一种用于超宽带的同步捕获方法及装置

摘要

本发明提供一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，包括：对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；将当前一个符号周期的所导码目标数据作为本地带噪模板信号，分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的本地相关信号；对三组本地相关信号进行滤波消噪后，再次做相关操作得到第一、第二输出信号；对第一输出信号和第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；确定噪声平均能量门限，当峰值能量大于等于噪声平均能量门限时，码片位置为粗同步位置。本发明提供的用于超宽带的同步捕获方法及装置，具有更高的捕获概率和更小的捕获误差。

权利要求

1.一种用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，包括：对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

2.根据权利要求1所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，所述前导码数据具体通过以下公式进行计算：，

其中， 表示前导码数据， 表示卷积操作， 表示发送信号， 表示多径信道的脉冲冲激响应函数， 为加性高斯白噪声。

3.根据权利要求2所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，所述解扩后的前导码目标数据具体通过以下公式进行计算：，

其中， 表示解扩后的前导码目标数据， 表示伪随机序列长度，表示脉冲重复周期， 表示码片最小宽度， 表示所述前导码数据一个符号内码片个数， 表示用户k重复插值后的伪随机序列。

4.根据权利要求3所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，所述将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号具体通过以下公式进行计算：，

，

，

其中， 表示第一本地相关信号， 表示第二本地相关信号， 表示第三本地相关信号。

5.根据权利要求4所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪具体通过以下公式进行计算：，

，

，

其中， 表示当前滤波后的信号， 为延迟长度的反馈信号，表示三种不同延迟量， 为前馈系数， 为反馈系数。

6.根据权利要求5所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值具体通过以下公式进行计算：，

，

其中， 表示互相关之和的能量信号值， 为 的复数共轭。

7.根据权利要求6所述的用于超宽带的同步捕获方法，其特征在于，所述噪声平均能量门限通过峰值能量窗口区间能量和符号内总能量确定。

8.一种用于超宽带的同步捕获装置，其特征在于，包括：目标数据获取模块，其用于对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

第一相关操作模块，其用于将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

第二相关操作模块，其用于对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

信号能量值获取模块，其用于对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

粗同步位置获取模块，其用于确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

说明书

一种用于超宽带的同步捕获方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及超宽带技术领域，特别是涉及一种用于超宽带的同步捕获方法及装置。

背景技术

[0002] 脉冲超宽带（Impulse Response–Ultra Wideband，简称IR‑UWB）是一种采用极低功率谱密度的超短脉冲作为信息的载体，可以与其它通信系统共享频谱资源的无线通信技术，其应用在3.1 10.6GHz之间的免授权频段，并限制发射功率在‑41.3dBm/MHz以下。具有~隐蔽性好、传输速率高、功耗低、定位精度高、抗多径能力强、穿透力强、安全性好等众多优点。超宽带技术最初用于军事雷达领域，2002年2月美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，简称FCC）正式批准超宽带技术可用于民用通信领域因此，其逐渐应用于各种需要高精度测距定位领域。

[0003] 超宽带发射功率极低，信号很容易淹没在噪声中，超宽带信道带宽又极宽，远大于无线信道相干带宽，因此频率选择性衰落比较严重，多径效应明显，使原本微弱的信号更加难于检测。因此如何设计同步算法，降低同步捕获时间，提高同步捕获概率，对超宽带接收机系统尤为重要。

[0004] 现有的同步捕获方法有相干和非相干接收，超宽带系统更适用于相干接收方法，高的同步精度才能保证解调性能并有效降低误码概率，但现有的算法并不能满足接收机性能需求，从而成为整个系统的设计瓶颈。

[0005] 因此，有必要提供一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，以有效解决上述问题。

发明内容

[0006] 本发明提供一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，具有更高的捕获概率和更小的捕获误差。

[0007] 本发明实施例提供一种用于超宽带的同步捕获方法，包括：

[0008] 对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

[0009] 将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

[0010] 对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

[0011] 对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

[0012] 确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

[0013] 优选地，所述第一延迟目标信号为延迟Tdsym的延迟目标信号，所述第二延迟目标信号为延迟2Tdsym的延迟目标信号，所述第三延迟目标信号为延迟3Tdsym的延迟目标信号。

