多载波扩频通信系统的信号接收方法、装置、设备及介质与流程

1.本技术涉及移动通信技术领域，特别涉及一种多载波扩频通信系统的信号接收方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.扩频通信技术（spectrum spreading, ss）当前已经在电力、金融、公安、交通等行业被广泛应用。该技术将发送的窄带信号与伪随机序列扩频后，令带宽成倍增加，将有用信号扩展到一个很宽的频谱上，使得信号传输的带宽较信息本身带宽大很多倍，令信号频谱能量大大分散。接收机接收信号后将根据伪随机码进行解扩操作，将宽带信号还原成窄带信号。在该频带内，干扰信号和噪声伴随着有用信号一起进行传输，而由于干扰信号和噪声没有经过伪随机序列扩频、不能进行解扩操作，因此解调后的信号中含有的干扰和噪声分量大大降低，显著提升了系统的传输性能。可见，扩频通信系统在发送端扩展了信号频谱、在接收端解扩还原了信息，可大大提高通信过程中的抗干扰容限。但是，信号传输时延的问题将会降低扩频增益的效果，恶化信号质量。鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种多载波扩频通信系统的信号接收方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，以便有效降低信号传输时延对扩频通信信号质量的影响。
4.为解决上述技术问题，一方面，本技术公开了一种多载波扩频通信系统的信号接收方法，应用于接收端，包括：将接收信号复制为m份后分别与对应的扩频序列元素相乘；m为扩频序列的长度；将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号；将所述m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，所述目标信号为所述m路同频信号在不同延时参数作用下令分集增益取值最大的合并结果信号；对所述目标信号进行窄带滤波、时频同步、串并转换和信道估计以生成解调信号。
5.可选地，所述将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号，包括：依据m个等间隔分布的不同频点搬移量，分别对所述m份乘积结果进行对应的频谱搬移而生成所述m路同频信号。
6.可选地，所述将所述m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，包括：对所述m路同频信号进行求和得到合并结果信号；依据p
·
m个不同的延时参数，分别对所述合并结果信号进行不同程度的延时处理；p为过采样因子；分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波，并计算滤波后的信号功率值；将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号。
7.可选地，所述分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波，包括：利用p
·
m个fft形式的窄带滤波器，分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波。
8.可选地，所述计算滤波后的信号功率值，包括：基于如下公式计算滤波后的信号功率值；；其中，r
(m)
(t)为经延迟和滤波后的第m路合并结果信号；表示共轭运算；为r
(m)
(t)的信号功率值；n=k
·
m，k为发射端进行串并转换后的并行通道数。
9.可选地，在所述将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号之前，还包括：计算p
·
m个信号功率值中的最大值与最小值的比值；判断所述比值是否大于预设门限值；若是，则执行所述将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号的步骤；若否，则判定当前的接收信号仅包含噪声信号。
10.又一方面，本技术还公开了一种多载波扩频通信系统的信号接收装置，应用于接收端，包括：复制模块，用于将接收信号复制为m份；m为扩频序列的长度；频谱搬移模块，用于将m份复制信号分别与对应的扩频序列元素相乘；将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号；延迟合并模块，用于将所述m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，所述目标信号为所述m路同频信号在不同延时参数作用下令分集增益取值最大的合并结果信号；处理模块，用于对所述目标信号进行窄带滤波、时频同步、串并转换和信道估计以生成解调信号。
11.可选地，所述延迟合并模块包括：求和单元，用于对所述m路同频信号进行求和得到合并结果信号；延时单元，用于依据p
·
m个不同的延时参数，分别对所述合并结果信号进行不同程度的延时处理；p为过采样因子；滤波单元，用于分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波；选择单元，用于分别计算p
