類噪聲Chirp擴(kuò)頻信號(hào)設(shè)計(jì)及快速捕獲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出一種類噪聲Chirp信號(hào)基擴(kuò)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)與快速捕獲方法，屬于無(wú)線 通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在天基測(cè)控通信中，為提高通信傳輸速率，跟蹤與數(shù)字中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將載波頻段 提高至Ka頻段。在Ka頻段測(cè)控通信時(shí)，測(cè)控飛行器通常以第一宇宙速度飛行，載波多普勒 頻偏會(huì)高達(dá)±800kHz。由于傳統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的自相關(guān)性能受多普勒頻偏影響很大 (多普勒容限僅為相關(guān)時(shí)間倒數(shù)的1/2)，捕獲過(guò)程需要進(jìn)行頻率、時(shí)延的二維搜索，目前最 快的捕獲方法也要長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒鐘，測(cè)控的實(shí)時(shí)性受到嚴(yán)重影響。
[0003] Chirp信號(hào)又稱線性調(diào)頻信號(hào)，其匹配濾波過(guò)程對(duì)多普勒頻移不敏感，在大頻偏的 通信場(chǎng)合獲得了廣泛的應(yīng)用。但是Chirp信號(hào)具有固定的時(shí)頻結(jié)構(gòu)，在通信中容易被非協(xié) 作方偵察、截獲，安全性不足。為提高Chirp信號(hào)的安全性，M. A. Govoni等人在文章 《Low Probability of Interception of an Advanced Noise Radar Waveform with Linear-FM)) (IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, 2013, 49 (2) : 1351-1356.)中，提出了一 種具有噪聲特性的類噪聲Chirp信號(hào)（Chirp Noise Waveform, CNW)。文章通過(guò)給Chirp信 號(hào)增加隨機(jī)幅度和隨機(jī)相位來(lái)增強(qiáng)Chirp信號(hào)的類噪聲特征，從而提高信號(hào)的安全性；另 一方面，CNW依然可以保留一定的多普勒容限。本發(fā)明提出一種基于CNW的擴(kuò)頻信號(hào)設(shè)計(jì) 及快速捕獲方法，系統(tǒng)利用CNW的時(shí)頻耦合特性，僅需時(shí)域一維搜索就能同時(shí)完成偽碼捕 獲和載波多普勒頻偏估計(jì)，在大頻偏的測(cè)控環(huán)境下降低測(cè)控信號(hào)捕獲時(shí)間至毫秒級(jí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是利用CNW的時(shí)頻耦合特性與抗多普勒頻偏特性，提出了一種基于 類噪聲Chirp基擴(kuò)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)與快速捕獲方法，與傳統(tǒng)方法相比，本方法解決了大頻偏 條件下傳統(tǒng)偽碼捕獲時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。本發(fā)明方法僅需時(shí)域一維搜索就能同時(shí)完 成偽碼捕獲和載波多普勒頻偏估計(jì)，在保證信號(hào)類噪聲譜特性的同時(shí)大幅度降低捕獲時(shí) 間，提高測(cè)控通信的安全性，并滿足實(shí)時(shí)性的需求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟：
[0006] 步驟一、發(fā)送端產(chǎn)生一個(gè)幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布的CNW信號(hào)s(t)。 信號(hào)公式如下：
[0007]
[0008] 式（1)中，rect(t/T)表示方波信號(hào)，T是符號(hào)長(zhǎng)度，μ是CNW的調(diào)頻率，a(t)是服 從瑞利分布的偽隨機(jī)幅度，0(0是在[0, 2 π)內(nèi)服從均勻分布的隨機(jī)相位，κ (0 < κ < 1) 為相位尺度因子，決定了隨機(jī)相位對(duì)于線性調(diào)頻波形的影響程度。
[0009] 步驟二、將步驟一產(chǎn)生的信號(hào)s(t)作為參考信號(hào)stl^fCT(t)，并利用正交調(diào)制將 數(shù)據(jù)符號(hào)Stljata(t)和參考信號(hào)S&pfCT(t)生成中頻發(fā)送信號(hào)S tt(t)，所得中頻信號(hào)表示如 下：
[0011] 式⑵中，ET，Er分別代表數(shù)據(jù)符號(hào)、參考信號(hào)的能量，f。代表載波頻率。
[0012] 步驟三、接收端接收到步驟二產(chǎn)生的中頻信號(hào)s&(t)后，利用正交下變頻得到復(fù) 基帶等效接收信號(hào)^ (t)。^ (t)公式如下：
[0014] 上式⑶中，fd表示多普勒頻偏，τ是信號(hào)發(fā)送與接收的時(shí)延，Θ是由時(shí)延引起 的相位差，njt)是均值為0,方差為σ 2的加性高斯白噪聲。
[0015] 步驟四、將步驟三得到的復(fù)基帶等效接收信號(hào)re(t)分別通過(guò)兩路復(fù)匹配濾波器。 匹配濾波器輸出公式如下：
[0018] 上式（4)中，hu(t)是上支路匹配濾波器沖激響應(yīng)，相應(yīng)的，mu(t)是上支路匹配濾 波器輸出；上式（5)中，h d(t)是下支路匹配濾波器沖激響應(yīng)，相應(yīng)的，md(t)是下支路匹配 濾波器輸出。
