CN105577228B - 一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法 - Google Patents
一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法，步骤为：生成本地跳频码字和本地扩频码字；对接收的跳扩信号进行解跳；对解跳后的信号进行低通滤波和抽取，得到降速率的数据；对降速率的数据进行数字自动增益控制，得到幅度基本恒定的数据；旋转量控制对相位旋转的旋转量进行控制；对幅度基本恒定的数据进行相位旋转；对所述的相位旋转之后的数据进行解扩；对解扩之后的数据进行累加，并找到累加模最大值及对应的相位旋转量；相位调整量累加所有相位调整量进行累加，并将累加结果和本地参考时钟的时钟周期做除法，得到商值和余数值，用于对本地跳扩频码相位进行整参考时钟周期调整以及用于对本地跳扩频码相位按照余数值进行一个参考时钟周期内的调整。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种DS/FH混合扩频系统的信号相位跟踪方法。
背景技术
跳扩码相位跟踪是DS/FH(direct sequence/frequency hopping，直接序列/频率跳变)混合扩频系统的一项关键技术，其性能好坏直接决定了混合扩频系统在窄带干扰条件下的跟踪能力，也即决定了混合扩频系统在窄带干扰条件下的测量能力。
传统的码相位跟踪一般采用超前滞后型跟踪回路。但是DS/FH混合扩频信号的相关峰值在窄带干扰条件下会随着干扰功率的增大由单一峰值转变为三峰值，从而造成传统码相位跟踪回路的跟踪结果出现偏差，最终造成测量结果出现偏差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于窄带干扰条件下的DS/FH混合扩频系统的跳扩码相位跟踪方法，可实现DS/FH混合扩频系统跳扩码相位的正确和稳定跟踪。
本发明的技术解决方案：
一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法包括步骤如下：
(1)利用本地参考时钟生成用于对接收的跳扩信号进行解跳和解扩所需的本地跳频码字和本地扩频码字；
(2)利用本地跳频码字获得本地跳频载波并对接收的跳扩信号进行解跳；
(3)对解跳后的信号进行低通滤波和抽取，得到降速率的数据；
(4)对降速率的数据进行数字自动增益控制，得到幅度基本恒定的数据；
(5)旋转量控制对相位旋转的旋转量进行控制；其中初始进入跟踪时，其输出四个相位旋转量，分别定义为-p2,-p1,p1,p2；进入稳定跟踪之后，其输出两个相位旋转量，分别为-p1和p1；
(6)根据输入的相位旋转量的大小对幅度基本恒定的数据进行相位旋转，以实现本地跳频码相位的微调；
(7)利用步骤(1)得到的本地扩频码字对所述的相位旋转之后的数据进行解扩；
(8)对解扩之后的数据进行累加，求得累加结果的模值，并对不同相位旋转量下得到的累加结果的模值进行比较，找到最大模值对应的相位旋转量，并将该旋转量输出到旋转量控制以及相位调整量累加，旋转量控制将该相位旋转量输出到相位旋转用于数据相位旋转：
(9)相位调整量累加对步骤(8)累加判决输出的所有相位调整量进行累加，并将累加结果和步骤(1)中所用的本地参考时钟的时钟周期做除法，得到商值和余数值，其中商值反馈至跳频码字生成，用于对本地跳扩频码相位进行整参考时钟周期调整，余数值反馈至接收的跳扩信号解调，用于对本地跳扩频码相位按照余数值进行一个参考时钟周期内的调整。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法基于窄带干扰条件下DS/FH混合扩频信号的自相关峰值变化规律，对传统的超前滞后码跟踪回路进行改进，将其工作状态分为初始跟踪状态和稳定跟踪状态。在初始跟踪状态下，跟踪回路由两条超前支路和两条滞后支路组成，其中一组超前和滞后支路用于对当前所跟踪的自相关峰值的变化方向进行判决，另一组超前和滞后支路用于对当前峰值左右两边可能出现峰值的位置进行检测。如果检测结果显示左右两边出现的峰值大于当前的峰值，那么输出相应的相位调整量对当前跳扩码相位的跟踪结果进行修正，否则输出相应的相位调整量以维持对当前跳扩码相位的跟踪。不管检测结果如何，检测完毕后，跟踪回路均进入稳定跟踪状态，在稳定跟踪状态下，跟踪回路由一条 超前支路和一条滞后支路组成，用于对当前所跟踪的自相关峰值的变化方向进行判决，以实现对当前跳扩码相位的稳定跟踪。利用本发明方法，可以实现强窄带干扰条件下的跳扩码相位的正确和稳定跟踪，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。
