一种非整数周期扩频通信捕获方法
阅读说明：本技术 一种非整数周期扩频通信捕获方法 (Non-integer period spread spectrum communication capturing method ) 是由 李庆 付雷 徐炜 王晨 杨德伟 李震 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明一种非整数周期扩频通信捕获方法,基带信号采用PMF-FFT和非相干累加结合方法得到累加能量值,对累加能量值进行峰值搜索及门限判断,当搜索到峰值且过门限,则信号侦测成功,根据当前峰值点对应本地码的调整相位,得到码偏估计值；根据码偏估计值修正基带信号的起始相位得到码偏修正信号,通过时域搜索和非相干累加结合方法对码偏修正信号的频偏进行搜索,得频偏估计值；根据频偏估计值对码偏修正信号进行频偏纠正；将频偏纠正后的信号与本地码进行译码处理,得到的数据按信息比特长度进行滑动累加,再结合多组信号的非相干累积,得到信息比特相位估计值。本发明可用于任意信息速率和扩频码速率及扩频码长的组合使用。(The invention relates to a non-integer period spread spectrum communication capturing method.A baseband signal adopts a PMF-FFT and incoherent accumulation combination method to obtain an accumulated energy value, peak value searching and threshold judgment are carried out on the accumulated energy value, when a peak value is searched and the threshold is passed, signal detection is successful, and a code offset estimation value is obtained according to an adjustment phase of a local code corresponding to a current peak value point; correcting the initial phase of the baseband signal according to the code offset estimation value to obtain a code offset correction signal, and searching the frequency offset of the code offset correction signal by a time domain search and non-coherent accumulation combination method to obtain a frequency offset estimation value; carrying out frequency offset correction on the code offset correction signal according to the frequency offset estimation value; and decoding the signals after the frequency offset correction and the local codes, performing sliding accumulation on the obtained data according to the length of the information bit, and combining the incoherent accumulation of a plurality of groups of signals to obtain an information bit phase estimation value. The invention can be used for the combination of any information rate, spreading code rate and spreading code length.)
技术领域
本发明涉及扩频通信技术，具体为一种非整数周期扩频通信捕获方法。
背景技术
扩频通信技术突破了以往常规通信方式的思路，其使发送信号的带宽远大于信息本身的速率带宽，信号的频谱展宽，功率谱密度降低，通信更具隐蔽性。
目前应用最多的扩频方式为直接序列扩频，用一个固定长度的扩频码代表一个信息比特，从而完成相应扩频码的调制。该体制需要保证信息比特时钟和伪码时钟为整数倍关系，且信息比特初始相位与伪码初始相位存在固定关系。
