[发明专利]类噪声Chirp扩频信号设计及快速捕获方法

说明书

技术领域

本发明提出一种类噪声Chirp信号基扩频信号的设计与快速捕获方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

在天基测控通信中，为提高通信传输速率，跟踪与数字中继卫星系统将载波频段提高至Ka频段。在Ka频段测控通信时，测控飞行器通常以第一宇宙速度飞行，载波多普勒频偏会高达±800kHz。由于传统直接序列扩频信号的自相关性能受多普勒频偏影响很大(多普勒容限仅为相关时间倒数的1/2)，捕获过程需要进行频率、时延的二维搜索，目前最快的捕获方法也要长达数秒钟，测控的实时性受到严重影响。

Chirp信号又称线性调频信号，其匹配滤波过程对多普勒频移不敏感，在大频偏的通信场合获得了广泛的应用。但是Chirp信号具有固定的时频结构，在通信中容易被非协作方侦察、截获，安全性不足。为提高Chirp信号的安全性，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，提出了一种具有噪声特性的类噪声Chirp信号(Chirp Noise Waveform,CNW)。文章通过给Chirp信号增加随机幅度和随机相位来增强Chirp信号的类噪声特征，从而提高信号的安全性；另一方面，CNW依然可以保留一定的多普勒容限。本发明提出一种基于CNW的扩频信号设计及快速捕获方法，系统利用CNW的时频耦合特性，仅需时域一维搜索就能同时完成伪码捕获和载波多普勒频偏估计，在大频偏的测控环境下降低测控信号捕获时间至毫秒级。

发明内容

本发明的目的是利用CNW的时频耦合特性与抗多普勒频偏特性，提出了一种基于类噪声Chirp基扩频信号的设计与快速捕获方法，与传统方法相比，本方法解决了大频偏条件下传统伪码捕获时间长，实时性差的问题。本发明方法仅需时域一维搜索就能同时完成伪码捕获和载波多普勒频偏估计，在保证信号类噪声谱特性的同时大幅度降低捕获时间，提高测控通信的安全性，并满足实时性的需求。

本发明的技术方案具体包括如下步骤：

步骤一、发送端产生一个幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的CNW信号s(t)。信号公式如下：

式(1)中，rect(t/T)表示方波信号，T是符号长度，μ是CNW的调频率，a(t)是服从瑞利分布的伪随机幅度，是在[0,2π)内服从均匀分布的随机相位，κ(0≤κ≤1)为相位尺度因子，决定了随机相位对于线性调频波形的影响程度。

步骤二、将步骤一产生的信号s(t)作为参考信号s_{tr_refer}(t)，并利用正交调制将数据符号s_{tr_data}(t)和参考信号s_{tr_refer}(t)生成中频发送信号s_tr(t)，所得中频信号表示如下：

式(2)中，E_T，E_R分别代表数据符号、参考信号的能量，f_c代表载波频率。

步骤三、接收端接收到步骤二产生的中频信号s_tr(t)后，利用正交下变频得到复基带等效接收信号r_e(t)。r_e(t)公式如下：

上式(3)中，f_d表示多普勒频偏，τ是信号发送与接收的时延，θ是由时延引起的相位差，n_e(t)是均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声。

步骤四、将步骤三得到的复基带等效接收信号r_e(t)分别通过两路复匹配滤波器。匹配滤波器输出公式如下：

上式(4)中，h_u(t)是上支路匹配滤波器冲激响应，相应的，m_u(t)是上支路匹配滤波器输出；上式(5)中，h_d(t)是下支路匹配滤波器冲激响应，相应的，m_d(t)是下支路匹配滤波器输出。

为了进一步提高输出信噪比，对上支路匹配滤波器输出m_u(t)，和下支路匹配滤波器输出m_d(t)分别做K次非相干累加，公式如下：