CN113676215B - 一种高动态环境下双m元编码扩频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于扩频通信技术领域，特别涉及高动态环境下扩频通信方法及系统。一种高动态环境下双M元编码扩频方法，该方法包括：发射端产生原始信号，并对所述原始信号进行双调制处理，获得发送信号；接收端接收发送信号，并对接收的信号进行处理，恢复原始信号。本发明提出了采用双M元编码方式生成扩频码，降低生成扩频码的复杂度；采用PMF‑H‑FFT‑LF捕获算法，确保扩频码的同步捕获，提高了整个扩频通信系统的工作效率，并在抗衰落、抗多径干扰等方面呈现出良好的性能。

Description

一种高动态环境下双M元编码扩频方法及系统

技术领域

本发明属于扩频通信技术领域，特别涉及高动态环境下扩频通信方法及系统。

背景技术

早在20世纪40年代，科学研究人员就开始对扩展频谱通信技术进行研究。扩展频谱通信技术由于其良好的抗干扰、抗衰落和抗多径性能最初主要被应用于军事领域。随着扩展频谱通信技术的发展，该技术现已渗透到民用通信的各个领域，被广泛应用于测控、卫星导航定位等诸多领域。直接序列扩频技术是最常见的扩频技术，但其主要针对传输数据率低、频带利用率有限的情况。随着现代科技水平的发展，人们对通信系统性能的要求越来越高，高数据率、多用户数据传输的业务越来越多。因此，提高扩频通信系统的传输效率和抗干扰能力，降低系统的设计复杂度成为一种迫切需求。此外，扩频技术中建立一个快速精准的同步机制尤为关键，而同步的过程大致分为捕获和跟踪。在捕获方法中，串行搜索法电路设计和运算较为简单，但是当扩频码长度增加时，搜索时间也随之增加；并行搜索法搜索时间短，电路设计和运算较为复杂。此外，在高动态环境下，常见算法的捕获概率较低，捕获性能欠佳。因此，如何有效提高扩频系统中扩频码的相位跟踪精度和频偏估计精度显得尤为重要。

有的学者将经典的捕获算法应用于直接序列扩频通信系统，有的学者结合部分匹配滤波器与快速傅里叶变换来改善捕获效果，但直接序列扩频通信系统的性能欠佳，且现有的捕获方法存在参数估计精度低等问题，使得高动态坏境下扩频通信系统的抗干扰性能差，捕获概率低，缺乏实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是解决在高动态环境下，现有扩频系统扩频码产生方式复杂，抗干扰性能差，且对扩频码的捕获速度慢、捕获精度低等问题，采用双M元编码算法和高动态环境下PMF-H-FFT-LF捕获算法，能够更好的降低扩频码产生的复杂度，实现扩频码相位的正确搜索和频率偏差的精准评估，提高扩频通信系统工作效率，并在抗衰落、抗多径干扰等方面呈现出良好的性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高动态环境下双M元编码扩频系统，包括：

发射端，用于产生原始信号，并对所述原始信号进行双调制处理，获得发送信号；

接收端，用于接收发送信号，并对接收到的信号进行处理，恢复原始信号。

作为本发明的一种优选方式，所述的双调制处理过程为：基于双M元编码扩频方式，生成扩频码，将生成的扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号，再将扩频信号经BPSK二次调制，获得发送信号。

