CN113922843B

CN113922843B - 通信系统信号同步方法及系统

Info

Publication number: CN113922843B
Application number: CN202111514685.8A
Authority: CN
Inventors: 钟都都; 庄信武; 张伟科; 王帅; 方金辉; 罗士荀
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-12-13
Also published as: CN113922843A

Abstract

本发明提供一种通信系统信号同步方法及系统，方法包括：将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器；将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号；根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步；其中，所述目标接收信号是根据将跳扩频信号经通信系统传输后的接收信号确定的。所述系统执行所述方法。本发明基于快速跳扩频信号的自身特点，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

Description

通信系统信号同步方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种通信系统信号同步方法及系统。

背景技术

战术自组网是未来的重要通信保障手段，具有机动灵活、简易部署、集群智能的特点，但也必需克服高动态、大衰落和强干扰带来的不良影响。随着接入装备数以及通信速率需求的不断增长，频带内的干扰信号和多径效应所带来的码间串扰，会严重影响通信质量，而传统的时分多址接入以及频分多址接入等方式在抗干扰和抵抗衰落方面效果不显著。

快速跳扩频信号结合了直扩信号与跳频信号的特点，可以显著提高通信系统的处理增益，并且能有效克服远近效应，提高抗窄带干扰、多径快衰和路径损耗的能力，具有高保密性、强抗干扰性和低截获概率，在通信领域中有着极为广泛的运用。

如何实现对快速跳扩频信号的同步，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供的通信系统信号同步方法及系统，用于现有技术中存在的上述问题，基于快速跳扩频信号的自身特点，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

本发明提供的一种通信系统信号同步方法，包括：

将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器；

将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号；

根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步；

其中，所述目标接收信号是根据将跳扩频信号经通信系统传输后的接收信号确定的。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，所述将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器，包括：

将所述目标接收信号分为多路信号，并将每路信号分别与对应频率的本振信号相乘；

将每路与所述对应频率的本振信号相乘后的信号分别输入到对应的中频滤波器。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，所述对应频率的本振信号是通过如下方式确定的：

根据所述跳扩频信号每个符号内的跳频点数和直接序列扩频的码长，确定所述本振信号的频率。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，所述将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号，包括：

将每路经所述中频滤波器之后的信号输入到对应的并行捕获模块，分别对每路经所述中频滤波器之后的信号进行循环移位；

根据循环移位后的信号和本地模板信号，确定每路输出的最匹配信号；

根据所述每路输出的最匹配信号，确定所述目标匹配信号。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，所述根据所述每路输出的最匹配信号，确定所述目标匹配信号，包括：

对每路输出的最匹配信号进行相位补偿；

将相位补偿后的信号进行合并，以获取所述目标匹配信号。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，所述根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步，包括：

将所述目标匹配信号和所述直接序列扩频进行移位相关，以确定所述相关峰的位置；

根据所述相关峰的位置，确定所述目标匹配信号的相位和频偏；

根据所述相位和所述频偏，采用差分相干积累的方式对所述目标匹配信号进行同步。

根据本发明提供的一种通信系统信号同步方法，在所述根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步之后，还包括：

通过解星座映射的方式，获取同步后的目标匹配信号中的传输信息。

本发明还提供一种通信系统信号同步系统，包括：第一处理模块、第二处理模块以及信号同步模块；

所述第一处理模块，用于将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器；

所述第二处理模块，用于将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号；

所述信号同步模块，用于根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步；

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述通信系统信号同步方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述通信系统信号同步方法的步骤。

本发明提供的通信系统信号同步方法及系统，基于快速跳扩频信号的自身特点，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的通信系统信号同步方法的流程示意图；

图2是本发明提供的信号波形快速同步接收示意图；

图3是本发明提供的目标接收信号与本振相乘示意图；

图4是本发明提供的并行捕获模块示意图；

图5是本发明提供的相关合并示意图；

图6是本发明提供的通信系统信号同步系统的结构示意图；

图7是本发明提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的通信系统信号同步方法的流程示意图，如图1所示，方法包括：

