CN101895491A - 消除频偏干扰的自适应信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除频偏干扰的自适应信号检测方法，包括以下步骤：S1.发送端在数据帧的帧头加入伪随机码作为前导码，发送采样后数据帧；S2.接收端接收到接收数据帧后，将接收数据帧与其延迟进行共轭相乘得到消除频偏干扰后的接收信号；S3.将接收信号分为两路相同的信号，分别计算统计判决量和设定自适应门限；S4.比较统计判决量和自适应门限的大小，如果统计判决量大于自适应门限，则输出表示检测到有效信号的标志信号。该方法利用共轭相乘来消除信号传输过程中产生的频偏，减少了运算量，提高了运算速度，提高了信号检测的精确度，并且性能稳定，结构简单，易于实现。

Description

消除频偏干扰的自适应信号检测方法

技术领域

本发明涉及突发通信领域的一种信号检测方法，具体地讲，是一种消除频偏干扰的自适应信号检测方法。

背景技术

在无线通信的突发模式下，接收机必须有可靠的信号检测才能保证准确地恢复传送的数据。但是在实际的无线通信环境中，由于收发机的晶振本身的误差带来的载波频率偏移或者在高速移动环境中产生的多普勒频移，将会干扰伪随机序列的相关性能，影响信号检测。频率偏移越大，相关峰值越小，在频率偏移较大的情况下，伪随机序列的自相关峰值就会被淹没，不会出现明显的峰值，影响检测性能。为了保证检测性能，必须采取抗频偏措施的检测方案。

目前，采用的对抗频偏干扰的信号检测方法有PMF-FFT(Partial Matched Filtering-Fast Fourier Transform，基于部分匹配滤波的快速傅立叶变换法)，频率补偿法和分段匹配滤波法。其中，基于部分匹配滤波的FFT变换法和频率补偿法都是基于FFT变换进行的，FFT变换性能上的固有局限使得上述两种方法都存在频偏补偿不完全和计算量大的问题。而分段匹配滤波法以损失信噪比为代价来对抗频偏，且其峰值信噪比损失随频偏容忍范围的增大而加重。因此，消除频偏干扰的信号检测方法的性能亟待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种计算量小的消除频偏干扰的自适应信号检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种消除频偏干扰的自适应信号检测方法，包括以下步骤：S1.发送端在原始数据帧S_d(m)的帧头加入伪随机码PN(m)作为前导码，使得数据帧为

将数据帧S(m)进行D倍采样得到采样后数据帧为

发送采样后数据帧S(n)；S2.接收端接收到采样后数据帧S(n)的接收数据帧r(n)＝S(n-θ)e^j2πnfT+w(n)后，其中，f为频率偏移，包括载波频率偏移和多普勒频移，T为采用周期，w(n)为高斯白噪声，θ为传输延迟，将接收数据帧r(n)与接收数据帧r(n)延迟一个数据周期后的结果r(n+D)进行共轭相乘得到消除频偏干扰后的接收信号R(n)＝r(n)×r^*(n+D)；S3.将消除频偏干扰后的接收信号R(n)分为两路相同的信号，其中一路利用匹配相关计算统计判决量u(m)，另一路计算信号功率并利用恒虚警概率准则设定自适应门限V_T；S4.比较统计判决量u(m)和自适应门限V_T的大小，如果统计判决量u(m)大于自适应门限V_T，则输出表示检测到有效信号的标志信号，否则返回步骤S2继续检测有效信号。

根据本发明的一个方面，步骤S3中利用匹配相关计算统计判决量u(m)为

其中，R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为PN(m)的数据总长度，D为一个数据周期中的采样个数，本地伪随机码d(m)为d(m)＝PN(m)PN(m+1)。

根据本发明的另一个方面，步骤S3中自适应门限设定为V_T＝CP，其中，信号功率

R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为PN(m)的总长度；常数C＝1-(P_fa)^1/(N-1)，P_fa为恒虚警概率。设定合理的自适应门限能够有效提高信号检测的准确性。

根据本发明的又一个方面，该消除频偏干扰的自适应信号检测方法还包括在步骤S4中采用滑动判决窗来比较统计判决量u(m)和自适应门限V_T的大小，如果位于滑动判决窗中的统计判决量u(m)满足u(m)＞V_T且u(m)＞u(i)(i≠m)时，则输出表示检测到有效信号的标志信号。利用滑动判决窗来进行大小判决，只需要对窗口内部的信号进行检测，减小了计算量，提高了判决的准确度。

根据本发明的又一个方面，该消除频偏干扰的自适应信号检测方法还包括在步骤S3中对自适应门限V_T添加偏移量ΔV以构成新的自适应门限

适当调整自适应门限的数值能够适应各种信道环境的变化，减少虚警毛刺的产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该消除频偏干扰的自适应信号检测方法利用共轭相乘来消除信号传输过程中产生的频偏，减少了运算量，提高了运算速度，采用滑动判决窗来进行比较判决，提高了信号检测的精确度，并且该方法不随频偏大小的变化而增加性能损失，能够对抗任意大小的频偏，性能稳定，结构简单，易于实现。

