CN116582155B - 基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法，包括：延长解跳时慢扫描时间、改变相干积累之后的搜索步进为半跳并结合对应的判决决策，实现跳频信号快速同步。本发明的优点是：首先提高了同步字头的利用率。基于同步字头法的捕获策略对跳频信号的同步提出了较高的要求，尤其是在跳速较高只能采用慢扫算法的情况下。为了解决这一问题，本发明延长了慢扫描时间，增加解跳过程中同一频点有效数据跳，提高原慢扫算法同步字头的利用率。其次，缩短了捕获时间。本发明将搜索步进改为半跳，利用FFT‑IFFT的能量积累策略将能量损失限制在25％以内，最大程度的利用资源。在同样的信道条件下，接收端只用50％的硬件资源增加，便换取了捕获时间的成倍减少。
Description
技术领域
本发明涉及跳频信号捕获技术领域，特别涉及一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法。
背景技术
跳频通信系统因其优异的抗单音干扰、抗跟踪干扰、抗阻塞干扰、抗多径干扰、抗衰落等能力被广泛应用于军事无线电通信、民用移动通信、现代雷达和声纳等电子系统中。上述跳频通信系统的优点，主要得益于其系统的高跳速，高跳速对信号同步提出了较高要求，传统的信号捕获方法有基于匹配滤波器的时域串行搜索算法、基于FFT-IFFT(FastFourier Transform-Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶变化-快速傅里叶逆变换)的时域并行搜索算法、基于PMF-FFT(Partial Matched Filtering-Fast FourierTransform，分段匹配滤波器-快速傅里叶变换)的分段匹配滤波搜索算法等。现有的搜索策略有以下缺点：
1、基于匹配滤波器的时域串行搜索算法的搜索速率毫无疑问是最慢的，同时匹配滤波器会消耗大量计算资源，以FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)为例，滤波器阶数与DSP消耗正相关；
2、FFT-IFFT算法实现了时域的并行搜索，但其FFT长度往往以整数跳或是伪码整数倍为周期，在灵敏度要求较高的场景时，会消耗大量的数据资源；
3、PMF-FFT算法实现了部分时域与频域的并行搜索，但因其同时使用了匹配滤波与FFT，消耗了大量计算资源。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法。利用FFT-IFFT时域并行搜索算法的快速计算能力，在此基础上改变相干积累之后的搜索步进为半跳，在不改变原来数据消耗的基础上，精细化搜索区域，提高检测概率。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法,包括以下步骤：
S1.记剥离载波之后的直扩-跳频信号的表达式为：
其中：A为当前信号幅值，N为频率集大小，fk为当前跳频频点、为对应相位，D(t)为当前数据，C(t)为扩频码，tΔ为时延，fΔ为多普勒频偏、/>为对应的相位，n(t)为高斯白噪声。
S2.结合链路参数和接收机系统指标，确定同步头集大小N1、单次相干积累时间tcoh、相干积累次数m1、非相干次数m2；同时计算出总的相干积累时间Ttotal以及频偏搜索步进fbin，公式如下：
Ttotal＝tcoh*m1
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列事先做长度为NFFT的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号解跳、按照搜索步进fbin进行残余频偏补偿，之后数据流按照跳频同步头长度N1分段，把N1段数据对应相加完成相干能量积累，并将数据发送至下一阶缓存；
S5.将当前相关积累之后数据按速率V1存储至FIFO，同时计数C，缓存深度为Nbuf，公式如下：
V1＝2·Chiprate
S6.判断计数器C的值是否大于等于Nthr，是则执行S7，否则执行S8；
S7.是否为首次缓存，是则执行S9，否则执行S8；
S8.判断双口RAM的读地址，判断读地址addra是否大于addra1且小于等于addra2，若是，则以速率V2将S5 FIFO中Nhalf个数据读出至S6中RAM，执行S10；否则执行S9；
S9.判断addra是否大于等于addra2，若是则以速率V2将S5 FIFO中数据读出至双口RAM，直至双口RAM的写地址大于等于addra2+Nhalf，然后执行S10；
addra1＝2·Chipratetcoh
addra2＝Nthr-addra1/2
S10.以速率V2将数据全部读出至双口RAM，如下式：
Nthr＝2·Chiprate·tcoh·N1-1
V2≥Chiprate·tcoh/tonce,tonce＝2·Chipratetcoh·Npara/V3
其中，Npara为并行处理频点数，V3为FFT速率。