S1、将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器；

S2、将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号；

S3、根据相关峰的位置，对目标匹配信号进行同步；

其中，目标接收信号是根据将跳扩频信号经通信系统传输后的接收信号确定的。

需要说明的是，上述方法的执行主体可以是计算机设备。

可选地，将跳扩频信号经通信系统传输后经通信系统接收机接收，由于基于直接序列扩频技术与跳频技术的结合的跳扩频信号在经通信系统进行传输后，接收机需要同时进行直扩同步与跳频同步。

参见图2，将跳扩频信号经通信系统传输后的目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入到中频滤波器；对于直接序列扩频系统而言，接收机需要捕获扩频码相位与载波多普勒频移。因此，直扩信号的捕获为扩频码相位与载波多普勒频移的二维搜索。

需要说明的是，对于直扩信号的捕获可以采用：滑动相关捕获算法、时域并行捕获算法、匹配滤波器算法以及基于FFT的并行捕获法等。

对于跳频系统而言，跳频同步要求收发双方有相同的跳频频率表、相同的跳频序列和相同的跳频起止时刻。在初始捕获阶段，同步捕获算法使得收发双方的跳频图案在时间上的差值小于二分之一个跳频周期，一般都使用与同步方法相关捕获的方式。

同步捕获方式可以具体采用：逐一搜索本地伪随机码相位的串行捕获方式、引入匹配滤波器并行捕获方式以及串并行结合的捕获方式等。

将经过中频滤波器之后的信号输入到基于傅里叶变换FFT的并行捕获模块，进行多个通道的频偏以及直扩码相位的搜索，并通过对并行捕获模块的输出信号进行相位补偿后，得到目标匹配信号。

通过判断相关峰的位置，对得到的目标匹配信号进行同步。

本发明提供的通信系统信号同步方法，基于快速跳扩频信号的自身特点，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

进一步地，在一个实施例中，步骤S1可以具体包括：

S11、将目标接收信号分为多路信号，并将每路信号分别与对应频率的本振信号相乘；

S12、将每路与对应频率的本振信号相乘后的信号分别输入到对应的中频滤波器。

进一步地，在一个实施例中，对应频率的本振信号是通过如下方式确定的：

根据跳扩频信号每个符号内的跳频点数和直接序列扩频的码长，确定本振信号的频率。

可选地，如图2所示，将目标接收信号分为N路，并与频率为f ₁，f ₂，…，f _N的本振信号相乘之后通过中频滤波器，假设跳扩频信号一个符号内跳频点数为N，直接序列扩频码长为M，每个跳频点内直扩扩频码长为M/N，每个符号内的跳频点一致。每路信号均会有一个跳频点与对应的本振相乘之后落到中频滤波器带内，跳扩频信号与本振信号相乘的方法如图3所示。

本发明提供的通信系统信号同步方法，基于快速跳扩频信号的自身特点，将目标接收信号分为多路信号，并将每路信号分别与对应频率的本振信号相乘；将每路与对应频率的本振信号相乘后的信号分别输入到对应的中频滤波器，为后续实现快速跳扩频信号的同步接收，保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输奠定了基础。

