CN115242264B - 基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,包括以下步骤:输入数据变频处理、基于PMF‑FFT算法完成扩频码捕获及频率估计、基于迟早环算法完成定时、数据解扩及缓存、往返式数据输出及载波恢复。本发明可实现高动态、低信噪比的短猝发扩频卫星信号快速捕获与载波恢复,具有捕获精度高,处理速度快等优点,可在要求隐蔽性能好、抗截获性能高的卫星通信系统中广泛使用。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域中信号的捕获与载波同步方法,特别适用于接收短猝发扩频卫星信号的解调系统。
背景技术
在一些卫星通信场景中,为实现信息隐蔽,降低信号截获率,经常使用短猝发扩频技术。短猝发是将信息随机、快速、短暂发送的一种通信方式。为了达到快速、短暂通信的效果,一般数据帧都较短,进而导致同步辅助数据较短。扩频技术能够将待传输的窄带信号通过扩频码扩展成宽带信号,从而降低信号的功率谱密度,实现信息隐蔽。
短猝发扩频通信具有的隐蔽、高动态等特点,给解调系统带来了很大的挑战。较短的数据辅助使得捕获、载波同步等处理难度加大,计算量提升。而信号的随机突发又要求解调系统能快速的完成当前信号的处理,为下一次突发做好准备。因此传统解调系统中的信号捕获和载波同步方法在处理短猝发扩频信号时,很难达到理想的效果。
因此,有必要提供一种新的方法以解决现有技术存在的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,具有捕获概率高,处理时间短,适应范围广,结构简单等特点。
本发明的目的是这样实现的:
一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,包括以下步骤:
(1)对输入信号做下变频处理;
(2)基于PMF_FFT方法完成扩频码捕获及频偏估计;
(3)基于迟早环方法完成定时,保证本地扩频码与下变频处理后的信号数据相位精确匹配;
(4)对下变频处理后的信号数据进行解扩,将解扩数据进行缓存;
(5)以往返式方式读取缓存中的数据,并进行载波恢复。
进一步地,步骤(1)的具体方式为:
将输入信号与具有一定频率的正弦波相乘,得到下变频后的信号数据;其中,正弦波频率的初值为0,之后根据步骤(2)获得的频偏估计信息确定正弦波的频率。
进一步地,步骤(2)的具体方式为:
将下变频处理后的信号数据与本地扩频码做匹配滤波,之后进行数据相干累加,再对累加结果进行FFT运算,然后搜索FFT结果峰值,得到下变频处理后信号数据的频偏估计信息及与本地扩频码的相位偏差信息;其中,频偏估计信息反馈给步骤(1)以进行变频处理;偏差信息用于调整本地扩频码相位,以保证与下变频处理后的信号数据相位大致同步。
进一步地,步骤(3)的具体方式为:
使用延迟方式得到两路相位不同的扩频码,将下变频处理后的信号数据与相位超前n个码片的扩频码相关累加,得到第一解扩数据;此外,将下变频处理后的信号数据与相位滞后n个码片的扩频码相关累加,得到第二解扩数据; 0<n≤0.5;
根据第一解扩数据与第二解扩数据,得到当前数据与扩频码相位的误差,之后根据误差调整扩频码相位,以保证本地扩频码与下变频处理后的数据精确匹配。
进一步地,步骤(4)的具体方式为:
将下变频处理后的信号数据与定时后的本地扩频码进行相关累加,得到第三解扩数据,将第三解扩数据按如下方式存入缓存中:
(401)若缓存写地址addr2小于num_a,则将addr2加1,同时比较第三解扩数据的信号功率与阈值pow1的大小,若大于阈值pow1,则计数值count_p 加1,重复步骤(401);若addr2等于num_a,则执行步骤(402);
(402)比较计数值count_p与阈值num_p的大小,若小于阈值num_p,则停止数据缓存,重新执行步骤(1),否则将addr2加1,执行步骤(403);
(403)记第三解扩数据的信号功率连续小于阈值pow1的个数为count_n,若count_n大于阈值num_n,则停止数据缓存,记录当前addr2的值为addr2_max,开始步骤(5),否则将addr2加1,重复步骤(403);
其中,addr2≥0,num_a>0,num_p>0,count_p≥0,num_n>0, count_n≥0,addr2_max>0。
进一步地,步骤(5)中,以往返式方式读取缓存中的数据,具体方式为:
(501)若缓存读地址addr3小于num_k,则置环路参数kel等于0,将addr3 加1,重复步骤(501);若addr3等于num_k,则执行步骤(502);
