專利名稱：分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴(kuò)頻通信位同步的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及用于弱信號(hào)情況的分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
擴(kuò)頻通信廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。位(比特)同步技術(shù)是擴(kuò)頻通信技術(shù)中的重要內(nèi)容。每一個(gè)調(diào)制電文碼元期內(nèi)包含多個(gè)周期的偽隨機(jī)碼，實(shí)現(xiàn)位同步，即確定接收信號(hào)中調(diào)制電文的比特邊界的位置，是實(shí)現(xiàn)解調(diào)電文、偽距計(jì)算以及利用相干累加實(shí)現(xiàn)高靈敏跟蹤的基礎(chǔ)。在由謝鋼所著的《GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)》(北京，電子工業(yè)出版社，2009)中和由 Krumvieda K. Xloman C. 、01son Ε. >Thomas J. 、Kober W.禾口 Madhani P.于 2001 年 9 月在猶他州鹽湖城的ION GPS會(huì)議發(fā)表在會(huì)議記錄第789-8 頁的《A Complete IF Software GPS Receiver :A Tutorial About the Details》中，公開了用于位同步的傳統(tǒng)的直方圖方法。傳統(tǒng)的直方圖方法是一種被廣泛使用的統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法，它通過統(tǒng)計(jì)相關(guān)器或者鎖相環(huán)輸出的前后數(shù)據(jù)的符號(hào)變化來進(jìn)行檢測。以GPS為例，輸出數(shù)據(jù)的周期是1ms，一共有20個(gè)比特邊界候選位置，經(jīng)過一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，如果其中一個(gè)比特邊界候選位置的符號(hào)翻轉(zhuǎn)次數(shù)明顯多于其他位置，那么就判決該比特邊界候選位置為比特邊界。該方法本質(zhì)上是對(duì)數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行了硬判決，只使用了相鄰兩個(gè)偽隨機(jī)碼(C/A碼)周期的符號(hào)變化，而不是全部 20個(gè)周期(20ms)的能量，因此在低信噪比時(shí)性能較差。Dafesh P.在美國專利US 70似930中公開了一種用硬件實(shí)現(xiàn)的位同步方法。在這種算法中，接收機(jī)利用20個(gè)并行相關(guān)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)間長度為20ms的相干積分，并使20個(gè)相關(guān)支路的相干積分起始沿分別相差1ms，然后檢測這20個(gè)相干積分結(jié)果的信噪比，若某條支路相干積分結(jié)果信噪比最小，則相應(yīng)的相干積分起始沿必定與比特邊界相差 10ms，發(fā)生了數(shù)值正負(fù)抵消，導(dǎo)致了相干積分結(jié)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(huán)對(duì) 20 個(gè) Ims 長的相干積分值進(jìn)行相加，然后根據(jù)和的正負(fù)來判斷該20ms長的正常數(shù)據(jù)比特值。丹麥Aalborg 大學(xué)的 Rinder P.禾口 Bertelsen N.于 2004 年在碩士論文《Design of Single Frequency GPS Software Receiver))中采用了求平均值的方法，首先將Ims寬的數(shù)據(jù)比特表達(dá)成+1 和-1的形式，如果20個(gè)Ims長的數(shù)據(jù)比特電文平均值彡+0. 9或者彡-0. 9，那么相應(yīng)的數(shù)據(jù)比特就判為+1或者-1 ；如果電文平均值介于+0. 9至-0. 9之間，則這一數(shù)據(jù)比特解調(diào)結(jié)果視為無效，或者當(dāng)前位同步結(jié)果是錯(cuò)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)，并應(yīng)用于GPS。該方法把每個(gè)比特邊界候選位置之后的連續(xù)20個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，求包絡(luò)得到相應(yīng)的比特能量，再把比特能量通過一段時(shí)間的累積，獲得對(duì)應(yīng)20個(gè)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(shí)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(duì)最大似然估計(jì)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)最大似然方法的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡化。在實(shí)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(cuò)誤估計(jì)概率Estimation Error Rate/EER)，常固定一個(gè)較長的檢測時(shí)間。但對(duì)于強(qiáng)信號(hào)，固定一個(gè)長的檢測時(shí)間延長了平均估計(jì)時(shí)間，從而對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)來說，延長了首次定位時(shí)間 (Time to First Fix/TTFF)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一方面，提供了一種分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法，所述方法包括(1)設(shè)定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數(shù)K，其中N = KXM, K和M均是整數(shù)；(2)在電文的偽隨機(jī)碼的每個(gè)周期t開始時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)于當(dāng)前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當(dāng)為一個(gè)比特邊界候選位置計(jì)算了 M個(gè)對(duì)應(yīng)于其的單比特能量時(shí)，將所述M 個(gè)單比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當(dāng)為所有的L個(gè)不同的比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)于其的M比特能量時(shí)，就將所述L個(gè)M比特能量進(jìn)行比較，選出所述L個(gè)M比特能量中的最大值， 并且記錄出現(xiàn)所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當(dāng)為所述L個(gè)比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了 K個(gè)M比特能量時(shí)，<1>將每個(gè)比特邊界候選位置處的所述K個(gè)M比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量，且<2>統(tǒng)計(jì)在每個(gè)比特邊界候選位置處出現(xiàn)M比特能量最大值的次數(shù)，并記錄出現(xiàn)M 