阅读说明：本技术 一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统及方法 (System and method for signal capture by using cyclic range search ) 是由 丁峰 杨红乔 陈体军 杜晓华 马世银 陈飞 陈�全 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统及方法,扩频接收机可以随时捕获并同步到所需的低概率检测扩频信号,该结构将信号到达时间的搜索范围划分成多个范围子集,并将范围子集与发射信号的已知序列相映射,通过循环范围搜索的方法来进行捕获已知序列,而无需搜索整个到达时间范围,这就大大降低了接收机的捕获计算复杂度。另外利用光速的不变性以及发射机和接收机之间的同步性,该系统还可以实现了自组织信道接入、延迟受控、距离估计和定距离传输。(The invention discloses a system and a method for capturing signals by utilizing cyclic range search, wherein a spread spectrum receiver can capture and synchronize to a required low-probability detection spread spectrum signal at any time, the structure divides the search range of signal arrival time into a plurality of range subsets, the range subsets are mapped with known sequences of transmitted signals, and the known sequences are captured by utilizing the cyclic range search method without searching the whole arrival time range, so that the capture computation complexity of the receiver is greatly reduced. In addition, the system can realize self-organizing channel access, delay control, distance estimation and fixed distance transmission by utilizing the invariance of the speed of light and the synchronism between the transmitter and the receiver.)

一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统及方法

技术领域

本发明是关于通信、战术数据链领域，尤其涉及一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统及方法。

背景技术

战术数据链需支持低概率检测(LPD)的模式，LPD接收机的关键在于可以在信噪比为-20dB的情况下工作。

接收机在LPD情况下工作的关键在于接收机捕获并同步到期望信号的能力。因为LPD系统要求在极低的SNR下工作，所以用于信号捕获的已知序列码片必须非常长(可能在100万个码片的数量级)，以便满足合理的检测概率和虚警。因此，LPD接收机中的信号捕获处理模块的计算复杂性非常高。本发明提出了一种循环范围搜索结构用于信号捕获的方法。该结构可以显著降低LPD接收机的计算复杂性。另外该架构还支持自组织信道接入，延迟受控，距离估计和定距离传输。

“已知序列”是指接收机在接收数据前已知的一组码片序列。这组已知的序列通常在信息发送起始时发送。接收机对已知序列的进行搜索，以检测期望信号的存在并对期望信号进行处理并与其同步。检测期望信号是否存在的过程通常被称为信号捕获。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统及方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种利用循环范围搜索进行信号捕获系统，包括：

接收机接收发射信号，所述发射信号包括：序列集合(S1，S2，S3，…Sn)，其中：n为整数，Sn为集合的第n个序列；

所述接收机具有信号捕获块，所述信号捕获块包括有限的范围子集集合(R1，R2，R3，…Rm)，其中：m为整数，Rm为第m个范围子集；

所述范围子集以周期性地映射到对应的所述序列，其中m<n；每个所述范围子集以重复的方式对应于至少一个所述序列；

所述信号捕获块在预定的到达时间范围内搜索发射机发射的信号，该到达时间范围由发射机与接收机之间信号的传播时间以及任何时间误差所限定，所述信号捕获块在有限的、重复的范围子集内，采用循环范围搜索的方式来周期性地搜索上述序列集合中的其中一个序列；

信号捕获块在捕获发射信号时，当信号捕获块在范围子集定义的预定经过时间内没有搜索到所述序列中的某一个序列，则在下一个预定的范围子集内继续重复搜索，直到在范围子集定义的到达时间内搜索到某一个序列。

作为本发明进一步的方案，发射机发射所述的发射信号，而发射机发射信号的启动时间对于接收机而言是已知的；

所述发射信号包括至少一个预定序列集合，所述预定序列集合小于序列集合(S1，S2，S3…Sn)，所述预定序列集合与所述有限范围子集集合的子集对应，该子集集合小于有限范围子集的集合(R1，R2，R3…Rm)；

对于多个接收机，每个接收机具有所述信号捕获块，以及执行定距离信息传输时，使所述发射机与所述的多个接收机之间进行通信，所述多个接收机可以在有限范围子集集合的对应子集内捕获相应的预定已知序列。

