一种抗多径干扰的PN码自适应门限捕获方法

摘要

本发明公开了通信技术领域中一种抗多径干扰的PN码自适应门限捕获方法，首先构建两路并行的数字匹配滤波器，实现扩频信号与本地PN码的相关运算，两路相关值进行平方后相加，取平方根后得到PN码同步检验判决统计量，特征是：该量同时加到序列转换电路和中值滤波器的输入端，经序列转换电路输出后的量由两路并行的形态滤波器处理后将输出值相加，取其平均值得到自适应判决门限，判决器将判决统计量与输入的自适应判决门限相比较，直至判决量大于门限值，此时判定为PN码捕获成功，本发明的优点在于能够很好的适应多径信道环境，抗多径干扰性能优异，具有很强的实用性，可以应用于使用直接序列扩频技术的各种移动通信系统。

说明书

技术领域：

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及在多径信道环境下，在直接序列扩频通信系统(DSSS)中实现本地码序列与接收到的码序列粗同步，抗多径干扰的一种PN码捕获方法。

背景技术：

PN码的同步是直接序列扩频通信系统(DSSS)中最重要最根本的问题。同步过程一般包括两个部分：捕获与跟踪。捕获即粗调，可使本地码序列与接收到的码序列粗同步，一般相位误差在1/2个码片长度内。跟踪即细调，使收发端码元相位误差进一步缩小，达到精确的同步并在整个传输过程中保持这种同步。

前人对于PN码的捕获已经进行了大量的研究，但主要集中在基于固定门限的捕获方法上。在实际的移动通信系统中，由于用户的快速移动，加上信道衰落和动态干扰的影响，导致接收信号的功率会在大动态范围内变化，传统的固定门限不能获得良好的捕获性能，无法适应实际的应用环境。为此，人们提出了多种自适应门限捕获方法。文献[1][Kim，C.J.，Lee，H.J.，and Lee，H.S.，Adaptive acquisition of PN sequences for DSSS communications，IEEE Trans.Commun.，1998，46(8)：993-996]将雷达信号处理中的恒虚警概率(CFAR)检验技术引入到PN码捕获过程中，提出了均值统计(MLAP)和排序统计(OSAP)两种方法，利用多个前向和后向观测量对背景噪声功率进行估计。文献[2][薛巍，向敬成，周治中，一种PN码捕获的门限自适应估计方法，电子学报，2003，31(12)：1870-1873]和文献[1]中的MLAP、OSAP方法都是利用判决变量的样本对等效高斯噪声功率的最大似然(ML)估计。要提高估计精度必须增大处理窗长度，但在多径环境下，多径信号分量的相关峰可能落入处理窗中，导致对噪声功率估计值偏高，检测概率显著下降。文献[3][Choi Kwonhue，Cheun Kyungwhoon，and JungTaejin，Adaptive PN code acquisition using instantaneous power-scaled detection threshold underrayleigh fading and pulsed gaussian noise jamming，IEEE Trans.on Commun.，2002，50(8)：1232-1235]提出了一种基于实时能量估计的自适应门限方案，在存在窄带干扰的情况下，估计值也会偏高从而导致性能下降。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种能够适应多径环境，对背景噪声进行实时估计，抗多径干扰的PN码自适应门限捕获方法。

本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：

1、一种抗多径干扰的PN码自适应门限捕获方法，由下述步骤实现：

a、首先构建两路并行的数字匹配滤波器F_I、F_Q，根据本地PN码中对应位的值设置F_I和F_Q中乘法器的权系数：PN码对应位为0，则权系数取+1；PN码对应位为1，则权系数取—1。

b、将接收到的扩频信号的同相分量r_I和正交分量r_Q分别输入到数字匹配滤波器F_I和F_Q中，实现和本地PN码之间的相关运算。

c、对数字匹配滤波器F_I、F_Q输出的同相和正交两路相关值进行平方求模，然后将两个模数相加后取平方根得到PN码同步检验判决统计量Z_n。

其特征在于：d、用于判决的检验统计量Z_n同时加到序列转换电路和中值滤波器的输入端，序列转换电路根据中值滤波器输出X_n的值，对每一个输入的Z_n进行如下判决转换，将输入序列Z_n转换输出为一个新的序列Y_n：如果Z_n的值大于5倍X_n，则序列转换电路输出Y_n＝X_n；否则Y_n＝Z_n。

中值滤波器采用移位寄存器结构，滤波窗口长度为2N+1，这里N为正整数，设在第i时刻输入样本序列在滤波窗口内的样点为x_i-N，…x_i，…，x_i+N，那么此时滤波器输出y_i＝med(x_i-N，…x_i，…，x_i+N)，这里med()表示窗口内所有的样本值按从小到大的顺序排列后，取其排在中间的一个值输出的运算。

e、构建两路并行的形态滤波器，一路为形态开-闭滤波器F_oc，另一路为形态闭-开滤波器F_co，将序列Y_n加到F_oc和F_co的输入端，对其进行进一步的平滑滤波。

形态滤波器的相关定义如下：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{0，1，....，N-1}和G＝{0，1，....，M-1}上的离散函数，且N>>M。设f(n)为输入序列，g(m)为结构元素。f(n)关于g(m)的腐蚀和膨胀分别定义为：

(n＝0，1，......，N-M)

$(f\oplus g)\left(n\right)=\underset{m=\mathrm{0,1},...M-1}{\max }\{f(n-m)+g\left(m\right)\}---\left(2\right)$

