CN104218972B - 一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，首先利用本地跳频图案通过频率合成器获得本地跳频载波，并对接收信号进行解跳和低通滤波；然后对低通滤波后的数据进行数字自动增益控制并进行相应比例的抽取，减小后续处理的运算量；最后产生本地直扩码字对抽取后的数据进行解扩后进行第一次累加，累加后的数据跳频相位旋转后进行第二次累加，对累加后的数据做FFT，过比较找到最大峰值，最大峰值对应的本地跳扩码相位和频率值即为接收信号的跳扩码相位和载波多普勒，本发明实现了强干扰条件下DS/FH混合扩频系统的跳扩码相位和载波多普勒的快速、同时捕获，实现复杂度非常低，具有优异的抗干扰性能。

Description

一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法

技术领域

本发明涉及一种信号相位捕获方法，特别是一种DS/FH混合扩频系统的跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，属于通信领域。

背景技术

跳扩频码相位和载波多普勒的捕获是DS/FH(DirectSequence/FrequencyHopping，直扩/跳频)混合扩频系统的一项关键技术，其捕获性能的好坏及复杂度直接决定了混合扩频系统的抗干扰能力及可实现性。

传统的扩频捕获一般采用基于FFT(快速傅里叶变换)的二维捕获方法，即在直扩码相位和载波多普勒两个维度上对信号进行捕获。但是，由于DS/FH混合扩频系统需要在跳频码相位，直扩码相位和载波多普勒三个维度上进行搜索，因而，采用传统方法不能完成DS/FH混合扩频系统的捕获。

现有的针对DS/FH混合扩频系统的三维捕获方法需要首先在一跳内完成对跳频码相位的搜索，然后采用二维捕获方法捕获直扩码相位和载波多普勒，这就限制了系统的直扩相关累积长度必然不能超过一跳的间隔，导致系统在跳频速率较高时抗干扰能力低下。因而，该方法不适用于本系统对快跳频和抗强干扰能力的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，实现了强干扰条件下DS/FH混合扩频系统的跳扩码相位和载波多普勒的快速、同时捕获，实现复杂度非常低，从而为具有优异抗干扰性能的DS/FH混合扩频系统应用于航天器测控提供了可能。

本发明的技术解决方案为：一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，步骤如下：

(1)利用本地跳频图案得到与跳频图案相对应的跳频频率f_i，然后产生两路正交的本地跳频载波cos(2πf_it)和-sin(2πf_it)，即并利用产生的两路正交的本地跳频载波对接收信号r(t)进行解跳，解跳后的信号为：并通过低通滤波器滤除解跳后信号的带外频率分量；

所述接收信号r(t)由公式：

$r\left(t\right)=d(t+\mathrm{\&tau;})p(t+\mathrm{\&tau;})e^{j2\mathrm{\&pi;}(f_i+f_{d_i})(t+\mathrm{\&tau;})},{\mathrm{iT}}_h<t\&le;(i+1)T_h$

给出，其中d(t)为符号数据，p(t)为伪码数据，f_i为当前跳频频率值，为与当前跳频频率对应的多普勒频偏值，τ为收发端存在的时间偏差，即跳扩码相位差值，T_h为每一跳的持续时间，i为跳数；

(2)采用数字自动增益控制对步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值进行增益控制，使得低通滤波后的解跳信号幅值在有干扰环境和无干扰环境下保持一致；

(3)按照预先设定的采样率对步骤(2)中数字自动增益控制后的信号进行采样，得到采样后的扩频码字，保证抽取之后的数据速率满足采样定理；

(4)产生多路不同相位的本地扩频码字，并用所述不同相位的本地扩频码字与步骤(3)中采样扩频码字相乘，从而完成步骤(3)中采样扩频码字的解扩，得到一系列解扩后数据，然后对每一路解扩后数据进行第一次分段累加；保证第一次分段累加之后的数据速率不小于跳频跳速；

