CN114050844B - 一种超宽带跳扩信号快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，能够解决捕获精度不高及时间较长的问题。一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，包括以下过程：过程1：通过双路下变频交替解跳，完成输入采样信号的跳频载波剥离；过程2：通过码片滑动相关运算，完成码剥离；过程3：将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加；得到最终的累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定是否捕获成功。通过上述技术方案，便可很好的解决现有技术中的问题。

Description

一种超宽带跳扩信号快速捕获方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种超宽带跳扩信号快速捕获方法。

背景技术

跳扩信号，是跳频扩频和直接序列扩频相结合的信号体制，它综合了两者的优点，具有更强的保密性和抗干扰能力，常用于卫星通信、卫星测控等领域。

捕获是跳扩信号处理的关键。在超宽带信道条件下，多普勒频偏较大，且存在一定的频率变化率，通常需要进行多次捕获才能达到后续跟踪处理的入口条件，同时这也对单次捕获的速度、以及捕获时间频率的精度提出了较高的要求。而在收发端存在较大时差、信道存在较大宽带干扰及转发式干扰的情况下，成功捕获更加困难。

发明内容

本发明的目的在于提供基于一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，能够解决现有技术中捕获精度不高及时间较长的问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，包括以下过程：

过程1：通过双路下变频交替解跳，完成输入采样信号的跳频载波剥离；

过程2：通过码片滑动相关运算，完成码剥离；

过程3：将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加；得到最终的累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定是否捕获成功。

作为一种优选技术方案，在码片滑动相关运算之前进行载波多普勒搜索补偿。

作为一种优选技术方案，在载波补偿之前对采样信号进行降采。

作为一种优选技术方案，在载波补偿之前、采样信号降采之后对采样信号进行数据的自适应重量化。

作为一种优选技术方案，上述过程1的实现包括以下步骤：

A1：将时间不确定范围划分为若干个搜索单元，搜索间隔为T_h″，T_h″为信道最大多普勒频率下的单跳周期，即单跳间隔滑动；

A2：采样信号计数划块，在码多普勒搜索下，依据当前码多普勒频率，计算计数累加器的累加步进，用以实现半码片计数、跳计数，进而对输入采样信号进行分块、生成相应长度的本地跳频频率；

A3：采样信号采用双路下变频器交替解跳，下变频器分为A、B两个，A负责计数为单数的跳频段解跳，B负责双数，每个跳频频率上停留2T_h′，T_h′为当前码多普勒频率下的单跳周期。

作为一种优选技术方案，上述过程2的实现包括以下过程：

在当前载波多普勒搜索频率下，首先补偿相应的载波多普勒，而后滑动数据与本地扩频码序列进行相关运算，相关运算分为奇偶两路进行，两路本地码序列完全相同，数据虽然也为同源、且滑动步进均为1chip，但滑动的时间起点错开1/2chip，奇路在前偶路在后，以此达到1/2chip搜索的目的。

作为一种优选技术方案，上述过程3的实现包括以下过程：

积分：将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加；

捕获阈值判决：每得到一个非相干累加结果，都要和当前单跳间隔时间单元下的最大累加值进行比较，得到新的累加峰；在当前单跳间隔时间单元下的所有码多普勒、载波多普勒、码片搜索完成后，进行阈值判决，判决方法为T1或T2；

T1：累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定捕获是否成功，若捕获成功，则将累加峰值对应的频率、时间等搜索信息上报；

T2：在累加峰值及其左右旁侧各M(M>0)个值内，选取超过判决阈值的值所对应的频率、时间进行平均，所得结果作为捕获信息上报。

作为一种优选技术方案，解跳过程如下所述：

接收端采样数据按跳频时段T_h′分组为D₁、D₂、D₃、…；

两个本地下变频器A、B交替解跳，每个跳频时段初始相位为0、持续时间为2T_h′；数据与本地跳频频率重合时，解跳A、B输出正确的下变频结果；

在当次搜索完成后，启动时域单跳间隔滑动，进行下一次搜索计算；由于超宽带信道多普勒的影响，为避免搜索数据丢失，单跳滑动时间间隔令为T_h″，其计算公式如下：

T_h″≤f₀/(f₀+f_d，max)*T_h

其中，f_d，max为信道最大多普勒频率，f₀为载波中心频点，T_h为理想跳频周期；T_h″将换算为采样点数来进行处理，一般地，T_h″≤T′_h，因此前后两次单跳滑动处理的数据是有些许交叠的，捕获得到的时间信息需要做相应修正，以采样点为单位的时间修正量为：

