CN102611655B - 一种水声二相调制直扩信号基带码提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法，该提取方法包括以下步骤：第一步：获取数据序列；第二步：检测和估计数据序列的载波频率和伪码速率；第三步：提取基带信号；第四步：估计相位曲线；第五步：通过平滑处理得到第一次平滑曲线；第六步：通过平滑处理得到平滑曲线；第七步：估计基带波形；第八步：对基带波形进行修正；第九步：对修正后的基带信号波形进行基带码的提取。该提取方法能够在获得载波频率和伪码速率估计后，通过基带信号相位跳变获得基带信号波形的估计和基带码的提取，过程简单，所需先验信息较少。

Description

一种水声二相调制直扩信号基带码提取方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体来说，涉及一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法。

背景技术

在水声通信与探测领域，二进制移相键控(英文全称Binary Phase Shift Keying，简称BPSK)是一种应用非常广泛的调制方式，不仅用于常规通信方式，也用于直接序列扩频方式，其特点是利用相位跳变来反映编码的变化。水声***中，不仅需要对敌方发射的信号进行截获检测，同时也希望对信号参数进行估计，获得尽可能多的信息。对于相位调制直扩信号的参数估计，国内外文献中给出了载频、伪码周期、码速率的估计方法，但对于基带码(载波调制前的“0”、“1”序列，对于二相调制，一般用“1”和“-1”来表示二进制码)序列提取的研究相对较少，该问题一直是直扩信号侦察研究中的一大难点，Burel G、Bouder C和我国的张天骐等研究了基于矩阵分解的基带码序列估计方法，张天骐在早期研究中还利用神经网络实现了码序列的估计。矩阵分解的方法需要知道伪码周期、码率等参数，且计算量较大，不利于实时处理；而神经网络方法需要知道更多的先验信息，如伪码周期、码率以及伪码起止时刻，而伪码起止时刻的估计在非合作条件下是非常困难的。另外在水声领域，水声信道是一种时变、空变、频变的复杂信道，经过信道传输后的信号幅度、频率、相位均产生畸变，而上述方法并没有针对水声信道的特殊性开展研究。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法，该方法能够在获得载波频率和伪码速率估计后，通过基带信号相位跳变获得基带波形的估计和基带码的提取，过程简单，所需先验信息较少。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法，该提取方法包括以下步骤：

第一步：获取数据序列x(n)：接收长度为N的实时采集数据或提取N点存储的现成数据作为待处理的数据序列x(n)，n＝0，1，2，L，N-1；

第二步：检测和估计数据序列x(n)的载波频率和伪码速率：首先利用直扩信号检测方法检测第一步的数据序列x(n)中是否存在二相直扩信号，如果存在二相直扩信号，则利用直扩信号参数估计方法估计出数据序列x(n)的载波频率和伪码速率如果不存在二相直扩信号，则返回第一步或结束操作；

第三步：提取基带信号y(n)：利用第二步估计出的数据序列x(n)的载波频率对数据序列x(n)进行移频处理，将x(n)搬移到基带，得到基带信号y(n)；

第四步：估计相位曲线利用式(1)对第三步提取的基带信号y(n)估计相位曲线

式(1)

式(1)中，n＝0，1，L，N-1，tan^-1()为反正切函数；

第五步：通过平滑处理得到第一次平滑曲线利用式(2)对第四步估计的相位估计曲线进行平滑处理，得到第一次平滑曲线

式(2)

在式(2)中，m＝0，L，N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M＜N；

第六步：通过平滑处理得到平滑曲线对第五步得到的第一次平滑曲线利用式(3)再次进行平滑处理，得到平滑曲线

式(3)

