分集最大似然擴頻通信位同步方法和系統的製作方法
2023-04-28 12:17:06 1
專利名稱：分集最大似然擴頻通信位同步方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及擴頻通信位同步的方法和系統，更具體地涉及用於弱信號情況的分集最大似然擴頻通信位同步方法和系統。
背景技術：
擴頻通信廣泛應用於移動通信、衛星導航等領域。位(比特)同步技術是擴頻通信技術中的重要內容。每一個調製電文碼元期內包含多個周期的偽隨機碼，實現位同步，即確定接收信號中調製電文的比特邊界的位置，是實現解調電文、偽距計算以及利用相干累加實現高靈敏跟蹤的基礎。在由謝鋼所著的《GPS原理與接收機設計》(北京，電子工業出版社，2009)中和由 Krumvieda K. Xloman C. 、01son Ε. >Thomas J. 、Kober W.禾口 Madhani P.於 2001 年 9 月在猶他州鹽湖城的ION GPS會議發表在會議記錄第789-8 頁的《A Complete IF Software GPS Receiver :A Tutorial About the Details》中，公開了用於位同步的傳統的直方圖方法。傳統的直方圖方法是一種被廣泛使用的統計估計方法，它通過統計相關器或者鎖相環輸出的前後數據的符號變化來進行檢測。以GPS為例，輸出數據的周期是1ms，一共有20個比特邊界候選位置，經過一段時間的統計，如果其中一個比特邊界候選位置的符號翻轉次數明顯多於其他位置，那麼就判決該比特邊界候選位置為比特邊界。該方法本質上是對數據輸出進行了硬判決，只使用了相鄰兩個偽隨機碼(C/A碼)周期的符號變化，而不是全部 20個周期(20ms)的能量，因此在低信噪比時性能較差。Dafesh P.在美國專利US 70似930中公開了一種用硬體實現的位同步方法。在這種算法中，接收機利用20個並行相關器對接收信號進行時間長度為20ms的相干積分，並使20個相關支路的相干積分起始沿分別相差1ms，然後檢測這20個相干積分結果的信噪比，若某條支路相干積分結果信噪比最小，則相應的相干積分起始沿必定與比特邊界相差 10ms，發生了數值正負抵消，導致了相干積分結果信噪比最低。Kaplan Ε.在 2006 年由 Artech House, Inc.出版的《Understanding GPS Princples and Applications, Second Edition》中提到，科思塔斯環對 20 個 Ims 長的相干積分值進行相加，然後根據和的正負來判斷該20ms長的正常數據比特值。丹麥Aalborg 大學的 Rinder P.禾口 Bertelsen N.於 2004 年在碩士論文《Design of Single Frequency GPS Software Receiver))中採用了求平均值的方法，首先將Ims寬的數據比特表達成+1 和-1的形式，如果20個Ims長的數據比特電文平均值彡+0. 9或者彡-0. 9，那麼相應的數據比特就判為+1或者-1 ；如果電文平均值介於+0. 9至-0. 9之間，則這一數據比特解調結果視為無效，或者當前位同步結果是錯誤的。Kokkonen M, S Pietila. ψ 2002 ^4^ IEEE Positioning, Location, and Navigation Symposium(PUVNS) ±胃@白勺《A New Bit Synchronization Method of a GPS Receiver》中提出了最大似然方法(Maximum likelihood/ML)，並應用於GPS。該方法把每個比特邊界候選位置之後的連續20個數據進行累加，求包絡得到相應的比特能量，再把比特能量通過一段時間的累積，獲得對應20個位置中比特能量最大的位置，即比特邊界的位置。最大似然算法比直方圖法性能要好，通過分析，在20dB_Hz下，需要如時間可以得到可靠的同步。kidan在2006年由英國倫敦Artech House出版的《The GNSS Technology and Application Series》中的《GNSS Receivers for Weak Signals》中，給出了一種利用 Viterbi算法對最大似然估計的實現，對最大似然方法的具體實現進行了簡化。在實際使用位同步算法的過程中，為了保證在低信噪比情況下較低的錯誤估計概率Estimation Error Rate/EER)，常固定一個較長的檢測時間。但對於強信號，固定一個長的檢測時間延長了平均估計時間，從而對於衛星導航接收機來說，延長了首次定位時間 (Time to First Fix/TTFF)。
發明內容
在本發明的一方面，提供了一種分集最大似然擴頻通信位同步方法，所述方法包括(1)設定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數K，其中N = KXM, K和M均是整數；(2)在電文的偽隨機碼的每個周期t開始時，計算對應於當前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當為一個比特邊界候選位置計算了 M個對應於其的單比特能量時，將所述M 個單比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當為所有的L個不同的比特邊界候選位置中的每一個分別計算了對應於其的M比特能量時，就將所述L個M比特能量進行比較，選出所述L個M比特能量中的最大值， 並且記錄出現所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當為所述L個比特邊界候選位置中的每一個分別計算了 K個M比特能量時，將每個比特邊界候選位置處的所述K個M比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的總能量，且統計在每個比特邊界候選位置處出現M比特能量最大值的次數，並記錄出現M 比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置；(6)如果存在唯一的比特邊界候選位置，使得該比特邊界候選位置是所述出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置，且對應於該比特邊界候選位置的總能量在所述L個比特邊界候選位置中是最大的，則判決該比特邊界候選位置為比特邊界。