專利名稱：基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置及捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種長偽碼序列的快速捕獲裝置，本發(fā)明還涉及一種長偽碼 序列的快速捕獲方法。
(二)
背景技術(shù)：
長偽碼序列的快速捕獲一直是實(shí)現(xiàn)一些高性能擴(kuò)頻系統(tǒng)的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的偽 碼捕獲方法是建立在滑動相關(guān)基礎(chǔ)上的，串行滑動捕獲實(shí)現(xiàn)簡單，但捕獲時間較 長，難以滿足快速性要求；并行滑動捕獲實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，難以硬件實(shí)現(xiàn)；混合捕 獲方法是串行和并行的折中，可以滿足一些場合的需求，但總的復(fù)雜度沒有改變， 且速度受限?；贔FT的捕獲方法對處理器的處理速度和存儲容量要求比較高， 目前難以實(shí)現(xiàn)長偽碼序列捕獲。為了解決捕獲速度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的矛盾，以 較低的硬件復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)快速捕獲， 一種基于迭代消息傳遞算法(Iterative Message Passing Algorithms, IMPA)的偽碼快速捕獲方法被提出。
圖1給出了基于IMPA的偽碼捕獲方法的基本原理結(jié)構(gòu)。圖1顯示，該方法
不對本地偽碼進(jìn)行滑動，而是利用類似LDPC譯碼的消息傳遞算法直接估計當(dāng)前
時刻的偽碼狀態(tài)，并選擇可信度較高的偽碼狀態(tài)向量送入偽碼發(fā)生器，以立即產(chǎn) 生可靠的本地偽碼序列。
基于IMPA的偽碼捕獲的核心思想是迭代消息傳遞。迭代消息傳遞是在因子 圖上反復(fù)傳遞概率信息，其基本運(yùn)算是根據(jù)內(nèi)部概率和因子圖結(jié)構(gòu)計算外部概率 和后驗概率。下面以一個例子說明IMPA在偽碼捕獲中的基本應(yīng)用原理。
設(shè)在采用BPSK調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，經(jīng)過加性高斯白噪聲信道的接 收信號采樣為-
其中，A是碼片能量， 一般設(shè)為定值；&=0或1，為第A:個碼片值， 是均值
為0方差為(72的白噪聲采樣值；M是待處理序列的長度，稱其為一個數(shù)據(jù)模塊; 《是載波相位偏移，即當(dāng)?shù)剌d波與接收信號間載波的相位差，討論偽碼捕獲時， 常假設(shè)載波相位對齊，即假設(shè)《=0。取似個碼片的采樣值，可得觀測向量z-[z。,5，…,^—J，根據(jù)觀測向量可 以形成初始信息的度量
、1^=1)、
a 4 = - ln
這M個初始信息的度量是迭代算法的輸入，當(dāng)A^X)時說明xfO的概率大， &4<0時^1的概率大。
以11級m序列為例，設(shè)生成多項式系數(shù)為[4005]s，本原多項式為 g(Z)—l + Z)2+Z)11，則生成的m序列應(yīng)滿足校驗關(guān)系Xt十;^2④;Vn-0。根據(jù) 因子圖理論可以構(gòu)建m序列的因子圖，如圖2所示，圖中的圓圈表示變量節(jié)點(diǎn)， 方框表示校驗節(jié)點(diǎn)，其中所有校驗節(jié)點(diǎn)均滿足校驗關(guān)系約束。
下面介紹基于迭代消息傳遞算法(impa)的偽碼捕獲過程。在圖2定義的 因子圖上，考察任意一對有連接關(guān)系的變量節(jié)點(diǎn)和校驗節(jié)點(diǎn)(;c,，、)，設(shè)校驗節(jié)點(diǎn) 到變量節(jié)點(diǎn)的消息更新為A^，,，變量節(jié)點(diǎn)到校驗節(jié)點(diǎn)的消息更新為A",,
根據(jù)類似于ldpc譯碼所采用的最小和算法定義迭代消息傳遞算法的基本 步驟如下
分別執(zhí)行校驗節(jié)點(diǎn)和變量節(jié)點(diǎn)的消息更新-
=n sign(厶^"》min」厶Mw
''2人 ，J 」，7
每執(zhí)行一次上式的消息更新過程，就是一次迭代，每迭代一次，可得到輸出
軟信息的度量
—=a^; + 2化,,
由此可以作出判決-
fl, Aso, <0 'lo, — > 0
根據(jù)判決結(jié)果即可恢復(fù)出m序列的當(dāng)前估值，將當(dāng)前估值劃分成每11個碼 片為一組的互不重合的狀態(tài)估計向量，當(dāng)達(dá)到迭代終止條件后，統(tǒng)計歷次迭代中 出現(xiàn)次數(shù)最多的狀態(tài)向量，及其在序列中出現(xiàn)的相對位置，將該狀態(tài)向量送入偽
6碼發(fā)生器，恢復(fù)出當(dāng)前時刻的m序列，將恢復(fù)出的m序列與接收信號進(jìn)行相關(guān) 處理就可以判斷是否實(shí)現(xiàn)了對偽碼的正確捕獲。
基于IMPA的偽碼捕獲方法在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和捕獲時間上都取得了較好的性 能，現(xiàn)有的理論分析和仿真表明這種方法具有較低的復(fù)雜度，但是卻有著接近全 并行的捕獲速度。這種特性使得對長偽碼的快速捕獲成為現(xiàn)實(shí)。
