一種ffh系統中基於pn序列似然比的同步捕獲方法

2023-05-10 18:35:56 2

專利名稱：一種ffh系統中基於pn序列似然比的同步捕獲方法
技術領域：
本發明屬於通信抗幹擾技術領域，涉及快速跳頻(Fast Frequency Hopping, FFH)通信 系統，尤其是FFH通信系統中的同步方法。
背景技術：
跳頻通信系統(Frequency Hopping Communication System)是一種抗幹擾、抗衰落能力較強 的無線電通信系統，在通信領域中應用廣泛。為了實現跳頻通信系統之間的正常通信，收發 雙方必須實現同步，即在同一時間同步地跳變到同一跳頻頻率(或者收發雙發的跳頻頻率在同 一時間相差一個固定中頻)，跳頻通信系統的載波頻率偽隨機變化著，由於傳輸信道存在多普 勒頻移，定時時鐘存在相對誤差等因素，系統同時存在頻率和時間的不確定性，時間的不確 定性可以通過收發雙方使用同一跳頻圖案來解決，而時間的不確定性則要通過跳頻同步技術 (包括同步捕獲和同步跟蹤沐消除。
一般跳頻電臺的同步指標和同步信號要求如下(1)初始同步的建立時間短，不超過0.3 秒；(2)遲後入網的時間不超過6秒；(3)同步系統在信道誤碼率為0.1時，同步捕獲概率 需大於90%; (4)同步信號存在的時間要短，使偵聽方難以在很短的時間內發現同步信號。
在FFH系統中，頻率跳變速率大於或等於信息調製器輸出的符號速率，每跳信號最多只 攜帶一個同步chip,所含的同步信息量少，需要利用多跳信號才能實現同步捕獲，因而實現 同步變得更加困難。目前關於FFH系統的同步捕獲方法較少，主要是基於串行搜索匹配濾波 器與分集合併技術相結合提出的捕獲方法，該方法有以下局限(1)合併結果並不可靠，在
捕獲過程中，收發窗口還未對準，每跳的基帶頻點能量(或信噪比)不僅受到前一跳和後一
跳信號的影響，而且此時基帶調製頻點在當前跳接收口內並不正交；(2)門限的選取受信道 信噪比的影響較大，準確選取比較困難。

發明內容
本發明提供一種FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，以實現FFH通信系 統收發雙發的同步。
在闡述本發明方法之前，首先介紹本發明技術方案中所用到的術語
(1)跳頻頻率-同步PN序列雙圖案發送方用M個同步跳頻頻率調製長度為N的同步PN序列(M《N，K = N/M， K為正 整數)，每個跳頻頻率調製一個同步PN-chip， M個跳頻同步頻率構成了一個跳頻頻率圖案 F二(f。,f;，f;,…，U (fi記為第i號同步頻率，0si^M —1)， N個同步PN-chip構成一個
PN序列圖案S^PN。,PNpPNi,…,PN^J，對t頻頻率圖案和同步PN序列圖案共同構成了跳 頻頻率-PN序列雙圖案，如說明書附1所示。
(2)同步PN-chip似然比
對第i跳接收到的跳頻信號進行混頻解跳後，生成解跳後跳同步信號，對該信號進行A/D 轉換，再經過IFFT卩(FFT: Fast Fourier Transform,快速傅氏變換；|x |2 :複數x模的平方)
處理後，取出第i跳2FSK基帶信號同步調製頻點能量值Xh和J^，其中i^,為第i跳時本地
PN序列值對應的2FSK基帶調製頻點能量，相應地X。,為第i跳時另外一個基帶調製頻點能 量。通常，包含信號的信道稱為數據信道，不含信號的信道稱為空閒信道。先做以下定義 /01//J為理想情況時(收發端跳頻頻率完全對準，且時間窗口也完全對準)數據信道對
應的調製頻點能量值的概率密度函數；相應地，gOI/Z。)為空閒信道對應的調製頻點能量值 的概率密度函數。則第i跳同步PN-chip似然比V,.可以表示為
v, =ln
/(1 0, I仏)
(3) 同步PN似然比序列
連續N跳同步信號按照上述(2)處理後，各跳同步PN-chip似然比形成長度為N的同 步？^[似然比序列",^,...^,..., }。
(4) 同步信號似然比相關檢測值 對當前同步PN似然比序列進行代數求和，得到的代數和值S為同步信號似然比相關檢測
N N
值。s力,「巡止^腦77。)、
(5)早、遲門信號
對當前跳同步信號解跳，生成解跳後同步信號，在時間上將該解跳後同步信均分為兩個跳，前半跳信號稱為早門信號，對應地，後半跳信號稱為遲門信號。
