CN109039511A - 一种接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，所述方法包括下述步骤：(1)、捕获目标信号，确定捕获门限并基于捕获门限进行能量判决；(2)、基于相关器的输出能量进行追踪判决；(3)、监测目标信号中的信息，并进行异常判定，若判定异常则重新进行信号采集；(4)、进行信息层先验信息验证。本发明的方法采用了一种独特设计的动态门限判断方式，基于本发明的动态门限判断，能够有效防止信号错锁。此外，本发明中还设计了多种错锁的判断机制，进一步保障了抗干扰和防错锁的可靠性。

Description

一种接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种接收机抗干扰及防错的信号处理方法，该方法可应用于接收机、测控应答机的信号捕获。

背景技术

目前无线通信传播环境非常复杂，原因有以下几点：第一，无线通信信号的传播路径复杂。不仅有视距传播中的路径损耗，而且传播过程中要面临着复杂的地理环境，比如城市高层建筑群、山地、丘陵等等所以就会导致接收端在接收无线信号时，往往是经过信道畸变的信号，并且叠加了各种的干扰，造成通信信号质量下降。第二，无线通信通道是对范围内的所有无线设备开放的，这就使得各种无线通信系统和无线通信设备共存其中。如果衰落或干扰强度很高，无线信号达到接收端时可能存在两种状态：(1)通信链路中的干扰信号相对于期望信号很大，使得接收信号相对于干扰很微弱。(2)由于路径损耗和多径衰落，接收信号本身已经非常微弱。综合说来，微弱的接收信号很可能被其他信号干扰到，会导致接收机的接收通道错锁到其他干扰信号上。干扰和错锁是密切相关的，如果接收通道的抗干扰能力不够，会导致信号的错锁。

地面或星上的接收机接收解调信息或测距信息时，首先要完成信号的捕获，即粗捕，随后进入跟踪阶段，即精捕，跟踪后即完成了信号的同步，可以获得信号中的信息。在实际情况下，由于目标运动，设备接收到的信号动态范围很大，并且还带有多普勒；某些情况下，单套设备会同时接收多路接收信号(如测控应答机会收到遥控信息和上行测距信号)，在伪码捕获过程中，如果设计不当，很容易出现错锁现象(如遥控通道错误锁定到测距通道)。错锁会造成解调误码率恶化、测距结果错误、正确捕获时间变长和信噪比估计错误等不良影响，因此研究如何避免伪码错锁和当发生错锁时程序如何自动退出错锁是很必要的。

信号是利用相关器搜索和检测相关峰值来实现载波和码的捕获。在实际情况下，由于目标的运动，接收到的信号功率变化较大，捕获阶段的门限值通常是根据设备的灵敏度电平进行设置的，只要捕获阶段的相关峰值大于这个门限值，就认为捕获成功了。如果相关峰小于门限值，则继续搜索。捕获成功后，则进入跟踪阶段，跟踪的主要作用有：①继续减少本地扩频码与接收扩频码之间的相位误差，使之达到正常解扩的要求；②保持锁定状态，使本地扩频码跟踪接收扩频码的变化；③对同步状态进行监控，一旦发现失锁，应重新返回捕获状态，重新捕获。由于捕获时只是根据相关峰的值进行判断，所以可能发生错锁，因此跟踪阶段需要对接收信号进行验证，如发生错锁，需使程序重新进入捕获阶段，但这样会加长捕获时间，因此如何采取错锁判断措施高效准确的判断接收错锁一直是无线通信中的一个被关注却又难以解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的用于地面或星上接收机的信号处理方法不能有效抗干扰并防止错锁的问题，本发明提供了一种利用独特设计的动态门限进行能量判断，并且设计了利用信息码和先验信息两种判断方式进行防错锁判断的方法。

具体而言，本发明提供了一种接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)、捕获目标信号，确定捕获门限，并基于捕获门限对目标信号进行能量判决，选取超过捕获门限的信号进行追踪；

(2)、基于相关器的输出能量进行追踪判决，若相关器的输出能量不满足预定标准，则返回步骤(1)；

(3)、监测目标信号中的信息，并进行异常判定，若判定异常则返回步骤(1)重新进行信号采集；

(4)、进行信息层先验信息验证，若信息层先验信息验证错误，则返回步骤(1)。

进一步地，所述步骤(1)包括利用相关器对参考信号和外部信号之间的码延迟、频率二维参数空间进行搜索并计算相关输出，延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方为其中，r(n)是中频信号采样值，c(n)是本地PN码，τ是伪码相位延迟，f_d是相关器的多普勒值，基于延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方确定动态门限。

进一步地，所述步骤(2)包括获取相关器输出的同相、正交两路信号能量，并且对相关器输出的同相、正交两路信号能量的差异进行判定。

进一步地，所述步骤(3)包括获取被检测信号中的信息，并基于信息中的低概率信息码进行错锁识别。

进一步地，所述低概率信息码包括超过预定数目的全1码或全0码。

进一步地，所述步骤(4)包括：获取所接收到信号的信息，并且对信息层信息内容、格式进行识别。

优选地，本发明的方法还包括判断相关器输出的能量变化是否超过预定阈值，并且判断相关器输出的Q支路在预定时间内的噪声是否持续超过预定阈值。

技术效果

本发明的接收机抗干扰及防错锁方法能够有效避免接收机的错锁，相比于现有的基于相关峰的值进行防错锁判断的方式，本发明的防错锁方法的漏警的概率能够达到(32×10^-6+1％)⁴≈1×10^-8，而基于相关峰值的防错锁判断方式的错锁概率远大于本发明。

