CN106506037B - 一种非相干扩频通信系统的解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非相干扩频通信系统的解调方法，属于卫星中继通信技术领域。该发明方法首先对接收信号进行中频下变频和低通滤波，再用本地伪码对下变频后信号进行解扩，再将解扩信号延迟共轭相乘，在一个伪码周期内累加并取模，进而得到伪码预测值，再用得到的伪码相位解扩并对解扩值延迟相乘，再对结果做快速傅立叶变换，得到多普勒频率估计值，得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用得到的伪码预测值对下变频信号进行解扩，再构建两路本地移动窗，然后采用两路本地移动窗搜寻数据位起始相位，完成位同步。本方法实现简单，不仅对数据位跳变时刻不敏感,位同步准确可靠，且捕获时间短，适用于工程实现。
Description
技术领域
本发明属于卫星中继通信技术领域，更具体地，涉及一种非相干扩频通信系统的解调方法。
背景技术
目前采用的常规直扩(直接序列扩频)通信体制通常为相干扩频系统，即扩频码周期和数据码元时间宽度间为整数倍关系。常规扩频系统具有一定的处理增益，使得接收机自身也具备较强的抗干扰能力，且随着扩频码处理增益的增大，抗干扰能力也随之增强。但是常规扩频体制存在信息安全方面抗侦听能力相对较弱的缺陷，一旦扩频序列为恶意用户所侦测，正常用户的数据码元很容易为对方破解。非相干扩频技术则可较好地解决这一问题，因扩频码周期和数据码元时间宽度间为非整数倍关系，数据码元宽度的解算将变得十分困难，这一特点直接提升了非相干扩频系统的抗侦听能力即信息安全能力。
现有非相干扩频通信系统解调技术中，基于快速傅立叶变换快捕算法则或者未考虑数据码元的跳变影响，或者未考虑受调制数据位宽度与伪码周期为非整数倍的关系。非相干捕获的匹配滤波器参数分析及伪码跟踪环设计等只解决了匹配滤波的参数设置和跟踪环路设计问题，未完整给出解扩方案。克服非相干数据影响的直扩信号捕获算法只解决了扩频码相位的搜索问题,但并未找到扩频的起始位置，即未完成数据码元起始位置(位同步)的搜寻。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非相干扩频通信系统的解调方法，其目的在于采用延迟共轭相乘消除数据位跳变的影响，并利用数字匹配滤波计算接收信号和本地扩频码即伪码的时域相关，完成伪码相位的并行捕获即扩频码同步，并利用快速傅立叶变换频谱分析完成多普勒频率的估计和补偿，然后采用两路本地移动窗搜寻数据位起始相位，完成位同步，由此解决现有技术中非相干扩频通信系统的解调方案不完整，数据码元误捕高的缺陷。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非相干扩频通信系统的解调方法，该发明方法包括以下步骤：
(1)对接收信号进行中频下变频和低通滤波；
(2)用本地伪码对中频下变频和低通滤波后的信号进行解扩；
(3)将解扩信号延迟共轭相乘，在一个伪码周期内累加并取模；
(4)判断累加后模值是否超过第一门限阈值，是则其峰值对应的相位即为接收信号伪码相位，进而得到伪码预测值；否则调整本地伪码相位，返回步骤(2)重新开始搜寻；
(5)用得到的伪码预测值解扩并对解扩值延迟相乘，再对结果做快速傅立叶变换，得到多普勒频率估计值；
(6)得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用得到的伪码预测值对下变频信号进行解扩，得到还原后的数据位；
(7)构建两路本地移动窗，两路移动窗内采样值分别累加并取模；
(8)将两路本地移动窗的累加模值相减，判断所得值是否超过第二门限阈值，是则确定数据位起始相位，完成位同步，得到数据位；否则两路本地移动窗同步调整相位，返回步骤(7)。
进一步地，该方法步骤(1)具体为：
接收信号为
其中，tk＝k·ts，ts为采样时间间隔，PS为接收信号功率，d(tk)为调制数据，PN(tk+τ)为带有延时量τ的伪码，ωI为中频频率，ωd为载波多普勒频率，为初始相位，n(tk)为噪声；
对接收信号进行中频下变频，并通过低通滤波滤除高频分量，得到同相I和正交Q两路信号，
其中，为载波多普勒频率估计值；nI(tk)、nQ(tk)分别为I支路和Q支路噪声；
进一步地，该方法步骤(2)具体为：
用本地伪码对下变频后信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
其中为对延时量τ的估计值；
进一步地，该方法步骤(3)具体为：
将解扩后信号进行延迟共轭相乘，然后在一个伪码周期内对上述信号进行累加取模，其值为
其中，延迟间隔m选为一个伪码元宽度，根据m序列的移位相加特性，m序列PN(tk)与其移位序列PN(tk-m)的模相加得到的序列为该m序列的另一位移序列PN(tk-m')；
由于d(tk)d(tk-m)只在数据位发生跳变的一个伪码元间隔内值为-1，其他时刻均为+1，因而其对相关结果的影响很小，可以忽略，故可进一步得到