現(xiàn)有的方法只利用了一個碼片的單點(diǎn)采樣，它更適用于脈沖較窄的超寬帶系 統(tǒng)，而對于大部分直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，每個碼片內(nèi)含有豐富的采樣點(diǎn)，如果一個 碼片還是采用一個采樣點(diǎn)，將無法取得可靠的迭代初始信息，因而制約了這種迭 代捕獲方法的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，能取得可靠的迭代初 始信息，能提高基于IMPA偽碼快速捕獲方法性能的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕 獲裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的構(gòu)成主要包括A/D采樣模塊， 載波解調(diào)模塊，最大似然定時估計模塊，多采樣算術(shù)均值合成模塊，迭代消息傳 遞模塊和捕獲判決模塊。A/D采樣模塊采樣信號經(jīng)過載波解調(diào)結(jié)構(gòu)解調(diào)后被送入 最大似然定時估計器，最大似然估計器產(chǎn)生對碼片定時誤差進(jìn)行定時估計、并根 據(jù)定時估結(jié)果形成對多采樣算術(shù)均值結(jié)構(gòu)的開啟控制信號，當(dāng)多采樣算術(shù)均值模 塊收到開啟信號后開始工作，形成M個碼片觀測量，構(gòu)成一個觀測模塊數(shù)據(jù)， 模塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，被送入迭代消息傳遞模塊，迭代消息傳遞模塊執(zhí)行迭代消息 傳遞運(yùn)算、產(chǎn)生偽碼序列的狀態(tài)向量并將其送入捕獲判決模塊，捕獲判決模塊根 據(jù)狀態(tài)向量恢復(fù)本地序列，與接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，判決捕獲是否成功。
本發(fā)明的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置還可以包括
1、所述的最大似然定時估計模塊的構(gòu)成為四個并行支路、 一個最大值判
決器和一個采樣啟動脈沖合成結(jié)構(gòu)，其中每個支路中還含有積分起始時刻可調(diào)的
積分器、平方單元和累加器；信號進(jìn)入最大似然估計模塊后，分為四個支路，每 個支路中的積分器按照自己定義的積分區(qū)間分別形成不同的積分結(jié)果，對積分結(jié) 果執(zhí)行平方運(yùn)算后送給累加器，當(dāng)四個累加器都達(dá)到一定的累加次數(shù)后，結(jié)果送給最大值判決器形成一次最大值判決，得到對參數(shù)的第一次估計，作出第一次估 計后，各支路的積分器根據(jù)估計結(jié)果調(diào)整一次積分區(qū)間，開始新一輪的運(yùn)算，直 到產(chǎn)生新的估計值。
2、所述的捕獲判決模塊中包括一種m序列發(fā)生裝置，該序列發(fā)生裝置由兩 個互為鏡像的m序列發(fā)生器，存儲器和序列合成器組成；這里所謂互為鏡像是
指對于任何一個m序列生成多項式g(D)，都有其對應(yīng)的生成多項式
g^(Z))二Z)、g(l)與之對應(yīng)，它們能夠產(chǎn)生順序完全相反的m序列，即鏡像序
列；狀態(tài)向量完成對兩個互為鏡像的m序列發(fā)生器初始化，然后m序列發(fā)生器 分別按照兩個方向產(chǎn)生m序列，兩個方向m序列產(chǎn)生的長度由狀態(tài)向量在序列 中的位置決定，最后合成器按照一定的規(guī)則合成固定長度的m序列。
本發(fā)明的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的捕獲方法為
步驟一獲取迭代初始信息
(1) 獲取優(yōu)化的初始信息，
首先，對接收到的直接序列擴(kuò)頻信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為擴(kuò)頻碼速率的iV
倍，每采樣iV個點(diǎn)以后求其算術(shù)均值，形成觀測量《，根據(jù)觀測量形成優(yōu)化后
的迭代初始信息A^=^^《,0^A^M-1;其中A為碼片能量，0"2為噪聲
cr方差。
(2) 用最大似然估計法消除碼片定時誤差的影響，
首先接收信號，其連續(xù)形式為KO = ^("" + "(0，式中C("r)為有用
信號，可以表示為= i戶P(,-(A-1)7^7)，其中A為碼片能量
Xf0或1為第A:個碼片的值，p(卜0t-l)r-r)表示基本的脈沖波形，此處為矩
形，r表示波延遲，其范圍為o r, r表示碼片寬度，n(o為噪聲，其功率譜密
度為iV。，《表示估計器的數(shù)據(jù)記憶長度。
其次，最大似然估計器計算接收信號的平均對數(shù)似然函數(shù)
X^)-I^(A(r))2;其中經(jīng)過簡化后的^(" = ^f KW,。
最后，在r的取值范圍0 r內(nèi)求使X,(r)取最大值的r，該值便是對定時誤差的估計值，利用它可以消除碼片定時誤差對初始信息的影響。 步驟二迭代消息傳遞
(1) 取迭代初始信息A^，并對變量更新A^,與校驗更新Ai^賦初值，即
執(zhí)行Aw^ <~ AS7; ， A""仨0 ;
(2) 消息更新
I、 對校驗節(jié)點(diǎn)執(zhí)行校驗消息更新I! sign(A//。,> min |A// ,|，
'J二， ' '1
其中A;/w在第1次迭代中由初始化決定，在第6次a>2)迭代中由第A-1次迭 代形成的A/7"，i以及An',決定；
II、 對變量節(jié)點(diǎn)執(zhí)行變量消息更新S △// ,,，其中A仏,在第
"力
1次迭代中由初始化決定，在第A次U》2)迭代中由第A-1次迭代形成的A/^ 決定；
(3) 、形成軟信息的度量