·
m个经延时和滤波后的合并结果信号的信号功率值；将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号。
12.可选地，所述频谱搬移模块在将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号时，具体用于：依据m个等间隔分布的不同频点搬移量，分别对所述m份乘积结果进行对应的频谱搬移而生成所述m路同频信号。
13.可选地，所述滤波单元在分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波时，具体
用于：利用p
·
m个fft形式的窄带滤波器，分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波。
14.可选地，所述选择单元在计算滤波后的信号功率值时，具体用于：基于如下公式计算滤波后的信号功率值；；其中，r
(m)
(t)为经延迟和滤波后的第m路合并结果信号；表示共轭运算；为r
(m)
(t)的信号功率值；n=k
·
m，k为发射端进行串并转换后的并行通道数。
15.可选地，所述选择单元在所述将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号之前，还用于：计算p
·
m个信号功率值中的最大值与最小值的比值；判断所述比值是否大于预设门限值；若是，则执行所述将信号功率值最大的合并结果信号确定为所述目标信号的步骤；若否，则判定当前的接收信号仅包含噪声信号。
16.又一方面，本技术还公开了一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种多载波扩频通信系统的信号接收方法的步骤。
17.又一方面，本技术还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种多载波扩频通信系统的信号接收方法的步骤。
18.本技术所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质所具有的有益效果是：本技术在解扩过程中进行信号合并时，通过对不同程度延时后的合并结果信号进行比较，获取了具有最大分集增益的目标信号，有效保障了后续解调出的有用信号能够最大程度获取高增益性能，便于将有用信号与干扰噪声信号区分开，大大提高了扩频通信的信号质量。
附图说明
19.为了更清楚地说明现有技术和本技术实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本技术实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本技术实施例的附图描述的仅仅是本技术中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本技术的保护范围。
20.图1为本技术实施例公开的一种多载波扩频通信系统的发射端的工作原理示意图；图2为本技术实施例公开的一种多载波扩频通信系统的信号接收方法的流程图；图3为本技术实施例公开的一种多载波扩频通信系统的接收端的工作原理示意图；
图4为本技术实施例公开的一种分集增益因子随传输时延变化的曲线图；图5为本技术实施例公开的一种信号合并延迟处理的过程示意图；图6为本技术实施例公开的一种多载波扩频通信系统的信号接收装置的结构框图；图7为本技术实施例公开的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
21.本技术的核心在于提供一种多载波扩频通信系统的信号接收方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，以便有效降低信号传输时延对扩频通信信号质量的影响。
22.为了对本技术实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行介绍。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
23.当前，在扩频通信技术领域内，信号传输时延问题会降低扩频增益的效果，导致信号质量降低。鉴于此，本技术提供了一种多载波扩频通信系统的信号接收方案，可有效解决上述问题。
24.参见图1所示，图1为本技术公开的一种多载波扩频通信系统的发射端的工作原理示意图。
25.信号调制后的信息符号经过串并变换转化为k路并行信息符号序列，即s[0]、s[1]、
……
、s[k
‑
1]。将k路并行信息符号序列作为一个单元，然后将每个单元利用复制模块复制m份，其中m为扩频序列的长度。在此基础上，复制得到的每个单元先与对应的扩频序列元素相乘，而后利用n点ifft进行ofdm（orthogonal frequency division multiplex，正交频分复用）调制，其中。其中，单元0、单元1、
……
、单元(m
‑
