回搜索阶段；否则验证成功，从而捕获到多径中的一条径。

6.  如权利要求4或5所述的密集多径环境下的扩频捕获方法，其特征在于，所述能量窗口的大小满足wT_s/τ_MAX小于1/2，其中，τ_MAX为多径信道的最大超量时延，T_s为采样间隔。

密集多径环境下的扩频捕获方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种密集多径环境下的扩频捕获方法。
背景技术
同步技术历来是数字通信系统的关键技术。同步性能的好坏直接关系到扩频系统性能的优劣。直接扩频系统只有在完成扩频序列的同步后，才可能用同步的PN序列对接收的扩频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成非扩频的窄带信号，以解调出传送的信息。扩频信号的同步分为两个阶段：初始捕获阶段和信号初始捕获后的跟踪阶段。捕获是粗同步过程，而跟踪是细同步过程。跟踪单元的工作范围有一定限度，被称为捕获带。扩频序列的捕获(以下简称“扩频捕获”)是指接收机开始接收扩频信号时，调整和选择本地扩频序列的相位，将收发机扩频序列的相位差调整至捕获带内，在跟踪单元开启前，获取扩频序列的粗同步。
扩频捕获是扩频系统最为关键的技术之一，也叫做粗同步。扩频捕获的目的是粗略估计接收到的码序列相位，以便调整本地码序列相位，使得本地码序列相位与接收码序列相位之差在1个码片之内。整个不确定相位区域是由若干个in-phase相位(H₁)和out-of-phase相位(H₀)组成。H₁相位表示与接收码序列相位之差在1个码片之内的本地码序列相位，而H₀则表示与接收码序列相位之差大于1个码片的本地码序列相位。传统直接序列扩频系统下，一般认为不确定区域内只有一个H₁相位，剩下的都是H₀相位。但是在多径环境下，可能存在多个H₁相位。对于实际的扩频捕获系统，整个不确定相位区域为一个码片序列周期N_cT_c ，其中N_c为码序列码片数，T_c为码片周期，采样率T_s则为离散相位的基本单元，因此不确定的相位共有N_s＝N_cT_c/T_s个。
一般来讲，扩频捕获过程分搜索阶段和验证阶段两个阶段。在搜索阶段，接收机按照某种搜索策略，在整个不确定相位区域内进行搜索，不断地步进调整本地码相位，直到搜索到H₁相位。这个搜索到的H₁相位是暂时的，有待进一步验证。然后在验证阶段，接收机进一步验证所搜索到的H₁相位是否正确。对于没有验证阶段的扩频捕获系统，称为单次驻留系统；对于有验证阶段的扩频捕获系统，则称为多次驻留系统；对于在验证阶段仅验证一次的系统，称为双驻留系统。双驻留系统在实际应用中更为广泛。
传统扩频捕获方法以及一些改进的扩频捕获方法能够较好地捕获到某一条径，然而缺乏对其他径的考虑。这类方法在加性高斯白噪声情况下工作良好，但是在密集多径的环境下，如超宽带室内环境下，这类方法将导致较差的系统误码性能。原因是这类捕获方法仅仅捕获到了很多径中的某一条径，并将捕获到的径作为首达径进行后续的解调处理。
图1是密集多径信道下的传统扩频捕获方法的示意图，如图1所示，首次到达的径(以下简称“首达径”)的实际位置为虚线箭头所指向的第一个脉冲，实际的一个比特持续时间为虚线双向箭头所标示的时间宽度。然而按照目前的捕获算法，有可能捕获到实线箭头所指向的位置，即第三个脉冲。后续的解调会将估计到的位置作为首达径，这样后续解调认为一个比特持续时间为实线双向箭头所标示的时间宽度。这样对前一个比特进行多径合并解调时，会误将承载后一个比特信息的前两条能量较大的径合并进去，从而导致较差的误码性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种能够减少系统捕获时间，提高系统稳定性的多径环境下的扩频捕获方法，该方法尤其适用于直接序列扩频系统。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种密集多径环境下的扩频捕获方法，所述方法包括步骤：