作为本发明进一步的方案，发射机提前或延迟发送信号以创建多个预定序列的信号，那么可以使得多个接收机能够在所述的有限范围集合的对应子集内捕获相应预定序列，在接收机设计成不提前或延迟的情况下，所述接收机能够就可以在更短和更长的距离接收到发射的信号。

多个接收机接收所述预定序列信号，接收机在到达时间范围捕获发射信号，根据发射信号的传播时间和信号在相应介质中传播速度来估计所述接收机与所述发射机之间的距离。

作为本发明进一步的方案，发射机发射所述的信号，而发射机发射信号的启动时间对于接收机而言是已知的；

接收机的信号捕获块在所述到达时间范围内(即所述范围子集对应的到达时间)搜索捕获发送信号，所述信号可以确定发射机和接收机之间的距离；

所述接收机包含范围子集中的一个子集，该子集至少与一个所述预定序列相对应。

作为本发明进一步的方案，发射机发射所述的信号，而发射机发射信号的启动时间对于接收机而言是已知的；

所述序列集合的每个序列具有各自持续时间，所述发射信号的整体包括序列集合和净载荷数据，所述序列集合的持续时间比每个所述序列的持续时间要长，其中所述发射机提供自组织信道接入，因为发射机仅需要等待的所述一个序列的持续时间，就可以完全发送整个信号。

作为本发明进一步的方案，所述序列集合中的每个序列的持续时间是相同的，并且发送信号是扩频信号。

一种利用循环范围搜索进行信号捕获的方法，具体包括以下步骤：

1)提供扩频接收机以接收扩频信号，该扩频信号包括序列集合(S1，S2，S3…Sn)的子集，其中n为整数，并且Sn为集合中的第n个序列，扩频信号整体包括序列集合的子集和信号的后续净载荷数据部分；

2)在接收机内提供信号捕获块，信号捕获块包括范围子集的有限集合(R1，R2，R3，…Rm)，其中m为整数，Rm表示第m个范围子集，所述范围子集以周期性对应关系映射到所述序列，其中m﹤n；每个范围子集以重复的方式至少对应一个所述序列；

3)所述信号捕获块在限定的到达时间范围内搜索发射机发射的信号，该到达时间范围由发射机与接收机之间信号的传播时间以及任何时间误差所限定，所述信号捕获块在有限的、重复的范围子集内采用循环范围搜索的方式来周期性地搜索上述序列集合中一个序列；

4)信号捕获块在捕获发射信号时，当信号捕获块在范围子集定义的预定经过时间内没有搜索到所述序列中的某一个序列，则在下一个预定的范围子集内继续重复搜索，直到由范围子集定义的到达时间内搜索到这个序列。

作为本发明进一步的方案，发射机发射所述的扩频信号，而发射机发射扩频信号的启动时间对于接收机而言是已知的；

所述发射扩频信号包括至少一个预定序列集合，所述预定序列集合小于序列集合(S1，S2，S3…Sn)，所述预定序列集合仅与所述有限范围子集集合的一个子集对应，该子集集合小于有限范围子集的集合(R1，R2，R3…Rm)；

对于多个接收机而言，每个接收机具有所述信号捕获块，在执行定距离信息传输时，所述发射机与所述的多个接收机之间进行通信，所述多个接收机可以在有限范围子集集合中对应子集内捕获相应的预定序列。

作为本发明进一步的方案，发射机提前或延迟发送信号以创建多个预定序列的信号，那么可以使得多个接收机能够在所述的有限范围集合中对应子集内捕获相应预定序列，在接收机设计成不提前或延迟的情况下，所述接收机能够就可以在更短和更长的距离接收到发射的信号；

发射机发射所述的扩频信号，而发射机发射扩频信号启动时间对于接收机而言是已知的；接收机在到达时间范围内捕获发射信号，根据发射信号的传播时间和信号在相应介质中传播速度来估计所述接收机与所述发射机之间的距离。

作为本发明进一步的方案，发射机发射所述的信号，而发射机发射信号的启动时间对于接收机而言是已知的；

所述序列集合的每个序列具有各自持续时间，所述发射信号的整体包括序列集合和净载荷数据，所述序列集合的持续时间比每个所述序列的持续时间要长，其中所述发射机提供自组织信道接入，因为发射机仅需要等待的所述一个序列的持续时间，就可以完全发送整个信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将整个到达时间范围划分为范围子集，进而降低接收机捕获LPD信号的复杂度。在于信道多址接入，已知序列的长度要比传输信息的长度短的多，在传输信息之前，发送机不需要等待比已知序列长度更长的时间。而在时分多址(TDMA)系统中，发射机必须等待分配给它的下一个时隙，相比时分多址(TDMA)系统，自组织信道接入拥有更多的延迟受控。

