CN114268341A - 基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，包括以下步骤：S10、获取直接序列扩频信号数据；S20、估计直接序列扩频信号的载频，得到估计载频；S30、利用估计载频计算直接序列扩频信号频率等于载频的循环谱截面；S40、根据估计载频，得到直接序列扩频信号数据的伪码符号频率的预估值，利用伪码符号频率预估值，并结合循环谱截面上循环频率大于零部分的幅度特征，估计出直接序列扩频信号的伪码速率。该方法解决了低信噪比条件下，以及由于循环频率分辨率和频率分辨率设置不合理导致循环谱截面出现虚假线谱时，难以估计出真实的符号频率对应的线谱位置问题，适合工程上对直接序列扩频信号伪码速率进行快速稳健地估计。

Description

基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法。

背景技术

直接序列扩频信号具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点，使其存在许多优点，如抗噪声、抗干扰、抗多径衰落等。直接序列扩频信号在诸多领域，如保密通信、多址通信、卫星导航定位中得到了广泛的应用。伪码速率是直接序列扩频信号的一个重要参数，伪码速率的稳定准确估计，是正确解调直接序列扩频信号的一个重要前提，因此直接序列扩频信号的伪码估计问题在军事侦察中具有重要的实际意义。

目前工程上常用的信号码速率估计方法主要有：瞬时频率法、延迟相乘法、小波变换法以及循环平稳法等。其中瞬时频率法以及延迟相乘法运算量小，计算速度快，但是抗噪声能力较差，估计精度一般。基于小波变换法估计精度较高，抗噪声能力较强，但是选用不同的尺度因子以及小波函数时估计性能差异有时较大，如何选取合适的尺度因子以及小波函数至今尚未解决，因此该方法鲁棒性较差。基于循环平稳的方法，抗噪声能力以及鲁棒性较强，估计精度高，因此得到了较广泛的应用，但是在噪声为非白噪声且信噪比较低，以及在循环平稳的方法中计算信号的循环谱时，循环频率以及频率分辨率选取不当出现虚假线谱时，基于循环平稳的方法估计性能将严重下降，有时甚至失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，该方法解决了低信噪比条件下，以及由于循环频率分辨率和频率分辨率设置不合理导致循环谱截面出现虚假线谱时，难以估计出真实的符号频率对应的线谱位置问题，且运算速度快，鲁棒性强。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，包括以下步骤：

S10、获取直接序列扩频信号数据。

S20、估计直接序列扩频信号的载频，得到估计载频。

S30、利用估计载频计算直接序列扩频信号频率等于载频的循环谱截面。

S40、根据估计载频，得到直接序列扩频信号数据的伪码符号频率的预估值，利用伪码符号频率预估值，并结合循环谱截面上循环频率大于零部分的幅度特征，估计出直接序列扩频信号的伪码速率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明解决了低信噪比条件下，以及由于循环频率分辨率和频率分辨率设置不合理导致循环谱截面出现虚假线谱时，难以估计出真实的符号频率对应的线谱位置问题，且运算速度快，鲁棒性强，同时不需要存储中间数据，适合工程上对直接序列扩频信号伪码序列进行快速稳健估计。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为根据本发明实施例的直接序列扩频信号实际的海试数据。

图3为根据本发明实施例得到的直接序列扩频信号的循环谱

截面。

图4为根据图3中的循环谱

截面谱峰特征，估计的20帧直接序列扩频信号的伪码符号频率值，其倒数即为直接序列扩频信号的伪码速率值；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

目前工程上常用的信号码速率估计方法主要有：瞬时频率法、延迟相乘法、小波变换法以及循环平稳法等。其中瞬时频率法以及延迟相乘法运算量小，计算速度快，但是抗噪声能力较差，估计精度一般。基于小波变换法估计精度较高，抗噪声能力较强，但是选用不同的尺度因子以及小波函数时估计性能差异有时较大，如何选取合适的尺度因子以及小波函数至今尚未解决，因此该方法鲁棒性较差。基于循环平稳的方法，抗噪声能力以及鲁棒性较强，估计精度高，因此得到了较广泛的应用，但是在噪声为非白噪声且信噪比较低，以及在循环平稳的方法中计算信号的循环谱时，循环频率以及频率分辨率选取不当出现虚假线谱时，基于循环平稳的方法估计性能将严重下降，有时甚至失效。而本发明的直接序列扩频信号伪码速率估计算法中，使用预估符号频率，并结合循环谱截面的幅度特征，解决了低信噪比条件下，以及由于循环频率分辨率和频率分辨率设置不合理导致循环谱截面出现虚假线谱时，难以估计出真实的符号频率对应的线谱位置问题，同时本发明方法不需要估计噪声的循环谱背景，适合工程上对直接序列扩频信号伪码速率进行快速稳健地估计。

