CN113225102A - 一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法。该方法为：将一个符号周期分成多个码片，每个码片内由复合参数序列进行CPM调制，将CPM信号作为先导序列和数据信息组合发送；利用本地随机相位连续调制信号作为扩频通信系统的伪随机码的捕获，接收端将收到的信号与本地随机CPM信号进行匹配滤波处理，将匹配滤波器的输出结果进行判决，判定是否捕获成功，相关峰值出现时表明后续信号的到来，进行进一步的解扩和同步。本发明利用随机CPM信号良好的自相关性、相位的连续性和良好的随机性、保密性，在实现低信噪比捕获的同时不易被截获或侦察到；在相同带宽的条件下，随机CPM信号作为先导序列具有更高的捕获概率和抗干扰性能。

Description

一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法。

背景技术

在信息时代，扩频通信作为一种信息处理传输技术，被誉为三大高技术通信传输方式之一，在无线通信领域有着广泛的应用以及广阔的发展前景。

扩频通信能够大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能。扩频通信通过牺牲远超传输信息所需带宽换来的性能优越性主要体现在下面几点：足够隐蔽能抗侦测，便于实现码分多址多用户通信，抗干扰性能优良。近些年来，短突发通信技术迎来发展高峰期。由于短突发信号随机发生，快速结束，具有“三不知”的特点：不知何时开始，不知何时结束和不知信号时长。所以相对于连续长信号而言，短突发信号在日益复杂的通信环境中具有更好的适应能力和发展空间。

在实际的扩频通信的信息接收过程中，随着电磁环境的日益复杂，伪随机码的解扩成为扩频通信中关键的一个环节。低信噪比下伪随机码的捕获，一般都是通过增加相关长度，提高相干或者非相干增益，来提高伪随机码捕获和信号检测的概率，但是相关长度越长，伪随机码捕获周期越长，资源利用率越低。而短突发体制信号由于信号长度和突发的原因，如果想要在信号持续时间内实现载波同步，就限制了伪随机码的相关长度。

传统的伪随机码多采用线性反馈移位寄存器生成，常用的有m序列、Gold序列、Walsh序列等，这几种伪随机码存在线性复杂度低的缺点，保密性能存在一定的威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，实现低信噪比捕获的同时不易被截获或侦察到，具有更高的捕获概率和抗干扰性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，包括以下步骤：

步骤1、建立随机连续相位调制信号模型，将一个符号周期分成多个码片，每个码片内对应不同的频点，每个码片由复合参数序列进行CPM信号调制；

步骤2、生成的随机连续相位调制信号作为系统中的先导序列与后续需要传输的通信信息数据进行拼接组合，前端为随机连续相位调制信号，后端为通信信息数据；组合后的信号进行载波调制后发送到信道进行传输，同时将生成的随机连续相位调制信号作为本地伪随机码保存到本地接收机上；

步骤3、经过信道传输后，接收端对接收信号进行下变频，下变频后的信号与本地接收机已保存的设计好的伪随机码进行匹配滤波，以本地伪随机码为抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值；

步骤4、将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，对匹配滤波后的结果进行判决，当检测结果大于自适应门限时，表明完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)低信噪比环境下，通过随机CPM信号取代常规伪随机码实现扩频系统中伪随机码的捕获，在有限相关长度和捕获时间的情况下具有更好的自相关特性，从而能进一步提高捕获性能；(2)模型设计通过优化算法可以找到若干随机CPM信号的准正交波形，降低互相关值，从而降低伪随机码之间的干扰；(3)由于设计的随机CPM信号的频率随复合参数系列跳变且相位连续、参数复杂，具有更好的隐蔽性和随机性，不易被截获或侦测。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为CPM信号调制器图。

图2为候选频点分布图。

图3为遗传算法流程图。

图4为基于遗传算法优化的随机CPM信号集适应度曲线图。

图5为最优Z_n序列1的随机连续相位调制图。

图6为最优Z_n序列1的归一化圆周自相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周自相关函数对比图。

