【发明授权】窄带干扰下带脉冲成形扩频信号伪码周期盲估计_重庆邮电大学_201811281399.X 

申请/专利权人:重庆邮电大学

申请日:2018-10-30

发明/设计人:张天骐;李群;袁帅;张刚

公开(公告)日:2020-11-24

代理机构:

公开(公告)号:CN109450488B

代理人:

主分类号:H04B1/71(20110101)

地址:400065 重庆市南岸区崇文路2号

分类号:H04B1/71(20110101);H04B1/707(20110101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.11.24#授权;2019.04.02#实质审查的生效;2019.03.08#公开

摘要:一种基于低通滤波器和二次谱相结合的含窄带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计方法,属于信号处理技术领域。首先将基带扩频信号经过脉冲成形器后得到限幅的扩频信号;再将加了窄带干扰和噪声的限幅扩频信号经过低通滤波器后进行滤波从而抑制窄带干扰和带外噪声得到带限的扩频信号;将带限扩频信号的基带扩频信号和成形脉冲函数分别做二次功率谱处理,然后将基带扩频信号和成形脉冲函数的二次功率谱做卷积运算,并取其模平方即可得到带限扩频信号的二次谱;最后测量谱峰间谱线的间距就可以测量出以脉冲串的帧长来扩展的脉冲串周期,该间距即为带限扩频信号的伪码周期,具有重要的工程实际意义。

主权项:1.一种基于低通滤波器和二次谱相结合的含窄带干扰脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计方法,其步骤如下:首先基带扩频信号经过脉冲形成器后得到脉冲成形扩频信号;再将加了窄带干扰和噪声的脉冲成形扩频信号经过低通滤波器进行滤波从而抑制窄带干扰和带外噪声后得到带限的脉冲成形扩频信号;接收一组带限脉冲成形扩频信号,分别对基带扩频信号和成形脉冲函数做二次谱运算,然后再将基带扩频信号和成形脉冲函数的二次谱做卷积运算,并取模求平方后即可得到带限脉冲成形扩频信号的二次谱;接收另一组带限的脉冲成形扩频信号并计算其二次谱并与上一组做累加集平均处理;然后将累加后的二次谱在一定的频率范围内进行谱峰搜索,测量谱峰间的谱线的距离就可以测量出以脉冲串的帧长来扩展的脉冲串周期;最后若累加后的带限脉冲成形扩频信号的二次谱峰值谱线在一定时间内保持稳定,则停止累加,求得的二次谱峰间谱线的距离即为带限脉冲成形扩频信号的伪码周期。