在本發明的另一方面，提供了一種分集最大似然擴頻通信位同步系統，所述系統包括M比特能量最大值位置統計模塊，能量計算模塊，與判決模塊；其中(1)所述系統設定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數K，其中N =KXM，K和M均是整數；(2)在電文的偽隨機碼的每個周期t開始時，所述能量計算模塊計算對應於當前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當為一個比特邊界候選位置計算了 M個對應於其的單比特能量時，所述能量計算模塊將所述M個單比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當所述能量計算模塊為所有的L個不同的比特邊界候選位置中的每一個分別計算了對應於其的M比特能量時，所述M比特能量最大值位置統計模塊就將所述L個M 比特能量進行比較，選出所述L個M比特能量中的最大值，並且記錄出現所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當所述能量計算模塊為所述L個比特邊界候選位置中的每一個分別計算了 K次M比特能量時，所述能量計算模塊將每個比特邊界候選位置處的K個M比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的總能量，且所述M比特能量最大值位置統計模塊統計在每個比特邊界候選位置出現M比特能量最大值的次數，並記錄出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置；(6)如果存在唯一的比特邊界候選位置，使得該比特邊界候選位置是所述出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置，且對應於該比特邊界候選位置的總能量在所述L個比特邊界候選位置中是最大的，則所述判決模塊判決該比特邊界候選位置為比特邊界。
圖1是根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步方法的非相干積分的示意圖，將長為N的序列分為K個子段，每個子段長為M, N次非相干積分可以由K次長為M的非相干積分實現。圖2是根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步系統的示意圖。圖3是根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步方法中，某個比特邊界候選位置對應的單比特能量計算過程的示意圖。圖4示意性地示出了根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步方法中，不同比特邊界候選位置對應的總能量與M比特最大能量在不同候選位置出現的次數分布圖。圖5是根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步方法的流程圖。圖6a、圖6b示出了根據本發明的一個實施方案的擴頻通信位同步方法在取不同的N、M和K值的情況下的位同步錯誤概率的對比圖。
具體實施例方式由於位同步錯誤會給擴頻通信系統造成災難性的影響，所付出的代價是巨大的。 因此，必須儘量減少錯誤同步概率。Sturza Mark A禾口 Brown Alison K在《Comparison of Fixed and Variable Threshold RAIM Algorithms》中給出了機載 GPS 接收機的誤碼率要求是10-6，這也要求錯誤同步概率必須儘量低。本發明在最大似然位同步方法的基礎之上提出了一種改進的方法和系統，其適合弱信號情況下使用，可以有效降低位同步錯誤概率。假定最大似然算法非相干積分長度為N，N = M * K。根據本發明的分集最大似然算法，首先計算不同候選位置的長為M的比特能量，找出當前M比特能量的最大值，統計能量最大的位置出現在各個比特邊界候選位置的次數，然後將各個候選位置出現M比特能量最大值的次數以及N比特能量集中判決，降低位同步錯誤概率。如圖2所示，根據本發明的方法所設計的擴頻通信位同步系統包括M比特能量最大值位置統計模塊201、能量計算模塊202和判決模塊203。能量計算模塊202計算不同比特邊界候選位置M比特能量，以及檢測完成時總共N比特的總能量；M比特能量最大值位置統計模塊201統計M比特能量最大值在不同候選位置出現的次數；判決模塊203綜合考慮總能量和不同比特邊界候選位置分別出現M比特最大能量的次數，對比特邊界(電文比特起始位置)進行判斷。算法描述假定偽隨機碼周期lms，單個調製電文碼元時間內包括L個偽隨機碼周期，相關器或者鎖相環輸出的數據包含L個可能的比特邊界，算法求出比特邊界。假定碼跟蹤環已經鎖定。進行位同步判斷使用的數據為^T1 = AXc^ni(1)其中，r,是相關器輸出的數值，是接收到的擴頻信號同本地偽隨機碼相關得到的結果。A為接收到的擴頻信號的幅度，Ci為調製導航電文的L次重複編碼，滿足，ci+s =ci+s+1 =…Cy+H =、，每個Ci保持一個偽隨機碼周期，在此實施例中是lms，δ為比特邊界候選