[0014] 优选地，所述前导码数据具体通过以下公式进行计算：

[0015]

[0016] 其中， 表示前导码数据， 表示卷积操作， 表示发送信号， 表示多径信道的脉冲冲激响应函数， 为加性高斯白噪声。

[0017] 优选地，所述解扩后的前导码目标数据具体通过以下公式进行计算：

[0018]

[0019] 其中， 表示解扩后的前导码目标数据， 表示伪随机序列长度，表示脉冲重复周期， 表示码片最小宽度， 表示所述前导码数据一个符号内码片个数， 表示用户k重复插值后的伪随机序列。

[0020] 优选地，所述将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号具体通过以下公式进行计算：

[0021]

[0022]

[0023]

[0024] 其中， 表示第一本地相关信号， 表示第二本地相关信号， 表示第三本地相关信号。

[0025] 优选地，对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪具体通过以下公式进行计算：

[0026]

[0027]

[0028]

[0029] 其中， 表示当前滤波后的信号， 为延迟长度的反馈信号，表示三种不同延迟量， 为前馈系数， 为反馈系数。

[0030] 优选地，对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值具体通过以下公式进行计算：

[0031]

[0032]

[0033] 其中， 表示互相关之和的能量信号值， 为 的复数共轭。

[0034] 优选地，所述噪声平均能量门限通过峰值能量窗口区间能量和符号内总能量确定。

[0035] 优选地，所述噪声平均能量门限具体通过以下公式进行计算：

[0036]

[0037]

[0038]

[0039] 其中， 表示峰值能量窗口区间能量，表示搜索峰值能量位置， 表示峰值能量窗口区间长度， 表示符号内总能量， 表示噪声平均能量门限。

[0040] 本发明实施例还提供一种用于超宽带的同步捕获装置，包括：

[0041] 目标数据获取模块，其用于对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

[0042] 第一相关操作模块，其用于将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

[0043] 第二相关操作模块，其用于对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

[0044] 信号能量值获取模块，其用于对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

[0045] 粗同步位置获取模块，其用于确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

[0046] 与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

[0047] 本发明实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置，从而具有更高的捕获概率和更小的捕获误差，捕获灵敏度提高3dB。

附图说明

[0048] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0049] 图1为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获方法的流程示意图；

[0050] 图2为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获装置的模块示意图；

[0051] 图3为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获装置的电路实现流程示意图。

具体实施方式

[0052] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0053] 下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

[0054] 基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，具有更高的捕获概率和更小的捕获误差。

[0055] 需要注意的是，下文的“相关操作”、“相关信号”以及下文的“相关性”是通信领域的术语，“相关操作”通常理解为两个序列相似性比较的一种数学运算。

[0056] 图1为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获方法的流程示意图，方法包括：

[0057] 步骤S101：对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

[0058] 步骤S102：将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

[0059] 步骤S103：对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

[0060] 步骤S104：对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

[0061] 步骤S105：确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

[0062] 在具体实施中，所述第一延迟目标信号为延迟Tdsym的延迟目标信号，Tdsym表示1个符号周期的延迟信号，所述第二延迟目标信号为延迟2Tdsym的延迟目标信号，2Tdsym表示2个符号周期的延迟信号，所述第三延迟目标信号为延迟3Tdsym的延迟目标信号，3Tdsym表示3个符号周期的延迟信号。

[0063] 在具体实施中，对于超宽带脉冲信号，其中二阶单周期高斯脉冲作为承载信息的基本脉冲波形，公式表达如下：

[0064]

[0065] 其中， 为脉冲成型因子， 决定着脉冲宽度。超宽带前导码调制方式采用直接序列扩频调制，每个用户都拥有唯一的伪随机序列，假设用户为k，则发送信号可表示为：

[0066]

[0067] 其中， 表示发送前导码信号幅度， 为用户k的伪随机序列，脉冲重复周期为 ，符号发送周期为 ，伪随机序列长度为 ，多径信道的脉冲冲激响应函数为：

[0068]

[0069] 其中， 表示第 根多径， 为总的多径数， 表示第 根多径的幅度衰减系数，假设 为码片最小宽度，在发射信号波形经过多径信道到达接收端时，所述前导码数据具体通过以下公式进行计算：

