CN116319217A - 一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信信号检测技术领域，公开了一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，主要解决在通信系统中，对不同码速率信号进行时域串行捕获时，信号检测速度慢、统计量选取方法单一、低信噪比环境下捕获能力下降等问题。其实现步骤是：(1)对信号码速率可能的范围进行预分组；(2)对接收信号进行采样及量化处理(3)计算接受信号循环相关零时延切片，估计信号的载频；(4)对处理后的信号进行截取，滑动选择多个时延切片进行累加，构造适应码速率变化的统计量，对信号码速率进行粗估计(5)根据码速率的粗估计结果，选择循环相关的最佳切片，得到码速率的精确值。本发明具有灵活度和实时性高、捕获速度快、捕获准确率高等优点，在低信噪比复杂电磁环境下快速捕获信号，有利于快速通信链路的建立。

Description

一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法

技术领域

本发明属于通信信号检测技术领域，更进一步涉及低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法。

背景技术

截获数字通信信号，并对其进行参数估计是建立快速通信链路的一个重要环节。码速率是数字通信信号的重要参数。快速捕获并准确估计出信号的码速率，是后续调制方式识别、以及信号盲解调等步骤有效实现的重要前提。

重庆邮电大学在其申请的专利文献“基于循环自相关的BOC信号参数估计方法”(专利申请号：CN201510881642.1，申请公开号：CN105553635A)中公开了一种基于循环自相关的BOC信号参数估计方法。该方法的具体步骤为：将采样后的BOC接收信号以一定长度进行分段；分别计算每段信号的循环自相关函数并取绝对值；将循环自相关函数进行累加平均求取BOC信号的平均循环自相关函数；搜索平均循环自相关函数延时τ＝0切面的最大谱峰，其所对应的循环频率即为所要估计的载频；提取平均循环自相关函数延时τ≠0的切面，搜索该切面距离零频最近的两个幅值大小不同的谱峰，根据它们所对应的循环频率可以实现伪码速率及副载波速率的估计。该方法能够较精确的估计出BOC信号的伪码速率，副载波速率及载频。通过累加平均的方法来实现循环自相关也可以有效降低噪声。但仍存在不足之处，其参数估计方法使得高码速率信号的计算存在冗余。只是任意选择一个非零切片，不仅稳定性差，而且忽略了合适的τ对参数估计精度的影响，对于多速率通信信号无法保证该方法的普适性。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于GPU并行的直接序列扩频信号检测方法”(专利申请号：202110379795.1，申请公开号：CN113300737A)中公开了一种基于GPU并行的直接序列扩频信号检测方法。该方法的具体步骤为：利用循环自相关函数的一致估计式构造接收信号的N个时延切片；将N个切片拼接成多时延切片向量，并构造循环统计量；利用GPU多线程并行计算，获得循环统计量结果；对所述循环统计量进行归一化处理；通过检测归一化循环统计量在零循环频率处的幅值是否为1，判定是否存在直扩信号；若存在，则获取次大谱线对应的循环频率，计算载频估计结果。该方法利用循环平稳特性检测直扩信号的存在性的同时进行载频估计，并利用GPU多线程同时执行循环统计量计算核函数。该方法切片的选取方案无法根据信号码速率改变，对于多速率通信信号无法有效提升检测速度，存在计算冗余的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法。

本发明采用的技术方案为：

一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，具体包括如下步骤：

步骤1：确定接收信号码速率的范围，由大到小将码速率分为多组，并计算所有分组中点的码元宽度T_di；

步骤2：对整段接收信号进行采样，将信号的实部和虚部分别进行量化处理得到N点数据x(n)；

步骤3：计算信号x(n)的循环相关零时延切片R_x(α,0)，检测信号是否存在，并估计载频f_c；

步骤4：若步骤3判断信号存在，则对信号进行截取，滑动选择n₀个不同的时延切片，进行码速率粗估计，得到码速率粗估计结果

其中n₀为滑动选择的切片数目，为设定值；

步骤5：计算接收信号在延迟时间为

下的循环相关，搜索对应切片的两个非零峰值，对两个非零峰值坐标取平均得到码速率的精确值；其中F_s为采样频率。

进一步的，步骤1中，对于每一分组i，满足

其中floor为向下取整操作，f_i和f_i+1为相邻的两个端点码速率。

进一步的，步骤4中，进行码速率粗估计，得到码速率粗估计结果

具体实现流程为：

步骤401，i为循环流程的计数器，初始值设定为1；1≤i≤n₀时，截取x(n)的前N_i点数据，进行截止频率为f_i+f_c的低通滤波，累加信号在延迟时间τ₁～τ_i，τ_i＝T_di/2下的循环相关，得到统计量

