一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法
阅读说明：本技术 一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法 (Method for capturing synchronization head under extremely low signal-to-noise ratio of short wave communication ) 是由 张凯 陈测库 李子墨 田杰 王小军 仇妙月 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于短波通信技术领域,公开了一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法,包括以下步骤：对接收序列以任意采样点进行截取,对截取的接收序列和本地序列分别进行等长的分段；将每一段接收序列与对应的一段本地序列进行相关并作FFT,确定FFT序列的幅值最大值,从而得到Q段幅值最大值；对Q段幅值最大值进行求和,将求和后的值作为截取的接收序列的峰值；遍历接收序列的每个采样点,得到每个采样点对应的峰值,从而得到峰值曲线,选择峰值曲线中峰值最大值对应的采样点作为整个接收序列的同步起点；该同步头捕获方法能准确的找到同步点,还能掌握收发两段频率偏移量的变化情况,能够在极低信噪比、大频偏情况下实现同步捕获。(The invention belongs to the technical field of short-wave communication, and discloses a method for capturing a synchronization head under an extremely low signal-to-noise ratio of short-wave communication, which comprises the following steps: intercepting a receiving sequence by using any sampling point, and respectively carrying out equal-length segmentation on the intercepted receiving sequence and a local sequence; correlating each segment of receiving sequence with a corresponding segment of local sequence and performing FFT (fast Fourier transform), and determining the maximum value of the amplitude of the FFT sequence so as to obtain the maximum value of the amplitude of the Q segment; summing the maximum value of the amplitude of the Q section, and taking the summed value as the peak value of the intercepted receiving sequence; traversing each sampling point of the receiving sequence to obtain a peak value corresponding to each sampling point so as to obtain a peak value curve, and selecting the sampling point corresponding to the maximum value of the peak value in the peak value curve as a synchronous starting point of the whole receiving sequence; the synchronous head capturing method can accurately find out a synchronous point, can master the change condition of the frequency offset of the receiving section and the transmitting section, and can realize synchronous capturing under the conditions of extremely low signal-to-noise ratio and large frequency offset.)
