调制指数h>1且h为半整数的扩频CPM信号捕获方法

摘要

调制指数h>1且h为半整数的CPM信号在捕获过程中，由于其相关函数具有多峰的特性，因此会发生误捕获问题，通过将Bump Jump算法应用于调制指数大于1的扩频CPM信号的相关函数峰值检测中，来实现对扩频CPM信号的捕获，并针对低信噪比对主检测和辅助检测函数零点错位带来的影响，提出了一种基于碰撞跳跃的扩频CPM信号的副峰检测方法，当接收机检测到副峰时会进行判定和处理，使得估计的码相位往主峰的方向跳跃，最终确定主峰的位置。通过在Matlab平台进行验证，基于碰撞跳跃的检测算法适用于扩频CPM信号的捕获，所提算法在低信噪比情况下的检测性能比Bump Jump算法提高约4dB，能更有效的实现低信噪比下对扩频CPM信号的捕获。

说明书

技术领域

本发明属于数字通信领域，具体涉及解决调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号捕获中，由于相关函数的多峰特性，所导致的误捕获问题。

背景技术

全球导航卫星系统能够提供全天候、连续且实时的高精度地理位置信息及导航、授时信息、短分组通信等服务，其中北斗导航定位系统(BDS,Beidou system)是我国独立自主研发建设的。B1C信号是北斗卫星导航系统采用的新一代民用信号的主用信号，采用的是二进制偏移载波(binary offset carrier,BOC)信号进行调制。BOC调制信号由于其在频带边缘进行了子载波的调制，从而确保了更高的功率谱密度二阶矩，使得系统的定位更精确。本文所研究的调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号，不仅具有和BOC调制信号类似的子载波特性，而且在传输中还具有恒定包络的特点，拥有良好的定位精度、多径消除、抗干扰等优点。考虑到接收机的复杂度和对接收信号带宽的限制，通过选择合适的扩频波形、扩频速率以及调制指数，是可以找到一种比BOC更好的调制方案。

导航接收机要对接收信号进行解调，首先需要对信号进行同步，以保证接收机自身的伪码相位、载波频率与接收信号的码相位、载波频率保持一致，信号的同步由捕获和跟踪两个阶段实现，而捕获的质量直接决定了跟踪的效果，因此对信号的捕获在接收机的设计中至关重要。捕获问题是对码相位和多普勒频移进行的搜索问题，串行搜索捕获算法是对码相位时延和多普勒频移采用二维搜索的方式进行信号的捕获，虽然对硬件的消耗小，但捕获的效率并不高；并行码相位搜索算法，可以在某一多普勒频点上，经过一次计算就遍历所有的码相位，但这一算法难以适应大多普勒频率的情况；并行频域搜索算法利用了FFT的计算优越性，在码相位上同时搜索全部的频率，提高了搜索效率，但却受限于伪码长度。

捕获的关键在于计算出接收信号的相关函数，但调制指数h＞1的扩频CPM信号的相关函数具有多峰特性，这会导致在出现误捕获的情况，从而使得检测性能降低，但一直以来，都缺少对调制指数h＞1的扩频CPM信号捕获的研究。对于在信号捕获中自相关函数多峰特性的问题，Julien O等人采用ASPect方法，实现对Sine-BOC(n,n)的无模糊捕获，Calmettes等人对常用的BOC信号的无模糊捕获方法进行了分析，但这些方法对信号结构的要求严格，仅适用于BOC信号这样具有子载波调制的信号，而扩频CPM信号虽然具有与BOC信号类似的频谱特性和自相关函数的多峰特点，但他并没有进行子载波调制，因此无法采用这些方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明针对调制指数h大于1的扩频CPM信号捕获过程中出现的模糊问题，提出基于碰撞跳跃检测的扩频CPM信号捕获方法，并针对低信噪比下主检测函数和辅助检测函数零点错位问题做出改进。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号捕获方法，包括如下步骤：