對所有的校驗節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行完一次消息更新后就完成了一次迭代，形成軟信息 的度量^^=&/,+ J] △;/ ,,;
(4) 、統(tǒng)計與判決
根據(jù)A^的符號可以對碼片作出判決，艮P:
't。， > 0
根據(jù)判決結(jié)果即可恢復(fù)出m序列的當(dāng)前估值，將當(dāng)前估值劃分成每r個碼 片為一組的互不重合的狀態(tài)估計向量、其中r為碼片級數(shù)，將這些向量存入存儲 器中，重新執(zhí)行(2)、 (3)、 (4)步的消息傳遞過程，當(dāng)達(dá)到迭代終止條件后， 根據(jù)向量存儲器中的存儲結(jié)果，統(tǒng)計歷次迭代中出現(xiàn)次數(shù)最多的狀態(tài)向量，及其 在序列中出現(xiàn)的相對位置；
步驟三迭代捕獲判決
根據(jù)步驟二中形成的狀態(tài)向量及其在序列中出現(xiàn)的相對位置，恢復(fù)出當(dāng)前時 刻的m序列，當(dāng)恢復(fù)出m序列后，將恢復(fù)出的m序列與當(dāng)前觀測信息進(jìn)行相關(guān) 運(yùn)算，并將產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果與設(shè)定的判決門限進(jìn)行比較，如果超過門限則判為捕獲成功，如果低于判決門限則判為未捕獲；
如果捕獲成功則偽碼捕獲終止，如果捕獲不成功則需繼續(xù)進(jìn)行迭代捕獲，即 返回到步驟一，進(jìn)行符號定時估計，重新獲取迭代初始信息，執(zhí)行新的迭代消息 傳遞，并進(jìn)行新的迭代捕獲判決。
下面說明本發(fā)明捕獲方法的性能，即捕獲概率與捕獲時間。其性能改進(jìn)通過 與傳統(tǒng)捕獲方法和未經(jīng)信息優(yōu)化的迭代捕獲方法比較來說明。
圖IO給出了這種迭代捕獲方法的捕獲概率曲線，從捕獲概率仿真曲線中可 以看到
(1) 與未經(jīng)信息優(yōu)化的迭代捕獲方法相比，經(jīng)過信息優(yōu)化后的迭代捕獲方 法有了很大的性能改善，從圖中可看到經(jīng)過信息優(yōu)化后捕獲方法可以工作在更低 的信噪比下，仿真結(jié)果顯示性能改進(jìn)約8dB;
(2) 經(jīng)過信息優(yōu)化后的迭代偽碼捕獲方法其捕獲性能接近于傳統(tǒng)的滑動捕 獲方法，從圖中可以看到經(jīng)過信息優(yōu)化后的捕獲方法性能略低于傳統(tǒng)的捕獲方 法，其中一部分原因受制于定時估計器在低信噪比下的估計性能。
圖11給出了這種迭代捕獲方法的捕獲時間曲線，從捕獲時間的仿真曲線可 以看到
(1) 與未經(jīng)信息優(yōu)化的迭代捕獲時間相比，信息優(yōu)化后的迭代捕獲方法明 顯的縮短了捕獲時間，這主要是因為信息優(yōu)化提高了單模塊的捕獲概率，從而使 正確捕獲所需的總的模塊數(shù)量有所減少，降低了捕獲時間，從圖中可以明顯的看 到，在低信噪比條件下，未經(jīng)優(yōu)化的迭代捕獲方法時間迅速增加，很快會超過傳 統(tǒng)的滑動捕獲方法，而經(jīng)過信息優(yōu)化后的迭代捕獲方法，其捕獲速度明顯提高， 在很低的信噪比下，如-20dB捕獲時間尚遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的滑動捕獲方法，優(yōu)勢明顯。
(2) 與傳統(tǒng)的捕獲方法相比，經(jīng)信息優(yōu)化后的迭代捕獲方法在捕獲時間大 大的短于傳統(tǒng)的捕獲方法，從圖中看到，對于ll級的m序列，兩種捕獲方法存 在數(shù)量級上的差別，傳統(tǒng)的捕獲方法需要數(shù)十秒以上才能實(shí)現(xiàn)可靠的捕獲，而在 不低于-20dB的信噪比條件下，經(jīng)過信息優(yōu)化后的迭代捕獲方法可以在10秒之 內(nèi)完成捕獲，在稍高的信噪比條件下完全訂以將捕獲時間縮短到1秒之內(nèi)。值得 注意的是，迭代捕獲方法的捕獲時間與m序列的級數(shù)沒有關(guān)系，這意味著，對 于更長的m序列，其捕獲速度的優(yōu)勢將更加明顯。這是迭代捕獲方法之所以被
10研究的主要目的，它使得對長PN碼的快速捕獲成為可能。
本發(fā)明根據(jù)以上步驟形成了基于信息優(yōu)化的迭代捕獲方法的迭代偽碼捕獲 結(jié)構(gòu)，示于圖3。
(四)


圖1是基于迭代消息傳遞的偽碼捕獲方法的基本原理圖。
圖2是11級m序列的因子圖結(jié)構(gòu)。
圖3基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲結(jié)構(gòu)。
圖4降低硬件復(fù)雜度的最大似然定時估計結(jié)構(gòu)。
圖5有限長度m序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖。
圖6是優(yōu)化前后互信息量的對比曲線。
圖7是碼片定時誤差對觀測量的影響示意圖。
圖8是碼片定時誤差對互信息量的影響曲線。
圖9-a和圖9-b是定時估計器的參數(shù)估計效果。
圖IO是幾種捕獲方法的捕獲概率曲線。
圖11是幾種捕獲方法的捕獲時間曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