比特能量最大值次數(shù)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<1>該比特邊界候選位置是所述出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)最多的比特邊界候選位置，且<2>對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量在所述L個(gè)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(fā)明的另一方面，提供了一種分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊，能量計(jì)算模塊，與判決模塊；其中(1)所述系統(tǒng)設(shè)定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數(shù)K，其中N =KXM，K和M均是整數(shù)；(2)在電文的偽隨機(jī)碼的每個(gè)周期t開始時(shí)，所述能量計(jì)算模塊計(jì)算對(duì)應(yīng)于當(dāng)前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當(dāng)為一個(gè)比特邊界候選位置計(jì)算了 M個(gè)對(duì)應(yīng)于其的單比特能量時(shí)，所述能量計(jì)算模塊將所述M個(gè)單比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當(dāng)所述能量計(jì)算模塊為所有的L個(gè)不同的比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)于其的M比特能量時(shí)，所述M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊就將所述L個(gè)M 比特能量進(jìn)行比較，選出所述L個(gè)M比特能量中的最大值，并且記錄出現(xiàn)所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當(dāng)所述能量計(jì)算模塊為所述L個(gè)比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了 K次M比特能量時(shí)，<1>所述能量計(jì)算模塊將每個(gè)比特邊界候選位置處的K個(gè)M比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量，且<2>所述M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)在每個(gè)比特邊界候選位置出現(xiàn)M比特能量最大值的次數(shù)，并記錄出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)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<1>該比特邊界候選位置是所述出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)最多的比特邊界候選位置，且<2>對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量在所述L個(gè)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)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(gè)子段，每個(gè)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(shí)現(xiàn)。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)頻通信位同步方法中，某個(gè)比特邊界候選位置對(duì)應(yīng)的單比特能量計(jì)算過程的示意圖。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)頻通信位同步方法中，不同比特邊界候選位置對(duì)應(yīng)的總能量與M比特最大能量在不同候選位置出現(xiàn)的次數(shù)分布圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)頻通信位同步方法的流程圖。圖6a、圖6b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)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(cuò)誤概率的對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式由于位同步錯(cuò)誤會(huì)給擴(kuò)頻通信系統(tǒng)造成災(zāi)難性的影響，所付出的代價(jià)是巨大的。 因此，必須盡量減少錯(cuò)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(jī)載 GPS 接收機(jī)的誤碼率要求是10-6，這也要求錯(cuò)誤同步概率必須盡量低。本發(fā)明在最大似然位同步方法的基礎(chǔ)之上提出了一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，其適合弱信號(hào)情況下使用，可以有效降低位同步錯(cuò)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(jù)本發(fā)明的分集最大似然算法，首先計(jì)算不同候選位置的長為M的比特能量，找出當(dāng)前M比特能量的最大值，統(tǒng)計(jì)能量最大的位置出現(xiàn)在各個(gè)比特邊界候選位置的次數(shù)，然后將各個(gè)候選位置出現(xiàn)M比特能量最大值的次數(shù)以及N比特能量集中判決，降低位同步錯(cuò)誤概率。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的方法所設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)包括M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊201、能量計(jì)算模塊202和判決模塊203。能量計(jì)算模塊202計(jì)算不同比特邊界候選位置M比特能量，以及檢測完成時(shí)總共N比特的總能量；M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊201統(tǒng)計(jì)M比特能量最大值在不同候選位置出現(xiàn)的次數(shù)；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(xiàn)M比特最大能量的次數(shù)，對(duì)比特邊界(電文比特起始位置)進(jìn)行判斷。算法描述假定偽隨機(jī)碼周期lms，單個(gè)調(diào)制電文碼元時(shí)間內(nèi)包括L個(gè)偽隨機(jī)碼周期，相關(guān)器或者鎖相環(huán)輸出的數(shù)據(jù)包含L個(gè)可能的比特邊界，算法求出比特邊界。假定碼跟蹤環(huán)已經(jīng)鎖定。進(jìn)行位同步判斷使用的數(shù)據(jù)為^T1 = AXc^ni(1)其中，r,是相關(guān)器輸出的數(shù)值，是接收到的擴(kuò)頻信號(hào)同本地偽隨機(jī)碼相關(guān)得到的結(jié)果。A為接收到的擴(kuò)頻信號(hào)的幅度，Ci為調(diào)制導(dǎo)航電文的L次重復(fù)編碼，滿足，ci+s =ci+s+1 =…Cy+H =、，每個(gè)Ci保持一個(gè)偽隨機(jī)碼周期，在此實(shí)施例中是lms，δ為比特邊界候選
