CN108377158B - 一种实现扩频信号的多频段分割和聚合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现扩频信号的多频段分割和聚合方法,采用线性调频连续波（LFMCW）扩频信号进行频谱分割和聚合，在分割或聚合阶段仅需在时域进行相乘处理，LFMCW信号在时域实现的频谱分割，包括时域信号的分割位置与时域相乘滤波器的方法，LFMCW接收信号进行再聚合的方法。本发明将扩频信号进行频谱分割、聚合方法，能够充分利用碎片空闲信道资源；规避干扰信道；提高传输过程的保密性，防止信号在空中传播时被截获；具有很强抗干扰特性、抗截获能力、以及适应空闲信道的认知无线电功能，并获得较低调制速率条件下的高抗干扰、高解调鲁棒特性。

Description

一种实现扩频信号的多频段分割和聚合方法
技术领域
本发明涉及实现线性调频连续波(LFMCW，常简称为FMCW)这种扩频信号的多频段分割和聚合方法，应用于高抗干扰通信、抗截获通信、认知无线电等领域。
背景技术
通信信号的频谱分割和聚合技术既是认知无线电中适应频谱资源的关键技术，也是通信物理层抗截获的有效手段。通过对原信号在频谱上的打乱和重排，以及频谱插空等手段，使物理层信号截获和识别难以工作。
扩频信号主要包括直接序列扩频(DS)和跳频(FH)两大类，同样起到抗干扰和抗截获的作用，广泛应用于军用和民用领域。将扩频技术与频谱分割和聚合技术相结合，可能获得更有效的抗干扰和抗截获性能。但将传统的扩频信号与频谱分割聚合技术相结合也存在一些缺陷。对于DS信号，一般采用相干检测的方法，信号重聚合算法中对各子谱信号的相位一致性要求高，在高干扰环境的相位恢复性能难以保证，且频谱分割和聚合中所用的FFT/IFFT算法也易受干扰的影响，另外DS信号也受远近效应的影响。对于FH信号，因为本身就在较大的频谱上随机跳转所以有强的抗远近效应能力，但对于固定多频段窄带干扰则会出现较多误码。DS/FH混合信号则在兼顾DS和FH优势的同时消弱了DS和FH的抗干扰性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现线性调频连续波(LFMCW)扩频信号的多频段分割和聚合方法,使扩频信号具备很强的抗毁性、抗截获能力、以及适应空闲信道的认知无线电功能，并获得较低调制速率条件下的高抗干扰、高解调鲁棒特性。
LFMCW信号本质可以看作连续相位编码的DS信号。但LFMCW信号具有宜于频谱分割和聚合(无需FFT/IFFT信号处理)的特性；易于模拟产生大带宽谱(用锁相环PLL)，经过时域编码具有频谱编码的特性，保密性强；LFMCW分割子谱信号的解调可以先做子谱脉压再做聚合，提高子谱抗扰性。从而有效提高扩频信号的抗毁性、抗截获性能。
线性调频连续波(LFMCW)信号是一种时频域一致的信号，这种一致性体现在信号在时频、域是一种线性关系，时域的改变会直接映射到频域上。这就是LFMCW信号在时域实现频谱分割和再聚合的机理。
LFMCW扩频信号有多种表达形式，时频关系曲线既可以是锯齿波、也可以是三角波，以及其它线性时频关系。另外FMCW也有实信号和复信号(IQ正交信号)形式，分割和聚合的方法是相同的。
本发明以实频率斜升锯齿信号为例，说明实现FMCW扩频信号的多频段分割和聚合方法的过程。
本发明实现扩频信号的多频段分割和聚合方法，包括如下步骤
1)频谱分割的方法：
先对所处理的信号进行限定，LFMCW实频率斜升锯齿信号的基带时域表达式为：l(t)＝Abkcos(πμt2)，t∈[0，Ts)，A是信号幅度，bk是调制bit，μ是调频斜率，Ts是时域符号周期,信号时频关系为：
f＝μt (1)
为提高LFMCW信号的抗截获和抗识别，加入伪随机扰码c(t)调制：L(t)＝Abkc(t)cos(πμt2)；
仅需对LFMCW时域信号进行时域分割，按所需分割的子谱宽度要求，确定子谱的中心频率fi，fi是i子谱的中心频率，根据式(1)，确定时域符号的分割位置ti(i＝1，2，…，N-1)，ti＜Ts；
