專利名稱：用于直接序列擴頻測距系統(tǒng)信號時延估計方法與實現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信系統(tǒng)中的信號傳播時延的精確估計算法。確切的講，涉及直接序列擴頻測距系統(tǒng)中收、發(fā)偽碼的時延精確差部分的估計。屬于數(shù)字通信信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直接序列擴頻測距(簡稱直接擴頻測距)是利用測距偽隨機碼(簡稱偽碼)的相關(guān)特性實現(xiàn)無線電波空間傳播時間的測量。測距系統(tǒng)正向統(tǒng)一載波的數(shù)字化實現(xiàn)方向邁進。數(shù)字技術(shù)給測距系統(tǒng)帶來了諸多優(yōu)點，同時也給測距系統(tǒng)帶來了一個亟待解決的問題一信號的離散化導致測距系統(tǒng)中的偽碼跟蹤環(huán)的跟蹤精度惡化，嚴重影響測距的精度。造成上述問題的主要原因在于系統(tǒng)的采樣脈沖與信號的過零點不同步。而簡單實現(xiàn)其同步對具有多普勒頻移的信號來講，不具有長期通用性。實踐中，人們采用了各種技術(shù)方法試圖從其它方面消除或降低該問題對測距精度的影響。現(xiàn)已取得的成果主要有一，提高系統(tǒng)采樣速率以減小采樣的間隔為手段，實現(xiàn)信號空間傳輸時延的較精確估計。2002年，Quirk等人就采用該方案來改善偽碼跟蹤環(huán)的精度。但很快發(fā)現(xiàn)當系統(tǒng)的采樣率接近或者恰好等于碼片速率的整數(shù)倍(等量采樣)時，系統(tǒng)的性能會驟降。為此，又提出了采用非等量采樣技術(shù)(即采樣速率與偽碼周期不成整數(shù)比例關(guān)系。)以改善系統(tǒng)的跟蹤性能，取得了較好的效果。但基于非等量采樣技術(shù)的直擴測距方法并不能完全消除離散化帶來的相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的位置模糊問題(如圖1中線I與線2所示)。難以滿足人們對距離測量精度的要求。若再提升采樣速率，則對系統(tǒng)的后繼處理及其器件均提出了更高要求。二，從減小本地再生測距偽碼時鐘的抖動量入手，設(shè)計了采用窄帶提純環(huán)路對本地偽碼時鐘輸出進行提純，再與發(fā)測距偽碼時鐘比相，獲得二者的相位差，由時寬測量方法對該相位差進行測量，得到一個信號空間傳播時延的精估計值，并將其與以匹配濾波器技術(shù)獲取的信號時延粗估計值相鏈接，實現(xiàn)對問題解。該方法也在實踐中取得了良好效果，但測量系統(tǒng)復雜， 且基于計數(shù)器方式的時寬測量存在計數(shù)±1問題，難以滿足實際需要。三，有相關(guān)文獻報道了在直接擴頻測距系統(tǒng)中采用小波分析來估計信號時延的精確部分。它也是先對收信號與本地的具有固定相位差的多路偽碼做互相關(guān)，再進行小波變換，總后在全域內(nèi)找極大值獲取信號空間傳播時延信息的。該算法的復雜度高，運算量大。綜上所述，提出基于“最小二乘”算法直擴信號傳播時延精確部分的估計方法具有實際意義。在實踐中，我們對直擴測距系統(tǒng)的整體進行了長期研究，得出直擴測距系統(tǒng)中設(shè)計有各種信號成形濾波器，這些濾波器與自由空間一起構(gòu)成系統(tǒng)的廣義信道，它會對收發(fā)測距偽碼的相關(guān)函數(shù)產(chǎn)生影響，使相關(guān)函數(shù)的波形不再是偽碼的理想三角形特征(在一個周期內(nèi))。而是在相關(guān)函數(shù)的最大值附近應(yīng)具有二次函數(shù)曲線特征(如圖1中線2所示)。