Δ＝-[floor(T′_h/T_s)-floor(T_h″/T_s)]*(N-1)

其中，T_s为输入数据的采样周期，N为成功捕获时单跳滑动计算的次数。

作为一种优选技术方案，解跳和码剥离如下所述：

载波多普勒频率搜索步进为：

f_d，step≤1/(2*T_h)

其中，T_h是理想跳频周期，也是相干积分时长；

进行码多普勒搜索，即码片时间变化的搜索，设置的码多普勒搜索步进为：

f_c，step≤2*Δ_{slip_chip}*f₀/f_c/(T_h*N_nonco)

其中，Δ_{slip_chip}为期望的码片最大滑动量，单位为chip，可设置为1/4、1/2等；f_c为直扩伪码速率，N_nonco为非相干积分次数，T_h*N_nonco即为非相干积分时长，一般性地有，

f_c，step＞＞f_d，step

码多普勒搜索置于多普勒频率搜索之前，而后根据当前搜索的码多普勒频率值，计算出对应的每一码片、每一跳频时段的时长，用采样点数来表征，而此时长，正是进行双路下变频输入数据分组、生成本地解跳下变频信号、以及后续数据降采的时间依据，下式为码片、跳频时长的计算公式：

T′_c＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_c)

T′_h＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_h)

式中，f_{cod_d，now}为当前搜索的码多普勒频率值，T_c为理想码片周期。

作为一种优选技术方案，自适应重量化为均匀重量化，其量化阈值和量化阶距利用自适应方式得到；自适应量化阈值δ_E及0值将信号取值范围分割为4个区间，处于各区间内的信号值被重量化为±1及±3；此处自适应量化阈值，也即自适应量化阶距，由前一跳数据取均值而得，如下式：

其中，i和q分别为前一跳数据的实部和虚部，|.|表示取绝对值运算，num_inhop为前一跳复数数据的个数。

作为一种优选技术方案，若当前单跳间隔时间单元所有码多普勒、载波多普勒、码片搜索完成后得到的最终累加峰值的位置，处于当前单跳间隔时间单元最后一个码片范围内，则直接略过，不进行任何阈值比较判决，转而进行下一单跳间隔时间单元数据的搜索。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

适用于存在较大多普勒频偏、较大时差、以及较大宽带干扰及转发式干扰的信道，且总体捕获速度较快，捕获精度较高。

附图说明

图1为本发明的流程模块图；

图2为单跳间隔滑动解跳工作示意图；

图3为自适应重量化工作示意图；

图4为本发明的逻辑流程图。

具体实施方式

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其实现包括以下过程：

(a)将时间不确定范围划分为若干个搜索单元，搜索间隔为T_h″(信道最大多普勒频率下的单跳周期)，即单跳间隔滑动。

(b)采样计数划块。在码多普勒搜索下，依据当前码多普勒频率，计算计数NCO的累加步进，用以实现半码片计数、跳计数，进而对输入采样进行分块、生成相应长度的本地跳频频率等。

(c)跳频载波剥离。解跳采用双路下变频器交替解跳，下变频器分为A、B两个，A负责计数为单数的跳频段解跳，B负责双数，每个跳频频率上停留2T_h′，T_h′为当前码多普勒频率下的单跳周期。