例如：设第i子谱的频率范围是f∈[fi-Bi/2，fi+Bi/2]，Bi是子谱的带宽，则时域分割位置在(fi-Bi/2)/μ和(fi+Bi/2)/μ，即ti∈[(fi-Bi/2)/μ，(fi+Bi/2)/μ]；
2)使用根升余弦成型滤波器分割子谱，根据式(1)，设LFMCW第i子谱对应的时域信号设置在|t-fi/μ|＜Bi/2μ，fi是i子谱的中心频率，可对时域LFMCW波形通过与频域滤波器H(f)相乘实现滤波，其中f＝μt，
Figure GDA0002359429800000031
该滤波器式中，αi是子谱成型的余弦滚降系数；
经过该滤波成型后的子谱信号通过常规的频谱搬移处理搬移到指定的、没有重叠干扰的载波频点f′i(i＝1，2，…，N)，实现频谱插空以实现认知无线电中的高效频谱利用，或者频域置乱以实现保密通信中的频域加密；
3)在通信接收机端，根据发射信号插空和置乱的频点f′i将信号按常规方法分别混频到原信号的频率fi，并将子谱与对应的扰码c*(t)相乘，获得解扰子谱信号；
4)对子谱信号的聚合
对子谱信号的聚合有三种方式：
(A)对子谱信号进行频域滤波与频域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(B)对子谱信号进行时域滤波与时域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(C)对各子谱先进行匹配滤波(脉压)，再将各子谱脉压的结果进行合并输出。
上述步骤3)使用根升余弦成型滤波器分割子谱，常规频谱分割方法是采用频域滤波的方法来实现频谱分割。本发明的分割滤波器可以在时域直接实现，对波形进行整形，无需卷积处理。
所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(A)对子谱信号进行频域滤波与频域聚合，再进行LFMCW脉压解扩，包括如下步骤：
(A.1)对子谱信号进行频域滤波
采用与式(2)相同的根升余弦滤波器进行对应子谱的频域滤波，频域滤波的输出获得各子谱信号，
Figure GDA0002359429800000041
(A.2)子谱间相位差的估计
当各子谱所在的中心频点fi之间频差较大时，各相邻子谱信号经过传播时延τ到达接收机时会存在相位差φi，i+1＝Δfiτ，τ是传播的时延，Δfi是子谱之间的载频频差，因此，将各子谱信号合并前，需要估计该相差
Figure GDA0002359429800000042
从而在聚合时进行相位补偿；
(A.3)频域子谱聚合
在毗邻子谱频域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure GDA0002359429800000043
然后，在频域进行子谱相加。
所述相位差的估计方法，包括导频估计法和子谱盲相位差估计法；
(A.2.1)导频估计法：与常用接收机相位同步的方法一致，通过在子谱信号帧前加入导频信号，在接送机对导频信号的频率、相位和幅度进行估计；
(A.2.2)子谱盲相位差估计方法：按文献(Abe J，Nakahira K，Kobayashi K.ABlind Phase Compensation Method for Direct Spectrum Division Transmission[C]，Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2011)，2011 IEEE.IEEE，2011：1-5.)中给出的盲相位差估计方法，由于两毗邻子谱Bi和Bi+1存在交叠的部分，则聚合时相对应的信号应该具有相同的相位；设两毗邻子谱接收信号有对应的信号时域采样点Si(k)和Si+1(k)，则毗邻子谱间的相位差估计就是
Figure GDA0002359429800000051
上划线表示在所有重叠采样点k范围内取平均，arg(·)是求两个复值的角度差，*表示取共轭。