图7为最优Z_n序列2的归一化圆周自相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周自相关函数对比图。

图8为最优Z_n序列3的归一化圆周自相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周自相关函数对比图。

图9为最优Z_n序列4的归一化圆周自相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周自相关函数对比图。

图10为最优Z_n序列1和序列2的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图11为最优Z_n序列1和序列3的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图12为最优Z_n序列1和序列4的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图13为最优Z_n序列2和序列3的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图14为最优Z_n序列2和序列4的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图15为最优Z_n序列3和序列4的归一化圆周互相关函数与32位截短Gold码的归一化圆周互相关函数对比图。

图16为CPM_DSSS通信系统发送信号帧结构示意图。

图17为CPM_DSSS通信系统接收端信号处理过程图。

图18为随机CPM信号捕获结构示意图。

图19为自适应门限实现结构框图。

图20为不同信噪比下利用32位截短Gold码与随机CPM信号作为先导序列进行伪随机码捕获的检测概率Matlab仿真波形图。

具体实施方式

本发明一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，包括以下步骤：

步骤1、建立随机连续相位调制信号模型，将一个符号周期分成多个码片，每个码片内对应不同的频点，每个码片由复合参数序列进行CPM信号调制；

步骤2、生成的随机连续相位调制信号作为系统中的先导序列与后续需要传输的通信信息数据进行拼接组合，前端为随机连续相位调制信号，后端为通信信息数据；组合后的信号进行载波调制后发送到信道进行传输，同时将生成的随机连续相位调制信号作为本地伪随机码保存到本地接收机上；

步骤3、经过信道传输后，接收端对接收信号进行下变频，下变频后的信号与本地接收机已保存的设计好的伪随机码进行匹配滤波，以本地伪随机码为抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值；

步骤4、将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，对匹配滤波后的结果进行判决，当检测结果大于自适应门限时，表明完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收。

进一步地，步骤1所述建立随机连续相位调制信号模型，将一个符号周期分成多个码片，每个码片内对应不同的频点，每个码片由复合参数序列进行CPM信号调制，具体如下：

(1.1)建立复合参数序列Z_n的取值集合，由信号的带宽B、码片长度T_c以及频段个数N_f，决定复合参数序列Z_n的取值集合，第i个频点对应z_i取值为Z_n∈{z_i|z_i＝BT_c(2i-N_f-1)/N_f，i＝0，1，....，N_f-1}；

(1.2)将一个符号周期分成多个码片，每个码片由对应的复合参数序列Z_n进行CPM信号调制，对于复合参数序列Z_n值的选取，在复合参数序列Z_n取值集合范围内，构建随机CPM信号集；随机CPM码信号集大小为L，集合中信号码长为N，一个符号的随机CPM信号采样点总数为M，信号集表示为：

表示第l个CPM信号对应的复合序列；建立一个码长为N、信号个数为L的随机CPM信号集S(L，N，M)：

(1.3)在建立随机CPM信号集的基础上，对信号集S(L，N，M)进行优化，以旁瓣能量积分极小化准则为代价函数，采用初始种群个数为1000迭代次数为5000的遗传算法进行优化，搜索到具有准正交特性的随机CPM信号集所对应的复合参数序列Z_n的取值；

(1.4)将优化后的信号集S(L，N，M)中的复合参数序列Z_n在每个符号周期内进行CPM调制，生成的等效低通波形为

m为1个符号的采样点数，ε为CPM信号的码元能量，T为一个符号周期的长度，

为一个符号时间内的初始相位；由优化后的复合序列Z_n进行CPM调制生成随机连续相位信号，该信号的一个码元宽度内的频率根据复合参数序列Z_n的幅度跳变，且该信号的相位是连续变化的。

进一步地，步骤3所述经过信道传输后，接收端对接收信号进行下变频，下变频后的信号与本地接收机已保存的设计好的伪随机码进行匹配滤波，以本地伪随机码为抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值，具体为：

