CN114844527B - 一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法 - Google Patents

一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，它涉及宽带跳频系统的信号捕获技术。本发明提出了跳频信号快速捕获和功率估计算法，解决了地面终端在跳频图案同步前对星难的问题。本发明采用时域分析、频域分析、带宽检测、功率检测等多维域分析方法，对跳频信号进行了准确的捕获，并通过多跳平均进行功率估计，为对星提供功率参考，解决了跳频同步前由于信号时有时无导致的自动对星难题。该方法具有稳定可靠、检测准确度高、功率估计精度高的优良性能，特别适用于宽带抗干扰系统的信号捕获。

Description

一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域中的一种适用于宽带跳频系统的信号捕获方法。
背景技术
宽带抗干扰系统是保障军事通信安全可靠的重要手段，目前常用的宽带抗干扰系统，通常采用宽带跳频体制。跳频卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大、机动灵活、抗干扰能力强等优点，因此在应急通信、海事通信、机动通信等方面具有广泛的作用，是卫星通信的重要发展方向。
地面终端接收卫星跳频信号时，首先要进行天线对星。天线对星，是使天线波束中心对准目标卫星的过程，它是地球站进行入网验证和日常业务传输的基础。天线只有准确地对准目标卫星，才能保证地球站稳定可靠地工作。但是，在跳频系统中，由于对星时跳频图案尚未同步，因此收到的信号时有时无，这就导致接收的信号呈现出非平稳状态，很难为自适应对星提供稳定的功率参考，使得地面终端自适应对星难度增加。
因此，捕获到跳频信号，并进行功率估计，然后输出稳定的功率值，为天线对星提供可靠地功率反馈，是跳频卫星通信的首要任务。跳频信号是一个非平稳、非线性、随时间变化的信号，一般的FFT分析方法达不到分析非平稳信号的要求。如典型的线性时频变化：Gabor展开，短时傅立叶变换(STFT)，小波变换(WT)等，满足不了捕获跳频信号的需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述背景技术中的缺点，提供一种跳频同步前信号捕获方法。本发明提出了跳频信号快速捕获和功率估计算法，解决了地面终端在跳频图案同步前对星难的问题。本发明采用时域分析、频域分析、带宽检测、功率检测等多维域分析方法，对跳频信号进行了准确的捕获，并通过多跳平均进行功率估计，为对星提供功率参考，解决了跳频同步前由于信号时有时无导致的自动对星难题。该方法具有稳定可靠、检测准确度高、功率估计精度高的优良性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，用于捕获带宽为B1和带宽为B2的目标信号，包括以下步骤：
(1)接收机接收中频信号，选择中心频点f0，将信号变频为零中频信号；
(2)对零中频信号进行采样，采样率fs不小于检测带宽Bdetec的2倍，采样后的序列为y(n)；
(3)对采样后的序列y(n)，进行N点FFT，得到Y(k)；其中，N为每跳数据分为M段后，每段数据的长度，M取不小于4的整数；
(4)将频谱信息Y(k)进行平方运算，得到Y(k)2；
(5)将每个FFT，与前M-1个FFT，按对应频点进行相加，输出累加后的结果r1(k)，并存储；
(6)对r1(k)进行长度为max(L1，L2)的滑动累加，并输出累加结果r2(k)；其中，L1＝B1/(fs/N)，表示带宽为B1的目标信号的谱线数量，L2＝B2/(fs/N)，表示带宽为B2的目标信号的谱线数量；
(7)在步骤(6)输出的累加结果中，找到最大值Pmax，判断Pmax是否大于门限th，如果Pmax>th，则认为找到信号，并记录步骤(5)中存储结果的相应频点位置；
(8)通过大于门限的频谱根数Nm，判断信号带宽，识别出所找到的信号是哪一个目标信号；
(9)将大于门限th的Pmax作为所找到信号的有效功率值并进行存储；
(10)将存储的Pmax值累加求平均，输出给天线跟踪系统；
完成宽带跳频信号的捕获。
进一步的，步骤(7)中，门限th由底噪乘以加权系数来确定。
进一步的，步骤(7)中，若有多个相邻Pmax大于门限th，则利用时域特性对相邻的Pmax进行处理，找到相邻Pmax的最大值，去除多余值。
进一步的，步骤(7)中，若时域上有连续多个Pmax大于门限，则认为是干扰；若所选择的采样带宽长期存在干扰，则返回步骤(1)改变中心频点，重新执行步骤(1)～(7)。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明的设计非常适合跳频系统的信号检测，不需要提前进行跳频同步。相对于其他信号检测方法要求工作于固定频点，该方法不受跳频频点的变化的影响。