(2)本发明采用初始跟踪旋转量控制和稳定跟踪旋转量控制两种方式，对幅度基本恒定的数据相位旋转进行控制，保证数据相位旋转的精度，防止信号处理出现错乱，提高了可靠性，另外本发明初始跟踪旋转量和稳定跟踪旋转量的设置，是经过大量实验和论证计算得到的，与扩频信号的自相关函数相关，进一步保证了旋转变化的精度和准确性。
(3)本发明对解跳后的信号进行低通滤波和抽取，得到降速率的数据；一方面对解跳后的信号进行低通滤波，滤除带外干扰分量；另一方面对滤波后的信号进行抽取，以降低信号速率，节省资源。
附图说明
图1为本发明方法的原理图；
图2为本实施例中DS/FH混合扩频信号加入窄带干扰前后自相关峰值变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理做进一步解释。
如图1所示，为本发明方法的原理图，主要步骤如下：
(1)利用本地参考时钟生成用于对接收的跳扩信号进行解跳和解扩所需的本地跳频码字和本地扩频码字；
(2)利用本地跳频码字获得本地跳频载波并对接收的跳扩信号进行解跳；
一方面根据输入的跳频码字合成得到本地跳频信号，对DS/FH混合扩频信号进行解跳；另一方面根据输入的周期内调整信号，采用相位旋转的方式对本地跳频信号的相位进行修正。相位旋转修正跳频相位的原理推导如下。跳扩信号可以表示为：
f(t)＝d(t)c(t)exp(j2πfit+θ),iThop≤t<(i+1)Thop (1)
式中，d(t)为信息数据，c(t)为直扩码片，fi为第i跳的跳频频率，θ为初始相位，Thop为跳频周期。那么，如果将上述跳扩信号在时间上移动间隔τ，信号就会变为
f(t)＝d(t+τ)c(t+τ)exp(j2πfi(t+τ)+θ),iThop≤t<(i+1)Thop (2)
由于τ远小于一个码片间隔或一个数据间隔，因此，信号可以近似表示为
对比公式(1)和(3)可以看到，要将跳扩信号的相位移动时间间隔τ，只需在每一跳内乘以一个固定的相位校正因子
(3)对解跳后的信号进行低通滤波和抽取，得到降速率的数据；
一方面对解跳后的信号进行低通滤波，滤除带外干扰分量；另一方面对滤波后的信号进行抽取，以降低信号速率，节省资源。
(4)对降速率的数据进行数字自动增益控制，得到幅度基本恒定的数据；
对滤波抽取后的信号功率进行控制。当系统存在窄带干扰时，解跳后，干扰若留在带内，则经过低通滤波后的剩余信号功率很大；干扰若留在带外，则被低通滤波器滤除，剩余信号功率很小。为了减小留在带内的干扰对后续处理的影响，此处需要使用数字AGC模块将上述两种情况下的信号功率控制在相同的水平上。
(5)旋转量控制对相位旋转的旋转量进行控制；其中初始进入跟踪时，其输出四个相位旋转量，分别定义为-p2,-p1,p1,p2；进入稳定跟踪之后，其输出两个相位旋转量，分别为-p1和p1；
完成对相位旋转部分的相位旋转量大小的控制。它具有两种工作状态：一种是初始跟踪状态，此时该部分控制输出四个相位旋转量±p1和±p2；另一种是稳定跟踪状态，此时该部分控制输出两个相位旋转量±p1，工作状态的切换由 累加判决部分输出的信号进行控制。
相位旋转量p1和p2与DS/FH混合扩频信号在窄带干扰条件下的自相关峰值变化规律密切相关，具体计算方式如下：
当收发端跳扩码相位存在τ(τ远远小于Tchip，Tchip为直扩码片间隔)的偏差时，解跳解扩后的信号可以近似表示为
上面的表达式忽略了信息数据和信号的初始相位，这不会对后面的分析造成影响。在每一跳内对解跳解扩后的信号进行初次相干累加，再在N跳内进行二次相干累加，则可以得到累加后的I路和Q路信号为