附图说明

本发明上述的各方面优点，可以从下面附图和对实例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法的流程图；

图2为本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法在发送端加入前导码的原理示意图；

图3为本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法的接收端电路原理图；

图4为本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法的滑动判决窗的原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的器件或具有相同或类似功能的器件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1示出的是本发明消除频偏干扰的自适应信号检测方法的流程。该方法包括以下步骤：

S1.发送端在原始数据帧S_d(m)的帧头加入一组N位长度的PN(Pseudo Noise，伪随机噪声)码作为前导码，图2示出的是本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法在发送端加入前导码的原理，加入前导码后的数据帧为

$S\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PN}\left(m\right)& m\∈[1,N]\\ S_d\left(m\right)& m>N\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，N为伪随机码PN(m)的数据长度，将数据帧S(m)进行D倍采样得到采样后数据帧为

$S\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PN}\left(n\right)& n\∈[1,N\·D]\\ S_d\left(n\right)& n>N\·D\end{array}\right.---\left(2\right)$

然后发送端发送采样后数据帧S(n)。

S2.接收端接收到采样后数据帧S(n)的接收数据帧r(n)后，将接收数据帧r(n)与接收数据帧r(n)延迟一个数据周期后的结果r(n+D)进行共轭相乘得到消除频偏干扰后的接收信号R(n)。接收端的电路原理如图3所示。

接收数据帧r(n)为

r(n)＝S(n-θ)e^j2πnfT+w(n)          (3)

其中，f为频率偏移，包括载波频率偏移和多普勒频移，T为采用周期，w(n)为高斯白噪声，θ为传输延迟。在消除频偏干扰模块中，主要利用接收数据帧r(n)的前导码部分及其延时进行共轭相乘来计算接收信号R(n)为

R(n)＝r(n)×r^*(n+D)                 (4)

＝[S(n-θ)e^j2πnfT+w(n)]×[S(n-θ+D)e^-j2π(n+D)fT+w(n+D)]

＝S(n-θ)S(n-θ+D)e^-j2πDfT+W(n)

＝PN(n-θ)PN(n-θ+D)e^-j2πDfT+W(n)n∈[1，N·D]

根据伪随机序列的移位相加特性，其中前导码部分的计算结果PN(n-θ)PN(n-θ+D)仍然为一个与发送端PN码具有相同的反馈系数，初始相位不同的一个伪随机序列。上式接收信号R(n)中，前导码PN(n-θ)长度比较短且只往后延迟了一个数据周期，因此可以近似认为频率偏移值f在这个短时间内是一个固定值，所以相位2πDfT也是一个固定相位，不随样点变化，W(n)表示噪声。因此，R(n)就表示为一个具有固定相位偏移的伪随机序列信号与噪声信号之和。

S3.将消除频偏干扰后的接收信号R(n)分为两路相同的信号，其中一路利用匹配相关计算统计判决量u(m)，另一路计算信号功率并利用恒虚警概率准则设定自适应门限V_T。

步骤S3中，一路信号进入匹配相关模块，利用匹配相关计算统计判决量u(m)为

$u\left(m\right)={|\frac{1}{N}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(\mathrm{mD}\right)\·d\left(m\right)|}^2---\left(5\right)$

其中，R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为PN(m)的数据总长度，D为一个数据周期中的采样个数，在接收端的本地伪随机序列d(m)为d(m)＝PN(m)PN(m+1)，即为发送端的PN码循环移位得到。计算统计判决量u(m)时，只需要从接收信号R(n)的每个采样周期中提取一个数据与本地伪随机码d(m)相应位置上的数据进行相乘即可，有效地减少了计算量。

步骤S3中，另一路信号进入到提取信号功率模块中提取信号功率为

然后根据信号功率P进行自适应门限的设定，具体为

$V_T=\mathrm{CP}=\frac{1}{N}[1-{\left(P_{\mathrm{fa}}\right)}^{1/(N-1)}]\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|R\left(\mathrm{mD}\right){|}^2---\left(6\right)$

其中，R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为伪随机码PN(m)的总长度；常数C＝1-(P_fa)^1/(N-1)，P_fa为恒虚警概率。设定合理的自适应门限能够有效提高信号检测的准确性。

S4.比较统计判决量u(m)和自适应门限V_T的大小，如果统计判决量u(m)大于自适应门限V_T，则输出表示检测到有效信号的标志信号，否则返回步骤S2继续检测有效信号。

在图3所示的比较判决模块中进行比较统计判决量u(m)和自适应门限V_T的大小时，可以采用将所有统计判决量u(m)直接与自适应门限V_T相比较，如果统计判决量u(m)大于自适应门限V_T，则表明检测到匹配峰值，输出相应的标志信号。但此种判决方式不可能保证完全准确，因为在信号很小时，计算得到的自适应门限值V_T也很小，当匹配值中出现微小的峰值时，就可能导致虚警现象。为了保证***的传输效果，通常会采用过采样，设过采样倍数为D，则对应的接收信号与本地参考序列的相关值有D个，且它们均超过门限值，如果根据其中较小的样点值进行***的同步，就会影响同步的精确度，从而影响***的性能。

