CN104038250A - 相关峰检测装置和相关峰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相关峰检测装置和相关峰检测方法。相关峰检测装置对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存，在预定时间的起始和结束时刻提取基带数据流进行滑动平均滤波得到超前带通门限和滞后带通门限，组合两个带通门限得到判决门限，其在任意时刻的门限值为两个带通门限的门限值的最大值。在三分之一预定时间处提取基带数据流进行匹配滤波得到每个数据点的滤波值；逐次累加滤波值得到预定数目的累加值，如果除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，输出最后一个累加值，并判断其是否超出判决门限，如果超出判决门限，将最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。本发明能够避免信号在起始和结束时刻因产生突变而造成虚警。

Description

相关峰检测装置和相关峰检测方法

技术领域

本发明涉及扩频通信技术领域，尤其是一种相关峰检测装置，还涉及一种相关峰检测方法。

背景技术

在扩频通信中，由于采用伪随机序列对信号进行扩展，所以需要在信号解扩时通过相关峰检测完成伪码捕获。以实现扩频码的去扩和解调。现有的扩频通信***中，接收机接收到的信号表示如下：

$x\left(t\right)=\sqrt{2A}V(t-\mathrm{\τ})P(t-\mathrm{\τ})\cos \cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})+n_c\left(t\right)$

其中，A为信号功率，V为数据信息，P为扩频码，值仅为±1，ω为载波频率，α为初始相位，n_c(t)为带限噪声，τ为延迟时间。在进行相关时，采用匹配滤波器进行相关运算，表述如下：

$y\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{M-1}\left(x(n-k)h\left(k\right)\right)$

式中，M代表数据的扩频周期，x(n)为输入信号，h(k)为本地扩频码，值仅为±1，y(n)为相关值。结合上述两式可以看出，如果P与h相同，那么y(n)的值不断递增。相关时，将y(n)与设定的门限比较，如果大于门限，表示信号已经同步，y(n)为解扩和，如果小于门限，表示没有捕获到有用信号。因此，门限的设定对相关峰检测有着决定性影响。

现有技术的相关峰检测方法通常都是设置固定的门限或根据经验值设定门限，然而，接收机接收到的信号在起始时刻和结束时刻常常发生突变和拖尾而产生噪声，而这些门限都是单一的门限，范围不够宽，不能覆盖到这些噪声信号，所以这些噪声信号会引起虚警或漏检。在对信噪比要求苛刻的场所，现有的相关峰检测很难满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种相关峰检测装置和相关峰检测方法，能够提高相关峰检测的动态范围，避免信号在起始和结束时刻因产生突变而造成虚警。

本发明采用的一种技术方案是提供一种相关峰检测装置，包括：延迟缓存模块，用于对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存；超前门限模块，用于在所述预定时间的起始时刻从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限；滞后门限模块，用于在所述预定时间的结束时刻从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限；门限组合模块，用于组合所述超前带通门限和所述滞后带通门限得到判决门限，其中，所述判决门限在任意时刻的门限值为所述超前带通门限和所述滞后带通门限的门限值的最大值；匹配滤波模块，用于在所述基带数据流延迟缓存三分之一所述预定时间时从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，并对所述基带数据流进行匹配滤波，得到所述基带数据流每个数据点的滤波值；累加缓存模块，用于对所述预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到所述预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果所述预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出所述最后一个累加值；相关峰检测模块，用于判断所述最后一个累加值是否超出所述判决门限，如果超出所述判决门限，将所述最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。

其中，所述输入的基带数据流经过四倍速率的采样，所述预定数目为四个。

其中，所述超前门限模块包括乘法器、多个延时器、加法器和减法器，所述基带数据流输入所述乘法器，所述乘法器的输出连接所述多个延时器和所述加法器，所述加法器的输出和所述多个延时器的输出连接所述减法器，所述减法器的输出连接所述门限组合模块和所述加法器的输入、

其中，所述滞后门限模块包括乘法器、多个延时器、加法器和减法器，所述基带数据流输入所述乘法器，所述乘法器的输出连接所述多个延时器和所述加法器，所述加法器的输出和所述多个延时器的输出连接所述减法器，所述减法器的输出连接所述门限组合模块和所述加法器的输入。

