CN108833320B - 一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法及系统，目的是为了提供一种高精度、低复杂度的宽带DS/FH信号参数快速估计方法。本发明的技术方案为：采用基于差分相关的DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值，参考延迟时间估计值，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号。根据延迟时间估计值判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对解扩信号进行分段处理，由分段信号组成分段信号矩阵；分别对分段信号矩阵的各行进行Keystone变换，Keystone变换后的信号矩阵各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵，频域矩阵取模方，按列进行非相参累加，得到累加后的向量。在累加后的向量中找出最大值对应的频率fm，进行速度估计，完成参数估计。
Description
技术领域
本发明涉及扩频通信技术领域，具体涉及一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法及系统。
背景技术
宽带直跳扩(DS/FH)信号具有良好的抗干扰和抗截获特性，被广泛应用于航天测控通信和移动通信等领域。DS/FH信号的同步过程包括了信号的捕获与跟踪两个步骤，其中捕获需要对收发双方的相对速度和延迟时间进行估计：收发双方的相对速度可通过接收信号的多普勒频率计算；延迟时间可通过对跳频图案延迟和直扩伪码相位的估计计算。在低信噪比环境下，一跳内信号能量不足以实现信号参数的可靠估计，需对多跳信号能量进行积累。
目前常用的能量积累方法中，相干积累需要在跳频频率、伪码相位和多普勒频率三维进行联合搜索，计算量较大。在2015年International Computer Conference onWavelet Active Media Technology and Information Processing第115页至120页由Xiao Chen等人发表的“Fast Acquisition of a Phase-Coherent DS/FH SatelliteSignal”一文中，提出了基于差分相关的DS/FH信号快速估计方法，将DS/FH信号的时域不确定度跟频域不确定度进行分离，通过先确定时域不确定度，再确定频域不确定度的方法，将跳频频率、伪码相位和多普勒频率三维联合扫描过程变成跳频频率-伪码相位二维扫描和多普勒频率一维扫描，两个独立扫描过程，故可以一定程度上降低计算量。但基于差分相关的DS/FH信号快速估计方法在剥离信号中伪码分量和跳频频率分量后，没有考虑各跳信号残余的多普勒频率的差异，直接利用FFT鉴别残余的多普勒频率。对于宽带DS/FH信号来说，由收发双方相对速度造成的多普率频率扩散现象严重，多普勒频差会大于一个搜索间隔，这种直接鉴频的估计方法参数估计误差大。因此差分相关的DS/FH信号估计方法仍具有改进的空间。
许多频率估计方法可以同时对不同跳频频率对应的多普勒频率进行估计，如：基于时频分析的方法、基于稀疏线性回归的方法、基于粒子滤波的方法和基于最大似然估计的方法等。其中，基于时频分析的方法把信号描述为时间和频率的二维函数，可以准确反映出信号频率随时间变化的关系，但该方法频率分辨率低；基于稀疏线性回归的方法把跳频参数估计问题转换为稀疏求解问题，可解决多个信号同时捕获的问题，但该方法过程复杂，收敛速度慢，信噪比适应能力较差；基于粒子滤波的方法估计精度高，但需要充分的观测数据，因而实时性较差；基于最大似然估计的方法，对信号所有待估计参数进行遍历搜索，方法原理简单，应用范围广，但仍存在计算量大的问题。
因此目前急需一种低复杂度宽带DS/FH信号高精度快速参数估计方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法及系统，目的是为了提供一种高精度、低复杂度的宽带DS/FH信号参数快速估计方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法，该方法包括：
步骤一、采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值。
步骤二、以延迟时间估计值作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号。
步骤三、根据延迟时间估计值判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对解扩信号进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵；分别对分段信号矩阵的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵。
步骤四、对Keystone变换后的信号矩阵的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵。
步骤五、对频域矩阵取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量。
步骤六、在累加后的向量中找出最大值对应的频率fm，则速度估计值为
完成参数估计；
其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
进一步地，以延迟时间估计值
作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号，具体为：
利用延迟时间估计值，调整本地载波的跳频图案与本地直扩伪码的初相，使得本地载波的跳频图案与接收信号的载波跳频同步，调整本地直扩伪码与接收信号直扩伪码同步，将接收信号与本地载波和本地直扩伪码相乘得到解扩信号。
本发明还提供了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计系统，该系统包括延迟时间估计模块、解扩模块、Keystone变换模块、傅里叶变换模块、非相参积累模块、多普勒频率估计模块以及速度估计模块。
延迟时间估计模块，配置用于采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值，并将延迟时间估计值输出至解扩模块。