非整数周期扩频是直接序列扩频的特例，在一些卫星通信系统中得到应用，其要求在保证伪码参数不变的情况下，数据速率在一定范围内是可调整的，而且信息比特时钟和伪码时钟可能为小数倍关系，系统设计时为保证其灵活性，信息比特时钟和数据时钟一般采用非同源设计，导致在任何情况下信息比特初始相位与伪码初始相位不存在任何固定关系。
非整数周期扩频方法调制较为简单，主要难点在解调算法，解调算法的关键部分之一为信号的捕获算法，由于信息速率在一定范围内可变，对算法的通用性和灵活性提出了更高的要求。
现有的算法一般都是针对某一特定平台，在一定小范围的信息速率及扩频码参数来去实现的，如果是要适应不同平台(较宽的信息速率变化及较宽范围的伪码参数)，现有算法都存在一定局限性，或是有性能的损失，或是要切换不同的算法模块去实现，这就导致资源的极度浪费，处理起来也欠缺灵活。如采用常规扩频体制的捕获算法，其信息比特在一个扩码内存在多个0/1翻转会对捕获性能造成很大的影响，会导致捕获不上信号、频偏估计值离谱、捕获灵敏度降低等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种非整数周期扩频通信捕获方法，在灵敏度、抗频偏、误捕获性能不下降的情况下能够覆盖主流的信息速率及较宽范围的伪码参数。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种非整数周期扩频通信捕获方法，包括如下步骤：
步骤1，信号侦测及码偏估计：接收基带信号，采用PMF-FFT和非相干累加结合的方法得到累加能量值，对累加能量值进行峰值搜索及门限判断，当搜索到峰值且过门限，则信号侦测成功，根据当前峰值点对应本地码的调整相位，得到码偏估计值；
步骤2，频偏估计：根据得到的码偏估计值修正基带信号的起始相位，得到码偏修正信号，通过时域搜索和非相干累加结合的方法对码偏修正信号的频偏进行搜索，得到频偏估计值；
步骤3，信息比特相位估计：根据频偏估计值，对码偏修正信号进行频偏纠正；将频偏纠正后的信号与本地码进行译码处理，将得到的数据按信息比特长度进行滑动累加，积累出能量，再结合多组信号的非相干累积，找到滑动过程中积累能量最大值对应的位置，得到信息比特相位估计值。
优选的，步骤1中，采用PMF-FFT和非相干累加结合的方法得到累加能量值具体包括：
S1.1，将接收的基带信号分为I、Q两路，分别与本地码做N次相关，每次相关长度为一固定值，再取I、Q两路N次相关得到的N点连续的相关值，做FFT变换，并算出FFT变换后各个点对应的能量值；
S1.2，重复S1.1的步骤共M次，将M次的能量值进行非相干累加，得到非相干累加后的累加能量值。
进一步的，步骤1中，对累加能量值进行峰值搜索及门限判断具体包括：
S1.3，对S1.2的累加能量值进行峰值的二维搜索：a)若检测不到峰值，则采样信号的相位偏移，调整精度为采样信号的精度，再重复S1.1和S1.2；b)若检测到峰值，则进行S1.4的门限判断；
S1.4，进行门限判断：a)若峰值不过门限，则调整采样信号的相位偏移，调整精度为采样信号的精度，再重复S1.1、S1.2和S1.3；b)若峰值已过门限，则信号侦测成功。
优选的，步骤2具体是：先根据码偏估计值修正基带信号的起始相位，使其与本地码的起始相位一致，生成(-n)×△f～n×△f且步进量为△f的(2n+1)个本地载波，将码偏修正后的信号同时与这(2n+1)个本地载波进行去载波处理，并与本地码进行相关，求出自相关能量值，连续计算K次自相关能量值并进行累加，共得到(2n+1)个自相关能量的累加值，将累加值进行比较，找出峰值和峰值对应的位置，通过峰值对应的位置得到频偏估计值。
优选的，步骤3中，对码偏修正信号进行频偏纠正具体是：通过频偏估计值产生对应负频偏的本地载波，本地载波与码偏修正信号进行去载波处理，完成码偏修正信号频偏的纠正。
优选的，步骤3中，将频偏纠正后的信号与本地码进行译码处理，将得到的数据按信息比特长度进行滑动累加，积累出能量，再结合多组信号的非相干累积，找到滑动过程中积累能量最大值对应的位置，得到信息比特相位估计值具体是：将频偏纠正后的信号与本地码做译码处理，将后续数据分为(k+1)路，分别进行0相位移、△n相位移、…、k×△n相位移，分别从各自的起始点进行P点的累加和运算，并求出能量值，共得到(k+1)个能量值，将能量值进行比较，找出峰值和对应的位置，通过峰值的位置得到对应支路的相移参数，即为信息比特相位估计值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用参数可调的相关算法并结合PMF-FFT和非相干累积原理，进行非整数周期扩频通信的信号捕获，该发明可用于任意信息速率和扩频码速率及扩频码长的组合使用，能够覆盖目前主流的信息速率及较宽范围的伪码参数，算法适应性较强，且不损失信号灵敏度、抗频偏、误捕获性能指标，算法复杂度适中，可降低该体制软件开发及维护成本，通过FPGA及DSP等处理器件能够实现，非常适合于非整数周期扩频通信系统的工程应用。