1)对应的扩频序列元素依次为c(0)、c(1)、
……
、c(m
‑
1)。调制后得到的信号经并串变换、添加循环前缀后，便可向外发射。
[0026]
其中，在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费资源的，为了能够充分利用信道的带宽，可以采用频分复用的方法。正交频分复用技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，使得信号中符号周期相对增加，从而减轻系统由于多径效应产生的时间弥散带来的干扰。目前，ofdm技术已经广泛应用于adsl、ieee802.11a、ieee802.11n、ieee802.11ac等多种国际通信标准，已成为人们日常生活中不可或缺的一种信息交互方式。
[0027]
ofdm的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（fft，fast fourier transform）实现调制和解调。对于n点的idft运算，需要实施n^2次复数乘法，而采用常见的基于2的ifft算法，其复数乘法仅为（n/2）log2n，可显著降低运算复杂度。
[0028]
发送出去的信号在接收端接收后需要相应的一系列操作进行解扩和解调。具体地，参见图2，本技术实施例公开了一种多载波扩频通信系统的信号接收方法，应用于接收端，主要包括：s101：将接收信号复制为m份后分别与对应的扩频序列元素相乘；m为扩频序列的
长度。
[0029]
s102：将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号。
[0030]
s103：将m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，目标信号为m路同频信号在不同延时参数作用下令分集增益取值最大的合并结果信号。
[0031]
s104：对目标信号进行窄带滤波、时频同步、串并转换和信道估计以生成解调信号。
[0032]
上述过程可具体参见图3，图3为本技术公开的一种多载波扩频通信系统的接收端的工作原理示意图。具体地，多载波扩频通信系统的接收端在接收到信号后，首先要对接收信号进行解扩操作，然后再进行解调操作。
[0033]
解扩的具体实施过程是，首先基于复制模块复制出m份接收信号，并将每一路接收信号与对应的扩频序列元素相乘，而后进行对应的频谱搬移操作，以便在此基础上进行信号合并。至此，解扩的实现，完成了信号能量聚集，使信号获得了扩频增益。
[0034]
其中，合并处理是获得扩频增益的关键处理过程。如果要令信号的合并能有效获取性能增益，则要求参与合并的信号同频同相。虽然在多载波扩频通信系统中，扩频后获得的多路信号在不同的频点传输，但是由于均在同一收发信机工作，不同传输通路信号之间只存在固定的频率偏差，因此，通过在接收端对各信道的信号分别进行对应的频率搬移便能够实现同频的要求。
[0035]
需要强调的是，为了确保合并后得到的信号能够有效获取扩频增益，本技术中在对m路同频信号的合并的过程中，还进行了不同程度的延时，并最终输出了能够取得最大分集增益的合并结果信号，即目标信号。
[0036]
分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量以改善传输可靠性的技术。分集增益是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差，这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。
[0037]
在解扩的基础上，解调的过程是，利用窄带宽的低通滤波器滤除带外噪声、镜像和干扰信号，使信号中的干扰和噪声分量显著下降，而后利用通用ofdm系统的时频同步、信道估计等技术实现信号解调。
[0038]
可见，本技术所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法，在解扩过程中进行信号合并时，通过对不同程度延时后的合并结果信号进行比较，获取了具有最大分集增益的目标信号，有效保障了后续解调出的有用信号能够最大程度获取高增益性能，便于将有用信号与干扰噪声信号区分开，大大提高了扩频通信的信号质量。
[0039]
作为一个具体实施例，用于对合并延迟处理后的信号进行滤波的窄带滤波器可具体为ffb（fast filter bank，快速滤波）滤波器。
[0040]
具体地，该窄带滤波器的参数为b/m，b表示扩频之后的信道带宽，m表示扩频因子即扩频序列长度，b/m表示目标信号的带宽。为了高效实现窄带滤波，特别是扩频因子较大的条件下，传统的多相滤波器需要很高的阶数才能实现，因此复杂度大、硬件资源消耗大。
[0041]
而ffb滤波器是fft的扩展形式，其核心思想是利用高阶原型滤波器替换fft的一阶原型滤波器，以提高fft的旁瓣衰减，因此它与fft滤波器类似，各级原型滤波器的非零系数较少，能够保持fft的低复杂度特性，并且具有级联结构形式，便于硬件实现。此外，ffb滤波器还具有灵活重构的特点，能够满足m可变的要求。
