阅读说明：本技术 基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法 (High-dynamic code capture method based on conjugate frequency modulation ) 是由 韩玉兵 韩亚龙 戴佳媛 彭丽莹 于 2020-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法,发送端设计组合信号,由两部分组成,前面由频率调制信号及其共轭信号交替拼接构成,后面为扩频调制信号；接收端接收组合信号经下变频处理后同时送入非共轭通道及共轭通道进行匹配滤波,并对匹配滤波结果求模,获得两通道判决数据；将两通道判决数据送入判决器,根据两通道联合判决结果确定捕获时刻,并开始产生本地扩频码。本发明利用频率调制信号及其共轭信号自相关曲线在相同多普勒频偏情况下相反方向的偏移,和频率调制信号与扩频调制信号的组合技术,消除了频偏对码捕获的影响,实现在高动态下、大多普勒频偏下高精度的码捕获。(The invention discloses a high dynamic download code capturing method based on conjugate frequency modulation.A sending end designs a combined signal which consists of two parts, wherein the front part is formed by alternately splicing a frequency modulation signal and a conjugate signal thereof, and the rear part is a spread spectrum modulation signal; the receiving end receives the combined signal, and the combined signal is sent to a non-conjugate channel and a conjugate channel for matched filtering after down-conversion processing, and the matched filtering result is subjected to modulo calculation to obtain two-channel judgment data; and sending the two-channel decision data to a decision device, determining the capturing moment according to the two-channel joint decision result, and starting to generate a local spread spectrum code. The invention eliminates the influence of frequency deviation on code capture by utilizing the reverse direction deviation of the frequency modulation signal and the autocorrelation curve of the conjugate signal thereof under the condition of the same Doppler frequency deviation and the combined technology of the frequency modulation signal and the spread spectrum modulation signal, and realizes high-precision code capture under high dynamic and large Doppler frequency deviation.)

基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体为一种基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法。

背景技术

扩频通信具有抗干扰能力强、便于码分多址等优点，被广泛应用于保密通信、GPS导航等领域。扩频码捕获是扩通信系统的关键技术之一，扩频码捕获概率和抗干扰能力直接影响系统性能，在捕获扩频码的过程中，有很多因素会影响最终的结果，导致性能降低，其中输入信号信噪比太低和大多普勒频偏是捕获失败的关键原因，尤其在短突发通信中。

传统的扩频信号捕获是利用扩频码尖锐的自相关特性，将接收到的信号与本地产生的扩频码做相关运算，将相关运算的结果与门限进行比较，若大于门限值则捕获成功，否则将继续捕获过程。基本的捕获方法有匹配滤波法，匹配滤波器法，序贯检测捕获法和发射信号参考法等。高动态导致的大多普勒频偏情形，扩频码自相关曲线峰值会发生偏移和减小，甚至曲线形状发生畸变，这种情况下利用扩频码相关特性进行码捕获会严重影响码捕获的精度。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法。

实现本发明目的技术方案为：一种基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法，包括以下步骤：

步骤1：接收组合信号，所述组合信号由两部分组成，前面部分为频率调制信号及其共轭信号交替拼接，后面部分为扩频调制信号；

步骤2：对接收的组合信号数字下变频处理后同时送入非共轭和共轭通道，获得非共轭通道判决数据和共轭通道判决数据；

步骤3：将两通道判决数据送入联合判决器，共同依据1+1判决准则判断是否捕获成功，若捕获成功则得到两次成功判决所对应时刻点；

步骤4：根据两次成功判决所对应时刻点确定最终捕获时刻点，完成码相位捕获。

优选地，所述组合信号数学模型表示为：

式中，f_c为发送信号中频频率，

为初始相位，P(t)为组合基带信号。

优选地，所述组合基带信号具体为：

其中

和

为一对互为共轭的调频信号，M为偶数表示调频信号个数，T为符号持续时间，d(t)为扩频调制符号，c(t)为扩频码序列，m(t)为调频函数，定义为：

优选地，经采样和数字下变频后得到的接收信号为：其中P[k-d]为：

其中，k＝0,1,2,...N-1，N为一个符号长度的采样点数，f_d为多普勒频率，f_s为采样频率，d为传输时延。

优选地，非共轭通道滤波器系数为：

h_f[k]＝x^*[t_k-k]

