CN113612500A

CN113612500A - 一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法及系统

Info

Publication number: CN113612500A
Application number: CN202110721103.7A
Authority: CN
Inventors: 张宗攀; 杨克元; 王健欢; 王兆驰; 王建诚
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2041-06-28
Also published as: CN113612500B

Abstract

一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法及系统，步骤为：(1)利用本地跳频图案合成本地跳频载波，利用所述的本地跳频载波对接收信号进行解跳，并对解跳后的信号进行低通滤波；(2)对低通滤波之后的数据进行增益控制，实现信号功率在不同工况下的基本一致；(3)对数据进行抽取；(4)产生本地直扩码字，然后用所述的本地直扩码字对抽取后的数据进行解扩，并对解扩后的数据进行第一次累加；(5)通过相位旋转的方式对跳频码相位初相和多普勒引起的相位滑动量进行补偿；(6)根据跳频图案将跳频相位旋转之后的数据分为不同的区间，在每个区间内分别进行二次累加和FFT运算，然后将多个区间的FFT模值相加，最后通过比较找到最大峰值，最大峰值对应的本地扩跳码相位和频偏值即为接收信号的扩跳码相位和多普勒频偏。

Description

一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法及系统

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法。

背景技术

扩跳频信号具有优异的抗干扰、抗截获能力，是目前公认的最具生命力的抗干扰测控体制。

扩跳频信号通过直扩、跳频相结合的方式，非常容易实现比较宽的总扩频带宽。这一方面使其具有较高的扩频增益，抗干扰能力非常强。但同时也使得扩跳频信号的自相关峰值非常尖锐，需要在非常高的码相位精度上进行搜索才能实现扩跳码相位的捕获。尖锐的自相关峰值也使得扩跳频信号的捕获对收发端存在的多普勒频偏非常敏感，因此，在多普勒频偏上的搜索精度也非常高。

在扩跳码相位和多普勒频偏两个维度上的精细搜索使得扩跳频信号的捕获难度非常高，所需时间非常长，占用的资源也非常多。严重限制了扩跳频测控体制在大动态、强干扰条件下的推广应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法。

本发明的技术方案是：一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法，根据扩跳频信号的时频特性表达式，基于扩跳频信号自相关峰值尖锐程度与跳频带宽成正比的特性，分跳频区间进行扩跳码相位和多普勒频偏搜索，确定接收信号的扩跳码相位和多普勒频偏。

进一步的，所述扩跳频信号的时频特性表达式如下：

式中，f₀为扩跳频信号中心频点的频率，f_d为中心频点对应的多普勒，f_di表示每一跳的跳频多普勒，T_c为直扩码片的间隔，τ为扩跳频信号在时间上移动间隔，T_h是1跳宽度。

一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获方法，具体包括如下步骤：

(1)利用本地跳频图案合成本地跳频载波，然后用该跳频载波对接收信号进行解跳，并对解跳后的信号进行低通滤波；

(2)对步骤(1)中低通滤波后的解跳信号幅值进行自动增益控制，使得低通滤波后的解跳信号幅值在有干扰环境和无干扰情况下保持一致；

(3)对解跳后的数据进行抽取；

(4)产生多路不同相位的本地直扩码字，并用所述的直扩码字与抽取后的数据进行相乘，然后对相乘后的数据在一跳的时间间隔内进行相加；

(5)采用相位旋转的方式对步骤(4)获得的数据进行跳频码相位搜索，相位旋转量为跳频码初相和多普勒引起的相位滑动量的和值；

(6)根据跳频图案将步骤(5)处理之后的数据分为不同的几个区间，在每个区间上分别进行二次累加和FFT运算，然后将不同区间上得到的FFT模值进行相加，最后通过比较找到最大峰值，最大峰值对应的本地扩跳码相位和频偏值即为接收信号的扩跳码相位和多普勒频偏。

进一步的，步骤(6)中分区的原则为确保每个区间上的FFT输出信噪比不低于10dB。

进一步的，步骤(4)中的本地直扩码的相位差不大于1/2个码片。

进一步的，步骤(5)中相位旋转的步进不大于

其中f_H为单边跳频带宽。

进一步的，步骤(3)中抽取的原则确保抽取之后的数据速率不小于直扩码速率的4倍。

进一步的，步骤(4)中一次数据相加的时长不能大于1跳，即相加后的数据速率要大于或者等于跳频速率。

进一步的，步骤(6)中应先将每个区间上的FFT取模值之后再将多个区间的FFT模值相加。

一种大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获系统，包括解跳模块、数字AGC、抽取模块、频偏搜索模块、跳频码相位搜索模块、直扩码相位搜索模块；