(5)采用跳频相位旋转的方法对步骤(4)中获得的第一次分段累加后数据的跳频码相位进行旋转，以实现对不同跳频码相位的检测；

(6)对步骤(5)中相位旋转之后的数据进行第二次分段累加，并对第二次分段累加之后的数据进行FFT运算，找到最大的FFT峰值点，并对该峰值点进行判断，若该峰值点小于预设的峰值阈值，则返回步骤(5)；若该峰值点大于等于预设的峰值阈值，则进入步骤(7)；

(7)选取步骤(6)中得到的FFT峰值点对应的跳扩频码相位为当前接收信号的跳扩频码相位，该峰值点对应的频率值为当前接收信号的载波多普勒频率值，从而实现了接收信号的跳扩码相位和载波多普勒的三维快速捕获；所述跳扩码相位为跳频码相位和扩频码相位，所述跳频码相位和扩频码相位相同；

(8)利用步骤(7)中捕获的接收信号跳扩码相位和载波多普勒，对跳扩码相位和载波相位进行跟踪，最终得到跳扩信号上的信息。

所述步骤(2)中采用数字自动增益控制对步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值进行增益控制，具体步骤如下：

(i)求取低通滤波后解跳信号的平均功率；

(ii)将步骤(i)中求得的平均功率与预先设定的门限功率进行比较，若平均功率大于预先设定的门限功率，则将步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值降低，使得解跳信号的平均功率与预先设定的门限功率相同，若平均功率小于预先设定的门限功率，则将步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值增大，使得解跳信号的平均功率与预先设定的门限功率相同。

所述步骤(5)中采用跳频相位旋转的方法对步骤(4)中获得的第一次累加后数据的跳频码相位进行旋转，具体为：

跳频相位旋转之后的数据由公式：

$r^{\&prime;}\left(t\right)=d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_i(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})}{e}^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_d(t+\mathrm{\&tau;})}$

给出，其中τ′为跳频码相位调整，f_d为信号带宽中心频率处对应的多普勒频偏值，f_i为当前跳频频率值，τ为收发端存在的时间偏差。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明方法首先对接收的跳扩频信号进行解跳，通过低通滤波，数字自动增益控制以及抽取等处理将跳扩频信号变为直扩信号，然后采用多路码相位不同的本地直扩码字对接收信号进行相关并累加，最后对相关累加后的数据做FFT，采用本方法只需对最后的FFT峰值点进行判决即可同时完成跳频码相位、直扩码相位和载波多普勒的捕获，克服了现有方法需要分别进行跳扩频相位捕获和载波多普勒捕获的缺点；

(2)本发明方法在做直扩相关累加时，相关累加长度不受频率跳变的影响，可在多跳内进行相关累加，因此系统抗干扰能力非常强；

(3)本发明方法首先采用固定相位的跳频序列对接收信号进行解跳，在直扩相关累加之后，采用跳频相位旋转的方法对已经解跳解扩后的数据进行跳频码相位调整以实现对跳频码相位的搜索，由于直扩相关累加之后，数据速率大幅降低，这样就可以在较高的系统工作时钟频率下快速完成对跳频码相位的搜索，因此，系统的捕获时间非常短；

(4)本发明中对扩频伪码进行了两次累加，不仅降低了数据量，而且第二次累加对第一次累加的结果进行校正。本发明对直扩伪码相关之后的数据采用两级分段累加。第一级分段累加将数据速率大幅降低至与跳频速率相当，可在较高的系统时钟下通过复用硬件资源进行跳频码相位调整，大幅降低了硬件资源的消耗；第二级分段累加将跳频码相位调整之后的数据速率进一步降低，这样就可以通过较低点数的FFT搜索得到跳扩频码相位和载波多普勒，进一步降低了硬件资源的消耗。本发明通过两级分段累加显著降低了系统硬件资源的消耗，从而为本发明应用于对系统功耗有严苛要求的航天器测控提供了可能。