进一步地，所述双M元编码扩频方式具体为：

随机选择一条扩频码作为原型扩频码，此扩频码的长度为L，用c_0～L-1表示扩频码中的码片，其中L≥M，M＝2^K；K表示一个传输符号对应的信息序列的比特数；

将原型扩频码顺着同一方向依次移动，每次移动d个单位长度，d为正整数，经

次循环移位后，对应生成

条扩频码；

对已生成的

条扩频码取反，获得剩余的

条扩频码。

进一步优选地，所述的接收端包括扩频码捕获单元，所述扩频码捕获单元用于对接收的信号进行扩频码同步处理，具体为：

将采样后的信号与本地NCO产生的本振信号混频后；

将混频信号输入部分匹配滤波器进行相关运算；

对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理；

采用FFT算法进行频域分析；

进行阈值逼近判决，完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

进一步优选地，所述接收端还包括解扩解调单元，用于将捕获的信号的频带恢复为原始信息序列的带宽，然后进行解调处理，恢复出所传输的信息。

本发明还提出一种高动态环境下双M元编码扩频方法，该方法包括：

发射端产生原始信号，并对所述原始信号进行双调制处理，获得发送信号；

接收端接收发送信号，并对接收的信号进行解扩解调处理，恢复原始信号。

进一步地，对所述原始信号进行双调制处理包括：基于双M元编码扩频方式，生成扩频码，将生成的扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号，再将扩频信号经BPSK二次调制，获得发送信号。

进一步地，所述双M元编码扩频方式具体为：

随机选择一条扩频码作为原型扩频码，此扩频码的长度为L，用c_0～L-1表示扩频码中的码片，其中L≥M，M＝2^K；K表示一个传输符号对应的信息序列的比特数；

将原型扩频码在同一方向顺次移动，每次移动d个单位长度，d为正整数，经

次循环移位后，对应生成

条扩频码；

对已生成的

条扩频码取反，获得剩余的

条扩频码。

进一步优选地，所述接收端通过以下方法对接收的信号进行扩频码同步处理：

将采样后的信号与本地NCO产生的本振信号混频后；

将混频信号输入部分匹配滤波器进行相关运算；

对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理；

采用FFT算法进行频域分析；

进行阈值逼近判决，完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)提出了采用双M元编码方式生成扩频码，降低生成扩频码的复杂度。

(2)提出了PMF-H-FFT-LF捕获算法，即通过部分匹配滤波器进行相关处理、对其输出的数据加海明窗、接着进行傅里叶变换、最后利用似然函数估计所需参数，从而完成扩频码相位的正确搜索和频率偏差的精准评估，确保扩频码的同步捕获，提高了整个扩频通信系统的工作效率，并在抗衰落、抗多径干扰等方面呈现出良好的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高动态环境下双M元编码扩频系统框图；

图2是本发明实施例提供的一种高动态环境下双M元编码扩频方法流程图；

图3是本发明实施例提供的扩频码生成器示意图；

图4是本发明实施例提供的利用双M元扩频编码方式产生扩频码的示意图；

图5是本发明实施例提供的海明窗的仿真示意图；

图6是本发明实施例提供的PMF-H-FFT-LF捕获算法流程示意图；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本实施例提供的高动态环境下双M元编码扩频方法，是针对高动态环境下扩频通信系统的精准发送与同步捕获接收方法，如图1所示，具体包括：

步骤S1、数字信号的产生与处理

发射端产生的信号s_k为信息流，则发送信号s(t)可表示为：

其中，R_s为码元速度，T_s为码元宽度，s_n为信息码，

T_s＝1/R_s。

此外，需要对信号流进行串并转换处理，并依据扩频系统的设计要求进行初始化参数设置。

步骤S2、对发送信号进行双调制处理。

对发送信号进行双调制处理，分别为扩频调制和BPSK调制。其中，扩频调制基于双M元编码扩频方式进行，此种扩频方式产生的扩频码，不仅保证了良好的自相关特性，且可降低选码难度，降低实际系统开发的复杂度。

1.扩频调制

本发明中，基于m序列来构造性能良好的扩频码。一般用生成函数来表示一个序列，如图3所示，若{b_m}＝{b₀,b₁,b₂,…}表示移位寄存器的输出序列，其下标的数字表示时间，则输出序列的生成函数G(x)为：