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的離散樣點，采用“最小二乘”算法進行過這些樣點的曲線擬合，通過擬合出的曲線，可找到這些離散的相關(guān)函數(shù)值點對應(yīng)的連續(xù)相關(guān)函數(shù)曲線的峰值位置，這個位置就對應(yīng)與連續(xù)直接擴頻測距信號相關(guān)時的峰值位置，從而彌補因離散化造成的離散相關(guān)峰與連續(xù)相關(guān)峰的偏移(又稱采樣模糊度問題)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決離散化引起的偽距測量模糊度問題(如圖1所示線3與線4峰值偏移)。問題的解決思路受系統(tǒng)信道濾波器影響，收、發(fā)測距偽碼的互相關(guān)函數(shù)在其最大值附近可近似為一條二次函數(shù)曲線特征(如圖1中線2所示)。因采樣脈沖位置的不確定性引起導致數(shù)字系統(tǒng)中存在采樣模糊問題。不考慮系統(tǒng)采樣器時延的情況下(注高速采樣器的時延非常小，可以不予考慮)，與測距系統(tǒng)中發(fā)、偽碼離散后的互相關(guān)函數(shù)值僅僅是對應(yīng)連續(xù)信號的相關(guān)函數(shù)的采樣。當采樣脈沖與接收偽碼信號的過零點重合時，離散相關(guān)函數(shù)的峰值與連續(xù)相關(guān)函數(shù)的峰值重合；當采樣脈沖與接收偽碼信號的過零點間存在τ偏移時，離散的相關(guān)函數(shù)值的峰值就與連續(xù)相關(guān)函數(shù)的峰偏移，其偏移量也是τ (如下圖1所示)。因此，基于擴頻測距系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)時，可以采用合理的方法來消除采樣模糊度的問題。根據(jù)上述這些特點，本發(fā)明提出了利用“最小二乘算法”擬合一條過五個離散相關(guān)函數(shù)值點的二次曲線，再通過該二次曲線的峰值對應(yīng)的時間坐標，確定采樣的不確定時間τ (即時延的精確值部分)。解決問題的步驟首先，將接收信號同時與具有固定相位差的本地五路偽碼相關(guān)，其中，相關(guān)運算的時間寬度為整數(shù)倍偽碼周期；其次，根據(jù)五個相關(guān)值擬合一條過這五點的二次曲線；最后，根據(jù)擬合曲線的峰值位置估計信號精確時延值。本發(fā)明具有如下顯著特點(1)本發(fā)明所述的方法可以解決直擴測距系統(tǒng)中信號離散化對時延估計值的影響。(2)本發(fā)明所述的方法與基于過采樣法或基于時寬測量法相比較，具有運算量低，時延估計的精度聞等優(yōu)點，且易于數(shù)字化實現(xiàn)。(3)本發(fā)明所述的方法與基于過采樣法或基于時寬測量法相比較，可節(jié)省大量的信號調(diào)理電路設(shè)計，降低測距系統(tǒng)的整體復雜性，改善測距系統(tǒng)的性能。


圖1為本發(fā)明所述算法的理論依據(jù)方框圖。圖2為本發(fā)明所述算法的實現(xiàn)流程示意方框圖。圖3為本發(fā)明所述算法結(jié)構(gòu)示意方框圖。圖4為本發(fā)明所述算法實現(xiàn)流程圖。
其中圖3中1.偽碼理想相關(guān)函數(shù)波形，2.受信道濾波器影響后偽碼相關(guān)函數(shù)波形，
3.信號離散后某次相關(guān)結(jié)果分布，4.信號離散后相關(guān)結(jié)果的理論分布，5.五路偽碼相關(guān)器，6.存儲器，7.曲線擬合器，8.時延計算器，9.偽碼發(fā)生器，10.偽碼時鐘產(chǎn)生器。
具體實施例方式為使本發(fā)明所述算法的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。