位置，δ e {0,,......L-1}屯為調(diào)制的導(dǎo)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(tǒng)最大似然方法只在非相干積分達(dá)到預(yù)定長度N后，進(jìn)行一次能量比較，以此來進(jìn)行位同步判斷。根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)頻通信位同步方法，在非相干積分過程中增加了通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行判斷，從而降低錯(cuò)誤同步概率。假定傳統(tǒng)最大似然方法固定非相干累加長度為N，設(shè)Ν/Μ =K，其中K和M均是整數(shù)，則N次非相干積分可以由連續(xù)K次長為M的非相干積分實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，對(duì)于每個(gè)比特邊界候選位置，得到了 K組M個(gè)碼元周期的能量。將這些能量按組進(jìn)行K 次比較，統(tǒng)計(jì)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(xiàn)M比特最大能量的次數(shù)應(yīng)該最多。在根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中1)由所述系統(tǒng)設(shè)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(shù)K，其中Ν/Μ = K，K和M均是整數(shù)；(2)參見圖3，從所述調(diào)制電文的開始處起，在每個(gè)周期t的開始，能量計(jì)算模塊 202都通過相干積分計(jì)算當(dāng)前比特邊界候選位置對(duì)應(yīng)的單比特能量；
權(quán)利要求
1.一種分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法，包括(1)設(shè)定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和子段數(shù)K，其中N= KXM，K和 M均是整數(shù)；(2)在電文的偽隨機(jī)碼的每個(gè)周期t開始時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)于當(dāng)前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當(dāng)為一個(gè)比特邊界候選位置計(jì)算了M個(gè)對(duì)應(yīng)于其的單比特能量時(shí)，將所述M個(gè)單比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當(dāng)為所有的L個(gè)不同的比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)于其的M 比特能量時(shí)，就將所述L個(gè)M比特能量進(jìn)行比較，選出所述L個(gè)M比特能量中的最大值，并且記錄出現(xiàn)所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當(dāng)為所述L個(gè)比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了K個(gè)M比特能量時(shí)，<1>將每個(gè)比特邊界候選位置處的所述K個(gè)M比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量，且<2>統(tǒng)計(jì)在每個(gè)比特邊界候選位置處出現(xiàn)M比特能量最大值的次數(shù)，并記錄出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)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<1>該比特邊界候選位置是所述出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)最多的比特邊界候選位置，且<2>對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量在所述L個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法，其中20< K < 500。
3.一種分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)，包括M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊，能量計(jì)算模塊，與判決模塊；其中(1)所述系統(tǒng)設(shè)定非相干積分總長度N、非相干積分子段長度M和于段數(shù)K，其中N= KXM，K和M均是整數(shù)；(2)在電文的偽隨機(jī)碼的每個(gè)周期t開始時(shí)，所述能量計(jì)算模塊計(jì)算對(duì)應(yīng)于當(dāng)前比特邊界候選位置的單比特能量；(3)每當(dāng)為一個(gè)比特邊界候選位置計(jì)算了M個(gè)對(duì)應(yīng)于其的單比特能量時(shí)，所述能量計(jì)算模塊將所述M個(gè)單比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的M比特能量；(4)每當(dāng)所述能量計(jì)算模塊為所有的L個(gè)不同的比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)于其的M比特能量時(shí)，所述M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊就將所述L個(gè)M比特能量進(jìn)行比較，選出所述L個(gè)M比特能量中的最大值，并且記錄出現(xiàn)所述最大值的比特邊界候選位置；(5)每當(dāng)所述能量計(jì)算模塊為所述L個(gè)比特邊界候選位置中的每一個(gè)分別計(jì)算了K次 M比特能量時(shí)，<1>所述能量計(jì)算模塊將每個(gè)比特邊界候選位置處的K個(gè)M比特能量求和，得出對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量，且<2>所述M比特能量最大值位置統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)在每個(gè)比特邊界候選位置出現(xiàn)M比特能量最大值的次數(shù)，并記錄出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)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<1>該比特邊界候選位置是所述出現(xiàn)M比特能量最大值次數(shù)最多的比特邊界候選位置，且<2>對(duì)應(yīng)于該比特邊界候選位置的總能量在所述L個(gè)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(jù)權(quán)利要求3所述的分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)將K指定為在20彡K彡500的范圍內(nèi)的一個(gè)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及擴(kuò)頻通信位同步的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及用于弱信號(hào)情況的分集最大似然擴(kuò)頻通信位同步方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，將長度為N的非相干積分由K次長為M的非相干積分實(shí)現(xiàn)，并對(duì)不同候選位置對(duì)應(yīng)的M比特能量進(jìn)行K次比較，將各個(gè)候選位置出現(xiàn)M比特最大能量的次數(shù)以及不同比特邊界候選位置的N比特能量結(jié)果集中起來進(jìn)行判斷，在不增加非相干積分長度的前提下，降低位同步錯(cuò)誤概率。
文檔編號(hào)H04B1/7073GK102355279SQ201110366640
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者劉巖, 呂達(dá), 白志強(qiáng), 陸偉寧, 饒才杰 申請(qǐng)人:中國航天科工信息技術(shù)研究院