附图说明

图1为本发明方法的原理图；

图2为本发明方法中跳频相位旋转示意图。

具体实施方式

DS/FH混合扩频系统的接收信号可以表示为：

$r\left(t\right)=d(t+\mathrm{\&tau;})p(t+\mathrm{\&tau;})e^{j2\mathrm{\&pi;}(f_i+f_{d_i})(t+\mathrm{\&tau;})},{\mathrm{iT}}_h<t\&le;(i+1)T_h$

其中d(t)表示符号数据，p(t)表示伪码数据，f_i表示当前跳频频率值，表示与当前跳频频率对应的多普勒频偏值，τ表示收发端存在的时间偏差，即跳扩码相位差值，T_h表示每一跳的持续时间，i表示跳数。

如图1所示，为本发明方法的原理图，主要步骤如下：

(1)解跳。首先利用本地跳频图案得到与跳频图案对应的跳频频率f_i，然后产生两路正交的本地跳频载波cos(2πf_it)和-sin(2πf_it)，即最后对接收信号r(t)进行解跳，即并通过低通滤波器滤除带外频率分量。所述本地跳频图案中包括跳频图案和与跳频图案相对应的跳频频率，用于查找不同跳频图案所对应的跳频频率；所述带外频率分量为跳扩频有用信号带宽之外的噪声频率分量。

(2)数字自动增益控制。解跳时，有用信号被解跳至基带零频处，而干扰信号则被调制至跳频频点上，因此，干扰信号在某一跳内可能处于有用信号带宽内，也可能处于有用信号带宽外。当干扰信号处于带外时，可被低通滤波器滤除，此时剩余信号幅值非常小；当干扰信号处于带内时，通过低通滤波器后，信号幅值依然非常大。为了减小留在带内的干扰信号对后续处理的影响，此处通过数字自动增益控制来对上述两种情况下的信号幅值进行调节，使其基本一致。具体实现时，首先求取低通滤波后信号的平均功率，然后将该平均功率与设定的门限功率进行比较，若平均功率大于门限功率，则将数据幅值进行相应比例的降低，若平均功率小于门限功率，则将数据幅值进行相应比例的增大。

(3)抽取。解跳后的信号带宽已经大为降低，此处通过相应比例的抽取降低数据速率，减小后续处理的运算量。即每隔N个数据抽取1个数据，其余数据直接舍弃，只需保证抽取之后的数据速率满足采样定理即可。

(4)解扩。产生多路不同相位的本地扩频码字，对解跳后的信号进行解扩，解扩后信号可以表示为 $r\left(t\right)\&CenterDot;e^{-j2{\mathrm{\&pi;f}}_{i}t}\&CenterDot;p\left(t\right)=d(t+\mathrm{\&tau;})p(t+\mathrm{\&tau;})p\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_i\mathrm{\&tau;}+2{\mathrm{\&pi;f}}_{d_i}(t+\mathrm{\&tau;})},$ 然后对解扩后的数据进行第一次分段累加，即求取由于后面需要进行跳频相位旋转，因此第一次分段累加之后的数据速率需保证不小于跳频跳速。第一次分段累加将每跳内的数据整分为N(N≥1)段，然后分别进行累加。分段累加完毕后，每跳至少得到一个累加值，这样就可正确进行后续跳频相位旋转等处理，此处需要保证的就是分段累加时不能存在不同跳频间的叠加，因此不存在分段后的叠加问题，分段后进行跳频相位旋转，然后进行再次累加，此时涉及到不同跳频间的叠加，在第(6)步中进行了相应补充说明)

(5)跳频相位旋转。由于跳频码相位和直扩码相位具有相干性，前面所述的解跳部分只采用了某一固定相位的跳频码字进行解跳，而解扩部分为了加快搜索速度采用了多路不同相位的直扩码字进行解扩。因此，需要通过跳频相位旋转的方式对跳频码相位进行调整，使其与当前路的直扩码相位相干。跳频相位旋转的具体原理如图2所示，假设相邻两跳的跳频频点分别为f_i和f_i+1，那么要实现该跳频序列在时间轴上移动时间间隔τ′(即跳频码相位调整τ′)，只需在每一跳的跳频初始相位处加入一个相位调节量2π(f_i-f_i-1)τ′即可。这样做，即达到了本地跳扩频码相位的相干，又不需要多路本地跳频载波进行解跳，从而大大减小了系统实现的复杂度。