(d)码剥离。在当前载波多普勒搜索频率下，首先补偿相应的载波多普勒，而后滑动数据与本地扩频码序列进行相关运算。相关运算分为奇偶两路进行，两路本地码序列完全相同，数据虽然也为同源、且滑动步进均为1chip，但滑动的时间起点错开1/2chip，奇路在前偶路在后，以此达到1/2chip搜索的目的。需要说明的是，解扩处理的速率一般要低于解跳，因此在载波补偿、码相关运算前需要对采样信号进行降采(依据当前码多普勒频率下对半码片的划分)。另外为减小后续处理的运算量，同时保证数据的有效性，降采后还需要进行数据的自适应重量化。

(e)积分。将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加。

(h)捕获阈值判决。每得到一个非相干累加结果，都需要和当前单跳间隔时间单元下的最大累加值进行比较，得到新的累加峰。在当前单跳间隔时间单元下的所有码多普勒、载波多普勒、码片搜索完成后，最终的累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定捕获是否成功。若捕获成功，则将累加峰值对应的频率、时间等搜索信息上报；也可以选择平均法，即在累加峰值及其左右旁侧各M(M>0)个值内，选取超过判决阈值的值所对应的频率、时间进行平均，所得结果作为捕获信息上报。若累加峰值低于捕获判决阈值，继续启动下一单跳间隔时间单元搜索，直至所有数据完成搜索。此时若仍未有累加峰值超过阈值，则上报当前捕获失败。

具体的说，本发明的原理为通过双路交替下变频和码片滑动相关，完成跳频载波和直扩码剥离；通过频率搜索，完成码多普勒和载波多普勒修正；通过单跳相干累加和非相干积分，获得捕获判决相关结果；若该结果超过设定阈值，则判断捕获成功。

(1)双路交替下变频是近年常用的快速解跳方案，它可以很好地适应由信道多普勒引起的跳扩信号在时间上伸长或缩短的变化，但它仅适用于收发信号间时间差小于跳频周期的情况，因此还需要配合时域单跳间隔滑动，图2给出了其工作原理示意图。接收端采样数据按跳频时段T_h′分组为D₁、D₂、D₃、…；两个本地下变频器A、B交替解跳，每个跳频时段初始相位为0、持续时间为2T_h′；数据与本地跳频频率重合时，解跳A、B输出正确的下变频结果。在当次搜索完成后，启动时域单跳间隔滑动，进行下一次搜索计算。由于超宽带信道多普勒的影响，为避免搜索数据丢失，单跳滑动时间间隔令为T_h″，其计算公式如下：

T_h″≤f₀/(f₀+f_d，max)*T_h

其中f_d，max为信道最大多普勒频率，f₀为载波中心频点，T_h为理想跳频周期。具体实现时，T_h″将换算为采样点数来进行处理。一般地，T_h″≤T′_h，因此前后两次单跳滑动处理的数据是有些许交叠的，捕获得到的时间信息需要做相应修正。以采样点为单位的时间修正量为：

Δ＝-[floor(T′_h/T_s)-floor(T_h″/T_s)]*(N-1)

其中T_s为输入数据的采样周期，N为成功捕获时单跳滑动计算的次数。

(2)频率搜索是进行信道多普勒频率修正的常用方法，本方法设置的多普勒频率搜索步进为：

f_d，step≤1/(2*T_h)

其中T_h是理想跳频周期，也是相干积分时长。

而信道多普勒除了引入数据频率的变化，还会引起数据时间上的伸长或缩短，造成码片相位滑动，进而引发相干积分增益损耗。尤其在超宽带信道下，较大的多普勒频移会造成码片超过1chip、甚至数个chip的更大滑动，不可忽略，必须进行码多普勒搜索，即码片时间变化的搜索。本方法设置的码多普勒搜索步进为：

f_c，step≤2*Δ_{slip_chip}*f₀/f_c/(T_h*N_nonco)

其中Δ_{slip_chip}为期望的码片最大滑动量，单位为chip，可设置为1/4、1/2等；f_c为直扩伪码速率，N_nonco为非相干积分次数，T_h*N_nonco即为非相干积分时长。一般性地有，

f_c，step＞＞f_d，step

因此码多普勒搜索需置于多普勒频率搜索之前。

而后根据当前搜索的码多普勒频率值，计算出对应的每一码片、每一跳频时段的时长，可以用采样点数来表征。而此时长，正是进行双路下变频输入数据分组、生成本地解跳下变频信号、以及后续数据降采的时间依据。下式为码片、跳频时长的计算公式：