全文数据:窄带干扰下带脉冲成形扩频信号伪码周期盲估计技术领域本发明涉及通信领域中直接序列扩频信号参数的检测和估计,具体涉及一种低信噪比下含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计。背景技术直接序列扩频DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS通信具有频谱宽、功率谱密度低、隐蔽性好、保密性及抗干扰能力强等诸多特点,可以工作在低信噪比环境中,所以它在现代民事通信和军事通信中都得到了极为广泛的应用。因此,在非合作通信中,对直接序列扩频信号的各项参数以及码序列进行准确的估计有着重要的现实意义和应用价值。目前在低信噪比条件下,针对直扩信号参数估计和检测已提出多种方法,文献杨强,张天骐,赵亮.多径软扩频信号伪码周期盲估计[J].计算机应用,2017,3707:1837-1842.提出了一种基于二次功率谱的多径软扩频信号伪码周期盲估计方法。首先,将一般的单径软扩频信号扩展到多径模型;然后,再多径软扩频信号模型的基础上计算信号的一次功率谱;其次,将求出的一次功率谱作为输入信号计算信号的二次功率谱,理论分析表明信号的二次功率谱在伪码周期整数倍处将会出现峰值谱线;最后,通过检测峰值谱线间的间距就可以实现多径软扩频信号的伪码周期估计。文献金艳,孙玖玲,姬红兵.基于相关熵的扩频周期估计方法[J].系统工程与电子技术,2018,4001:17-22.提出一种延时相乘相关熵的估计新方法,即利用相关熵可随度量随机过程局部相似的特点,计算相关熵峰值间隔即可估计出扩频码的伪码周期。以上方法都是建立在理想矩形脉冲成形和无干扰时对直扩信号伪码周期的盲估计。然而,在实际通信中,信号在带限的信道中传输时对信号进行带宽限制,并混有窄带干扰信号。因此,带限的信道和窄带干扰影响直接序列扩频信号DSSS传输的正确性,并导致截获错误概率增大,这使得对直扩信号伪码周期盲估计更为困难,从而进一步影响对信号的盲解扩性能。为此,本发明提出一种基于滤波器和二次功率谱相结合的含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计。发明内容本发明所要解决的技术问题是,针对当前在低信噪比情况下含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期估计的问题,提出一种滤波器和二次功率谱相结合的含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计方法。该方法在低信噪比条件下,能够对含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期进行准确的估计,并且随着滤波器阶数、信息码长度以及伪码长度的增加,伪码周期估计的累加次数也不断减少且平方根升余弦脉冲成形时伪码周期的估计正确率最高。而且该方法适用于任何含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期的估计。本发明解决上述技术问题的技术方案是,提出一种滤波器和二次功率谱相结合的含窄带干扰带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计方法。该方法的具体实施步骤如下:步骤1将基带扩频信号经过脉冲成形器后得到限幅的扩频信号。步骤2将加了窄带干扰和噪声的基带扩频信号经过低通滤波器后进行滤波从而抑制窄带干扰和带外噪声得到带限的扩频信号。步骤3接收一组带限扩频信号,分别对基带扩频信号和成形脉冲函数分别做二次谱处理,然后将基带扩频信号和成形脉冲函数的二次谱做卷积运算,并取其模平方即可得到带限扩频信号的二次功率谱。步骤4接收另一组带限的扩频信号并计算其二次功率谱并与上一组做累加平均处理。步骤5按步骤4将累加后的二次谱在一定的频率范围内进行谱峰搜索,测量谱峰间的谱线的距离就可以测量出以脉冲串的帧长来扩展的脉冲串周期。步骤6若累加后基带DSSS信号的二次功率谱峰值谱线在一定时间内保持稳定,则停止累加,求得的间距即为带限DSSS信号的伪码周期。将信息码mt经过下采样后将得到离散信号以每符号比特对一个周期pn进行扩频调制,则经过脉冲成形器后的输出信号为式1中:mi∈{+1,-1}为信息码序列,pi∈{-1,+1}为扩频序列,Te为脉冲帧长,为每个传输脉冲的能量,gt为归一化成形脉冲,T0=NTe为N个脉冲串调制的信息符号周期,dk为扩频以后的新序列。将基带信号st经过零均值、方差为高斯白噪声信道和窄带干扰NBI多个单频干扰相加,接收信号可表示为yt=st+vt+nt2其中:式3中:vt为多音干扰;K为单频干扰的个数,Ak为第k个干扰信号的干扰幅度;wk为干扰角频率,θk为[0,2π]上的均匀随机相位。由于做两次功率谱处理后的DSSS信号在伪码周期的整数倍显示出了PN码序列伪码周期的特征,所以这里从yt的相关函数入手研究其功率谱。假定信号st、窄带干扰vt和噪声nt相互独立,因此有式4中:信号yt是有用的基带DSSS信号st的自相关函数Rsτ与噪声和窄带干扰的自相关函数之和。存在强窄带干扰时,接收信号的功率谱表示为Pyf=Psf+Pvf+Pnf5式5中:Psf表示带脉冲成形的DSSS信号的功率谱,Pvf为窄带干扰的功率谱,高斯白噪声的功率谱Pnf为常数,由式4可得窄带干扰信号的功率谱Pvf是一系列离散的谱线,可以简单表示为式6中:fk表示干扰频率。当干扰的频率等于直扩信号离散谱线间隔的整数倍时,窄带干扰信号仍是一系列加权离散的谱线,因此可以直接运用二次谱算法检测伪码周期;当窄带干扰的频率不等于直扩信号离散谱线间隔的整数倍,会引入附加的处理增益,此时,二次谱算法就失去了作用。因此,将接收信号yt经过低通滤波器以后将信号进行限幅,通过提高滤波器的阻带衰减来抑制窄带干扰,噪声成分和干扰成分受到抑制,以便更有效地接收信号能量。因此本文选择无线通信中常用到的升余弦、平方根升余弦、高斯脉冲以及三角脉冲等为载体脉冲信号经过低通滤波器后来分析带脉冲成形基带扩频信号的主要参数,并使用二次功率谱的方法去估计信号的伪码周期。假设设计近似带宽为wc的理想低通滤波器,其期望的幅度响应为:运用离散时间傅里叶变换,则其理想滤波器的单位冲击响应为:由于基于Parks-McClellan算法的滤波器是最优化设计方法,这种算法适用于理想幅度响应特性为分段常数的滤波器。Parks-McClellan算法采用一个切比雪夫多项式,来拟合期望幅度响应,并得到期望幅度响应的等波纹近似。因此,这里选用基于Parks-McClellan算法的等波纹最佳逼近法最优化来设计FIR滤波器。