結(jié)合圖3，基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置結(jié)構(gòu)組成包括A/D采樣模塊1， 載波解調(diào)模塊2，最大似然定時估計模塊3，多采樣算術(shù)均值合成模塊4，迭代 消息傳遞模塊5和捕獲判決模塊6 。捕獲過程開始后，采樣信號經(jīng)過載波解調(diào) 被送入最大似然定時估計器，最大似然估計器產(chǎn)生對碼片定時誤差的定時估計， 并根據(jù)定時估計結(jié)果形成對多采樣算術(shù)均值結(jié)構(gòu)的開啟控制信號；當(dāng)多采樣算術(shù) 均值結(jié)構(gòu)收到開啟信號后開始工作，形成M個碼片觀測量，構(gòu)成一個觀測模塊 的數(shù)據(jù)；模塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，被送入迭代消息傳遞結(jié)構(gòu)；迭代消息傳遞結(jié)構(gòu)執(zhí)行 迭代消息傳遞運(yùn)算，產(chǎn)生偽碼序列的狀態(tài)向量；捕獲判決結(jié)構(gòu)根據(jù)狀態(tài)向量恢復(fù) 本地序列，與接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，判決捕獲是否成功。
本發(fā)明基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的構(gòu)成還包括一種最大似然定時 估計器，該估計器能夠以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)較高的定時估計精度。如圖4，其構(gòu)成為四個并行支路， 一個最大值判決器和一個采樣啟動脈沖合成結(jié)構(gòu)，其中每
個支路中還含有積分起始時刻可調(diào)的積分器，平方單元，累加器。信號進(jìn)入最大
似然估計器后，分為四個支路，每個支路中的積分器按照自己定義的積分區(qū)間分
別形成不同的積分結(jié)果；對積分結(jié)果執(zhí)行平方運(yùn)算后送給累加器；當(dāng)四個累加器
都達(dá)到一定的累加次數(shù)后，結(jié)果送給最大值判決器形成一次最大值判決，從而得
到對參數(shù)的第一次估計；當(dāng)作出第一次估計后，各支路的積分器根據(jù)估計結(jié)果調(diào)
整一次積分區(qū)間，開始新一輪的運(yùn)算，直到產(chǎn)生新的估計值，這樣可以在較低的
硬件復(fù)雜度下獲得1/16的定時估計精度。
本發(fā)明基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的構(gòu)成中的捕獲判決模塊還包括
一種m序列發(fā)生裝置，該裝置可以在給定狀態(tài)向量及其在序列中相對位置的情
形下恢復(fù)出局部長度的m序列。如圖5，該裝置由兩個互為鏡像的m序列發(fā)生
器，存儲器和序列合成器組成。狀態(tài)向量完成對兩個互為鏡像的m序列發(fā)生器
初始化，然后m序列發(fā)生器分別按照兩個方向產(chǎn)生m序列，兩個方向m序列產(chǎn)
生的長度由狀態(tài)向量在序列中的位置決定，最后合成器按照一定的規(guī)則合成固定
長度的m序列。
各模塊的構(gòu)成及功能如下-
模塊一A/D采樣模塊
A7D采樣模塊接收數(shù)字?jǐn)U頻接收機(jī)接收到的信號，產(chǎn)生倍于偽碼速率的 采樣數(shù)據(jù)。
模塊二相干載波解調(diào)模塊
相干載波解調(diào)模塊接收A/D采樣信號，產(chǎn)生兩路基帶信號。 該模塊包括載波發(fā)生器，乘法器，低通濾波器。
執(zhí)行過程中，采樣信號被分為兩路，分別與載波發(fā)生器產(chǎn)生的本地載波進(jìn)行 相乘，得到的信號經(jīng)過低通濾波器后得到基帶信號。
模塊三最大似然定時估計模塊
最大似然定時估計模塊接收一路基帶信號，最終產(chǎn)生一個采樣啟動脈沖。 最大似然定時估計模塊中含有四個并行支路，一個最大值判決器和一個控制 采樣啟動脈沖合成的邏輯結(jié)構(gòu)。其中每個支路中含有積分起始時刻可調(diào)的積分
器，平方器，累加器；脈沖合成邏輯是一個可控的時間延遲單元。信號在裝置中的處理過程如下
1、 基帶信號被分成四個并行的支路；
2、 對于每一個支路，信號按照積分器規(guī)定的積分開始時刻進(jìn)行積分，積分時間 是一個碼片周期，其中積分起始時刻由待估計的參數(shù)的可能取值范圍決定。
例如，待估計的參數(shù)r的取值范圍是o r，四個支路的積分起始時刻可以
分別定為L / +丕、,+工、"^;
4 2 4
3、 積分結(jié)束后，積分結(jié)果被送入平方器，積分器清零并開始新的積分；
4、 平方結(jié)束后，平方值送入累加器，累加器不斷接收l、 2、 3步產(chǎn)生的平方值， 直到《次累加后形成最終的累加值；
5、 當(dāng)形成四個支路的累加值后，累加值被送入最值選擇器，進(jìn)行最大值判決， 通過最值比較器來確定r的初步估值。例如，如果第一支路出現(xiàn)最值，則初
步判斷r值為^;
4
6、 第一次執(zhí)行完步驟5后，得到關(guān)于r的1/4精度的估計值，根據(jù)估值結(jié)果改變 積分器的起始時刻后重復(fù)2、 3、 4、 5中的步驟。例如，如果2步中得到初始
判斷7 = 二則四個并行支路的積分起始時刻分別變?yōu)?^、 "^、 "^、 4 4 16 8
f + ZI; 2、 3、 4、 5步相同，直到第二次形成r的估值f; 16
7、 當(dāng)?shù)诙喂乐低瓿珊?，利用脈沖合成邏輯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個采樣啟動脈沖，該脈 沖用來控制多采樣算術(shù)均值合成結(jié)構(gòu)的啟動時刻。例如，如果第二次估值結(jié)
束后得到？ = 二，那么脈沖合成邏輯在延遲時間A:r-f (A21)后產(chǎn)生一個脈 16 16沖。
模塊四迭代初始信息形成模塊
迭代初始信息形成模塊接收一路解調(diào)后的基帶信號，形成M個迭代初始信息。
迭代初始信息形成模塊包括采樣累加器，除法器，存儲器。