其中，所述相关峰检测装置还包括外部接口模块，所述外部接口模块用于获取所述相关峰的相关值，并根据所述相关峰的相关值对所述预定时间进行调整。

其中，所述预定时间为32个时钟周期的倍数。

本发明采用的另一种技术方案是提供一种相关峰检测方法，包括：对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存；在所述预定时间的起始时刻提取所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限；在所述预定时间的结束时刻提取所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限；组合所述超前带通门限和所述滞后带通门限得到判决门限，其中，所述判决门限在任意时刻的门限值为所述超前带通门限和所述滞后带通门限的门限值的最大值；在缓存三分之一所述预定时间时提取所述基带数据流，并对所述基带数据流进行匹配滤波，得到所述基带数据流每个数据点的滤波值；对所述预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到所述预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果所述预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出所述最后一个累加值；判断所述最后一个累加值是否超出所述判决门限，如果超出所述判决门限，将所述最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。

其中，所述输入的基带数据流经过四倍速率的采样，所述预定数目为四个。

其中，所述相关峰检测方法还包括：获取所述相关峰的相关值，并根据所述相关峰的相关值对所述预定时间进行调整。

其中，所述预定时间为32个时钟周期的倍数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过对基带数据流进行预定时间的延迟缓存，在预定时间的起始和结束时刻提取基带数据流进行滑动品均滤波，可以得到超前带通门限和滞后带通门限，组合两个门限可以得到判决门限，由于判决门限相对于单一门限拓宽了范围，从而能够提高相关峰检测的动态范围，动态范围增加后，可以覆盖信号在起始和结束时刻因产生突变而出现的噪声，从而避免造成虚警或露检，可以提高相关峰检测的可靠性和准确性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的相关峰检测装置一实施例的结构示意图。

图2是本发明的相关峰检测装置的累加缓存模块输出的波形示意图。

图3是本发明的相关峰检测装置的部分具体逻辑结构示意图。

图4是信号电平在10dBm下相关峰检测模块的仿真示意图。

图5是信号电平在-60dBm下相关峰检测模块的仿真示意图。

图6是本发明的相关峰检测方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，是本发明的相关峰检测装置一实施例的结构示意图。相关峰检测装置包括延迟缓存模块11、超前门限模块12、滞后门限模块13、门限组合磨快14、匹配滤波模块15、累加缓存模块16和相关峰检测模块17。可选地，在本实施例中，相关峰检测装置还包括外部接口模块18.，当然，相关峰检测装置还可以包括其它的模块。

延迟缓存模块11用于对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存。其中，基带数据流在输入所述延迟缓存模块11之前，可从是经过模数转换或者下变频处理的。延迟缓存模块11对基带输入数据进行编号和排序，并按流水方式输出。可选地，预定时间为32个时钟周期的倍数。时钟周期可以由相关峰检测装置本地晶振产生。

超前门限模块12用于在预定时间的起始时刻从延迟缓存模块11提取出基带数据流，对基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限。其中，虽然基带数据流呈流水线输出，但是基带数据流不是固定的，是有变化的，基带数据流的波形前后关联起来不是一条直线，只是近似直线。并且基带数据流在通信的起始时刻(即生成时刻)由小变大，持续时刻基本保持不变，在结束时刻(即衰落时刻)由大变小，把这三个时刻的线连起来就构成近似于梯形的形状，即构成一个通带。基带数据流经过滑动平均滤波后，可以使波形曲线更加平滑。

滞后门限模块13用于在预定时间的结束时刻从延迟缓存模块11提取出基带数据流，对基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限。其中，滞后带通门限和超前带通门限类似，也是近似于梯形的形状，即构成一个通带，但是滞后带通门限和超前带通门限在相位上是前后错开的。

门限组合模块14用于组合超前带通门限和滞后带通门限得到判决门限，其中，判决门限在任意时刻的门限值为超前带通门限和滞后带通门限的门限值的最大值。由于超前带通门限和滞后带通门限在相位上前后错开，超前带通门限没有覆盖到的部分取滞后带通门限，而滞后带通门限没有覆盖到的部分取超前带通门限，超前带通门限和滞后带通门限交叉的部分取两者门限值的最大值。判决门限的覆盖范围是超前带通门限和滞后带通门限覆盖范围的总和，所以能够提高相关峰检测的动态范围。

匹配滤波模块15用于在基带数据流延迟缓存三分之一预定时间时从延迟缓存模块11提取出基带数据流，并对基带数据流进行匹配滤波，得到基带数据流每个数据点的滤波值。其中，滤波值为相关值，即为前述的(x(n-k)h(k))。