步骤1：对接收信号进行采样处理，得到离散的接收信号；

步骤2：将接收信号和本地信号进行相关运算，得到接收信号的相关函数；

步骤3：通过最大似然概率准则，推导出检测函数的表达式；

步骤4：通过选择合适的检测间隔，构造主检测函数和辅助检测函数；

步骤5：根据主检测函数和辅助检测函数，通过碰撞跳跃检测算法检测相关函数的主峰的位置，从而确定码相位延时。

进一步，步骤1中，将调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号通过劳伦分解后，得到发送信号：

其中P

其中t

进一步，步骤2中，将接收信号与本地信号进行相关操作，得到相关函数：

这里的T

进一步，步骤3中，采用基于最大似然概率准则，推导出碰撞跳跃检测算法中的检测函数表达式为：

S(τ)＝|R(τ+δ)|

其中δ为检测间隔，R(τ)为接收信号的相关函数。

进一步，步骤4中，在相关函数上分别取超前(E点)、即时(P点)和滞后(L点)三个点，定义主检测函数η

η

其中δ

在相关函数上再取三个点，记为超超前(V

η

其中δ

进一步，步骤5中，通过碰撞跳跃检测算法，捕获到相关函数的峰值，从而得到估计的码相位延时，具体步骤如下：

(1)对主检测函数进行搜索，当η

(2)当η

(3)当超超前计数器C

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号的自相关函数有模糊性，在主峰两侧还有副峰，这会导致接收机对信号捕获时可能会捕获到副峰上，发生误捕获问题。针对自相关函数模糊的这一问题，本专利采用基于碰撞跳跃的检测方法，可以对调制指数h＞1且h为半整数的扩频CPM信号自相关函数的主峰进行有效的检测，进而完成捕获过程。在低信噪比的情况下，本专利所提方法的检测性能比采用Bump-Jump算法要高约4dB，能够更有效的实现低信噪比下对扩频CPM信号的捕获。除此之外，本专利还分析了调制指数和检测间隔对检测性能的影响，仿真结果表明，调制指数越小，检测性能越佳，辅助检测函数的检测间隔越接近最大检测间隔，检测新能就越好。

附图说明

图1是正确捕获下的检测函数曲线。

图2是正确捕获下的相关函数。

图3是错误捕获下的检测函数曲线。

图4是错误捕获下的相关函数。

图5是低信噪比导致零点错位。

图6是并行码相位搜索的捕获结果。

图7是不同调制指数下的码相位延时捕获结果。

图8是不同调制指数下的检测性能。

图9不同检测间隔下的检测概率曲线。

图10本发明中改进碰撞检测算法和Bump Jump算法检测性能的比较。

注：图1和图2是正确捕获时的情况，其中图1是主检测函数和辅助检测函数曲线，从图中可以看出，当正确捕获时，主检测函数η

图3和图4是错误捕获的情况，从图4中可以看出即时点(P点)处于副峰上，说明系统捕获到右侧的一个副峰，对应于图3的检测函数曲线，虽然主检测函数η

图5是低信噪比导致零点错位，当传输条件较差，信噪比很低时，受噪声影响，接收信号的相关函数会出现不对称，这会导致主检测函数和辅助检测函数在零点发生错位，当捕获到主峰时，虽然主检测函数η

图6是通过并行码相位搜索的方法对扩频CPM信号的捕获结果图，从图6中可以看出在多普勒频移和码相位时延所张成的二维平面上，出现了一个明显的相关峰值，说明成功捕获到了信号；图7是不同调制指数下的码延时捕获结果，仿真结果表明，当h<1的时候相关函数只有一个峰，当h＞1的时候相关函数出现多个副峰，且随着h的增大，副峰的数量也增加，由于调制指数h＞1的扩频CPM信号的多峰特性，使得扩频CPM信号在低信噪比的情况下捕获时，会发生误捕获。

图8是不同调制指数下的检测性能曲线，从图中可以看出检测概率曲线在三种调制指数下均随信噪比的增加而增加。在检测概率达到90％的条件下，调制指数h＝1.5时的检测性能要比h＝3.5时的检测性能高约3dB，调制指数h＝2.5时的检测性能要比h＝1.5时的检测性能高约1.7dB。这是由于随着h的增加，相关函数的副峰数量也随着增加，发生错误捕获的概率就会大大增加，说明调制指数约小，检测性能越好。

图9是不同检测间隔下的检测概率曲线，从仿真结果可以看出，检测概率曲线在三种不同的检测间隔下均随着信噪比的增加而增加，在检测概率达到90％的条件下，δ

图10是两种算法在调制指数h＝2.5时，进行300次蒙特卡洛仿真的检测概率比较结果，其中主检测函数间隔为0.01T

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

针对调制指数h大于1的扩频CPM信号捕获过程中出现的模糊问题，本发明提出基于碰撞跳跃检测的扩频CPM信号捕获方法，并针对低信噪比下主检测函数和辅助检测函数零点错位问题做出改进。本发明假设多普勒频率已经捕获，重点考虑码相位延时，为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

步骤一：首先将式(2)的接收信号与本地信号进行相关操作，得到的相关函数：

其中R

步骤二：接下来将基于最大似然概率准则，推导出碰撞跳跃检测算法中的检测函数，假设接收信号为：

n(t)为噪声，则

将括号打开，忽略无关项，可得到在低信噪比下的最大似然函数为：

其中

忽略无关项，将接收信号的自相关函数带入，得到检测函数的表达式：

S(τ)＝|R(τ+δ)|

步骤三：根据式(2)中的检测函数，以δ

η

其中R(τ)是接收信号与本地信号的相关函数。当主检测函数η

η

只有当主检测函数η

检测间隔δ

步骤四：最后通过碰撞跳跃检测算法，检测出相关函数的峰值，从而得到估计的码相位延时，具体步骤如下：

先对主检测函数进行搜索，当η

当主检测函数η

当计数器超过门限时，根据第一副峰标志位的数值，分为如下三种情况进行操作：①当计数器C

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。