最大似然定時估計產(chǎn)生的采樣啟動脈沖啟動迭代初始信息單元的工作；累加 器開始對基帶信號的采樣進(jìn)行累加，每累加一個碼片長度的時間，形成一個累加 結(jié)果；累加結(jié)果送入除法器執(zhí)行除法運(yùn)算，同時累加器清零，重復(fù)原來的累加工
13作；除法結(jié)果送入存儲器，直到產(chǎn)生M個值，形成一個數(shù)據(jù)模塊。該數(shù)據(jù)模塊
含M個迭代初始信息。
模塊五迭代消息傳遞模塊
迭代消息傳遞模塊讀取M個迭代初始信息，產(chǎn)生一個m序列的狀態(tài)向量，
及其位置信息。
迭代消息傳遞模塊包括的主要結(jié)構(gòu)有對于每一個校驗節(jié)點(diǎn)，都含有一個校 驗更新單元；對于每一個變量節(jié)點(diǎn)都含有一個變量更新單元；對于所有的校驗節(jié) 點(diǎn)都含有若干個校驗更新消息的存儲單元；對于所有的變量節(jié)點(diǎn)都含有若干個存 儲單元與其對應(yīng)。
另外，迭代消息傳遞模塊還包括以下結(jié)構(gòu)對于所有的變量點(diǎn)的軟信息度量
形成單元，中間結(jié)果判決存儲單元，統(tǒng)計判決單元。
對于任意一個校驗節(jié)點(diǎn)的校驗更新單元，根據(jù)式
ff sign(A// ,> min lA^,l進(jìn)行更新，它主要包括以下結(jié)構(gòu)求各輸入
數(shù)據(jù)絕對值中的最小值；求各輸入數(shù)據(jù)符號值的乘積；將各最小值與符號值合成 為新數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。
對于任意一個變量節(jié)點(diǎn)的變量更新單元，根據(jù)式^",,;=&/,+ Z △/; ,,進(jìn)
"力
行更新，它的主要功能就是執(zhí)行求和計算。
數(shù)據(jù)存儲單元用來存儲校驗更新與變量更新產(chǎn)生的中間值，它可由雙口
RAM來實(shí)現(xiàn)，用來完成數(shù)據(jù)的存取和地址的映射。
對于任意一個變量節(jié)點(diǎn)的軟信息度量形成單元，根據(jù)式
△",j=A4+ Z At7 ,,，它的主要功能是執(zhí)行該式定^C的求和運(yùn)算。
對于任意一個變量節(jié)點(diǎn)的中間結(jié)果存儲單元，存儲每次迭代結(jié)束后判定的當(dāng) 前碼元值。
統(tǒng)計判決單元是一個二維搜索比較器。迭代結(jié)束后將中間存儲單元存儲的結(jié) 果按碼片級數(shù)分組比較，例如，如果m序列是ll級，則形成每ll個碼片為一 組的狀態(tài)向量。首先對于每一組存儲值，執(zhí)行縱向的比較，搜索出現(xiàn)次數(shù)最多的 那一個向量及其出現(xiàn)的次數(shù)；接下來執(zhí)行橫向比較，統(tǒng)計縱向比較中出現(xiàn)的最大值中的最大值，并記住其位置。這樣最終形成的最大值的位置所對應(yīng)的狀態(tài)向量 就是要尋找的狀態(tài)向量，其位置為要搜尋的狀態(tài)向量的位置。 模塊六迭代捕獲判決模塊
迭代捕獲判決模塊接收狀態(tài)向量及其位置，讀取迭代初始信息存儲的初始信 息，產(chǎn)生相關(guān)峰值，及捕獲判決信號。
迭代捕獲模塊包括前后向偽碼發(fā)生器，相關(guān)累加器，平方器，求和器，門 限判決單元，邏輯控制單元。
其中，前后向偽碼發(fā)生器，輸入信號為狀態(tài)向量及狀態(tài)向量在序列中的位置。 前后向偽碼發(fā)生器包括兩個互為鏡像的m序列發(fā)生器，m序列存儲器，序 列合成器。
互為鏡像的m序列發(fā)生器根據(jù)狀態(tài)向量分別產(chǎn)生兩個方向m序列，存儲在 存儲器中，序列合成器根據(jù)狀態(tài)向量在序列中的位置將兩個方向的序列合成為一 個序列，得到的結(jié)果為恢復(fù)出的m序列。
恢復(fù)出的m序列與結(jié)構(gòu)四中存儲的迭代初始消息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將結(jié)果送 入平方單元，然后求和，求和結(jié)果與判決門限進(jìn)行比較，如果超過門限則判為捕 獲，如果低于判決門限則沒有捕獲。
邏輯控制單元，受到捕獲判決結(jié)果的控制，產(chǎn)生捕獲指示信號和邏輯控制信號。
在沒有捕獲到信號的情況下，邏輯控制單元產(chǎn)生邏輯控制信號 一方面它控
制迭代消息傳遞模塊，繼續(xù)從初始信息形成模塊中獲取迭代初始信息，并對新的
數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行迭代消息傳遞和捕獲判決；另一方面，它對捕獲模塊的數(shù)量進(jìn)行監(jiān) 控，如果達(dá)到設(shè)定的模塊后，還未捕獲到信號，則有理由認(rèn)為最大似然估計模塊 出現(xiàn)了定時偏差，此時邏輯控制單元產(chǎn)生一路控制信號，該控制信號允許最大似 然定時估計器產(chǎn)生新的采樣啟動脈沖，以對迭代信息形成模塊的采樣累加時刻作 出新的調(diào)整。
一般情況下，經(jīng)過多個數(shù)據(jù)模塊后，都會出現(xiàn)超過設(shè)定門限的相關(guān)峰值，此 時，邏輯控制單元產(chǎn)生捕獲指示信號，捕獲成功。
本發(fā)明基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的捕獲方法主要包括以下幾個步
驟步驟一迭代初始信息的獲取
迭代初始消息是整個迭代過程的基礎(chǔ)，它的可靠性直接決定了迭代捕獲性能
的好壞。下面對其獲取方式進(jìn)行描述
(1)獲取優(yōu)化的初始信息