本發明的整個同步捕獲系統鏈路如圖2所示，包括1、跳頻信號解跳，2、中頻濾波， 3、 A7D， 4、早門IFFT卩，5、早門本地PN序列，6、早門同步PN似然比序列，7、遲門IFFT卩， 8、遲門本地PN序列，9、遲門同步PN似然比序列，10、 K路同步門限判決，11、同步控制 單元，12、跳頻頻率合成器。
本發明詳細技術方案如下
一種FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，如圖3所示，包括以下步驟
設定FFH系統發送方採用M個同步跳頻頻率調製長度為N的同步PN序列 (M《N,K = N/M， K為正整數)，每個跳頻頻率調製一個同步PN-chip， M個跳頻同步頻
率構成了一個跳頻同步頻率圖案F:(fo,f;,fi,...,fM.J (f;記為第i個同步頻率，
0Si^M — l)，N個同步PN-chip構成一個同步PN序列圖案S-(PNo,PN,，PNi,...,PNN.J ，
跳頻同步頻率圖案和同步PN序列圖案共同構成跳頻頻率-PN序列雙圖案。
步驟1:同步處理開始時，接收方採用與發送方相同的跳頻同步頻率圖案，以該跳頻同 步頻率圖案中的任意一個頻率作為起始頻率進行解跳處理，同時同步跳計數器的計數值C從
1開始計數。
步驟2:解跳時，分別對第C跳的早、遲門信號進行A/D轉換，再經過快速傅氏變換和 取模的平方(即IFFlf處理)處理；由於有K:NM個相位依次相差為M的早、遲門本地同
步PN序列值，故得到第C跳第w(w二l,2,…，K)組本地同步PN序列值對應的早門基帶信號 的2F汰調製頻點能量值J^f和義5，同時得到第C跳第"("1,2,…,K)組本地同步PN
序列值對應的遲門基帶信號的2FSK調製頻點能量值x;f和x;J7。其中，x:f和x;f分別表
示第C跳第w組本地同步PN序列值對應的早門和遲門2FSK基帶信號中一個調製頻點(數據 信道調製頻點)的能量值，JT^和X^分別表示第C跳第w組本地同步PN序列值對應的早 門和遲門2FSK基帶信號中另一個調製頻點(空閒信道調製頻點)的能量值。
步驟3:根據步驟2所得到早門的xf, xf與遲門的jr;f ， xf ，分別計算第c跳時，
第"(w = 1,2,…，K)組本地同步PN序列值對應的早、遲門同步PN-chip似然比vf和vf 。v "c=ln
其中/Ocl/f》為理想情況時(收發端跳頻頻率完全對準，且時間窗口也完全對準)
2FSK信號對應調製頻點能量值的概率密度函數；g(義I仏)為2FSK信號另一個調製頻點能 量值的概率密度函數。
當ON時，捨去前C-N跳同步PN-chip似然比值，由第w組本地同步PN序列值對 應的當前最新N跳信號得到的N個早門同步PN-chip似然比，按順序依次構成第w組早門PN 似然比(《1,《2,…,《,...,vz"N};相應的N個遲門同步PN-chip似然比，按順序依次構成第"
組遲門PN似然比序列(v久vf,…,Vc"',…,vf^ 。
步驟4:分別計算K組早、遲門同步PN似然比序列(vf,vf,…,vf,…,vf^和 (《1,《2, ，《',…,v1的代數和，得到K個早門同步信號似然比相關檢測值S^fx'和K
/=1
N
個遲門同步信號似然比相關檢測值S，S《'，("=1,2,…,K)。
步驟5:早、遲門分別進行K路似然比相關檢測值門限判決。
判斷由步驟4所得的2K個同步信號似然比相關檢測值中是否存在大於或等於同步捕獲 門限^syn.th的同步信號似然比相關檢測值；若存在，則轉入步驟6;若不存在且C〈mN (m為 正整數)，貝贓下一跳同步跳計數器C增加1的同時返回步驟2;若不存在且C2mN (m為 正整數)，則在下一跳將同步跳計數器C清零後重新開始從1計數，並更換本地初始頻率，返 回步驟2。
步驟6:進行同步PN序列定位。
根據步驟l中採用的起始頻率的頻率號i(0《i《M-l)，並根據出現大於或等於同步捕 ^『頂^s—關雜引以難織翻固錯醇PN憾t匕關暢wil(w = l,2,"*,K)和同步跳數計數器的計數值C，計算接收方需要等待的跳數W，等待跳 數完成後，能使下一跳收發雙方頻率在第0號頻率f。上對準，並且PN序列相位偏移為0的 位置；其中，等待跳數W的計算公式為W = (mxN —i —C — nxM)%N，(其中符號％ 表示求模運算)。
步驟7:進行捕獲驗證。
如果連續V個同步PN似然比序列都檢測到大於或等於同步捕獲門限^s^^的同步信號
