CN112910497B - 一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于无线通信技术领域的一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法。在短扩频比卫星通信***中，由于信息比特频繁翻转，传统基于相关器的码捕获算法检测性能降低。为了克服信息比特翻转的影响，本方法通过对信息比特与扩频码片进行联合估计，获得扩频码的初始状态值，并将初始值加载到本地码发生器，从而完成快速码捕获。由于本发明在扩频比极低的情况下，能有效实现扩频码初始相位的正确估计，避免了码片相位的搜索过程，因此相比于传统的串行搜索方法，节省了大量的捕获时间，同时在复杂度上低于并行捕获。

Description

一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法。

背景技术

目前，卫星终端天线口径逐渐向小型化趋势发展，导致终端天线波束宽度逐渐增大。波束宽度的增加使得终端对于相邻卫星的干扰不容忽视。为了降低邻星干扰，ITU(国际电信联盟)针对小口径卫星终端的发射功率谱密度进行了相应的限制。为了满足ITU的规定，终端可以采用扩频的方式降低发射功率谱密度。由于卫星频谱资源较为宝贵而且短扩频比不需要占用太大的带宽，因此被应用于车载、机载以及卫星物联网终端。

在扩频通信中，为了实现信息的解扩，扩频码捕获是一个重要的环节。传统的码捕获方法包括串行搜索与并行搜索，这些算法都是基于相关器，通过寻找最大的相关峰值来确定扩频码的相位。然而在短扩频比***中，信息比特的符号翻转现象不容忽视。信息比特调制在扩频码片上，使得扩频码片的符号发生翻转。这种频繁翻转的现象导致传统基于相关的码捕获算法性能降低，检测概率下降严重。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：对一段长度为N的接收信号进行频偏及初相补偿；

步骤2：获取***参数，包括扩频码生成多项式、扩频比、信号能量以及噪声方差；将以上***参数以及步骤1中经过初相补偿后的信号送入扩频码与信息比特联合估计模块，得到扩频码初始状态估计值；

步骤3：将步骤2中得到的初始状态估计值送入本地码发生器，产生本地扩频码；

步骤4：将步骤3中产生的本地扩频码与步骤1中经过初相补偿后的信号进行积分与非相关累加运算，运算结果与门限值进行比较；如果运算结果大于门限值，则表明捕获成功，否则捕获失败，并接收另一段长度为N的信号，重复步骤1至步骤3，直到捕获成功。

步骤1中的接收信号为离散时间信号，且已完成下变频、匹配滤波以及采样操作，采样速率为码片速率。

步骤2包含以下子步骤：

步骤21：根据扩频码生成多项式构建因子图；

步骤22：初始化概率信息：

其中K代表扩频比，τ代表因子图中的延迟变量节点；

步骤23：初始化对数似然比信息：

其中E_c代表信号能量，N₀代表噪声方差，y_k代表步骤1中经过初相补偿后的信号，x_k代表因子图中的第k个扩频码片变量节点，g_i代表因子图中的第i个校验函数节点，h_k代表因子图中的第k个状态转移函数节点，d_k代表因子图中的第k个信息码片变量节点；

步骤24：开始迭代，设置最大迭代次数为IterMax，如果迭代次数达到IterMax则退出迭代，进入步骤25，否则继续迭代；第l次迭代过程如下：

(1)更新校验函数节点g_j到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

其中N(g_j)代表因子图中g_j的邻居节点；

(2)更新扩频码片变量节点x_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

(3)更新信道转移函数节点f_k到信息码片变量节点d_k的对数似然比信息：

(4)更新信息码片变量节点d_k到状态转移函数节点h_k以及h_k-1的对数似然比信息：

(5)更新状态转移函数节点h_k到延迟变量节点τ的概率信息：

其中I(·)代表示性函数，

(6)更新延迟变量节点τ的置信度：

(7)更新延迟变量节点τ到状态转移函数节点h_k的概率信息：

(8)更新状态转移函数节点h_k到信息码片变量节点d_k以及d_k+1的对数似然比信息：

(9)更新信息码片变量节点d_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

(10)更新信道转移函数节点f_k到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

(11)更新扩频码片变量节点x_k到校验函数节点g_i的对数似然比信息：

步骤25：获得扩频码片的软信息：

步骤26：对扩频码片进行硬判决：

步骤27：获得扩频码的初始状态估计值：

其中u代表估计的扩频码初始状态值，r代表生成多项式的最高次数。

步骤2中的扩频码包括m序列以及Gold序列，扩频比是大于2的正整数。

步骤3中的本地码发生器由线性反馈移位寄存器构成，移位寄存器的级数等于步骤2中的生成多项式的最高次数，移位寄存器的抽头系数由生成多项式的系数决定。

步骤4中的积分是指将本地码与接收信号进行乘加运算，且积分长度为m；非相关累加是指将每一段积分的结果进行平方求和，且求和长度为n；运算结果是指非相关累加的结果。

本发明的有益效果在于：

本发明通过对信息比特与扩频码片进行联合估计，获得扩频码的初始状态值，并将初始值加载到本地码发生器，从而完成快速码捕获。在扩频比极低的情况下，能有效实现扩频码初始相位的正确估计，避免了码片相位的逐一搜索过程。相比于传统的串行搜索方法，本发明提出的方法节省了大量的捕获时间，同时在复杂度上低于并行捕获。