结合图1，本发明所述的一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，包括以下步骤：

S10、获取直接序列扩频信号数据：

从传感器接收N个采样点的实时采集数据，或者从存储器中提取从检测到信号时刻起始的N个采样点的数据，作为待处理的直接序列扩频信号数据x(n)，其中，n＝0，1，…，N-1，数据采样频率记为f_s，直接序列扩频信号为DSSS-BPSK信号。

S20、估计直接序列扩频信号的载频，得到估计载频，其具体步骤如下：

S21、对直接序列扩频信号数据x(n)进行平方，并去平均得到x₁(n)，n＝0，1，…，N-1即：

x₁(n)＝x²(n)-mean{x(n)}，n＝0，1，…，N-1

这里mean{·}，表示求平均计算。

S22、对x₁(n)做离散傅里叶变换，并计算得到其频谱X₁(l)，计算过程如下：

其中l为X₁(l)的离散频率索引，j表示虚数单位，即

则x₁(n)的功率谱P(k)为：

这里功率谱只取其非负频率部分，k为P(k)的离散频率索引，|·|为求幅度运算。

S23、搜索P(k)最大值所对应的离散频率索引k₀，其计算过程如下：

其中

表示在1≤k≤N/2-1范围内搜索P(k)的最大值对应的离散频率索引。

S24、根据Rife插值算法，估计x₁(n)的频率f₁，其计算过程如下：

γ表示插值方向；当|X(k₀+1)|＞|X(k₀-1)|时，γ＝1，否则γ＝-1。

S25、根据x₁(n)的频率f₁，计算出直接序列扩频信号序列x(n)的估计载频f_c，计算过程如下：

S30、利用估计的载频，计算直接序列扩频信号频率等于载频的循环谱截面，其具体步骤如下：

S31、计算直接序列扩频信号数据x(n)的傅里叶变换，即

其中l′为X(l′)的离散频率索引。

S32、利用求得的x(n)的估计载频f_c，计算出x(n)的循环谱的频率等于f_c截面

的正循环频率部分，并取其幅度，其计算过程如下：

这里α为循环谱的循环频率，其取值范围-f_s/2≤α≤f_s/2，且α的分辨率为f_s/N，M为频率平滑点数，m为整数，

表示向下取整运算。

S40、根据估计载频，得到直接序列扩频信号数据的伪码符号频率的预估值，利用伪码符号频率预估值，并结合循环谱截面上循环频率大于零部分的幅度特征，估计出直接序列扩频信号的伪码速率，具体如下：

S41、根据直接序列扩频信号序列x(n)的估计载频f_c，计算出x(n)的伪码的符号频率的预估值f₂(u)，其计算过程如下：

其中，u为设置的直接序列扩频信号序列x(n)的伪码序列的阶数，U为设置的直接序列扩频信号序列x(n)的伪码序列的最大阶数，根据实际的应用环境选取；

S42、比较

之间的幅值大小，u＝1，2，…，U，并记录

中幅值最大值点对应的循环频率f_2max。

S43、寻找f₂(u)中满足如下公式的值，记为f_2s(i)，i＝0，1，…I：

且满足，

这里频率间隔Δf＝ρf/N，需要平滑的频点个数ρ为正整数，一般取10，临时变量ε也为正整数一般取5，设置的临时门限ξ为正数，一般也取10，I为满足上述公式的f₂(u)的个数，round{·}为四舍五入运算，同时求取f_2s(i)，i＝0，1，…I的最小值f_2smin，即：

f_2smin＝min{f_2s(i)}，i＝0，1，…I

其中min{·}表示求最小值运算。

S44、若I＝0，则直接序列扩频信号序列x(n)的伪码符号频率即为f_2max，此时x(n)的伪码速率即为1/f_2max，否则x(n)的伪码符号频率为f_2smin，此时x(n)的伪码速率即为1/f_2smin。

仿真中实际海试数据的信号参数为：采样频率为4000Hz，直接序列扩频信号的真实伪码符号频率为37.5Hz，载频为300Hz；

图2所示为直接序列扩频信号实际的海试时域数据；图3为计算得出的图2中实际直接序列扩频海试数据的循环谱

截面。图4为根据图3中的循环谱

截面谱峰特征，估计的20帧直接序列扩频信号的伪码符号频率值，其倒数即为直接序列扩频信号的伪码速率值。

从实施例的结果可以看出，本发明估计方法在信噪比低以及噪声背景复杂的海试数据中，仍能正确地估计出直接序列扩频信号的伪码速率，适用于快速稳健估计直接序列扩频信号伪码速率的场合。