S11.同时将多路并行双口RAM的读、写地址并行输入至并串转换模块，其中，双口RAM的读写地址的变化范围均为0～Nthr；读地址从0开始，每次的读长度为L，L＝addra1，且读完之后读地址addra-L/2，大于等于Nthr后重新从零开始；写地址从0开始，至Nthr后置0，循环往复；
S12.控制读地址和读使能，以速率V3依次读出RAM中数据至FFT模块；
V3＝2·Chiprate·tcoh·N1·Npara/(tcoh·m1)
S13.以L为处理对长度对S9中数据做FFT，之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值完成能量积累；
S14.以Lncoh为周期对相干积累数据进行累加，当累加m2次后，输出数据至判决模块，完成能量积累过程；
Lncoh＝2·2·Chiprate·tcoh·N1
S15.判决模块首先将长度为Lncoh的非相干积累后数据等分为2N1个数据块。其次在每个数据块中找到最大值，并记录数据块中最大值的位置，其位置则代表了相位。第三，在2N1个最值中再次寻找对大值，并与对应的检测门限比较，若大于门限，则认为初始捕获成功，进行跟跳确认；反之，则认为捕获失败，继续搜索。完成判决过程。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
首先提高了同步字头的利用率。基于同步字头法的捕获策略对跳频信号的同步提出了较高的要求，尤其是在跳速较高只能采用慢扫算法的情况下。为了解决这一问题，本发明延长了慢扫描时间，增加解跳过程中同一频点有效数据跳的同时，提高原慢扫算法同步字头的利用率。
其次，缩短了捕获时间。本发明将能量积累搜索步进改为半跳，利用FFT-IFFT的能量积累策略将能量损失限制在25％以内，最大程度的利用资源。在同样的信道条件下，接收端只用50％的硬件资源增加，便换取了捕获时间的成倍减少。换句话说，在同样的同步头资源下，本发明可获得更高的检测概率。
附图说明
图1是本发明实施例能量积累策略跳频信号捕获方法流程图；
图2是本发明实施例能量积累策略结构示意图；
图3是本发明实施例能量积累策略流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1至3所示，一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法，包括以下步骤：
S1.记剥离载波之后的直扩-跳频信号的表达式为：
其中：频率集大小为80，跳频速率为10000hop/s、数据速率为10Kbps、伪码速率是5.12Mbps。
S2.结合链路参数和接收机系统指标，确定跳频同步频点集大小为3、单次相干积累时间为0.3ms、相干积累次数为1次、非相干次数为4次；
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列事先做长度为1024的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号解跳、按照搜索步进5Khz进行残余频偏补偿，之后数据流按照跳频同步头长度3分段，此例中相干积累次数为1，直接数据发送至下一阶缓存即可；
S5.将当前相关积累之后数据按速率10.24Mhz存储至FIFO，同时计数，缓存深度为4096；
S6.判断计数器C的值是否大于等于3071，且是否为首次缓存，若同时满足前述两种情况，则直接以速率V2将数据全部读出至双口RAM，V2为102.4Mhz；
S7.若否，则判断双口RAM的读地址，若读地址addra是否大于1024且小于等于2559，若是，则以速率V2将S5 FIFO中512个数据读出至S6中RAM；若addra大于等于2559，则以速率V2将S5 FIFO中数据读出至双口RAM，直至双口RAM的写地址大于等于3071；
S8.同时将多路并行双口RAM的读、写地址并行输入至并串转换模块，其中，S7中双口RAM的读写地址的变化范围均为0-3071；读地址从0开始，每次的读长度为1024，且读完之后读地址addra-512，大于等于3071后重新从零开始；写地址从0开始，至3071后置0，循环往复；
S9.控制读地址和读使能，以速率V3依次读出RAM中数据至FFT模块，V3为102.4Mhz；
S10.以1024为处理对长度对S9中数据做FFT，之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值完成能量积累；
S11.以30720为周期对相干积累数据进行累加，当累加3次后，输出数据至判决模块，完成能量积累过程；
S12.判决模块首先将长度为30720的非相干积累后数据等分为6个数据块。其次在6数据块中找到最大值，并记录数据块中最大值的位置，其位置则代表了相位。第三，在6个最值中再次寻找对大值，并与对应的检测门限比较，若大于门限，则认为初始捕获成功，进行跟跳确认；反之，则认为捕获失败，继续搜索。完成判决过程。
结合本发明的能量积累与信号检测策略，带入具体参数，仿真、测试系统捕获性能。链路参数入下表：
