CN102685066A - 大频偏条件短时猝发高扩频通信接收***的载波恢复方法 - Google Patents

大频偏条件短时猝发高扩频通信接收***的载波恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大频偏条件下短时猝发高扩频通信接收***载波恢复方法。现有方法无法在极低信噪比门限情况下,依靠短时前导码元序列完成大频偏条件下载波的恢复。本发明首先计算扩频码相关峰值,通过改变接收***本地载波频率,对相关峰值进行比较、定位,以获取载波频偏的粗略估计值;然后通过状态机完成扩频码的同步并对数据进行解扩;对解扩的数据进行复数快速傅里叶变换,进一步修正接收***本地载波频率;最终利用I/Q数据构造出锁相环路完成载波频率的精确同步和相位的跟踪。本发明方法可以准确快速可靠的完成载波恢复,可对付的载波频偏范围大,且工作门限低。

Description

大频偏条件短时猝发高扩频通信接收***的载波恢复方法
技术领域
本发明属扩频通信技术领域,具体涉及一种短时猝发高扩频通信接收***在大频偏条件下的载波恢复方法。
背景技术
扩频通信技术具有抗干扰、抗噪声、抗多径衰落、低功率谱密度下工作、保密性好等优点,因此广泛应用于军事和民用通信领域,当然也包含移动通信业务。在移动通信业务中,若发射***和(或)接收***载体具有较高的机动性,则会引发较大的多普勒频移,造成发射***和接收***间载波频率偏差过大,从而无法正常解调。常用的载波恢复方法有自动频率控制环路(AFC),锁相环(PLL)等。其中自动频率控制环路纠正的频偏范围较大,假定***码元速率为                                               
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE002
波特,则AFC可纠正的最大频偏数值接近
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE004
Hz;锁相环则用来纠正小范围的频偏(如AFC处理之后的残留频差)以及跟踪载波相位差。然而在某些高速移动通信场合下,***载体处于高速运动状态,引发的多普勒频移偏差值可达到码元速率的数倍,此时仅凭AFC和PLL方法无法完成载波的恢复。
此外,为进一步提升抗干扰能力和强化保密性,要求扩频***应尽可能地提高扩频因子,并采用短时猝发体制的通信方式以降低信息被捕获及破译的风险。因此,高扩频***的扩频因子一般大于等于1023,如全球定位***(GPS),此时的***工作门限极低,信号完全被噪声湮没,无法直接对接收到信号实施载波恢复算法,必须先对信号进行解扩处理,获得扩频增益之后方可施行。而短时猝发体制下数据帧中用于进行载波恢复和定时恢复的前导序列长度一般不超过几百个码元。在极低门限和大频偏条件下,常规的方法无法在简短的前导序列时间段内完成载波恢复。
发明内容
本发明的目的就是克服现有的载波恢复方法的不足,提出一种新颖有效的针对低门限、大频偏条件下短时猝发高扩频通信接收***载波恢复方法,在数百个前导序列码元内准确完成载波频偏的纠正和载波相位的跟踪。本发明方法可适用于正交幅度调制,并带有前导序列的扩频通信接收***。
本发明的大频偏条件下短时猝发高扩频通信接收***的载波恢复方法,设定载波的多普勒频移范围为
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE006
,其中
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE008
为该通信***中载波的标定值,
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE010
为最大多普勒频移,其数值可为码元速率
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE012
的数倍,具体步骤是:
步骤(1)设置接收***本地载波频率,用于对输入中频信号进行频谱搬移。
步骤(2)将经过正交解调,完成频谱搬移后仍存在残留频差的两路准基带码片数据序列
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE018
依次送到扩频码匹配滤波器计算相关峰值
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE020
,“*”表示卷积运算,
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE022
是匹配滤波器抽头系数,为扩频码序列的反向序列。
在一个码元周期内,比较并记录该周期内相关峰的最大值,总共记录K个码元周期,从而获得K个最大相关峰值
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE026
;对上述K个码元周期内的最大相关峰值求和并记录,
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE028
,参数K的选择通常视前导码元序列长度而定,数值取得越大,需要的码元序列长度越长,相应的相关峰值总和越准确,更加有利于频偏估计,经过仿真分析,参数K一般可取3、4、5或6。
步骤(3)将本地载波频率增加
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE030
,即设定
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE032
,重复步骤(2),记录下各次的最大相关峰值总和S,直到本地载波频率,即达到或超过频偏范围上限。此时共获得J个最大相关峰值总和,记为
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE036
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE038
步骤(4)比较J个最大相关峰值和
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE040
,找出其中的最大值
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE042
。若
Figure 26582DEST_PATH_IMAGE042
小于某一设定阈值,则认为此时接收***并未收到扩频信号,将返回步骤(1)重新执行;根据
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE044
修正接收***本地载波频率
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE046
,进入步骤(5),此时本地载波和接收信号载波之间的频差变为
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE048
步骤(5)继续比较扩频码匹配滤波器输出的相关峰值P,若
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE050
,则记录当前时钟
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE052
,并在后续一个码元周期内不再对P进行比较,同时设定置信度C=1。其中
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE054
为比例系数,经仿真分析,其取值范围为0.6~0.8时性能最优。
步骤(6)当时钟
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE056
时,再次比较相关峰值P,其中
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE058