2、本发明能够适应多种速率混合信号的检测，且能够工作于低信噪比的情况。
3、本发明采用的FFT方法和功率统计方法，适合FPGA实现，便于工程应用。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明。
一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，用于捕获带宽为B1和带宽为B2的目标信号，包括以下步骤：
(1)接收机接收中频信号，选择中心频点f0，将信号变频为零中频信号；
(2)对零中频信号进行采样，采样率fs不小于检测带宽Bdetec的2倍，采样后的序列为y(n)；
(3)对采样后的序列y(n)，进行N点FFT，得到Y(k)；其中，N为每跳数据分为M段后，每段数据的长度，M取不小于4的整数；
(4)将频谱信息Y(k)进行平方运算，得到Y(k)2；
(5)将每个FFT，与前M-1个FFT，按对应频点进行相加，输出累加后的结果r1(k)，并存储；
(6)对r1(k)进行长度为max(L1，L2)的滑动累加，并输出累加结果r2(k)；其中，L1＝B1/(fs/N)，表示带宽为B1的目标信号的谱线数量，L2＝B2/(fs/N)，表示带宽为B2的目标信号的谱线数量；
(7)在步骤(6)输出的累加结果中，找到最大值Pmax，判断Pmax是否大于门限th，如果Pmax>th，则认为找到信号，并记录步骤(5)中存储结果的相应频点位置；
(8)通过大于门限的频谱根数Nm，判断信号带宽，识别出所找到的信号是哪一个目标信号；
(9)将大于门限th的Pmax作为所找到信号的有效功率值并进行存储；
(10)将存储的Pmax值累加求平均，输出给天线跟踪系统；
完成宽带跳频信号的捕获。
进一步的，步骤(7)中，门限th由底噪乘以加权系数来确定。
进一步的，步骤(7)中，若有多个相邻Pmax大于门限th，则利用时域特性对相邻的Pmax进行处理，找到相邻Pmax的最大值，去除多余值。
进一步的，步骤(7)中，若时域上有连续多个Pmax大于门限，则认为是干扰；若所选择的采样带宽长期存在干扰，则返回步骤(1)改变中心频点，重新执行步骤(1)～(7)。
下面以捕获带宽为500kHz和带宽为1MHz的目标信号为例进行说明：
(1)接收机接收中频信号并变频。接收机接收中频信号，按中心频点f0，将信号变频为零中频信号。其中，f0为跳频带宽内的某一频点，可根据需要调整；
(2)AD采样。对零中频“信号”(也可能不含信号，只有噪声。此处统称“信号”)采样，采样率fs不小于检测带宽Bdetec的2倍，采样后的序列用y(n)表示；其中，检测带宽Bdetec为跳频带宽内的某一段带宽；
(3)FFT。对采样后的序列y(n)，进行N点FFT，得到Y(K)；其中，N为每跳数据分为M段后，每段数据的长度，M取不小于4的整数。
(4)计算功率。将FFT后的频谱信息Y(k)，进行平方运算，得到Y(k)2；
(5)通过时域滑动相加方式，综合整跳的功率信息。采用将M个FFT相加的方式，将每个FFT，与前M-1个FFT，按对应频点进行相加，输出累加后的结果r1(k)，并存储；
(6)频域滑动相加，对r1(k)按一定长度滑动相加，即计算目标信号的功率。目标信号为出现概率较为稳定的某种跳频信号。假设有2种信号存在：带宽分别为500kHz、1MHz。对于500kHz信号，可认为有L1＝500/(fs/N)根谱线；对于1Msps信号，可认为有L2＝1000/(fs/N)根谱线。对r1(k)进行长度为max(L1，L2)的滑动累加，并输出累加结果r2(k)；
(7)信号捕获：找功率最大值Pmax，并与门限比较、判决。在步骤(6)输出的(N-L1)个结果中，找到最大值Pmax，然后判断Pmax是否大于门限th(门限根据底噪乘以加权系数来定)。如果Pmax>th，则认为找到信号，并记录步骤(5)存储结果的相应位置；
(8)去除Pmax冗余。由于时域上的滑动平均会产生有多个相邻Pmax大于th，因此需要利用时域特性对相邻的Pmax进行处理，找到相邻Pmax的最大值，去除多余值。
(9)干扰识别。利用Pmax的时域特点进行干扰判断，时域上连续多个大于门限则认为是干扰。如果所选择的某段采样带宽，长时间存在干扰，则可以通过改变步骤(1)中的中心频点，避开该干扰所在的频点位置。
(10)不同带宽信号识别，以及宽带信号剔除。识别两种不同带宽信号。在步骤(6)的存储数据中，通过大于门限的频谱根数Nm，判断信号带宽。
(11)存储有效功率值Pmax。
(12)将多个有效Pmax值累加求平均，输出给天线跟踪系统。
完成宽带跳频信号捕获方法。
以下为一个更具体的例子：
参照图1，一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，主要步骤如下：
(1)接收机接收中频信号并变频。以中心频点f0变频。
