CN110474658A - 一种基于长码码相位辅助的ds/fh跳扩数传信号捕获方法 - Google Patents

一种基于长码码相位辅助的ds/fh跳扩数传信号捕获方法 Download PDF

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一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，可解决现有针对DS/FH跳扩混合系统保持系统同步的方法成本较高及效率低的技术问题。基于本地振荡器实施以下步骤，S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；S200、基于步骤S100计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；S300、基于步骤S200实现跳频图案的同步；S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移。本发明克服了不同跳频频点多普勒偏移不一致造成的接收机无法同步的问题；实现了基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号的捕获，复杂度低、实现灵活。可有效减少计算量和平均捕获时间、提高捕获速度，可用于混合扩频信号的捕获，具有较强的抗干扰能力。

Description

一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法
技术领域
本发明涉及信号接收技术领域，具体涉及一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法。
背景技术
混合扩频通信系统在近十几年来受到了越来越广泛的关注。其中，DS(DirectSequence)FH(FrequencyHopping)混合系统在直接序列扩频(DNSS)的基础上，增加了载波跳变的功能，将直接序列扩频(简称直扩)和跳频两种扩频技术相结合。综合以后的混合扩频通信系统具有其抗远近效应与抗多径干扰、相对简单的结构以及可以得到较高的处理增益等优点，并且目前在通信领域已经得到了广泛应用。
DS/FH混合系统高效并且稳定工作的关键是系统的捕获的高效性，即系统同步。系统同步指的是保持收发信号两端的载波跳变规律和直扩伪码相位保持一致，进而保证稳定的中频信号输出。针对DS/FH跳扩混合系统，目前较多采用的是并行匹配滤波器与等待搜索同步法。前者的捕获实时性较高，但需要在接收端设置跳频集频点总数个频率合成器,成本较高；后者捕获时间实时性不高，与调频伪码周期成正比例关系，伪码周期越长则捕获时间越长。后者算法仅适用于调频伪码周期较短的混合系统。
发明内容
本发明提出的一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，可解决现有针对DS/FH跳扩混合系统保持系统同步的方法成本较高及效率低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，包括以下步骤：
步骤一：对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；
步骤二：计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；
步骤三：跳频图案的同步；
步骤四：计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移。
进一步的，在步骤一中所述的“对信号在设定跳频频点处进行载波剥离”，具体包括：
截取长度为L的信号每次与跳频产生器产生的设定跳频频率进行混合，将跳频频点下变频到固定频率中；混频后的信号进入带通滤波器，滤除其他频率；
进一步的，在步骤二种所述的“计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移”，具体包括：
对同步捕获头的信号进行直扩的捕获，接收信号进入平方率检波器得到滤波后功率，并进行非相干积分求和。对周期为1s的本地伪码进行分段处理，与接收信号通过FFT变换进行并行码相位搜索，找出变换结果的峰值，若在该范围内得到的峰值超过捕获门限值，则该范围内的频点和峰值偏移值为当前跳频频点的多普勒偏移和码相位偏移值。否则切换搜索频率范围直至找到超过捕获门限的峰值。
其中，在步骤三种所述的“跳频图案的同步”，具体包括：
本地振荡器根据步骤二中计算得到的长码伪码相位值产生载波频率，由于长码具有很长的周期，一个码周期内可以覆盖多个跳频频点，这样由码相位就可以完全确定当前时刻以及之后跳频频点，实现跳频图案同步。
其中，在步骤四种所述的“计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移”，具体包括：
通过上述步骤计算出的在设定跳频频点的多普勒频移，利用不同跳频频点的多普勒偏移值关系计算式计算出其他所有跳频频点的多普勒偏移值。
由上述技术方案可知，本发明的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，利用FFT并行码相位搜索方法在频率一维进行搜索并对本地伪码进行分段处理，得到相应的码相位偏移和多普勒频移，根据码相位与跳频频点的一致性关系，进而完成跳频同步，无须额外的跳频图案同步过程，有效降低DS/FH跳扩数传信号捕获过程的计算量和平均捕获时间。