本发明的接收机抗干扰及防错锁方法能够有效避免接收机的错锁，假设接收机采用连续的N个码作为是否正确锁定的判据，则虚警概率(将错误码识别为正确码的概率)从N位随机码(假设分布均匀)中出现N个设置码的概率为2/2^N＝2^N-1，因为(设置码和设置码的反相码都会在锁定使采用，所以除数为2)，因此虚警概率与随机码的位数相关，位数越多，虚警概率越小。下面分析漏警概率(将正确码识别为错误码的概率)，在正确捕获的情况下，没有检测到设置码的概率即为误码率P，如果假设初始捕获错误的概率为1％(接收机接收实际情况小于1％)，则在4s内(一般接收机的捕获时间为4s)至少有4次重新捕获机会，因此漏警的概率是(P+1％)⁴，漏警概率与误码率有关，误码率只与发射端的信号调制质量和接收机信号解调质量有关，不受设置的N位随机码影响。

附图说明

图1为本发明的抗干扰防错锁方法的示意性流程图；

图2为遥控通道抗干扰及防错锁的一个示意性实施例；

图3为延迟、频率二维相关图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明进行详细说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例描述的范围之中。

如上面所提到的，本发明主要应用于地面或星上接收机。接收机对于信号的捕获(包括伪码捕获、载波捕获)和跟踪(包括伪码跟踪、载波跟踪)功能均在数字基带中通过软件完成。在信号的捕获和跟踪过程中，采用了信号捕获(捕获过程)→信号验证(跟踪过程)的流程，目的是在达到抗干扰指标的同时，降低错锁的概率。

本发明方法的基本思路是利用特殊设计的判断条件对信号进行判断，确定信号是否正常锁定。

按照判断顺序的判断条件有

(1)捕获门限判断：即判断信号能量，当对信号做相关时相关峰值满足捕获门限时，信号送入到相关器进行匹配滤波，。

(2)相关器能量判决：匹配滤波后，送出同相、正交两路信号。当出现信号异常时，同相、正交两路信号能量将会出现较大变化，此时正交、同相能量比Q/I也会出现比较大变化。通过检测这两种异常判断是否正确锁定。现有文献中，从未见过有将匹配滤波的结果采用本发明方式进行处理然后进行判断的情况，但是本申请的发明人发现，采用本发明的方法对匹配滤波的结果进行进一步处理后，来判断错锁比直接利用未加处理的信号本身进行判断更好。

(3)监测信号中信息：监测信号中的信息，如果连续监测到128个全1码，而在接收信息中，连续出现128个全1码的概率是几乎为0的，则重新捕获信号。

(4)信息层先验信息验证：通过对信息层信息内容、格式等识别可以有效防止错锁发生，提高可靠性。

下面分别对上面所提到的各个判断条件是如何进行判断的进行详细说明。

一、捕获门限确定及判断方法如下：

相关器对参考信号和外部信号之间的码延迟、频率二维参数空间进行搜索并计算相关输出，延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方大小为式中r(n)是中频信号采样值，c(n)是本地PN码，τ是伪码相位延迟，f_d是本地相关器的多普勒值。只有当本地参考信号的τ和f_d逼近上行信号的τ和f_d，相关器才会输出最大值。

判决算法是：如果延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方大小R(τ,f_d)最大值满足下式：

为以外来信号为标准的上行信号的伪码相位延迟，为上行信号的本地相关器多普勒值，则认为是一个可能的接收信号，然后启动相关器。该门限是一个动态门限，因为它取的值是相对值。门限中的系数σ_d是根据设计的抗多址干扰指标确定的。

二、相关器的能量判决方法如下：

当接收信号进入跟踪阶段时，还必须时刻监视当前的跟踪是否为正确的跟踪，是否存在错误的锁定，是否存在信号丢失等情况。环路中能够利用的信息只有相关器输出的能量以及两路信号能量比Q/I(相关器输出的正交支路和同相分量的比值)的噪声情况。在信号丢失、干扰或者其它错误情况下，相关器输出的能量和Q/I的噪声会发生明显的变化。信号闪断时刻能量和Q/I的噪声迅速变化，可以利用该变化判决是否错误锁定。

判决失锁或者错误锁定的具体方法是：

(1)在跟踪过程中，不断监测相关器能量，如果相关器输出的能量变化超过16dB，则认为出现错误，重新捕获。

(2)在跟踪过程中，不断监测计算Q/I的方差，如果Var(Q/I)(指Q/I的方差)大于0.3，说明Q支路的长时间噪声过大，则认为错误锁定，重新捕获。

三、信息码错误判断方法为：

如果连续监测到接收信息中有n个全1码，则认为发生了错锁，需对接收信号进行重新捕获。n由用户设计时自定，n个全1码即认为发生错锁的原因的n个全1码出现概率很低，所以建议n取值64以上。