[0070]

[0071] 其中， 表示前导码数据， 表示卷积操作， 表示发送信号， 表示多径信道的脉冲冲激响应函数， 为加性高斯白噪声。

[0072] 在具体实施中，已知发送用户伪随机序列，则可对接收前导码信号进行匹配滤波，所述解扩后的前导码目标数据具体通过以下公式进行计算：

[0073]

[0074] 其中， 表示解扩后的前导码目标数据， 表示伪随机序列长度，表示脉冲重复周期， 表示码片最小宽度， 表示所述前导码数据一个符号内码片个数， 表示用户k重复插值后的伪随机序列。利用伪随机序列的自相关性，使其在信号能量更加集中在同步时刻。

[0075] 在具体实施中，从目标函数 中取当前符号周期内的信号作为本地带噪模板信号，所述将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号具体通过以下公式进行计算：

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 其中， 表示第一本地相关信号， 表示第二本地相关信号， 表示第三本地相关信号。

[0080] 在具体实施中，为了进一步消除噪声影响，对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪具体通过以下公式进行计算：

[0081]

[0082]

[0083]

[0084] 其中， 表示当前滤波后的信号， 为延迟 长度的反馈信号，表示三种不同延迟量， 为前馈系数， 为反馈系数。经过多次滤波后，噪声能量将会持续减小到一定范围，进一步为增大同步捕获灵敏度。

[0085] 在具体实施中，对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值具体通过以下公式进行计算：

[0086]

[0087]

[0088] 其中， 表示互相关之和的能量信号值， 为 的复数共轭。

[0089] 在具体实施中，所述噪声平均能量门限通过峰值能量窗口区间能量和符号内总能量确定。

[0090] 在具体实施中，所述噪声平均能量门限具体通过以下公式进行计算：

[0091]

[0092]

[0093]

[0094] 其中， 表示峰值能量窗口区间能量，表示搜索峰值能量位置， 表示峰值能量窗口区间长度， 表示符号内总能量， 表示噪声平均能量门限。

[0095] 如果 ，则认为该位置为同步捕获成功位置，否则重复以上步骤继续搜索，直到满足该判决条件或者同步超时时间限制为止。

[0096] 图2为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获装置的模块示意图，装置包括：

[0097] 目标数据获取模块21，其用于对前导码数据进行直接扩频序列匹配滤波，得到解扩后的前导码目标数据；

[0098] 第一相关操作模块22，其用于将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；

[0099] 第二相关操作模块23，其用于对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；

[0100] 信号能量值获取模块24，其用于对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；

[0101] 粗同步位置获取模块25，其用于确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置。

[0102] 图3为本发明的一个实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获装置的电路实现流程示意图，从图3可以看出，本实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获装置的电路通过三个相关器分别与第一延迟目标信号、第二延迟目标信号、第三延迟目标信号做相关操作，第一延迟目标信号延迟Tdsym，第二延迟目标信号延迟2Tdsym，第三延迟目标信号延迟3Tdsym。对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号通过相关器做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号通过相关器做相关操作得到第二输出信号，其中，左移移位表示乘以2的幂次方。对所述第一输出信号和所述第二输出信号通过加法器求和得到互相关之和的信号能量值。

[0103] 综上，本发明实施例提供的一种用于超宽带的同步捕获方法及装置，将当前一个符号周期的所述前导码目标数据作为本地带噪模板信号，将所述本地带噪模板信号分别与第一、第二、第三延迟目标信号做相关操作，得到三组符号长度的第一、第二、第三本地相关信号；对所述第一、第二、第三本地相关信号进行滤波消噪后，对所述第一本地相关信号和所述第二本地相关信号做相关操作得到第一输出信号，对所述第二本地相关信号和所述第三本地相关信号做相关操作得到第二输出信号；对所述第一输出信号和所述第二输出信号求和得到互相关之和的信号能量值，根据所述信号能量值比较搜索峰值能量所在的码片位置；确定噪声平均能量门限，当所述峰值能量大于等于所述噪声平均能量门限时，所述码片位置为粗同步位置，从而具有更高的捕获概率和更小的捕获误差，捕获灵敏度提高3dB。

[0104] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。