作为一种改进，该消除频偏干扰的自适应信号检测方法中可以采用滑动判决窗来比较统计判决量u(m)和自适应门限V_T的大小，滑动判决窗的原理如图4所示。匹配相关得到的统计判决量u(m)随着时钟周期依次被推入滑动判决窗的窗口中，每个时钟周期对窗口中的值进行比较，只有当窗口中间值大于其它各值并超过对应的自适应门限值时，即满足条件u(m)＞V_T且u(m)＞u(i)(i≠m)时，则输出的判决结果为表示检测到有效信号的标志信号，表示接收信号与本地伪随机序列真正对齐，得到比较准确的前导码的起始边界，保证了信号检测的准确性，以便进行精确的***同步。采用滑动判决窗之后，只需要利用窗口内的一小段统计判决量u(m)参与比较，在提高了判决精确度的同时也可以减小运算量，提高运算速度。

如果自适应门限V_T过小，就有可能出现将噪声误判为有效信号，从而产生虚警毛刺。为了减小虚警毛刺，提高判决的正确性，该消除频偏干扰的自适应信号检测方法还需要对自适应门限V_T进行适当调整，具体而言，是在自适应门限V_T上添加一个微小的偏移量ΔV以构成新的自适应门限

然后将新的自适应门限

应用到比较判决中。微小偏移量ΔV的大小选择与信道环境参数，尤其是与信道增益有很大关系，在仿真实验中，当信道增益为1时，将微小偏移量ΔV设置为0.1具有良好的检测概率。因为统计判决量u(m)必须大于新的自适应门限

才是正确的捕获点，有效屏蔽了虚警毛刺。

对自适应门限V_T进行适当调整后，可以采用将所有统计判决量u(m)直接与自适应门限

相比较的方式来检测有效信号。当然如前面所述，如果采用滑动判决窗来比较统计判决量u(m)和自适应门限

的大小将有效地减小计算量并提高判决的精确度。

本发明的消除频偏干扰的自适应信号检测方法采用了简单易实现的方式有效对抗任意大小的频偏，结合自适应门限检测技术，保证在突发通信的***中，存在频偏干扰时，***仍能够有效的进行信号检测，保证检测性能。采用共轭相乘得到的接收信号R(n)具有固定的相位偏移，不会随着样点长度增大而增加计算代价，具有检测精度高且性能稳定的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种消除频偏干扰的自适应信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.发送端在原始数据帧S_d(m)的帧头加入伪随机码PN(m)作为前导码，使得数据帧为

将所述数据帧S(m)进行D倍采样得到采样后数据帧为

发送所述采样后数据帧S(n)；

S2.接收端接收到所述采样后数据帧S(n)的接收数据帧r(n)＝S(n-θ)e^j2πnfT+w(n)后，其中，f为频率偏移，包括载波频率偏移和多普勒频移，T为采用周期，w(n)为高斯白噪声，θ为传输延迟，将所述接收数据帧r(n)与所述接收数据帧r(n)延迟一个数据周期后的结果r(n+D)进行共轭相乘得到消除频偏干扰后的接收信号R(n)＝r(n)×r^*(n+D)；

S3.将所述消除频偏干扰后的接收信号R(n)分为两路相同的信号，其中一路利用匹配相关计算统计判决量u(m)，另一路计算信号功率并利用恒虚警概率准则设定自适应门限V_T；

S4.比较所述统计判决量u(m)和所述自适应门限V_T的大小，如果所述统计判决量u(m)大于所述自适应门限V_T，则输出表示检测到有效信号的标志信号，否则返回步骤S2继续检测有效信号。

2.根据权利要求1所述消除频偏干扰的自适应信号检测方法，其特征在于：步骤S3中所述利用匹配相关计算统计判决量u(m)为

其中，R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为PN(m)的数据总长度，D为一个数据周期中的采样个数，本地伪随机码d(m)为d(m)＝PN(m)PN(m+1)。

3.根据权利要求1所述消除频偏干扰的自适应信号检测方法，其特征在于：步骤S3中所述自适应门限设定为V_T＝CP，

其中，信号功率

R(mD)为消除频偏干扰后的接收信号，N为PN(m)的总长度；常数C＝1-(P_fa)^1/(N-1)，P_fa为恒虚警概率。

4.根据权利要求3所述消除频偏干扰的自适应信号检测方法，其特征在于：还包括在步骤S4中采用滑动判决窗来比较所述统计判决量u(m)和所述自适应门限V_T的大小，如果位于所述滑动判决窗中的统计判决量u(m)满足u(m)＞V_T且u(m)＞u(i)(i≠m)时，则输出表示检测到有效信号的标志信号。

5.根据权利要求3或4所述消除频偏干扰的自适应信号检测方法，其特征在于：还包括在步骤S3中对所述自适应门限V_T添加偏移量ΔV以构成新的自适应门限

Images