專利名稱：跳頻通信中捕獲同步的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及跳頻通信中的同步問題，具體是運用自適應滑動 濾波方法改進了捕獲跳頻同步的相關器，可用于移動通信、衛(wèi)星通信、深空通信及遙測等領 域。
背景技術：
在現(xiàn)代通信中遇到的一個重要問題是抗干擾問題。隨著通信事業(yè)的發(fā)展，各類通 信網(wǎng)的建立，使得有限的頻譜資源更加擁擠，相互之間的干擾更為嚴重，如何防止和降低這 種相互之間的干擾，成為一大難題。目前通信中采用的抗干擾技術主要有①擴展頻譜技術；②開發(fā)強方向的毫米波 頻段；③加密技術；④猝發(fā)通信技術；⑤天線零向技術；⑥分集技術。在此我們著重討論擴 展頻譜技術中的跳頻擴頻通信，又稱FHSS (Frequency Hopping SpreadSystem)。實現(xiàn)跳頻 通信一般需要解決三個關鍵技術問題頻率合成、跳頻同步和地址編碼。保證跳頻通信系 統(tǒng)正常工作的關鍵技術之一是在數(shù)據(jù)發(fā)送時，能夠?qū)l(fā)送數(shù)字信號調(diào)制到一個較高的頻率 上，這樣，可以減少調(diào)制信號在信道傳輸?shù)倪^程中可能受到的影響，使接收方能夠通過下變 頻還原出發(fā)送的數(shù)據(jù)，并利用其來判斷跳頻同步的技術，而跳頻同步建立的快慢同步系統(tǒng) 的抗干擾能力，直接影響著跳頻系統(tǒng)的性能。因此，跳頻同步的實現(xiàn)是跳頻通信的重點之
ο現(xiàn)在的大量文獻已經(jīng)對跳頻同步做了深入的研究，如獨立信道法，需要專門的信 道來傳送專門的同步信息，優(yōu)點是傳送的同步信息量大，同步建立的時間短，并能不斷地傳 送同步信息，保持系統(tǒng)的長時間同步。但是它占用頻率資源和信號功率，其同步信息傳送方 式不隱蔽，易于受到噪聲及敵人干擾。為了使同步信息隱蔽，應采用盡量短的同步字頭，但 是同步字頭太短又影響傳送的同步信息量的多少，需折衷考慮。采用同步字頭法的跳頻系 統(tǒng)為了能保持系統(tǒng)的長時間同步，還需在通信過程中，插入一定的同步信息碼字。自同步法 在節(jié)省頻率資源和信號功率方面具有優(yōu)點，但由于發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字信息序列中所能隱含 的同步信息是非常有限的，所以在接收端所能提取的同步信息就更少、更容易受到其他信 號或噪聲的干擾。因此，在利用上述幾種方法來捕獲跳頻同步時，需要輸入信號的信噪比要 滿足一定的要求，當信噪比較大時，噪聲對有用信號的影響較小，在這樣的條件下，噪聲在 計算相關峰的過程中影響較小，得到的相關峰性能很好，可以很方便的判斷出相關峰的位 置，但是，當信噪比逐漸減小時，噪聲在信號中所占的比例不斷增大，會逐漸影響到有用信 號。在低信噪比情況下，由于噪聲具有不確定性，當對以噪聲信號為主體的信號進行相關計 算時，得到的相關峰的大小是雜亂的，會引起主峰和旁峰的比值減小，相關峰的性能惡化， 不利于確定相關峰的位置，難以實現(xiàn)跳頻同步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了一種跳頻通信中捕獲同步方法，以在信噪比比較低的情況下改善相關峰的主峰和旁峰的比值，減小性能損失，提高同步 概率，實時可靠地判斷收到的信息。