由前述可知，解跳解扩后的数据可以表示为由于τ远小于一个直扩码片宽度，更远小于一个数据符号宽度，且在不同跳频频点上差距极小，因此上述表达式最终可以简化表示为其中f_d为信号带宽中心频率处对应的多普勒频偏值。

这样，跳频相位旋转之后的数据就可以表示为

(6)峰值检测。对跳频相位旋转之后的数据做FFT，通过比较找到其中的最大峰值。由前面的描述可知，第一次分段累加之后的数据速率不能小于跳频跳速，此处如果直接进行FFT运算，则需要较多点数的FFT，占用硬件资源过多。并且，由前面的分析可知，跳频相位旋转之后的数据可以表示为即此时由频率跳变带来的幅度衰减量已被消除。因此，此处可进行第二次分段累加，即在多跳内对数据进行累加以进一步降低数据速率，然后对第二次分段累加之后的数据做FFT。当跳频相位旋转量τ′与收发端时间偏差量τ相互抵消时，数据可进一步简化表示为此时，对数据做FFT必然会得到最大的频谱峰值。这样就成功检测到了跳扩频码相位和载波多普勒。

具体实施案例

假设某跳扩频接收系统具有以下参数：数据符号速率：100bps；直扩码速率：5Mcps；跳频速率：10000Hop/s；跳频点数：2048；跳频间隔：40KHz；跳频中心频点：2GHz；多普勒范围：±10KHz；

前述捕获方法在具体实现步骤如下：

(1)首先得到本地跳频序列，对接收信号进行解跳，然后进行低通滤波，此处滤波带宽可设置为45M(因为有用信号带宽约为45M)；

(2)进行自动增益控制，可按500个数据一组，求取该组数据的平均功率，然后与设定的门限功率比较，最后根据比较的结果再对该组数据的幅值进行相应的减小或增大，幅值调整完毕后输出即可；

(3)抽取，抽取后的数据速率应满足奈奎斯特采样定理，由于此时信号经过解跳已变为带调制数据的扩频信号，有用信号带宽约为5M，因此，抽取后的数据速率至少要大于10Msps；

(4)解扩，采用多路码相位不同的直扩码对抽取后的数据进行解扩，然后做第一次相关累加。由于跳频速率为10Khop/s，因此，第一次累加之后的数据速率应大于10Kbps，否则无法在每一跳的起跳点处加入相位旋转量；

(5)跳频相位旋转，在每一跳的起跳点处加入相位旋转量2π(f_i+1-f_i)τ，即对每一跳内的数据乘以调整量由于该调整量在一跳内保持不变，因此，可在数据进行第一次累加之后再乘以该调整量，所以前面的第一次累加需要保证数据速率大于跳频调速。

(6)峰值检测，先做第二次累加，由于检测的多普勒范围有限，因此不需要太高的数据速率，否则有可能带来FFT点数过高，极大占用硬件资源。因此，此处可根据实际需要进行第二次累加。按上述参数设置时，多普勒需要分为16个区间进行检测，每个区间检测范围±625Hz，因此，二次累加后的数据速率可设定为2.5Kbps，最后对该数据做FFT检测其最大峰值即可。

本发明采用快跳频技术，可快速躲避各种单频及窄带干扰，并且相关累加不受频率跳变和数据符号跳变的影响，因而相关累加增益可以非常高，也即抗宽带干扰能力非常强。在具体实施中，抗宽带干扰能力相比现有技术提高20dB以上，抗单频及窄带干扰能力提高25dB以上。