附图说明

图1为针对短扩频比卫星通信***快速码捕获方法***框图；

图2为针对短扩频比卫星通信***快速码捕获方法流程图；

图3为实施例1的因子图示意图；

图4为实施例2的因子图示意图。

具体实施方式

本发明提出一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1为针对短扩频比卫星通信***快速码捕获方法***框图；图2为针对短扩频比卫星通信***快速码捕获方法流程图。

实施例1

假设扩频码生成多项式g(D)＝1+D+D¹⁵，扩频比K＝4，接收信号长度为N＝1024，信号能量为E_c＝1，噪声方差为N₀＝2，设置最大迭代次数IterMax＝32,门限值为T_h。通过以下步骤可以实现快速码捕获：

1)对长度为1024的接收信号进行频偏及初相补偿；

2)根据生成多项式g(D)＝1+D+D¹⁵构建因子图，如图3所示；

3)初始化概率信息：

其中τ代表图3中的延迟变量节点；

4)初始化对数似然比信息：

其中y_k代表1)中补偿后的接收信号，x_k代表图3中的第k个扩频码片变量节点，g_i代表图3中的第i个校验函数节点，d_k代表图3中的第k个信息码片变量节点，h_k代表图3中的第k个状态转移函数节点；

5)开始迭代，如果迭代次数达到32则退出迭代，进入步骤6)，否则继续迭代。第l次迭代过程如下：

a)更新校验函数节点g_j到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

其中N(g_j)代表如图3中g_j的邻居节点；

b)更新扩频码片变量节点x_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

c)更新信道转移函数节点f_k到信息码片变量节点d_k的对数似然比信息：

d)更新信息码片变量节点d_k到状态转移函数节点h_k以及h_k-1的对数似然比信息：

e)更新状态转移函数节点h_k到延迟变量节点τ的概率信息：

其中I(·)代表示性函数，

f)更新延迟变量节点τ的置信度：

g)更新延迟变量节点τ到状态转移函数节点h_k的概率信息：

h)更新状态转移函数节点h_k到信息码片变量节点d_k以及d_k+1的对数似然比信息：

i)更新信息码片变量节点d_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

j)更新信道转移函数节点f_k到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

k)更新扩频码片变量节点x_k到校验函数节点g_i的对数似然比信息：

6)获得扩频码片的软信息：

7)对扩频码片进行硬判决：

8)获得扩频码的初始状态估计值：

9)将初始状态估计值送入本地码发生器，产生本地扩频码；

将本地扩频码与1)中补偿后的信号进行相关运算，包括相关积分与非相关累加两部分，相关积分是指将本地码与接收信号进行乘加运算，积分长度为8；非相关累加是指将每一段相关积分的结果进行平方求和，求和长度为256。如果相关结果大于门限值T_h，则表明捕获成功，否则捕获失败，并接收另一段信号，重复步骤1)至10)，直到捕获成功。

实施例2

假设扩频码生成多项式g(D)＝1+D³+D⁷，扩频比K＝8，接收信号长度为N＝512，信号能量为E_c＝1，噪声方差为N₀＝4，设置最大迭代次数IterMax＝32，门限值为T_h。通过以下步骤可以实现快速码捕获：

1)对长度为512的接收信号进行频偏及初相补偿；

2)根据生成多项式g(D)＝1+D³+D⁷构建因子图，如图4所示；

3)初始化概率信息：

其中τ代表图3中的延迟变量节点；

4)初始化对数似然比信息：

其中y_k代表1)中补偿后的接收信号，x_k代表图4中的第k个扩频码片变量节点，g_i代表图4中的第i个校验函数节点，d_k代表图4中的第k个信息码片变量节点，h_k代表图4中的第k个状态转移函数节点；