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案，包括如下步驟(1)在接收機中的相關器前端插入滑動平均濾波器；(2)利用滑動平均濾波器對接收信號χ (η)進行濾波，得到濾波后的信號y (η)；(3)在相關器輸入端，利用濾波后的信號y (η)與本地序列進行相關運算，得到相 關圖的主旁峰比值；(4)將得到的主旁峰比值與設定的主旁峰門限G進行比較，G >= 3，如果主旁峰 比值大于等于G，則判為跳頻信號同步出現(xiàn)，反之則不是同步信號。所述的滑動平均濾波器，是通過一個長度設定的窗口滑動截取原信號，用滑動窗 口內(nèi)的全部時刻點的輸入信號的平均值代替滑動窗口內(nèi)某個時刻點的輸入信號值。所述的利用滑動平均濾波器對接收信號χ (η)進行濾波，通過下式進行
1n+ky(n)----- y x(i)
m+k+1 ,么式中，m表示滑動窗口的第一個輸入時刻點，k表示滑動窗口的最后一個輸入時刻 點，η表示滑動窗口的當前輸入時刻點。本發(fā)明由于在接收機中插入滑動濾波器，因此可以在較低的信噪比條件下，以較 高的正確率判斷出發(fā)送的同步序列，較大的改善了同步的性能；同時由于滑動濾波器的原 理簡單、計算復雜度低、消耗時間少，所以利用滑動平均濾波器對接收信號x(n)濾波，能夠 滿足實時性通信的要求，并且可以節(jié)省發(fā)射功率。


圖1本發(fā)明實現(xiàn)的流程2窗口長度為9的滑動平均濾波器的幅頻特性圖3是未使用滑動平均濾波器，信噪比為OdB時得到的仿真相關4是未使用滑動平均濾波器，信噪比為-IOdB時得到的仿真相關5是采用滑動平均濾波器后，信噪比為OdB時得到的仿真相關6是采用滑動平均濾波器后，信噪比為-IOdB時得到的仿真相關圖
具體實施例方式以下結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實現(xiàn)步驟，本實施例取同步序列為 8BB9A4D75AC2FCC6，但不限于該序列。步驟1，插入滑動平均濾波器對接收信號χ (η)進行濾波。在接收機的前端插入滑動平均濾波器，滑動平均濾波器有低通特性，例如一個窗 口長度為9的濾波器，其單位沖擊響應的幅頻特性可用其2048比特的fft變換表征，如圖 2所示，該低通濾波器的幅頻特性比較符合信號的幅頻特性，這樣能夠很好的濾除信號中的 噪聲，本發(fā)明采用的滑動平均濾波器，就是通過一個長度設定的窗口滑動截取原信號，用滑 動窗口內(nèi)的全部時刻點的輸入信號的平均值代替滑動窗口內(nèi)某個時刻點的輸入信號值。步驟2，選擇滑動平均濾波器窗口長度。
滑動平均濾波器窗口的長度是通過自適應選擇方式確定，具體步驟如下2a)將窗口長度預設為9，進行濾波相關取得一個主旁峰比值；2b)在預設定的窗口長度上加1，再對后續(xù)的信號濾波相關，獲得新的主旁峰比 值；2c)將兩次主旁峰比值進行比較，若新的主旁峰比值大于2a)中 的主旁峰比值，則 窗口長度繼續(xù)加1，反之，將窗口長度減1 ；2d)在不斷的濾波相關過程中，如果新的主旁峰比值比舊的主旁峰比值大，就對窗 口長度進行與上次操作一樣的處理，如果新的主旁峰比值比舊的主旁峰比值小，則進行相 反的處理；2e)如果窗口長度減小到1，再按步驟2d)處理，使窗口長度改變?yōu)?，如果出現(xiàn)這 種情況，則取窗口長度為1 ；通過步驟2a) 2e)，得到表1，從表1中可以清楚的看到自適應濾波器在不同信 噪比下，窗口長度為9時，主旁峰比值是最佳的，因此本項目采用窗口長度固定為9的滑動 平均濾波器；表1不同窗口長度和信噪比下的相關圖的主旁峰比值
比 \窗
\\長 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
sni _____________-10 1.611.862.372.552.792.942.973.083.063.042.91 -5 3.173.744.264.754.594.774.924.604.363.893.59