其中，N表示二次相干累加的跳频个数，Ai为每跳内数据累加之后得到的累加值，根据窄带干扰的位置情况，其取值可近似归一化表示为
由公式(5)可以计算得到I2+Q2，将其简化后可以得到表达式为
其中，fj表示第j跳的跳频频率，j表示正整数；
由公式(7)可知，最终得到的累加模值I2+Q2是关于离散变量fij的函数，因此可以用其数学期望来表征其平均取值。
当跳频频率fi服从均匀分布，取值范围为[-fH,fH](fH为最高跳频频率)，窄带干扰处于跳频带宽的中心处，干扰带宽为[-fL,fL]时，可以得到fij的概率密度函数为
其中，[-fL,fL]表示干扰带宽，a表示fij可能的取值；
由p(fij)得到I2+Q2的数学期望表达式为
根据公式(9)得到跳频频带中心10％带宽内存在窄带干扰下的模值的期望值建立坐标系，如图2所示。图2中横坐标表示跳扩码相位差，关于做了归一化处理，纵坐标表示最大相关模值，并做了归一化处理。由图2可知，加入窄带干扰后，DS/FH混合扩频信号的自相关峰值出现3个极大值点，当加入强干扰之后，较低的次高峰值就有一定的概率会超过最高峰值，一旦初始进入跟踪时碰到此种情况就会造成后续的跟踪一直维持在错误的位置上，从而造成测量值出现一个固定的偏差。图中标出了相位旋转量p1和p2的位置，p1对应最高峰值下降3dB对应的相位偏差量，p2对应最高峰值和次高峰值之间的相位偏差量。
(6)根据输入的相位旋转量的大小对幅度基本恒定的数据进行相位旋转，以实现本地跳频码相位的微调；
(7)利用步骤(1)得到的本地扩频码字对所述的相位旋转之后的数据进行解扩；
(8)对解扩之后的数据进行累加，求得累加结果的模值，并对不同相位旋转量下得到的累加结果的模值进行比较，找到最大模值对应的相位旋转量，并将该旋转量输出到旋转量控制以及相位调整量累加，旋转量控制将该相位旋转量输出到相位旋转用于数据相位旋转：
分为初试进入跟踪和稳定跟踪：
初始进入跟踪时，分别求得相位旋转量为-p2,-p1,p1,p2的四路数据的累加结果的模值，并获取四路数据模值的最大值及最大值对应的相位旋转量，然后分别统计相位旋转量为-p2,-p1,p1,p2的概率(初始进入跟踪时，四个相位旋转量-p2,-p1,p1,p2输入多次，统计每次不同相位旋转量下到的累加结果的模值)，若±p2出现的概率大于±p1出现的概率，则根据-p2和p2出现的概率大小输出相应的相位调整量-p2或者相位调整量p2；若±p1出现的概率大于±p2出现的概率，则根据-p1和p1出现的概率大小输出相应的相位调整量-p1或者相位调整量p1，最后将最大模值对应的相位调整量输出到旋转量控制；
稳定跟踪状态时，对相位旋转量为±p1的2路信号进行相关累加和求模，然后比较模值大小并根据比较结果输出相位调整量p1或-p1到旋转量控制。
(8)相位调整量累加对步骤(8)累加判决输出的所有相位调整量进行累加，并将累加结果和步骤(1)中所用的本地参考时钟的时钟周期做除法，得到商值和余数值，其中商值反馈至跳频码字生成，用于对本地跳扩频码相位进行整参考时钟周期调整，余数值反馈至接收的跳扩信号解调，用于对本地跳扩频码相位按照余数值进行一个参考时钟周期内的调整。
对累加判决部分输出的相位调整量进行累加计数。由于相位调整量p1远小于跳扩码字生成模块的参考时钟周期Tclk，因此，需要对相位调整量进行累加。当相位调整累加量达到一个Tclk时，该模块就会向跳扩码字生成部分输出一个调整脉冲，对跳扩码相位进行整参考时钟周期调整。当相位调整累加量不到一个 Tclk时，跳频码相位的调整通过跳频相位旋转的方式实现，此时的相位偏差对直扩码相关值的影响可以忽略，因此可不对直扩码相位进行调整。这样，就实现了对跳扩码相位的连续跟踪。
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)
1.一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用本地参考时钟生成用于对接收的跳扩信号进行解跳和解扩所需的本地跳频码字和本地扩频码字；
(2)利用本地跳频码字获得本地跳频载波并对接收的跳扩信号进行解跳；
(3)对解跳后的信号进行低通滤波和抽取，得到降速率的数据；