在式(3)中，n＝0，L，N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M＜N；

第七步：估计基带波形s(n)：根据第六步得到的平滑曲线的正负变换情况，估计基带波形s(n)，即

第八步：对基带波形s(n)进行修正：根据码片时间T_p，对s(n)进行修正，得到修正后的基带信号波形其中，码片时间T_p为伪码速率R_p的倒数；

第九步：对修正后的基带信号波形进行基带码的提取：将第八步得到的修正后的基带信号波形的各连续部分按照码片时间T_p进行分段，得到分段个数k_i，k_i＝[T_i/T_p]，T_i表示第i个连续部分波形的时间长度，T_p表示码片时间，k_i＝[T_i/T_p]表示T_i除以T_p后的结果四舍五入取整，令基带码码值与所对应第i个连续部分波形值一致，得到第i个连续部分波形对应的基带码序列d[m_i]，m_i＝0，1，L，k_i-1，然后按照连续部分波形的顺序，将所有连续部分波形的基带码序列d[m_i]组合起来，完成基带信号波形对应的基带码序列的提取。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的提取方法能够在获得载波频率和伪码速率估计后，通过基带信号相位跳变获得基带波形的估计和基带码的提取，实用性强。二相直扩信号基带信号的幅度跳变可以反映二元码值的变化，在非合作条件下，利用载波频率移频处理后可以获得基带信号的估计，通过基带信号幅度的变化可以估计基带信号原始波形(幅度为1或-1)。但水声信道传输后使得接收信号的幅度起伏很大，无法利用波形正负变化来判断基带信号幅度的跳变情况，即使采用更为复杂的判断方法，错误判断的概率也较高。而相位信息反映了波形的变化情况，并且受幅度起伏变化的影响较小。因此，本发明的提取方法利用了二相调制基带信号相位跳变与波形跳变一致的特点，通过相位的正负变化来判断基带波形的跳变情况，降低了水声信道传播造成的信号畸变的影响，适用于水声信号的处理，实用性强。

2.本发明的提取方法过程简单，所需先验信息较少。本发明的提取方法中只用到了载频和伪码速率参数的估计结果，没有用到伪码起止时刻，需要的已知信息比基于神经网络的方法少。在非合作条件下，所有信息都是未知的，需要的已知信息全部为估计结果，而估计总是存在偏差，因此提取方法需要用到的已知信息越少，方法越易实现，并且受到先验信息估计偏差的影响也越小。

3.本发明的提取方法的计算量小，易于实现实时处理。本发明的提取方法算法也较为简单，不需要复杂的计算过程，其中的希尔伯特变换、平滑处理占主要计算量，但都可以利用快速傅里叶变换方法实现。在实际***中，算法越简单、计算量越小对硬件和软件要求就越低，易于实现实时处理。

4.本发明的提取方法利用对相位曲线的两次平滑处理和对基带波形估计的修正处理，降低了提取过程对信噪比的要求。在低信噪比条件下，相位估计曲线受到噪声影响部分样本点出现跳变错误，平滑处理可以降低单点处的噪声方差，进而提高输出信噪比。在同样的信噪比条件下，提高判断准确性，即估计精度，而同样估计精度下，可以对应更低的输入信噪比。利用伪码速率估计值对基带信号波形估计结果修正处理同样可以降低噪声的影响，提高估计精度，或适应更低的输入信噪比。

附图说明

图1所示为本发明的提取方法流程图。

图2所示为本发明实施例1中待处理的二相调制直扩信号波形示意图。

图3所示为实例1中二相调制直扩信号仿真信号的基带信号波形图。

图4所示为实例1中经过调制的二相调制直扩信号仿真信号波形。

图5所示为实例1中在信噪比为-5dB的情形下，叠加了背景噪声后的接收信号仿真波形图。

图6所示为实例1中基带信号相位估计曲线；图中，实线为相位估计结果，虚线为用于比较的实际基带信号波形。

图7所示为实例1中估计的基带信号相位估计曲线经过两次平滑处理后的结果；图中，实线为平滑处理后的相位估计曲线，虚线为用于比较的实际基带信号波形。

图8所示为实例1中基带信号波形的估计结果；图中，实线为估计结果，虚线为用于比较的实际基带信号波形。

图9所示为实例1中基带码序列的提取结果。

图10所示为实例1中实际基带码序列。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法，包括以下步骤：

第一步：获取数据序列x(n)：接收长度为N的实时采集数据或提取N点存储的现成数据作为待处理数据序列x(n)，n＝0，1，2，L，N-1。

在第一步中，采样数据可以通过数据采集器采集。

第二步：检测和估计数据序列x(n)的载波频率和伪码速率：首先利用直扩信号检测方法检测第一步的数据序列x(n)中是否存在二相直扩信号，如果存在二相直扩信号，则利用直扩信号参数估计方法估计出数据序列x(n)的载波频率和伪码速率如果不存在二相直扩信号，则返回第一步或结束操作。

在第二步中，直扩信号检测方法和直扩信号参数估计方法均属于现有技术，例如，期刊《电子与信息学报》2008年30卷第4期刊登的《基于延迟相乘-相关及谱分析的直扩信号检测与符号周期、码片时宽估计分析》文章中，以及期刊《舰船电子对抗》31卷第3期刊登的《一种同时估计直扩信号伪码周期及码片速率的方法》文章中都对直扩信号检测方法和直扩信号参数估计方法予以解释。

第三步：提取基带信号y(n)：利用第二步估计出的数据序列x(n)的载波频率估计结果对数据序列x(n)进行移频处理，将x(n)搬移到基带，得到基带信号y(n)。

第三步包括以下两个步骤：

301.对数据序列x(n)进行希尔伯特变换，得到数据序列x(n)的解析信号x_p(n)，其中，

式(4)