所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(B)对子谱信号进行时域滤波和时域聚合，再进行LFMCW脉压解扩，包括如下步骤：
(B.1)对子谱信号进行时域滤波
因为LFMCW信号具有时频线性关系，因此在获得接收信号时钟同步的条件下，接收子谱信号的滤波也可以采用时域滤波来实现，时域滤波器与(2)式相同；子谱的时钟同步可以通过LFMCW的匹配脉压获得同步精准脉冲来获得，这是LFMCW接收信号同步的一般方法；
(B.2)子谱间相位差的估计
当各子谱所在的中心频点fi之间频差较大时，各相邻子谱信号经过传播时延τ到达接收机时会存在相位差φi，i+1＝Δfiτ，τ是传播的时延，Δfi是子谱之间的载频频差，因此，将各子谱信号合并前，需要估计该相差
Figure GDA0002359429800000052
从而在聚合时进行相位补偿；
(B.3)信号的时域聚合
在毗邻子谱时域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure GDA0002359429800000053
然后，在时域进行子谱相加，也就是时域波形衔接。
接收端可以对子谱信号进行时域或频域滤波，但考虑到接收机在对信号进行频谱聚合前一般未进行信号同步，因此更适宜用频域滤波。
所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(C)对各子谱先进行匹配滤波(脉压)，再将各子谱脉压的结果进行合并输出，包括如下步骤：
(C.1)子谱时域脉冲压缩：
先对每段子谱进行匹配脉冲压缩输出pi(t)；
(C.2)子谱间相位差的估计
取求子谱间的相位差
Figure GDA0002359429800000062
因为pi(t)峰值位置的信噪比较大，因此上式具有更好的相位差估计鲁棒性；
(C.3)对子谱时域脉压相位补偿
对各子谱的脉压输出pi(t)进行相位补偿，即
Figure GDA0002359429800000063
其中i＝1，2，…，N-1；
(C.4)子谱脉压合并
将各子带脉压结果累加，得到整个扩频信号的脉压输出，
Figure GDA0002359429800000064
本发明采用线性调频连续波(LFMCW)扩频信号进行频谱分割和聚合的方法，在分割或聚合阶段仅需在时域进行相乘处理，LFMCW信号在时域实现的频谱分割方法，包括时域信号的分割位置与时域相乘滤波器的方法，即式(2)。LFMCW接收信号进行再聚合的方法，其中(B)和(C)的聚合处理流程是本发明接收信号处理的关键流程。LFMCW接收信号再聚合过程中的处理方法，包括(B.1)、(B.3)、(C.2)、(C.3)、(C.4)是本发明的关键方法。
本发明将扩频信号进行频谱分割、聚合方法，能够充分利用碎片空闲信道资源；规避干扰信道；提高传输过程的保密性，防止信号在空中传播时被截获；具有很强抗干扰特性，即抗毁性强。
采用具有线性时频特性的LFMCW扩频信号进行频谱分割与聚合可以在时域实现，不需进行Fourier变换(DFT或FFT)，降低了复杂度，且子谱滤波没有Fourier变换环节，减小了由于接收信号频域偏移造成的衰落，性能恶化的风险。
各子谱时域脉压后再聚合的算法，即使在扩频信号个别子谱出现干扰的情况下，对其它子谱的合并效果影响很小，具有很好的抗干扰性能。
附图说明
图1为LFMCW扩频信号分割、聚合过程示意图；
图中，(a)原LFMCW扩频信号；
(b)LFMCW频域分拆；
(c)子谱根余弦滚降滤波(发、收的频域或时域滤波均采用该形式)；
(d)子谱时域聚合(衔接)；
(e)各子谱分别匹配脉压后再聚合；
其中e.1指是子带1解扩(脉压)的输出；
e.2指是子带2解扩(脉压)输出；
e.3指是各子带解扩后输出合并，获得幅度提高，脉宽变窄，等效为整个谱解扩，获得总带宽相等的扩频处理增益。
图2为LFMCW子谱聚合和解扩步骤流程。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