[0019] 為了進(jìn)一步提高輸出信噪比，對(duì)上支路匹配濾波器輸出mu(t)，和下支路匹配濾波 器輸出m d(t)分別做K次非相干累加，公式如下：
[0022] 上式中Mu⑴代表mu⑴做K次非相干累加后的結(jié)果；Md(t)代表m d⑴做K次非 相干累加后的結(jié)果。
[0023] 步驟五、首先確定實(shí)際應(yīng)用中的單次虛警概率Pfa，再利用恒虛警檢測(cè)的方法，確定 單次捕獲概率PjP峰值判決門(mén)限T，將M u(t)和…⑴分別與門(mén)限T進(jìn)行比較，找到Mu(t)與 Md(t)的峰值位置分別是tJP t d，然后計(jì)算出符號(hào)起始時(shí)刻的估計(jì)值1:以及多普勒頻偏的 估計(jì)值美，具體公式如下：
[0024]
[0025]
(9)
[0026] 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的捕獲概率，可以利用Tong檢測(cè)器的方法，對(duì)?*和愿的單 次檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行多次逗留得到最終的和惠《
[0027] 最后，按照以上步驟，利用符號(hào)起始時(shí)刻估計(jì)值Cyw和多普勒頻偏估計(jì)值1:，進(jìn)行 頻偏補(bǔ)償以及數(shù)據(jù)解調(diào)，具體的補(bǔ)償方法以及解調(diào)方案不在本專利范圍之內(nèi)，故此處不再 贅述。
[0028] 有益效果
[0029] 對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)控技術(shù)，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] ①數(shù)字符號(hào)與參考信號(hào)可以同時(shí)同頻發(fā)送，有效提高頻率利用率，具有較高的傳 輸效率；
[0031] ②利用CNW作為參考信號(hào)，參考信號(hào)具有類噪聲特性，能夠有效增強(qiáng)通信傳輸?shù)?安全性；
[0032] ③利用CNW的多普勒容限大，具有時(shí)頻耦合的特點(diǎn)，僅需時(shí)域一維搜索就能同時(shí) 完成偽碼捕獲和載波多普勒頻偏估計(jì)，在保證信號(hào)類噪聲譜特性的同時(shí)大幅度降低捕獲時(shí) 間，滿足通信中實(shí)時(shí)性的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖I (a)是k = 0時(shí)CNW的時(shí)頻分析圖；圖I (b)是k = 0. 5時(shí)CNW的時(shí)頻分析圖。
[0034] 圖2為CNW與直接序列模糊函數(shù)的對(duì)比圖，其中（a)為類噪聲的模糊函數(shù)，（b)為 直接序列的模糊函數(shù)圖；
[0035] 圖3為【具體實(shí)施方式】中CNW擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的總體框圖；
[0036] 圖4為【具體實(shí)施方式】中對(duì)CNW的匹配濾波框圖；
[0037] 圖5為兩組正交匹配濾波器輸出的峰值，其中（a)為多普勒頻偏大于0時(shí)的兩路 輸出峰值，（b)為多普勒頻偏小于0時(shí)的兩路輸出峰值；
[0038] 圖6為不同頻偏條件下，k = 0. 2時(shí)的單次捕獲概率，其中（a)是不做非相干積累 時(shí)的單次捕獲概率；(b)是做5次非相干積累后的單次捕獲概率。
[0039] 圖7為不同頻偏條件下，經(jīng)過(guò)Tong檢測(cè)器多次逗留后，k = 0. 2時(shí)的上支路捕獲 概率；
[0040] 圖8為不同頻偏條件下，經(jīng)過(guò)Tong檢測(cè)器多次逗留后，k = 0. 2時(shí)的總捕獲概率；
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行解釋。
[0042] 本發(fā)明提出一種CNW基擴(kuò)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)與快速捕獲方法如圖3所示。發(fā)射端利用 正交調(diào)制將數(shù)據(jù)符號(hào)和參考信號(hào)（CNW)同時(shí)發(fā)送出去。其中，正交調(diào)制的同向支路（I路） 發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)，正交調(diào)制的正交支路（Q路）發(fā)送CNW信號(hào)。在接收端，接收機(jī)利用CNW進(jìn) 行數(shù)據(jù)符號(hào)的快速同步以及多普勒頻偏估計(jì)后，得到的多普勒頻偏估計(jì)值可以用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù) 符號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，以便于接收機(jī)系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)入跟蹤階段。
[0043] 下面結(jié)合CNW匹配濾波的定義和性質(zhì)，給出本發(fā)明的原理分析及理論推導(dǎo)過(guò)程。
[0044] 首先，本專利推導(dǎo)CNW的模糊函數(shù)，證明CNW的匹配濾波輸出對(duì)多普勒偏移不敏 感。CNW復(fù)數(shù)信號(hào)的公式如下：
[0046] 圖I (a)給出k = 0時(shí)CNW的時(shí)頻分析圖，圖I (b)給出k = 0. 5時(shí)CNW的時(shí)頻分 析圖?？煽闯?，當(dāng)k = 0. 5時(shí)，CNW在時(shí)域與頻域均呈現(xiàn)明顯的噪聲特性。
[0047] CNW的窄帶模糊函數(shù)可以定義為：
[0049] 其中τ代表信號(hào)發(fā)送與接收的時(shí)延，fd則