在式(4)中，j表示虚数单位，即 为x(n)的希尔伯特变换；

302.将步骤301得到的解析信号x_p(n)乘以搬移信号得到基带信号y(n)；

$y\left(n\right)=x_p\left(n\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}{\hat{f}}_{c}n/f_s\}$ 式(5)

在式(5)中，n＝0，1，2，L，N-1，j表示虚数单位，即f_s为采样频率，为第二步估计的数据序列x(n)的载波频率。

第四步：估计相位曲线利用式(1)对第三步提取的基带信号y(n)估计相位曲线

式(1)

式(1)中，n＝0，1，L，N-1，tan^-1()为反正切函数。

第五步：通过平滑处理得到第一次平滑曲线利用式(2)对第四步估计的相位估计曲线进行平滑处理，得到第一次平滑曲线

式(2)

在式(2)中，m＝0，L，N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M＜N；对于边界点数据，平滑点数等于实际可以取到的数据，如m＝0时，M＝1；m＝1时，M＝3。

第六步：通过平滑处理得到平滑曲线对第五步得到的第一次平滑曲线利用式(3)再次进行平滑处理，得到平滑曲线

式(3)

在式(3)中，n＝0，L，N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M＜N；

第七步：估计基带波形s(n)：根据第六步得到的平滑曲线的正负变换情况，估计基带波形s(n)，即

第八步：对基带波形s(n)进行修正：根据码片时间T_p，对s(n)进行修正，得到修正后的基带信号波形其中，码片时间T_p为伪码速率R_p的倒数；

在第八步中，s(n)的修正过程是：设定连续“1”或“-1”的持续时间小于或等于T的波形部分为噪声引起的非正常基带波形，令这段波形值改取另一码值；持续时间大于T的波形部分不变，从而得到修正后的基带信号波形T表示时间门限，且T＜T_p。作为一种优选方案，T＜T_p/2。

第九步：对修正后的基带信号波形进行基带码的提取：将第八步得到的修正后的基带信号波形的各连续部分按照码片时间T_p进行分段，得到分段个数k_i，k_i＝[T_i/T_p]，T_i表示第i个连续部分波形的时间长度，T_p表示码片时间，k_i＝[T_i/T_p]表示T_i除以T_p后的结果四舍五入取整，[]表示对方括号内的数值四舍五入取整。令基带码码值与所对应第i个连续部分波形值一致，得到第i个连续部分波形对应的基带码序列d[m_i]，m_i＝0，1，L，k_i-1。例如，第i个部分连续波形时间长度为T_i，除以码片时间T_p得到分段个数k_i＝[T_i/T_p]，那么得到k_i个基带码序列d[m_i]，m_i＝0，1，L，k_i-1，其值为第i部分波形的值，即波形值为“1”时，d[m_i]＝1；波形值为“-1”时，d[m_i]＝-1。然后按照连续部分波形的顺序，将所有连续部分波形的基带码序列d[m_i]组合起来，完成基带信号波形对应的基带码序列的提取，即获得待处理数据序列x(n)的基带码的提取结果。

水声信道传播对信号幅度影响较大，直接利用基带信号幅度变化估计基带码波形是非常困难的，而信号的相位跳变受信道影响较小，并且相位的跳变与基带波形变化是一致的，因此，本发明提出一种基于相位变化来提取二相直扩信号基带码的方法，该方法具有良好的实用性。本发明的原理利用了基带信号相位曲线跳变与基带波形跳变一致的特点，通过对基带波形相位曲线的估计，来实现水声二相直扩信号基带码波形的估计与码序列的提取。首先估计信号载频，将信号解调到基带信号，再对基带信号估计相位，并通过两次平滑处理降低噪声影响，最后通过对相位曲线跳变情况的判决以及伪码速率获得基带码波形的估计和基带码序列的提取。本发明的提取方法过程较之背景技术提供的两种方法更为简单，且所需先验信息较少。

实施例1

仿真信号参数为：采样频率f_s＝50KHz，载波频率f_c＝5KHz(仿真信号的真实频率为f_c，为载频的估计结果)，伪码阶数为5，一个码片内的载波周期数为8，此时码片时间T_p为1.6ms，信号幅度A₀＝1，叠加零均值高斯白噪声，方差σ²的大小由信噪比SNR决定： $\mathrm{SNR}=10\lg (A_0^2/2{\mathrm{\σ}}^2).$

