[发明专利]一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法

权利要求书

1.一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、接收端接收信号，并对接收信号进行预处理，将一维时域信号转换为二维时频信号，得到预处理后的接收信号；

S2、通过短时傅里叶变换STFT将预处理后的接收信号处理为时频资源序列；

S3、采用与数据帧中的Costas序列相同的Costas序列，利用滑动窗口法检测时频资源序列中是否含有有效信号，若含有有效信号，则执行步骤S4-S5，若不含有有效信号，则忽略此时频资源序列；

S4、根据Costas序列的自相关函数计算时延与频偏估计值，再使用能量重心法对估计值进行优化，得到优化后的时延与频偏估计值，根据优化后的时延与频偏估计值进行信号解调，实现信号同步；

S5、信号同步后，继续使用Costas序列进行下一时频资源块的同步跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，通过短时傅里叶变换STFT将接收信号处理为时频资源序列，具体包括：首先计算接收信号的离散短时傅里叶变换STFT_s(n,k)，则一个码元时间内的频域能量分布表示为：X(W)_N＝SPEC_x(n,k)＝|STFT_x(n,k)|²，SPEC_x(n,k)为谱图，谱图表示为STFT变换模值的平方，当短时傅里叶变换中窗函数的移动步长ΔL等于窗函数窗口长度L时，X(W)₁～X(W)_N表示为时频资源序列，其中，s表示原始接收信号，n表示时间的离散取值，k表示频率的离散取值，且0≤k≤N-1，x表示接收信号的时域表达x(t)，N为码元编号，表示第N个码元。

3.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，接收信号的离散短时傅里叶变换STFT_s(n,k)的计算公式包括：

其中，n表示时间的离散取值，k表示频率的离散取值，且0≤k≤N-1，x(m)为接收信号的离散表示，g(m-n)为窗函数的离散表示，窗函数随着n的变化会移动位置，m表示离散化的时间，码元Ω_k为第k个频率变量，且频率变量Ω＝ωT，ω表示角频率，T为采样间隔。

4.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，检测时频资源序列中是否含有有效信号包括：计算一个同步序列长度内的频域能量和P，若在指定范围内，存在P大于判决门限Z，则认为存在有效信号，否则认为无有效信号，其中，P的计算公式如下：

其中，P表示一个同步序列长度内的频域能量和，n表示Costas序列的阶数，即同步序列长度，a为码元起始位置，c为Costas序列的相对位置，X(W)_N表示第N个码元的频谱特性，为码元N的频谱图中的能量峰值。

5.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，检测时频资源序列中是否含有有效信号，具体包括：用Costas序列在接收信号的时频资源序列上沿时间轴和频率轴移动，利用Costas序列的自相关性确定数据帧的有效信号，如果数据帧中含有Costas序列，则该数据帧中含有有效信号，如果数据帧中不含有Costas序列，则该数据帧中不含有有效信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，还包括构造Costas序列，构造Costas序列包括：首先基于有限域理论的构造方法构造出Costas序列，然后联合Costas序列的截短和增长法则对Costas序列的阶数进行调整，构造出所需阶数的Costas序列。

7.根据权利要求1所述的一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，其特征在于，时延与频偏估计值的计算方式包括：确定Costas序列和接收信号序列的自相关函数，在Costas序列遍历时间轴与频率轴的过程中，将自相关函数峰值处的坐标(τ,f)作为时延与频偏估计值，其中，Costas序列和接收信号序列的自相关函数为：

其中，corr_C,S(τ,f)为Costas序列C和接收信号序列S的自相关函数，S为做STFT运算后的接收信号，τ表示Costas序列沿时间轴的移动单位，f表示Costas序列沿频率轴的移动单位，n为Costas序列长度，c_i,j和s_i,j为Costas序列二维表示的对应坐标值，C_i S_i为Costas序列的一维表示的对应坐标值。