T_c′＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_c)

T′_h＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_h)

式中，f_cod-d，now为当前搜索的码多普勒频率值，T_c为理想码片周期。

(3)解跳下变频后，数据处理的速率要求降低，可使用积分求和方式对采样信号降采至1/2chip。同时对数据进行重量化，根据经验，2～3bit足矣。上述两项处理完成后，数据量和数据宽度大大降低，提高了后续信号处理速度、降低了数据存储量，也缩短了总体捕获时间。

本方法采用均匀重量化，考虑到信道中宽带干扰、转发式干扰等影响，其量化阈值和量化阶距利用自适应方式得到。以2bit重量化为例，图3给出了其工作原理示意。自适应量化阈值δ_E及0值将信号取值范围分割为4个区间，处于各区间内的信号值被重量化为±1及±3。此处自适应量化阈值，也即自适应量化阶距，由前一跳数据取均值而得，如下式：

其中，i和q分别为前一跳数据的实部和虚部，|.|表示取绝对值运算，num_inhop为前一跳复数数据的个数。

(4)为避免信道转发式干扰的影响，本方法的捕获判决阈值比较未采用常规最值法，而转为分块最值判决的方式。即每次时域单跳滑动对应一块，当块内所有搜索(包括码多普勒、载波多普勒、码片滑动等)完成后，取各相关结果的最大值或最值及其左右相邻位置的若干个相关值，与判决阈值进行比较，如果超过则判定捕获成功，否则进行下一块数据的搜索。判决时若采用的是后一种取数方式(即最值及其左右相邻位置的相关值)，需对超过阈值的所有数据位置取平均，作为最终捕获的时间信息。由上述描述可知，本方法可能并不会进行所有输入数据的完全搜索，只要有相关结果超过阈值，整个捕获流程便会提前结束，这也进一步提高了方法的捕获速度。

此外，本方法在捕获判决时还做了另一处改进，在较大码多普勒搜索范围下，可有效保证捕获时间信息的精度。即：若块内所有搜索得到的相关最大值的位置，也就是可能的捕获时间信息，处于本块最后一个码片范围内，则直接略过，不进行任何阈值比较判决，转而进行下一块数据的搜索。这样做的原因是，码多普勒搜索范围较大时，输入与本地下变频信号及本地码信息存在时间上的模糊，导致每块最后一个码片范围内相关值位置存在不可忽略的偏差，而相关值又可能够大导致捕获成功的提前判决。

值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，包括以下过程：

过程1：通过双路下变频交替解跳，完成输入采样信号的跳频载波剥离；

过程2：通过码片滑动相关运算，完成码剥离；

过程3：将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加；得到最终的累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定是否捕获成功；

上述过程1的实现包括以下步骤：

A1：将时间不确定范围划分为若干个搜索单元，搜索间隔为T_h″，T_h″为信道最大多普勒频率下的单跳周期，即单跳间隔滑动；

A2：采样信号计数划块，在码多普勒搜索下，依据当前码多普勒频率，计算计数累加器的累加步进，用以实现半码片计数、跳计数，进而对输入采样信号进行分块、生成相应长度的本地跳频频率；

A3：采样信号采用双路下变频器交替解跳，下变频器分为A、B两个，A负责计数为单数的跳频段解跳，B负责双数，每个跳频频率上停留2T_h′，T_h′为当前码多普勒频率下的单跳周期；

在当前载波多普勒搜索频率下，首先补偿相应的载波多普勒，而后滑动数据与本地扩频码序列进行相关运算，相关运算分为奇偶两路进行，两路本地码序列完全相同，数据虽然也为同源、且滑动步进均为1chip，但滑动的时间起点错开1/2chip，奇路在前偶路在后，以此达到1/2chip搜索的目的；