由此可以看出，在累加前先进行延迟共轭相乘不仅可有效克服数据位跳变的影响,而且还避免了由载波多普勒频率残留值导致的相关峰值损失；
进一步地，该方法步骤(4)第一门限阈值为
Thre＝α·μ，
其中，其中α为比例因子；μ为步骤(3)所得F的数学期望值；
进一步地，该方法步骤(5)具体为：
利用步骤(4)获得的伪码预测值对接收信号进行解扩并进行延迟相乘可得
其中，多普勒频率估计值可通过对上式进行快速傅立叶变换频谱分析得到；由于仅在数据位发生跳变的一个码元宽度内d(tk)d(tk-m)＝-1，且进行快速傅立叶变换处理前一般需进行降采样率处理，因而数据位跳变的少数几个采样值对快速傅立叶变换频谱分析结果产生的影响极小；
进一步地，该方法步骤(6)具体为：
得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用步骤(4)获得的伪码预测值对下变频信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
由于多普勒频率估计值已得到，故而PN(tk+τ)PN(tk+τ)＝1，于是可得
实际应用中，表征I和Q两路信号的残余常数比例因子，并不影响最终d(tk)的判决；
此时得到了还原后的数据位d(tk)值，但还并未找到d(tk)的起始相位，即尚未实现位同步；
进一步地，该方法步骤(7)具体为：
消除多普勒频偏并得到含噪声的解扩信号后，保持解扩前后信号的采样率不变；采用两路本地移动窗搜寻d(tk)数据位起始相位，每路本地移动窗的宽度为d(tk)的一个数据位宽；两路移动窗的时延差为半个数据位宽度；设靠前的移动窗为A，靠后的移动窗为B；若单位码元的采样点数为L，则两路本地移动窗分别对各自窗内的L个采样数据进行累加；残余噪声一般具有高斯白噪声性质，随着累加次数的增大，累加值中的噪声残余将趋于0；累加后将两路本地移动窗的L点采样信号累加值分别取模；
进一步地，该方法步骤(8)具体为：
将两路本地移动窗的累加值取模后相减得相减值C，将C与第二门限阈值Thre＝β·η对比做判决，其中β为比例因子，η为相减值C的数学期望值；
若C大于第二门限阈值，则表明A移动窗的起始相位即为数据位d(tk)的起始相位，完成位同步，此时相邻的前后2个数据码元是不相同的；否则两路本地移动窗同步调整相位，返回步骤(7)重新开始搜寻数据位起始相位，直至完成位同步为止。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
(1)本发明解调方法不含前导码，且给出了完整的捕获、解扩和位同步方案，既解决了扩频码相位的搜索，又解决了数据码元起始位置的搜寻；
(2)本发明解调方法对用户数据位跳变时刻不敏感，采用两路本地伪码移动窗进行位同步，方法简单可靠，同时大幅降低了数据码元误捕的概率。
附图说明
图1为非相干扩频示意图；
图2为非相干扩频通信系统解调流程框图；
图3为移动窗搜捕工作示意图；
图4为用户扩频信号和加噪后信号时域波形图；
图5为扩频信号与带多普勒频偏扩频信号；
图6为采用普通解扩方法得到的相关值；
图7为采用本发明后得到的相关峰；
图8为采用本发明后得到的多普勒频偏估计值；
图9为两路位同步移动窗累加值对比图；
图10为SNR＝-10dB时采用本发明后得到的位同步结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1非相干扩频示意图所示，伪码周期1的末尾并未对齐数据码元3的末尾，因此捕获过程无法采用常规相干扩频的匹配滤波等方式，而必须在搜寻到扩频码相位的起始位置后，再找到数据码元的起始位置。
如图2为本发明方法工作流程图，本发明包括以下步骤：
(1)对接收信号进行中频下变频和低通滤波：
接收信号为
其中，tk＝k·ts，ts为采样时间间隔，PS为接收信号功率，d(tk)为调制数据，PN(tk+τ)为带有延时量τ的伪码，ωI为中频频率，ωd为载波多普勒频率，为初始相位，n(tk)为噪声；
对接收信号进行中频下变频，并通过低通滤波滤除高频分量，得到同相I和正交Q两路信号，
其中，为载波多普勒频率估计值；nI(tk)、nQ(tk)分别为I支路和Q支路噪声；
(2)用本地伪码解扩：
用本地伪码对下变频后信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
其中为对延时量τ的估计值；
(3)将解扩信号延迟共轭相乘，在一个伪码周期内累加并取模：
将解扩后信号进行延迟共轭相乘，然后在一个伪码周期内对上述信号进行累加取模，其值为
其中，延迟间隔m选为一个伪码元宽度，根据m序列的移位相加特性，m序列PN(tk)与其移位序列PN(tk-m)的模相加得到的序列为该m序列的另一位移序列PN(tk-m')；
由于d(tk)d(tk-m)只在数据位发生跳变的一个伪码元间隔内值为-1，其他时刻均为+1，因而其对相关结果的影响很小，可以忽略，故可进一步得到
由此可以看出，在累加前先进行延迟共轭相乘不仅可有效克服数据位跳变的影响,而且还避免了由载波多普勒频率残留值导致的相关峰值损失；