将接收信号yt经过截止频率wc,阶数为k的FIR滤波器后,窄带干扰和带外噪声被滤波器被抑制,得到带限的DSSS可表示为:式9中:表示卷积运算由式1可知,带限基带DSSS信号s′t的自相关函数可以表示为式中:Rdm表示新序列d的自相关函数。因Rsτ与变量时间t无关,将式10做傅里叶变换可以获得基带DSSS信号的功率谱为式11中:|Pgf|2是脉冲函数gt的能量谱密度;Pdf为序列d的功率谱密度,即得到的基带DSSS信号的功率谱由gt的能量谱|Pgw|2和扩频序列的功率谱Pdw构成。因此,将得到一次功率谱Psw作为输入信号再对信号在做傅里叶变换处理取其模平方以后即得到基带信号s′t的二次功率谱,即式12中:FT{·}表示傅里叶变换,表示卷积运算,即将脉冲函数gt的能量谱和扩频序列d的功率谱做傅里叶变换后得到脉冲函数gt的和扩频序列d的两次功率谱,再将其做卷积运算即可得到基带信号s′t的两次功率谱。则高斯脉冲、三角脉冲、平方根升余弦和升余弦成形的DSSS信号的二次谱为由式13、式14、式15和式16可知,带限基带DSSS信号做二次谱运算后,信号以脉冲串的周期来NTe进行扩展从而得到一系列尖锐的脉冲谱线,这些脉冲谱线具有和基带成形脉冲函数二次功率谱相同的形状。附图说明图1为本发明伪码周期估计方法流程图。图2为DSSS信号产生系统模型框图。图3分别为50阶低通滤波器的幅度响应和相位响应。图4高斯脉冲成形时DSSS信号PN码周期估计样本曲线。图5三角脉冲成形时DSSS信号PN码周期估计样本曲线。图6为平方根升余弦脉冲成形时DSSS信号PN码周期估计样本曲线。图7升余弦脉冲成形时DSSS信号PN码周期估计样本曲线。图8不同伪码长度下的均值性能曲线。图9不同信息码长度下的均值性能曲线图10不同带宽下的均值性能曲线图11不同滤波阶数下的均值性能曲线图12加窄带和不加窄带的均值性能曲线图13伪码周期的估计正确率具体实施方式以下结合附图和具体实例,对本发明的实施作进一步的描述。图1为本发明伪码周期估计方法流程图。具体步骤:将基带扩频信号经过脉冲成形器后得到限幅的扩频信号;在将加了窄带干扰和噪声的基带扩频信号经过低通滤波器后进行滤波从而抑制窄带干扰和带外噪声得到带限的扩频信号;接收一组带限扩频信号,分别对基带扩频信号和成形脉冲函数分别做二次谱处理,然后将基带扩频信号和成形脉冲函数的二次谱做卷积运算,并取其模平方即可得到带限扩频信号的二次功率谱;接收另一组带限的扩频信号并计算其二次功率谱并与上一组做累加平均处理;然后将累加后的二次谱在一定的频率范围内进行谱峰搜索,测量谱峰间的谱线的距离就可以测量出以脉冲串的帧长来扩展的脉冲串周期;最后若累加后基带DSSS信号的二次功率谱峰值谱线在一定时间内保持稳定,则停止累加,求得的间距即为带限DSSS信号的伪码周期。图2表示DSSS信号产生系统模型框图。信息码mt经过下采样后将得到离散信号以每符号比特对一个周期pn进行扩频调制,则经过脉冲成形器mt后的输出st,将混合有窄带干扰vt和nt的基带DSSS信号yt经过低通滤波器后滤除窄带干扰和带外噪声,从而得到带限的基带DSSS信号s′t。图3为低通滤波器的幅频响应和相频响应。由图3可知,当滤波器的阶数为50、带宽Wc=250Hz时,滤波器的阻带衰减为30dB,且它的相频响应在通带内是线性的。图4、图5、图6、图7分别为DSSS信号PN码周期估计样本曲。信噪比SNR=20dB,取PN码长N=63bit,采样率Sa=8bitchip,本文选取高斯脉冲、三角脉冲、平方根升余弦脉冲、升余弦脉冲为载体来分析信号的低截获性,将接收信号经过带宽为Wc=200Hz,阶数为k=500阶的低通滤波器输出以后对带限的基带DSSS信号做两次功率谱处理。由图4、图5、图6、图7可看出,500阶的低通滤波器能好的抑制强窄带干扰,且将DSSS信号做一次功率谱处理后,信号的功率谱曲线具有脉冲成形函数的功率谱形状,也就是说,信号的一次功率谱的性质主要由脉冲信号决定。且信号以脉冲串的周期来NTe进行扩展从而得到一系列尖锐的脉冲谱线,这些脉冲谱线具有和基带成形脉冲函数二次功率谱相同的图形其能量聚集的脉冲串波形具有高斯脉冲、三角脉冲、平方根升余弦脉冲、以及升余弦脉冲二次功率谱的形状,局部最大尖峰分出现504、1009,相邻谱线之间的间距等于504=Nc×Sa=63×8,所以通过检测二次谱峰值谱线间的间距就可以估计平方根升余弦脉、升余弦脉冲、三角脉冲以及高斯脉冲下直扩信号的伪码周期。图8~图12为DSSS信号在不同伪码长度、不同信息码、不同带宽、不同滤波阶数以及加窄带和未加窄带下的均值性能曲线。其中,图7信噪比SNR=-14dB~0dB,取信息码为Ns=200,采样率Sa=8bitchip,带宽为Wc=200Hz,阶数为k=500阶、伪码序列长度Nc=63bit、Nc=127bit时对比其累加次数。从图8可知,随着信噪比的逐渐降低,DSSS信号所能携带的伪码长度逐渐变短,二次谱估计DSSS信号伪码周期的平均累加次数逐渐增加。随着伪码长度的增加,基带脉冲成形DSSS信号的频谱被扩展得越宽,系统的处理增益也会越高,信号的抗干扰的能力越强,从而使得估计DSSS信号的伪码周期时的累加次数减少。图9中取伪码序列长度Nc=63bit,其它参数与图8中的参数设置相一致,信息码分别为Ns=100、Ns=200对比其累加次数。从图9可知,随着信息码的增加,DSSS信号所携带的信息量变大,这更有利于DSSS信号伪码周期估计,从而使得估计DSSS信号的伪码周期时的累加次数减少。图10中取伪码序列长度Nc=63bit,其它参数与图8中的参数设置相一致,带宽分别为Wc=200Hz、Wc=300Hz对比其累加次数。从图10可知,随着带宽的增加,DSSS信号所能滤掉的窄带干扰越少,使得DSSS信号伪码周期的估计受到影响,从而使得估计DSSS信号的伪码周期时的累加次数增加。图11中取伪码序列长度Nc=63bit,其它参数与图7中的参数设置相一致,带宽分别为k=400、k=500对比其累加次数,随着滤波器阶数的增加,滤波器的阻带衰减也逐渐增加,因此该滤波器能够较好的滤除窄带干扰和带外噪声,从而使得伪码周期估计的累加次数逐渐减少。图12中取伪码序列长度Nc=63bit,其它参数与图7中的参数设置相一致,分别在含窄带干扰和不含窄带干扰下对伪码周期的估计性能做对比,由图12可知,不含窄带干扰时伪码周期的累加次数小于含窄带干扰伪码周期估计的累加次数。由图13可知,在相同的条件下,脉冲成形为矩形时,DSSS信号的伪码周期的估计正确率均大于平方根升余弦脉冲和升余弦脉冲,这是由于矩形脉冲成形,它的频谱相对于其它几种脉冲被扩展得更宽,用一定带宽的滤波器进行滤波时,使得其频谱泄露,处理增益变小,从而使得伪码周期估计时效果更差。因此,在工程应用上一般选择的都是平方根升余弦脉冲或者升余弦脉冲对DSSS信号进行成形,再经过滤波器放大限幅。