实施例
以实频率斜升锯齿信号为例，说明实现扩频信号的多频段分割和聚合方法的具体过程，该方法包括如下步骤：
1)频谱分割的方法：
先对所处理的信号进行限定，LFMCW实频率斜升锯齿信号的基带时域表达式为：l(t)＝Abkcos(πμt2)，t∈[0，Ts)，A是信号幅度，bk是调制bit，μ是调频斜率，Ts是时域符号周期，如图1(a)所示，信号时频关系为：
f＝μt (1)
为提高LFMCW信号的抗截获和抗识别，加入伪随机扰码c(t)调制：L(t)＝Abkc(t)cos(πμt2)；
仅需对LFMCW时域信号进行时域分割，按所需分割的子谱宽度要求，确定子谱的中心频率fi，fi是i子谱的中心频率，根据式(1)，确定时域符号的分割位置ti(i＝1，2，…，N-1)，ti＜Ts；
例如：设第i子谱的频率范围是.f∈[fi-Bi/2，fi+Bi/2]，Bi是子谱的带宽，则时域分割位置在(fi-Bi/2)/μ和(fi+Bi/2)/μ，即ti∈[(fi-Bi/2)/μ，(fi+Bi/2)/μ]；
2)使用根升余弦成型滤波器分割子谱，如图1(b)所示，根据式(1)，设LFMCW第i子谱对应的时域信号设置在|t-fi/μ|＜Bi/2μ，fi是i子谱的中心频率，可对时域LFMCW波形通过与频域滤波器H(f)相乘实现滤波，其中f＝μt，如图1(c)所示。
Figure GDA0002359429800000081
该滤波器式中，αi是子谱成型的余弦滚降系数；
经过该滤波成型后的子谱信号通过常规的频谱搬移处理搬移到指定的、没有重叠干扰的载波频点f′i(i＝1，2，…，N)，实现频谱插空以实现认知无线电中的高效频谱利用，或者频域置乱以实现保密通信中的频域加密；
3)在通信接收机端，根据发射信号插空和置乱的频点f′i将信号按常规方法分别混频到原信号的频率fi，并将子谱与对应的扰码c*(t)相乘，获得解扰子谱信号；
4)对子谱信号的聚合
对子谱信号的聚合可以有三种方式：
(A)对子谱信号进行频域滤波与频域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(B)对子谱信号进行时域滤波与时域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(C)对各子谱先进行匹配滤波(脉压)，再将各子谱脉压的结果进行合并输出。
上述方式(A)参见图2中的(A)处理支路的过程；
(A.1)对子谱信号进行频域滤波
采用与式(2)相同的根升余弦滤波器进行对应子谱的频域滤波。频域滤波的输出获得各子谱信号，
Figure GDA0002359429800000091
(A.2)子谱间相位差的估计
当各子谱所在的中心频点fi之间频差较大时，各相邻子谱信号经过传播时延τ到达接收机时会存在相位差φi，i+1＝Δfiτ，τ是传播的时延，Δfi是子谱之间的载频频差；因此，将各子谱信号合并前，需要估计该相差
Figure GDA0002359429800000092
从而在聚合时进行相位补偿；
所述子谱间相位差的估计方法，包括导频估计法和子谱盲相位差估计方法；
(A.2.1)导频估计法：与常用接收机相位同步的方法一致。通过在子谱信号帧前加入导频信号，在接送机对导频信号的频率、相位和幅度进行估计；
(A.2.2)子谱盲相位差估计方法：按文献(Abe J，Nakahira K，Kobayashi K.ABlind Phase Compensation Method for Direct Spectrum Division Transmission[C]，Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2011)，2011 IEEE.IEEE，2011：1-5.)中给出的盲相位差估计方法，由于两毗邻子谱Bi和Bi+1存在交叠的部分，则聚合时相对应的信号应该具有相同的相位，设两毗邻子谱接收信号有对应的信号时域采样点Si(k)和Si+1(k)，则毗邻子谱间的相位差估计就是