累加缓存模块16用于对预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出最后一个累加值。其中，累加值为相关值，即为前述的y(n)。在本实施例中，输入的基带数据流经过四倍速率的采样，预定数目为四个，所以每次得到四个累加值。累加缓存模块16的输出在其中一个时段呈现三角形趋势，即先单调递增，说明相邻两次累加值中后面的累加值均大于前面的累加值，在累加值到达最大值后，再单调递减。如图2所示，累加值Y1到Y5中任一相邻四个累加值虽然都是单调递增，但是没有出现减小的趋势，所以不能确定是否是最大值。只有选取累加值Y3、Y4、Y5和Y6时，累加值Y3到Y5呈现单调递增，而Y5到Y6曾显单调递减，所以输出累加值Y6。

相关峰检测模块17用于判断最后一个累加值是否超出判决门限，如果超出判决门限，将最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。其中，累加值超出判决门限，表明捕获到有用信号。

可选地，外部接口模块18用于获取相关峰的相关值，并根据相关峰的相关值对预定时间进行调整。在实际应用中，常见的有32位，64位，128位等2的n次方幂位数的扩频。针对不同位数的扩频，外部接口模块18可以调整预定时间的大小，即调整预定时间为32个时钟周期、64个时钟周期或者128个时钟周期，甚至更大倍数的时钟周期，从而可以增强扩展性，方便不同扩频位数的应用。外部接口模块18可以控制FPGA(Field－Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)进行调整。

请参见图3，是本发明的相关峰检测装置的部分具体逻辑结构示意图。

延迟缓存模块11包括多个延时器111，每个延时器111延时一个时钟周期。超前门限模块12包括乘法器121、多个延时器122、加法器123和减法器124。滞后门限模块13包括乘法器131、多个延时器132、加法器133和减法器134。

输入的基带数据流输入延迟缓存模块11第一个延时器111，然后输入至乘法器121。然后基带数据流依次在多个延时器111之间传输。在最后一个延时器111输出基带数据流，并输入至乘法器131。其中，如果延时器111的数量为N个，那么在第N/3个延时器111将输出基带数据流至匹配滤波器15。

乘法器121的输出连接多个延时器122和加法器123，加法器123的输出和多个延时器122的输出连接减法器124，减法器123的输出连接门限组合模块14和加法器123的输入。其中，从扩频通信的原理可知，实际通信中是很难做到载波的同频、同相，消除载波影响的优选方式是对信号求能量。本实施例的超前门限模块12对基带数据流的每个数据点(包含噪声和有用信号)直接求能量，但是，考虑到单个数据点的能量值变化较大，抗干扰能力较弱，因此，本实施例采取多点能量估计值，每个时刻截取连续、相邻的n个能量点，并使用流水线结构循环移位。表述如下：

ACCD＝ACCD+E²-data[n]

E²＝I²+Q²

其中，ACCD代表循环累加值，E²是信号当前时刻的能量值估计值，I和Q是正交两路信号，data[n]是由多个延时器122构成的循环移位寄存器，E²先从data[1]流进，最后从data[n]流出。所以在E²在没有到达第n个延时器111之前，data[n]的值是零。在E²经过第n个延时器111输出之后，data[n]为首先进入第一个延时器111的E²。门限十分平滑，自适应能力强，在高、低电平下，都可以很好的区分相关值和噪声值。该超前门限模块12得到的超前带通门限十分平滑，自适应能力强，在高、低电平下，都可以很好的区分相关值和噪声值。并且，超前门限模块12仅由一个乘法器121，多个寄存器122，一个加法器123和一个减法器124构成，结构简洁，消耗资源小。

乘法器131的输出连接多个延时器132和加法器133，加法器133的输出和多个延时器132的输出连接减法器134，减法器133的输出连接门限组合模块14和加法器133的输入。滞后门限模块13与超前门限模块12的逻辑结构相同，并且形成门限的方式也相同。其区别仅在于，延时器122与延时器132的数量可以不同，其结果就是超前带通门限和滞后带通门限的电平不同，但是幅值可以相同。