本发明克服了不同跳频频点多普勒偏移不一致造成的接收机无法同步的问题。实现了基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号的捕获，复杂度低、实现灵活。可有效减少计算量和平均捕获时间、提高捕获速度，可用于混合扩频信号的捕获，具有较强的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明提供的捕获算法流程图；
图3是降采样流程图；
图4是采用2ms相干积分时间的捕获实验结果；
图5是本地振荡器工作原理；
图6是跳频图案示例。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，包括：
S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；
S200、计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；
S300、跳频图案的同步；
S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移。
以下结合表1捕获实验的参数设置对上述步骤具体说明：
参数类型 参数值
相干积分时间 2ms
傅里叶变换个数 8192
频率搜索间隔 200Hz
频率搜索范围 -5000～5000Hz
表1
S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；
本地振荡器首先将根据码相位选定一个频率值，然后在该频点下进行并行码相位搜索，计算伪码码相位，截取长度为L的信号每次与跳频产生器产生的设定跳频频率进行混合，将跳频频点下变频到固定频率中；混频后的信号进入带通滤波器，滤除其他频率，得到剥离载波后的同相分量和正交分量。
假设DS/FH调制的发射信号时域表达式为：
其中，P是信号发射功率；d(t)表示调制的数据信息流；c(t)表示信号调制的伪码；τ表示发射端码相位初始偏移；表示发射端载波初始相位；n(t)表示高斯白噪声；f1，f2，...，fn是信号的n个跳频频点，f1，doppler，f2，doppler，...，fn，doppler是信号n个跳频频点分别对应的多普勒频偏；
假设截取长度为L的信号的频率为fi，本地载波频率从f1开始选取，即本地载波时域表达式为和其中表示本地接收信号的载波初始相位；
本地振荡器原理如图5所示。本地振荡器首先根据驱动时钟生成频率为fc的阶梯型周期信号，然后由载波相位在跳频图案查找的相位控制字，通过查找载波信号幅值转换成对应频率的数字中频信号。
载波与采样之后的中频信号相乘之后，进入低通滤波器滤除高频分量，得到的同相分量和正交分量的结果分别为：
WI(t)＝Pd(t-τ)c(t-τ)cos[ωet+θe]+ni(t)
WQ(t)＝Pd(t-τ)c(t-τ)sin[ωet+θe]+nq(t)；
同相分量即本地信号乘相位相同的载波信号；
正交分量即本地信号乘相位正交的载波信号；
如果信号频率和本地载波频率不一致，由于码相位与载波存在对应关系，说明本地码相位与接收信号码相位没有对齐，计算得到的同相分量结果无法超出捕获门限值。这时，需切换搜索码相位范围和本地振荡器选定的中频频率，直到接收信号伪码与本地伪码对齐，本地振荡器频率与截取的接收信号中频一致。
S200、计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；
对同步捕获头的信号进行直扩的捕获，接收信号进入平方率检波器得到滤波后功率，并进行非相干积分求和。由于直扩采用的伪码周期较长，如果一次性搜索过多码片，会导致捕获的计算量太大、搜索时间太长、精度较低。所以，需要对周期为1s的伪码分段，然后分别搜索每一段的伪码找到码相位偏移的位置。
(1)捕获头设置
对捕获的后半段数据进行填零，也就是在10/5000相干积分时间内，前5/5000时间内为5个数据比特，后5/5000时间内信息电平为全零。每次搜索的区间长度是16个比特，间隔为5个比特，重叠率是50％。傅里叶点数取8192，每次捕获只取后半段的计算结果，即一次搜索4096个码相位。
当接收信号幅值低于噪声的幅值时，为了提高相关峰捕获效率，需要增加相干积分时间。当相关积分时间为2ms时，最捕获的结果会受到很大的影响。因此，在相干积分时间足够长的条件下，为保证捕获不受比特跳变的影响，将第一个跳频周期内的电文设置成全为1(或0)的捕获头，从第二个跳频周期开始调制传输的电文信息。
(2)降采样处理
如图3所示，为了适应多数通用硬件设备，本发明采用降采样的方式。在数字中频输入信号与载波相乘下变频后，先进行降采样将采样点下降到8192后，再进行傅里叶变换，即对抽取内插后的信号进行滤波。
信号进行上述处理后与接收信号通过FFT变换进行并行码相位搜索，找出变换结果的峰值，若在该范围内得到的峰值超过捕获门限值，则该范围内的频点和峰值偏移值为当前跳频频点的多普勒偏移和码相位偏移值。否则切换搜索频率范围直至找到超过捕获门限的峰值。
S300、跳频图案的同步；
本地振荡器根据步骤二中计算得到的长码伪码相位值产生载波频率，由于长码具有很长的周期，一个码周期内可以覆盖多个跳频频点，这样由码相位就可以完全确定当前时刻以及之后跳频频点，实现跳频图案同步。
本发明中采用扩频码码相位来决定跳频时刻。每一跳的时间间隔ΔT内有整数个伪码码片，同时伪码周期是跳频间隔的整数倍。这表明一个伪码周期内有多个跳频频点，每一个码相位都对应着唯一的频点，即将跳频频点与伪随机码关联在一起，既解决了时间不确定问题，同时又降低了接收机的设计难度。
FH/DS信号的每一段码相位对应一个跳频频点，跳频图案的信息在本地已知。通过捕获算法得出截取信号的码相位和频率信息后，通过码相位与频率在跳频图案中对应的关系，可以推导出完整信号在各个时刻的码相位和频率信息，实现扩频系统的粗同步。跳频图案实例如图6。
