CN109004952B - 一种快跳频信号的跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快跳频信号的跟踪系统及方法，用于实现低信噪比下的快跳频系统的跳频图案同步的跟踪和保持，包括第一解跳模块、第二解跳模块、超前滞后状态估计模块、跳时差调整模块和本地载波生成模块。其中，超前滞后状态估计模块计算解调模块送入的超前支路和滞后支路解调后信号若干跳包络值的累加和之差来估计本地载波与接收信号的超前或者滞后状态，根据累加和之差的正负来确定当前跳时差调整的方向。跳时差调整模块计算时间调整值；本地载波生成模块根据时间调整值，结合系统超前支路和滞后支路所规定的固定超前和滞后时间，产生本地超前和滞后同相和正交四路载波；解跳模块利用本地四路载波对接收信号进行混频和滤波。

Description

一种快跳频信号的跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及一种快跳频信号的跟踪系统及方法，属于跳频通信技术领域。

背景技术

快跳频(FFH)通信在抗干扰通信领域引起了广泛的关注并得到了长足的发展，用于应对通信中存在的各种有意和无意干扰，是现代通信领域中一种有效的抗干扰和抗截获通信手段，已在军事通信领域等到了广泛的应用。快跳频系统的跳频速率因高于符号速率，一个信息符号占用多个跳频时隙，这导致快跳频通信固定时间内可传输的信息量极为有限，增大了系统接收的难度。

在FFH通信接收系统中，同步是决定FFH通信性能的基础和关键。FFH同步可分为捕获和跟踪两个阶段。捕获是指收发双方跳频序列的时间误差小于一定值。跟踪指在捕获的基础上使接收发双方跳频序列的时间误差进一步减小直至精确对准，使建立的同步保持下去。

传统方法利用早迟门或者全早迟门，利用早门与迟门包络或者能量值，通过一定的算法，直接进行跳时差估计并用于跳时差调整，这些方法在低信噪比下包络或者能量值中包含有较多的噪声分量，直接进行跳时差估计其估计值不准确，缺点是导致跳频跟踪精度较低，也带来了跟踪速度慢，同时无法建立和保持高的同步精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术在低信噪比下跳时差估计不准确带来的跟踪速度慢、精度低的问题，提供一种快跳频信号的跟踪系统及方法，可实现低信噪比下快跳频系统的跳时差快速准确调整和高精度跟踪。

本发明的技术解决方案是：一种快跳频系统跟踪系统及方法，包括第一解跳模块、第二解跳模块、超前滞后状态估计模块、跳时差调整模块和本地载波生成模块，其中：

第一解跳模块，采用超前支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到超前支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

第二解跳模块，采用滞后支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到滞后支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

超前滞后状态估计模块，根据超前支路同相、正交零中频信号和滞后支路同相、正交零中频信号，估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，并将其送入跳时差调整模块；

跳时差调整模块，以1/4为归一化跳时差调整值初值，每L跳，根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态确定跳时差调整方向，按照等比数列递减的方法，更新归一化跳时差调整值Δ，并将归一化跳时差调整值Δ发送给本地载波生成模块；

本地载波生成模块，根据归一化跳时差调整值Δ，相对于上一跳载波的起始时刻，在T_c(1-d/2+Δ)之后输出超前支路的同相和正交两路载波；在T_c(1+d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的归一化的相关间距。

所述超前滞后状态估计模块估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态的具体方法为：

(2.1)、将本地超前支路同相I路、正交Q路载波和滞后支路同相I路、正交Q路载波分别与接收到的快跳频信号进行相关运算，得到相关值；

(2.2)、对每一跳超前支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、超前支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值分别进行积分运算，得到每一跳超前支路I路包络值超前支路Q路包络值滞后支路I路包络值滞后支路Q路包络值

(2.3)、分别将每一跳超前支路和滞后支路的I路包络值和Q路包络值求均方值，即得到超前支路包络值和滞后支路包络值

(2.4)、分别计算L跳超前支路包络值和滞后支路包络值之和，然后用超前支路包络值之和减去滞后支路包络值之和，判断结果的正负，即得到了超前滞后状态。如果为正，表明此时本地载波相对于接收信号为滞后状态，如果为负，则为超前状态。

所述归一化跳时差调整值Δ的大小为上一个周期归一化跳时差调整值Δ大小的一半，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持归一化跳时差调整值Δ等于该预设门限不再减小。