如图4和图5所示，是相关峰检测装置的应用实例，该应用实例为信号电平在10dBm下和-60dBm下相关峰检测模块的仿真。该应用实例采用xilinx逻辑分析软件ChipScope采样的***真实信号。中频信号电平为10dBm。图4中，超前带通门限A1和滞后带通门限B1公共组成了判决门限，判决门限在左边覆盖了噪声区，在右边覆盖噪声区，这两个噪声区由于位于信号的起始时刻和结束时刻，信号会产生突变或拖尾，产生噪声，而判决门限能够覆盖这些噪声，避免虚警或漏检。图中判决门限的门限值非常平滑，除了正确的相关值(即累加缓存模块输出的累加值)超出了门限外，没有旁瓣超出门限，相关极大值和门限值相差有20个千万左右的数字单位。该仿真结果中，超前带通门限A1和滞后带通门限B1的电平值不相同，是由于超前门限模块的延时器的数量大于滞后门限模块的延时器的数量。

图5中，超前带通门限A2和滞后带通门限B2公共组成了判决门限，判决门限在左边覆盖了噪声区，在右边覆盖噪声区，这两个噪声区由于位于信号的起始时刻和结束时刻，信号会产生突变或拖尾，产生噪声，而判决门限能够覆盖这些噪声，避免虚警或漏检。图中判决门限的门限值由于信号很弱，信噪比较小，所以不是非常平滑，有一定“波纹”出现，但相关极大值和门限值相差仍有5万个左右的数字单位，除了正确的相关值(即累加缓存模块输出的累加值)超出了门限外，没有旁瓣超出门限。该仿真结果中，超前带通门限A2和滞后带通门限B2的电平值不相同，是由于超前门限模块的延时器的数量大于滞后门限模块的延时器的数量。

本发明实施例的相关峰检测装置提高相关峰检测的动态范围，避免信号在起始和结束时刻因产生突变而造成虚警，可以很好地完成对突发扩频信号的捕获，最高可到70dB的线性动态范围，有效地抑制噪声，提高了信号解码的动态范围，具有自适应，特别适用于突发通信的数字相关器设计，且核心电路在单片FPGA上编程实现，使用灵活，扩展性强。

请参见图6，是本发明的相关峰检测方法一实施例的流程示意图。相关峰检测方法包括：

S11：对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存。

其中，基带数据流在输入之前，可从是经过模数转换或者下变频处理的。进行延迟缓存时对基带输入数据进行编号和排序，并按流水方式输出。可选地，预定时间为32个时钟周期的倍数。时钟周期可以由相关峰检测装置本地晶振产生。

S12：在预定时间的起始时刻提取基带数据流，对基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限。

其中，虽然基带数据流呈流水线输出，但是基带数据流不是固定的，是有变化的，基带数据流的波形前后关联起来不是一条直线，只是近似直线。并且基带数据流在通信的起始时刻(即生成时刻)由小变大，持续时刻基本保持不变，在结束时刻(即衰落时刻)由大变小，把这三个时刻的线连起来就构成近似于梯形的形状，即构成一个通带。基带数据流经过滑动平均滤波后，可以使波形曲线更加平滑。

S13：在预定时间的结束时刻提取基带数据流，对基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限。

其中，滞后带通门限和超前带通门限类似，也是近似于梯形的形状，即构成一个通带，但是滞后带通门限和超前带通门限在相位上是前后错开的。

S14：组合超前带通门限和滞后带通门限得到判决门限，其中，判决门限在任意时刻的门限值为超前带通门限和滞后带通门限的门限值的最大值。

其中，判决门限在任意时刻的门限值为超前带通门限和滞后带通门限的门限值的最大值。由于超前带通门限和滞后带通门限在相位上前后错开，超前带通门限没有覆盖到的部分取滞后带通门限，而滞后带通门限没有覆盖到的部分取超前带通门限，超前带通门限和滞后带通门限交叉的部分取两者门限值的最大值。判决门限的覆盖范围是超前带通门限和滞后带通门限覆盖范围的总和，所以能够提高相关峰检测的动态范围。

S15：在缓存三分之一预定时间时提取所述基带数据流，并对基带数据流进行匹配滤波，得到基带数据流每个数据点的滤波值。

其中，滤波值为相关值，即为前述的(x(n-k)h(k))。

S16:对预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出最后一个累加值。

其中，累加值为相关值，即为前述的y(n)。在本实施例中，输入的基带数据流经过四倍速率的采样，预定数目为四个，所以每次得到四个累加值。累加缓存模块16的输出在其中一个时段呈现三角形趋势，即先单调递增，说明相邻两次累加值中后面的累加值均大于前面的累加值，在累加值到达最大值后，再单调递减。