首先，對接收到的直接序列擴(kuò)頻信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為擴(kuò)頻碼速率的iV
倍，每采樣iV個點(diǎn)以后求其算術(shù)均值，形成觀測量-
其中，&=0或1，為第&時刻的碼片值，《是均值為o方差為一的白噪聲采樣
值，《是載波相位偏移，即當(dāng)?shù)剌d波與接收信號間載波的相位差，討論偽碼捕獲
時，常假設(shè)載波相位對齊，即假設(shè)《=0; A是碼片能量， 一般設(shè)為定值。
根據(jù)觀測量可以形成優(yōu)化后的迭代初始信息
A5/4 =~^z:,0^"M-1 (2)
相對于單點(diǎn)采樣情形，這個迭代初始信息有了顯著改善，下面給予說明。
根據(jù)信息理論，為了說明信息得到的改善只需計算迭代初始信息A5/A與x^
間的互信息量
/(x, 4)=丄x r & (《i義=;c) x i。g2 —2 (《1義_"—
/2)2/2《〕
=1—J^^~~log2(l+e-"d《 (3)
oi分別表示迭代初始信息的均值與方差，ffi過計算機(jī)仿真可以得到
優(yōu)化前后平均互信息量的對比曲線，示于圖6?？梢钥吹?，優(yōu)化后平均互信息量 顯著的大于優(yōu)化前的平均互信息量，且平均互信息量的值隨著樣本點(diǎn)數(shù)iV的增 加而增加。根據(jù)平均互信息量的定義可以知道，經(jīng)算術(shù)均值優(yōu)化后的觀測量為作 出正確的碼片判決提供了更多的信息，仿真結(jié)果還顯示這種優(yōu)化效果是顯著的， 因此可以期望從這種優(yōu)化中獲取較大的性能增益。 (2)最大似然估計法消除碼片定時誤差的影響
通過多點(diǎn)采樣的算術(shù)均值對初始信息進(jìn)行優(yōu)化可以提供更優(yōu)的迭代初始信息，但是如圖7所示，由于受到波形延遲的影響，不能確定一個碼片的采樣起始 時刻，使得迭代初始信息受定時誤差的影響較為嚴(yán)重，定時誤差對互信息的影響 示于圖5。圖中可以看到，由于碼片定時誤差的影響，使得觀測量提供給初始信 息的平均信息量減少，極端情況下^ = 0.5，對于整周期m序列而言，這種觀測 量提供的信息量只有正常情形下的一半，這對迭代捕獲是極為不利，必需對其進(jìn) 行消除，消除方法是在進(jìn)行多點(diǎn)采樣的算術(shù)均值操作之前先進(jìn)行最大似然定時估 計，最大似然估計的步驟表述如下。
首先接收信號，其連續(xù)形式為
= + (4)
式中，^(,，r)為有用信號，可以表示為-
" = U !廣W — (" l)T - " ( 5 )
其中，xf 0或1，為第A:個碼片的值，p(,-(A:-l)r-r)表示基本的脈沖波
形，此處為矩形，T表示波延遲，其范圍為o r， r表示碼片寬度，"(r)為噪聲，
其功率譜密度為iV。，《表示估計器的數(shù)據(jù)記憶長度。
其次，最大似然估計器計算接收信號的平均似然比。因m序列等概率分 布，根據(jù)下式，可得接收信號對數(shù)形式平均似然比
— 《-1
、(T) = |>[C0Sh(C/zt(")] (6)
"0
式中，C/Ur) = A [、(0;^-* —IF —r)必，因直接擴(kuò)頻系統(tǒng)中；7(卜(A:-l)r-r) iV。 *
表示矩形脈沖時，c/^("變?yōu)?br> 4(0 = ^"^ 「 K，
7V。 J^-r
又由于式(6)為復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)，可以作如下近似
丄^,(卜| 1),適合于低信噪比
(7)
In cosh x
2
x|，(|jc| 1)，適合于高信噪比
(8)
這樣根據(jù)式(7)、 (8)可以得到式(6)中平均似然比的簡化表示:
17— "1 1
這種方法容易用簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
最后，在r的取值范圍0-r內(nèi)求使;^0")取最大值的r，該值便是對定時 誤差的估計值，利用它可以消除碼片定時誤差對初始信息的影響。
以上實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下，由于要估計的r值取值范圍是o r,因此可以 將r進(jìn)行離散化，即取o-:r之間的w個值，分別帶入(9)式執(zhí)行該式規(guī)定的步
驟，得到iv個Xj"值，這w個值對應(yīng)了 w個并行的運(yùn)算支路。從tV個平均似
然比Xjr)中選擇最大的一個，并選擇其對應(yīng)的離散r值作為r估計值。
為了降低定時估計的硬件復(fù)雜度，本發(fā)明形成圖4所示的最大似然定時估計 結(jié)構(gòu)。該定時估計結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中只有4個并行支路，工作時它首先完成 1/4精度的初步估計，估計結(jié)束后得到關(guān)于估計量的一個1/4精度的粗略值，然 后根據(jù)該粗略值同時改變4個支路的積分區(qū)間，再進(jìn)行新一輪估計，此時的估計 精度是原有估計精度的1/4 ，即得到1/16的估計精度。這樣在不增加硬件規(guī)模 的基礎(chǔ)上提高了參數(shù)估計的精度。
圖9給出了在給定最大似然估計的記憶長度后，在信噪比為-18dB時對偽碼 序列的估計效果，(a)圖中為一個典型的捕獲結(jié)果，可見在較低的信噪比下，基 本上能夠?qū)崿F(xiàn)正確的參數(shù)估計，圖(b)給出的是多次參數(shù)估計平均效果，可見 多次估計中能夠得到較為準(zhǔn)確的定時估計。 步驟二迭代消息的傳遞
迭代消息傳遞基本上按照以下幾個步驟執(zhí)行-
(1) 取迭代初始信息A^，并對變量更新A^,與校驗更新A"^賦初值，即執(zhí)行
(2) 消息更新