Claims (6)

1.一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、获取直接序列扩频信号数据，转入步骤S20；

S20、估计直接序列扩频信号的载频，得到估计载频，转入步骤S30；

S30、利用估计载频计算直接序列扩频信号频率等于载频的循环谱截面，转入步骤S40；

S40、根据估计载频，得到直接序列扩频信号数据的伪码符号频率的预估值，利用伪码符号频率预估值，并结合循环谱截面上循环频率大于零部分的幅度特征，估计出直接序列扩频信号的伪码速率。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于，所述步骤S10中，获取直接序列扩频信号数据，具体如下：

从传感器接收N个采样点的实时采集数据，或从存储器中提取从检测到信号时刻起始的N个采样点的数据，作为待处理的直接序列扩频信号数据x(n)，其中，n＝0,1,…,N-1，数据采样频率记为f_s，直接序列扩频信号为DSSS-BPSK信号。

3.根据权利要求2所述的基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于，所述步骤S20中，估计直接序列扩频信号的载频，得到估计载频，具体如下：

S21、对直接序列扩频信号数据x(n)进行平方，并去平均得到x₁(n)，n＝0,1,…,N-1，即：

x₁(n)＝x²(n)-mean{x(n)}

这里mean{·}，表示求平均计算；

S22、对x₁(n)做离散傅里叶变换，并计算得到其频谱X₁(l)，计算过程如下：

其中l为X₁(l)的离散频率索引，j表示虚数单位，即

则x₁(n)的功率谱P(k)为：

这里功率谱只取其非负频率部分，k为P(k)的离散频率索引，|·|为求幅度运算；

S23、搜索P(k)最大值所对应的离散频率索引k₀，其计算过程如下：

其中

表示在1≤k≤N/2-1范围内搜索P(k)的最大值对应的离散频率索引；

S24、根据Rife插值算法，估计x₁(n)的频率f₁，其计算过程如下：

γ表示插值方向；当|X(k₀+1)|＞|X(k₀-1)|时，γ＝1，否则γ＝-1；

S25、根据x₁(n)的频率f₁，计算出直接序列扩频信号序列x(n)的估计载频f_c，计算过程如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于，所述步骤S30中，利用估计载频计算直接序列扩频信号频率等于载频的循环谱截面，具体如下：

S31、计算直接序列扩频信号数据x(n)的傅里叶变换，即

其中l′为X(l′)的离散频率索引；

S32、利用求得的x(n)的估计载频f_c，计算出x(n)循环谱的频率等于f_c截面

的正循环频率部分，并取其幅度，其计算过程如下：

这里α为循环谱的循环频率，其取值范围-f_s/2≤α≤f_s/2，且α的分辨率为f_s/N，M为频率平滑点数，m为整数，

表示向下取整运算。

5.根据权利要求4所述的一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于，所述步骤S40中，根据估计载频，得到直接序列扩频信号数据的伪码符号频率的预估值，利用伪码符号频率预估值，并结合循环谱截面上循环频率大于零部分的幅度特征，估计出直接序列扩频信号的伪码速率，具体如下：

S41、根据直接序列扩频信号序列x(n)的估计载频f_c，计算出x(n)的伪码的符号频率的预估值f₂(u)，其计算过程如下：

其中，u为设置的直接序列扩频信号序列x(n)的伪码序列的阶数，U为设置的直接序列扩频信号序列x(n)的伪码序列的最大阶数，根据实际的应用环境选取；

S42、比较

之间的幅值大小，u＝1，2，…，U，并记录

中幅值最大值点对应的循环频率f_2max；

S43、寻找f₂(u)中满足如下公式的值，记为f_2s(i)，i＝0，1，…I：

f₂(u)＜f_2max，u＝1，2，…，U

且满足，

这里频率间隔Δf＝ρf/N，ρ为需要平滑的频点个数，ε为临时变量，取值为正整数，设置的临时门限ξ为正数，I为满足上述公式的f₂(u)的个数，round{·}为四舍五入运算，同时求取f_2s(i)，i＝0，1，…I的最小值f_2smin，即：

f_2smin＝min{f_2s(i)}，i＝0，1，…I

其中min{·}表示求最小值运算；

S44、若I＝0，则直接序列扩频信号序列x(n)的伪码符号频率即为f_2max，此时x(n)的伪码速率即为1/f_2max，否则x(n)的伪码符号频率为f_2smin，此时x(n)的伪码速率即为1/f_2smin。

6.根据权利要求4所述的一种基于循环平稳特性的直接序列扩频信号伪码速率估计方法，其特征在于：步骤S43中，ρ取10，ε取5，ξ取10。

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