(3.1)由随机连续相位调制信号与通信信息数据组合的发送信号，经过信道传输后由接收机接收，接收到的信号分别与本地压控振荡器产生的同向和正交支路信号相乘，得到同向和正交支路下变频后的信号；

(3.2)下变频后信号送入以本地伪随机码为抽头系数构建的本地匹配滤波器进行匹配滤波，匹配滤波器每一个时钟都会计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值，将匹配滤波的结果进行求模处理，得到匹配滤波器输出的相关峰值结果。

进一步地，步骤4所述将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，对匹配滤波后的结果进行判决，当检测结果大于自适应门限时，表明完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收，具体如下：

(4.1)将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，将匹配滤波处理得到的结果送至长度为2R+1的缓冲器中，当输入信号是噪声时，这些信号是独立同分布的，在每个时钟下都会有一个噪声功率的估计值更新出来；当前噪声功率由对前R个样本值与后R个样本值的功率求均值估计值采用的方式得到，再将噪声功率乘以门限因子P即得到自适应门限值；

(4.2)将匹配滤波器输出的结果，与自适应门限值进行比较，采用3/4的判决策略，在连续的4次判决中，如果有3次都超过自适应门限值就认为捕获到了伪随机码，将捕获标志信号拉高；如果低于3次超过自适应门限值则认为没有捕获到随机码，返回初始捕获状态继续进行捕获；捕获标志位信号的拉高，表明了完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收。

进一步地，随机连续相位调制信号适用于任意随机信息序列的生成，在保证连续相位的前提下，对于复合参数序列Z_n的选择，包括随机调整信息序列I_n和调制指数h_n以满足带宽和频率的要求。

进一步地，随机连续相位调制信号适用于不同的有记忆非线性调制方式，CPM的脉冲形式能够选择不同的信号，包括REC、RC、GMSK这些信号。

需要说明，下面详细描述本发明的设计思路和实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例

下面参考附图描述根据本发明实施例的以随机连续相位调制信号为先导序列的扩频通信系统。

一种随机连续相位调制信号，作为低信噪比下扩频数据传输前的先导序列进行伪随机码的捕获，低信噪比是指信噪比在-5dB以下。在伪随机码长度有限、捕获时间有限、相同信号带宽的前提下，利用随机CPM信号良好的自相关性能提高系统的捕获性能，同时利用随机信号的保密性，使得该信号不容易被截获或侦察到，进一步解决在低信噪比情况下伪随机码捕获困难的情况。适用于各种扩频调制形式和各种信号速率。

本发明的设计思路如下：

CPM信号通常表示为：

需要说明的是，ε为信号码元能量，T为符号持续时间，f_c为载波频率，φ₀为随机初相φ(t；I)，为载波的时变相位，表示为：

在式中I为发送符号向量，h_k为调制指数序列，I_k是K进制符号序列，范围是I_k∈{±1，±3，...，±(M-1)}，相邻符号间的调制指数可以根据需要调整。q(t)可以表示为脉冲g(t)的积分，是一个归一化波形。

需要说明的是，常见的脉冲函数g(t)的表达式如下所示：

矩形脉冲REC：

升余弦脉冲RC：

高斯最小相移键控脉冲GMSK：

其中

将g(t)带入表达式可进一步得到：

虽然g(t)不一定连续，但是其积分函数q(t)是连续的，这就通过相位的连续性引入了记忆性。根据L是否大于1，CPM信号可以分为部分响应(L＞1)和全响应CPM(L＝1)。

本发明主要针对矩形脉冲REC的全响应CPM信号进行分析，其时变相位函数可以表示为：

需要说明的是，附加相位

表示(n-1)T时的所有符号的累积(记忆)值，

为[(n-1)T，T]时间内的初始相位，Δf_n＝I_nh_n/2T表示[(n-1)T，T]内的频率偏置。我们可以知道在符号周期T确定的时候，在(n-1)T内的无论是初始相位亦或是频率偏置只由信息序列I_n和调制指数序列h_n的乘积决定。不妨令Z_n＝I_nh_n，此时随机CPM信号及其等效低通表达式如下：