解跳模块，利用本地跳频图案合成本地跳频载波，然后用该跳频载波对接收信号进行解跳，并对解跳后的信号进行低通滤波，滤波后的解跳信号输出至数字AGC；

数字AGC，对低通滤波后的解跳信号幅值进行自动增益控制，使得低通滤波后的解跳信号幅值在有干扰环境和无干扰情况下保持一致，结果输出至抽取模块；

抽取模块，对输入的数据进行抽取；

直扩码相位搜索模块，产生多路不同相位的本地直扩码字，并用所述的直扩码字与抽取后的数据进行相乘，然后对相乘后的数据在一跳的时间间隔内进行相加，相关累加后的结果输出至跳频相位旋转模块；

跳频码相位搜索模块，通过相位旋转的方式对跳频码相位初相和多普勒引起的相位滑动量进行补偿，根据本地跳频图案将相位旋转处理之后的数据分为不同的几个区间；

频偏搜索模块，在每个区间上分别进行二次累加和FFT运算，然后将不同区间上得到的FFT模值进行相加，最后通过比较找到最大峰值，最大峰值对应的本地扩跳码相位和频偏值即为接收信号的扩跳码相位和多普勒频偏；最后将跳频码相位和多普勒频偏反馈至解跳模块，将直扩码相位反馈至直扩码相位搜索模块即可完成扩跳频信号的捕获。

本发明与现有技术相比的优点在于：首先本发明通过理论推导得到了扩跳频信号的自相关特性与跳频带宽成正比的结论。其次基于这一结论，提出了通过划分跳频区间来降低捕获工作量和资源消耗的工程实现思路，并给出了跳频区间划分的方法及划分个数的确定准则。最后给出了可工程实现的捕获方案。

附图说明

图1直扩码相位搜索示意图；

图2扩跳频信号自相关值；

图3码相位偏差造成的积分结果跳变示意图；

图4均匀划分跳频区间之后码相位偏差为1/8个直扩码片时的各跳积分值；

图5为本发明方法的原理图。

具体实施方式

本发明针对的扩跳频信号具有如下的约束关系。

T_b＝MT_h＝MPT_c

上式中，T_b是1个数据符号宽度，T_h是1跳宽度，T_c是1个码片宽度，也就是说1个数据符号内包含整M跳，1跳内包含整P个码片，也即1个数据符号内包含整MP个码片。同时，跳频码相位和直扩码相位具有严格的相干关系。

本发明基于扩跳频信号自相关峰值尖锐程度与跳频带宽成正比的特性，提出一种分跳频区间进行扩跳码相位和多普勒频偏搜索的快速捕获方法，可在大幅降低资源消耗的同时，实现大动态、强干扰条件下扩跳频信号的快速捕获。

如图5所示，为本发明方法的原理图，主要步骤如下：

(1)解跳。根据本地跳频图案，合成本地跳频载波，对输入的扩跳频信号进行解跳。解跳主要包括本地跳频图案生成、频率合成器和低通滤波三个部分。其中，本地跳频图案生成部分使用任务要求的算法(此处无特殊算法，例如将任务要求的跳频图案先存起来，然后再逐个读出)生成本地跳频图案，然后频率合成器根据跳频图案合成对应频率的跳频载波。低通滤波部分用来滤除解跳产生的倍频分量以及可能存在的带外干扰信号。

(2)数字AGC。对解跳后的信号功率进行控制。当系统存在窄带干扰时，解跳后，干扰若留在带内，则经过低通滤波后的剩余信号功率很大；干扰若留在带外，则被低通滤波器滤除，剩余信号功率很小。为了减小两种工况下的功率差异对后续处理的影响，此处需要使用数字AGC模块将上述两种情况下的信号功率控制在相同的水平上。

(3)抽取。对信号进行抽取降速处理。由于扩跳频信号频谱宽度很宽，因此，进行解跳等处理时需要很高的采样速率。当解跳完成后，信号变为零中频扩频信号，此时，采样速率可以降至相对较低的速率上进行后续处理，以降低系统工作频率，降低之后的采样速率最好不小于直扩码速率的四倍，以减小采样率过低带来的信号能量损失。

(4)直扩码相位搜索。用本地直扩码字对接收信号进行相关累加处理，以搜索接收信号直扩码相位，如图1所示。

直扩码相位搜索时每次滑动1/4个码片进行相关累加。由于没有同时滑动跳频码相位，因此相关累加的长度最长为1跳，以便于对累加之后的数据进行跳频相位补偿，以使得跳频码相位与直扩码相位相干。

(5)跳频码相位搜索。对直扩码相关累加后的结果进行跳频相位旋转，以实现跳频码相位与直扩码相位相干。此处，跳频相位旋转的步进也是1/4个码片。跳频相位旋转实现扩跳码相位相干的原理如下。假设扩跳信号表达式为：

f(t)＝d(t)c(t)exp(j2πf_it+θ),kT_h≤t≤(k+1)T_h

式中，d(t)为信息数据，c(t)为直扩伪码，f_i为跳频频点。那么，如果将上述扩跳频信号在时间上移动间隔τ，信号就会变为：

f(t)＝d(t+τ)c(t+τ)exp(j2πf_i(t+τ)+θ),kT_h≤t≤(k+1)T_h

由于τ远小于一个码片间隔或一个数据间隔，因此，信号可以近似表示为：

f(t)＝d(t)c(t)exp(j2πf_i(t+τ)+θ)