(n＝0，1，......，N+M-2)

式中符号和分别表示腐蚀和膨胀运算。

f(n)关于g(m)的形态开和形态闭分别定义为：

式中符号和·分别表示形态开和形态闭运算。

oc(f(n))、co(f(n))分别表示形态开-闭滤波器和形态闭-开滤波器的输出，形态开-闭滤波器和形态闭-开滤波器采用形态开、闭运算的级联组合形式，定义如下：

f、将形态滤波器F_oc和F_co的两路输出值相加，然后取其平均值得到自适应判决门限V_T。

由于开运算的反扩张性和闭运算的扩张性，形态OC和CO滤波器的输出存在统计偏倚现象，单独使用某一个并不会取得很好的效果。因此本发明对开-闭和闭-开滤波器的输出值作了平均处理。

g、判决器对输入的PN码同步检验判决统计量Z_n和输入的自适应判决门限V_T比较大小，当判决统计量Z_n低于门限值V_T时，表明本地PN码相位与接收信号没有同步，则产生对应下一个相位的判决统计量与门限再作比较，直到其中一个相位对应的统计量Z_n超过门限V_T，此时判定为捕获成功，判决器输出PN码捕获成功指示信号。

本发明的优点在于：由于使用了由序列转换电路、中值滤波器和形态滤波器构成的估计器对背景噪声进行了实时估计，因此本发明在进行PN码捕获时由估计器得到的用于捕获判决的检测门限可以根据噪声大小进行自适应调整。同时，由于对接收信号进行了序列转换，剔除了样本中的异常值，消除了可能落入处理窗内的多径信号分量的相关峰的影响，极大的减少了多径干扰的影响，完成了对数据的预处理，因此，本发明所提出的自适应门限捕获方法能够很好的适应多径信道环境，抗多径干扰性能优异，可以应用于使用直接序列扩频技术的各种移动通信系统。

附图说明

图1为本发明PN码捕获实现方法示意图

图2为数字匹配滤波器实现接收扩频信号与本地PN码进行相关运算的示意图

图3为系统虚警概率P_fa分别为0.01、0.001和0.0001时，本发明的PN码捕获检测概率和信噪比的关系图

图中标记：r_I为接收到的扩频信号的同相分量，r_Q为接收到的扩频信号的正交分量，F_I和F_Q为数字匹配滤波器，(·)²为平方运算，符号为加法运算，符号为开方运算，F_oc、F_co分别表示形态开-闭和闭-开滤波器，符号1/2表示对输入值除以2的运算，表示对Z_n和V_T进行比较大小的运算，符号表示乘法运算，∑表示对多个输入量求和的运算。

具体实施方式

在本发明的实施例中，接收信号为直接序列扩展频谱信号，扩频系统的调制方式采用差分二进制相移键控(DBPSK，Differential Binary Phase Shift Keying)，扩频PN码的码长为L＝1023(m序列)，扩频增益约为30dB。数据速率为R_b＝9.6kbit/s，由此确定码速率为R_c＝9.6L＝9820.8k chip/s，所需信道带宽约20MH_Z.扩频时采用数据比特与PN码同步的方式，即PN码与数据比特的转换点对齐，且每个数据比特宽度等于一个PN码周期。

在实施例中，数字匹配滤波器F_I、F_Q的延迟抽头数为1023，等于所采用PN码的码长，即数字匹配滤波器将对接收PN码进行整周期相关运算。中值滤波器滑动窗长度取9，形态开-闭和闭-开滤波器所用结构元素取g(m)＝{0，1，2，1，0}。至此，完成了对PN码捕获系统自适应判决门限的参数设置。

接收到的扩频信号经过非相干解调后，分为同相(r_I)和正交(r_Q)两路信号，分别输入到数字匹配滤波器F_I和F_Q中，实现和本地PN码之间的相关运算。

为了克服非相干接收方式带来的相位偏移的影响，对数字匹配滤波器F_I、F_Q输出的同相和正交两路相关值进行平方求模，然后将两个模数相加后取平方根得到PN码同步检验判决统计量Z_n。

用于判决的检验统计量Z_n同时加到序列转换电路和中值滤波器的输入端，序列转换电路根据中值滤波器输出X_n的值，对每一个输入的Z_n进行如下判决转换，将输入序列Z_n转换输出为一个新的序列Y_n：如果Z_n的值大于5倍X_n，则序列转换电路输出Y_n＝X_n；否则Y_n＝Z_n。

将序列Y_n加到并行的形态开—闭滤波器F_oc和形态闭—开滤波器F_co的输入端，对其进行进一步的平滑滤波。将形态滤波器F_oc和F_co的两路输出值相加，然后取其平均值得到判决器对检验统计量进行判决所需的自适应判决门限V_T。

判决器将输入的PN码同步检验判决统计量Z_n与输入的自适应判决门限V_T相比较，当判决统计量Z_n低于门限值V_T时，表明本地PN码相位与接收信号没有同步，则产生对应下一个相位的判决统计量与门限再作比较，直到其中一个相位对应的统计量Z_n超过门限V_T，此时判定为捕获成功，判决器输出PN码捕获成功指示信号。

在实施例中，PN码捕获全部由硬件实现。在实际应用中，设计人员可以根据具体情况选择相应的软件实现方式。

图3给出了系统虚警概率P_fa分别为0.01、0.001和0.0001时，本实施例的PN码捕获检测概率和信噪比的关系，随着信噪比增加，检测概率逐步增大，表明了本发明的有效性。