S1，对于相干扩频系统，将在扩频捕获过程中捕获到的径的位置作为多径中首次到达的径的位置的初始值，设置一个宽度为w个采样周期的能量窗口，设置能量窗口滑动次数为n＝0，则当前能量窗口内的w个采样数据为R[0]，R[1]，…，R[w-1]，该采样数据来自扩频捕获的搜索阶段计算得到的本地码序列与接收到的码序列的匹配滤波结果，设最大窗口能量的初始值为0，设首达径位置初始值为0，w、n均为整数；
S2，计算落在该能量窗口内的w个采样数据之和：s=Σi=nw(n+1)w-1R[i],]]>若s大于当前最大窗口能量，则将最大窗口能量更新为s，并将多径中首次到达的径位置更新为nw；否则不更新最大窗口能量和首次到达的径位置；
S3，判断(n+1)w是否小于扩频捕获过程中一个码片序列周期的不确定相位的个数N_s，若小于，则将能量窗口向前滑动一次，并将n加1，然后返回步骤S2；否则更新后的首次到达的径的位置所对应的值即为首次到达的径的到达时刻的估计值。
其中，在步骤S1之前还包括扩频捕获的步骤，所述扩频捕获的步骤具体包括搜索阶段和验证阶段；
在搜索阶段，本地码序列与接收到的码序列进行相关运算，运算结果作为判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则认为本地码序列相位为H₀相位，调整本地序列相位后继续比较，直到相关值大于等于第一门限，每个采样间隔比较一次，然后进入验证阶段，保持本地码序列与接收到的码序列的相对相位不变，进行同步滑动相关运算，若相关值小于第二门限，则验证失败，重新返回搜索阶段；否则验证成功，从而捕获到多径中的一条径。
其中，所述能量窗口的大小满足wT_s/τ_MAX小于1/2，其中，τ_MAX为多径信道的最大超量时延，T_s为采样间隔。
本发明还提供了一种密集多径环境下的扩频捕获方法，所述方法包括步骤：
S1’，对于非相干扩频系统，将在扩频捕获过程中捕获到的径的位置作为多径中首次到达的径的位置的初始值，设置一个宽度为w个采样周期的能量窗口，设置能量窗口滑动次数为n＝0，则当前能量窗口内的w个采样数据为R[0]，R[1]，…，R[w-1]，该采样数据来自扩频捕获的搜索阶段计算得到的本地码序列与接收到的码序列的匹配滤波结果，设最大窗口能量的初始值为0，设首达径位置初始值为0，w、n均为整数；
S2’，计算落在该能量窗口内的w个采样数据的二范数之和：s=Σi=nw(n+1)w-1{R[i]},]]>若s大于当前最大窗口能量，则将最大窗口能量更新为s，并将多径中首次到达的径位置更新为nw；否则不更新最大窗口能量和首次到达的径位置，其中，{R[i]}表示求R[i]的二范数；
S3’，判断(n+1)w是否小于扩频捕获过程中一个码片序列周期的不确定相位的个数Ns，若小于，则将能量窗口向前滑动一次，并将n加1，然后返回步骤S2’；否则更新后的首次到达的径的位置所对应的值即为首次到达的径的到达时刻的估计值。
其中，在步骤S1之前还包括扩频捕获的步骤，所述扩频捕获的步骤具体包括搜索阶段和验证阶段；
在搜索阶段，本地码序列与接收到的码序列进行相关运算，运算结果作为判决量与第一门限进行比较，如果小于第一门限，则认为本地码序列相位为H0相位，调整本地序列相位后继续比较，直到相关值大于等于第一门限，每个采样间隔比较一次，然后进入验证阶段，保持本地码序列与接收到的码序列的相对相位不变，进行同步滑动相关运算，若相关值小于第二门限，则验证失败，重新返回搜索阶段；否则验证成功，从而捕获到多径中的一条径。