I、對所有的校驗節(jié)點(diǎn)執(zhí)行迭代消息更新-
△""= EI sign(Oj^ | | (I0)
v":c"—~ .二 J
rt一
其中AAw在第1次迭代中由初始化決定，在第A:次a》2)迭代中由第hl次迭代形成的△ / ，,以及A^決定；
II、對所有的變量節(jié)點(diǎn)執(zhí)行變量消息更新-
= As( + Z (11)
其中a/^在第i次迭代中由初始化決定，在第a次a>2)迭代中由第^-i次迭
代形成的A/^.決定。
(3) 、形成軟信息的度量
對所有的校驗節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行完一次消息更新后就完成了一次迭代，此時形成軟 信息的度量-
Aso, =As/,. + Z A 7 ,, (12)
(4) 、統(tǒng)計與判決
根據(jù)A50,的符號，可以對當(dāng)前碼片作出判決，艮P:
fl，Aso,0 , 、
jc," ' 0S"M-1 (13)
L0,Aso, > 0
根據(jù)判決結(jié)果即可恢復(fù)出m序列的當(dāng)前估值，將當(dāng)前估值劃分成每r個(r為碼
片級數(shù))碼片為一組的互不重合的狀態(tài)估計向量，將這些向量存入存儲器中，重
新執(zhí)行(2)、 (3)、 (4)步定義的消息傳遞過程。當(dāng)達(dá)到迭代終止條件后，根據(jù)
向量存儲器中的存儲結(jié)果，統(tǒng)計歷次迭代中出現(xiàn)次數(shù)最多的狀態(tài)向量，及其在序
列中出現(xiàn)的相對位置。
步驟三迭代捕獲判決
根據(jù)步驟二中形成的狀態(tài)向量及其在序列中出現(xiàn)的相對位置，可以恢復(fù)出當(dāng)
前時刻的m序列。當(dāng)恢復(fù)出m序列后，將恢復(fù)出的m序列與當(dāng)前觀測信息進(jìn)行
相關(guān)運(yùn)算，并將產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果與設(shè)定的判決門限進(jìn)行比較，如果超過門限則判
為捕獲成功，如果低于判決門限則判為未捕獲。如果捕獲成功則偽碼捕獲終止，
如果捕獲不成功則需繼續(xù)進(jìn)行迭代捕獲，即返回到步驟一，進(jìn)行符號定時估計，
重新獲取迭代初始信息，執(zhí)行新的迭代消息傳遞，并進(jìn)行新的迭代捕獲判決。
每重復(fù)一次步驟一和步驟二便對一個新的數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行處理，在信噪比較低 的情況下要經(jīng)過多個數(shù)據(jù)模塊后才能捕獲到正確的偽碼相位。捕獲模塊的個數(shù)決 定了捕獲時間的大小，捕獲時間隨著信噪比的降低而延長。
權(quán)利要求
1、一種基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置，其特征是其構(gòu)成主要包括A/D采樣模塊、載波解調(diào)模塊、最大似然定時估計模塊、多采樣算術(shù)均值合成模塊、迭代消息傳遞模塊和捕獲判決模塊，A/D采樣模塊采集的采樣信號經(jīng)過載波解調(diào)結(jié)構(gòu)解調(diào)后被送入最大似然定時估計器，最大似然估計器產(chǎn)生對碼片定時誤差進(jìn)行定時估計、并根據(jù)定時估結(jié)果形成對多采樣算術(shù)均值結(jié)構(gòu)的開啟控制信號，當(dāng)多采樣算術(shù)均值模塊收到開啟信號后開始工作，形成M個碼片觀測量，構(gòu)成一個觀測模塊數(shù)據(jù)，模塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，被送入迭代消息傳遞模塊，迭代消息傳遞模塊執(zhí)行迭代消息傳遞運(yùn)算、產(chǎn)生偽碼序列的狀態(tài)向量送入捕獲判決模塊，捕獲判決模塊根據(jù)狀態(tài)向量恢復(fù)本地序列，與接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，判決捕獲是否成功。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置，其特征是 所述的最大似然定時估計模塊的構(gòu)成為四個并行支路、 一個最大值判決器和 一個采樣啟動脈沖合成結(jié)構(gòu)，其中每個支路中還含有積分起始時刻可調(diào)的積分 器、平方單元和累加器；信號進(jìn)入最大似然估計器后，分為四個支路，每個支 路中的積分器按照自己定義的積分區(qū)間分別形成不同的積分結(jié)果，對積分結(jié)果 執(zhí)行平方運(yùn)算后送給累加器，當(dāng)四個累加器都達(dá)到一定的累加次數(shù)后，結(jié)果送 給最大值判決器形成一次最大值判決，得到對參數(shù)的第一次估計，做出第一次 估計后，各支路的積分器根據(jù)估計結(jié)果調(diào)整一次積分區(qū)間，開始新一輪的運(yùn)算，直到產(chǎn)生新的估計值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置，其特征是所述及的捕獲判決模塊中包括一種m序列發(fā)生裝置，該序列發(fā)生裝置由兩個互 為鏡像的m序列發(fā)生器，存儲器和序列合成器組成；狀態(tài)向量對兩個互為鏡像 的m序列發(fā)生器初始化，然后m序列發(fā)生器分別按照兩個方向產(chǎn)生m序列， 兩個方向m序列產(chǎn)生的長度由狀態(tài)向量在序列中的位置決定，最后合成器按照 一定的規(guī)則合成固定長度的m序列。