本發(fā)明所述算法涉及一種用于直接序列擴頻測距信號空間傳播時延的估計方法，適用于直接擴頻測距系統(tǒng)實現(xiàn)測量體與被測體之間的徑向距離測量。本發(fā)明所述算法的基本的特征在于首先，本地偽碼發(fā)生器并行輸出多路具有固定相位差的偽碼信號，由相關(guān)器對其與待測體返回的直接序列擴頻測距信號同時、分別相關(guān)運算；然后，由這些相關(guān)值與偽碼的相對相移量作為相關(guān)函數(shù)曲線上的點，采用“最小二乘”算法擬合一條通過這些點的一條二次曲線。最后，根據(jù)偽碼相關(guān)函數(shù)具有單峰值的特點，求出擬合所得曲線的峰值位置實現(xiàn)信號時延的精確估計。本發(fā)明所述算法的實現(xiàn)方案。其基本的特征在于本地偽碼發(fā)生器輸出五路偽碼，這五路偽碼的相對移位分別為0相位、超前3/4偽碼片相位、超前1/4偽碼片相位、滯后3/4、滯后1/4偽碼片相位；五了相關(guān)器同時對本地的五個偽碼與接收信號進行整數(shù)了偽碼周期長的相關(guān)運算，并經(jīng)運算結(jié)果輸出給延時估計器；延時估計器根據(jù)輸入信號進行最小二乘法擬合二次曲線，根據(jù)其導函數(shù)為零后系數(shù)的關(guān)系，估計出信號空間傳播時延的精確信息。(參見圖3所示)。 參見圖1 圖4，介紹本發(fā)明所述方法的具體操作步驟1.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所使用的算法包括如下步驟Ia.本地偽碼產(chǎn)生器輸出五路具有相對固定相位差的偽碼信號；本地偽碼與接收到的直擴測距信號互相關(guān)，并將相關(guān)結(jié)果存到地址為yl_y5存儲器單元。相關(guān)的時間長為一個偽碼周期或數(shù)個偽碼周期。(參見圖3所示)。Ib.根據(jù)最小二乘法曲線擬合算法，由yl_y5中的五個相關(guān)函數(shù)值與對應(yīng)的本地偽碼相對相移作為互相關(guān)函數(shù)曲線上的五個點。Ic.根據(jù)最小二乘法曲線擬合算法，擬合一個二次曲線方程PU)，并搜索其峰值位置，確定信號時延的精確值。(參見圖4所示)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于所使用的基于“最小二乘”法曲線擬合算法實現(xiàn)直擴測距信號空間傳播時延精確估計包括一下步驟2a.按照步驟Ia所述，五路本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼的相對相位分別為-3/4chip (滯后)、-l/4chip (滯后)、0 (當前)、+l/4chip (超前)和 +3/4chip (超前)。假設(shè)測距偽碼(PN)周期為N，每chip有L采樣，則一個周期的樣點總數(shù)為M(M = L ·Ν)個。任一路本地偽碼與直接擴頻測距的接收信號的相關(guān)按式(I)，
權(quán)利要求
1.一種用于直接序列擴頻測距信號空間傳播時延的精確估計方法，適用于直接擴頻測距系統(tǒng)實現(xiàn)測量體與被測體之間的徑向距離測量。本發(fā)明所述算法的基本的特征在于首先，本地偽碼發(fā)生器并行輸出多路具有固定相位差的偽碼信號，由相關(guān)器對其與待測體返回的直接序列擴頻測距信號同時、分別相關(guān)運算；其次，由相關(guān)值與偽碼的相對相移量組合構(gòu)成相關(guān)函數(shù)曲線上的點，采用“最小二乘”算法擬合一條通過這些點的二次曲線。最后，根據(jù)偽碼相關(guān)函數(shù)具有單峰值的特點，求出擬合所得曲線的峰值位置，根據(jù)峰值位置與原點的差，完成信號時延精確部分的估計。