权利要求:1.一种基于低通滤波器和二次谱相结合的含窄带脉冲成形扩频信号伪码周期的盲估计方法,其具体步骤如下:首先将基带扩频信号经过脉冲成形器后得到限幅的扩频信号;再将加了窄带干扰和噪声的限幅扩频信号经过低通滤波器后进行滤波从而抑制窄带干扰和带外噪声得到带限的扩频信号;将带限扩频信号的基带扩频信号和成形脉冲函数分别做二次功率谱处理,然后将基带扩频信号和成形脉冲函数的二次功率谱做卷积运算,并取其模平方即可得到带限扩频信号的二次谱;最后测量谱峰间谱线的间距就可以测量出以脉冲串的帧长来扩展的脉冲串周期,该间距即为带限扩频信号的伪码周期。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对窄带干扰和噪声影响的限幅扩频信号,将其通过低通滤波器滤除窄带干扰和带外噪声,从而得到带限的扩频信号。3.根据权利要求1、2所述的方法,其特征在于,将得到的带限DSSS信做一次功率谱运算,再将得到的一次功率谱作为输入信号,做傅里叶变换后求平方以后得到二次谱,从而估计其伪码周期。4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,其低通滤波器是通过Parks-McClellan算法采用一个切比雪夫多项式,来拟合期望幅度响应,并得到期望幅度响应的等波纹近似,这里可通过提高滤波器的阶数来增加阻带衰减,使得抑制窄带干扰和带外噪声的效果更好。5.根据权利要求1、2、3、4所述的方法,其特征在于该方法不受成形脉冲的限制,如:平方根升余弦脉冲、升余弦脉冲、三角脉冲、高斯脉冲等。

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