通过上二式可知，这种CPM信号可以看作是一种连续相位的调频信号，因此CPM信号的正交表达式如下：

根据该正交表达式，可以得到CPM信号调制器的结构如图1所示。由复合参数序列Z_n计算出附加相位和初始相位进而得到对应的瞬时相位值，由瞬时相位值得到同向和正交支路的基带分量；最后经过载波调制和幅值调整，得到对应的CPM信号。

关于序列Z_n的选取设计，可以改变信息序列I_n和调制指数序列h_n中任意数值而并不影响随机连续相位调制信号的生成结果。作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明的基于固定调制指数序列h_n的情况下进行进一步说明。基于上述随机CPM信号生成的基础，本发明的模型建立如下：

本发明的初衷是通过设计随机CPM信号来取代传统的用于捕获的伪随机码，且可以找到足够多的复合参数序列Z_n使其对应的随机CPM信号之间互相关优良。

将一个符号周期T_b分成N个码片，码片长度为T_c＝T_b/N。在每个码片内不再使用扩频码调制，转而采用复合序列{Z_n}进行CPM调制。对一个符号长度的CPM信号进行采样可以得到其等效低通信号为：

其中n＝1，...，N为序列{Z_n}的长度，m＝1，...M为一个符号的采样点数。

假设可以利用带宽为B，将B分为N_f个频段，每个频段宽度ΔB＝B/N_f，取每个频段的中间频点作为候选频点，其分布图如图2所示。

候选频点可表示为：

其中i＝0，1，...，N_f-1。又因为Δf_i＝z_i/2T_c，可以进一步推出第i个频点对应Z_i取值为：

所以序列Z_n∈{z_i|z_i＝BT_c(2i-N_f-1)/N_f，i＝0，1，....，N_f-1}。

以实施例中的仿真参数为例，中频带宽B＝80MHz，T_b＝800ns，T_c＝25ns，N＝32，N_f＝16。序列Z_n∈{z_i|z_i＝(2i-15)/8，i＝0，1，....，15}。本实施例中，为了简化计算，固定调制指数h_n＝0.125。

设随机CPM码信号集有大小为L，集合中信号码长为N，一个符号的随机CPM信号采样点数为M，那么信号集可以表示为：

其中

表示第l个CPM信号对应的复合序列，对于一个码长为N，信号个数为L的随机CPM信号集，可以用如下矩阵来表示：

若要求随机CPM信号相互正交，则要求其自相函数和互相关函数满足：

其中

k≠0为第l个CPM信号自相关函数旁瓣，

为第p个信号和第q个信号的互相关函数。

事实上，工程上很难达到信号之间完全正交，基本上都是准正交，也就是互相关值非常小近似理想，而且大多数波形自相关函数也不是理想的“冲击”型，只是旁瓣非常小。本发明所设计的波形就是这种准正交波形。为了寻找到满足自相关和互相关特性的正交CPM信号，需要对随机CPM正交集进行优化。本发明适用的优化算法包括但不限于遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等。本实施例以遗传算法为例对随机CPM正交集进行优化设计：

遗传算法GA(Genetic Algorithm)是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的全局优化算法，它需要以某种极小化准则来设计，现在比较成熟的优化准则和代价函数有：

(1)最大旁瓣电平极小化：

需要说明的是

为自相关积分旁瓣，

为互相关积分能量，λ为互相关旁瓣能量积分加权系数。

(2)旁瓣能量积分极小化：

需要说明的是，

为自相关积分旁瓣能量，

为互相关积分能量，λ为互相关旁瓣能量积分加权系数。

(3)最大旁瓣能量极小化

(4)旁瓣电平次方积分极小化

需要说明的是，如果波形相位离散取值的时候，在使用遗传算法进行优化时可以不需要代价函数的梯度信息，于是准则1和3能被采用。当信号波形相位连续且采用基于梯度的算法时，可以采用准则2和4。本发明根据实际情况，选用了准则2作为代价函数。且本实施例中取互相关旁瓣能量积分加权系数λ＝1。