S17：判断最后一个累加值是否超出判决门限，如果超出判决门限，将最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。

可选地，相关峰检测方法还包括：获取相关峰的相关值，并根据相关峰的相关值对预定时间进行调整。其中，在实际应用中，常见的有32位，64位，128位等2的n次方幂位数的扩频。针对不同位数的扩频，可以调整预定时间的大小，即调整预定时间为32个时钟周期、64个时钟周期或者128个时钟周期，甚至更大倍数的时钟周期，从而可以增强扩展性，方便不同扩频位数的应用。

采用本发明实施例的相关峰检测方法具有与前述实施例的相关峰检测装置同样的技术效果，此处不再赘述。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种相关峰检测装置，其特征在于，包括：

延迟缓存模块，用于对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存；

超前门限模块，用于在所述预定时间的起始时刻从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限；

滞后门限模块，用于在所述预定时间的结束时刻从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限；

门限组合模块，用于组合所述超前带通门限和所述滞后带通门限得到判决门限，其中，所述判决门限在任意时刻的门限值为所述超前带通门限和所述滞后带通门限的门限值的最大值；

匹配滤波模块，用于在所述基带数据流延迟缓存三分之一所述预定时间时从所述延迟缓存模块提取出所述基带数据流，并对所述基带数据流进行匹配滤波，得到所述基带数据流每个数据点的滤波值；

累加缓存模块，用于对所述预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到所述预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果所述预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出所述最后一个累加值；

相关峰检测模块，用于判断所述最后一个累加值是否超出所述判决门限，如果超出所述判决门限，将所述最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。

2.根据权利要求1所述的相关峰检测装置，其特征在于，所述输入的基带数据流经过四倍速率的采样，所述预定数目为四个。

3.根据权利要求1或2所述的相关峰检测装置，其特征在于，所述超前门限模块包括乘法器、多个延时器、加法器和减法器，所述基带数据流输入所述乘法器，所述乘法器的输出连接所述多个延时器和所述加法器，所述加法器的输出和所述多个延时器的输出连接所述减法器，所述减法器的输出连接所述门限组合模块和所述加法器的输入。

4.根据权利要求1或2所述的相关峰检测装置，其特征在于，所述滞后 门限模块包括乘法器、多个延时器、加法器和减法器，所述基带数据流输入所述乘法器，所述乘法器的输出连接所述多个延时器和所述加法器，所述加法器的输出和所述多个延时器的输出连接所述减法器，所述减法器的输出连接所述门限组合模块和所述加法器的输入。

5.根据权利要求1所述的相关峰检测装置，其特征在于，所述相关峰检测装置还包括外部接口模块，所述外部接口模块用于获取所述相关峰的相关值，并根据所述相关峰的相关值对所述预定时间进行调整。

6.根据权利要求1或5所述的相关峰检测装置，其特征在于，所述预定时间为32个时钟周期的倍数。

7.一种相关峰检测方法，其特征在于，包括：

对输入的基带数据流进行预定时间的延迟缓存；

在所述预定时间的起始时刻提取所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到超前带通门限；

在所述预定时间的结束时刻提取所述基带数据流，对所述基带数据流进行滑动平均滤波，得到滞后带通门限；

组合所述超前带通门限和所述滞后带通门限得到判决门限，其中，所述判决门限在任意时刻的门限值为所述超前带通门限和所述滞后带通门限的门限值的最大值；

在缓存三分之一所述预定时间时提取所述基带数据流，并对所述基带数据流进行匹配滤波，得到所述基带数据流每个数据点的滤波值；

对所述预定数目的数据点的滤波值逐次进行累加，得到所述预定数目的累加值，并比较相邻两次的累加值，如果所述预定数目的累加值中除最后一个累加值之外其余每次的累加值均大于前次的累加值，则输出所述最后一个累加值；

判断所述最后一个累加值是否超出所述判决门限，如果超出所述判决门限，将所述最后一个累加值作为相关峰的相关值输出。

8.根据权利要求3所述的相关峰检测方法，其特征在于，所述输入的基 带数据流经过四倍速率的采样，所述预定数目为四个。

9.根据权利要求3所述的相关峰检测方法，其特征在于，所述相关峰检测方法还包括：

获取所述相关峰的相关值，并根据所述相关峰的相关值对所述预定时间进行调整。

10.根据权利要求7或9所述的相关峰检测方法，其特征在于，所述预定时间为32个时钟周期的倍数。