＝d(t)c(t)exp(j2πf_it+θ)·exp(j2πf_iτ)，kT_h≤t≤(k+1)T_h

由此可以看到，要将扩跳频信号的相位移动时间间隔τ，只需在每一跳内乘以一个固定的相位校正因子exp(j2πf_iτ)。因此，此处采用上述方法，可将扩跳频信号相位搜索间隔提高至任意需要的精度。

跳频码相位的影响因素有两个。一是初相，由于扩跳码相位具有相干性，因此，跳频码的初相即为前面搜索直扩码相位时的相位滑动量。另外一个跳频码相位的影响因素是多普勒频偏引起的相位滑动。由于需要在较长的时间内进行积分才能获得较强的抗干扰能力。因此，当多普勒频偏较大时会在积分区间内造成跳频码相位滑动过大，从而影响积分结果，因此需要对多普勒频偏造成的相位滑动量进行补偿，以降低多普勒频偏对积分结果的影响。

跳频码相位最终的旋转量即为初相和多普勒频偏引起的相位滑动量的总和。

(6)多普勒频偏搜索。采用FFT的方法对多普勒频偏进行搜索。在进行FFT之前，需要对跳频相位旋转之后的数据先按不同的跳频区间分别进行二次累加，以降低跳频码相位搜索步进过大带来的不利影响，然后再对划分区间之后的数据分别进行FFT运算，并对FFT的模值进行相加。最后搜索其中的最大值即可实现扩跳码相位的捕获，并通过最大值的位置得到扩跳频信号的多普勒频偏。之所以需要划分跳频区间分别进行FFT运算，是因为：

扩跳频信号在N跳内的表达式可以表示为

上式中，c_i(t)为第i跳内的直扩信号表达式，u₀(t)为单位阶跃函数。由此可以得到扩跳频信号的时频特性表达式为

上式中，f₀为扩跳频信号中心频点的频率，f_d为中心频点对应的多普勒，f_di表示每一跳的跳频多普勒，T_c为直扩码片的间隔。由此得到扩跳频信号的时域自相关特性如图2所示。

可见，扩跳频信号的自相关特性主要体现为sinc函数的形状，第一个过零点对应的码相位偏移量为

f_H为单边跳频带宽。也就是说扩跳频信号的自相关峰尖锐程度取决于跳频带宽的大小。

由前面的描述可知，扩跳码相位的搜索步进是1/4个直扩码片。这一搜索精度对于扩跳频信号来说是远远不够的。过大的搜索步进虽然可以减小工作量，但是带来的相位误差会造成相关值的大幅下降，最终造成抗干扰能力的降低。图3是无码相位偏差和1/8个直扩码相位偏差情况下的各跳积分结果对比。

通过对比可以看到，即时存在1/8个直扩码相位偏差也会造成各跳积分值的相位出现大幅的随机跳变，从而严重影响积分值的进一步累加，最终严重影响抗干扰能力。

前面提到扩跳频信号的自相关值与跳频带宽成正比，也就是说跳频带宽越宽，自相关峰值越陡峭，所需的扩跳码相位搜索精度越高。因此，可以通过降低跳频带宽的方式来降低扩跳码相位的搜索精度。本发明提出的快速捕获方法中，通过将整个跳频区间均匀划分为多个小区间的方式来降低跳频带宽。在每个小的区间内，跳频带宽f_H足够小，可以以1/4个直扩码相位的步进进行搜索，此时各跳积分值的相位跳变不大，特别是各跳积分值的极性是相同的，在多跳之间进行进一步的积分时不会带来各跳积分值的相互抵消。此时各跳积分值的跳变情况如图4所示。

采用划分区间的方式进行扩跳码相位和载波频偏的捕获时，区间划分个数为k个，扩跳码相位和多普勒频偏的搜索步进均可扩大为原来的k倍，因此，单个小区间内的搜索工作量可以降低为原来的

同时，划分为k个区间之后，相应的搜索工作量又会增加k倍。因此，最终本发明提出的快速捕获方法可以将搜索工作量降为常规方法的

从而明显降低了捕获工作量，大大提高了工程可实现性。

但同时，也不是说区间划分的越多越好。区间划分的越多，相应的在每个小区间内进行FFT运算时所获得的FFT输出信噪比就越低，由于还要在多个小区间之间进行FFT的模值相加，因此应确保每个小区间上的FFT输出信噪比不低于10dB，从而避免模值相加带来的信噪比损失。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。