CN107305254A - 一种实现位同步的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种实现位同步的方法及装置，包括：从移入移位寄存器的数据流中选择任一相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；对划分出的分段数据中的20个数据进行相关运算；将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；计算候选位置对应的信噪比增益最大值和次大值的差值，将计算获得的差值与预设阈值进行比较，进行确定位同步的处理。本发明实施例方法，通过对划分的分段数据进行相关运算，获取信噪比增益后进行位同步处理，减少了位同步时间，提高了位同步的工作效率。

Description

一种实现位同步的方法及装置

技术领域

本文涉及但不限于定位技术，尤指一种实现位同步的方法及装置。

背景技术

全球定位***(GPS)接收机在完成捕获、跟踪接收信号后，接着要进行的就是位同步、帧同步及解调解码处理，从而从接收信号那里获得信号发射时间和导航电文，并最终实现GPS导航定位。

位同步又叫比特同步，它是接收通道根据一定算法确定当前接收信号在某一个数据比特的位置，或者说是确定接收信号中数据比特起始边缘位置。对于调制在相应载波上的50比特/秒(bps)的导航电文，每个导航电文对应着20个粗捕获(C/A)码周期，因而导致了比特翻转边界的不确定性。获得调制电文比特翻转边界的位置，即实现比特同步，是实现解调电文、测量伪距和利用相干累加实现高灵敏跟踪的基础。所以接收机必须估计出该比特翻转边界的位置，实现位同步。

常见的位同步算法有直方图法、最大似然(ML)比特同步算法等；其中，

直方图法是一种相当基本的位同步算法，该方法对载波环输出的相邻积分值的符号变化进行计数，共有20个候选位置，经过一段时间的统计，如果在某个位置的符号变化次数明显大于其他位置，则认为该位置为比特边界。直方图法的实现示例如图1所示，首先将载波环输出的1毫秒(ms)宽的数据比特用1～20进行编号，其中编号为1的首个数据比特是任意选定的，然后逐个统计相邻两个毫秒之间数据的跳变情况：若第i个数据到第i+1个数据发生了跳变，则对应于第i+1个直方的计数器加1，否则计数器保持不变。这样，每当处理完20ms的数据之后，直方图法查看统计结果是否为以下两种情况之一：有一个直方的计数器值到达门限N₁；如图1所示，第四个直方的计数器值最大，即一段时间的数据流中，通过对数据流按照20ms为周期进行统计后，从第三个毫秒至第四个毫秒的比特跳变次数最多，并且该计数器的值又已经达到了门限值N₁次，认为位同步实现，确定比特边沿偏差为3ms。这样在前的第4至第20毫秒加上第1至第3毫秒属于一个比特，而第4至第20毫秒加上紧随其后的第1至第3毫秒属于下一个比特，而其余的数据比特分割可以此类推；至少有两个直方的计数器值达到或超过门限值N₂：这种情况表明信号强度太弱，或者这一时段导航电文所包含的数据比特跳变太少，位同步失败，将所有直方的计数器清零，从新开始对数据跳变的统计。如果以上两种情况都没发生，那么接收机继续对数据流进行逐个检查和统计。若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则以上统计过程同样需要清零重启。直方图法的缺点就是随着信号强度变弱，其性能会变得越来越差，并且在较低的载噪比情况下，需要几十秒的时间才能获得可靠的同步。这个时间太长，远远超过了通常接收机能够承受的范围。

为了提高接收机在低载噪比(C/N0)时的同步性能，出现了最大似然位同步算法，该方法把每个候选位置之后的连续20个数据进行累积，求包络得到相应的比特能量后，再把比特能量进行一段时间的非相干累加，这样对应20个位置中比特能量最大的位置，即为比特边界的位置。这种方法通过增加非相干累加次数提高了信噪比，可用于低信噪比条件下。具体算法描述如下：

假设接收机在第k个历元时接收到的信号经本地C/A码相关之后的模型为

r_k＝Ac_k+n_k (1)

其中c_k为调制导航电文的20次重复，如c_k+δ＝c_k+1+δ＝…＝c_k+19+δ＝b_k，每个c_k维持一个C/A码周期；δ为比特边界的位置，δ∈{0，1，…19}；b_k为调制的导航电文，b_k∈{±1}；A为信号功率；n_k为均值为0、方差为的加性高斯白噪声，一个包含了N个接收信号矢量的似然函数可以由每个接收信号似然函数之积来表示：

要想找到比特起始边沿位置，式(2)需要在参数δ，A，b下最大化；式(2)中第一项与其他参数无关，可以忽略；后两项可以看成2|A|f(r；δ；b)+N|A|²，要实现式(2)的最大化，只要将f(r；δ；b)最大化即可，其中

式中，为向下取整，K＝N/20+1，l表示接收信号的毫秒数；当b_k与的符号相等时，式(3)达到最大值。根据x·sign(x)＝|x|，式(3)的最大化可等价于式(4)的最大化，