技术领域
本发明涉及短波通信技术领域，具体涉及一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法。
背景技术
短波通信是指波长在10米—100米，频率范围3MHz—30MHz的一种无线电通信技术。短波通信发射的电波要经电离层的反射才能到达接收端，通信距离较远，是远程通信的主要手段。尽管新型无线电通信系统不断涌现，但是短波通信这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，不仅没有淘汰，反而还在不断快速发展。因为它有着其它通信系统不具备的优点：首先，短波是唯一不受网络和中继制约的远程通信手段，例如发生战争或灾害，卫星受到攻击时，短波的抗毁能力和自主通信能力是其他通信设备无法媲美的；其次，山区、戈壁和海洋等偏远地区通信主要靠短波；最后，低廉的通信费用也使得短波具有广阔的市场。
为了方便信息(语音或图像)传输，在发送端通常将携带了信息的低频信号上变频为高频信号，这一过程需要一个高频载波；经过信道传输，用户为了提取有用信息，需要将接收到的高频信号下变频至低频信号，这一过程需要一个与发送端频率完全相同的高频载波。然而由于元器件制作工艺、材料以及电气特性等因素，发送与接收两端产生的载波频率不可能完全相同，总是存在一个误差，这个误差会影响到后端的解调。当误差较小时对解调器产生的影响几乎可以忽略；而当误差较大时会发生相位旋转，将产生不可纠错误，使得通信系统性能急剧恶化，甚至无法捕获同步头。
可以说同步头捕获是收发双方建立通信的第一步(其中同步头捕获是指在接收的信号中寻找到信息起点)，为了对信号进行后续的均衡、解调等工作，接收机首先要做的就是确定有用信息在低频信号中的起始位置(也称作同步估计)，而后才能针对信号进行后续处理。然而在恶劣的通信环境以及收发双发存在频偏的情况下使得同步捕获变得越来越困难。
现有的不等差错保护技术方案基本上都是采用自相关算法并进行傅里叶变换来实现的。例如公开号为CN108270707A《一种信号同步的方法及装置》中，利用本地的差分序列与接收到的差分序列进行相关运算，而后进行快速傅里叶变换(Fast FourierTransform,FFT)，根据相关结果计算其中的频率偏移量，获得接收信号中的差分序列，从而确定同步位置。公开号为CN109818644A《信号同步方法、装置、计算机设备和存储介质》中，将获取的信号经不同滤波器后得到第一相关值和第二相关值，然后将第一相关值的最大值和第二相关值的最大值与预设门限进行比较，当比较结果匹配成功时对接收信号进行补偿同步。从以上看到，现有技术中均利用了序列的良好的自相关特性，利用本地序列与接收信号之间的相关，寻找到峰值从而确定接收信号中的同步起点。
然而，现有技术在进行同步捕获主要是在收发双方没有频偏或存在固定频偏的条件下进行的，很少是针对恶劣通信环境(极低信噪比)且存在变化的频偏情况下进行同步捕获的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法，将本地同步序列进行分段，在接收的信号中对分段序列进行相关，而后对每段相关值进行求和，最后将具有最大相关值的位置作为同步点，该同步头捕获方法不但寻找到了同步点，同时还可以掌握收发两段频率偏移量的变化情况，能够在极低信噪比、大频偏情况下实现同步捕获，简单易行。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法，包括以下步骤：
步骤1，发射端的待发送同步信息序列经二进制移相键控调制后得到发送序列X，所述发送序列X经高斯信道进行传输，由于收发两端的载波频率不完全相同，存在一个随时间变化的频率误差f(t)，则在接收端获得接收序列R；其中，所述发送序列X在发射端称为同步序列，在接收端称为本地序列；
步骤2，对所述接收序列R以任意采样点进行截取，得截取的接收序列；对所述截取的接收序列和所述本地序列分别进行等长的分段，得到Q段本地序列X＝(X1,…,Xq,…,XQ)和Q段接收序列R＝(R1,…,Rq,…,RQ)；其中，Q为分段数；
步骤3，根据所述Q段接收序列中的每一段接收序列Rq与对应的一段本地序列Xq，进行相关后计算对应的快速傅立叶变换后的序列，确定所述快速傅立叶变换后的序列中的幅值最大值，从而得到Q段幅值最大值；
步骤4，对所述Q段幅值最大值进行求和，将求和后的值作为截取的接收序列的峰值；
步骤5，遍历所述接收序列R的每个采样点，重复步骤2-4，得到每个采样点对应的峰值，从而得到峰值曲线，选择峰值曲线中峰值最大值对应的采样点作为整个接收序列R的同步起点。
进一步的，步骤1具体为：所述发送序列为X＝(x1,…,xn,…,xN)，xn＝±1；所述发送序列经高斯信道进行传输，则在接收端获得接收序列为R＝(r1,…,rn,…,rN)；其中：