四、信息层先验信息验如证下：

由于接收信息内容、格式具有一些因用户设计或行业规范而出现的特征，因此可通过对信息层信息内容、格式等识别可以有效防止错锁发生，如果接收信息内容、格式不对，对接收信号进行重新捕获。

下面以测控应答机的遥控通道的捕获为例来详细说明本发明的信号处理方法。

应答机具有发射机和接收机，接收机负责接收地面上行遥控信息和地面上行的测量帧，发射机下发遥测数据和下行测量帧。

对于上行遥控信号，必须满足图2中全部所设条件才能进行下去。(1)首先需要通过捕获门限，当相关峰值满足捕获门限时，信号送入到相关器与相关器中的本地参考信号进行匹配滤波；(2)送出同相、正交两路信号。当出现信号异常时，同相、正交两路信号能量将会出现较大变化，此时正交、同相能量比Q/I也会出现比较大变化。通过检测(1)同相、正交两路信号能量的变化以及(2)正交、同相能量比Q/I的变化这两种变化的异常判断是否正确锁定。(3)对接收到信号中信息做信息码错误判断，如连续出现128位全1码，则认为接收信号发生错误，重新进行捕获；(4)由于在地面遥控信息设计时采用32位0101作为引导头，最终在接收端信息层通过32位0101码的先验信息进行验证，确认是否是正确的遥控信息，以提高接收信息的可靠性。

如图3所示，在延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方大小式中r(n)是中频信号采样值，c(n)是本地PN码，τ是伪码相位延迟，f_d是本地相关器的多普勒值。只有当本地参考信号的τ和f_d逼近上行信号的τ和f_d，相关器才会输出最大值。

判决算法是：如果最大值满足

则认为是一个可能的遥控上行信号，然后启动遥控通道的相关器。该门限是一个动态门限，因为它取的值是相对值。门限中的系数6是根据15dB的抗多址干扰确定的。

相关器能量判决设计:

判决失锁或者错误锁定的具体算法是：

如果相关器输出的能量变化超过16dB，则认为出现错误，重新捕获；

如果Q支路的长时间噪声过大，则也认为是出现了锁定错误，标准是Var(Q/I)大于0.3则认为错误锁定。

信息码错误判断方法为：

如果连续监测到接收信号所包含的信息中有128个全1码，则对接收信号进行重新捕获。

信息层先验验证：

通过对信息层信息内容、格式等识别可以有效防止错锁发生，提高可靠性。但由于扩频应答机对遥控通道信息透明转发，故目前只能利用32bit的0101引导序列作为判断依据。在程序中捕获跟踪完成后通过检测连续32bit 0101信息来判断是否错误锁定。该措施可以有效抗击错误锁定。

目前对应于遥控通道的扩频应答机接收机采用了检测连续32个01010101码作为是否正确锁定的判据，则虚警概率从32位随机码(假设均匀分布)中出现连续的32个01010101序列的概率是2/2³¹＝9×10^-10(等价于在0～2³¹的数内发现了010101。。。或者101010。。。这两个特定的数)，因此其虚警概率是非常小的。

然后再分析其漏警概率。在正确捕获的情况下，没有检测到010101的概率即为误码率10^-6，如果假设初始捕获错误的概率为1％(实际情况小于1％)，则在4s内至少有4次重新捕获机会，因此漏警的概率是(32×10^-6+1％)⁴≈1×10^-8。

虽然，本发明说明书介绍了的一种接收机抗干扰及防错锁设计方案，本发明的保护范围不止于此范例，而在于本方案的所采用的抗干扰及防错锁设计思路。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)、捕获目标信号，确定捕获门限，并基于捕获门限对目标信号进行能量判决，选取超过捕获门限的信号进行追踪；

(2)、基于相关器的输出能量进行追踪判决，若相关器的输出能量不满足预定标准，则返回步骤(1)；

(3)、监测目标信号中的信息，并进行异常判定，若判定异常则返回步骤(1)重新进行信号采集；

(4)、进行信息层先验信息验证，若信息层先验信息验证错误，则返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(1)包括利用相关器对参考信号和外部信号之间的码延迟、频率二维参数空间进行搜索并计算相关输出，延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方为其中，r(n)是中频信号采样值，c(n)是本地PN码，τ是伪码相位延迟，f_d是相关器的多普勒值，基于延迟τ和频率轴f_d上的二维相关输出的幅度平方确定动态门限。

3.根据权利要求2所述的接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(2)包括获取相关器输出的同相、正交两路信号能量，并且对相关器输出的同相、正交两路信号能量的差异进行判定。

4.根据权利要求1所述的接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(3)包括获取被检测信号中的信息，并基于信息中的低概率信息码进行错锁识别。

5.根据权利要求4所述的接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述低概率信息码包括超过预定数目的全1码或全0码。

6.根据权利要求1所述的接收机抗干扰及防错锁的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：获取所接收到信号的信息，并且对信息层信息内容、格式进行识别。