S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移；
通过上述步骤计算出的在设定跳频频点的多普勒频移，利用不同跳频频点的多普勒偏移值关系计算式计算出其他所有跳频频点的多普勒偏移值。
设信号在频率ωi时的信号表达式如下：
则假设收发终端之间的径向速度为v，则信号内各跳频频点的多普勒频移满足如下关系：
通过上述步骤，根据当前跳频频点的捕获结果(包括多普勒频移和码相位偏移)就可以解算得到其他跳频频点的多普勒频移。
其中fRF表示射频信号频率；假设通过捕获算法算出f1频点下的f1，doppler，那么通过上述关系式可具体推导出f2，f3，...，fn频点分别对应的f2，doppler，f3，doppler，...，fn，doppler多普勒频偏。
综上可知，本发明实施例克服了不同跳频频点多普勒偏移不一致造成的接收机无法同步的问题。可实现了基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号的捕获，复杂度低、实现灵活。可有效减少计算量和平均捕获时间、提高捕获速度，可用于混合扩频信号的捕获，具有较强的抗干扰能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，针对DS/FH混合系统，其特征在于：基于本地振荡器实施以下步骤，
S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；
S200、基于步骤S100计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；
S300、基于步骤S200实现跳频图案的同步；
S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移。
2.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；具体包括：
S101、截取长度为L的信号每次与跳频产生器产生的设定跳频频率进行混合，将跳频频点下变频到固定频率中；
S102、混频后的信号进入带通滤波器，滤除其他频率得到剥离载波后的同相分量和正交分量。
3.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S100、对信号在设定跳频频点处进行载波剥离；具体包括：
假设DS/FH调制的发射信号时域表达式为：
其中，P是信号发射功率；d(t)表示调制的数据信息流；c(t)表示信号调制的伪码；τ表示发射端码相位初始偏移；表示发射端载波初始相位；n(t)表示高斯白噪声；f1，f2，...，fn是信号的n个跳频频点，f1，doppler，f2，doppler，...，fn，doppler是信号n个跳频频点分别对应的多普勒频偏；
假设截取长度为L的信号的频率为fi，本地载波频率从f1开始选取，即本地载波时域表达式为和其中表示本地接收信号的载波初始相位；
本地振荡器首先根据驱动时钟生成频率为fc的阶梯型周期信号，然后由载波相位在跳频图案查找的相位控制字，通过查找载波信号幅值转换成对应频率的数字中频信号；
载波与采样之后的中频信号相乘之后，进入低通滤波器滤除高频分量，得到的同相分量(本地信号乘相位相同的载波信号)和正交分量(本地信号乘相位正交的载波信号)的结果分别为：
WI(t)＝Pd(t-τ)c(t-τ)cos[ωet+θe]+ni(t)
WQ(t)＝Pd(t-τ)c(t-τ)sin[ωet+θe]+nq(t)。
4.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述S200基于步骤S100计算信号在当前跳频频点的码相位偏移和多普勒偏移；具体包括：
S201、对同步捕获头的信号进行直扩的捕获，接收信号进入平方率检波器得到滤波后功率，并进行非相干积分求和；
S202、对周期为1s的本地伪码进行分段处理，与接收信号通过FFT变换进行并行码相位搜索，找出变换结果的峰值，若在该范围内得到的峰值超过捕获门限值，则该范围内的频点和峰值偏移值为当前跳频频点的多普勒偏移和码相位偏移值，否则切换搜索频率范围直至找到超过捕获门限的峰值。
5.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S300、基于步骤S200实现跳频图案的同步；具体包括：
根据S200中计算得到的码相位偏移产生载波频率，实现跳频图案同步。
6.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移；具体包括：
通过步骤S300计算出的在设定跳频频点的多普勒频移，利用不同跳频频点的多普勒偏移值关系计算式计算出其他所有跳频频点的多普勒偏移值。
7.根据权利要求1所述的基于长码码相位辅助的DS/FH跳扩数传信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S400、计算信号在所有跳频频点的多普勒偏移；具体包括：
设信号在频率ωi时的信号表达式如下：
则假设收发终端之间的径向速度为v，则信号内各跳频频点的多普勒频移满足如下关系：
其中fRF表示射频信号频率；假设通过捕获算法算出f1频点下的f1，doppler，那么通过上述关系式具体推导出f2，f3，...，fn频点分别对应的f2，doppler，f3，doppler，...，fn，doppler多普勒频偏；则
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