專利名稱：可變積分時間擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴頻通信位同步的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及可變積分時間位同步方法，判決接收信號中調(diào)制電文的比特邊界的一種擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
擴頻通信廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。位(比特)同步技術(shù)是擴頻通信技術(shù)中的重要內(nèi)容。每一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)比特對應(yīng)多個周期的偽隨機碼，實現(xiàn)位同步，即確定接收信號中調(diào)制電文的比特邊界的位置，是實現(xiàn)解調(diào)電文、偽距計算以及利用相干累加實現(xiàn)高靈敏跟蹤的基礎(chǔ)。在由謝鋼所著的《GPS原理與接收機設(shè)計》(北京，電子工業(yè)出版社，2009)中和由 Krumvieda K. Xloman C. 、01son Ε. >Thomas J. 、Kober W.禾口 Madhani P.于 2001 年 9 月在猶他州鹽湖城的ION GPS會議發(fā)表在會議記錄第789-829頁的《A Complete IF Software GPS Receiver :A Tutorial About the Details》中，公開了用于位同步的傳統(tǒng)的直方圖方法。傳統(tǒng)的直方圖方法是一種被廣泛使用的統(tǒng)計估計方法，它通過統(tǒng)計相關(guān)器或者鎖相環(huán)輸出的前后數(shù)據(jù)的符號變化來進行檢測。以GPS為例，輸出數(shù)據(jù)的周期是1ms，一共有20個比特邊界候選位置，經(jīng)過一段時間的統(tǒng)計，如果其中一個比特邊界候選位置的符號翻轉(zhuǎn)次數(shù)明顯多于其他位置，那么就判決該比特邊界候選位置為比特邊界。該方法本質(zhì)上是對數(shù)據(jù)輸出進行了硬判決，只使用了相鄰兩個偽隨機碼(C/A碼)周期的符號變化，而不是全部 20個周期(20ms)的能量，因此在低信噪比時性能較差。Dafesh P.在美國專利US 7042930中公開了一種用硬件實現(xiàn)的位同步方法。在這種算法中，接收機利用20個并行相關(guān)器對接收信號進行時間長度為20ms的相干積分，并使20個相關(guān)支路的相干積分起始沿分別相差1ms，然后檢測這20個相干積分結(jié)果的信噪比，若某條支路相干積分結(jié)果信噪比最小，則相應(yīng)的相干積分起始沿必定與比特邊界相差 10ms，發(fā)生了數(shù)值正負抵消，導(dǎo)致了相干積分結(jié)果信噪比最低。Kaplan Ε.在 2006 年由 Artech House, Inc.出版的《Understanding GPS Princples and Applications, Second Edition》中提到，科思塔斯環(huán)對20個Ims長的相干積分值進行相加，然后根據(jù)和的正負來判斷該20ms長的正常數(shù)據(jù)比特值。丹麥Aalborg大學(xué)的 Rinder P.和 BertelsenN.于 2004 年在碩士論文《Design of Single Frequency GPS Software Receiver))中采用了求平均值的方法，首先將Ims寬的數(shù)據(jù)比特表達成+1和_1 的形式，如果20個Ims長的數(shù)據(jù)比特電文平均值> +0. 9或者< -0. 9，那么相應(yīng)的數(shù)據(jù)比特就判為+1或者-1 ；如果電文平均值介于+0. 9至-0. 9之間，則這一數(shù)據(jù)比特解調(diào)結(jié)果視為無效，或者當前位同步結(jié)果是錯誤的。Kokkonen M, S Pietila. ψ 2002 ^ 4 M ^t IEEE Positioning, Location, and Navigation Symposium(PUVNS) ±胃·白勺《A New Bit Synchronization Method of a GPS Receiver》中提出了最大似然方法(Maximum likelihood/ML)，并應(yīng)用于GPS。該方法把每個比特邊界候選位置之后的連續(xù)20個數(shù)據(jù)進行累計，求包絡(luò)得到相應(yīng)的比特能量，再把比特能量通過一段時間的累積，獲得對應(yīng)20個位置中比特能量最大的位置，即比特邊界的位置。最大似然算法比直方圖法性能要好，通過分析，在20dB-Hz下，需要4s時間可以得到可靠的同步。Zeidan在2006年由英國倫敦Artech House出版的《The GNSS Technology and Application Series》中的《GNSS Receivers for Weak Signals》中，給出了一種利用 Viterbi算法對最大似然估計的實現(xiàn)，對最大似然方法的具體實現(xiàn)進行了簡化。在實際使用位同步算法的過程中，為了保證在低信噪比情況下較低的錯誤估計概率(Estimation Error Rate/EER)，常固定一個較長的檢測時間。但對于強信號，固定一個長的檢測時間延長了平均估計時間，從而對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機來說，延長了首次定位時間 (Time to First Fix/TTFF)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一方面，提供了一種可變積分時間擴頻通信位同步方法，包括如下步驟(1)預(yù)設(shè)置步驟指定非相干積分次數(shù)上限N以及在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)的閾值M，其中M小于N ；(2)能量計算步驟計算對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量，并通過非相干積分計算所有對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量的總和，得到對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的當前總能量；(3)統(tǒng)計步驟每經(jīng)過電文的偽隨機碼的周期t，就為當前比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算步驟，每當對所有的L個不同的比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算步驟之后，就將分別對應(yīng)于所述L個比特邊界候選位置的當前總能量進行比較，統(tǒng)計在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)；(4)判決步驟當在一個比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)達到所述閾值M時，停止非相干積分，并將所述比特邊界候選位置判決為比特邊界。