5)开始迭代，如果迭代次数达到32则退出迭代，进入步骤6)，否则继续迭代。第l次迭代过程如下：

a)更新校验函数节点g_j到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

其中N(g_j)代表如图4中g_j的邻居节点；

b)更新扩频码片变量节点x_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

c)更新信道转移函数节点f_k到信息码片变量节点d_k的对数似然比信息：

d)更新信息码片变量节点d_k到状态转移函数节点h_k以及h_k-1的对数似然比信息：

e)更新状态转移函数节点h_k到延迟变量节点τ的概率信息：

其中I(·)代表示性函数，

f)更新延迟变量节点τ的置信度：

g)更新延迟变量节点τ到状态转移函数节点h_k的概率信息：

h)更新状态转移函数节点h_k到信息码片变量节点d_k以及d_k+1的对数似然比信息：

i)更新信息码片变量节点d_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

j)更新信道转移函数节点f_k到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

k)更新扩频码片变量节点x_k到校验函数节点g_i的对数似然比信息：

6)获得扩频码片的软信息：

7)对扩频码片进行硬判决：

8)获得扩频码的初始状态估计值：

9)将初始状态估计值送入本地码发生器，产生本地扩频码；

将本地扩频码与1)中补偿后的信号进行相关运算，包括相关积分与非相关累加两部分，相关积分是指将本地码与接收信号进行乘加运算，积分长度为16；非相关累加是指将每一段相关积分的结果进行平方求和，求和长度为64。如果相关结果大于门限值T_h，则表明捕获成功，否则捕获失败，并接收另一段信号，重复步骤1)至10)，直到捕获成功。

表1示出了串行捕获方法与本方法在算法复杂度和平均捕获时间上的数据。

表1串行捕获与本方法的数据统计表

表中各参数意义如下：

r：移位寄存器级数，本表中r＝15；

N：信号接收长度，本表中N＝1024；

K：扩频倍数，本表中K＝4；

IterMax:本方法迭代次数，本表中IterMax＝32；

Tc：码片速率；

在以上具体参数下，可以看出本方法平均捕获时间较串行捕获快2个数量级，复杂度低1个数量级左右。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：对一段长度为N的接收信号进行频偏及初相补偿；其中，N的取值为512或1024；

步骤2：获取***参数，包括扩频码生成多项式、扩频比、信号能量以及噪声方差；将以上***参数以及步骤1中经过初相补偿后的信号送入扩频码与信息比特联合估计模块，得到扩频码初始状态估计值；

所述步骤2包含以下子步骤：

步骤21：根据扩频码生成多项式构建因子图；

步骤22：初始化概率信息：

其中K代表扩频比，τ代表因子图中的延迟变量节点；

步骤23：初始化对数似然比信息：

其中E_c代表信号能量，N₀代表噪声方差，y_k代表步骤1中经过初相补偿后的信号，x_k代表因子图中的第k个扩频码片变量节点，g_i代表因子图中的第i个校验函数节点，h_k代表因子图中的第k个状态转移函数节点，d_k代表因子图中的第k个信息码片变量节点；

步骤24：开始迭代，设置最大迭代次数为IterMax，如果迭代次数达到IterMax则退出迭代，进入步骤25，否则继续迭代；第l次迭代过程如下：

(1)更新校验函数节点g_j到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

其中N(g_j)代表因子图中g_j的邻居节点；

(2)更新扩频码片变量节点x_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

(3)更新信道转移函数节点f_k到信息码片变量节点d_k的对数似然比信息：

(4)更新信息码片变量节点d_k到状态转移函数节点h_k以及h_k-1的对数似然比信息：

(5)更新状态转移函数节点h_k到延迟变量节点τ的概率信息：

其中I(·)代表示性函数，

(6)更新延迟变量节点τ的置信度：

(7)更新延迟变量节点τ到状态转移函数节点h_k的概率信息：

(8)更新状态转移函数节点h_k到信息码片变量节点d_k以及d_k+1的对数似然比信息：

(9)更新信息码片变量节点d_k到信道转移函数节点f_k的对数似然比信息：

(10)更新信道转移函数节点f_k到扩频码片变量节点x_k的对数似然比信息：

(11)更新扩频码片变量节点x_k到校验函数节点g_i的对数似然比信息：

步骤25：获得扩频码片的软信息：

步骤26：对扩频码片进行硬判决：

步骤27：获得扩频码的初始状态估计值：

其中u代表估计的扩频码初始状态值，r代表生成多项式的最高次数；

步骤3：将步骤2中得到的初始状态估计值送入本地码发生器，产生本地扩频码；

步骤4：将步骤3中产生的本地扩频码与步骤1中经过初相补偿后的信号进行积分与非相关累加运算，运算结果与门限值进行比较；如果运算结果大于门限值，则表明捕获成功，否则捕获失败，并接收另一段长度为N的信号，重复步骤1至步骤3，直到捕获成功。

2.根据权利要求1所述的针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，所述步骤1中的接收信号为离散时间信号，且已完成下变频、匹配滤波以及采样操作，采样速率为码片速率。

3.根据权利要求1所述的针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，所述步骤2中的扩频码包括m序列以及Gold序列，扩频比是大于2的正整数。

4.根据权利要求1所述的针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，所述步骤3中的本地码发生器由线性反馈移位寄存器构成，移位寄存器的级数等于步骤2中的生成多项式的最高次数，移位寄存器的抽头系数由生成多项式的系数决定。

5.根据权利要求1所述的针对短扩频比卫星通信***的快速码捕获方法，其特征在于，所述步骤4中的积分是指将本地码与接收信号进行乘加运算，且积分长度为m；非相关累加是指将每一段积分的结果进行平方求和，且求和长度为n；其中，m＝8、n＝256或m＝16、n＝64；运算结果是指非相关累加的结果。

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