本发明可应用于对数据速率要求较低的各类航天器测控系统，显著提高我国测控链路的抗干扰能力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用本地跳频图案得到与跳频图案相对应的跳频频率f_i，然后产生两路正交的本地跳频载波cos(2πf_it)和-sin(2πf_it)，即并利用产生的两路正交的本地跳频载波对接收信号r(t)进行解跳，解跳后的信号为：并通过低通滤波器滤除解跳后信号的带外频率分量；

所述接收信号r(t)由公式：

$r\left(t\right)=d(t+\mathrm{\&tau;})p(t+\mathrm{\&tau;})e^{j2\mathrm{\&pi;}(f_i+f_{d_i})(t+\mathrm{\&tau;})},{\mathrm{iT}}_h<t\&le;(i+1)T_h$

给出，其中d(t)为符号数据，p(t)为伪码数据，f_i为当前跳频频率值，为与当前跳频频率对应的多普勒频偏值，τ为收发端存在的时间偏差，即跳扩码相位差值，T_h为每一跳的持续时间，i为跳数；

(2)采用数字自动增益控制对步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值进行增益控制，使得低通滤波后的解跳信号幅值在有干扰环境和无干扰环境下保持一致；

(3)按照预先设定的采样率对步骤(2)中数字自动增益控制后的信号进行采样，得到采样后的扩频码字，保证抽取之后的数据速率满足采样定理；

(4)产生多路不同相位的本地扩频码字，并用所述不同相位的本地扩频码字与步骤(3)中采样扩频码字相乘，从而完成步骤(3)中采样扩频码字的解扩，得到一系列解扩后数据，然后对每一路解扩后数据进行第一次分段累加；保证第一次分段累加之后的数据速率不小于跳频跳速；

(5)采用跳频相位旋转的方法对步骤(4)中获得的第一次分段累加后数据的跳频码相位进行旋转，以实现对不同跳频码相位的检测；

(6)对步骤(5)中相位旋转之后的数据进行第二次分段累加，并对第二次分段累加之后的数据进行FFT运算，找到最大的FFT峰值点，并对该峰值点进行判断，若该峰值点小于预设的峰值阈值，则返回步骤(5)；若该峰值点大于等于预设的峰值阈值，则进入步骤(7)；

(7)选取步骤(6)中得到的FFT峰值点对应的跳扩频码相位为当前接收信号的跳扩频码相位，该峰值点对应的频率值为当前接收信号的载波多普勒频率值，从而实现了接收信号的跳扩码相位和载波多普勒的三维快速捕获；所述跳扩码相位为跳频码相位和扩频码相位，所述跳频码相位和扩频码相位相同；

(8)利用步骤(7)中捕获的接收信号跳扩码相位和载波多普勒，对跳扩码相位和载波相位进行跟踪，最终得到跳扩信号上的信息。

2.根据权利要求1所述的一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用数字自动增益控制对步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值进行增益控制，具体步骤如下：

(i)求取低通滤波后解跳信号的平均功率；

(ii)将步骤(i)中求得的平均功率与预先设定的门限功率进行比较，若平均功率大于预先设定的门限功率，则将步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值降低，使得解跳信号的平均功率与预先设定的门限功率相同，若平均功率小于预先设定的门限功率，则将步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值增大，使得解跳信号的平均功率与预先设定的门限功率相同。

3.根据权利要求1所述的一种跳扩频码相位和载波多普勒三维快速捕获方法，其特征在于：所述步骤(5)中采用跳频相位旋转的方法对步骤(4)中获得的第一次累加后数据的跳频码相位进行旋转，具体为：

跳频相位旋转之后的数据由公式：

$r^{\&prime;}\left(t\right)=d\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_i(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;})}{e}^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_d(t+\mathrm{\&tau;})}$

给出，其中τ′为跳频码相位调整，f_d为信号带宽中心频率处对应的多普勒频偏值，f_i为当前跳频频率值，τ为收发端存在的时间偏差。