CN111163032A

CN111163032A - 一种高动态下弱信号的快速捕获方法

Info

Publication number: CN111163032A
Application number: CN201911145958.9A
Authority: CN
Inventors: 殷英; 高鹏; 吕倩; 孙统雷; 乔彦鹏; 计雷雷; 王曼
Original assignee: Beijing Aerospace Science & Industry Century Satellite Hi Tech Co ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Science & Industry Century Satellite Hi Tech Co ltd
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明公开了一种高动态下弱信号的快速捕获方法，将独特码插入信号帧中，采用开环算法进行信号捕获，可以实现快速捕获，并且信道开销小，不依赖于其他信道所以算法健壮性好；通过采用自适应判决门限，可以减小噪低信噪比引起的相位噪声对解调器的影响；在接收数据存在大频偏时，通过将多普勒频率划分成多个范围进行并行的频偏搜索，因此能抗大多普勒频率变化率。

Description

一种高动态下弱信号的快速捕获方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种高动态下弱信号的快速捕获方法。

背景技术

随着现代社会的发展，高速、超高速运动的载体应用越来越普遍，比如火箭、航天飞机和导弹等日益增多，由于载体的运动速度、加速度非常大，会造成较大的多普勒频移和多普勒变化率。高动态通信的关键技术就是要在一定信噪比下克服大的多普勒频移和大的多普勒频率变化率，实现对高动态弱信号的快速捕获功能。

传统的基于反馈的估计方法易于硬件实现且估计精度较高，但估计时间较长且存在悬挂想象。如经典的锁相环，锁相环存在着跟踪精度与动态跟踪能力互为矛盾的问题，为了保证环路能够跟踪上输入信号的动态范围而不失锁，锁相环需要有大的环路带宽；增加环路带宽又会导致进入到环路的噪声增加而增大失锁的概率。另外通过增加环路带宽，只能够增加频率捕获的范围，而频率变化率引起的相位误差会使得锁相环的捕获性能急剧恶化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高动态下弱信号的快速捕获方法，可以快速捕获信号。

一种信号捕获方法，包括如下步骤：

步骤1、在卫星通信发出的信号帧中，插入固定比特独特码；

步骤2、接收端将接收的信号进行A/D采样和下变频后，得到的基带数据为Data(n)；采用本地固定比特独特码对基带数据u(n)进行滑动互相关，每滑动一次得到一次互相关函数，互相关函数的模的平方为峰值；将峰值与判决门限相比较，大于判决门限时，根据峰值位置估计出初始相位偏移；

步骤3、再进行初始频偏的估计，如此完成信号的捕获。

较佳的，所述步骤2中，判决门限的计算方法为：V_G＝1-(P_f)^1/L-1，其中，P_f为系统的虚警概率；L为本地独特码序列的长度。

进一步的，所述步骤3中进行初始频偏估计时，将多普勒频率变化的范围划分为设定数目的子范围，在每一个多普勒频率变化的子范围段内并行的进行初始频偏的估计；将估计得到的所有初始频偏取最大值，则为最终的初始频偏估计值。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种高动态下弱信号的快速捕获方法，将独特码插入信号帧中，采用开环算法进行信号捕获，可以实现快速捕获，并且信道开销小，不依赖于其他信道所以算法健壮性好；

通过采用自适应判决门限，可以减小噪低信噪比引起的相位噪声对解调器的影响；

在接收数据存在大频偏时，通过将多普勒频率划分成多个范围进行并行的频偏搜索，因此能抗大多普勒频率变化率。

附图说明

图1为包含独特码的数据帧结构图；

图2为固定门限相关检测原理框图；

图3为自适应门限相关检测原理框图；

图4为二维序列搜索原理图。

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。

本发明提供了一种高动态下弱信号的捕获方法，是基于独特码的开环数据辅助的校频算法。独特码具有较好的自相关性和较差的互相关性，在一定码长(没有特殊限制)的条件下能够实现低信噪比的信号检测，由于序列已知，通过接收序列和发送序列的相关运算能够求出载波的初始相差，以及每个码元之间的相差，从而计算出数据块间的频率漂移。