附图说明

图1为循环范围搜索信号捕获的结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

本发明采用循环范围搜索的结构进行信号捕获，具有以下主要元素：

发射机启动时间受限于已知间隔，每个启动时间间隔都有一个唯一的已知序列与之关联。在多个连续的启动时间间隔中，在信息的起始处发送多个冗余的已知序列。

根据本发明的结构，循环范围搜索作为接收机信号捕获处理的一部分。

接收机将到达时间搜索范围划分成到达时间范围的子集。这样可以在连续间隔期间使用连续的已知序列搜索每个范围子集。接收机以顺序重复循环搜索的方式对每个范围子集进行搜索，这种搜索方式即为“循环范围搜索”。

在指定的启动时间内，信号的到达时间的范围由发射机和接收机之间的传播时间和其他时间误差所决定。将信号传播时间的搜索范围划分成多个范围子集,并将范围子集与发射信号的已知序列相映射，通过循环范围搜索的方法来进行捕获已知序列，而无需搜索整个到达时间范围，这就大大降低了接收机的捕获计算复杂度。

另外，该发明可以实现以下功能。

自组织信道接入：发射机的启动时间间隔只需要包含一个已知序列的全部长度。由于已知序列的长度要比传输信息的长度短的多，在传输信息之前，发送机不需要等待比已知序列的长度更长的时间。而在时分多址(TDMA)系统中，发射机必须等待分配给它的下一个时隙。

延迟受控：相比时分多址(TDMA)系统，自组织信道接入拥有更多的延迟受控。

距离估计：由于发射机启动时间是已知的，所以接收机可以估计发射机和接收机之间的距离。距离估计精度的受发射机和接收机之间的信号传播时间误差的影响。

定距离传输：如果发射机只包含接收机的一个范围子集相对应的已知序列。那么只有对应于这个范围子集的距离内的接收机才可以成功捕获发送机的信息。根据本发明，发射机也可以有意地超前或滞后传输，接收机在一个范围子集对时间间隔内搜索已知序列，就能够接收到更短或更长的距离发送的信息。

本发明的一个目的是提供一种扩频接收机循环范围搜索的进行LPD信号捕获的方法。

本发明的一个目的是发射机启动时间是已知的，所以接收机可以根据到达时间估计发射机和接收机之间的距离，进行距离估计。

本发明的一个目的是若发射机只包含接收机的一个范围子集相对应的已知序列。那么只有对应于这个范围子集的距离内的接收机可以成功捕获发送机的信息，进行定距离信息传输。

参考图1所示，给出具体实例，用于说明实现本发明方法。为了后续能够更好的解调和恢复信号中包含的信息，信号捕获块以合理的检测概率和虚警概率捕获并同步的期望信号。

若任何传输的启动时间限于一组已知的预定启动时间内，则到达时间不确定性是有界的。这是许多LPD系统的典型特征，并且极大地简化了信号捕获问题。在指定的启动时间内，信号的到达时间的范围由发射机和接收机之间的传播时间和其他时间误差所决定。

目前的信号捕获结构是在已知达到时间范围的前提下，采用循环范围搜索对信号进行捕获。

图1给出了循环范围搜索进行信号捕获的实例，如图1所示。

横轴表示发送机启动时间间隔的时间轴。每个时间间隔的足够长，可以包含已知序列的完整长度。对于LPD系统，传播时间只是已知序列长度的一小部分。每个时间间隔具有与之相关联的唯一已知序列。