[0042]
作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法在上述内容的基础上，将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号，包括：依据m个等间隔分布的不同频点搬移量，分别对m份乘积结果进行对应的频谱搬移而生成m路同频信号。
[0043]
具体地，如前所述，一般扩频通信收发机中不同传输通路的信号之间存在的是固定的频率偏差。假设将一路ofdm信号记为s(t)，则发送端对其进行扩频将其频谱分别搬移到m个等间隔分布的不同频点上形成m路信号进行发送，则其第m路信号可以表示为s
m
(t)：。
[0044]
为了便于分析，暂不考虑多径和噪声的影响，则相应地，接收端接收到的信号可以表示为r
m
(t)：；其中，表示信道衰减，表示信号传输时延。如此，接收端需要对分布在不同频点的个信号进行频谱搬移和合并。不失一般性，接收端进行频谱搬移的载波初始相位一般可设置为0，则经过频谱搬移和合并处理之后的信号可以表示为：；其中，即为分集增益：。
[0045]
可以看出，信号合并获得的分集增益与传输时延有关。
[0046]
举例说明，设定收发机的不同通道的信号同频同相，且ofdm信号采用2倍过采样实现，取值为8，则分集增益因子随传输时延τ的曲线可对照参见图4。从图4可以看出，在不同通道的信号同频同相的情况下，传输时延τ为0时所对应的分集增益确实是取到最大值的。由此可见，若能够准确估计传输时延τ，则能够获得最大的分集增益；相反，若无法消除传输时延对分集增益带来的影响，则可能会恶化信号质量。
[0047]
其中，还需说明的是，不同大小的传输时延τ对信号的影响虽然存在差异，但是，对于相差了整数倍m个采样时钟的不同传输时延τ，对信号合并后增益效果所产成的影响是一致的。例如，设信号传输时延τ为个采样时钟，假如可以将其拆分为整数倍部分和小数部分：；
其中，表示整数倍采样周期传输时延，表示小数倍采样周期传输时延，取值为{0,1,2,
…
}，。则分集增益因子可以进一步表示为：。
[0048]
参见图5，图5为本技术实施例公开的一种信号合并延迟处理的过程示意图。如图5所示，作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法在上述内容的基础上，将m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，包括：对m路同频信号进行求和得到合并结果信号；依据p
·
m个不同的延时参数，分别对合并结果信号进行不同程度的延时处理；p为过采样因子；分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波，并计算滤波后的信号功率值；将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号。
[0049]
具体地，如图5所示，假设ofdm信号自身的过采样因子为p（一般取值为2），经过频谱搬移的信号叠加后将进行不等次数的时间延迟，具体分别是0，1，
…
，pm
‑
1个采样周期ts的时间延迟，得到p
·
m路信号。经滤波后，在确定目标信号时，可计算不同时延条件下的合并结果信号的信号能量，从中选择出具有最大分集增益的目标信号。
[0050]
作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法在上述内容的基础上，分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波，包括：利用p
·
m个fft形式的窄带滤波器，分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波。
[0051]
具体地，在信号合并延迟处理过程中确定目标信号的滤波操作不需要太过严格的精确度，因此，为了降低计算复杂度，可以采用fft形式的窄带滤波器，它不但具有较低的计算复杂度，同时它也具有灵活重构的特点，能够适应m可变的要求。
[0052]
作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法在上述内容的基础上，计算滤波后的信号功率值，包括：基于如下公式计算滤波后的信号功率值；；其中，r
(m)
(t)为经延迟和滤波后的第m路合并结果信号；表示共轭运算；为r
(m)
(t)的信号功率值；n=k
·
m，k为发射端进行串并转换后的并行通道数。如此，则有：；其中，，表示具有最大分集增益的目标信号。
[0053]
作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的多载波扩频通信系统的信号接收方法在上述内容的基础上，在将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号之前，还包括：
计算p
·
