DS信号伪码周期及码片速率估计的自相关法 (1)

第23卷第4期航天电子对抗

*国家自然科学基金项目(60602057),重庆邮电大学自然科学基金项目(A2006-04,A2006-86),重庆市教委自然科学基金项目(KJ060509),重庆市科委自然科学基金项目(CST C,2006BB2373)。

收稿日期:2007-02-01;2007-04-06修回。

作者简介:张天骐(1971-),男,副教授,博士,研究方向为通信信号的调制解调、盲处理、神经网络实现以及FPGA 、VLSI 实现;杨柳飞(1984-),女,硕士研究生,研究方向为移动通信信号的盲处理以及FPGA 、VLSI 实现;代少升(1974-),男,副教授,博士,研究方向为图像处理以及FPGA 、VLSI 实现;李雪松(1978-),男,硕士研究生,研究方向为智能信号与信息处理以及FPGA 、VLSI 实现。

DS 信号伪码周期及码片速率估计的自相关法*

张天骐,杨柳飞,代少升,李雪松

(重庆邮电大学移动通信重点实验室/信号处理与片上系统研究所,重庆 400065) 摘要: 直扩(DS)信号是高抗干扰低截获率信号,有关DS 信号及其参数的检测与估计具有重要的意义。DS 信号对抗的首要任务就是必须检测与估计到DS 信号及相关参数,包括伪码周期、码片速率等。但是由于DS 信号往往淹没在噪声中传播,致使常规的信号处理方法无法直接应用。针对DS 信号及其参数的检测与估计问题,综合了有关信号处理的相关处理方法,提出了一种可以检测DS 信号并同时估计其伪码周期、码片速率参数的自相关方法。理论分析和实验表明该方法在较低信噪比环境下能较好地工作。

关键词: DS 信号;伪码周期;码片速率;自相关法

中图分类号: TN975 文献标识码: A

Estimation of period and chip rate of pseudo -noise sequ ence for direct

sequence spread spectrum signals using correlation techniques

Zhang Tianqi,Yang Liufei,Dai Shaosheng,Li Xuesong

(Research Institute of Signal Pro cessing and System -On -Chip,Key Laboratory of Mobile Communication Technology,Chong qing U niversity of Posts and Telecomm unications,

ChongQing 400065,China)

Abstract:T he first task of DS sig nal countermeasur es is to detect and estimate the par ameters of DS sig nals,which include per iod and chip r ate of pseudo -noise (P N)sequence.Because the level o f DS pow er spectrum is very low ,the classical metho ds of signal detection and estimation co uld not be applied directly to the field of DS sig nal pro cessing.A iming at the pro blem of detection and parameter estimation of DS signals,the co rrelatio n metho ds of DS sig nal pr ocessing are sy nthesized,and a new method w hich can estimate the par ameters of period and chip rate of PN sequence simultaneously is pr oposed.T heory analysis and ex per iment results show the method can wo rk well in the hig h -level noise envir onment.

Key w ords:DS sig nal;perio d of P N sequence;chip rate of P N sequence;corr elation method

1 引言

直扩(DS)信号的功率谱密度通常很低,淹没在噪声中传播,带有明显的抗干扰性和抗截获性。因

此从它诞生以来,人们就想尽各种方法来对DS 信号

进行检测与估计,已经提出的方法有能量检测法、相关检测法、幂律包络检测法、二次谱分析法、倒谱分析法、高阶谱分析法和周期谱(谱相关)分析法等等。其中研究得较早较多的是相关检测法,该方法在一定程度上克服了DS 信号能量检测法的缺点(对背景噪声较敏感),甚至其在有窄带干扰情况下也具有较好的鲁棒性。相关域的检测方法一般是利用不同时刻噪声空间相互独立的特点,因而检测效果较先前的能量检测方法要好。纵观国内外DS 信号自相关检测法领域的研究,不难发现这种方法还有待综合和完善。

本文在前人有关工作的基础上综合了DS 信号

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处理的相关处理方法,提出了可以同时估计伪码周期和伪码速率的自相关估计器结构,该估计器在相关积分时延较大(可以和伪码周期比拟)时可用于估计DS 信号的伪码周期;而在相关积分时延较小(可以和伪码码片宽度比拟)时可用于估计DS 信号伪码速率(伪码码片宽度)。由于DS 信号易于用M 次方环(M PSK)、科斯塔斯环、逆调制环和判决反馈环等结构估计载频并解调,因此本文根据工程实际采用基带DS 信号,并且每位信息码由一周期伪码同步调制。