(4)模值门限判决：
判断累加后模值是否超过阈值Thre＝α·μ，其中α为比例因子；μ为上一步所得相关值F的数学期望值。
若超过则其相关峰值对应的相位即为接收信号伪码相位，进而得到伪码预测值；否则调整本地伪码相位，返回至第二步重新开始搜寻；
(5)用得到的伪码相位解扩并对解扩值延迟相乘，再对结果做快速傅立叶变换，得到多普勒频率估计值：
利用步骤(4)获得的伪码预测值对接收信号进行解扩并进行延迟相乘可得
其中，多普勒频率估计值可通过对上式进行快速傅立叶变换频谱分析得到；由于仅在数据位发生跳变的一个码元宽度内d(tk)d(tk-m)＝-1，且进行快速傅立叶变换处理前一般需进行降采样率处理，因而数据位跳变的少数几个采样值对快速傅立叶变换频谱分析结果产生的影响极小；
(6)得到去频偏的解扩信号：
得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用步骤(4)获得的伪码预测值对下变频信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
由于多普勒频率估计值已得到，故而PN(tk+τ)PN(tk+τ)＝1，于是可得
实际应用中，表征I和Q两路信号的残余常数比例因子，并不影响最终d(tk)的判决；
此时得到了还原后的数据位d(tk)值，但还并未找到d(tk)的起始相位，即尚未实现位同步；
(7)构建两路本地移动窗，两路移动窗内将采样值分别累加并取模：
消除多普勒频偏并得到含噪声的解扩信号后，保持解扩前后信号的采样率不变；采用两路本地移动窗搜寻d(tk)数据位起始相位，每路本地移动窗的宽度为d(tk)的一个数据位宽。两路移动窗的时延差为半个数据位宽度。设靠前的移动窗为A，靠后的移动窗为B；图3为搜寻d(tk)数据位起始相位示意图，若单位码元的采样点数为L，则两路本地移动窗分别对各自窗内的L个采样数据进行累加；残余噪声一般具有高斯白噪声性质，随着累加次数的增大，累加值中的噪声残余将趋于0；累加后将两路本地移动窗的L点采样信号累加值分别取模；
(8)两窗累加后的模值相减，做阈值判决：
将两路本地移动窗的累加值取模后相减得相减值C，将C与第二门限阈值Thre＝β·η对比做判决，其中β为比例因子，η为相减值C的数学期望值；若C大于第二门限阈值，则表明A移动窗的起始相位即为数据位d(tk)的起始相位，完成位同步，此时相邻的前后2个数据码元是不相同的；否则两路本地移动窗同步调整相位，返回步骤(7)重新开始搜寻数据位起始相位，直至完成位同步为止。
实施例：
以一个非相干扩频通信系统的解调为例，系统数据码元速率为8kbps，扩频码速率为3.069Mbps，扩频码长为1023，信道SNR＝-15dB，多普勒频偏为80KHz。图4为用户扩频信号和加噪后信号时域波形图，图5为扩频信号与带多普勒频偏扩频信号。图6为采用普通解扩方法，即在一个伪码周期进行匹配滤波时得到的相关值，可见无相关峰出现，系统无法正常捕获。图7为采用本发明后得到的相关峰。图8为采用本发明后得到的多普勒频偏估计值，估计值为80KHz。图9为两路位同步移动窗累加值对比图。图10为SNR＝-15dB时采用本发明后得到的位同步结果对比图，第一幅为原始用户数据，第三副为位同步解扩后结果，第二幅为第三幅判决后结果，由图可见位同步结果正确，本发明所用方法准确无误。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对接收信号进行中频下变频和低通滤波；
(2)用本地伪码对中频下变频和低通滤波后的信号进行解扩；
(3)将解扩信号延迟共轭相乘，在一个伪码周期内累加并取模；
(4)判断累加后模值是否超过第一门限阈值，是则其峰值对应的相位即为接收信号伪码相位，进而得到伪码预测值；否则调整本地伪码相位，返回步骤(2)重新开始搜寻；
(5)用得到的伪码预测值解扩并对解扩值延迟相乘，再对结果做快速傅立叶变换，得到多普勒频率估计值；
(6)得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用得到的伪码预测值对下变频信号进行解扩，得到还原后的数据位；
(7)构建两路本地移动窗，两路移动窗内采样值分别累加并取模；
(8)将两路本地移动窗的累加模值相减，判断所得值是否超过第二门限阈值，是则确定数据位起始相位，完成位同步，得到数据位；否则两路本地移动窗同步调整相位，返回步骤(7)。
2.根据权利要求1所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(1)具体为：
接收信号为
其中，tk＝k·ts，k为采样点序号，ts为采样时间间隔，PS为接收信号功率，d(tk)为调制数据，PN(tk+τ)为带有延时量τ的伪码，ωI为中频频率，ωd为载波多普勒频率，为初始相位，n(tk)为噪声；
对接收信号进行中频下变频，并通过低通滤波滤除高频分量，得到同相I和正交Q两路信号，
其中， 为载波多普勒频率估计值；nI(tk)、nQ(tk)分别为I支路和Q支路噪声。