于是，最大似然位同步算法可归结为式(5)的最大似然位同步计算式，

相对于直方图算法，最大似然位同步算法能在20分贝-赫兹(dB-Hz)以上的信号强度下获得良好的位同步效果，并且其只需要几秒的时间。但是最大似然位同步算法通常要固定一个较大的非相干累加次数，以保证低信噪比下的同步性能，对于高信噪比情况，较多的非相干累加是多余的，而多余的非相干累加大大增加了平均同步时间，影响位同步的工作效率。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种实现位同步的方法及装置，能够减少位同步时长，提高位同步效率。

本发明实施例提供了一种实现位同步的方法，包括：

从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

对划分出的分段数据进行相关运算；

将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

计算所有候选位置对应的信噪比增益中信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

可选的，分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

所述c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；所述A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的力性高斯白噪声。

可选的，进行相关运算包括：

以划分的所述分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

所述概率矩阵用于表示所述分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

可选的，预设的概率矩阵包括：

和

需要说明的是，分段数据R_k和预设的概率矩阵T确定时，本发明实施例方法中，进行相关运算包括：进行R_k·T的运算。

可选的，进行位同步的确定处理包括：

若计算获得的所述差值大于所述预设阈值，将所述信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的所述差值小于或等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从所述移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为所述位同步分析的分段数据，根据重新划分的所述分段数据继续进行位同步的处理；

若所述差值小于等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的所述次数门限阈值，确定位同步失败。

另一方面，本发明实施例还提供一种实现位同步的装置，包括：划分单元、相关运算单元、累加单元和确定单元；其中，

划分单元用于，从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

相关运算单元用于，对划分出的分段数据进行相关运算；

累加单元用于，将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

确定单元用于，计算所有候选位置对应的信噪比增益中，信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

可选的，所述分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

所述c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；所述A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的力性高斯白噪声。

可选的，相关运算单元具体用于，

以划分的所述分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

所述概率矩阵用于表示所述分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

可选的，预设的概率矩阵包括：

和

可选的，确定单元具体用于，

计算所有候选位置对应的信噪比增益中信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值；

若计算获得的所述差值大于所述预设阈值，将所述信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的所述差值小于或等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从所述移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为所述位同步分析的分段数据，根据重新划分的所述分段数据继续进行位同步的处理；

若所述差值小于等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的所述次数门限阈值，确定位同步失败。

与相关技术相比，本申请技术方案包括：从移入移位寄存器的数据流中选择任一相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；对划分出的分段数据中的20个数据进行相关运算；将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；计算候选位置对应的信噪比增益最大值和次大值的差值，将计算获得的差值与预设阈值进行比较，进行确定位同步的处理。本发明实施例方法，通过对划分的分段数据进行相关运算，获取信噪比增益后进行位同步处理，减少了位同步时间，提高了位同步的工作效率。

在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。

附图说明

图1为相关技术中位同步直方图法的分析示意图；

图2为本发明实施例实现位同步的方法的流程图；

图3为本发明实施例实现位同步的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图2为本发明实施例实现位同步的方法的流程图，如图2所示，包括：

步骤200、从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

需要说明的是，本发明实施例方法，进行分段数据的选取划分时，可以从移入移位寄存器的数据流中确定任意的起始位置进行选取，只要是相邻的20个数据即可，简化本发明实施例位同步处理的实施过程。

可选的，分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的力性高斯白噪声。

需要说明的是，这里r_k与位同步直方图法的处理方式相同。R_k表示20个相邻的数据。

步骤201、对划分出的分段数据进行相关运算；

可选的，进行相关运算包括：

以划分的分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

概率矩阵用于表示分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

可选的，预设的概率矩阵包括：

和

需要说明的是，分段数据R_k和预设的概率矩阵T确定时，本发明实施例方法中，进行相关运算包括：进行R_k·T的运算。

用于位同步分析的似然函数可以转换为下式：

另外，具备上述概率矩阵相同功能的矩阵或矩阵的变形式也可以应用于本发明实施例。

步骤202、将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

需要说明的是，除了绝对值或平方处理外，四次方等可以将相关运算结果中表示正负的符号去除，进比较正负符号之后的数字大小的处理方式均可。

这里累加过程表示非相干累加，目的就是获得一定的信噪比增益。随着累加次数的增加，增益也会相应地增大。

步骤203、计算所有候选位置对应的信噪比增益中，信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

可选的，本发明实施例方法中，进行位同步的确定处理包括：

若计算获得的差值大于预设阈值，将信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的差值小于或等于预设阈值，且进行相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为位同步分析的分段数据，根据重新划分的分段数据继续进行位同步的处理；

若差值小于等于预设阈值，且进行相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的次数门限阈值，确定位同步失败。