所述调整值Δ预设门限为1/512或者1/256。

所述超前支路和滞后支路的归一化相关间距d为正，且小于1。

所述L的范围如下的公式的确定：

式中，E_h/N₀表示单跳快跳频信号的信噪比，单位是dB。

所述的T_c(1-d/2+Δ)及T_c(1-d/2+Δ)在具体硬件实现之中，其会被折算为具体的时钟周期的个数，值由如下的公式确定为：

其中T_s表示硬件实现中用于跳时差调整的工作时钟周期。表示对x向下取整，表示对x向上取整。

本发明的另一个技术解决方案是：一种快跳频系统跟踪方法，该方法包括如下步骤：

(1)、采用超前支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到超前支路零中频信号；采用滞后支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到滞后支路零中频信号；

(2)、根据超前支路零中频信号和滞后支路零中频信号，判断本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态；

(3)、根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，确定调时差调整方向，以1/4为归一化跳时差调整值初值，之后，每L跳，按照等比数列递减的方法，计算归一化跳时差调整值Δ，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持归一化跳时差调整值Δ等于该预设门限不再减小；

(4)、根据归一化跳时差调整值Δ，在时间T_c(1-d/2+Δ)之后个时钟周期后输出超前支路的同相和正交两路载波；在时间T_c(1+d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的相关间距；

(5)、重复步骤(1)～(4)，直至接收到的快跳频信号与本地载波同步。

所述步骤(2)的具体实现为：

(2.1)、将本地超前支路同相I路、正交Q路载波和滞后支路同相I路、正交Q路载波分别与接收到的快跳频信号进行相关运算，得到相关值；

(2.2)、对每一跳超前支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、超前支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值分别进行积分运算，得到每一跳超前支路I路包络值超前支路Q路包络值滞后支路I路包络值滞后支路Q路包络值

(2.3)、分别将每一跳超前支路和滞后支路的I路包络值和Q路包络值求均方值，即得到超前支路包络值和滞后支路包络值

(2.4)、分别计算L跳超前支路包络值和滞后支路包络值之和，然后用超前支路包络值之和减去滞后支路包络值之和，判断结果的正负，即得到了超前滞后状态。如果为正，表明此时本地载波相对于接收信号为滞后状态，如果为负，则为超前状态。

所述预设门限为1/512或者1/256。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)、本发明通过全早门迟门包络的差值确定跳时差方向，再采用等比数列方法调整跳时差大小，两者结合避免了直接采用早门和迟门包络值或者能量值进行跳时差估计时在低信噪比下受噪声影响大的特点，可以实现更高精度的快跳频跟踪；

(2)、本发明采用全早迟门包络的差值判断本地载波与接收信号的超前和滞后状态的方法将较小的跳时差对早门和迟门差异影响放大，同时抑制了噪声的影响，可以准确地判断超前滞后状态；

(3)、本发明采用等比数列的调整值便于硬件上的实现，不存在直接跳时差估计实现所需的除法和查表资源消耗，可节省硬件资源且易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例快跳频跟踪模型示意图；

图2为本发明实施例超前滞后状态估计模块示意图；

图3为本发明实施例跳时差调整模块流程图；

图4为本发明实施例仿真结果。

具体实施方式

下面就结合附图和具体实施例对本发明做进一步介绍。

本发明提供了一种快跳频系统跟踪系统，采用本发明可以实现低信噪比下快跳频信号的高精度跟踪。

如图1所示，本发明所述系统包括第一解跳模块、第二解跳模块、超前滞后状态估计模块、跳时差调整模块和本地载波生成模块，其中：

第一解跳模块，采用超前支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到超前支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

第二解跳模块，采用滞后支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到滞后支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

超前滞后状态估计模块，根据超前支路同相、正交中频信号和滞后支路同相、正交中频信号，估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，并将其送入跳时差调整模块；

如图2所示，所述超前滞后状态估计模块估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态的具体方法为：

(2.1)、将本地超前支路同相I路、正交Q路载波和滞后支路同相I路、正交Q路载波分别与接收到的快跳频信号进行相关运算，得到相关值；

(2.2)、对每一跳超前支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、超前支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值分别进行积分运算，得到每一跳超前支路I路包络值超前支路Q路包络值滞后支路I路包络值滞后支路Q路包络值

(2.3)、分别将每一跳超前支路和滞后支路的I路包络值和Q路包络值求均方值，即得到超前支路包络值和滞后支路包络值如下所示：

(2.4)、分别计算L跳超前支路包络值和滞后支路包络值之和，然后用超前支路包络值之和减去滞后支路包络值之和，判断结果的正负，即得到了超前滞后状态，如果为正，表明此时本地载波相对于接收信号为滞后状态，如果为负，则为超前状态。