3.根据权利要求2所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(2)具体为：用本地伪码对中频下变频和低通滤波后的信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
其中为对延时量τ的估计值。
4.根据权利要求3所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(3)具体为：
将解扩后信号进行延迟共轭相乘，然后在一个伪码周期内对上述信号进行累加取模，可得
5.根据权利要求4所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(4)中第一门限阈值为
Thre＝α·μ，
其中，其中α为比例因子；μ为步骤(3)所得F的数学期望值。
6.根据权利要求5所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(5)具体为：
利用步骤(4)获得的伪码预测值对接收信号进行解扩并进行延迟相乘可得
其中，对上式进行快速傅立叶变换频谱分析得到多普勒频率估计值。
7.根据权利要求6所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(6)具体为：
得到多普勒频率估计值后，去除多普勒频移影响，再用步骤(4)获得的伪码预测值对下变频信号进行解扩，暂不考虑噪声的影响，可得
由PN(tk+τ)PN(tk+τ)＝1，得到
表征I和Q两路信号的残余常数比例因子，并不影响还原后的数据位d(tk)的判决。
8.根据权利要求7所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(7)具体为：
消除多普勒频偏并得到含噪声的解扩信号后，保持解扩前后信号的采样率不变；采用两路本地移动窗搜寻数据位d(tk)起始相位，每路本地移动窗的宽度为d(tk)的一个数据位宽；两路移动窗的时延差为半个数据位宽度；设靠前的移动窗为A，靠后的移动窗为B；单位码元的采样点数记为L，两路本地移动窗分别对各自窗内的L个采样数据进行累加，之后对累加值分别取模。
9.根据权利要求8所述的一种非相干扩频通信系统的解调方法，其特征在于，该方法步骤(8)具体为：
将两路本地移动窗的累加值取模后相减得到C，判断相减值C是否超过第二门限阈值
Thre＝β·η，
其中，β为比例因子，η为C的数学期望值；是则表明A移动窗的起始相位即为数据位d(tk)的起始相位，完成位同步，得到数据位；否则两路本地移动窗同步调整相位，返回步骤(7)重新开始搜寻数据位起始相位，直至完成位同步为止。
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| US7643535B1 (en) * | 2006-07-27 | 2010-01-05 | L-3 Communications Titan Corporation | Compatible preparation and detection of preambles of direct sequence spread spectrum (DSSS) and narrow band signals |
| CN105141340A (zh) * | 2015-07-24 | 2015-12-09 | 南京理工大学 | 直扩msk信号的全数字接收方法 |
| CN105471786A (zh) * | 2015-11-16 | 2016-04-06 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | 防止传输链路数据丢失的解调方法 |
-
2016
- 2016-10-25 CN CN201610939433.2A patent/CN106506037B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7643535B1 (en) * | 2006-07-27 | 2010-01-05 | L-3 Communications Titan Corporation | Compatible preparation and detection of preambles of direct sequence spread spectrum (DSSS) and narrow band signals |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《一种可克服非相干数据影响的直扩信号捕获算法》;赵春燕, 崔 嵬;《电子学报》;20110715;第39卷(第7期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106506037A (zh) | 2017-03-15 |
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