(502)若addr3大于0,则置环路参数kel等于1,将addr3减1,重复步骤(502);若addr3等于0,则执行步骤(503);
(503)若count_j小于num_j,则将count_j加1,执行步骤(501);若count_j 等于num_j,则执行步骤(504);
(504)置环路参数kel等于0,将addr3从0递增至addr2_max,完成数据输出;
其中,addr3≥0,num_k>0,count_j≥0,num_j>0。
进一步地,步骤(5)中,载波恢复的具体方式为:
若环路参数kel为0,则将相位误差累加,若环路参数kel为1,则将相位误差累减,从而提取输出数据的相位误差;
根据相位误差得到频率控制字,完成数据的载波恢复。
本发明的有益效果在于:
1、本发明可实现高动态、低信噪比的短猝发扩频卫星信号快速捕获与载波恢复,具有捕获精度高,处理速度快等优点,可在要求隐蔽性能好、抗截获性能高的卫星通信系统中广泛使用。
2、本发明载波恢复数据采用往返式输入,避免了突发信号对辅助数据的依赖,提高了数据传输效率。
3、本发明实现结构简单,算法可移植性强,具有很好的推广前景。
附图说明
图1为本发明实施例的信号处理流程图;
图2为本发明实施例的输入数据变频算法原理方框图;
图3为本发明实施例的PMF_FFT算法原理方框图;
图4为本发明实施例的迟早环算法原理方框图;
图5为本发明实施例的数据解扩及缓存流程图;
图6为本发明实施例的往返式数据读取及载波恢复流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明进行详细的描述。
一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,包括以下步骤:
(1)输入信号做变频处理;
(2)基于PMF_FFT算法完成扩频码捕获及频偏估计;
(3)基于迟早环算法完成定时,保证本地扩频码与下变频处理后的数据相位精确匹配;
(4)数据解扩及缓存;
(5)往返式读取缓存中的数据并进行载波恢复。
进一步的,所述步骤(1)中,输入信号与一定频率正弦波相乘,得到变频后的数据;正弦波频率初值为0,之后根据步骤(2)中频偏估计值确定。
进一步的,所述步骤(2)中,PMF_FFT算法为:下变频处理后的数据与本地扩频码做匹配滤波,之后数据相干累加,累加结果进行FFT运算,搜索FFT 结果的峰值,根据峰值位置确定下变频处理后数据的频偏信息及与本地扩频码的相位偏差信息;频偏信息用于步骤(1)的变频处理;偏差信息用于调整本地扩频码相位,以保证与变频处理后的数据相位大致同步。
进一步的,所述步骤(3)中,迟早环算法为:使用延迟方式得到两路相位不同的扩频码,变频处理后的数据与相位超前n个码片的扩频码相关累加,得到解扩数据1;变频处理后的数据与相位滞后n个码片的扩频码相关累加,得到解扩数据2;根据解扩数据1与解扩数据2,得到当前数据与扩频码相位误差,之后根据误差调整扩频码相位,以保证本地扩频码与变频处理后的数据精确匹配。所述0<n≤0.5。
进一步的,所述步骤(4)中,变频处理后的数据与定时后的本地扩频码相关累加,得到解扩数据3,解扩数据3按如下步骤存入RAM2中:
(401)若RAM2写地址addr2小于num_a,addr2加1同时比较解扩数据3 的信号功率与阈值pow1的大小,若大于阈值pow1,则count_p加1,重复步骤 (401);若addr2等于num_a,执行步骤(402);
(402)比较count_p值与阈值num_p的大小,若小于阈值num_p,停止数据缓存,重新执行步骤(1),否则addr2加1,执行步骤(403);
(403)记解扩数据3的信号功率连续小于阈值pow1的个数为count_n,若 count_n大于阈值num_n,停止数据缓存,记录当前addr2的值为addr2_max,开始步骤(5),否则addr2加1,重复步骤(403);
所述addr2≥0,num_a>0,num_p>0,count_p≥0,num_n>0, count_n≥0,addr2_max>0。
进一步的,所述步骤(5)中,从RAM2中读取数据,具体包含以下步骤:
(501)若RAM2读地址addr3小于num_k,置环路参数Kel等于0,addr3 加1,重复步骤(501);若addr3等于num_k,执行步骤(502);
(502)若addr3大于0,置环路参数kel等于1,addr3减1,重复步骤(502);若addr3等于0,执行步骤(503);