跳时差调整模块，以1/4为跳时差调整值初值，每L跳，根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态确定跳时差调整方向，按照等比数列递减的方法，更新归一化跳时差调整值Δ大小，并将归一化跳时差调整值Δ发送给本地载波生成模块；所述归一化跳时差调整值Δ的大小为上一个周期归一化跳时差调整值Δ大小的一半，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持预设门限不再减小。所述预设门限可以是1/512或者1/256。具体实施例为：一旦检测到捕获成功，即表示跟踪开始，此时调整次数计数器M被置1，然后计算当前的调整值大小Δ₀＝(1/2)^M+1，为了防止调整量越来越小，调整效率越来越低，取Δ₀与预设门限(1/512或者1/256)之间的较大值作为当前次调整值的绝对值，然后乘上由超前滞后估计模块送入的超前滞后状态，即得到了调整值Δ，最后将调整次数计数器M加1。每L跳计算一个超前滞后状态后，就产生一个调整值。

本地载波生成模块，根据归一化跳时差调整值Δ，对下一跳的超前支路和滞后支路载波的产生时间进行控制，具体为：收到跳时差调整值Δ之后，相对于上一跳载波的起始时刻，在T_c(1-d/2+Δ)之后输出超前支路的同相和正交两路载波；在T_c(1+d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的归一化的相关间距。所述超前支路和滞后支路的归一化相关间距d为正，且小于1。T_c为跳频码周期。

在具体硬件实现之中，所述T_c(1+d/2+Δ)及T_c(1-d/2+Δ)可以折算为具体的时钟周期的个数，比如，T_c(1+d/2+Δ)可以采用或者实现，T_c(1-d/2+Δ)采用或者实现，其中T_s表示硬件实现中用于跳时差调整的工作时钟周期。表示对x向下取整，表示对x向上取整。

所述L的范围如下的公式的确定：

式中，E_h/N₀表示单跳快跳频信号的信噪比，单位是dB。

本发明还提供了一种快跳频系统跟踪方法，该方法包括如下步骤：

(1)、采用超前支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到超前支路中频信号；采用滞后支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到滞后支路中频信号；

(2)、根据超前支路中频信号和滞后支路中频信号，判断本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态；具体的实现步骤可以参见上述超前滞后状态估计模块的具体实现。

(3)、根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，确定调时差调整方向，以1/4为归一化跳时差调整值初值，之后，在每个周期，按照等比数列递减的方法，计算归一化跳时差调整值Δ，直到，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持归一化跳时差调整值Δ等于该预设门限不再减小，所述预设门限可以是1/512或者1/256。

(4)、根据归一化跳时差调整值Δ，在时间T_c(1-d/2+Δ)之后个时钟周期后输出超前支路的同相和正交两路载波；在时间T_c(1-d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的相关间距；

(5)、重复步骤(1)～(4)，直至接收到的快跳频信号与本地载波同步。

判断快跳频信号与本地载波同步的标准可以为：归一化时间调整值Δ的大小Δ≤1/256。

实施例：

图4为采用本发明所提供的方法实现快跳频BFSK系统的快速跟踪的效果图，系统的仿真条件如下：

调制方式：BFSK；

跳频码周期：

单跳的信噪比：

每次跳时差估计所用的跳数：L＝400hops；

初始归一化跳时差：e＝0.3；

超前支路和滞后支路归一化相关距离:d＝0.5；

单跳采样点数：N_samp＝512。

仿真结果表明，本方法利用全早迟门估计的准确的超前滞后状态，利用快速收敛的等比数列调整值，实现了低信噪比下高精度可靠的跳频图案的同步跟踪，跟踪误差小于0.02的置信区间为99％。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于包括第一解跳模块、第二解跳模块、超前滞后状态估计模块、跳时差调整模块和本地载波生成模块，其中：

第一解跳模块，采用超前支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到超前支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

第二解跳模块，采用滞后支路同相、正交载波与接收到的快跳频信号进行正交混频、滤波处理，得到滞后支路同相、正交中频信号，并将其发送至超前滞后状态估计模块；

超前滞后状态估计模块，根据超前支路同相、正交零中频信号和滞后支路同相、正交零中频信号，估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，并将其送入跳时差调整模块；

