一种改进的补零与频域采样相结合的PN码快速捕获算法制造技术

本发明专利技术属于通信技术领域，具体为改进的补零与频域采样相结合的PN码快速捕获算法。本发明专利技术方法首先对本地序列进行相加处理，对接收序列进行时域降采样，分别得到新的本地序列和降采样后的接收序列；然后，通过频域采样构造新的本地序列部分频域集，与降采样后的接收序列进行相关运算，实现相位粗捕获；最后，通过去除采样相位模糊度操作实现细搜索，得到序列精确相位。理论分析和仿真结果表明，该方法扩大了伪码搜索范围，降低了伪码搜索计算复杂度，节省了计算开销，提高了搜索效率，具有良好的捕获效果。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的补零与频域采样相结合的PN码快速捕获算法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种长周期伪码快速捕获算法。
技术介绍
扩频通信是一种高安全性高对抗性的无线通信方式。因其具有保密性好、较低的检测和截获概率、易于实现码分多址通信等优点，被广泛应用于军事和民用通信以及导航领域。最常用的扩频形式为直接序列扩频通信，发送端采用高速的伪随机码序列对原始数据进行扩频处理，接收端首先需要捕获到接收伪码序列的准确相位，据此产生与发送端采用的伪码相位一致的序列作为本地解扩信号，完成信息的还原。由于隐蔽性和抗干扰性的要求，扩频通信一般工作在较低的信噪比条件下且采用周期较长的伪码序列，这给基于第三方的解扩带来了严峻的挑战。如何利用有限长度的带噪接收序列实现长周期伪码的快速捕获一直是研究的重点和难点，具有重要的理论和应用研究价值。近年来，已有文献提出了不同的快速捕获算法。其中，补零算法[1,2]（Zero-PaddingMethod,ZP）获得了广泛的关注。该方法采用FFT实现相关运算，并行搜索多个码片相位。通过在长度为的接收样本序列后面补个零，将其长度扩展到，一次可并行搜索个码片相位。为提高搜索速度，文献[4]在此基础上提出了改进的补零算法（ImprovedZero-PaddingMethod,IZP），将本地PN序列连续个码片相加构成新的本地序列，同时将接收信号进行倍降采样，和新的本地序列进行相关。与ZP方法相比，在相同的FFT点数情况下，搜索范围扩大倍，捕获速度提高倍。文献[6]提出了基于频域采样的快速捕获算法（SequentialAcquisitionBasedonFrequencySampling,FSSA），其基本思想是基于序列时频关系，通过频域采样的方法构造本地序列部分频域集合，与接收序列进行相关运算，利用序列部分频域信息代替完整时域信息实现快速捕获。通过合理选取采样倍数和采样起点，该方法能有效抑制背景噪声，相同条件下捕获速度较时域算法明显提升。但受捕获性能制约，选取频域点数越少，频域信息损失越严重，捕获性能下降越明显。因此，在保证一定捕获性能的前提下，频域降采样倍数不能太大，捕获速度提升有限。总之，现有的长PN序列捕获算法在低信噪比情况下捕获性能下降较快，捕获效率有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于搜索速度快、捕获效率高的PN码（长码）快速捕获算法。本专利技术提出的PN码（长码）快速捕获算法，是把改进的补零算法和频域采样算法相结合；其基本思路是，首先，对本地序列进行相加处理，对接收序列进行时域降采样，分别得到新的本地序列和降采样后的接收序列；然后，通过频域降采样构造新的本地序列的部分频域集，与降采样后的接收序列进行相关运算，实现相位粗捕获；最后，通过去除采样相位模糊度操作实现细搜索，得到序列精确相位。图1给出了算法的流程框图。信号模型扩频信号在传输过程中，受传输特性的影响将产生相位时延和多普勒频偏，并受到噪声干扰。接收端接收到的信号经过下变频、模数变换、滤波、降采样之后可表示为：(1)其中实部和虚部分别为：(2)(3)式中，为扩频信号的幅值，为调制数据，为扩频码，为未知的接收码片时延，为多普勒频偏，为采样频率，为载波相位，为时域降采样倍数，和为均值为0方差为的可加性高斯白噪声（AWGN），即：和。为了正确地恢复出数据信息，就要对伪码时延和多普勒频偏进行估计。为便于分析，假设载波相位。通过对接收到的长度为的降采样之后的样本序列后面补个零，将其扩展到长度为的序列，即：，其中：(4)(5)对于长度为本地序列，每相邻个码片相加，构成新的长度为本地序列，其中，代表本地伪码的相位。改进的补零算法通过对上述接收信号和新的本地序列进行相关运算，只需进行一次点的FFT运算就可以完成个本地伪码的搜索，与未进行相加之前相比计算量减小了倍，同时将伪码的捕获范围扩大到倍，提高了捕获速度。但是，该算法在时域相加的点数过大时，将引入较大的背景噪声，影响峰值位置的判断，捕获性能明显降低。其本质上是用捕获性能的损失换取捕获速度的提高，随着接收序列长度的减少，单一地采用这一算法使得捕获性能下降较快，很难满足实际应用。改进的补零算法与频域采样算法相结合的快速捕获算法实际系统中一般采用周期很长的伪码作为扩频序列，使得待搜索的码片范围很大。在保证捕获性能的前提下，单一的采用时域算法对系统的捕获速度提升有限。