其中，所述能量窗口的大小满足wT_s/τ_MAX小于1/2，其中，τ_MAX为多径信道的最大超量时延，T_s为采样间隔。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明能够产生如下有益效果：传统扩频捕获方法以及一些改进的扩频捕获方法能够较好地捕获到某一条径，但缺乏对其他径的考虑。这类方法在密集多径的环境下，如超宽带室内环境下，将导致较差的系统误码性能。本发明在原有扩频捕获基础上，增加了首达径位置估计方法，使得扩频系统的解调误码率达到最小，提高了系统误码性能。
附图说明
图1是传统扩频捕获方法的流程示意框图；
图2是本发明一实施例的方法的流程示意框图；
图3是本发明另一实施例的方法的流程示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图2是本发明的密集多径信道下的扩频捕获方法的流程框图，该方法基于最小误码率准则。其中对首达径位置的估计方法的流程框图如图3所示。由于首达径附近的径能量较后面到达的径要大，因此可以将扩频捕获系统的整个不确定区域(为一个码序列周期)划分成为多个连续的能量窗口，然后将各窗口内的能量进行累加，找到最大的能量窗口即找到了首达径。图2和3中，R[0，1，2，...，w-1]即R[0]，R[1]，…，R[w-1]。该方法具体实现步骤描述如下：
S1，设置一个宽度为w个采样周期的能量窗口，设置能量窗口滑动次数为n＝0，则当前能量窗口内的采样数据为(搜索阶段的匹配滤波结果)R[0]，R[1]，…，R[w-1]。设置最大窗口能量初始值为0，设置首达径位置初始值为0；
S2，计算落在能量窗口内采样数据之和：s=Σi=nw(n+1)w-1R[i].]]>如果s大于当前最大窗口能量，则将最大窗口能量更新为s，并将首达径位置设置为nw，否则不更新最大窗口能量和首达径位置。
S3，判断(n+1)w是否小于扩频捕获过程中一个码片序列周期的不确定相位的个数N_s。如果小于，则将能量窗口向前滑动一次，并将n加1，重新从步骤S2开始执行；否则更新后的首次到达的径的位置所对应的值即为首次到达的径的到达时刻的估计值τ。
以上描述的是相干系统，其中，R[0]，R[1]，…，R[w-1]为实数；而对于非相干系统，因为有I、Q两路，因此R[0]，R[1]，…，R[w-1]为复数，这样R[0]，R[1]，…，R[w-1]需要先经过一个二范数器求二范数后再进行步骤S2的计算。其中，二范数为实部与虚部的平方和。
需要说明的是，能量窗口的大小的选择应满足wT_s为τ_MAX的几分之一，如wT_s＝τ_MAX/8，τ_MAX为多径信道的最大超量时延，且wT_s/τ_MAX应小于1/2。
为举例说明本发明实施例的方法，可得到一个适用于超宽带室内信道的扩频捕获实例。上述参数可设置如下：T_s＝T_c/4＝1ns；N_c＝31；N_s＝128；wT_s/τ_MAX＝1/8；N_c为本地码序列的码片数，T_c为码片周期，T_s为采样间隔。
由以上实施例可以看出，扩频捕获成功则意味着当前正在接收前导码序列，并捕获到了其中某条径。扩频捕获成功之后，利用本发明的基于最小误码准则的首达径位置估计方法进行首达径的位置估计。也就是说，本发明在扩频捕获到某条径的基础上，进一步估计首达径的位置，从而使得后面的解调的误码率最小。传统扩频捕获方法以及一些改进的扩频捕获方法能够较好地捕获到某一条径，但缺乏对其他径的考虑。这类方法在密集多径的环境下，如超宽带室内环境下，将导致较差的系统误码性能。本发明在原有扩频捕获基础上，增加了首达径位置估计方法，使得扩频捕获系统的解调误码率达到最小，提高了系统误码性能。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。