解扩模块，配置用于以延迟时间估计值作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号，并将延迟时间估计值以及解扩信号输出至Keystone变换模块。
Keystone变换模块，配置用于根据码相位估计值判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对解扩信号进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵；分别对分段信号矩阵的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵，并将Keystone变换后的信号矩阵输出至傅里叶变换模块。
傅里叶变换模块，配置用于对Keystone变换后的信号矩阵的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵，并将频域矩阵输出至非相参积累模块。
非相参积累模块，配置用于对频域矩阵取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量，并将累加后的向量输出至多普勒频率估计模块。
多普勒频率估计模块，配置用于在累加后的向量中找出最大值对应的频率fm，作为多普勒频率估计值，并将多普勒频率估计值输出至速度估计模块；
速度估计模块，配置用于依据多普勒频率估计值进行速度估计，得到速度估计值为
完成参数估计。
其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
有益效果：
本发明所提供的基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法及系统，在差分相关的DS/FH信号估计方法的基础上进行改进，利用Keystone变换对不同跳频频率的残余多普勒频率进行校正，消除不同跳频频率之间多普勒频率的差异，通过对校正后的多普勒频率进行估计，实现对接收机相对速度的快速并行搜索，解决了宽带DS/FH信号不同频率分量上多普勒频率差异大，不利于能量积累的问题，提高了对DS/FH信号参数快速估计的精度。本方法的频率分辨率比基于时频分析的方法高，且相比基于稀疏线性回归的方法运算过程简单，捕获时间短，信噪比适应能力强，实时性和计算复杂度优于基于粒子滤波和最大似然估计的方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计系统各组成部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明所提供的基于于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方案，其原理为：首先基于差分相关的DS/FH信号快速方法获得延迟时间估计值，并以此作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理。该解扩信号经过Keystone变换后，各跳残留载波频率集中在某一频点上，实现了多频信号转化为单频信号，进而利用傅里叶变换FFT实现多普勒频率快速估计，并进一步利用多普勒频率估计值进行速度的估计。
基于上述原理，本发明的一个实施例提供了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法，具体流程如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一、采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值
步骤二、以延迟时间估计值
作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号rd(n)。
本发明实施例中，利用延迟时间估计值
调整本地载波的跳频图案与本地直扩伪码的初相，使得本地载波的跳频图案与接收信号的载波跳频同步，调整本地直扩伪码与接收信号直扩伪码同步，将接收信号与本地载波和本地直扩伪码相乘得到解扩信号rd(n)。
本发明实施例给出了一种解扩信号rd(n)的表达形式，如式(1)：
其中，n表示采样序列标号，D(n)表示调制数据，Ts表示采样间隔，fd(n)表示残余多普勒频率且
fd(n)＝α[f0+fh(n)] (2)
f0表示接收信号的射频频率，fh(n)表示采样点n处的跳频频率，α表示信号的收发双方相对运动速度和光速c的比值。
步骤三、根据延迟时间估计值
判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对解扩信号rd(n)进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵R；分别对分段信号矩阵R的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵S；
本发明实施例中，依照式(1)给出的解扩信号的表达形式，所得到的分段信号矩阵可表示为：
其中，矩阵R第k行的信号频率为α[f0+fh(kN)]，k为行数，k＝0,1,…,K-1；Ts表示采样间隔；NTs为跳频周期和数据位宽的最大公约数；KNTs为解扩信号的长度；分段处理后，每段信号长为NTs。
以
为初始延迟在解扩信号的跳频图案中查找矩阵各行对应的跳频频率，即第k行的对应的跳频频率为fh(kN)。
由式(2)可知各频点的残余多普勒频率之间的比值关系，因此可以通过变采样率的方式将残余载波调整到同一频点上，该过程可由Keystone变换实现。调整后矩阵R第k行的信号的采样间隔为
重采样后的信号矩阵S中的元素可表示为
其中p(x)＝sinc(x)rect(x/M)为Keystone变换的插值核函数，rect表示矩形窗函数，M为窗长，x为变量，式(5)中
为Keystone变换造成的相位线性变化量；A为信号幅度；D(kN)表示调制数据；α表示信号的收发双方相对运动速度和光速的比值。
步骤四、对Keystone变换后的信号矩阵S的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵F。
本发明实施例中，按照式(5)给出的矩阵S中的元素的表达形式，频域矩阵F的中元素表达形式如式(6)：
其中，
为傅里叶变换后的
fn为傅里叶变换后的频率变量。