(503)若count_j小于num_j,count_j加1,执行步骤(501);若count_j 等于num_j,执行步骤(504);
(504)置环路参数kel等于0,addr3从0递增至addr2_max,完成数据输出。
所述addr3≥0,num_k>0,count_j≥0,num_j>0。
进一步的,所述步骤(5)中,完成载波恢复:提取输出数据相位误差,若环路参数kel为0,则相位误差累加,若环路参数kel为1,则相位误差累减;根据相位误差得到频率控制字,完成数据的载波恢复。
以下为一个更具体的例子:
如图1所示,一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,其实现信号捕获及载波恢复方法包括输入数据变频处理、基于PMF-FFT算法完成扩频码捕获及频率估计、基于迟早环算法完成定时、数据解扩及缓存、往返式数据输出及载波恢复。具体步骤如下:
(1)输入数据变频处理:如图2所示,输入信号分为I、Q两路,分别与频率为f且相位正交的两路正弦波相乘之后相加,得到变频后的信号I1、Q1。正弦波频率f初值为0,之后根据步骤2中频偏估计值确定,其中I1=I× cos(2πf)-Q×sin(2πf),Q1=I×sin(2πf)+Q×cos(2πf)。
(2)基于PMF-FFT算法完成扩频码捕获及频率估计:如图3所示,I1、 Q1两路信号分别与长度为w的本地扩频码做匹配滤波,之后数据做g次相干累加得到I2、Q2,I2、Q2两路信号写入数据缓存模块RAM1,缓存写满后,输出做h点的FFT运算,搜索FFT结果峰值,得到下变频处理后数据的频偏信息 f及与本地扩频码的相位偏差信息;频偏信息f用于步骤1的变频处理;偏差信息用于调整本地扩频码相位,以保证与变频处理后的数据相位大致同步;
进一步的,所述相干累加为:输入数据与RAM1地址addr1存放的数据相加后再写回到地址addr1,之后地址addr1+1,0≤addr1≤w-1,addr1从0 加到w-1完成一次循环,共完成g次循环;
进一步的,所述模平方相加公式为W1=I22+Q22;
进一步的,RAM1的写入和读取为:从RAM1中依次读取地址为0至w-1 的数据,写入数据缓存模块1;数据缓存模块1为一个w*h大小的存储矩阵,输入数据以行递增形式存储,每次存储数量为w,在存储矩阵写满后,以列递增形式读取,每次读取数量为h。
所述w>0,g≥1,h≥64且为64整倍数,addr1≥0。
(3)基于迟早环算法完成定时:如图4所示,使用延迟方式得到两路相位不同的扩频码,变频处理后的数据与相位超前n个码片的扩频码相关累加,得到解扩数据1;变频处理后的数据与相位滞后n个码片的扩频码相关累加,得到解扩数据2;根据解扩数据1与解扩数据2,得到当前数据与扩频码相位误差,之后根据误差调整扩频码相位,以保证本地扩频码与变频处理后的数据精确匹配。所述0<n≤0.5。
(4)数据解扩及缓存:如图5所示,变频处理后的数据与定时后的本地扩频码相关累加,得到解扩数据3,解扩数据3存入RAM2中,具体包含以下步骤:
(401)若RAM2写地址addr2小于num_a,addr2加1同时比较解扩数据3 的信号功率与阈值pow1的大小,若大于阈值pow1,则count_p加1,重复步骤 (401);若addr2等于num_a,执行步骤(402);
(402)比较count_p值与阈值num_p的大小,若小于阈值num_p,停止数据缓存,重新执行步骤(1),否则addr2加1,执行步骤(403);
(403)记解扩数据3的信号功率连续小于阈值pow1的个数为count_n,若 count_n大于阈值num_n,停止数据缓存,记录当前addr2的值为addr2_max,开始步骤(5),否则addr2加1,重复步骤(403);
所述addr2≥0,num_a>0,num_p>0,count_p≥0,num_n>0, count_n≥0,addr2_max>0。
(5)往返式数据输出及载波恢复:如图6所示,从RAM2中读取数据,具体包含以下步骤:
(501)若RAM2读地址addr3小于num_k,置环路参数kel等于0,addr3 加1,重复步骤(501);若addr3等于num_k,执行步骤(502);
(502)若addr3大于0,置环路参数kel等于1,addr3减1,重复步骤(502);若addr3等于0,执行步骤(503);
(503)若count_j小于num_j,count_j加1,执行步骤(501);若count_j 等于num_j,执行步骤(504);
(504)置环路参数kel等于0,addr3从0递增至addr2_max,完成数据输出。