其中，
进一步的，步骤3包含以下子步骤：
子步骤3.1，令索引变量i＝1；
子步骤3.2，基于快速傅里叶的同步算法，得到第i段幅值最大值vi及vi对应的频偏fi；
子步骤3.3，令索引变量i依次增加1，若i≤Q，则跳转入子步骤3.2，否则进入步骤4；
经子步骤3.1、3.2、3.2后，可以得到Q段幅值最大值v1,…,vq,…vQ。
进一步的，子步骤3.2中，基于快速傅里叶的同步算法具体为：
根据接收序列R＝(r1,…,rn,…,rN)和本地序列X＝(x1,…,xn,…,xN)构造准正弦信号序列
对所述准正弦信号序列进行N点快速傅立叶变换，得快速傅里叶变换后的序列，从快速傅里叶变换后的序列中寻找幅值最大值及幅值最大值对应的频偏；同理求得Q段幅值最大值v1,…,vq,…vQ及对应的频偏f1,…,fq,…,fQ。
进一步的，步骤4中，求和的公式为：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明旨在解决短波通信在极端恶劣的环境以及收发两端存在频偏的情况下同步头难以捕获这一问题，通信过程中由于收发两方相对运动，以及恶劣的通信环境而造成的双方频率偏移量随时间变化从而使得在接收信号中寻找同步头变得愈发困难；在找到信息起点后，接收方才能够对接收信息进行后续的均衡、解调等工作。本发明将本地同步序列进行分段，在接收的信号中对分段序列进行相关，并进行快速傅里叶变换，得到每段相关值(即幅值最大值)，而后对每段相关值进行求和，最后将求和后具有最大相关值的位置作为同步点；本发明不但寻找到了同步点，同时还可以掌握收发两段频率偏移量的变化情况，能够在极低信噪比、大频偏情况下实现同步捕获，方法简单，有利于工程实现。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1a为收发双方相对匀速运动时频偏以及符号附加相位变化的示意图；
图1b为收发双方相对匀加速运动时频偏以及符号附加相位变化的示意图；
图2为截取不同信号与本地序列进行相关并FFT的示意图；
图3为不同起点截取的信号与本地序列进行相关并FFT结果图；其中，图(a)为以A点为起点截取的信号与本地序列进行相关并FFT结果图；图(b)为以B点为起点截取的信号与本地序列进行相关并FFT结果图；
图4为遍历整个接收信号进行同步操作的峰值曲线图；
图5为分段获取峰值示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
一种短波通信极低信噪比下同步头捕获方法，包括以下步骤：
步骤1，发射端的待发送同步信息序列经二进制移相键控调制后得到发送序列，所述发送序列经高斯信道进行传输，由于收发两端的载波频率不完全相同，存在一个随时间变化的频率误差f(t)，则在接收端获得接收序列。
具体的，步骤1为：假设待发送同步信息序列经二进制移相键控(Binary PhaseShift Key,BPSK)调制后得到发送序列X＝(x1,…,xn,…,xN)，xn＝±1。符号传输速率(symbol rate)为Rsym个符号/秒，两符号时间间隔为
其中：表示频偏对发送符号xn的影响，属于一种乘性干扰，是符号产生相位旋转的主要因素，
步骤2，对所述接收序列以任意采样点进行截取，得截取的接收序列；对所述截取的接收序列和所述本地序列分别进行等长的分段，得到Q段本地序列X＝(X1,…,Xq,…,XQ)和Q段接收序列R＝(R1,…,Rq,…,RQ)；其中，Q为分段数。
步骤3，根据所述Q段接收序列中的每一段接收序列Rq与对应的一段本地序列Xq，进行相关后计算对应的快速傅立叶变换后的序列，确定所述快速傅立叶变换后的序列中的幅值最大值，从而得到Q段幅值最大值。
具体的，步骤3包含以下子步骤：
子步骤3.1，令索引变量i＝1；
子步骤3.2，基于快速傅里叶的同步算法，得到第i段幅值最大值vi及vi对应的频偏fi；其中，快速傅里叶变换FFT的点数为N；
子步骤3.3，令索引变量i依次增加1，若i≤Q，则跳转入子步骤3.2，否则进入步骤4；
经子步骤3.1、3.2、3.2后，可以得到Q段幅值最大值v1,…,vq,…vQ。
步骤4，对所述Q段幅值最大值进行求和，将求和后的值作为截取的接收序列的峰值。
其中，具体的求和的公式为：将求和后的值vmax作为截取的接收序列的峰值；构造频偏向量f＝(f1,…,fq,…,fQ)。
步骤5，遍历所述接收序列R的每个采样点，重复步骤2-4，得到每个采样点对应的峰值，从而得到峰值曲线，选择峰值曲线中峰值最大值对应的采样点作为整个接收序列R的同步起点。
其中，基于快速傅里叶的同步算法的具体原理及同步方法如下：
a、分析不同环境下附加相位的特性
1)当收发双方相对静止(固定频偏)