若

在本发明中，待发送的信息序列按每K比特划分为一个符号，那么所需M条扩频码对应传输每个输入符号的信息内容。双M元编码的具体步骤如下：

(1)首先随机选择一条扩频码作为原型扩频码，此扩频码的长度为L，用c_0～L-1表示扩频码中的码片，其中L≥M，M＝2^K；

(2)将原型扩频码在同一方向顺次移动，每次移动d个单位长度，d为正整数，d的取值需保证循环移位后的扩频码与已产生的扩频码不重复，经

次循环移位后，可对应生成

条扩频码；

(3)剩余的

条扩频码可对已生成的扩频码取反获得；取反的含义为：对已生成的

条扩频码中-1对应变成1,1对应变成-1。

循环移位后的扩频码可用q_i进行表示，具体产生方式见图4。

由于采用双M元编码扩频方式，因此只需要产生

条扩频码即可，极大降低了生成扩频码的复杂度。

将生成的M条扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号。

2.BPSK调制

扩频后的信号，需要通过BPSK进行二次调制。信号经过双调制后，可表示为：

其中，E代表平均功率，p(t)为扩频码波形，θ为随机载波相位，f_c为载波频率，τ为接收的扩频码相位偏差，f_d为频率偏差。

对于未知的τ和f_d来说，两者的平均似然函数是r的条件概率密度函数中关于θ期望的极限。其表示为：

步骤S3、输入信道进行传输

在信道传输过程中，假想干扰是不存在的，仅仅存在AWGN信道的噪声对信号产生干扰，噪声信号用n(t)表示，E[n(t)]＝0。由于噪声是零均值的，故E[r_i]＝s_i，

且高斯白噪声的自相关函数为

步骤S4、获取接收信号

通过AWGN信道后，接收信号可以表示为：

r(t)＝s(t)+n(t)0≤t≤T

其中，s(t)为发送信号，n(t)为加性高斯白噪声，T为观察持续的时间。

由于在时间间隔T内保持正交的基函数完备集满足：

那么发送信号和接收信号可表示为：

利用基函数完备集和求得上述式子的展开系数，分别表示为：

步骤S5、扩频码捕获处理

如图6所示，扩频码捕获过程主要是：将采样的信号与本地NCO产生的本振信号混频后，输入到部分匹配滤波器进行相关运算；对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理，再采用FFT算法进行频域分析，最后进行阈值逼近判决，从而完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

其中，采用海明窗进行处理，可使旁瓣显著减小，其序列为：

如图5所示，经过海明窗进行处理，能够减小傅里叶变换输出频谱峰值衰减程度并减小频谱泄漏。

若FFT计算出的频谱峰值高于捕获判决预设的阈值，则判定当前接收信号的扩频码与本地扩频码相位一致，从而完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。此时接收信号的扩频码长度为L，频率偏差为f_d，长度为W的部分匹配滤波器的数量为Q，经归一化处理，并对Q个部分匹配滤波器输出的相关值进行N点FFT运算后，FFT结果中的第k点的归一化幅频响应为：

若Q≠2ⁿ，那么FFT结果中的第k点的归一化幅频响应为：

步骤S6、参数估计及优化。

在r(t)展开式中，系数是高斯的、统计独立的，方差为

因此，

带入似然函数的求解公式当中，将最大似然估计无关因子消去，可得：

通过积分运算，交换求极限和积分运算的次序，可得：

那么平均似然函数为：

其中，S为信号波形在观察时间间隔内的能量。因为S在所选参数范围内变化不大，因此可以将包含其的因子删去，可得：

假设接收载波的相位θ在[0,2π]内均匀分布，关于θ的三角展开式及积分可写为：

其中，

通过遍历τ和f_d的所有可能值，并选择R(τ,f_d)的最大值来确定估计参数的值，则有：

步骤S7、解扩解调恢复信号

为在接收端获得有效的数据信息，在接收端需要对接收的信号进行正确解扩，而解扩的前提是扩频码的同步，本发明的捕获算法有效的保证了扩频码的同步。在接收端进行解扩处理，将信号的频带恢复为原始信号序列的带宽，即为中频调制信号。然后紧接着进行解调处理，最后恢复出所传输的信息s(t)，完成信息的传输。