已知序列来自集合(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9……)，序列可以是任意长度的。

一个集合(S1，S2，S3…Sn)，其中n为整数，并且Sn为集合中的第n个序列。S1是一个已知序列，而(S1，S2，S3…Sn)是所有已知序列的集合。

已知序列是发射机和接收机都知道序列，已知序列在信号的有效载荷数据之前。S1是序列集合(S1，S2，S3……)其中的一个已知序列。

整个发射信号包括序列集合的中的子集和有效载荷数据。每个信号在起始时包括已知序列，用于信号捕获，但不包含编码信息，已知序列之后为信号编码的有效载荷数据。

本发明不限数据编码的方式和其他数据载荷的帧格式。

在每个间隔期间，接收机在预定的到达时间范围内搜索已知序列。这些到达时间对应于发射机和接收机之间的传播距离。到达时间受信号在不同介质中传播速度的影响，(光在真空中大约为299792Km/s)。

如图1所示，循环范围搜索模块是由一个有限范围子集的集合(R1，R2，R3，R4)组成，本发明示意图利用4个范围子集(R1，R2，R3，R4，R1，R2……)重复搜索的。其中R1，R2，R3……Rm可以称为范围子集，是接收机的进行信号捕获块的部分。在图1中，(R1，R2，R3，……Rm)可以称为范围子集，其中Rm为第m个范围子集，m为整数。其中m﹤n。

在本发明中，由于发射机和接收机都在一个精确的同步时间下同步工作，接收端无需像发射机一样发送整个序列,而是在接收机侧生成一个接收范围子集(R1，R2，R3，R4)，因此范围子集可以由接收机端自己定义。

本发明需要发射机和接收机精确同步，以便将发射机启动时间限制在已知的间隔。

每个范围子集对应于信号从发射机发送到接收机的传播时间，用微秒(us)表示，因为距离(d)和时间(t)与信号传播速度v成正比,即

d＝v*t，其中v为扩频信号的传播速度，小于或等于c，c为光速(光在真空中大约为299792Km/s)。

图1中示意了4个范围子集。也可以使用任何其他数量的范围子集，每个范围子集周期性的对应已知序列，但范围子集的数量(在图1中有4个范围子集)一般比有限序列集合的数量要少(在图1中至少有9个这样的序列中而且序列可以扩展到任意长度)，因此范围子集和已知序列的映射关系是周期性的。

上述的每个已知序列至少有一个范围子集与之对应，而每个范围子集通常会映射几个已知序列(例如，R1映射到S1，R2映射到S2，R3映射到S3，R4映射到S4，然后重复，R1映射到S5，R2映射到S6，R3映射到S7，R4映射到S8，然后再次，R1映射到S9，以此类推，映射整个序列的集合)。

所以在信号捕获的过程中，范围子集和已知序列之间的存在唯一对应关系：

接收机在范围子集R1期间搜索已知序列S1；

接收机在范围子集R2期间搜索已知序列S2；

接收机在范围子集R3期间搜索已知序列S3；

接收机在范围子集R4期间搜索已知序列S4；

继而重复的，

接收机在范围子集R1期间搜索已知序列S5；

接收机在范围子集R2期间搜索已知序列S6；

以此类推完成整个序列集合的搜索。

如图1所示，给出了3个示例作为说明。

图中发送的为扩频信号或LPD信号(为清楚起见，信号的后续净载荷数据部分未在图中示出)。

如示例1所示，信号从第一个间隔开始传输。

根据本发明的方法，发射机(未示出)发送前4个间隔的已知信号信号包含已知序列(S1，S2，S3，S4)和数据载荷。

接收机(未示出)执行循环范围搜索，并且根据发射机和发射机之间的距离，检测这些前4个间隔中的一个信号。假设范围子集R1对应于从OKm到25Km(0-83us)的距离，R2对应于从25Km到50Km(83-166us)的距离，R3对应于从50Km到75Km的距离(166-249us)，R4对应的距离为75Km到100Km(249-332us)。括号中的数字是指由光速c确定的传播时间，为了说明的目的，假设为真空。

如果实际距离发射机和接收机是85Km，那么根据本发明的方法，接收机应在第4个范围子集R4搜索捕获已知序列S4。这是因为接收机被为限定仅在特定范围子集内接收相应序列，如果在错误的范围子集内检测已知序列，信号将不会检测到(85Km相当于发射机和接收机之间传播时间的282us)。