m个信号功率值中的最大值与最小值的比值；判断比值是否大于预设门限值；若是，则执行将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号的步骤；若否，则判定当前的接收信号仅包含噪声信号。
[0054]
具体地，当接收到的信号只有噪声时，因解扩的过程不能实现噪声信号能量的聚集，因此，在不同时延条件下的合并结果信号能量均较小，基本接近。而当接收到的信号含有有用信号时，通过频谱搬移和叠加等过程实现了能量聚集，同时传输时延又会对信号增益产生影响，因此会存在能量较大的合并结果信号，也会存在能量较小的合并结果信号。
[0055]
如此，本实施例还给出了如下用于判定是否接收到有用信号的准则：；其中，，为预设门限值。
[0056]
参见图6所示，本技术实施例公开了一种多载波扩频通信系统的信号接收装置，应用于接收端，主要包括：复制模块201，用于将接收信号复制为m份；m为扩频序列的长度；频谱搬移模块202，用于将m份复制信号分别与对应的扩频序列元素相乘；将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号；延迟合并模块203，用于将m路同频信号进行延时合并处理以生成目标信号，目标信号为m路同频信号在不同延时参数作用下令分集增益取值最大的合并结果信号；处理模块204，用于对目标信号进行窄带滤波、时频同步、串并转换和信道估计以生成解调信号。
[0057]
可见，本技术实施例所公开的多载波扩频通信系统的信号接收装置，在解扩过程中进行信号合并时，通过对不同程度延时后的合并结果信号进行比较，获取了具有最大分集增益的目标信号，有效保障了后续解调出的有用信号能够最大程度获取高增益性能，便于将有用信号与干扰噪声信号区分开，大大提高了扩频通信的信号质量。
[0058]
关于上述多载波扩频通信系统的信号接收装置的具体内容，可参考前述关于多载波扩频通信系统的信号接收方法的详细介绍，这里就不再赘述。
[0059]
作为一种具体实施例，本技术实施例所公开的多载波扩频通信系统的信号接收装置在上述内容的基础上，延迟合并模块203包括：求和单元，用于对m路同频信号进行求和得到合并结果信号；延时单元，用于依据p
·
m个不同的延时参数，分别对合并结果信号进行不同程度的延时处理；p为过采样因子；滤波单元，用于分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波；选择单元，用于分别计算p
·
m个经延时和滤波后的合并结果信号的信号功率值；将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号。
[0060]
可选地，频谱搬移模块203在将得到的m份乘积结果分别进行对应的频谱搬移以生成m路同频信号时，具体用于：
依据m个等间隔分布的不同频点搬移量，分别对m份乘积结果进行对应的频谱搬移而生成m路同频信号。
[0061]
可选地，滤波单元在分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波时，具体用于：利用p
·
m个fft形式的窄带滤波器，分别对p
·
m个延迟后的合并结果信号进行滤波。
[0062]
可选地，选择单元在计算滤波后的信号功率值时，具体用于：基于如下公式计算滤波后的信号功率值；；其中，r
(m)
(t)为经延迟和滤波后的第m路合并结果信号；表示共轭运算；为r
(m)
(t)的信号功率值；n=k
·
m，k为发射端进行串并转换后的并行通道数。
[0063]
可选地，选择单元在将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号之前，还用于：计算p
·
m个信号功率值中的最大值与最小值的比值；判断比值是否大于预设门限值；若是，则执行将信号功率值最大的合并结果信号确定为目标信号的步骤；若否，则判定当前的接收信号仅包含噪声信号。
[0064]
参见图7所示，本技术实施例公开了一种电子设备，包括：存储器301，用于存储计算机程序；处理器302，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种多载波扩频通信系统的信号接收方法的步骤。
[0065]
进一步地，本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种多载波扩频通信系统的信号接收方法的步骤。
[0066]
关于上述电子设备和计算机可读存储介质的具体内容，可参考前述关于多载波扩频通信系统的信号接收方法的详细介绍，这里就不再赘述。
[0067]
本技术中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0068]
还需说明的是，在本技术文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0069]
以上对本技术所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其
核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术的保护范围内。