附图说明
图1是通信解调流程图；
图2是本发明的算法实现流程图；
图3是本发明的信号侦测及码偏估计的流程图；
图4是本发明的频偏估计的流程图；
图5是本发明的信息比特相位估计的流程图；
图6是本发明仿真实例中频偏和码偏估计结果；
图7是本发明仿真实例中信号捕获结果。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
图1为正常的通信解调实现方案，本发明主要针对该通信解调体制的捕获方法，其完成接收信号的侦测、码相位估计、频偏估计及信息比特相位估计，估计的结果再输出给跟踪解调模块。
本发明采用如下技术方案：
(1)信号侦测及码偏估计：采用PMF-FFT+非相干累加结合方法对接收的基带信号进行峰值搜索，判断信号的有无，当信号峰值功率与噪声功率比值超过一定阈值，则认为信号捕获成功，完成信号的侦测功能，同时输出码相位偏移值，即码偏估计值；
(2)频偏估计：当信号捕获成功后，通过时域搜索+非相干累加结合的方法对信号的频偏进行搜索，通过不同频偏的载波混频，找到本地码互相关能量最大值对应的载波频偏，即为频偏估计值。
(3)信息比特相位估计：根据捕获得到的码相位偏移，从一个码起始位置开始读出数据，同时根据频偏估计结果产生同频载波将信号做去载波处理，同时截取一段信息比特数据与本地码进行译码处理，将得到的数据按信息比特长度进行滑动累加，积累出能量，再结合多组信号的非相干累积，找到滑动过程中积累能量最大值对应的位置，即为信息比特相位估计值。
具体实现过程如下：
请参阅图2所示，本发明一种非整数周期扩频通信捕获方法，包括：信号侦测及码偏估计、频偏估计、信息比特相位估计。
步骤1，信号侦测及码偏估计，如图3所示：
S1.1，将接收的基带信号分为I、Q两路，分别与本地码做N次相关，每次相关长度为一固定值，再取I、Q两路N次相关得到的N点连续的相关值，做FFT变换，并算出FFT变换后各个点对应的能量值。
S1.2，重复S1.1的步骤共M次，将M次的能量值进行非相干累加，得到非相干累加后的累加能量值后进行S1.3；
S1.3，对S1.2的累加能量值进行峰值的二维搜索：a)若检测不到峰值，则调整采样信号的相位偏移，调整精度为采样信号的精度，再重复S1.1和S1.2；b)若检测到峰值，则进行S1.4的门限判断；
S1.4，进行门限判断：a)若峰值不过门限，则调整采样信号的相位偏移，调整精度为数字采样的精度，数字采样率至少为信号码率的四倍，再重复S1.1、S1.2和S1.3；b)若峰值已过门限，则信号侦测成功，捕获到信号，且根据当前峰值点对应本地码的调整相位，即为输出的码偏移位置，得到码偏估计值，进行步骤2。
步骤2，频偏估计：如图4所示，当信号侦测成功后，先根据得到的码偏估计值修正基带信号的起始相位，保证其与本地码的起始相位一致，生成(2n+1)个本地载波，(-n)×△f～n×△f为频偏估计的搜索范围，△f为频偏搜索的步进量，将码偏修正后的信号同时与这(2n+1)个本地载波进行去载波处理，并与本地码进行相关，求出自相关能量值，连续计算K次自相关能量值并进行累加，最终共得到(2n+1)个自相关能量的累加值，将其进行比较，找出最大峰值和其位置，通过其位置得到对应支路的载波频率，即为频偏的估计值，并输出。
步骤3，如图5所示，通过频偏估计值产生对应负频偏的本地载波，与码偏修正后信号进行去载波处理，完成接收信号频偏的纠正，至此，接收信号的码偏移及频率偏差都已纠正完毕，下一步就是需要完成信号的信息比特相位偏移估计。将频偏纠正后的信号继续与本地码做译码处理，将后续数据分为(k+1)路，分别进行0相位移、△n相位移、…、k×△n相位移，分别从各自的起始点进行P点的累加和运算，并求出其能量值，最终共得到(k+1)个值，将其进行比较，找出最大峰值和其位置，通过峰值位置得到对应支路的相移参数，即为信息比特的相位估计值，输出。
至此，针对非整数周期扩频通信体制的捕获模块需要完成的信号侦测、码偏估计、频偏估计、信息比特相位估计功能都已完成。
仿真实例
以下内容为实际信号仿真结果。其中信息速率为32Kbps，扩频码速率为8Mbps，扩频码长为1023，多普勒频偏为40Khz，多普勒频率变化率为2.5KHz/s。
在捕获阶段采用PMF-FFT的方法，其中累计次数为20次，每组PMF码片数为16，PMF组数为64，FFT点数为2048，捕获结果如图7所示。
仿真中多普勒频率步进为200Hz，PMF相关码片数为125chip(半个比特)，非相干次数为500次，最终得到的动态多普勒误差低于500Hz。
考虑到扩频码与信息比特上升沿在首个周期吻合后，经过L个周期会再次吻合，其中L＝(每个比特包含的扩频码数/e)，e＝1chip，同时首个周期扩频码在比特内部的第1+i*e个码片，i＝{0,1,2,…,L-1}。基于上述特性利用最大似然相关的方法，遍历每种情况进行非相干累积，如图6所示，仿真中非相干累积次数为200，每次非相干累积的时间为一个比特周期，最终仿真结果验证了其可行性。