表1链路参数
| 跳速 | 跳频间隔 | 同步字头 | 数据速率 | PN | 频偏 | 动态 | EbN0 |
| 10000hop/s | 20Mhz | 3 | 10000bps | 512 | ±300Khz | ±20Khz/s | 9.6～21.6dB |
考虑接收机的边界情况，在EbN0＝9.6dB时，为了保证捕获概率，设置相干积累次数为4次，非相干积累次数为2次，即同步字头的重复次数，采用单次检测和重捕确认的策略。以蒙特卡洛试验统计方法为原则，验证上述算法的捕获概率，并与传统的慢扫描策略相比较。统计1000次实验结果，可以看到，新算法的捕获概率在接收机的动态范围内始终保持在99％以上；慢扫描策略的捕获概率从开始的88.6％逐渐攀升，直至EbN0＝13dB时才达到99％以上。因此，在相同的同步资源下，本发明具有更优异的捕获性能。
上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如CD ROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如ASIC或FPGA)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，RAM、ROM、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法,其特征在于，包括以下步骤：
S1.记剥离载波之后的直扩-跳频信号的表达式为：
其中：A为当前信号幅值，N为频率集大小，fk为当前跳频频点、为对应相位，D(t)为当前数据，C(t)为扩频码，tΔ为时延，fΔ为多普勒频偏、/>为对应的相位，n(t)为高斯白噪声；
S2.结合链路参数和接收机系统指标，确定同步头集大小N1、单次相干积累时间tcoh、相干积累次数m1、非相干次数m2；同时计算出总的相干积累时间Ttotal以及频偏搜索步进fbin，公式如下：
Ttotal＝tcoh*m1
S3.将与发射伪码序列相同的本地伪码序列事先做长度为NFFT的FFT、取共轭之后将数据放置在存储器中；
S4.将接收信号解跳、按照搜索步进fbin进行残余频偏补偿，之后数据流按照跳频同步头长度N1分段，把N1段数据对应相加完成相干能量积累，并将数据发送至下一阶缓存；
S5.将当前相关积累之后数据按速率V1存储至FIFO，公式如下：
V1＝2·Chiprate
同时计数C，缓存深度为Nbuf；
S6.判断计数器C的值是否大于等于Nthr，是则执行S7，否则执行S8；
S7.是否为首次缓存，是则执行S9，否则执行S8；
S8.判断双口RAM的读地址，判断读地址addra是否大于addra1且小于等于addra2，若是，则以速率V2将S5 FIFO中Nhalf个数据读出至S6中RAM，执行S10；否则执行S9；
S9.判断addra是否大于等于addra2，若是则以速率V2将S5 FIFO中数据读出至双口RAM，直至双口RAM的写地址大于等于addra2+Nhalf，然后执行S10；
addra1＝2·Chiprate·tcoh
addra2＝Nthr-addra1/2
S10.以速率V2将数据全部读出至双口RAM；
S11.同时将多路并行双口RAM的读、写地址并行输入至并串转换模块，其中，双口RAM的读写地址的变化范围均为0～Nthr；读地址从0开始，每次的读长度为L，L＝addra1，且读完之后读地址addra-L/2，大于等于Nthr后重新从零开始；写地址从0开始，至Nthr后置0，循环往复；
S12.控制读地址和读使能，以速率V3依次读出RAM中数据至FFT模块，公式如下：
V3＝2·Chiprate·tcoh·N1·Npara/(tcoh·m1)
S13.以L为处理对长度对S9中数据做FFT，之后与S3中的数据对应相乘再取IFFT完成能量相关，对IFFT结果取幅值完成能量积累；
S14.以Lncoh为周期对相干积累数据进行累加，当累加m2次后，输出数据至判决模块，完成能量积累过程，具体公式如下：
Lncoh＝2·2·Chiprate·tcoh·N1
S15.判决模块将长度为Lncoh的非相干积累后数据等分为2N1个数据块；在每个数据块中找到最大值，并记录数据块中最大值的位置，其位置则代表了相位；在2N1个最值中再次寻找最大值，并与对应的检测门限比较，若大于门限，则认为初始捕获成功，进行跟跳确认；反之，则认为捕获失败，继续搜索；完成判决过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于直扩的能量积累策略跳频信号捕获方法，其特征在于：S10中以速率V2将数据全部读出至双口RAM，如下式：
Nthr＝2·Chiprate·tcoh·N1-1
V2≥Chiprate·tcoh/tonce，tonce＝2·Chiprate·tcoh·Npara/V3
其中，Npara为并行处理频点数，V3为FFT速率。
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