CN109217898B - 修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，旨在解决高跳速宽带跳扩信号长时间相干积分问题。本发明通过下述技术方案予以实现：基于载波相位，扩跳信号捕获模块通过先验信息获取由设备信道引入的扩跳系统跳频点间载波起始相位差修正量，并将该修正量作为后续跨跳相干积分的初始相位修正量；模拟/数字转换器ADC将本地时间划分为粗本地时和精本地时；利用先验的初始相位修正量实现跨跳相干积分载波相位初次修正；计算每个单跳信号相关函数的二次相位修正量；将1‑m跳相干积分结果进行修正并进行跨跳累加，实现信号的跨跳相干积分，若跨跳相干积分结果大于捕获阈值，则输出接收信号时延及多普勒的精确估计信息。

Description

修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法
技术领域
本发明涉及一种主要用于航天、航空DS/FH混合扩频测控通信系统的信号捕获方法。
背景技术
跳频和直接序列扩频技术是目前广泛使用的两种扩频测控通信技术。跳频测控通信技术利用不同的跳频图案，在特定带宽内实现多节点测控通信系统同时工作，达到频谱资源共享的目的。从时域上看，跳频信号是一个多频牢的频移键控信号；从频域上看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上随机跳变的宽带信号。直接序列扩频是直接意义上的扩频，原信号乘以宽频谱信号后得以扩展频谱，经直扩方式扩频后的信息信号功率分散在宽频谱频带范围内，形成相比原信号更宽的宽带信号，以实现多址测控通信与抗干扰功能。跳频/直接序列扩频混合式测控通信系统是将直接序列扩频技术与跳频技术相结合，是未来富有生命力的抗干扰测控通信系统。单一的跳频和直接序列扩频技术具有各自的优点和局限性，而混合扩频技术可以取长补短，在多址接入、抗干扰及抗截获性能方面具有更大的优势。理论上，跳扩混合信号在跳频信号上调制直序扩频信号，每个跳频载波信号功率被直序扩频信号分散至更宽的频谱频带范围内。相比直序扩频信号，扩跳信号利用不同跳频频点变化有效增大了直序扩频信号的带宽，直接提升了系统的扩频带宽进而提升系统抗干扰性能；相比跳频信号，扩跳信号利用直扩信号将每跳信号的信号功率分散在宽频谱频带范围内，增大单跳信号的带宽，利用单跳信号的扩频提升整个跳频系统的抗干扰性能。然而，跳扩信号的捕获尤其是跨跳相干积分是工程实现的重大难题。相比直序扩频系统，由于跳频信号的介入，跳扩接收机很难实现跨跳相干累加进而导致系统综合抗干扰能力下降。该情况由两个因素导致，第一个是跳扩信号每跳间起始载波相位可能不连续，跨跳相干积分存在较大增益损失；第二个是本地信号与接收信号时间差值固定的情况下，各跳局部相关函数的初始相位不同，跨跳信号之间同样无法相干累加。目前扩频跳频混合扩频系统的信号捕获主流算法为单跳相干累加、跨跳非相干累加方法，该方法通过非相干处理将每跳相干累加结果取模以消除载波相位对跨跳累积的影响，进而提升系统的捕获灵敏度。然而单跳信号的取模操作引入了相干增益的平方损失，随着非相干积分次数的增多，系统捕获灵敏度性能的提升效果快速减小。因此针对高跳速扩跳混合扩频系统，传统方法很难进一步提升系统的捕获及抗干扰性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种有效提升扩跳测控通信系统捕获灵敏度、同步精度高，利用修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，以实现扩跳信号的跨跳相干积分，进而解决高跳速宽带跳扩信号长时间相干积分问题。
本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于包括如下步骤：基于载波相位，扩跳信号捕获模块通过先验信息获取由设备信道引入的扩跳系统跳频点间载波起始相位差修正量，并将该修正量作为后续跨跳相干积分的初始相位修正量；通过模拟/数字转换器ADC对模拟跳扩频信号进行采样，将相关采样数据缓存在随机存取存储器RAM中，并将本地时间划分为粗本地时和精本地时；相干积分模块通过载波数字控制振荡器NCO与码NCO，以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，以跳频周期Th为相干积分周期，采用相位修正算法依次