并搜索两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；其中N_i为设定值；

步骤402，i＞n₀时，累加信号在延迟时间

τ_i＝T_di/2下的循环相关，计算统计量/>

并搜索两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；

步骤403，若

则认为/>

为码速率粗估计结果，进入步骤5；否则，令i＝i+1，返回步骤401或402。

进一步的，步骤4中，循环相关的计算方式为：

步骤401、402中第i次执行时，

仅通过补算末尾N_i-N_i-1点数据的延时相乘得到。

本发明具有以下优点：

第一，本发明在信号处理流程中加入了多次低通滤波，提高了低信噪比环境下的抗噪性能。

第二，本发明针对不同码速率信号的自适应时长检测，即对于高速率信号采用短检测时间，小速率信号采用长检测时间，从而在保证对各类速率信号有较高的正确识别率，同时提高检测概率。

第三，本发明首先对码速率可能范围由高到低进行预分组，滑动选取多个切片，构造了具备自适应特性的检测统计量。最后依据粗估计值，选取最优切片进行精确估计，进一步提高检测的准确度。

第四，本发明码速率粗估计流程第i步的

可以仅通过补算后N_i-N_i-1点数据的延时相乘得到，进一步减少了计算资源的浪费。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明的码速率预分组示意图；

图3为本发明的码速率粗估计流程图；

图4为本发明所述方法的性能图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的实例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面对本发明的实施方式作进一步的描述。

本发明提供了一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，参照图1，具体包括如下步骤：

步骤1：预先确定接收信号码速率可能的范围并进行分组，如图2所示，步骤如下：

(101)假设待检测信号的码速率分布在区间[f_M+1,f₁]的范围内，将其分为M组，这里可以采用等间隔划分，也可以根据工程需要对低码速率范围进行细分，从而提高估计精度。最终得到M+1个端点码速率，由大到小依次为f₁,f₂,f₃...f_M,f_M+1。

(102)计算所有分组中点的T_di值。利用公式T_di＝floor(F_s/f_di)计算第i(1≤i≤M)个分组中点码速率f_di对应的码元宽度，其中，

F_s为采样频率，floor表示向下取整。由于本方法是对采样后的数字信号进行分析处理，所以这里计算模拟时间域的码元宽度在F_s采样频率下对应的点数。

步骤2：以频率F_s对接收信号进行采样，将信号的实部、虚部分别进行量化处理得到N点数据x(n)。

步骤3：计算信号x(n)循环相关τ＝0的切片R_x(α,0)，检测信号是否存在并估计载频f_c。

若x(t)为离散循环平稳随机过程，其自相关函数为时间t的周期函数，因此可以展开为傅里叶级数：

式中，R_x(α,τ)为x(t)的循环相关，α被称为循环频率，A为所有非零循环频率的集合。

对于有限长的N点观测数据x(n)，循环相关的一致估计为：

由上式可知：实际中通过对延时相乘后的信号做FFT快速得到x(t)的循环相关。由于BPSK信号的R_x(α,0)切片只在零频和二倍载频处有峰值，因此通过检测零时延切片的非零峰值判决信号是否存在，并提取载频估计值。

步骤4：若步骤3判断信号存在，则对信号进行截取，滑动选择n₀个不同的时延切片，进行如图3所示的码速率粗估计流程，得到码速率粗估计结果

具体步骤如下：

(401)i为循环流程的计数器，初始值设定为1；1≤i≤n₀时，第i步的操作为：截取x(n)的前N_i点数据，进行截止频率为f_i+f_c的低通滤波。累加信号在延迟时间τ₁～τ_i(τ_i＝T_di/2)下的循环相关，得到统计量

搜索/>

的两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；其中N_i为设定值；

此处的n₀为每次滑动选择的切片数目，n₀越大，本方法的稳定性越好，但是计算复杂度也会明显提高。

(402)i＞n₀时，第i步更改的部分操作为：累加信号在延迟时间

(τ_i＝T_di/2)下的循环相关，计算统计量/>

保证了所选择的n₀个分组始终包含信号真实码速率，并搜索两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；