步骤五、对频域矩阵F取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量I。
本发明实施例中，按照式(6)给出的频域矩阵F的中元素表达形式，累加后的向量I中的元素i(fn)具体为：
定义I最大值所在频率为fm，则
步骤六、在向量I中找出最大值对应的频率fm，则速度估计值为
完成参数估计；
其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
本实施例中给出的具体公式形式是为对本发明中具体步骤进行解释说明给出的具体实例，并非为限定本发明的保护范围。
基于上述实施例，本发明还提供了一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计系统，该系统各组成部分如图2所示，具体包括延迟时间估计模块、解扩模块、Keystone变换模块、傅里叶变换模块、非相参积累模块、多普勒频率估计模块以及速度估计模块。
延迟时间估计模块，配置用于采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值
并将延迟时间估计值
输出至解扩模块。
解扩模块，配置用于以延迟时间估计值
作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号rd(n)，并将延迟时间估计值
以及解扩信号rd(n)输出至Keystone变换模块。
Keystone变换模块，配置用于根据延迟时间估计值
判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对解扩信号rd(n)进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵R；分别对分段信号矩阵R的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵S，并将Keystone变换后的信号矩阵S输出至傅里叶变换模块。
傅里叶变换模块，配置用于对Keystone变换后的信号矩阵S的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵F，并将频域矩阵F输出至非相参积累模块。
非相参积累模块，配置用于对频域矩阵F取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量I，并将向量I输出至多普勒频率估计模块。
多普勒频率估计模块，配置用于在向量I中找出最大值对应的频率fm，作为多普勒频率估计值，并将多普勒频率估计值输出至速度估计模块。
速度估计模块，配置用于依据多普勒频率估计值进行速度估计，得到速度估计值为
完成参数估计。其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值；
步骤二、以所述延迟时间估计值作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号；
步骤三、根据所述延迟时间估计值判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对所述解扩信号进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵；分别对所述分段信号矩阵的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵；
步骤四、对所述Keystone变换后的信号矩阵的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵；
步骤五、对所述频域矩阵取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量；
步骤六、在所述累加后的向量中找出最大值对应的频率fm，则速度估计值为
完成参数估计；
其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述延迟时间估计值
作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号，具体为：
利用所述延迟时间估计值，调整本地载波的跳频图案与本地直扩伪码的初相，使得本地载波的跳频图案与接收信号的载波跳频同步，调整本地直扩伪码与接收信号直扩伪码同步，将接收信号与本地载波和本地直扩伪码相乘得到解扩信号。
3.一种基于Keystone变换的宽带DS/FH信号参数估计系统，其特征在于，该系统包括延迟时间估计模块、解扩模块、Keystone变换模块、傅里叶变换模块、非相参积累模块、多普勒频率估计模块以及速度估计模块；
所述延迟时间估计模块，配置用于采用基于差分相关的宽带直跳扩DS/FH信号估计方法获得接收信号的延迟时间估计值，并将所述延迟时间估计值输出至所述解扩模块；
所述解扩模块，配置用于以所述延迟时间估计值作为本地载波跳频图案和本地直扩伪码的初始延迟，对接收信号进行解扩处理，得到解扩信号，并将所述延迟时间估计值以及所述解扩信号输出至所述Keystone变换模块；
所述Keystone变换模块，配置用于根据码相位估计值判断接收信号的频率跳变和符号翻转的位置，对所述解扩信号进行分段处理，分段后得到的每段信号内不存在频率跳变和符号翻转，由分段信号组成分段信号矩阵；分别对所述分段信号矩阵的各行进行楔石Keystone变换，得到Keystone变换后的信号矩阵，并将所述Keystone变换后的信号矩阵输出至所述傅里叶变换模块；
所述傅里叶变换模块，配置用于对所述Keystone变换后的信号矩阵的各行分别进行傅里叶变换，得到频域矩阵，并将所述频域矩阵输出至所述非相参积累模块；
所述非相参积累模块，配置用于对所述频域矩阵取模方后，按列进行非相参累加，得到累加后的向量，并将所述向量输出至所述多普勒频率估计模块；
所述多普勒频率估计模块，配置用于在所述累加后的向量中找出最大值对应的频率fm，作为多普勒频率估计值，并将所述多普勒频率估计值输出至所述速度估计模块；
所述速度估计模块，配置用于依据所述多普勒频率估计值进行速度估计，得到速度估计值为
完成参数估计；
其中c为光速，f0为接收信号的射频频率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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