似然比相關檢測值，則同步捕獲成功，系統轉入同步跟蹤狀態；如果連續V個同步PN似然 比序列中任何一個未能檢測到大於或等於同步捕獲門限^s，^的同步信號似然比相關檢測
值，則下一跳更換本地初始頻率，則轉入步驟2重新進行同步捕獲。
本發明的有益效果是
本發明提供了FFH系統的一種同步捕獲的方法，採用雙圖案的同步捕獲頭設計，充分利 用了跳頻頻率和同步PN序列信息；採用早、遲門信號同時進行解調，可以在不大大增加系 統實現複雜度的基礎上，削弱未完全同步帶來的解調的不可靠性；採用基於頻率-PN序列圖 案似然比作為同步捕獲的軟判決量，減少了同步信息的損失。綜合上述各優點，使FFH系統 在幹擾信道和衰落信道下具有更強的魯棒性，提高了 FFH系統的同步捕獲性能。


圖1是跳頻頻率和PN序列M-N雙圖案。
其中M是同步跳頻頻率個數；N是同步PN序列長度。
圖2是FFH系統同步捕獲系統整體鏈路圖。
其中1為跳頻信號解跳，2為中頻濾波，3為A/D， 4為早門IFFlf， 5為早門本地PN 序列，6為早門同步PN似然比序列，7為遲門IFFTf， 8為遲門本地PN序列，9為遲門同步 PN似然比序列，IO為K路同步門限判決，ll為同步控制單元，12為跳頻頻率合成器。
圖3是本發明提供的一種FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明FFH系統的一種基於頻率-同步PN序列圖案似然比的同步捕獲方法，其主要創新是採用基於頻率-PN序列圖案似然比作為同步捕獲的軟判決量，利用跳頻頻率圖案和同步PN 序列圖案構成的雙圖案信息，減少了同步信息的損失；採用早遲門同時相關，削弱了解調的 不可靠性。各種優點結合，使同步系統在幹擾信道和衰落信道下具有更強的魯棒性，提高了 FFH系統的同步捕獲性能。
計算機仿真表明，取M-21個跳頻頻率，長度為N-63的PN序列(具體可採用自相關性 好的m序列)，同步捕獲頭長度為9072跳，若2N跳後，仍未檢測到同步相關峰則計數器清 零，且強制更改本地起始頻率，捕獲驗證次數為V-3次，跳頻速率為100000西fe/秒，每跳發 送lbit同步數據，每跳信號採樣256各樣點時，在AWGN信道下，信噪比為ldB、信道誤碼 率為0.2664時，選取合適的同步捕獲門限使PN序列虛警概率為1五-5時，整個系統的同步 捕獲概率為94%，完全滿足FFH系統要求信道誤碼率為0.1時，同步捕獲概率需大於90%的 同步性能規定。
權利要求
1、一種FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，包括以下步驟設定FFH系統發送方採用M個同步跳頻頻率調製長度為N的同步PN序列，M≤N，K＝N/M，K為正整數，每個跳頻頻率調製一個同步PN-chip，M個跳頻同步頻率構成了一個跳頻同步頻率圖案F＝{f0，f1，fi，...，fM-1}，fi記為第i個同步頻率，0≤i≤M-1，N個同步PN-chip構成一個同步PN序列圖案S＝{PN0，PN1，PNi，...，PNN-1}，跳頻同步頻率圖案和同步PN序列圖案共同構成跳頻頻率-PN序列雙圖案；步驟1同步處理開始時，接收方採用與發送方相同的跳頻同步頻率圖案，以該跳頻同步頻率圖案中的任意一個頻率作為起始頻率進行解跳處理，同時同步跳計數器的計數值C從1開始計數；步驟2解跳時，分別對第C跳的早、遲門信號進行A/D轉換，再經過快速傅氏變換和取模的平方處理，即|FFT|2處理，由於有K＝N/M個相位依次相差為M的早、遲門本地同步PN序列值，故得到第C跳第n(n＝1，2，…，K)組本地同步PN序列值對應的早門基帶信號的2FSK調製頻點能量值Xz1nC和Xz0nC，同時得到第C跳第n(n＝1，2，…，K)組本地同步PN序列值對應的遲門基帶信號的2FSK調製頻點能量值Xc1nC和Xc0nC；其中，Xz1nC和Xc1nC分別表示第C跳第n組本地同步PN序列值對應的早門和遲門2FSK基帶信號中一個調製頻點，即數據信道調製頻點的能量值，Xz0nC和Xc0nC分別表示第C跳第n組本地同步PN序列值對應的早門和遲門2FSK基帶信號中另一個調製頻點，即空閒信道調製頻點的能量值；步驟3根據步驟2所得到早門的Xz1nC，Xz0nC與遲門的Xc1nC，Xc0nC，分別計算第C跳時，第n組本地同步PN序列值對應的早、遲門同步PN-chip似然比vznC和vcnC<![CDATA[ v z nC=ln[ f ( X z 1nC | H1 )g ( X z 0nC | H0 ) f ( X z 0nC | H1 )g ( X z 1nC | H0 ) ] ]]><![CDATA[ v c nC=ln[ f ( X c 1nC | H1 )g ( X c 0nC | H0 ) f ( X c 0nC | H1 )g ( X c 1nC | H0 ) ] ]]>其中f(x|H1)為理想情況時，即收發端跳頻頻率完全對準、且時間窗口也完全對準時，2FSK信號對應調製頻點能量值的概率密度函數；g(x|H0)為2FSK信號另一個調製頻點能量值的概率密度函數；當C≥N時，捨去前C-N跳同步PN-chip似然比值，由第n組本地同步PN序列值對應的當前最新N跳信號得到的N個早門同步PN-chip似然比，按順序依次構成第n組早門PN似然比{vzn1，vzn2，...，vzni，...，vznN}；相應的N個遲門同步PN-chip似然比，按順序依次構成第n組遲門PN似然比序列{vcn1，vcn2，...，vcni，...，vcnN}；步驟4分別計算K組早、遲門同步PN似然比序列{vzn1，vzn2，...，vzni，...，vznN}和{vcn1，vcn2，...，vcni，...，vcnN}的代數和，得到K個早門同步信號似然比相關檢測值 top= "92" left = "162"/>和K個遲門同步信號似然比相關檢測值 top= "108" left = "84"/>n＝1，2，…，K；步驟5早、遲門分別進行K路似然比相關檢測值門限判決；判斷由步驟4所得的2K個同步信號似然比相關檢測值中是否存在大於或等於同步捕獲門限ζSyn-th的同步信號似然比相關檢測值；若存在，則轉入步驟6；若不存在且C＜mN，m為正整數，則在下一跳同步跳計數器C增加1的同時返回步驟2；若不存在且C≥mN，則在下一跳將同步跳計數器C清零後重新開始從1計數，並更換本地初始頻率，返回步驟2；步驟6進行同步PN序列定位；根據步驟1中採用的起始頻率的頻率號i，0≤i≤M-1，並根據出現大於或等於同步捕獲門限ζSyn-th的同步信號似然比相關檢測值所在的同步PN似然比序列中的n值和同步跳數計數器的計數值C，計算接收方需要等待的跳數W，等待跳數完成後，能使下一跳收發雙方頻率在第0號頻率f0上對準，並且PN序列相位偏移為0的位置；其中，等待跳數W的計算公式為W＝(m×N-i-C-n×M)％N，其中符號％表示求模運算；步驟7進行捕獲驗證；如果連續V個同步PN似然比序列都檢測到大於或等於同步捕獲門限ζSyn-th的同步信號似然比相關檢測值，則同步捕獲成功，系統轉入同步跟蹤狀態；如果連續V個同步PN似然比序列中任何一個未能檢測到大於或等於同步捕獲門限ζSyn-th的同步信號似然比相關檢測值，則下一跳更換本地初始頻率，則轉入步驟2重新進行同步捕獲。
2、 根據權利要求1所述的FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，其特徵在於，所述M取正整數21，所述N取正整數63;所述PN序列採用自相關性好的m序列。
3、 根據權利要求1所述的FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，其特徵在於，步驟5中所述m取正整數2。
4、 根據權利要求1所述的FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，其特徵在於，步驟7中所述V取正整數3。
全文摘要
一種FFH系統中基於PN序列似然比的同步捕獲方法，屬於通信抗幹擾技術領域，涉及快速跳頻(Fast Frequency Hopping，FFH)通信系統，尤其是FFH通信系統的同步方法。本發明採用雙圖案的同步捕獲頭設計，充分利用了跳頻頻率和同步PN序列信息；採用早、遲門信號同時進行解調，可以在不增加系統實現複雜度的基礎上，提高未完全同步時解調的可靠性；採用基於頻率-PN序列圖案似然比作為同步捕獲的軟判決量，減少了同步信息的損失。本發明可使FFH系統在幹擾信道和衰落信道下具有更強的魯棒性，提高了FFH系統的同步捕獲性能。
文檔編號H04B1/69GK101674104SQ20091016772
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者喬 劉, 李少謙, 程鬱凡, 陳亞丁 申請人:電子科技大學