[发明专利]用于直接序列扩频测距系统信号时延估计方法与实现

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信系统中的信号传播时延的精确估计算法。确切的讲，涉及直接序列扩频测距系统中收、发伪码的时延精确差部分的估计。属于数字通信信号处理技术领域。 

背景技术

直接序列扩频测距(简称：直接扩频测距)是利用测距伪随机码(简称：伪码)的相关特性实现无线电波空间传播时间的测量。测距系统正向统一载波的数字化实现方向迈进。数字技术给测距系统带来了诸多优点，同时也给测距系统带来了一个亟待解决的问题——信号的离散化导致测距系统中的伪码跟踪环的跟踪精度恶化，严重影响测距的精度。 

造成上述问题的主要原因在于系统的采样脉冲与信号的过零点不同步。而简单实现其同步对具有多普勒频移的信号来讲，不具有长期通用性。实践中，人们采用了各种技术方法试图从其它方面消除或降低该问题对测距精度的影响。现已取得的成果主要有：一，提高系统采样速率以减小采样的间隔为手段，实现信号空间传输时延的较精确估计。2002年，Quirk等人就采用该方案来改善伪码跟踪环的精度。但很快发现：当系统的采样率接近或者恰好等于码片速率的整数倍(等量采样)时，系统的性能会骤降。为此，又提出了采用非等量采样技术(即：采样速率与伪码周期不成整数比例关系。)以改善系统的跟踪性能，取得了较好的效果。但基于非等量采样技术的直扩测距方法并不能完全消除离散化带来的相关函数峰值出现的位置模糊问题(如图1中线1与线2所示)。难以满足人们对距离测量精度的要求。若再提升采样速率，则对系统的后继处理及其器件均提出了更高要求。二，从减小本地再生测距伪码时钟的抖动量入手，设计了采用窄带提纯环路对本地伪码时钟输出进行提纯，再与发测距伪码时钟比相，获得二者的相位差，由时宽测量方法对该相位差进行测量，得到一个信号空间传播时延的精估计值，并将其与以匹配滤波器技术获取的信号时延粗估计值相链接，实现对问题解。该方法也在实践中取得了良好效果，但测量系统复杂，且基于计数器方式的时宽测量存在计数±1问题，难以满足实际需要。三，有相关文献报道了在直接扩频测距系统中采用 小波分析来估计信号时延的精确部分。它也是先对收信号与本地的具有固定相位差的多路伪码做互相关，再进行小波变换，总后在全域内找极大值获取信号空间传播时延信息的。该算法的复杂度高，运算量大。 

综上所述，提出基于“最小二乘”算法直扩信号传播时延精确部分的估计方法具有实际意义。在实践中，我们对直扩测距系统的整体进行了长期研究，得出：直扩测距系统中设计有各种信号成形滤波器，这些滤波器与自由空间一起构成系统的广义信道，它会对收发测距伪码的相关函数产生影响，使相关函数的波形不再是伪码的理想三角形特征(在一个周期内)。而是在相关函数的最大值附近应具有二次函数曲线特征(如图1中线2所示)。根据相关函数的离散样点，采用“最小二乘”算法进行过这些样点的曲线拟合，通过拟合出的曲线，可找到这些离散的相关函数值点对应的连续相关函数曲线的峰值位置，这个位置就对应与连续直接扩频测距信号相关时的峰值位置，从而弥补因离散化造成的离散相关峰与连续相关峰的偏移(又称：采样模糊度问题)。 

发明内容

本发明旨在解决离散化引起的伪距测量模糊度问题(如图1所示线3与线4峰值偏移)。 

问题的解决思路：受系统信道滤波器影响，收、发测距伪码的互相关函数在其最大值附近可近似为一条二次函数曲线特征(如图1中线2所示)。因采样脉冲位置的不确定性引起导致数字系统中存在采样模糊问题。不考虑系统采样器时延的情况下(注：高速采样器的时延非常小，可以不予考虑)，与测距系统中发、伪码离散后的互相关函数值仅仅是对应连续信号的相关函数的采样。当采样脉冲与接收伪码信号的过零点重合时，离散相关函数的峰值与连续相关函数的峰值重合；当采样脉冲与接收伪码信号的过零点间存在τ偏移时，离散的相关函数值的峰值就与连续相关函数的峰偏移，其偏移量也是τ(如下图1所示)。因此，基于扩频测距系统的数字化实现时，可以采用合理的方法来消除采样模糊度的问题。根据上述这些特点，本发明提出了利用“最小二乘算法”拟合一条过五个离散相关函数值点的二次曲线，再通过该二次曲线的峰值对应的时间坐标，确定采样的不确定时间τ(即时延的精确值部分)。 

解决问题的步骤：首先，将接收信号同时与具有固定相位差的本地五路伪码相关，其中，相关运算的时间宽度为整数倍伪码周期；其次，根据五个相关值拟合一条过这五点的二次曲线；最后，根据拟合曲线的峰值位置估计信号精确时延值。 

本发明具有如下显著特点： 

(1)本发明所述的方法可以解决直扩测距系统中信号离散化对时延估计值的影响。