作为一种示例性的实施方式，按照如图3所示遗传算法步骤，寻找最优序列集合：

S1：产生初始群体T(0)：预设T(0)大小为1000，随机CPM信号集大小为4，序列Z_n长度为32，频点个数为16，最大进化次数为5000。

S2：编码：因为Z_n∈{z_i|z_i＝(2i-15)/8，i＝0，1，....，15}，所以若信号集中任意一个元素

则可将该元素编码为i对应的二进制数，例如若

则将

编码为0100。

S3：选择：把旧种群的个体分别代入适应度函数，计算各自的适应度值。同时结合选择策略，从旧种群中选择符合要求的“适应性”强的优秀个体，将其作为“父辈”繁衍“子辈”，取代“适应性″差的不良个体，传递“优良基因”。适应度越大的个体被选中传递基因的概率就越高。

S4：进化：把种群T(d)内个体随机配对并以交叉概率p＝0.9交换部分染色体。对种群T(d)内的每个个体以变异概率q＝0.05改变部分基因。对于交叉和变异产生的冗余编码，需要用随机产生的有效编码代替。其中d为进化次数。

S5：判断是否进化5000代，若满足则停止，输出最优解，否则转向S3继续。

图4为本实施例基于遗传算法优化的随机CPM信号集适应度曲线，个体经过5000代进化，其适应度(最小值、平均值)已趋于水平，结果收敛于最优值。

表1为本实施例基于遗传算法后收敛得到的最优Z_n序列集。

表1

图5为本实施例中优化后最优Z_n序列1生成的随机CPM信号，满足模型设定条件。

为了进一步说明随机CPM信号的自相关性的优越性，实施例中对比随机CPM信号与截短Gold码的自相关与互相关性能。图6～图9分别为最优Z_n序列集中序列1、2、3、4的归一化圆周自相关函数与32位截短Gold序列的归一化圆周自相关函数对比。图10～图15分别为所得Z_n序列集的序列间的互相关特性与32位截短Gold序列的归一化圆周互相关函数对比。图10为序列1和序列2之间的归一化圆周互相关函数；图11为序列1和序列3之间的归一化圆周互相关函数；图12为序列1和序列4之间的归一化圆周互相关函数；图13为序列2和序列3之间的归一化圆周互相关函数；图14为序列2和序列4之间的归一化圆周互相关函数；图15为序列3和序列4之间的归一化圆周互相关函数。

随机CPM信号自相关峰值旁瓣值约为0.1778，最大互相关峰值约为0.2349。对比32位截短Gold序列和CPM信号，相同条件下，随机CPM信号自相关主瓣峰值更尖锐，旁瓣的平均值更低，即自相关性能更好。同时，互相关性能也有明显改善。

下面参考附图描述根据本发明实施例的扩频通信系统中伪随机码的捕获及其捕获性能。

图16为根据本发明实施例的CPM_DSSS通信系统发送信号帧结构示意图，随机CPM信号作为扩频通信系统中发送信号的先导序列进行发送，与数据段直接序列扩频信号连接组合发送。需要说明的是x(t)为一个符号长度的随机CPM信号，M为CPM信号个数，T为符号持续时间，d(t)为扩频调制符号，c(t)为直接序列扩频码。

图17为根据本发明实施例的扩频通信系统接收端信号处理过程图，假设接收信道特性理想，接收端接收组合的CPM_DSSS信号，并进行下变频处理后得到的信号进入匹配滤波器。

图18为根据本发明一个实施例的扩频通信先导序列伪随机码捕获的流程图。作为一种示例性的实施方式，本发明实施例中采用的是匹配滤波器的捕获结构。以本地CPM序列位抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟都会计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值，并送入判决器进行判决。当本地伪随机码没和接收伪随机码相位对齐时，匹配滤波器输出很小，远小于判决门限；当本地伪随机码和接收伪随机码相位对齐时，匹配滤波器输出相关峰值，此时大于门限，表明捕获成功。需要说明的是，该实施例应用使用扩频通信方式的通信信息。