Figure GDA0002359429800000101
上划线表示在所有重叠采样点k范围内取平均，arg(·)是求两个复值的角度差，*表示取共轭；
(A.3)频域子谱聚合
在毗邻子谱频域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure GDA0002359429800000102
然后，在频域进行子谱相加；
上述方式(B)参见图2中的(B)处理支路的过程：
(B.1)对子谱信号进行时域滤波
因为LFMCW信号具有时频线性关系，因此在获得接收信号时钟同步的条件下，接收子谱信号的滤波也可以采用时域滤波来实现，时域滤波器与(2)式相同；
子谱的时钟同步可以通过LFMCW的匹配脉压获得同步精准脉冲来获得，这是LFMCW接收信号同步的一般方法；
(B.2)子谱间相位差的估计
与(A.2)方法相同；
(B.3)信号的时域聚合
在毗邻子谱时域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure GDA0002359429800000103
然后，在时域进行子谱相加，也就是时域波形衔接，如图1(d)所示。
接收端可以对子谱信号进行时域或频域滤波，但考虑到接收机在对信号进行频谱聚合前一般未进行信号同步，因此更适宜用频域滤波。
上述方式(C)参见图2中的(C)处理支路的过程：
(C.1)子谱时域脉冲压缩：先对每段子谱进行匹配脉冲压缩输出pi(t)；
(C.2)子谱间相位差估计
取
Figure GDA0002359429800000111
求子谱间的相位差
Figure GDA0002359429800000112
因为pi(t)峰值位置的信噪比较大，因此上式具有更好的相位差估计鲁棒性；
(C.3)对子谱时域脉压相位补偿
对各子谱的脉压输出pi(t)进行相位补偿，即
Figure GDA0002359429800000113
其中i＝1，2，…，N一1；
(C.4)子谱脉压合并
将各子带脉压结果累加，得到整个扩频信号的脉压输出，如图1(e)所示，
Figure GDA0002359429800000114
其中e.1指是子带1解扩(脉压)的输出；
e.2指是子带2解扩(脉压)输出；
e.3指是各子带解扩后输出合并，获得幅度提高，脉宽变窄，等效为整个谱解扩，获得总带宽相等的扩频处理增益。

Claims (4)

1.一种实现扩频信号的多频段分割和聚合方法，其特征在于：包括如下步骤1)频谱分割的方法：
先对所处理的信号进行限定，LFMCW实频率斜升锯齿信号的基带时域表达式为：l(t)＝Abk cos(πμt2)，t∈[0，Ts)，A是信号幅度，bk是调制bit，μ是调频斜率，Ts是时域符号周期，信号时频关系为：
f＝μt (1)
为提高LFMCW信号的抗截获和抗识别，加入伪随机扰码c(t)调制：
L(t)＝Abkc(t)cos(πμt2)；
仅需对LFMCW时域信号进行时域分割，按所需分割的子谱宽度要求，确定子谱的中心频率fi，fi是i子谱的中心频率，根据式(1)，确定时域符号的分割位置ti(i＝1，2，…，N-1)，ti＜Ts；
设第i子谱的频率范围是f∈[fi-Bi/2，fi+Bi/2]，Bi是子谱的带宽，则时域分割位置在(fi-Bi/2)/μ和(fi+Bi/2)/μ，即ti∈[(fi-Bi/2)/μ，(fi+Bi/2)/μ]；
2)使用根升余弦成型滤波器分割子谱，根据式(1)，设LFMCW第i子谱对应的时域信号设置在|t-fi/μ|＜Bi/2μ，fi是i子谱的中心频率，可对时域LFMCW波形通过与频域滤波器H(f)相乘实现滤波，其中f＝μt，
Figure FDA0002359429790000011
该滤波器式中，αi是子谱成型的余弦滚降系数；
经过该滤波成型后的子谱信号通过常规的频谱搬移处理搬移到指定的、没有重叠干扰的载波频点f′i(i＝1，2，…，N)，实现频谱插空以实现认知无线电中的高效频谱利用，或者频域置乱以实现保密通信中的频域加密；