所述addr3≥0,num_k>0,count_j≥0,num_j>0。
进一步的,所述步骤(5)中,完成载波恢复:提取输出数据相位误差;若环路参数kel为0,则相位误差累加,若环路参数kel为1,则相位误差累减;根据相位误差得到频率控制字,完成数据的载波恢复。
总之,本发明可实现高动态、低信噪比的短猝发扩频卫星信号快速捕获与载波恢复,具有捕获精度高,处理速度快等优点,可在要求隐蔽性能好、抗截获性能高的卫星通信系统中广泛使用。
Claims (3)
1.一种基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对输入信号做下变频处理;具体方式为:
将输入信号与具有一定频率的正弦波相乘,得到下变频后的信号数据;其中,正弦波频率的初值为0,之后根据步骤(2)获得的频偏估计信息确定正弦波的频率;
(2)基于PMF_FFT方法完成扩频码捕获及频偏估计;具体方式为:
将下变频处理后的信号数据与本地扩频码做匹配滤波,之后进行数据相干累加,再对累加结果进行FFT运算,然后搜索FFT结果峰值,得到下变频处理后信号数据的频偏估计信息及与本地扩频码的相位偏差信息;其中,频偏估计信息反馈给步骤(1)以进行变频处理;偏差信息用于调整本地扩频码相位,以保证与下变频处理后的信号数据相位大致同步;
(3)基于迟早环方法完成定时,保证本地扩频码与下变频处理后的信号数据相位精确匹配;具体方式为:
使用延迟方式得到两路相位不同的扩频码,将下变频处理后的信号数据与相位超前n个码片的扩频码相关累加,得到第一解扩数据;此外,将下变频处理后的信号数据与相位滞后n个码片的扩频码相关累加,得到第二解扩数据;0<n≤0.5;
根据第一解扩数据与第二解扩数据,得到当前数据与扩频码相位的误差,之后根据误差调整扩频码相位,以保证本地扩频码与下变频处理后的数据精确匹配;
(4)对下变频处理后的信号数据进行解扩,将解扩数据进行缓存;具体方式为:
将下变频处理后的信号数据与定时后的本地扩频码进行相关累加,得到第三解扩数据,将第三解扩数据按如下方式存入缓存中:
(401)若缓存写地址addr2小于num_a,则将addr2加1,同时比较第三解扩数据的信号功率与阈值pow1的大小,若大于阈值pow1,则计数值count_p加1,重复步骤(401);若addr2等于num_a,则执行步骤(402);
(402)比较计数值count_p与阈值num_p的大小,若小于阈值num_p,则停止数据缓存,重新执行步骤(1),否则将addr2加1,执行步骤(403);
(403)记第三解扩数据的信号功率连续小于阈值pow1的个数为count_n,若count_n大于阈值num_n,则停止数据缓存,记录当前addr2的值为addr2_max,开始步骤(5),否则将addr2加1,重复步骤(403);
其中,addr2≥0,num_a>0,num_p>0,count_p≥0,num_n>0,count_n≥0,addr2_max>0;
(5)以往返式方式读取缓存中的数据,并进行载波恢复。
2.根据权利要求1所述的基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,其特征在于,步骤(5)中,以往返式方式读取缓存中的数据,具体方式为:
(501)若缓存读地址addr3小于num_k,则置环路参数kel等于0,将addr3加1,重复步骤(501);若addr3等于num_k,则执行步骤(502);
(502)若addr3大于0,则置环路参数kel等于1,将addr3减1,重复步骤(502);若addr3等于0,则执行步骤(503);
(503)若count_j小于num_j,则将count_j加1,执行步骤(501);若count_j等于num_j,则执行步骤(504);
(504)置环路参数kel等于0,将addr3从0递增至addr2_max,完成数据输出;
其中,addr3≥0,num_k>0,count_j≥0,num_j>0。
3.根据权利要求1所述的基于非数据辅助的短猝发扩频信号捕获及载波恢复方法,其特征在于,步骤(5)中,载波恢复的具体方式为:
若环路参数kel为0,则将相位误差累加,若环路参数kel为1,则将相位误差累减,从而提取输出数据的相位误差;
根据相位误差得到频率控制字,完成数据的载波恢复。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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