作为一种示例性的实施方式，判决器门限引用雷达领域里恒虚警检测的概念，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，实现结构如图19所示。

需要说明的是，将匹配滤波处理得到的结果送至长度为2R+1的缓冲器中，当输入信号是噪声时，这些信号是独立同分布的，在每个时钟下都会有一个噪声功率的估计值更新出来。根据数学理论的推导，这里对功率的估计值采用求均值的方式得到，即当前的噪声功率由前R个样本值与后R个样本值的均值求得，再将其乘以门限因子P即可得到判决门限值。

作为一种示例性的实施方式，这里采用了3/4的判决策略，具体是在连续的4次判决中，如果有3次都超过自适应门限值就认为捕获到了CPM信号，将捕获标志信号拉高；如果低于3次超过自适应门限值则认为没有捕获到CPM信号，返回初始捕获状态继续进行捕获。

为了进一步说明利用随机CPM信号自相关性实现伪随机码捕获较传统的利用截短Gold码自相关性实现伪随机码捕获的优越性，在此举例说明两者在不同信噪比下的检测概率：

分别采用Gold-DSSS信号和随机CPM-DSSS信号的形式，比特速率Rb为1.25Mbps，采样率Fs为200MHz，两种系统的区别仅在于使用了不同的伪随机码进行的捕获，其中Gold-DSSS信号的捕获伪随机码为32位截短Gold码，码率Rc为40MHz，中频带宽均为80MHz。实施例中，预设信噪比为-15dB至5dB。下面利用Matlab软件进行仿真两者自相关特性及在不同信噪比下的检测概率进行比较。

图20为不同信噪比下两者的检测概率曲线，可以看出在低信噪比的情况下，随机CPM信号的检测概率明显高于32位截短Gold码，在-8dB时，32位截短Gold码和随机CPM信号的检测概率分别为0.713和0.836，后者的检测概率比前者高约0.125。

综上，本发明相比于与传统的伪随机码捕获方法而言，在相关器资源有限、捕获时间有限的情况下，利用随机CPM信号良好的自相关特性可以在低信噪比下达到更高的检测概率，实现伪随机码捕获，具有更强的抗干扰能力。且随机CPM信号的参数选择存在较大的正交信号集，不易被侦察或截获到。本发明可扩展为任意脉冲函数生成的随机连续相位调制，用于扩频通信系统中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立随机连续相位调制信号模型，将一个符号周期分成多个码片，每个码片内对应不同的频点，每个码片由复合参数序列进行CPM信号调制；

步骤2、生成的随机连续相位调制信号作为系统中的先导序列与后续需要传输的通信信息数据进行拼接组合，前端为随机连续相位调制信号，后端为通信信息数据；组合后的信号进行载波调制后发送到信道进行传输，同时将生成的随机连续相位调制信号作为本地伪随机码保存到本地接收机上；

步骤3、经过信道传输后，接收端对接收信号进行下变频，下变频后的信号与本地接收机已保存的设计好的伪随机码进行匹配滤波，以本地伪随机码为抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值；

步骤4、将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，对匹配滤波后的结果进行判决，当检测结果大于自适应门限时，表明完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收。

2.根据权利要求1所述的基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，步骤1所述建立随机连续相位调制信号模型，将一个符号周期分成多个码片，每个码片内对应不同的频点，每个码片由复合参数序列进行CPM信号调制，具体如下：

(1.1)建立复合参数序列Z_n的取值集合，由信号的带宽B、码片长度T_c以及频段个数N_f，决定复合参数序列Z_n的取值集合，第i个频点对应z_i取值为Z_n∈{z_i|z_i＝BT_c(2i-N_f-1)/N_f,i＝0,1,....,N_f-1}；