2 DS 信号模型

设被零均值方差为R 2n 的加性高斯白噪声n(t)污染了的基带DS 信号x (t)为:

x (t)=s(t -T x )+n(t)

(1)

式中,s (t )=d (t)p (t )是DS -SS 信号,p (t )=

E

]

j=-]

p j %N q (t -j T c )=

E

]

k=-]

c (t -kT 0),p j I {?

1},j =0,1,2,,,N -1是周期伪随机伪序列,%表示模除,d(t)=

E

]

k=-]

m k q (t -kT 0),m k I {?1}是均匀

分布的符号比特,并且有E[m k m l ]=D (k -1),D (#)是Dirac 函数,q(t)代表1个矩形切普脉冲,伪序列的周期T 0=N T c ,N 是伪序列的长度,T c 是切普周期。T x 是随机时延,它均匀分布在[0,T 0]上。因此s(t)可以表示成如下2种形式: s(t)=

E ]

k=-]m k c(t -kT 0)

=E

]k=-]

m k

E

N-1

j =0

p j q[t -(kN +j )T c ](2)

s(t)=

E

]

k,j=-]m k p (kN +j)%N q [t -(kN +j )T c ]=

E

]i=-]

a i q (t -iT c )

(3)

式中,c(t)=

E

N-1

j=0

p j q (t -j T c )为一周期伪码波形,a i

I {?1}是信息码调制伪码以后所得序列。从式(1)~(3)可以看出,在DS 信号中,T 0和T c

是2个重要的信号参数。本文的主要工作就是要在基本无先验知识的情况下从接收DS 信号中将它们估计出来,这对DS 信号的后续处理和细微特征分析具有重要的意义。

3 DS 信号参数估计的自相关方法

由于我们所采用的DS 信号是用一周期的伪码

来同步调制一位信息码,所以该信号在T x 时和1个T c 内有多个采样点时同为一周期平稳过程。平稳过程的自相关函数的性质为:

(1)若平稳过程x (t)满足条件x (t)=x (t +T $),则该过程为周期平稳过程,其中T $为过程的周期。周期平稳过程的自相关函数必定为周期函数,且它的周期与过程的周期相同。

(2)若平稳过程x (t)含有1个周期分量,则其相关函数也含有1个相同的周期分量。

可以用信号的自相关函数来估计DS 信号伪码的周期分量:码周期T 0和码片宽度T c 等参数。而且,更为重要的是使用自相关的方法还可以估计到DS 信号的伪码与信息码同步的起止时刻T x ,这对于将接收到的信号进行分段向量采样以及后续处理非常重要。

3.1 自相关检测算法推导和分析

将接收DS 信号按某个任意确定的周期(该周期一般包含多个信息码)分成时间上非重叠的数据段。对每一段数据,可以计算其自相关的估计:

R ^i xx

(S )=1

T

Q

T

x i (t)x i (t -S )d t

(4)

式中,{x i (t)|0[t [T,i =1,2,,,M}表示第i 段接收数据,R ^i xx (S )表示其自相关的估计,T 表示自相关函数积分时间,S 表示自相关时延。

用M 段数据,就能估计出自相关R ^i

xx (S )的二阶矩为:

V x (S )=

1

M

E

M

i=1

|R ^i xx (S )|2

(5)

它表示了自相关估计器输出起伏的1个度量。

该时域自相关估计器的结构如图1所示。

图1 自相关估计器的结构框图

当信道中仅有噪声,也就是噪声单独作用于估计器时,可以计算该起伏的理论均值和方差。

(1)V x (S )的理论均值

m (n)V =E{V x (S )}=E{|R ^n n (S )|2}(6)

可以得到:

m (n)V

=1

T

Q

]

-]

|S n (f )|2

d f

(7)

式中S n (f )=|G(f )|2R 2

n ,S n (f )是接收滤波器g(t)输

出端的噪声的功率谱密度,G(f )是接收滤波器的冲激响应g(t)的傅里叶变换,R 2

n 是噪声的方差。

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