0__5.435.616.416.066.435.815.735.134.664.223.61
5__6.876.607.316.736.976.255.965.404.664.323.58
10 7.827.867.907.767.156.515.895.634.563.923.52步驟3，接收機利用滑動平均濾波器對輸入信號χ (η)進行濾波。3. 1)輸入信號χ (η)的獲得本實例的χ (η)是通過發(fā)送端對同步序列采用MSK調(diào)制，每個碼元取8個采樣得到 調(diào)制信號s(n)，s (η)為本地序列，然后s(n)再經(jīng)過信道到達接收機的信號χ (η)，共有512 個離散值，它包括同向分量和正交分量；3. 2)利用滑動平均濾波器對信噪比為Odb和-IOdb時得到的輸入信號X(Ii)進行 濾波得到信號y (η)
1η +ky(n)------- y x(i)
m+k+1 ^m式中，m表示滑動窗口的第一個輸入時刻點，k表示滑動窗口的最后一個輸入時刻 點，η表示滑動窗口的當前輸入時刻點；m+k+1是預設窗口長度，其值為9其中m = 3，k = 5 ；3. 3)利用matlab軟件編程，進行具體計算。步驟4，在相關器輸入端，利用濾波后的信號y (η)與本地序列進行相關運算。4. 1)通過下式進行相關運算<formula>formula see original document page 6</formula>
式中D為本地序列長度，S；表示本地序列的復共軛，yi+J表示與yi相隔j個點的 輸出信號值；4. 2)用matlab軟件對相關值進行繪圖，得到相關圖；4. 3)根據(jù)相關圖，計算相關值的最高峰與最低峰的絕對值之比，得到主旁峰比值。步驟5，將得到的主旁峰比值與設定的主旁峰門限G進行比較，G >= 3，如果主旁 峰比值大于等于G，則判為跳頻信號同步出現(xiàn)，反之則不是同步信號。本發(fā)明的效果可以通過以下仿真進一步說明1.仿真的內(nèi)容對未使用滑動平均濾波器，信噪比為OdB時的相關圖進行仿真，結(jié)果如圖3 ；對未使用滑動平均濾波器，信噪比為-IOdB時的相關圖進行仿真，結(jié)果如圖4 ；對使用滑動平均濾波器后，信噪比為OdB時的相關圖進行仿真，結(jié)果如圖5 ；對使用滑動平均濾波器后，信噪比為-IOdB時的相關圖進行仿真，結(jié)果如圖6。2.仿真結(jié)果比較通過圖3與圖4可以看出，現(xiàn)有的相關算法在信噪比較高的條件下，其相關性能較 好，如圖3中相關峰主峰與旁峰的比值達到3. 97左右，而圖4中隨著信噪比的下降，相關峰 主峰與旁峰的比值下降到1. 12左右；可見隨著信噪比的下降，相關峰主峰與旁峰的比值沒 有超過設定的門限，這樣就不能進行正確判決，門限一般定義為主峰是旁峰峰值的3-5倍 以上。從圖5可以看出，當采用了平均滑動濾波器后，在信噪比為OdB時，相關峰主峰與 旁峰的比值為6. 5以上，遠大于圖3得到的相關峰主峰與旁峰的比值3. 97 ；從圖6可以看出當采用了平均滑動濾波器后，在信噪比為-IOdB時，相關峰主峰與 旁峰的比值為3. 9左右，遠大于圖4得到的相關峰主峰與旁峰的比值1. 12 ；可見在采用了平均滑動濾波器后隨著信噪比的下降，即使在較低信噪比條件下， 相關峰主峰與旁峰的比值還是能夠超過所設定的門限，可以得到一個較好的相關性能，這 對判斷同步提供了有力的幫助，完全可以滿足通信系統(tǒng)實時處理的要求。
權利要求
