[发明专利]一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法

说明书

本发明涉及无线通信中的同步技术领域，具体涉及一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，包括：对接收信号进行预处理；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；检测时频资源序列中是否含有信号，若含有信号，则使用滑动窗口法将Costas二维矩阵在接收信号的时频资源序列上沿时间轴和频率轴进行移动，利用Costas序列的自相关性确定数据帧起始位置，同时计算时延与频偏估计值，根据时延与频偏估计值进行信号同步；同步后，使用Costas进行同步跟踪。本发明可以提高传输中的信息占比，信号捕获迅速且精度高，还可以在同步的同时估计频偏，抗噪声和抗频偏性能更优。

技术领域

本发明涉及无线通信中的同步技术领域，具体涉及一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法。

背景技术

对于短波通信系统而言，接收信号的前提是检测信号以及实现收发端同步，同步性能的好坏直接影响通信系统的性能，出现同步误差或失去同步会导致通信系统性能下降或通信中断。

在短波通信系统中，常用的同步方法包括基于训练序列的数据辅助类同步算法，数据辅助类同步算法在传输数据帧头部插入训练序列，根据相关准则进行同步。其基本原理是在接收端对特定序列进行相关运算，通过检测相关能量值进行。传统同步方法中，常用的训练序列通常采用具有良好自相关性的PN(伪随机)码、M(伪随机)码、巴克码等，PN长码因其具有尖锐的自相关特性和较好的互相关特性被广泛应用在短波MFSK通信系统中，但PN长码的同步时间较长，此外，使用PN码同步是在单维度(时域或频域)进行，且时间同步往往是在频偏估计之前进行，载波频偏依然会对时间同步造成影响。为了提高PN 长码的同步速度，提出使用串并联合的同步方法实现长码的同步速度；为了消除载波频偏对同步带来的影响，先后提出采用频率扫描法、分段互相关法、基于ML准则的双相关法、基于FFT的联合帧同步和频偏估计算法等对载波频偏进行纠正，以减少载波频偏对同步的影响。其中，频率扫描法将接收信号分为多路，每路进行不同的频偏修正，从中取得一路修正较好的信号进行同步，该方法在一定频偏范围内，可以获得近似无频偏的相关峰结果，但资源利用率很差。分段互相关法合理设置相关窗的长度，通过分段互相关检测的方向减少频偏对相关结果的影响。基于ML准则的双相关法基于ML准则，使用双相关法提高了同步算法在频率偏移影响下的精度。基于FFT的联合帧同步和频偏估计算法基于ML准则同时进行同步与频偏估计，但精度有限。总之，传统的同步方法是在单纬度(时域或频域)进行，且PN码序列较长会造成同步时间长的问题，此外，同步过程还容易受到载波频偏的影响。

发明内容

针对上述低信噪比与强多径传播导致短波MFSK信号捕获困难、同步精度低的问题，本发明利用Costas序列二维图案在时频域上优异的自相关特性，将传统的滑动窗口法由时域扩展到时频域，提供一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法。

一种基于Costas序列的短波通信时频联合同步方法，包括以下步骤：

S1、接收端接收信号(时域信号)，并对接收信号进行预处理，得到预处理后的接收信号(时频二维信号)；

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。