需要说明的是，根据发明人经验分析，次数门限阈值一般取小于等于200的数值。另外，预设阈值可以通过本领域技术人员采用仿真的方式进行确定，属于本领域技术人员的惯用技术手段，对不同的预设阈值，相关运算结果的累加计算的次数可能存在差异。如果预设阈值比较小，则相应需要的累加次数就会少；反之，预设阈值比较大，则相应需要的累加次数就会较多。

另一方面，经大量仿真发现非相干累加值的最大值和次大值之间的差值可作为一个位同步处理过程中的参数参量，并且该差值随着载噪比和非相干累加次数近似的单调增大，因此对差值进行预设阈值的限定可以很好地估计出一定载噪比下所需的非相干累加次数，进而实现自适应位同步。

本发明实施例方法，无论是在高信噪比还是在低信噪比情况下，都可以获得良好的位同步性能，并且其平均估计时间，特别是强信号的平均估计时间得以大幅度降低，在位同步成功率和同步时间上获得折中。

本发明实施例方法，通过对划分的分段数据进行相关运算，获取信噪比增益后进行位同步处理，可自适应地调整非相干累加的次数，即在相对低信噪比情况下采用较多次的非相干累加，而在相对高信噪比情况下只需较少次的非相干累计，从而减少了位同步时间，提高了位同步的工作效率。

图3为本发明实施例实现位同步的装置的结构框图，如图3所示，包括：划分单元、相关运算单元、累加单元和确定单元；其中，

划分单元用于，从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

可选的，分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的力性高斯白噪声。

相关运算单元用于，对划分出的分段数据进行相关运算；

可选的，相关运算单元具体用于，

以划分的分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

概率矩阵用于表示分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

可选的，预设的概率矩阵包括：

和

累加单元用于，将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

确定单元用于，计算所有候选位置对应的信噪比增益中，信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

可选的，确定单元具体用于，

计算所有候选位置对应的信噪比增益中信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值；

若计算获得的差值大于预设阈值，将信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的差值小于或等于预设阈值，且进行相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为位同步分析的分段数据，根据重新划分的分段数据继续进行位同步的处理；

若差值小于等于预设阈值，且进行相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的次数门限阈值，确定位同步失败。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。”。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种实现位同步的方法，其特征在于，包括：

从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

对划分出的分段数据进行相关运算；

将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

计算所有候选位置对应的信噪比增益中信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

所述c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；所述A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的加性高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行相关运算包括：

以划分的所述分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

所述概率矩阵用于表示所述分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设的概率矩阵包括：

和

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述进行位同步的确定处理包括：

若计算获得的所述差值大于所述预设阈值，将所述信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的所述差值小于或等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从所述移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为所述位同步分析的分段数据，根据重新划分的所述分段数据继续进行位同步的处理；

若所述差值小于等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的所述次数门限阈值，确定位同步失败。

6.一种实现位同步的装置，其特征在于，包括：划分单元、相关运算单元、累加单元和确定单元；其中，

划分单元用于，从移入移位寄存器的数据流中选择任意一组相邻的20个数据作为位同步分析的分段数据；

相关运算单元用于，对划分出的分段数据进行相关运算；

累加单元用于，将相关运算的结果进行绝对值或平方处理后，对分段数据中相同候选位置的绝对值或平方处理的相关运算结果进行累加，获得每一候选位置相应的信噪比增益；

确定单元用于，计算所有候选位置对应的信噪比增益中，信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值，根据计算获得的差值与预设阈值的比较进行位同步的确定处理。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分段数据为：

R_k＝(r_20(k-1)+1，…，r_20k)，K为数据比特长度；

其中，r_k＝Ac_k+n_k；

所述c_k为调制导航电文的20次重复，每个c_k维持一个粗捕获C/A码周期；所述A为信号功率；n_k为均值为0，方差为的加性高斯白噪声。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，相关运算单元具体用于，以划分的所述分段数据中的20个不同候选位置的固定数据比特与预先设置的概率矩阵进行相关运算；

所述概率矩阵用于表示所述分段数据解调出来的数据存在跳变可能位置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述预设的概率矩阵包括：

和

10.根据权利要求6～9任一项所述的装置，其特征在于，确定单元具体用于，

计算所有候选位置对应的信噪比增益中信噪比增益最大值和信噪比增益次大值的差值；

若计算获得的所述差值大于所述预设阈值，将所述信噪比增益的最大值对应的位置确定为比特起始边沿，完成位同步；

若计算获得的所述差值小于或等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果的累加计算的次数小于预设的次数门限阈值时，重新从所述移入移位寄存器的数据流中划分出20个相邻数据作为所述位同步分析的分段数据，根据重新划分的所述分段数据继续进行位同步的处理；

若所述差值小于等于所述预设阈值，且进行所述相关运算结果累加计算的次数大于或等于预设的所述次数门限阈值，确定位同步失败。