基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法

摘要

本发明公开一种基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法，包括如下步骤：(10)转发信号获取：从接收的调制信号数据中，获取本波束转发信号及同频复用波束转发信号；(20)互模糊函数计算：利用分段相关累加的方法，计算本波束转发信号和同频复用波束转发信号的二阶互模糊函数；(30)峰值搜索：搜索二阶互模糊函数，得到峰值；(40)小信号检测：将峰值与检测门限比较，若峰值大于检测门限，则判定检测到同频复用小信号，否则判定为未检测到同频复用小信号。采用本发明的小信号检测方法，能够充分利用已知信号，易于实现，在低信噪比情况下准确率高。

说明书

技术领域

本发明属于卫星通信和数字信号处理技术领域，特别是一种基于信号互模糊函数的 卫星通信同频复用小信号检测方法。

背景技术

信号检测技术运用电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研 究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列信号处理方法，检测出被背景噪声 覆盖的信号。

对通信信号的检测是对信号进行参数识别、测向定位和侦收解调等的前提条件，只 有检测到信号，才有可能进行下一步的信号处理。因此，对通信信号的检测是通信和通 信对抗研究中的热点问题之一。由于卫星通信系统通常是一个功率受限系统，并且信号 传播距离遥远，导致卫星信号的接收信噪比较低，是一种典型的弱信号场景。

目前国内外已发表的有关信号检测的文献中，信号检测方法大致可以分为：以线性 方法为主的常规信号检测方法，和以非线性方法为主的新型信号检测方法。基于线性的 信号检测方法主要包括：时域检测法、频域检测法和时频分析法等，基于非线性的信号 检测方法主要包括：随机共振方法、混沌理论检测法和人工神经网络方法等。卫星通信 同频复用小信号的检测需要在较低信噪比的情况下有较好的检测性能，可以利用本波束 转发信号的特征辅助进行信号检测，专门针对卫星通信同频复用小信号的检测方法几乎 没有。

针对卫星通信这一特殊通信场景，这些方法也存在一些不足：1、算法复杂，实现 困难，难以做到实时的信号检测；2、受噪声影响较大，在低信噪比的环境中检测性能 较差，不能满足卫星通信中接收信号信噪比较低的弱信号场景；3、非线性分析法虽然 是目前信号检测研究的热点之一，但存在局限性，应用还不成熟，目前还处于理论阶段， 如混沌理论检测法，仍处于仿真阶段，应用范围有局限，如随机共振的绝热近似理论与 线性响应理论要求输入信号的频率f<<1以满足假设条件。但在实际应用中的信号频率 往往与此要求有很大差别，卫星通信系统中更是远远超出了满足随机共振理论要求的频 率范围。

总之，现有技术存在的问题是：对卫星通信同频复用小信号的检测，不能充分利用 已知信号的特征，抗噪声能力差，在低信噪比情况下检测性能较差，且计算复杂，实现 困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测 方法，能够充分利用已知信号，易于实现，在低信噪比情况下准确率高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法，其特征在于，包括 如下步骤：

(10)转发信号获取：从接收的调制信号数据中，获取本波束转发信号及同频复用 波束转发信号；

(20)互模糊函数计算：利用分段相关累加的方法，计算本波束转发信号和同频复 用波束转发信号的二阶互模糊函数；

(30)峰值搜索：搜索二阶互模糊函数，得到峰值；

(40)小信号检测：将峰值与检测门限比较，若峰值大于检测门限，则判定检测到 同频复用小信号，否则判定为未检测到同频复用小信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、适应性强：本方法能够适应各种复杂信号、噪声环境；

2、抗噪声能力强：本方法抗噪声能力强，在低信噪比情况下准确率高，能够较好 地满足卫星通信中接收信号信噪比较低的弱信号场景；

3、计算复杂度低：本方法提出一种分段相关累加计算二阶互模糊函数的方法，分 别在各时段上计算模糊函数，并提出分段模糊函数中可采取一些合理近似以进一步减少 计算量，最后将分段模糊函数相关累加得到一个总的互模糊函数，大大降低了计算复杂 度；

4、适合卫星通信信道特点：卫星通信信道为AWGN信道，信号成形一般均采用升 余弦成形，适合卫星通信信道的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。

附图说明

图1是本发明的应用场景示意图。

图2是本发明基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法的流程图。

图3是图2中互模糊函数计算步骤的流程图。

图4是图2中峰值搜索步骤的流程图。

图5是基于二阶互模糊函数的BPSK信号检测正确率。

图6是基于二阶互模糊函数的BPSK信号检测虚警率。

图7是基于二阶互模糊函数的QPSK信号检测正确率。

图8是基于二阶互模糊函数的QPSK信号检测虚警率。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法涉及 一颗多波束卫星和一个地面站，地面覆盖区七波束复用，波束A、B为同频复用波束， 设波束A为本波束，则A波束转发的信号，其相邻的同频复用波束B也可能转发，本 发明用于已知A波束转发信号的特征时，检测B波束转发的信号强度较小的信号。

如图2所示，本发明一种基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法， 其特征在于，包括如下步骤：