进一步地，在一个实施例中，步骤S2可以具体包括：

S21、将每路经中频滤波器之后的信号输入到对应的并行捕获模块，分别对每路经中频滤波器之后的信号进行循环移位；

S22、根据循环移位后的信号和本地模板信号，确定每路输出的最匹配信号；

S23、根据每路输出的最匹配信号，确定目标匹配信号。

进一步地，在一个实施例中，步骤S23可以具体包括：

S231、对每路输出的最匹配信号进行相位补偿；

S232、将相位补偿后的信号进行合并，以获取所述目标匹配信号。

可选地，将N路经过中频滤波器之后的信号分别输入基于FFT的并行捕获模块，进行K个通道的频偏以及直扩码相位的搜索，取模判决后输出最匹配的通道。

需要说明的是，在FFT并行捕获模块中，直扩码相位的搜索的过程如下：通过频域FFT过程完成伪码相位的循环移位，从而记录了每个相位点的相关卷积过程，并此进行搜索。

参见图4，每路信号经过FFT并进行1到K位的循环移位，形成K个通道，另一方面，按本地的本振信号（例如：频率f ₁的本振信号）生成直接序列扩频的本地模板信号并进行相同跳频点数的傅里叶变换并取共轭，分别与前K个通道的信号进行点乘，随后进行傅里叶逆变换IFFT运算，生成K个通道的结果，在取模判决后输出1路最匹配信号。

参见图5，对N个跳频点的输出信号（最匹配信号）进行合并时，由于跳扩频信号中一个符号有N个跳频点，各个频率的信号经过相同的时延之后相位不同，在合并不同频点的信号时无法直接相干合并，必须分别经过对应的相位补偿模块（如延时（N-1）T，…，延时T）将相位补偿一致之后才能进行相干合并，根据相干合并和的信号，得到目标匹配信号。

本发明提供的通信系统信号同步方法，利用相位补偿模块，使不同频点的信号相位补偿一致后再进行相干合并，减少了码间串扰，保障了通信质量。

进一步地，在一个实施例中，步骤S3可以具体包括：

S31、将目标匹配信号和直接序列扩频进行移位相关，以确定相关峰的位置；

S32、根据相关峰的位置，确定目标匹配信号的相位和频偏；

S33、根据相位和频偏，采用差分相干积累的方式对目标匹配信号进行同步。

可选地，将目标匹配信号和直接序列扩频进行移位相关，取最大值点为相关峰位置；由于相关峰的位置对应的是一个移位量，可以将移位量转化为时延，从而对应目标匹配信号的相位或者频率的偏移。

由于在低信噪比的情况下，往往必须进行多个符号的积累，才能使得相关峰突出噪底，得到正确的捕获结果。目标匹配信号在进行符号间积累的时候必须要解决的问题是每个符号对应位置的频率虽然相同，但是由于出现的时间不同导致相位不相同，例如第一个符号的第一个频点相位为：

，第二个符号的第一个频点相位为：

，以此类推第M个符号的第一个频点相位为

。如果不对相位进行处理，由于相位不同，会损失很大部分的信号能量，但是如果要对将符号间的相位进行补偿，实现起来较为复杂，直接使用非相干积累性能较差，因此使用差分相干积累的方法，虽然每个符号对应位置信号的相位不相同，但是相邻符号的相位差都是

，其中，

为初始相位，

为符号周期，

为初始时间。

差分相干积累的同步方法是将相邻符号进行共轭相乘之后，把共轭相乘的结果累积，这样就能避免积累时信号能量大量的损失。

本发明提供的通信系统信号同步方法，采用差分相干积累的方式，把共轭相乘的结果累积，降低目标匹配信号的能量损失，提高了通信质量。

进一步地，在一个实施例中，在步骤S3之后还可以具体包括：

S4、通过解星座映射的方式，获取同步后的目标匹配信号中的传输信息。

可选地，在完成目标匹配信号的同步后，通过解星座映射实现传输信息的获取。

星座映射是指将携带数字信息的比特序列映射成适于传输的符号序列。星座映射包含两个要素，分别是星座图（constellation）和星座点映射（Labeling）方式。其中，星座图代表星座映射输出符号的所有取值组成的集合，星座图中的每一个点对应输出符号的一种取值。星座点映射方式代表输入比特或比特组到星座点的特定映射关系、或者星座点到比特或比特组的特定映射关系，通常每个星座点与一个比特或多个比特组成的比特组一一对应。

对于接收端而言，需要从接收到的星座符号进行星座解映射以得到解映射后的比特软信息，对于星座图上各个星座点通过硬判决来确定该星座点对应的比特软信息，从而实现对目标匹配信号中的传输信息的获取。