为了克服多普勒频率变化率的要求，将独特码分散间插到数据中。其帧结构如图1所示：其中引导码和固定比特的引导头用于位定时和初始频偏估计，因此后续信号在开始估计时，与发送载波频率之间的频差很小可以忽略不计，但由于频率变化率的存在，随着时间的积累收发间的误差会越来越大，由频偏引发的码间串扰会越来越严重，这时就需要在数据包间隔插入特定的独特码用于数据包间的相位估计，虽然输入信号的频率是存在变化的，但只要数据包足够短，在该时间段内由输入信号频率变化引起的影响可忽略。

只有当本地码相位与接收信号中插入的独特码相位相匹配，本地载波频率跟踪上接收信号载频时，本地信号与接收信号的相关峰值才能达到最大。捕获的目的就是估计出接收信号的相位和载频频差然后利用这些量对跟踪模式初始化，在跟踪过程中对这些量持续更新。

假设本地固定比特独特码(Unique World，UW)对应的波形为u(n)，接收端将接收的信号进行A/D采样和下变频后，得到的基带数据为Data(n)，噪声为N(n)，采样率和码元速率之比为D:1，那么为了检测独特码，采用本地固定比特独特码对基带数据u(n)进行滑动互相关，得到如下互相关函数：

式中：“*”表示卷积；L为本地固定比特独特码UW的长度，在滑动过程中，如果Data(n)正好与u(n)匹配对齐，有：

由于N(n)和u(n)是互不相关的，因此，上式得后半部分相关值很小，而对于上式的前半部分，在Data(n)正好与u(n)匹配对齐时，R(n)的模的平方将达到最大值，可以提取到明显的相关峰，与判决门限相比较，由此可以估计出初始相位偏移。

固定门限相关检测原理框图如图2所示，移位寄存器中的数据流在系统采样时钟的作用下滑动，与本地码序列对应相乘并累加求和，然后取出其平方包络与固定门限值V_G比较，进行判决。

在卫星通信系统中，接收信号功率会随着传输距离变化，还会受到衰落的影响，噪声强度也会因时间和环境的不同而不断变化，此时若使用固定门限检测，若门限设置较大，则检测性能变差，漏检概率提高，若门限设置较低，随着噪声强度的增加虚警概率就会增加，即使此时信噪比较高也无法正确检测。为了能够提高检测效率总是希望无论信号强度如何变化，检测系统的虚警慨率和漏检概率总是保持恒定不变，我们采用了自适应门限检测方法，其算法结构框图如图3所示。

系统通过采用匹配滤波器的方法来实现滑动相关，令相关前后信号功率估计之比为H₀的概率密度函数为：

P(ρ\H₀)＝(L-1)(1-ρ)^L-2,0<ρ<1 (3)

则可得虚警概率条件下的判决门限：

V_G＝1-(P_f)^1/L-1 (4)

由式(4)可知，判决门限V_G由系统的虚警概率P_f和本地独特码序列的长度L决定。

由式(1)易见，接收数据中的固定相差仅改变相关值R(n)的相位，经模平方后可消除该相位的影响。但如果接收数据中存在较大频差时R(n)的幅度与频差相关。由于接收机载体有较大的动态特性，多普勒频移范围较大。频差较大时需要在偏差的载波频率上进行相位搜索。为了达到快速捕获的目的，我们在预知的多普勒频率变化范围内以固定的间隔并行的进行相位搜索，如图3所示。

捕获过程必须完成码相位的初始估计和载波频差的初始估计。码相位的估计由前所述的独特码自相关自适应门限判定的算法来估计，频差的估计则是在预知的多普勒频率变化范围内以固定的间隔并行的进行搜索。每一行处理完成后以冒泡法在纵向上得到最大值，以估计出初始频偏，至此完成信号的捕获功能。

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

1.一种信号捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在卫星通信发出的信号帧中，插入固定比特独特码；

步骤3、再进行初始频偏的估计，如此完成信号的捕获。

2.如权利要求1所述的一种信号捕获方法，其特征在于，所述步骤2中，判决门限的计算方法为：V_G＝1-(P_f)^1/L-1，其中，P_f为系统的虚警概率；L为本地独特码序列的长度。

3.如权利要求1或2所述的一种信号捕获方法，其特征在于，所述步骤3中进行初始频偏估计时，将多普勒频率变化的范围划分为设定数目的子范围，在每一个多普勒频率变化的子范围段内并行的进行初始频偏的估计；将估计得到的所有初始频偏取最大值，则为最终的初始频偏估计值。