共轭通道滤波器系数为：

h_g[k]＝x[t_k-k]

先导信号中的第i个原调频信号x(k-d-i2N)送入非共轭通道中得到判决数据|z₁(k)|为：

先导信号中的第i个共轭调频信号x^*(k-d-N-2iN)送入共轭通道中得到的判决数据|z₂(k)|为：

优选地，将两通道判决数据送入联合判决器，共同依据1+1判决准则判断是否捕获成功的具体方法为：

步骤3-1：将非共轭通道判决数据|z₁(k)|与门限值比较进行初步判决，若非共轭通道判决数据|z₁(k)|大于门限值，且对应时刻点为k_z，则在(k_z,k_z+N/2)的范围内搜索非共轭通道判决数据最大值|z₁(k_max1)|，及其对应时刻点k_{max 1}，其中N为一个比特数据采样点数；

步骤3-2：在(k_{max 1}+3N/4,k_{max 1}+5N/4)范围内搜索共轭通道得到判决数据最大值|z₂(k_max2)|，及其对应时刻点k_{max 2}，并判断|z₂(k_max2)|是否大于门限值，若|z₂(k_max2)|大于门限值，则成功捕获到组合信号。

优选地，最终捕获时刻点为：

式中，k_{max 2}为共轭通道判决数据最大值对应时刻点，k_{max 1}为非共轭通道判决数据最大值对应时刻点，N为一个符号长度的采样点数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用频率调制信号及其共轭信号自相关曲线在相同多普勒频偏情况下相反方向的偏移，和频率调制信号与扩频调制信号的组合技术，消除了频偏对码捕获的影响，实现在高动态下、大多普勒频偏下高精度的码捕获。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的发送端信号设计结构图。

图2为本发明的接收端基带信号结构图。

图3为本发明的接收端码捕获过程信号处理结构框图。

图4为相同多普勒频偏情况下LFM及其共轭信号自相关结果Matlab仿真波形图。

图5为1+1判决准则下非共轭及共轭通道联合判决实现码捕获的Matlab仿真波形图。

图6为6种不同频率调制方式的频率时间图。

具体实施方式

一种基于共轭频率调制的高动态下码捕获方法，其发送端信号设计结构如图1所示，接收端基带信号结构如图2所示，接收端码捕获过程信号处理结构如图3所示，具体步骤如下：

步骤1：接收由发送端发送的组合信号，所述组合信号由两部分组成，前面部分为频率调制信号及其共轭信号交替拼接，后面部分为扩频调制信号。所述组合信号数学模型表示为：

式中，f_c为发送信号中频频率，

为初始相位，P(t)为组合基带信号：

其中和为一对互为共轭的调频信号，M为偶数表示调频信号个数，T为符号持续时间，d(t)为扩频调制符号，c(t)为扩频码序列，m(t)为调频函数，定义为：

组合信号基带结构如图1所示，当0≤t≤MT时，发送信号为先导信号，调制方式为频率调制，可以采用不同频率调制方式，如图6所示这里举例其中6种频率调制方式；当t＞MT时发送信号为扩频调制信号。频率调制信号和扩频调制信号依照先后顺序拼接。需要说明的是先导频率调制信号的调频带宽等于扩频信号的中频带宽。

步骤2：接收端对接收的组合信号数字下变频处理后同时送入非共轭和共轭通道进行匹配滤波，获得非共轭和共轭通道的判决数据|z₁(k)|和|z₂(k)|；

步骤2-1：经采样和数字下变频后得到的接收信号为：其中P[k-d]为：

其信号结构如图2所示，其中k＝0,1,2,...N-1，N为一个符号长度的采样点数，f_d为多普勒频率，f_s为采样频率，d为传输时延。

步骤2-2：将r[k]同时送入非共轭通道和共轭通道进行匹配滤波，并对匹配滤波结果求模得到判决数据。其中非共轭通道滤波器系数为h_f[k]＝x^*[t_k-k]，共轭通道滤波器系数为h_g[k]＝x[t_k-k]，t_k＝N-1。当先导信号中的第i个原调频信号x(k-d-i2N)送入非共轭通道中时得到判决数据|z₁(k)|为：