位置，δ e {0,,......L-1}屯為調製的導航電文，{-1,1}叫為均值為0，均方差為
σ的加性高斯白噪聲。位同步的目的就是求得S。傳統最大似然方法只在非相干積分達到預定長度N後，進行一次能量比較，以此來進行位同步判斷。根據本發明的擴頻通信位同步方法，在非相干積分過程中增加了通過統計規律進行判斷，從而降低錯誤同步概率。假定傳統最大似然方法固定非相干累加長度為N，設Ν/Μ =K，其中K和M均是整數，則N次非相干積分可以由連續K次長為M的非相干積分實現，同時，對於每個比特邊界候選位置，得到了 K組M個碼元周期的能量。將這些能量按組進行K 次比較，統計能量最大的比特邊界候選位置，則在比特邊界處也即碼元開始位置，出現M比特最大能量的次數應該最多。在根據本發明的擴頻通信位同步系統的一個實施方案中1)由所述系統設定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度Μ、以及子段數K，其中Ν/Μ = K，K和M均是整數；(2)參見圖3，從所述調製電文的開始處起，在每個周期t的開始，能量計算模塊 202都通過相干積分計算當前比特邊界候選位置對應的單比特能量；
權利要求
1.一種分集最大似然擴頻通信位同步方法，包括(1)設定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數K，其中N= KXM，K和 M均是整數；(2)在電文的偽隨機碼的每個周期t開始時，計算對應於當前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當為一個比特邊界候選位置計算了M個對應於其的單比特能量時，將所述M個單比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當為所有的L個不同的比特邊界候選位置中的每一個分別計算了對應於其的M 比特能量時，就將所述L個M比特能量進行比較，選出所述L個M比特能量中的最大值，並且記錄出現所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當為所述L個比特邊界候選位置中的每一個分別計算了K個M比特能量時，將每個比特邊界候選位置處的所述K個M比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的總能量，且統計在每個比特邊界候選位置處出現M比特能量最大值的次數，並記錄出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置；(6)如果存在唯一的比特邊界候選位置，使得該比特邊界候選位置是所述出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置，且對應於該比特邊界候選位置的總能量在所述L個比特邊界候選位置中是最大的，則判決該比特邊界候選位置為比特邊界。
2.根據權利要求1所述的分集最大似然擴頻通信位同步方法，其中20< K < 500。
3.一種分集最大似然擴頻通信位同步系統，包括M比特能量最大值位置統計模塊，能量計算模塊，與判決模塊；其中(1)所述系統設定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和於段數K，其中N= KXM，K和M均是整數；(2)在電文的偽隨機碼的每個周期t開始時，所述能量計算模塊計算對應於當前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當為一個比特邊界候選位置計算了M個對應於其的單比特能量時，所述能量計算模塊將所述M個單比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當所述能量計算模塊為所有的L個不同的比特邊界候選位置中的每一個分別計算了對應於其的M比特能量時，所述M比特能量最大值位置統計模塊就將所述L個M比特能量進行比較，選出所述L個M比特能量中的最大值，並且記錄出現所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當所述能量計算模塊為所述L個比特邊界候選位置中的每一個分別計算了K次 M比特能量時，所述能量計算模塊將每個比特邊界候選位置處的K個M比特能量求和，得出對應於該比特邊界候選位置的總能量，且所述M比特能量最大值位置統計模塊統計在每個比特邊界候選位置出現M比特能量最大值的次數，並記錄出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置；(6)如果存在唯一的比特邊界候選位置，使得該比特邊界候選位置是所述出現M比特能量最大值次數最多的比特邊界候選位置，且對應於該比特邊界候選位置的總能量在所述L個比特邊界候選位置中是最大的，則所述判決模塊判決該比特邊界候選位置為比特邊界。
4.根據權利要求3所述的分集最大似然擴頻通信位同步系統，其中所述系統將K指定為在20彡K彡500的範圍內的一個值。
全文摘要
本發明涉及擴頻通信位同步的方法和系統，更具體地涉及用於弱信號情況的分集最大似然擴頻通信位同步方法和系統。根據本發明的方法和系統，將長度為N的非相干積分由K次長為M的非相干積分實現，並對不同候選位置對應的M比特能量進行K次比較，將各個候選位置出現M比特最大能量的次數以及不同比特邊界候選位置的N比特能量結果集中起來進行判斷，在不增加非相干積分長度的前提下，降低位同步錯誤概率。
文檔編號H04B1/7073GK102355279SQ201110366640
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉巖, 呂達, 白志強, 陸偉寧, 饒才傑 申請人:中國航天科工信息技術研究院