在本發(fā)明的另一方面，提供了一種可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)，包括控制模塊，能量計算模塊，與判決模塊；其中所述系統(tǒng)指定非相干積分次數(shù)上限N以及在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)的閾值M，其中M小于N ；所述能量計算模塊進行下述能量計算計算對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量，并通過非相干積分計算所有對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量的總和， 得到對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的當前總能量；每經(jīng)過電文的偽隨機碼的周期t，所述控制模塊就指令所述能量計算模塊為當前比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算，每當所述能量計算模塊對所有的L個不同的比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算之后，所述控制模塊就將分別對應(yīng)于所述L個比特邊界候選位置的當前總能量進行比較，并且統(tǒng)計在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)；當在一個比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)達到所述閾值M時，所述控制模塊指令所述計算模塊停止非相干積分，并指令所述判決模塊開始判決，所述判決模塊將所述比特邊界候選位置判決為比特邊界。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法中計算不同比特邊界候選位置對應(yīng)的單比特能量的過程的示意圖。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法中不同比特邊界候選位置對應(yīng)的總能量的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法的流程圖。圖6a和圖6b示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法和現(xiàn)有技術(shù)的最大似然算法的正確概率和錯誤概率的比較。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的可變積分時間擴頻通信位同步方法在不同預(yù)定閾值下的非相干積分次數(shù)的仿真效果圖。
具體實施例方式下文描述的本發(fā)明的實施方案提供了一種自適應(yīng)的可變積分時間擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)，其是對現(xiàn)有技術(shù)中固定檢測時間的擴頻通信位同步算法的改進，其根據(jù)不同的信噪比環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)節(jié)位同步檢測時間，從而縮短了平均估計時間，對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機來說，縮短了首次定位時間(Time to First Fix/TTFF)。根據(jù)本發(fā)明的可變積分時間擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)可應(yīng)用于擴頻通信接收機例如衛(wèi)星導(dǎo)航接收機。本發(fā)明提出了可變積分時間擴頻通信位同步方法，即最多檢測的次數(shù)為N，如果連續(xù)M次(M<N)檢測結(jié)果相同，則停止檢測過程?？勺兎e分時間擴頻通信位同步方法適用于對目前固定時間的位同步算法進行改進，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)檢測時間。本文以對最大似然算法的改進為例來說明。算法如圖1所示在非相干積分過程中，每得到一組不同比特邊界候選位置對應(yīng)的能量，就進行一次比較。隨著非相干積分進行，非相干積分長度越來越長，信噪比越來越高，如果最大能量連續(xù)多次出現(xiàn)在同一候選位置，則停止非相干積分，以最終能量最大的候選位置為位同步起始位置。根據(jù)本發(fā)明的算法在保證錯誤概率不變的情況下， 以增加少量的運算量為代價，縮短了位同步時間。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的方法所設(shè)計的可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)主要包括三個組成部分控制模塊201、能量計算模塊202與判決模塊203?？刂颇K201對能量計算模塊202和判決模塊203進行控制，控制模塊201根據(jù)非相干積分過程中最大能量連續(xù)出現(xiàn)在同一候選位置的次數(shù)，控制能量計算模塊202是進行還是終止非相干積分，同時控制判決模塊203是否開始判決。算法描述
假定偽隨機碼周期1ms，單個調(diào)制電文碼元時間內(nèi)包括L個偽隨機碼周期，相關(guān)器或者鎖相環(huán)輸出的數(shù)據(jù)包含L個可能的比特邊界，算法求出比特邊界。假定碼跟蹤環(huán)已經(jīng)鎖定。進行位同步判斷使用的數(shù)據(jù)為^T1 = AXc^ni (1)其中，r,是相關(guān)器輸出的數(shù)值，是接收到的擴頻信號同本地偽隨機碼相關(guān)得到的結(jié)果。A為接收到的擴頻信號的幅度，Ci為調(diào)制導(dǎo)航電文的L次重復(fù)編碼，滿足，ci+s =ci+s+1 =…Cy+H =、，每個Ci保持一個偽隨機碼周期，在此實施例中是lms，δ為比特邊界候選