(4)对降速率的数据进行数字自动增益控制，得到幅度基本恒定的数据；
(5)旋转量控制对相位旋转的旋转量进行控制；其中初始进入跟踪时，其输出四个相位旋转量，分别定义为-p2,-p1,p1,p2；进入稳定跟踪之后，其输出两个相位旋转量，分别为-p1和p1；
(6)根据输入的相位旋转量的大小对幅度基本恒定的数据进行相位旋转，以实现本地跳频码相位的微调；
(7)利用步骤(1)得到的本地扩频码字对所述的相位旋转之后的数据进行解扩；
(8)对解扩之后的数据进行累加，求得累加结果的模值，并对不同相位旋转量下得到的累加结果的模值进行比较，找到最大模值对应的相位旋转量，并将该旋转量输出到旋转量控制以及相位调整量累加，旋转量控制将该相位旋转量输出到相位旋转用于数据相位旋转；
(9)相位调整量累加对步骤(8)累加判决输出的所有相位调整量进行累加，并将累加结果和步骤(1)中所用的本地参考时钟的时钟周期做除法，得到商值和余数值，其中商值反馈至跳频码字生成，用于对本地跳扩频码相位进行整参考时钟周期调整，余数值反馈至接收的跳扩信号解跳，用于对本地跳扩频码相位按照余数值进行一个参考时钟周期内的调整。
2.根据权利要求1所述的一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法，其特征在于：步骤(5)中所述四个相位旋转量-p2,-p1,p1,p2的确定方法如下：
(5a)在每一跳内对解跳解扩后的信号进行初次相干累加，再在N跳内进行二次相干累加，则可以得到累加后的I路和Q路信号：
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其中，τ为收发端跳扩码相位偏差，fi表示第i跳的跳频频率，i表示正整数，N表示二次相干累加的跳频个数，Ai表示每跳内数据累加之后得到的累加值，根据窄带干扰的位置情况，其取值可近似归一化表示为
(5b)累加模值I2+Q2是关于离散变量fij的函数，由公式(2)计算得到I2+Q2：
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其中，fj表示第j跳的跳频频率，j表示正整数；
(5c)当跳频频率fi服从均匀分布，取值范围为[-fH,fH]时，fH表示最高跳频频率，窄带干扰处于跳频带宽的中心处，得到fij的概率密度函数：
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其中，[-fL,fL]表示干扰带宽，a表示fij可能的取值；
(5d)累加模值I2+Q2是关于离散变量fij的函数，用fij数学期望来表征I2+Q2平均取值，由p(fij)得到I2+Q2的数学期望表达式：
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(5e)根据公式(5)得到跳频频带中心10％带宽内存在窄带干扰下的模值的期望值建立坐标系，其中横坐标表示跳扩码相位差，并关于做归一化处理，纵坐标表示最大相关模值，并做归一化处理；加入窄带干扰后，接收的跳扩信号的自相关峰值出现3个极大值点，p1对应最高峰值下降3dB对应的相位偏差量，p2对应最高峰值和次高峰值之间的相位偏差量。
3.根据权利要求1所述的一种适用于窄带干扰的跳扩码相位跟踪方法，其特征在于：步骤(8)分为进入跟踪和稳定跟踪：
初始进入跟踪时，分别求得相位旋转量为-p2,-p1,p1,p2的四路数据的累加结果的模值，并获取四路数据模值的最大值及最大值对应的相位旋转量，然后分别统计相位旋转量为-p2,-p1,p1,p2的概率，若±p2出现的概率大于±p1出现的概率，则根据-p2和p2出现的概率大小输出相应的相位调整量-p2或者相位调整量p2；若±p1出现的概率大于±p2出现的概率，则根据-p1和p1出现的概率大小输出相应的相位调整量-p1或者相位调整量p1，最后将最大模值对应的相位调整量输出到旋转量控制；
稳定跟踪状态时，对相位旋转量为±p1的2路信号进行相关累加和求模，然后比较模值大小并根据比较结果输出相位调整量p1或-p1到旋转量控制。
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