一種跳頻通信中捕獲同步的方法，包括如下步驟(1)在接收機中的相關器前端插入滑動平均濾波器；(2)利用滑動平均濾波器對接收信號x(n)進行濾波，得到濾波后的信號y(n)；(3)在相關器輸入端，利用濾波后的信號y(n)與本地序列進行相關運算，得到相關圖的主旁峰比值；(4)將得到的主旁峰比值與設定的主旁峰門限G進行比較，G＞＝3，如果主旁峰比值大于等于G，則判為跳頻信號同步出現(xiàn)，反之則不是同步信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的捕獲同步的方法，其中步驟(1)所述的滑動平均濾波器，是通 過一個長度設定的窗口滑動截取原信號，用滑動窗口內(nèi)的全部時刻點的輸入信號的平均值 代替滑動窗口內(nèi)某個時刻點的輸入信號值。
3.根據(jù)權利要求2所述的捕獲同步的方法，其中窗口的長度設定，是將的窗口長度固 定選擇為一個常數(shù)L> = 1。
4.根據(jù)權利要求2所述的捕獲同步的方法，其中窗口的長度設定，是按如下步驟進行 自適應選擇4a)將窗口長度預設為9，進行濾波相關取得一個主旁峰比值；4b)在4a)設定的窗口長度上加1，再對后續(xù)的信號濾波相關，獲得新的主旁峰比值；4c)將兩次主旁峰比值進行比較，若新的主旁峰比值大于4a)中的主旁峰比值，則窗口 長度繼續(xù)加1，反之，將窗口長度減1 ；4d)在不斷的濾波相關過程中，如果新的主旁峰比值比舊的主旁峰比值大，就對窗口長 度進行與上次操作一樣的處理，如果新的主旁峰比值比舊的主旁峰比值小，則進行相反的 處理；4e)如果窗口長度減小到1，再按步驟4d)處理，使窗口長度改變?yōu)?，如果出現(xiàn)這種情 況，則取窗口長度為1。
5.根據(jù)權利要求1所述的捕獲同步的方法，其中步驟(2)所述的利用滑動平均濾波器 對接收信號x(n)進行濾波，通過下式進行<formula>formula see original document page 2</formula>式中，m表示滑動窗口的第一個輸入時刻點，k表示滑動窗口的最后一個輸入時刻點，n 表示滑動窗口的當前輸入時刻點。
6.根據(jù)權利要求1所述的捕獲同步的方法，其中步驟(3)所述的利用濾波后的信號 y(n)與本地序列進行相關運算，得到相關圖的主旁峰比值，按如下步驟進行；6a)通過下式計算進行相關運算<formula>formula see original document page 2</formula>式中K為本地序列長度，s；表示本地序列的復共軛，yi+J表示與yi相隔j個點的輸出 信號值；6b)用matlab軟件對相關值進行繪圖，得到相關圖；6c)根據(jù)相關圖，計算相關值的最高峰與最低峰的絕對值之比，得到主旁峰比值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自適應滑動濾波器改進捕獲跳頻同步的方法，主要解決現(xiàn)有技術在信噪比低的情況下正確判斷同步序列概率低的問題。其實現(xiàn)步驟是，1)在接收機中的相關器前端插入滑動平均濾波器；2)利用滑動平均濾波器對接收信號x(n)進行濾波，得到濾波后的信號y(n)；3)在相關器輸入端，利用濾波后的信號y(n)與本地序列進行相關運算，得到相關圖的主旁峰比值；4)將得到的主旁峰比值與設定的主旁峰門限G進行比較，G＞＝3，如果主旁峰比值大于等于G，則判為跳頻信號同步出現(xiàn)，反之則不是同步信號。本發(fā)明能夠在較低的信噪比條件下，以較高的正確率判斷出發(fā)送的同步序列，較大的改善了同步的性能，可用于移動通信、衛(wèi)星通信、深空通信及遙測領域。
文檔編號H04B1/713GK101834632SQ201010149520
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者萬佳君, 吳小均, 孫錦華, 張俊絨 申請人:西安電子科技大學