3)在通信接收机端，根据发射信号插空和置乱的频点f′i将信号按常规方法分别混频到原信号的频率fi，并将子谱与对应的扰码c*(t)相乘，获得解扰子谱信号；
4)对子谱信号的聚合
对子谱信号的聚合有三种方式：
(A)对子谱信号进行频域滤波与频域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(B)对子谱信号进行时域滤波与时域聚合，再进行LFMCW脉压解扩；
(C)对各子谱先进行匹配滤波，再将各子谱脉压的结果进行合并输出。
2.根据权利要求1所述的实现扩频信号的多频段分割和聚合方法，其特征在于：所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(A)对子谱信号进行频域滤波与频域聚合，再进行LFMCW脉压解扩，包括如下步骤：
(A.1)对子谱信号进行频域滤波
采用与式(2)相同的根升余弦滤波器进行对应子谱的频域滤波，频域滤波的输出获得各子谱信号，
Figure FDA0002359429790000021
(A.2)子谱间相位差的估计
当各子谱所在的中心频点fi之间频差较大时，各相邻子谱信号经过传播时延τ到达接收机时会存在相位差φi，i+1＝Δfiτ，τ是传播的时延，Δfi是子谱之间的载频频差，因此，将各子谱信号合并前，需要估计该相差
Figure FDA0002359429790000022
从而在聚合时进行相位补偿；
(A.3)频域子谱聚合
在毗邻子谱频域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure FDA0002359429790000023
然后，在频域进行子谱相加。
3.根据权利要求1所述的实现扩频信号的多频段分割和聚合方法，其特征在于：所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(B)对子谱信号进行时域滤波和时域聚合，再进行LFMCW脉压解扩，包括如下步骤：
(B.1)对子谱信号进行时域滤波
因为LFMCW信号具有时频线性关系，因此在获得接收信号时钟同步的条件下，接收子谱信号的滤波也可以采用时域滤波来实现，时域滤波器与(2)式相同；
子谱的时钟同步可以通过LFMCW的匹配脉压获得同步精准脉冲来获得；
(B.2)子谱间相位差的估计
当各子谱所在的中心频点fi之间频差较大时，各相邻子谱信号经过传播时延τ到达接收机时会存在相位差φi，i+1＝Δfiτ，τ是传播的时延，Δfi是子谱之间的载频频差，因此，将各子谱信号合并前，需要估计该相差
Figure FDA0002359429790000031
从而在聚合时进行相位补偿；
(B.3)信号的时域聚合
在毗邻子谱时域信号之间补偿以上估计的相位差：乘以
Figure FDA0002359429790000032
然后，在时域进行子谱相加，也就是时域波形衔接。
4.根据权利要求1所述的实现扩频信号的多频段分割和聚合方法，其特征在于：所述步骤4)对子谱信号的聚合的有三种方式，其中方式(C)对各子谱先进行匹配滤波，再将各子谱脉压的结果进行合并输出，包括如下步骤：
(C.1)子谱时域脉压压缩：先对每段子谱进行匹配脉冲压缩输出pi(t)；
(C.2)子谱间相位差估计
取
Figure FDA0002359429790000033
求子谱间的相位差
Figure FDA0002359429790000034
(C.3)对子谱时域脉压相位补偿
对各子谱的脉压输出pi(t)进行相位补偿，即
Figure FDA0002359429790000041
其中i＝1，2，…，N-1；
(C.4)子谱脉压合并
将各子带脉压结果累加，得到整个扩频信号的脉压输出，
Figure FDA0002359429790000042
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