当先导信号中的第i个共轭调频信号x^*(k-d-N-2iN)送入共轭通道中时得到判决数据|z₂(k)|为：

步骤3：将两通道判决数据|z₁(k)|和|z₂(k)|送入联合判决器，共同依据1+1判决准则判断是否捕获成功，若捕获成功则得到两次成功判决所对应时刻点k_{max 1}和k_{max 2}；

步骤3-1：非共轭通道判决数据|z₁(k)|与门限值比较进行初步判决，若|z₁(k)|大于门限值，且对应时刻点为k_z，则在(k_z,k_z+N/2)的范围内搜索|z₁(k)|最大值为|z₁(k_max1)|，及其对应时刻点k_{max 1}，其中N为一个比特数据采样点数。

步骤3-2：在(k_{max 1}+3N/4,k_{max 1}+5N/4)范围内搜索共轭通道得到判决数据最大值|z₂(k_max2)|，及其对应时刻点k_{max 2}，并判断|z₂(k_max2)|是否大于门限值。若|z₂(k_max2)|大于门限值，则成功捕获到组合信号。

步骤4：根据共轭通道和共轭通道两峰值对应时刻点k_{max 1}和k_{max 2}确定最终捕获时刻k_t。

设k₁和k₂为两通道某采样时刻点，由式(4)和式(5)可知，当k₁和k₂满足k₁-t_k-d-2iN＝-(k₂-t_k-d-N-2iN)即k₁+k₂-2t_k-2d-4iN-N＝0时，

即此时两通道输出判决数据相等。鉴于在一个符号周期内，|z₁(k)|和|z₂(k)|具有唯一的峰值，在峰值时刻两值相等即|z₁(k_max1)|＝|z₂(k_max2)|，所以k_{max 1}和k_{max 2}满足：

k_max1+k_max2-2t_k-2d-4iN-N＝0 (7)

又因为若以共轭通道峰值对应时刻点k_{max 2}作为捕获时刻则由于多普勒频偏产生的定时误差为：

Δk₂＝k_max2-t_k-d-N-2iN (8)

结合公式(7)和(8)可以推出：

消除了多普勒频偏带来的定时误差。

所以可以确定最终捕获时刻为：

进一步地，由于接收组合信号由频率调制信号和扩频调制信号依照先后顺序拼接而成，捕获到组合信号中的频率调制信号，就相当于捕获到后面相连的扩频信号。

实施例1

为了进一步说明利用共轭频率调制信号实现码捕获的优越性，在此举例说明。

预设先导数据8比特为01010101，0对应上扫频LFM信号，1对应下扫频LFM共轭信号，后接扩频信号采用DSSS-BPSK调制，符号速率Rb为0.25Mbps，采样率Fs为200MHz，其中DSSS-BPSK信号的扩频码为32位截断gold码，码率Rc为8Mcps，LFM信号的调制带宽F为16MHz，即两种调制方式的中频带宽相同。预设10个信息比特，采用DSSS-BPSK信号，参数与先导数据一致，预设多普勒频偏f_d＝40KHz。下面利用Matlab软件进行仿真。

LFM信号及其共轭信号的自相关曲线如图4所示。由图可知，无多普勒频偏情况下LFM信号及其共轭信号的自相关曲线重合。与无多普勒频偏情况相比，40KHz频偏条件下，上扫频LFM信号自相关峰值向左偏移2个采样点，下扫频LFM信号相关峰值向右偏移2个采样点，即关于无频偏情况相关峰呈左右对称，利用其对称性可以消除多普勒频偏的影响，实现准确定位。

接收端非共轭通道和共轭通道匹配滤波及判决结果如图5所示，在第802个采样点非共轭通道判决数据最大值大于自适应恒虚警门限，在第1598个采样点共轭通道判决数据最大值大于门限值，此时组合信号捕获成功，根据两次判决采样点序号确定最终捕获时刻为第1600个采样点，此时开始产生本地扩频码。

综上，可以看出，相比于与传统的码捕获方法而言，利用LFM及其共轭信号自相关曲线在相同频偏情况下相反方向的偏移和LFM信号与扩频信号的拼接技术，可以消除多普勒频偏对码捕获的影响，实现高动态大频偏的情况下精确的码捕获，具有更强的抗多普勒能力。