,为码元周期。若, 则置信度C加1;否则C减1。
步骤(7)将时钟T增加
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE060
,重复步骤(6),期间若置信度C大于某一阈值,则认为扩频码同步完成,进入步骤(8)进行数据解扩;若置信度C=0,则返回到步骤(5)重新执行。
步骤(8)以当前时刻T作为起始时刻,同步产生本地扩频码序列
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE062
,分别计算
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE064
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE066
得到I,Q两路码元数据序列。
步骤(9)令
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE068
,构造M个复数码元
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE070
,对该复数码元序列进行快速傅里叶变换,得到M个频域值。对M个频域值取绝对值后并求出最大值及其对应位置的下标L。根据下标L再次修正接收***本地载波频率以完成载波频率的粗同步:
,则
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE074
否则,
步骤(10)计算鉴相值
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE078
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE080
确定归一化鉴相值
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE082
计算环路滤波后的输出
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE084
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE086
则载波相位
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE088
按下式更新:
Figure 2012101597542100002DEST_PATH_IMAGE090
从而完成载波的精确恢复和相位跟踪。其中,参数G1G2G3均表示环路增益,应根据码元速率、残留频偏大小、环路噪声指标等具体要求设置合适的数值。
本发明可以准确快速可靠的完成扩频通信***中载波恢复,对付的载波频偏范围大,且工作门限低,适合于正交幅度调制的扩频***。
具体实施方式
步骤(1)设置接收***本地载波频率
Figure 798064DEST_PATH_IMAGE014
,用于对输入中频信号进行频谱搬移。
步骤(2)将经过正交解调,完成频谱搬移后仍存在残留频差的两路准基带码片数据序列
Figure 911514DEST_PATH_IMAGE016
Figure 774427DEST_PATH_IMAGE018
依次送到扩频码匹配滤波器计算相关峰值
Figure 998735DEST_PATH_IMAGE020
,“*”表示卷积运算,
Figure 247183DEST_PATH_IMAGE022
是匹配滤波器抽头系数,为扩频码序列的反向序列。
在一个码元周期内,比较并记录该周期内相关峰的最大值
Figure 531534DEST_PATH_IMAGE024
,总共记录K个码元周期,从而获得K个最大相关峰值
Figure 881744DEST_PATH_IMAGE026
;对上述K个码元周期内的最大相关峰值求和并记录,
Figure 909743DEST_PATH_IMAGE028
,参数K的选择通常视前导码元序列长度而定,数值取得越大,需要的码元序列长度越长,相应的相关峰值总和越准确,更加有利于频偏估计,经过仿真分析,参数K一般可取3、4、5或6。
步骤(3)将本地载波频率增加
Figure 292924DEST_PATH_IMAGE030
,即设定
Figure 482597DEST_PATH_IMAGE032
,重复步骤(2),记录下各次的最大相关峰值总和S,直到本地载波频率
Figure 382420DEST_PATH_IMAGE034
,即达到或超过频偏范围上限。此时共获得J个最大相关峰值总和,记为
Figure 886214DEST_PATH_IMAGE036
步骤(4)比较J个最大相关峰值和
Figure 735407DEST_PATH_IMAGE040
,找出其中的最大值
Figure 122526DEST_PATH_IMAGE042
。若
Figure 430011DEST_PATH_IMAGE042
小于某一设定阈值,则认为此时接收***并未收到扩频信号,将返回步骤(1)重新执行;根据
Figure 320606DEST_PATH_IMAGE044
修正接收***本地载波频率
Figure 304612DEST_PATH_IMAGE046
,进入步骤(5),此时本地载波和接收信号载波之间的频差变为
Figure 913447DEST_PATH_IMAGE048
步骤(5)继续比较扩频码匹配滤波器输出的相关峰值P,若
Figure 24623DEST_PATH_IMAGE050
,则记录当前时钟
Figure 35304DEST_PATH_IMAGE052
,并在后续一个码元周期内不再对P进行比较,同时设定置信度C=1。其中
Figure 190211DEST_PATH_IMAGE054
为比例系数,经仿真分析,其取值范围为0.6~0.8时性能最优。
步骤(6)当时钟
Figure 286343DEST_PATH_IMAGE056
时,再次比较相关峰值P,其中
Figure 935630DEST_PATH_IMAGE058
,为码元周期。若
Figure 800818DEST_PATH_IMAGE050
, 则置信度C加1;否则C减1。
步骤(7)将时钟T增加
Figure 129556DEST_PATH_IMAGE060
,重复步骤(6),期间若置信度C大于某一阈值,则认为扩频码同步完成,进入步骤(8)进行数据解扩;若置信度C=0,则返回到步骤(5)重新执行。
步骤(8)以当前时刻T作为起始时刻,同步产生本地扩频码序列,分别计算
Figure 962699DEST_PATH_IMAGE064
Figure 885656DEST_PATH_IMAGE066
得到I,Q两路码元数据序列。
步骤(9)令
Figure 195415DEST_PATH_IMAGE068
,构造M个复数码元
Figure 453090DEST_PATH_IMAGE070
,对该复数码元序列进行快速傅里叶变换,得到M个频域值。对M个频域值取绝对值后并求出最大值及其对应位置的下标L。根据下标L再次修正接收***本地载波频率以完成载波频率的粗同步:
Figure 506496DEST_PATH_IMAGE072
,则
Figure 283959DEST_PATH_IMAGE074
否则,
Figure 764619DEST_PATH_IMAGE076
步骤(10)计算鉴相值
Figure 244011DEST_PATH_IMAGE078
Figure 101109DEST_PATH_IMAGE080
确定归一化鉴相值
计算环路滤波后的输出
Figure 384639DEST_PATH_IMAGE084
Figure 616906DEST_PATH_IMAGE086
则载波相位
Figure 12116DEST_PATH_IMAGE088
按下式更新:
Figure 498592DEST_PATH_IMAGE090
从而完成载波的精确恢复和相位跟踪。其中,参数G1G2G3均表示环路增益,应根据码元速率、残留频偏大小、环路噪声指标等具体要求设置合适的数值。