(1.2)将一个符号周期分成多个码片，每个码片由对应的复合参数序列Z_n进行CPM信号调制，对于复合参数序列Z_n值的选取，在复合参数序列Z_n取值集合范围内，构建随机CPM信号集；随机CPM码信号集大小为L，集合中信号码长为N，一个符号的随机CPM信号采样点总数为M，信号集表示为：

表示第l个CPM信号对应的复合序列；建立一个码长为N、信号个数为L的随机CPM信号集S(L,N,M)：

(1.3)在建立随机CPM信号集的基础上，对信号集S(L,N,M)进行优化，以旁瓣能量积分极小化准则为代价函数，采用初始种群个数为1000迭代次数为5000的遗传算法进行优化，搜索到具有准正交特性的随机CPM信号集所对应的复合参数序列Z_n的取值；

(1.4)将优化后的信号集S(L,N,M)中的复合参数序列Z_n在每个符号周期内进行CPM调制，生成的等效低通波形为

m为1个符号的采样点数，ε为CPM信号的码元能量，T为一个符号周期的长度，

为一个符号时间内的初始相位；由优化后的复合序列Z_n进行CPM调制生成随机连续相位信号，该信号的一个码元宽度内的频率根据复合参数序列Z_n的幅度跳变，且该信号的相位是连续变化的。

3.根据权利要求1所述的基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，步骤3所述经过信道传输后，接收端对接收信号进行下变频，下变频后的信号与本地接收机已保存的设计好的伪随机码进行匹配滤波，以本地伪随机码为抽头系数构建本地匹配滤波器，接收信号下变频后随时钟送入匹配滤波器中，匹配滤波器每一个时钟计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值，具体为：

(3.1)由随机连续相位调制信号与通信信息数据组合的发送信号，经过信道传输后由接收机接收，接收到的信号分别与本地压控振荡器产生的同向和正交支路信号相乘，得到同向和正交支路下变频后的信号；

(3.2)下变频后信号送入以本地伪随机码为抽头系数构建的本地匹配滤波器进行匹配滤波，匹配滤波器每一个时钟都会计算此时输入信号和本地伪随机码之间的相关值，将匹配滤波的结果进行求模处理，得到匹配滤波器输出的相关峰值结果。

4.根据权利要求1所述的基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，步骤4所述将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，取邻近距离单元方法构成噪声功率估计电路求得自适应门限，对匹配滤波后的结果进行判决，当检测结果大于自适应门限时，表明完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收，具体如下：

(4.1)将本地信号与下变频后的接收信号进行匹配滤波后的结果进行恒虚警检测，将匹配滤波处理得到的结果送至长度为2R+1的缓冲器中，当输入信号是噪声时，这些信号是独立同分布的，在每个时钟下都会有一个噪声功率的估计值更新出来；当前噪声功率由对前R个样本值与后R个样本值的功率求均值估计值采用的方式得到，再将噪声功率乘以门限因子P即得到自适应门限值；

(4.2)将匹配滤波器输出的结果，与自适应门限值进行比较，采用3/4的判决策略，在连续的4次判决中，如果有3次都超过自适应门限值就认为捕获到了伪随机码，将捕获标志信号拉高；如果低于3次超过自适应门限值则认为没有捕获到随机码，返回初始捕获状态继续进行捕获；捕获标志位信号的拉高，表明了完成伪随机码的捕获，能够进行通信信息数据的接收。

5.根据权利要求1所述的基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，随机连续相位调制信号适用于任意随机信息序列的生成，在保证连续相位的前提下，对于复合参数序列Z_n的选择，包括随机调整信息序列I_n和调制指数h_n以满足带宽和频率的要求。

6.根据权利要求1所述的基于随机连续相位调制信号的低信噪比码捕获方法，其特征在于，随机连续相位调制信号适用于不同的有记忆非线性调制方式，CPM的脉冲形式能够选择不同的信号，包括REC、RC、GMSK这些信号。

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