2.一種用于權(quán)利I所述算法的實現(xiàn)方案。其基本的特征在于本地偽碼發(fā)生器輸出五路偽碼，其相對移位分別為0相位、超前3/4偽碼片相位、超前1/4偽碼片相位、滯后3/4、滯后1/4偽碼片相位分別給五個數(shù)字相關(guān)器；五個數(shù)字相關(guān)器同時對本地的五個偽碼與接收信號進行相關(guān)運算(相關(guān)時間長為整數(shù)了偽碼周期長)，并將運算結(jié)果提供給延時估計器；延時估計器根據(jù)五個相關(guān)結(jié)果采用“最小二乘算法”擬合一條過這五點的二次函數(shù)，根據(jù)其導函數(shù)為零，估計二次函數(shù)的極值位置；根據(jù)極值位置與原點的關(guān)系，估計出信號空間傳播時延的精確部分，實現(xiàn)距離的精測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所使用的算法包括如下步驟 3a.本地偽碼產(chǎn)生器輸出五路具有相對固定相位差的偽碼信號；本地偽碼與接收到的直擴測距信號互相關(guān)，并將相關(guān)結(jié)果存到地址為yl_y5存儲器單元。相關(guān)的時間長為一個偽碼周期或數(shù)個偽碼周期。
3b.根據(jù)“最小二乘”曲線擬合算法，由yl_y5中的五個相關(guān)函數(shù)值與對應(yīng)的本地偽碼相對相移作為互相關(guān)函數(shù)曲線上的五個點。
3c.根據(jù)“最小二乘”曲線擬合算法，擬合過步驟3b所述的五點的一條二次曲線方程P (X)，并搜索其峰值位置，確定信號時延的精確值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于基于“最小二乘”曲線擬合算法，直擴測距信號空間傳播時延精確估計包括一下步驟 4a.按照步驟3a所述，五路本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼的相對相位分別為-3/4chip (滯后)、-l/4chip (滯后)、0 (當前)、+l/4chip (超前)和 +3/4chip (超前)。
假設(shè)測距偽碼(PN)周期為N，每chip有L采樣，則一個周期的樣點總數(shù)為M(M = L*N)個。每路本地偽碼與直接擴頻測距接收信號的相關(guān)運算按式(1)，
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述算法的實現(xiàn)方法，其特征在于偽碼時鐘產(chǎn)生器(10)接本地偽碼發(fā)生器(9)，本地偽碼發(fā)生器(9)輸出五路信號給偽碼相關(guān)器(5)，偽碼相關(guān)器(5)輸出結(jié)果給存儲器(6)，曲線擬合器(7)取存儲器(6)中對應(yīng)單元的數(shù)據(jù)yi_y5，曲線擬合器(7)輸出接延時估計器(8)。
全文摘要
公開了一種基于最小二乘算法實現(xiàn)直擴信號空間傳輸精確時延估計的方法。公開了基于該算法的實現(xiàn)方法與結(jié)構(gòu)。首先，本地偽碼發(fā)生器同時輸出五路本地偽碼信號，其相位分別超前3/4chip、超前1/4chip、當前相位、滯后1/4chip與滯后3/4chip；其次，將五路本地偽碼分別與接收到的測距信號進行相干相關(guān)，相關(guān)時長為測距偽碼整數(shù)個周期長。再次，用最小二乘算法對五個相關(guān)結(jié)果進行二次曲線擬合。最后，通過搜索擬合所得曲線的極值，估計出測距信號空間傳輸?shù)臅r延的精確值部分。與直擴測距系統(tǒng)中的脈寬法時延精測估計方法相比，本發(fā)明所述算法具有運算量低、估計精度高等優(yōu)點。同時，無需復雜的信號變換電路。
文檔編號H04B17/00GK103023527SQ20121048396
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者趙林軍, 劉乃安, 付衛(wèi)紅, 梁芳, 李丹萍 申請人:陜西理工學院, 西安電子科技大學