Claims (1)

1. 大频偏条件短时猝发高扩频通信接收***的载波恢复方法,设定载波的多普勒频移范围为                                               
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE002
,其中
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE004
为该通信***中载波的标定值,为最大多普勒频移,其特征在于该方法的具体步骤是:
步骤(1)设置接收***本地载波频率
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE008
,用于对输入中频信号进行频谱搬移;
步骤(2)将经过正交解调,完成频谱搬移后仍存在残留频差的两路准基带码片数据序列
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE010
依次送到扩频码匹配滤波器计算相关峰值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE014
,“*”表示卷积运算,
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE016
是匹配滤波器抽头系数,为扩频码序列的反向序列;
在一个码元周期内,比较并记录该周期内相关峰的最大值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE018
,总共记录K个码元周期,从而获得K个最大相关峰值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE020
;对上述K个码元周期内的最大相关峰值求和并记录,
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE022
,参数K取3、4、5或6;
步骤(3)将本地载波频率增加,即设定
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE026
,重复步骤(2),记录下各次的最大相关峰值总和,直到本地载波频率
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE028
,即达到或超过频偏范围上限;此时共获得J个最大相关峰值总和,记为
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE030
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE032
步骤(4)比较J个最大相关峰值和
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE034
,找出其中的最大值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE036
;若
Figure 996607DEST_PATH_IMAGE036
小于某一设定阈值,则认为此时接收***并未收到扩频信号,将返回步骤(1)重新执行;否则,根据修正接收***本地载波频率
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE040
,进入步骤(5),此时本地载波和接收信号载波之间的频差变为
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE042
步骤(5)继续比较扩频码匹配滤波器输出的相关峰值P,若
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE044
,则记录当前时钟
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE046
,并在后续一个码元周期内不再对P进行比较,同时设定置信度C=1;其中
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE048
为比例系数,其取值范围为0.6~0.8;
步骤(6)当时钟
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE050
时,再次比较相关峰值P,其中
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE052
,为码元周期;若
Figure 640471DEST_PATH_IMAGE044
, 则置信度C加1;否则C减1;
步骤(7)将时钟T增加
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE054
,重复步骤(6),期间若置信度C大于某一阈值,则认为扩频码同步完成,进入步骤(8)进行数据解扩;若置信度C=0,则返回到步骤(5)重新执行;
步骤(8)以当前时刻T作为起始时刻,同步产生本地扩频码序列
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE056
,分别计算
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE058
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE060
得到I、Q两路码元数据序列;
步骤(9)令
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE062
,构造M个复数码元,对该复数码元序列进行快速傅里叶变换,得到M个频域值;对M个频域值取绝对值后并求出最大值及其对应位置的下标L;根据下标L再次修正接收***本地载波频率以完成载波频率的粗同步:
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE066
,则
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE068
否则,
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE070
步骤(10)计算鉴相值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE072
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE074
确定归一化鉴相值
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE076
计算环路滤波后的输出
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE078
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE080
则载波相位
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE082
按下式更新:
Figure 2012101597542100001DEST_PATH_IMAGE084
从而完成载波的精确恢复和相位跟踪;其中参数G1, G2, G3均表示环路增益。
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