上述过程3的实现包括以下过程：

积分：将每跳频时段内相关结果进行相干累加，随后完成多次非相干累加；

捕获阈值判决：每得到一个非相干累加结果，都要和当前单跳间隔时间单元下的最大累加值进行比较，得到新的累加峰；在当前单跳间隔时间单元下的所有码多普勒、载波多普勒、码片搜索完成后，进行阈值判决，判决方法为T1或T2；

T1：累加峰值与预设的捕获判决阈值进行比较，以判定捕获是否成功，若捕获成功，则将累加峰值对应的频率、时间等搜索信息上报；

T2：在累加峰值及其左右旁侧各M(M>0)个值内，选取超过判决阈值的值所对应的频率、时间进行平均，所得结果作为捕获信息上报。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，在码片滑动相关运算之前进行载波多普勒搜索补偿；在载波补偿之前对采样信号进行降采。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，在载波补偿之前、采样信号降采之后对采样信号进行数据的自适应重量化。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，解跳过程如下所述：

接收端采样数据按跳频时段T_h′分组为D₁、D₂、D₃、…；

两个本地下变频器A、B交替解跳，每个跳频时段初始相位为0、持续时间为2T_h′；数据与本地跳频频率重合时，解跳A、B输出正确的下变频结果；

在当次搜索完成后，启动时域单跳间隔滑动，进行下一次搜索计算；由于超宽带信道多普勒的影响，为避免搜索数据丢失，单跳滑动时间间隔令为T_h″，其计算公式如下：

T_h″f₀/(f₀+f_d，max)*T_h

其中，f_d，max为信道最大多普勒频率，f₀为载波中心频点，T_h为理想跳频周期；T_h″将换算为采样点数来进行处理，一般地，T_h″≤T′_h，因此前后两次单跳滑动处理的数据是有些许交叠的，捕获得到的时间信息需要做相应修正，以采样点为单位的时间修正量为：

Δ＝-[floor(T′_h/T_s)-floor(T_h″/T_s)]*(N-1)

其中，T_s为输入数据的采样周期，N为成功捕获时单跳滑动计算的次数。

5.根据权利要求4所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，解跳和码剥离如下所述：

载波多普勒频率搜索步进为：

f_d，step≤1/(2*T_h)

其中，T_h是理想跳频周期，也是相干积分时长；

进行码多普勒搜索，即码片时间变化的搜索，设置的码多普勒搜索步进为：

f_c，step≤2*Δ_{slip_chip}*f₀/f_c/(T_h*N_nonco)

其中，Δ_{slip_chip}为期望的码片最大滑动量，单位为chip，可设置为1/4、1/2等；f_c为直扩伪码速率，N_nonco为非相干积分次数，T_h*N_nonco即为非相干积分时长，一般性地有，

f_c，step＞＞f_d，step

码多普勒搜索置于多普勒频率搜索之前，而后根据当前搜索的码多普勒频率值，计算出对应的每一码片、每一跳频时段的时长，用采样点数来表征，而此时长，正是进行双路下变频输入数据分组、生成本地解跳下变频信号、以及后续数据降采的时间依据，下式为码片、跳频时长的计算公式：

T′_c＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_c

T′_h＝f₀/(f₀+f_{cod_d，now})*T_h

式中，f_{cod_d，now}为当前搜索的码多普勒频率值，T_c为理想码片周期。

6.根据权利要求3所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，自适应重量化为均匀重量化，其量化阈值和量化阶距利用自适应方式得到；自适应量化阈值δ_E及0值将信号取值范围分割为4个区间，处于各区间内的信号值被重量化为±1及±3；此处自适应量化阈值，也即自适应量化阶距，由前一跳数据取均值而得，如下式：

其中，i和q分别为前一跳数据的实部和虚部，|·|表示取绝对值运算，num_inhop为前一跳复数数据的个数。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带跳扩信号快速捕获方法，其特征在于，若当前单跳间隔时间单元所有码多普勒、载波多普勒、码片搜索完成后得到的最终累加峰值的位置，处于当前单跳间隔时间单元最后一个码片范围内，则直接略过，不进行任何阈值比较判决，转而进行下一单跳间隔时间单元数据的搜索。

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