如果发射机在此距离处发送序列S1，则信号需要282us才能到达接收机。但是根据本发明的接收机检测机制，S1只能在范围子集R1期间被检测到，而范围子集R1的时间范围间隔为0-83us。由于282us传播延迟落在该时间间隔之外，落在了范围子集R4(对应的时间间隔为249-332us)范围内，因此在范围子集R1期间接收机不能捕获到已知序列S1。所以该示例的接收机可以检测的唯一已知序列S4，类似地，对于该示例，仅在范围子集R2(对应的时间间隔为83-166us)期间可以检测到已知序列S2，仅在范围子集R3(对应的时间间隔为166-249us)期间可以检测到已知序列S3。

如图1所示中的示例1,给出了本发明所概述的各种原理，包括如何在发射机限制的启动时间去估计接收机的到达时间中的不确定性。由于传播时间的不确定性和发射机与接收机之间的时间误差，造成信号到达接收的的时间是不确定的，若该不确定性在可允许的范围内是可以忽略不计的。而传播时间只是已知序列长度的一小部分，因此大大减少了接收机的信号捕获块搜索的时间，而非本发明结构的接收机必须搜索的整个可能到达时间的范围。

通过减少已知序列的数量可以进一步降低接收机信号捕获处理的复杂性。那么接收机可以将总的到达时间分成多个对应范围子集对应的到达时间。接收机使用连续的已知序列在连续的时间间隔内搜索每个范围子集，接收机以循环的方式执行到达时间搜索，其中对每个范围子集的搜索按某种已知的顺序重复执行。例如在图1中以顺序重复的方式执行，(R1，R2，R3，R4，R1，R2……)。这被称为“循环范围搜索”。

如图1中的示例2，信号从第4间隔开始发送。

发射机发射的信号帧头包括已知序列S4、S5、S6、S7。从前面的例子中，如上所述，距发射机85Km的接收机执行如上所述的循环范围搜索，在信号占用的第1间隔期间捕获已知序列S4。假设发射机和接收机之间的距离为10Km，对应的传播时间为33us(10Km/299792Km Km/秒)。由发射机发送的已知序列S4将在33us之后到达接收机。然而根据本发明的方法构建的接收机只能在范围子集R4中捕获到已知序列S4(对应的时间间隔为249-332us)。由于该示例中的传播时间为33us，落在在范围子集R4之外，因此接收机将在预定的时间范围R4内(249-332us)找不到S4。然后发射机将发出S4之后的下一个序列,即S5。可以在范围子集R1(0-83us)期间捕获S5，因为R1映射S5以及S1，S9，S13等。因此，由于33us的传播时间在范围子集R1持续时间内，接收机将接收序列S5，接收机因此可以快速捕获发射机的信号。

如图1中的示例2示出了本发明的循环范围搜索如何使接收机捕获一个信号，无论信号发射开始于哪个间隔。

在图1示例2中，发射机开始发射已知序列S4，最初检测不到。但是发射机继续发射下一个已知序列S5，该接收机已成功检测到。那么在最坏的情况下，接收机必须发送整个循环范围内的所有已知序列，或者说，接收机使用循环范围搜索的方式在整个范围集合(R1，R2，R3…)内来搜索信号，在这个例子中范围集合(R1，R2，R3，R4)包含是4个这样的范围子集，但由于循环范围集合传输数量小于传输整个集合序列所需的次数(S1，S2，S3……)，与不使用本发明的替代方案相比，本发明仍有优势。

如图1中的示例3示给出了用于定距离信息传输的原理。

因为发射机传输的信号中仅包括已知序列S2，所以只有范围子集R2内的接收机能够捕获它。在本文给出的示例中，R2的传播距离为25Km到50Km(对应的传播时间为83-166us)。

根据本发明的体系结构构建的发射机可以有意地提前或延迟信号启动时间，使得只有预定范围子集中的接收机才能够捕获该信息。这样意味着可以在任何间隔开始定距离信息的传输，而不考虑实际的距离。

从本文描述可以看出，当在采用LPD信息的扩频发射机和接收机系统中实现时，本发明的架构允许自组织信道接入：即发射机启动时间间隔仅需要足够长，其长度可以包含已知序列的全长，如图1所示已知序列S1、S2、S3等其他序列的长度的都是已知的。在发射机在开始发送LPD信息之前，发射机不需要等待比已知序列(如已知序列S1)的长度更长的时间，该已知序列比整个信息的长度短得多。

将本发明的架构系统与时分多址(TDMA)系统相比，TDMA系统的延迟更大,因此，本发明具有延迟受控的优势。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。