计算跳1至跳m的相干积分结果并缓存，利用先验的初始相位修正量实现跨跳相干积分载波相位初次修正；然后，根据接收信号与本地信号时延差与多普勒参数，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，并计算每个单跳信号相关函数的二次相位修正量；最后，按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将1-m跳相干积分结果进行修正并进行跨跳累加，实现信号的跨跳相干积分，并获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，若跨跳相干积分结果大于捕获阈值，则输出接收信号时延及多普勒的精确估计信息。
本发明相比于传统技术具有如下有益效果：
1)本发明基于载波相位，扩跳信号捕获模块先验获取扩跳测控通信系统跳频点间跳频信号起始相位差,消除载波相位不连续对相干积分的影响，DS/FH混合扩频测控系统通过模拟/数字转换器ADC对模拟跳扩频信号进行采样，将相关采样数据缓存在随机存取存储器RAM中，并将本地时间划分为粗本地时和精本地时；载波NCO与码NCO以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，以跳频周期Th为相干积分周期依次计算跳1-m的相干积分结果并缓存，利用先验跳频信号起始相位差实现扩跳信号的跨跳相干积分载波相位初次修正；克服了由设备信道引入的跳频频点间载波相位跳变引入较大增益损失的问题。
2)本发明针对高跳速的扩跳混合扩频系统传统方法很难进一步提升系统的捕获及抗干扰性能问题，在设备信道引入的跳频频点间载波相位跳变初次修正的基础上，根据接收信号与本地信号时延差与多普勒参数，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，计算每个单跳信号相关函数的相位修正量；通过对单跳信号相关函数结果进行多次修正累加，本发明规避了单跳相关函数修正所引入的大量重复性计算，极大地降低了算法计算量，同时有效提升捕获性能，为后续载波与伪码跟踪环路提供更高的时延与多普勒估计信息，解决了高跳速扩跳混合测控通信系统捕获灵敏度难以提升的问题。
3)本发明按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将载波NCO与码NCO修正的单跳相关函数进行累加，根据相位修正参数对相位修正求和，实现信号的跨跳相干积分，并获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，完成跨跳相干积分并完成阈值比较。采用时延/多普勒的M×K个栅格对粗本地时及多普勒进行更细的划分，时延估计精度为传统捕获方法的M倍，多普勒估计精度为传统方法的K倍。为后续跟踪环路的快速收敛提供了基础。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明修正宽带跳扩信号跨跳相干积分的流程图。
图2是图1中相位修正算法中各跳初始相位变化规律示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，基于载波相位，扩跳信号捕获模块通过先验信息获取由设备信道引入的扩跳系统跳频点间载波起始相位差修正量，并将该修正量作为后续跨跳相干积分的初始相位修正量；通过模拟/数字转换器ADC对模拟跳扩频信号进行采样，将相关采样数据缓存在随机存取存储器RAM中，并将本地时间划分为粗本地时和精本地时；相干积分模块通过载波数字控制振荡器NCO与码NCO，以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，以跳频周期Th为相干积分周期，采用相位修正算法依次计算跳1至跳m的相干积分结果并缓存，利用先验的初始相位修正量实现跨跳相干积分载波相位初次修正；然后，根据接收信号与本地信号时延差与多普勒参数，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，并计算每个单跳信号相关函数的二次相位修正量；最后，按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将1-m跳相干积分结果进行修正并进行跨跳累加，实现信号的跨跳相干积分，并获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，若跨跳相干积分结果大于捕获阈值，则输出接收信号时延及多普勒的精确估计信息。