位置，δ e {0,1,......L-1}辦為調(diào)制的導(dǎo)航電文，Id1 = {-1,1}叫為均值為0，均方差為
σ的加性高斯白噪聲。現(xiàn)有技術(shù)的最大似然位同步算法的非相干積分次數(shù)是固定的，在完成預(yù)定非相干積分次數(shù)后，認為最大能量對應(yīng)的位置為數(shù)據(jù)比特起始位置；其中非相干積分次數(shù)越大，同步成功的概率就越高，但是同步時間也就越長。而根據(jù)本發(fā)明的可變積分時間擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)可以根據(jù)信噪比自適應(yīng)地調(diào)節(jié)非相干積分次數(shù)，在保持同步成功概率基本不變的情況下，大幅度縮短同步時間。在根據(jù)本發(fā)明的可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)的一個實施方案中，系統(tǒng)的運行過程如下1)預(yù)設(shè)置步驟由系統(tǒng)指定非相干積分次數(shù)上限N和能量最大值連續(xù)出現(xiàn)在同一候選位置的次數(shù)的閾值Μ，其中M不大于N。2)能量計算步驟能量計算模塊201每經(jīng)一個周期t (在此實施方案中是1ms)就計算當前比特邊界候選位置對應(yīng)的單比特能量Stmpm, s和總能量Ss，如式⑵和(3)所示。 其中，計算某個比特邊界候選位置對應(yīng)的單比特能量如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種可變積分時間擴頻通信位同步方法，包括如下步驟(1)預(yù)設(shè)置步驟指定非相干積分次數(shù)上限N以及在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)的閾值M，其中M小于N ；(2)能量計算步驟計算對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量，并通過非相干積分計算所有對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量的總和，得到對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的當前總能量；(3)統(tǒng)計步驟每經(jīng)過電文的偽隨機碼的周期t，就為當前比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算步驟，每當對所有的L個不同的比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算步驟之后， 就將分別對應(yīng)于所述L個比特邊界候選位置的當前總能量進行比較，統(tǒng)計在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)；(4)判決步驟當在一個比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)達到所述閾值M時，停止非相干積分，并將所述比特邊界候選位置判決為比特邊界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變積分時間擴頻通信位同步方法，其中0.4N彡M < 0. 7N。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變積分時間擴頻通信位同步方法，其中M= O. 6N。
4.一種可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)，包括控制模塊，能量計算模塊，與判決模塊；其中所述系統(tǒng)指定非相干積分次數(shù)上限N以及在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)的閾值M，其中M小于N ；所述能量計算模塊進行下述能量計算計算對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量，并通過非相干積分計算所有對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的單比特能量的總和，得到對應(yīng)于當前比特邊界候選位置的當前總能量；每經(jīng)過電文的偽隨機碼的周期t，所述控制模塊就指令所述能量計算模塊為當前比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算，每當所述能量計算模塊對所有的L個不同的比特邊界候選位置執(zhí)行所述能量計算之后，所述控制模塊就將分別對應(yīng)于所述L個比特邊界候選位置的當前總能量進行比較，并且統(tǒng)計在每一比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)；當在一個比特邊界候選位置處連續(xù)出現(xiàn)當前總能量最大值的次數(shù)達到所述閾值M時， 所述控制模塊指令所述計算模塊停止非相干積分，并指令所述判決模塊開始判決，所述判決模塊將所述比特邊界候選位置判決為比特邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)將所述閾值M指定為在0. 4N彡M彡0. 7N的范圍內(nèi)的一個值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可變積分時間擴頻通信位同步系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)將所述閾值M指定為0. 6N。
全文摘要
本發(fā)明涉及擴頻通信位同步的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及可變積分時間方法判決接收信號中調(diào)制電文的比特邊界的一種擴頻通信位同步方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)根據(jù)不同的信噪比環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)節(jié)位同步檢測時間，在保證錯誤概率基本不變的情況下大幅度降低了平均估計時間。
文檔編號H04B1/708GK102510299SQ20111036524
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者劉巖, 呂達, 白志強, 陸偉寧, 饒才杰 申請人:中國航天科工信息技術(shù)研究院