(10)转发信号获取：从接收的调制信号数据中，获取本波束转发信号及同频复用 波束转发信号；

(20)互模糊函数计算：利用分段相关累加的方法，计算本波束转发信号和同频复 用波束转发信号的二阶互模糊函数；

如图3所示，所述(20)互模糊函数计算步骤包括：

(21)信号分段：设地面站发射信号为s(t)，r₁(t)与r₂(t)分别是地面接收站接收到 的来自本波束与同频复用波束的转发信号，将时长为T的样点平均分为K段，则每段时 长为T₁＝T/K，第k段的信号为：

r_1k(t)＝r₁(t+kT₁),t∈[0,T₁)，

r_2k(t)＝r₂(t+kT₁),t∈[0,T₁)；

(22)分段求互模糊函数：分别在各时段上计算互模糊函数，第k段的互模糊函数 为：

${\mathrm{CAF}}_{SOS}(D,\Delta f,k)=e^{{\mathrm{j\phi }}_k}·{\int }_0^{T_1}{r}_{1k}\left(t\right)r_{2k}^{*}(t+D)e^{-j2\pi \Delta ft}dt,$

其中，D为信号到达时间差，Δf为信号到达频率差，φ_k＝-2πΔfkT₁为对各分段CAF 进行相位补偿的相位校正项；

所述(22)分段求互模糊函数步骤具体为：

将第k段的互模糊函数表达为离散形式，如下式所示，

$\begin{array}{c}{\mathrm{CAF}}_{SOS}\left({\mathrm{mT}}_s,p·\frac{F_s}{Q},k\right)\\ =\exp \left(-j2\pi p·\frac{F_s}{Q}{\mathrm{kNT}}_s\right)\underset{n=0·T_s}{\overset{\left(N-1\right)T_s}{\Sigma }}{r}_{1k}\left({\mathrm{nT}}_s\right)r_{2k}^{*}\left(\left(n+m\right)T_s\right)\exp \left(-j2\pi p\frac{F_s}{Q}{\mathrm{nT}}_s\right)\end{array},$

其中，r_1k(nT_s)和r_2k(nT_s)是采样后的信号，N为第k段数据的样点个数，T_s为采样 周期，时延D＝mT_s，F_s＝1/T_s为采样频率，F_s/Q是频移分辨单元，频移Δf＝p·(F_s/Q)，

对上式进行如下近似，

${\mathrm{CAF}}_{SOS}\left({\mathrm{mT}}_s,p·\frac{F_s}{Q},k\right)\approx \exp \left(-j2\pi kp\frac{F_s}{Q}{N}_2{T}_2\right)\underset{l=0}{\overset{N_2-1}{\Sigma }}u\left(l,m\right)\exp \left(-j2\pi p\frac{F_s}{Q}{\mathrm{lT}}_2\right)$

其中，$T_2=\frac{N·T_s}{N_2},$

$u(l,m)=\frac{1}{N_1}\underset{n={\mathrm{lN}}_1}{\overset{{\mathrm{lN}}_1+N_1-1}{\Sigma }}{r}_{1k}\left({\mathrm{nT}}_s\right)r_{2k}^{*}\left(\right(n+m\left)T_s\right),l=0,1,...,N_2-1,$

即将N点瞬时相关函数分为N₂段，对每段内N₁点计算均值，然后 只需计算N₂点的互模糊函数即可。

(23)相关累加：将分段模糊函数相关累加，得到总的互模糊函数，如下式所示，

${\mathrm{CAF}}_{SOS}(D,\Delta f)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\mathrm{CAF}}_{SOS}(D,\Delta f,k).$

(30)峰值搜索：搜索二阶互模糊函数，得到峰值；

如图4所示，所述(30)峰值搜索步骤包括：

(31)搜索最大值：在检测带宽内搜索互模糊函数的最大值；

(32)设定搜索门限：根据互模糊函数在信号到达时间差、频率差处出现谱峰的特 点，设定搜索门限；

(33)判定峰值：计算最大值与均值的比值，如果该比值大于搜索门限，则判决为 搜索到峰值，否则判决为未搜索到峰值。

(40)小信号检测：将峰值与检测门限比较，若峰值大于检测门限，则判定检测到 同频复用小信号，否则判定为未检测到同频复用小信号。

所述小信号检测(40)步骤具体为：

根据下式判定是否检测到同频复用小信号，

本发明针对卫星通信这一应用场景，充分考虑卫星信道特点，提出一种基于信号互 模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法，充分利用已知信号特征，具有适应性强， 抗噪声能力强，计算复杂度低等优点。

图5和图6分别给出了当本波束的转发信号分别为信噪比SNR1为5dB、10dB、15dB 的BPSK信号时，基于二阶互模糊函数的信号检测正确率及虚警率仿真结果。

图7和图8分别给出了当本波束的转发信号分别为信噪比SNR1为5dB、10dB、15dB 的QPSK信号时，基于二阶互模糊函数的信号检测正确率及虚警率仿真结果。

可见，当调制方式为BPSK，同频复用波束转发信号信噪比SNR2大于-15dB时， 本波束转发信号信噪比为5dB、10dB、15dB时的信号检测正确率都大于95％。本波束 转发信号信噪比越高，信号检测正确率也越高。调制方式为QPSK时的检测正确率略低 于BPSK信号。两种调制方式的信号检测虚警率均低于2％。

本发明提供了一种基于信号互模糊函数的卫星通信同频复用小信号检测方法，应当 指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做 出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。另外，本实施例中未 明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。