扩跳信号捕获模块包括串联在模拟/数字转换器ADC与单跳相干积分器之间的随机存取存储器RAM，串联在单跳相干积分器与相位修正器之间的单跳相关函数寄存器，以及连接相位修正器的相位修正算法模块，ADC将采样到的相关采样数据存储在随机存取存储器RAM中，单跳相干积分器读取存储在RAM中的采样数据，依次计算m-1个跳频间隔内的单跳相关函数，并将结果分别存入单跳相关函数寄存器跳2-跳m寄存器中；载波NCO及码NCO以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，通过单跳相干积分器计算以粗本地时为基准的单跳相关函数，将单跳相关函数缓存至跳1寄存器中；单跳相干积分器依次计算m-1个跳频间隔内的单跳相关函数，并将结果分别存入单跳相关函数寄存器跳2-跳m寄存器中，同时，相位修正算法模块将载波NCO与码NCO提供的粗本地时转换为精本地时、精多普勒和先验跨跳修正信息，并送入相位修正器，依次对跳2-跳m相关结果进行修正，获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，计算每个单跳信号相关函数的相位修正量，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，完成跨跳相干积分和所有搜索栅格，输出捕获信息，并进行时域滑动，将时域栅格滑动信息送入缓存RAM中；相位修正算法模块按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将载波NCO与码NCO修正的单跳相关函数进行累加，根据相位修正参数对相位修正求和，实现信号的跨跳相干积分。
在以下描述的实施例中，按照修正宽带跳扩信号跨跳相干积分流程：
(1)扩跳信号捕获模块通过ADC以采样率fs对模拟扩跳信号进行采样并缓存相关采样数据。
(2)扩跳信号捕获模块将本地时间划分为粗本地时和精本地时：粗本地时为载波NCO与码NCO的驱动时钟，粗本地时通常以1个采样间隔1/fs为时间刻度，且覆盖范围为接收信号的时间不确定区间；精本地时将粗本地时进行K段等间隔均分，且覆盖范围为1个采样间隔。
(3)捕获流程开始后，载波NCO及码NCO以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，通过单跳相干积分器计算以粗本地时为基准的单跳相关函数，该单跳相关函数缓存至跳1寄存器中；依次类推，单跳相干积分器依次计算后续m-1个跳频间隔内的单跳相关函数，并将结果分别存入单跳相关函数寄存器跳2-跳m寄存器中。
(4)相位修正算法模块将粗本地时[t0,t0+1/fs]一个采样间隔区间均分K段进行量化，同时将多普勒栅格[f0,f0+fd]均分M段进行量化形成精多普勒栅格，并建立M×K个二维载波相位修正矩阵，其中，f0为载波NCO输出信号中心频点，fd为接收信号在该频率栅格内频率不确定范围。
(5)相位修正器M×K的二维载波相位初始修正矩阵依次对跳2-跳m相关结果进行修正并获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，当结果大于阈值时，捕获完成,对应的二维载波相位初始修正矩阵行列系数为接收信号的时延与多普勒精确估计。
(6)相位修正器输出结果小于捕获阈值，则滑动缓存RAM中的采样信号，滑动间隔为一个采样点，重复步骤(3)-(5)，完成跨跳相干积分并完成阈值比较，直至捕获信号或完成所有搜索栅格。
参阅图2。修正宽带跳扩信号跨跳相干积分流程中相位修正算法模块的算法原理为：
(1)扩跳信号捕获模块的本地信号跳频载波与ADC接收信号进行时域相关，相关起始时刻为本地跳频信号的粗本地时t0，此时接收信号起始相位与本地信号起始时间相差T0间隔，则第一跳本地与接收信号的初始相位差为
Figure BDA0001844342400000051
同理，第二跳本地信号与接收信号的初始时间差为T0+Td，则第二跳本地与接收信号的初始相位差为
Figure BDA0001844342400000052
以此类推，第m跳本地信号与接收信号的初始相位差可表示为
Figure BDA0001844342400000053