本发明提供的另一个实施例是一种高动态环境下双M元编码扩频系统，如图2所示，该系统包括发射端101、接收端102和传输信道103。

其中，发射端101用于产生原始数字信号，并对原始信号串并转换后，基于双M元编码扩频方式，生成扩频码，将生成的扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号，再将扩频信号经BPSK二次调制，获得发送信号。

发送信号经传输信道103传输至接收端102。

接收端102，首先对接收的信号采用PMF-H-FFT-LF捕获算法，实现扩频码的同步，具体为：

捕获单元将采样的发送信号与本地NCO产生的本振信号混频后，输入到部分匹配滤波器进行相关运算；对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理，再采用FFT算法进行频域分析，最后进行阈值逼近判决，从而完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

然后，解扩解调单元对接收的有效信号进行解扩处理，将信号的频带恢复为原始信号序列的带宽，即为中频调制信号。然后紧接着进行解调处理，最后恢复出所传输的信息，完成信息的传输。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种高动态环境下双M元编码扩频方法，该方法包括：

发射端产生原始信号，并对所述原始信号进行双调制处理，获得发送信号；

接收端接收发送信号，并对接收的信号进行处理，恢复原始信号；

所述双调制处理具体为：基于双M元编码扩频方式，生成扩频码，将生成的扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号，再将扩频信号经BPSK二次调制，获得发送信号；

所述基于双M元编码扩频方式具体为：

随机选择一条扩频码作为原型扩频码，此扩频码的长度为L，用c_0～L-1表示扩频码中的码片，其中L≥M，M＝2^K；K表示一个传输符号对应的信息序列的比特数；

将原型扩频码沿同一方向顺次移动，每次移动d个单位长度，d为正整数，经

次循环移位后，对应生成

条扩频码；

对已生成的

条扩频码取反，获得剩余的

条扩频码。

2.根据权利要求1所述的高动态环境下双M元编码扩频方法，其特征在于：所述接收端通过以下方法对接收的信号进行扩频码同步处理：

将采样后的信号与本地NCO产生的本振信号混频后；

将混频信号输入部分匹配滤波器进行相关运算；

对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理；

采用FFT算法进行频域分析；

进行阈值逼近判决，完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

3.一种高动态环境下双M元编码扩频系统，其特征在于，包括：

发射端，用于产生原始信号，并对所述原始信号进行双调制处理，获得发送信号；

接收端，用于接收发送信号，并对接收到的信号进行处理，恢复原始信号；

双调制处理过程为：基于双M元编码扩频方式，生成扩频码，将生成的扩频码与原始信号进行扩频调制得到扩频信号，再将扩频信号经BPSK二次调制，获得发送信号；

所述基于双M元编码扩频方式具体为：

随机选择一条扩频码作为原型扩频码，此扩频码的长度为L，用c_0～L-1表示扩频码中的码片，其中L≥M，M＝2^K；K表示一个传输符号对应的信息序列的比特数；

将原型扩频码沿同一方向顺次移动，每次移动d个单位长度，d为正整数，经

次循环移位后，对应生成

条扩频码；

对已生成的

条扩频码取反，获得剩余的

条扩频码。

4.根据权利要求3所述的高动态环境下双M元编码扩频系统，其特征在于，所述的接收端包括扩频码捕获单元，所述扩频码捕获单元用于对接收的信号进行扩频码同步处理，具体为：

将采样后的信号与本地NCO产生的本振信号混频；

将混频信号输入部分匹配滤波器进行相关运算；

对部分匹配滤波器输出的数据进行加海明窗处理；

采用FFT算法进行频域分析；

进行阈值逼近判决，完成扩频码相位和频率偏差的二维搜索。

5.根据权利要求3所述的高动态环境下双M元编码扩频系统，其特征在于，所述的接收端还包括解扩解调单元，用于将接收的信号的频带恢复为原始信息序列的带宽，然后进行解调处理，恢复出所传输的信息。

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