为进一步提高长周期伪码的捕获效率，本专利技术提出一种改进的补零和频域采样相结合的长码快速捕获算法。通过对接收序列进行降采样、补零操作，对本地伪码序列进行时域相加和频域降采样处理，扩大了伪码搜索范围，降低了伪码搜索计算复杂度，提高了捕获效率。算法具体步骤如下：1.产生长度为的本地序列，每相邻个码片相加，生成新的长度为的本地序列；2.对新的本地序列进行FFT（快速富里叶变换）得到完整频域序列，并进行倍降采样，得到本地序列的部分频域集；3.对经过变换后的接收基带数字信号进行倍降采样，得到长度为的接收子序列；4.对步骤3中得到的序列补个零，扩展到长度为的新的本地序列，再进行FFT和复共轭操作，得到新的本地序列频域信号；5.将步骤2和步骤4得到的序列对应点相乘，然后进行IFFT（快速富里叶逆变换），将相关峰值与门限阈值比较，若峰值大于门限阈值，则保存峰值位置；若峰值小于门限阈值，则重新选取本地伪码序列，重复步骤1~步骤4；6.为了提高捕获效率，扩大码片搜索范围，对接收的伪码信号进行了时域降采样处理，对本地伪码进行了时域相加、频域降采样处理，因此，步骤5中得到的相关峰值位置是一个相对位置，必须通过“去除采样相位模糊”操作，包括去除频域采样相位模糊和去除时域采样相位模糊，获得精确的峰值位置；其中：所述去除频域采样相位模糊：目的在于判定步骤5中得到的相关峰值出自第几个伪码频域子序列；根据，以为起点将本地序列按照长度分段，逐段与接收序列相关匹配，确定的取值，得到均值序列相位；所述去除时域采样相位模糊：目的在于去除对接收序列时域降采样处理的影响，进而判定最终的接收伪码的准确相位；根据，以为相位起点，将本地序列按照长度分段，逐段与接收序列相关匹配，确定的取值，得到接收序列精确相位。上述步骤1~步骤5构成了图1中的粗搜索过程，步骤6~步骤8构成了图1中的细搜索过程。通过上述步骤可知，本专利技术算法的运算开销仅为点的FFT运算，较直接相关捕获的运算开销降低了倍，降低倍数为时域算法和频域降采样算法降低倍数的乘积。算法复杂度分析为了对算法性能进行评估，分别从计算复杂度和单次搜索范围来进行对比。本专利技术算法的比较对象为：补零算法(ZP)[4]，改进的补零算法(IZP)[7]，频域采样算法(FS)[9]。对于周期为的长伪码序列，假设接收信号的相位在整个伪码周期中均匀分布，表1给出了几种算法复杂度对比：表1不同算法计算复杂度对比算法ZPIZPFS本文算法复杂度在相同的计算量的情况下，表2给出了四种算法的一次搜索范围对比：表2不同算法一次搜索范围对比算法ZPIZPFS本文算法搜索范围通过上述对比可知：本专利技术算法在较小的计算量的情况下扩大了伪码的搜索范围，节省了捕获计算开销，提高了搜索效率。附图说明图1：算法流程框图。图2：单次序列捕获结果示例。图3：算法捕获性能对比。图4：不同频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的补零与频域采样相结合的PN码快速捕获算法，其具体步骤如下：（1）产生长度为的本地序列，每相邻个码片相加，生成新的长度为的本地序列；（2）对新的本地序列进行FFT，得到完整频域序列，并进行倍降采样，得到本地序列的部分频域集；（3）对经过变换后的接收基带数字信号进行倍降采样，得到长度为的接收子序列；（4）对步骤（3）中得到的接收子序列补个零，扩展到长度为的新的本地序列，对序列再进行FFT和复共轭操作，得到新的本地序列频域信号；（5）将步骤（2）和步骤（4）得到的序列对应点相乘，然后进行IFFT，将相关峰值与门限阈值比较，若峰值大于门限阈值，则保存峰值位置；若峰值小于门限阈值，则重新选取本地伪码序列，重复步骤1~步骤4；（6）步骤5中得到的相关峰值位置是一个相对位置，通过“去除采样相位模糊”操作，包括去除频域采样相位模糊和去除时域采样相位模糊，获得精确的峰值位置；其中：所述去除频域采样相位模糊：目的在于判定步骤5中得到的相关峰值出自第几个伪码频域子序列；根据，以为起点将本地序列按照长度分段，逐段与接收序列相关匹配，确定的取值，得到均值序列相位；所述去除时域采样相位模糊：目的在于去除对接收序列时域降采样处理的影响，进而判定最终的接收伪码的准确相位；根据，以为相位起点，将本地序列按照长度分段，逐段与接收序列相关匹配，确定的取值，得到接收序列精确相位。...

【技术特征摘要】
1.一种改进的补零与频域采样相结合的PN码快速捕获算法，其具体步骤如下：（1）产生长度为的本地序列，每相邻个码片相加，生成新的长度为的本地序列；（2）对新的本地序列进行FFT，得到完整频域序列，并进行倍降采样，得到本地序列的部分频域集；（3）对经过变换后的接收基带数字信号进行倍降采样，得到长度为的接收子序列；（4）对步骤（3）中得到的接收子序列补个零，扩展到长度为的新的本地序列，对序列再进行FFT和复共轭操作，得到新的本地序列频域信号；（5）将步骤（2）和步骤（4）得到的序列对应点相乘，然后进行IFFT，将相关峰值与门限阈值比较，若峰值大于门限阈值，则保存峰值位置；若峰值小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫志伟，杨涛，冯辉，胡波，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31