其中，e为自然对数的底，j为ADC接收信号与本地跳频载波复信号的虚部，f0为跨跳相干积分过程中第1跳对应的中心频率，T0为初始时间差，Td为接收信号载波多普勒频移导致的跳频间隔伸缩时间，f1为跨跳相干积分过程中第2跳对应的中心频率，fm为跨跳相干积分过程中第m跳对应的中心频率，m为跨跳次数。
为保证每跳相关函数可进行相干积分，需保证每跳相关函数的初始相位差恒定，即需要对第一跳以后的各跳相关函数进行相位修正。
(2)跳扩信号各跳间相关函数初始相位差由扩跳信号捕获模块的本地信号与ADC接收信号的初始时间差T0和接收信号多普勒频移导致的跳频间隔伸缩时间Td直接相关；T0取值大小由捕获算法时域分辨率确定，Td由接收信号多普勒fd确定且可表示为
Figure BDA0001844342400000054
其中，Th为跳频周期，f0为跨跳相干积分过程中第1跳对应的中心频率，fd为第1跳中心频率对应的多普勒频移量。
(3)由于捕获阶段T0与fd未知，将两个参数进行离散化并依次修正各跳相关函数的初始相位差，并逐次累加相关函数并获取跨跳相关函数。当各跳相关函数初始相位修正量与真实T0与fd对齐后，跨跳相关函数获得最大值，进而完成跳扩信号的跨跳相干积分。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，由于上文提到模块装配的先后顺序可以随意变换。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权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于包括如下步骤：首先，基于载波相位，扩跳信号捕获模块通过先验信息获取由设备信道引入的扩跳系统跳频点间载波起始相位差修正量，并以该修正量作为后续跨跳相干积分的初始相位修正量；通过模拟/数字转换器ADC对模拟跳扩频信号进行采样，将相关采样数据缓存在随机存取存储器RAM中，并将本地时间划分为粗本地时和精本地时；相干积分模块通过载波数字控制振荡器NCO与码NCO，以粗本地时t0为时间基准，对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，以跳频周期Th为相干积分周期，采用相位修正算法依次计算跳1-m的相干积分结果并缓存，利用先验的初始相位修正量实现跨跳相干积分载波相位初次修正；然后，根据接收信号与本地信号时延差与多普勒参数，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，并计算每个单跳信号相关函数的二次相位修正量；最后，按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将1-m跳相干积分结果进行修正并进行跨跳累加，实现信号的跨跳相干积分，获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，若跨跳相干积分结果大于捕获阈值，则输出接收信号时延及多普勒的精确估计信息。
2.如权利要求1所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：扩跳信号捕获模块包括串联在模拟/数字转换器ADC与单跳相干积分器之间的随机存取存储器RAM，串联在单跳相干积分器与相位修正器之间的单跳相关函数寄存器，以及连接相位修正器的相位修正算法模块，ADC将采样到的相关采样数据存储在随机存取存储器RAM中，单跳相干积分器读取存储在RAM中的采样数据，依次计算m-1个跳频间隔内的单跳相关函数，并将结果分别存入单跳相关函数寄存器跳2-跳m寄存器中。
3.如权利要求2所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：载波NCO及码NCO以粗本地时t0为时间基准对缓存RAM的信号依次进行解跳与解扩，通过单跳相干积分器计算以粗本地时为基准的单跳相关函数，将单跳相关函数缓存至跳1寄存器中。