4、 一種基于權(quán)利要求1的基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置的捕獲方法， 其特征是步驟一獲取迭代初始信息(1) 獲取優(yōu)化的初始信息，首先，對接收到的直接序列擴(kuò)頻信號進(jìn)行釆樣，采樣頻率為擴(kuò)頻碼速率的W倍，每采樣iV個點(diǎn)以后求其算術(shù)均值，形成觀測量《，根據(jù)觀測量形成優(yōu)化后的迭代初始信息A^=^^《,0S^:^M-1;其中^為碼片能量，0"2為噪聲方差，M是待處理序列的長度，稱其為一個數(shù)據(jù)模塊；(2) 用最大似然估計法消除碼片定時誤差的影響，首先接收信號，其連續(xù)形式為r(0 = ^( ) + "(0，式中"""為有 用信號，可表示為^G，r) = §7^(-l廣p(f-l)r-"，其中fO或l，為 第A個碼片的值，A為碼片能量，； (卜(A:-r)表示基本的脈沖波形，此處為矩形，r表示波延遲，取值范圍為o r， r表示碼片寬度；"(o為噪聲，設(shè)其功率譜密度為7V。； /C表示估計器的數(shù)據(jù)記憶長度；其次，經(jīng)過線性簡化后，最大似然估計器計算接收信號的平均對數(shù)似然函數(shù)- &(" = |^(4(")2;其中經(jīng)過簡化后的"》 =辱￡:最后，在r的取值范圍0 r內(nèi)求使、(f)取最大值的r，該值便是對定時 誤差的估計值，利用它可以消除碼片定時誤差對初始信息的影響；步驟二傳遞迭代消息(1) 取迭代初始信息A^，并對變量更新值A(chǔ)^,與校驗更新值A(chǔ)M^.賦初值，即執(zhí)行<~ As/, ， △ "j , <~ 0 ;(2) 消息更新I 、對校驗節(jié)點(diǎn)執(zhí)行校驗消息更新A^,= n sign(A;/"). min |A/i ,;| ，其中A/^在第1次迭代中由初始化決定，在第A:次U>2)迭代中由第A-1次 迭代形成的A/7 ,,以及A^決定；II、對所有的變量節(jié)點(diǎn)執(zhí)行變量消息更新<formula>formula see original document page 4</formula>, 其中w〃a^在第i次迭代中由初始化決定，在第a次a>2)迭代中由第a-i次迭代形成的A/^決定；(3) 、形成軟信息的度量對所有的校驗節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行完一次消息更新后就完成了一次迭代，形成軟信 息的度量<formula>formula see original document page 4</formula>;(4) 、統(tǒng)計與判決根據(jù)A50,的符號對碼片作出判決，艮P:<formula>formula see original document page 4</formula>根據(jù)判決結(jié)果即可恢復(fù)出m序列的當(dāng)前估值，將當(dāng)前估值劃分成每r個碼 片為一組的互不重合的狀態(tài)估計向量，其中r為碼片級數(shù)，將這些向量存入存 儲器中，重新執(zhí)行(2)、 (3)、 (4)步的消息傳遞過程，當(dāng)達(dá)到迭代終止條件后， 根據(jù)向量存儲器中的存儲結(jié)果，統(tǒng)計歷次迭代中出現(xiàn)次數(shù)最多的狀態(tài)向量，及 其在序列中出現(xiàn)的相對位置；步驟三迭代捕獲判決根據(jù)步驟二中形成的狀態(tài)向量及其在序列中出現(xiàn)的相對位置，恢復(fù)出當(dāng)前 時刻的m序列，當(dāng)恢復(fù)出m序列后，將恢復(fù)出的m序列與當(dāng)前觀測信息進(jìn)行 相關(guān)運(yùn)算，并將產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果與設(shè)定的判決門限進(jìn)行比較，如果超過門限則 判為捕獲成功，如果低于判決門限則判為未捕獲；如果捕獲成功則偽碼捕獲終止，如果捕獲不成功則需繼續(xù)進(jìn)行迭代捕獲， 即返回到步驟一，進(jìn)行符號定時估計，重新獲取迭代初始信息，執(zhí)行新的迭代 消息傳遞，并進(jìn)行新的迭代捕獲判決。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于信息優(yōu)化的迭代偽碼捕獲裝置及捕獲方法。捕獲裝置由六個模塊構(gòu)成，A/D采樣模塊采集的信號經(jīng)過載波解調(diào)結(jié)構(gòu)解調(diào)后被送入最大似然定時估計器，最大似然估計器對碼片定時誤差進(jìn)行定時估計，并根據(jù)定時估結(jié)果形成對多采樣算術(shù)均值結(jié)構(gòu)的開啟控制信號，當(dāng)多采樣算術(shù)均值模塊收到開啟信號后開始工作，形成M個碼片觀測量，構(gòu)成一個觀測模塊數(shù)據(jù)，模塊數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，被送入迭代消息傳遞模塊，迭代消息傳遞模塊執(zhí)行迭代消息傳遞運(yùn)算，產(chǎn)生偽碼序列的狀態(tài)向量并將其送入捕獲判決模塊，捕獲判決模塊根據(jù)狀態(tài)向量恢復(fù)本地序列，與接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，判決捕獲是否成功。本發(fā)明能取得可靠的迭代初始信息、能提高基于IMPA偽碼快速捕獲方法性能。
文檔編號H04B1/707GK101425821SQ20081020969
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者徐定杰, 鋒 沈, 偉 王, 冰 薛, 蹤念科, 郝燕玲, 韋金辰, 平 黃 申請人:哈爾濱工程大學(xué)