(403)若

则认为/>

为码速率粗估计结果，进行步骤5；否则，令i＝i+1，返回步骤(401)或(402)。

步骤4中的数据截取和滑动选取切片保证了高码速率信号具有相对较快的检测和识别能力；相反，对于低码速率信号，适当增加了检测时间，即降低检测速度。可进一步简化，第i步中的

可以仅通过补算后N_i-N_i-1点数据的延时相乘得到，减少了计算资源的浪费。

PSK信号的循环相关为：

σ_a ²为信号复包络的方差，T_d为信号的码元宽度。由上式可知，当延迟不为0时，R_x(α,τ)在其所有的循环频率处都取非零值，这些谱线对应的循环频率即为该信号整数倍的码速率。因此通过搜索距零频最近的循环频率即可得到码速率的估计。

不同τ得到的循环相关的特点为：当τ＝T_d/2时，码速率所对应谱线的相对强度最大，为码速率估计的最佳切片。当τ＞T_d时，循环自相关中不再有明显的对应码速率的离散谱线。

由上述分析可知，为了保证步骤1中每个分组选择的切片，对所有码速率符合

的信号都可以出现明显的离散谱线，所有的1≤i≤M应满足：τ_i小于等于f_i+1对应的码元宽度，即/>

F_s为采样频率。

步骤5：计算信号在延迟时间为

下的循环相关，搜索对应切面的两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到码速率的精确值。

图4为针对本发明所述的码速率估计流程作BPSK信号在不同比特信噪比的情况下的码速率识别效果。设置了五种不同码速率的情况，由图可见，当比特信噪比高于1dB时，BPSK信号码速率的识别概率高达100％。

综上所述，本发明公开了一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，对信号码速率范围进行预分组，设计了一种计算复杂度及检测统计量均随信号码速率变化的自适应检测方案。弥补了现有方法低信噪比下无法实现有效检测，高速率信号存在计算冗余，统计量构造策略单一的缺点。需要说明的是，在不脱离本发明原理的情况下，凡是在本发明的启示下做出任何修改和改变，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：确定接收信号码速率的范围，由大到小将码速率分为多组，并计算所有分组中点的码元宽度T_di；

步骤2：对整段接收信号进行采样，将信号的实部和虚部分别进行量化处理得到N点数据x(n)；

步骤3：计算信号x(n)的循环相关零时延切片R_x(α,0)，检测信号是否存在，并估计载频f_c；

步骤4：若步骤3判断信号存在，则对信号进行截取，滑动选择n₀个不同的时延切片，进行码速率粗估计，得到码速率粗估计结果

其中n₀为滑动选择的切片数目，为设定值；

步骤5：计算接收信号在延迟时间为

下的循环相关，搜索对应切片的两个非零峰值，对两个非零峰值坐标取平均得到码速率的精确值；其中F_s为采样频率。

2.根据权利要求1所述的一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，其特征在于，步骤1中，对于每一分组i，满足

其中F_s为采样频率，floor为向下取整操作，f_i和f_i+1为相邻的两个端点码速率。

3.根据权利要求2所述的一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，其特征在于，步骤4中，进行码速率粗估计，得到码速率粗估计结果

具体实现流程为：

步骤401，i为循环流程的计数器，初始值设定为1；1≤i≤n₀时，截取x(n)的前N_i点数据，进行截止频率为f_i+f_c的低通滤波，累加信号在延迟时间τ₁～τ_i，τ_i＝T_di/2下的循环相关，得到统计量

并搜索两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；其中N_i为设定值；

步骤402，i＞n₀时，累加信号在延迟时间

τ_i＝T_di/2下的循环相关，计算统计量

并搜索两个非零峰值，读取二者坐标后取平均得到/>

转入步骤(3)；

步骤403，若

则认为/>

为码速率粗估计结果，进入步骤5；否则，令i＝i+1，返回步骤401或402。

4.根据权利要求3所述的一种低信噪比下多速率通信信号快速捕获方法，其特征在于，步骤4中，循环相关的计算方式为：

步骤401、402中第i次执行时，

仅通过补算末尾N_i-N_i-1点数据的延时相乘得到。

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