4.如权利要求1所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：单跳相干积分器依次计算m-1个跳频间隔内的单跳相关函数，并将结果分别存入单跳相关函数寄存器跳2-跳m寄存器中，同时，相位修正算法模块将载波NCO与码NCO提供的粗本地时转换为精本地时、精多普勒和先验跨跳修正信息，并送入相位修正器，依次对跳2-跳m相关结果进行修正，获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，计算每个单跳信号相关函数的相位修正量，建立M×K个二维载波相位初始修正矩阵，选取信号捕获最大值，对捕获阈值进行比较，完成跨跳相干积分和所有搜索栅格，输出捕获信息，并进行时域滑动，将时域栅格滑动信息送入缓存RAM中；相位修正算法模块按照M×K的二维载波相位初始修正矩阵，将载波NCO与码NCO修正的单跳相关函数进行累加，根据相位修正参数对相位修正求和，实现信号的跨跳相干积分。
5.如权利要求1所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：扩跳信号捕获模块通过ADC以采样率fs对模拟扩跳信号进行采样并缓存相关采样数据，将本地时间划分为粗本地时和精本地时：粗本地时为载波NCO与码NCO的驱动时钟，粗本地时以1个采样间隔1/fs为时间刻度，覆盖范围为接收信号的时间不确定区间；精本地时将粗本地时进行K段等间隔均分，且覆盖范围为1个采样间隔。
6.如权利要求2所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：相位修正算法模块将粗本地时[t0,t0+1/fs]一个采样间隔区间均分K段进行量化，同时将多普勒栅格[f0,f0+fd]均分M段进行量化形成精多普勒栅格，并建立M×K个二维载波相位修正矩阵，其中，f0为载波NCO输出本地跳频信号的中心频点，fd为接收信号在频率栅格内频率。
7.如权利要求1所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：相位修正器M×K的二维载波相位初始修正矩阵，依次对跳2-跳m相关结果进行修正并获取M×K个跨跳相干积分搜索结果，当结果大于阈值时，捕获完成，对应的二维载波相位初始修正矩阵行列系数为接收信号的时延与多普勒精确估计，如果输出结果小于捕获阈值，则滑动缓存RAM中的采样信号，滑动间隔为一个采样点，重复完成跨跳相干积分并完成阈值比较，直至捕获信号或完成所有搜索栅格。
8.如权利要求1所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：扩跳信号捕获模块的本地信号跳频载波与ADC接收信号进行时域相关，相关起始时刻为本地跳频信号的粗本地时t0，此时接收信号起始相位与本地信号起始时间相差T0间隔，则第一跳本地与接收信号的初始相位差为
Figure FDA0002403676370000021
同理，第二跳本地信号与接收信号的初始时间差为T0+Td，则第二跳本地与接收信号的初始相位差为
Figure FDA0002403676370000022
以此类推，第m跳本地信号与接收信号的初始相位差可表示为
Figure FDA0002403676370000023
其中，e为自然对数的底，j为ADC接收信号与本地跳频载波复信号的虚部，f0为跨跳相干积分过程中第1跳对应载波NCO输出本地跳频信号的中心频率，T0为初始时间差，Td为接收信号载波多普勒频移导致的跳频间隔伸缩时间，f1为跨跳相干积分过程中第2跳对应的中心频率，fm-1为 跨跳相干积分过程中第m跳对应的中心频率，m为跨跳次数。
9.如权利要求8所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：跳扩信号各跳间相关函数初始相位差由扩跳信号捕获模块的本地信号与ADC接收信号的初始时间差T0和接收信号多普勒频移导致的跳频间隔伸缩时间Td直接相关；T0取值大小由捕获算法时域分辨率确定，Td由接收信号多普勒fd确定且可表示为
Figure FDA0002403676370000031
其中，Th为跳频周期，f0为跨跳相干积分过程中第1跳对应的中心频率，fd为第1跳中心频率对应多普勒频移量接收信号在频率栅格内的频率。
10.如权利要求9所述的修正宽带跳扩信号跨跳相干积分方法，其特征在于：在捕获阶段T0与fd未知下，扩跳信号捕获模块将两个参数进行离散化并依次修正各跳相关函数的初始相位差，并逐次累加相关函数并获取跨跳相关函数；当各跳相关函数初始相位修正量与真实T0与fd对齐后，跨跳相关函数获得最大值，进而完成跳扩信号的跨跳相干积分。
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