这种情况下频率偏移仅仅由元器件决定，频偏不随时间变化而变化。即f(t)始终保持不变，则前后两个符号之间的附加相位增量△φ＝φn-φn-1也保持恒定。在理想条件(无噪声干扰)下由频率偏移而引起的各个符号的附加相位应在一条直线上。
令f(t)＝b为频偏的变化函数(此时频偏为定值)，则接收序列R第n个符号的附加相位应为其中，a1＝2πbTsym、a0＝φ0为序列R的初始相位。这种情况可以用一次函数对这条直线进行刻画，相位的直线解析方程为y＝a1n+a0。
2)当收发双方有相对移动(动态频偏)
这种情况下频率偏移有两个因素决定，一方面由于通信环境的多样性，另一方面由于相对运动产生了多普勒频移fd：
其中，f为发射机载波频率，c为光速，v为收发双方的相对运动速度，θ为相对运动夹角。当双方的相对运动速度恒定时，则产生的多普勒频移fd保持恒定，此时由于频率偏移而引起的各个符号的附加相位同样也在一条直线上。而当双方的相对运动速度非恒定(例如加/减速运动)时，由式(2)可以看到多普勒频移fd随时间变化而线形变化，因此前后两个符号之间的附加相位增量在不断变化，呈现出二次曲线特性。
令f(t)＝kt+b为频偏的变化函数(此时频偏随时间变化而变化)，则接收序列R第n个符号的附加相位应为
图1分别给出了收发双方相对匀速运动时和匀加速运动时频偏以及符号附加相位变化的示意图(图中的序列初始相位φ0＝0)。如图1(a)所示，当匀速运动时频偏恒定而符号相位呈现出直线状态；如图1(b)所示，当匀加速运动时频偏呈现线形特性而符号相位则呈现出二次曲线的状态。
在实际的通信环境中是不存在上述非常理想的情况，通常是两种情况的叠加，而且动态频偏也不一定服从线形变化。然而在短暂的时间段内我们仍可以将其抽象化为固定频偏和动态频偏两种情况的叠加。从上述可知，频率偏移量在信号中是以附加相位的形式体现的，例如固定频偏在信号中的附加相位是以一次曲线变化的；动态频偏在信号中的附加相位是以二次曲线变化的。本发明的目的就是要在上述两种频偏叠加的模型中获取信息起点，即同步捕获。
b同步原理
假设接收序列R只包含固定频偏，观察式(1)由于xn已知，因此可以从接收序列R中以任意一个采样点去截取相位的变化情况，从而得到截取相位后的准正弦信号序列其中
由图3(a)可知，当截取的信号不是真实的同步序列则在进行FFT后，所有数值大小基本相同不会出现峰值。由图3(b)可知，当截取的信号是同步序列则在进行FFT后，存在明显的峰值，且峰值对应的频率就是接收信号中存在的频偏估计值；例如在频率10Hz处出现了非常明显的峰值，则说明B点为接收信号的同步头位置，且存在频偏10Hz。下面给出基于FFT的同步算法：
已知：接收序列R＝(r1,…,rn,…,rN)和本地序列X＝(x1,…,xn,…,xN)；FFT参数N。
目标：寻找峰值vmax及频偏f。
1.基于接收序列R＝(r1,…,rn,…,rN)和本地序列X＝(x1,…,xn,…,xN)构造准正弦信号序列：
其中
2.对准正弦信号序列
显然若要在整个信号中寻找同步头，则需要不断的截取接收信号并执行上述过程，同时记录每次FFT变换后的峰值(幅值最大值)，最终将峰值中最大点对应的采样点作为同步头起点即可。这里需要说明，当在B点附近的某个点作为起点截取接收信号(此时截取信号包含了大部分的同步序列)，并执行上述过程，也会出现类似于图3(b)的峰值，但此峰值会低于真实同步点(B点)的峰值。图4给出了遍历整个接收信号进行同步操作的峰值曲线。
c、极低信噪比下同步头捕获算法
根据上述b给出的同步原理可以在接收信号中确定同步位置，若同步序列越长则峰值越明显，越能够在恶劣环境(低信噪比)下工作。但是考虑到实际存在频偏线形变化的情况，当序列不断增长后序列起点的频偏值与终点的频偏值相差甚远，不能再将其等效为叠加了噪声的频率恒定的正弦信号。如果利用上述的同步原理进行同步，则不会出现峰值，因此需要对其进行改进。
为了避免截取的信号起点和终点所处的频偏数值相差过大，可以对截取出的接收信号再次进行分段操作，对每一段的接收信号Rq和分段的本地序列Xq进行b中所述的同步过程，其中，分段数Q，FFT参数N；并记录FFT后的每段幅值最大值vq，从而得到Q段幅值最大值；Q段幅值最大值累加和作为截取出的接收信号的峰值。
如图5所示，图中将本地序列分为4段，同时也将截取出的接收信号分为4段，例如分段1的FFT最大值为v1，以A为起点截取出信号的峰值为v1+v2+v3+v4。
通过上述的极低信噪比下同步头捕获算法，在极低信噪比下只要遍历整个接收信号分别提取每个采样点对应的峰值，从而得到峰值曲线。选取峰值曲线中最大值对应的点作为同步头起点，同时在确定了同步头起点后可以构造频偏向量f，它能够大致了解信号所处频偏变化情况。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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