本发明提供的通信系统信号同步方法，基于快速跳扩频信号的自身特点，从低复杂度、低能量损失的同步捕获方法出发，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

下面对本发明提供的通信系统信号同步系统进行描述，下文描述的通信系统信号同步系统与上文描述的通信系统信号同步方法可相互对应参照。

图6是本发明提供的通信系统信号同步系统的结构示意图，如图6所示，包括：

第一处理模块610、第二处理模块611以及信号同步模块612；

第一处理模块610，用于将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器；

第二处理模块611，用于将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号；

信号同步模块612，用于根据相关峰的位置，对目标匹配信号进行同步；

本发明提供的通信系统信号同步系统，基于快速跳扩频信号的自身特点，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

进一步地，在一个实施例中，信号同步模块612，还可以具体用于：

将目标匹配信号和直接序列扩频进行移位相关，以确定相关峰的位置；

根据相关峰的位置，确定目标匹配信号的相位和频偏；

根据相位和频偏，采用差分相干积累的方式对目标匹配信号进行同步。

本发明提供的通信系统信号同步系统，采用差分相干积累的方式，把共轭相乘的结果累积，降低目标匹配信号的能量损失，提高了通信质量。

进一步地，在一个实施例中，通信系统信号同步系统，还包括：

信息获取模块，用于通过解星座映射的方式，获取同步后的目标匹配信号中的传输信息。

本发明提供的通信系统信号同步系统，基于快速跳扩频信号的自身特点，从低复杂度、低能量损失的同步捕获方法出发，实现快速跳扩频信号的同步接收，从而保障具有高保密性和强抗干扰性的信号传输。

图7是本发明提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器（processor）710、通信接口（communication interface）711、存储器（memory）712和总线（bus）713，其中，处理器710，通信接口711，存储器712通过总线713完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器712中的逻辑指令，以执行如下方法：

根据相关峰的位置，对目标匹配信号进行同步；

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机电源屏（可以是个人计算机，服务器，或者网络电源屏等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

进一步地，本发明公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的通信系统信号同步方法，例如包括：

根据相关峰的位置，对目标匹配信号进行同步；

另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的通信系统信号同步方法，例如包括：

根据相关峰的位置，对目标匹配信号进行同步；

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机电源屏（可以是个人计算机，服务器，或者网络电源屏等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：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

1.一种通信系统信号同步方法，其特征在于，包括：

根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步；

其中，所述目标接收信号是根据将跳扩频信号经通信系统传输后的接收信号确定的；

所述将经中频滤波器之后的信号输入到并行捕获模块，以获取目标匹配信号，包括：

根据所述每路输出的最匹配信号，确定所述目标匹配信号。

2.根据权利要求1所述的通信系统信号同步方法，其特征在于，所述将目标接收信号与本振信号相乘，并将相乘后的信号输入中频滤波器，包括：

3.根据权利要求2所述的通信系统信号同步方法，其特征在于，所述对应频率的本振信号是通过如下方式确定的：

4.根据权利要求1所述的通信系统信号同步方法，其特征在于，所述根据所述每路输出的最匹配信号，确定所述目标匹配信号，包括：

对每路输出的最匹配信号进行相位补偿；

将相位补偿后的信号进行合并，以获取所述目标匹配信号。

5.根据权利要求4所述的通信系统信号同步方法，其特征在于，所述根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步，包括：

将所述目标匹配信号和直接序列扩频进行移位相关，以确定所述相关峰的位置；

6.根据权利要求1-5任一项所述的通信系统信号同步方法，其特征在于，在所述根据相关峰的位置，对所述目标匹配信号进行同步之后，还包括：

7.一种通信系统信号同步系统，其特征在于，包括：第一处理模块、第二处理模块以及信号同步模块；

根据所述每路输出的最匹配信号，确定所述目标匹配信号。

8.一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一项所述通信系统信号同步方法的步骤。

9.一种处理器可读存储介质，其特征在于，所述处理器可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述处理器执行权利要求1至6任一项所述通信系统信号同步方法的步骤。