跳时差调整模块，以1/4为归一化跳时差调整值初值，每L跳，根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态确定跳时差调整方向，按照等比数列递减的方法，更新归一化跳时差调整值Δ，并将归一化跳时差调整值Δ发送给本地载波生成模块；

本地载波生成模块，根据归一化跳时差调整值Δ，相对于上一跳载波的起始时刻，在T_c(1-d/2+Δ)之后输出超前支路的同相和正交两路载波；在T_c(1+d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的归一化的相关间距。

2.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述超前滞后状态估计模块估计本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态的具体方法为：

(2.1)、将本地超前支路同相I路、正交Q路载波和滞后支路同相I路、正交Q路载波分别与接收到的快跳频信号进行相关运算，得到相关值；

(2.2)、对每一跳超前支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、超前支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值分别进行积分运算，得到每一跳超前支路I路包络值超前支路Q路包络值滞后支路I路包络值滞后支路Q路包络值

(2.3)、分别将每一跳超前支路和滞后支路的I路包络值和Q路包络值求均方值，即得到超前支路包络值和滞后支路包络值

(2.4)、分别计算L跳超前支路包络值和滞后支路包络值之和，然后用超前支路包络值之和减去滞后支路包络值之和，判断结果的正负，即得到了超前滞后状态，如果为正，表明此时本地载波相对于接收信号为滞后状态，如果为负，则为超前状态。

3.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述归一化跳时差调整值Δ的大小为上一个周期归一化跳时差调整值Δ大小的一半，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持归一化跳时差调整值Δ等于该预设门限不再减小。

4.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述调整值Δ预设门限为1/512或者1/256。

5.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述超前支路和滞后支路的归一化相关间距d为正，且小于1。

6.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述L的范围如下的公式的确定：

式中，E_h/N₀表示单跳快跳频信号的信噪比，单位是dB。

7.根据权利要求1所述的一种快跳频信号的跟踪系统，其特征在于所述的T_c(1-d/2+Δ)及T_c(1-d/2+Δ)在具体硬件实现之中，其会被折算为具体的时钟周期的个数，值由如下的公式确定为：

其中T_s表示硬件实现中用于跳时差调整的工作时钟周期；表示对x向下取整，表示对x向上取整。

8.一种快跳频信号的跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、采用超前支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到超前支路零中频信号；采用滞后支路同相和正交载波与接收到的快跳频信号进行混频、滤波处理，得到滞后支路零中频信号；

(2)、根据超前支路零中频信号和滞后支路零中频信号，判断本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态；

(3)、根据本地载波与接收的快跳频信号的超前和滞后状态，确定调时差调整方向，以1/4为归一化跳时差调整值初值，之后，每L跳，按照等比数列递减的方法，计算归一化跳时差调整值Δ，直到归一化跳时差调整值Δ小于预设门限后，就维持归一化跳时差调整值Δ等于该预设门限不再减小；

(4)、根据归一化跳时差调整值Δ，在时间T_c(1-d/2+Δ)之后个时钟周期后输出超前支路的同相和正交两路载波；在时间T_c(1+d/2+Δ)之后输出滞后支路的同相和正交两路载波，所述d为超前支路与滞后支路的归一化的相关间距；

(5)、重复步骤(1)～(4)，直至接收到的快跳频信号与本地载波同步。

9.根据权利要求8所述的一种快跳频信号的跟踪方法，其特征在于所述步骤(2)的具体实现为：

(2.1)、将本地超前支路同相I路、正交Q路载波和滞后支路同相I路、正交Q路载波分别与接收到的快跳频信号进行相关运算，得到相关值；

(2.2)、对每一跳超前支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、超前支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路同相I路载波与接收到的快跳频信号相关值、滞后支路正交Q路载波与接收到的快跳频信号相关值分别进行积分运算，得到每一跳超前支路I路包络值超前支路Q路包络值滞后支路I路包络值滞后支路Q路包络值

(2.3)、分别将每一跳超前支路和滞后支路的I路包络值和Q路包络值求均方值，即得到超前支路包络值和滞后支路包络值

(2.4)、分别计算L跳超前支路包络值和滞后支路包络值之和，然后用超前支路包络值之和减去滞后支路包络值之和，判断结果的正负，即得到了超前滞后状态，如果为正，表明此时本地载波相对于接收信号为滞后状态，如果为负，则为超前状态。

10.根据权利要求8所述的一种快跳频信号的跟踪方法，其特征在于所述预设门限为1/512或者1/256。