(2)AD采样。假设采样带宽60MHz，采样时钟128MHz，跳频带宽1.2GHz，跳速12500跳/秒，在60MHz带宽提取跳频信号功率(跳频频点在1.2GHz带宽内随机均匀分布，所以频点落入60MHz带宽概率约为60MHz/1.2GHz＝0.05)；
(3)FFT。对采样后的信号，每16us进行一次FFT运算，即1/5跳做一次FFT。进行2048FFT点数为2048；每根谱线代表128MHz/2048＝62.5kHz；
(4)计算各频点功率。将FFT后的2048个频谱信息，进行取模、平方运算；
(5)综合整跳的功率信息。采用5个FFT相加的方法，将每个FFT，与前4个FFT，按对应频点进行相加，输出累加后的结果。结果为2048的数据，并存储；
(6)频域滑动相加，计算信号功率。假设只有2种信号存在：500kHz、1MHz。对于500kHz信号，有8根谱线；对于1MHz信号，有16根谱线。在2048点上进行长度为16的滑动累加，并输出累加结果；
(7)信号捕获。通过比较功率大小进行信号识别。在步骤(6)输出的(2048-16)个结果中，找最大值Pmax，然后判断Pmax是否大于门限th。如果Pmax>th，则认为找到信号，并返回到步骤(5)存储结果的相应位置；
(8)由于时域上的滑动平均会产生有多个相邻Pmax大于th，因此需要利用时域特性对相邻的Pmax进行处理，找到相邻Pmax的最大值，去除多余值。
(9)干扰识别。利用Pmax的时域特点进行干扰判断，时域上连续20个值大于门限则认为时干扰。去除频点，返回步骤(6)重新计算。
(10)不同带宽信号识别，以及宽带信号剔除。识别两种不同带宽信号，在步骤(5)的存储数据中，通过大于门限的频谱根数Nth，判断信号带宽。如果Nm大于16，则判定为1MHz信号，并剔除。
(11)存储有效功率值Pmax。
(12)将多个Pmax值累加求平均，输出给天线跟踪系统。
总之，本发明提出了跳频信号快速捕获和功率估计算法，解决了地面终端在跳频图案同步前对星难的问题。本发明采用时域分析、频域分析、带宽检测、功率检测等多维域分析方法，对跳频信号进行了准确的捕获，并通过多跳平均进行功率估计，为对星提供功率参考，解决了跳频同步前由于信号时有时无导致的自动对星难题。该方法具有稳定可靠、检测准确度高、功率估计精度高的优良性能，特别适用于宽带抗干扰系统的信号捕获。
本发明书中未进行详细描述的内容为本领域内的公知内容。
以上所述仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员根据本发明的技术方案及其发明构思作出的等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，其特征在于，用于捕获带宽为B1和带宽为B2的目标信号，包括以下步骤：
(1)接收机接收中频信号，选择中心频点f0，将信号变频为零中频信号；
(2)对零中频信号进行采样，采样率fs不小于检测带宽Bdetec的2倍，采样后的序列为y(n)；
(3)对采样后的序列y(n)，进行N点FFT，得到Y(k)；其中，N为每跳数据分为M段后，每段数据的长度，M取不小于4的整数；
(4)将频谱信息Y(k)进行平方运算，得到Y(k)2；
(5)将每个FFT，与前M-1个FFT，按对应频点进行相加，输出累加后的结果r1(k)，并存储；
(6)对r1(k)进行长度为max(L1，L2)的滑动累加，并输出累加结果r2(k)；其中，L1＝B1/(fs/N)，表示带宽为B1的目标信号的谱线数量，L2＝B2/(fs/N)，表示带宽为B2的目标信号的谱线数量；
(7)在步骤(6)输出的累加结果中，找到最大值Pmax，判断Pmax是否大于门限th，如果Pmax>th，则认为找到信号，并记录步骤(5)中存储结果的相应频点位置；
(8)通过大于门限的频谱根数Nm，判断信号带宽，识别出所找到的信号是哪一个目标信号；
(9)将大于门限th的Pmax作为所找到信号的有效功率值并进行存储；
(10)将存储的Pmax值累加求平均，输出给天线跟踪系统；
完成宽带跳频信号的捕获。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，其特征在于，步骤(7)中，门限th由底噪乘以加权系数来确定。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，其特征在于，步骤(7)中，若有多个相邻Pmax大于门限th，则利用时域特性对相邻的Pmax进行处理，找到相邻Pmax的最大值，去除多余值。
4.根据权利要求1所述的一种适用于宽带抗干扰系统的信号捕获方法，其特征在于，步骤(7)中，若时域上有连续多个Pmax大于门限，则认为是干扰；若所选择的采样带宽长期存在干扰，则返回步骤(1)改变中心频点，重新执行步骤(1)～(7)。
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