图2是BPSK(中文为“二进制移相键控”，英文全称“Binary Phase Shift Keying”，简称“BPSK”)信号的波形示意图。图2中，虚线为基带信号波形，实线为经过调制后的信号波形。图2中，s(t)表示二相调制直扩信号，T_p为码片时间，a_k为二进制基带码序列，A₀为信号幅度。从图2中可以看出，通过基带信号幅度的正负变化实现载波相位的二相调制。

图3是仿真信号的基带信号波形。图4是经过调制后的仿真信号波形。图5是在信噪比为-5dB的情形下，叠加了背景噪声后的接收信号仿真波形图。以该仿真信号模拟接收到的受噪声污染后的采样信号x(n)，n＝0，1，…，N-1，N＝24800。下面对信号x(n)进行基带码的提取。

首先通过希尔伯特变换得到x(n)的解析形式x_p(n)，再对x_p(n)进行频谱搬移，得到基带数据y(n)，估计y(n)的相位曲线由于噪声的影响，的波动较大，如图6中黑色实线所示。图6中白色虚线为基带信号波形。如果直接通过的跳变估计基带信号波形，在低信噪比下将会造成严重的错误，进而影响到基带码的提取准确性。但总体的变化趋势与白色虚线所示的基带信号是一致的，因此本发明通过两次平滑处理来降低噪声的影响。图7中实线为两次平滑处理后的结果虚线为基带信号波形。从图7中可以看出，经过平滑处理后的曲线其正负变化情况基本与基带信号波形一致。

根据两次平滑处理后的平滑曲线的正负变化情况，估计基带信号波形s(n)，即时，s(n)＝1，否则s(n)＝-1。图8中实线为基带信号波形估计结果，虚线为实际基带信号波形。从图8中可以看出，两者变化情况完全一致(实际基带信号的幅度设定为1.1是为了在图中能够与估计信号区分开，二相调制信号的关键信息是通过波形的正负变化来反映，一般不关心幅度的大小，因此可以乘以任意的系数)。估计出基带信号波形后，根据码片时间可以获得基带码序列的估计，估计结果如图9所示。图9中是估计出的基带码序列。图10是实际基带码序列。通过对比图9和图10，我们可以看出，利用本发明提取的基带码序列与实际基带码序列完全一致。

Claims (1)

1.一种水声二相调制直扩信号基带码的提取方法，其特征在于，该提取方法包括以下步骤：

第一步：获取数据序列x(n)：接收长度为N的实时采集数据或提取N点存储的现成数据作为待处理的数据序列x(n),n=0,1,2,…,,N-1；

第二步：检测和估计数据序列x(n)的载波频率和伪码速率：首先利用直扩信号检测方法检测第一步的数据序列x(n)中是否存在二相直扩信号，如果存在二相直扩信号，则利用直扩信号参数估计方法估计出数据序列x(n)的载波频率和伪码速率如果不存在二相直扩信号，则返回第一步或结束操作；

第三步：提取基带信号y(n)：利用第二步估计出的数据序列x(n)的载波频率对数据序列x(n)进行移频处理，将x(n)搬移到基带，得到基带信号y(n)；

第四步：估计相位曲线利用式（1）对第三步提取的基带信号y(n)估计相位曲线

   式（1）

式（1）中，n=0,1,…,N-1，tan^-1()为反正切函数；

第五步：通过平滑处理得到第一次平滑曲线利用式（2）对第四步估计的相位估计曲线进行平滑处理，得到第一次平滑曲线

   式（2）

在式（2）中，m=0,…,N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M<N；

第六步：通过平滑处理得到第二次平滑曲线对第五步得到的第一次平滑曲线利用式（3）再次进行平滑处理，得到平滑曲线

   式（3）

在式（3）中，n=0,…,N-1；M为平滑处理的窗长，M为奇数，且M<N；

第七步：估计基带信号波形s(n)：根据第六步得到的平滑曲线的正负变换情况，估计基带波形s(n)，即

第八步：对基带信号波形s(n)进行修正：根据码片时间T_p，对s(n)进行修正，得到修正后的基带信号波形其中，码片时间T_p为伪码速率的倒数；

第九步：对修正后的基带信号波形进行基带码的提取：将第八步得到的修正后的基带信号波形的各连续部分按照码片时间T_p进行分段，得到分段个数k_i，k_i=[T_i/T_p]，T_i表示第i个连续部分波形的时间长度，T_p表示码片时间，k_i=[T_i/T_p]表示T_i除以T_p后的结果四舍五入取整，令基带码码值与所对应第i个连续部分波形值一致，得到第i个连续部分波形对应的基带码序列d[m_i]，m_i=0,1,…,k_i-1，然后按照连续部分波形的顺序，将所有连续部分波形的基带码序列d[m_i]组合起来，完成基带信号波形对应的基带码序列的提取。