基于重采樣技術(shù)的短碼直擴(kuò)信號偽碼估計

，，

(國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037)

0 引言

直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)通信具有優(yōu)異的抗干擾能力、多址能力、保密和抗多徑性能，因而被廣泛地應(yīng)用于無人機(jī)遙控、衛(wèi)星導(dǎo)航和3G蜂窩手機(jī)等軍事和民用通信系統(tǒng)中。短碼直接序列擴(kuò)頻是用一個周期偽碼序列(Pseudo Noise Code，PN Code)去調(diào)制一個信息碼元，是目前應(yīng)用較為廣泛和研究較多的直擴(kuò)體制[1]。

在通信對抗行動中，通信偵察方期望獲得敵方直擴(kuò)通信的擴(kuò)頻偽碼序列，進(jìn)而解擴(kuò)得到信息序列。然而作為非合作方所能獲得的有關(guān)通信協(xié)議十分有限，因此如何利用有限的先驗(yàn)知識快速而準(zhǔn)確地從截獲信號中估計擴(kuò)頻偽碼序列就是極為重要和迫切需要解決的。

目前常見的短碼直擴(kuò)信號的偽碼估計方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[2]、時域相關(guān)檢測方法[3-4]、矩陣特征分解方法[5-7]等。這些方法要求先以整數(shù)倍碼元速率的采樣率對空中信號進(jìn)行采樣，然后從采樣信號解調(diào)得到基帶0/1偽碼采樣序列，再按一定間隔從中提取出擴(kuò)頻偽碼。然而非合作方偵收到的信號一般質(zhì)量較差，直接從空中采樣信號解調(diào)基帶0/1序列會有較大誤碼，給擴(kuò)頻偽碼估計的準(zhǔn)確性帶來很大影響；另一方面，實(shí)際中偵察獲取采樣信號時，采樣設(shè)備所能提供的采樣率難以與直擴(kuò)信號碼元速率成整數(shù)倍關(guān)系，使得每個碼元上的采樣點(diǎn)數(shù)不相一致，提取擴(kuò)頻偽碼時的抽樣判決點(diǎn)的正確選擇變得十分困難，方法估計性能大為下降，魯棒性難以得到滿足，距離實(shí)際的工程應(yīng)用還有較大差距。

本文針對上述估計方法存在的問題，提出了基于重采樣技術(shù)的短碼直擴(kuò)信號偽碼估計方法。該方法能夠克服非整數(shù)倍碼元速率的采樣率情況下偽碼估計時抽樣判決點(diǎn)選取的不確定性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性和可靠性。

1 基本理論

1.1 信號模型

圖1所示為短碼直擴(kuò)信號的發(fā)射和接收處理模型[1]。

假設(shè)擴(kuò)頻信號通過加性高斯白噪聲信道，接收機(jī)收到信號經(jīng)過混頻濾波，得到中頻信號[8]：

r(t)=d(t)p(t)cosω0t+n(t)

(1)

以采樣率fs對r(t)進(jìn)行等間隔采樣，得到離散的數(shù)字中頻信號：

r(n)=d(n)p(n)cosω0n+n(n)

(2)

1.2 重采樣機(jī)理

由于本文研究的是基于非整數(shù)倍碼元速率的采樣率情況，因而需要做非整數(shù)倍的采樣率變換?？梢韵茸鱅倍內(nèi)插再作D倍抽取來實(shí)現(xiàn)，即將采樣率變?yōu)樵瓉淼腎/D倍，需要注意的是必須內(nèi)插在前、抽取在后，以確保中間序列的譜寬度滿足信號無失真恢復(fù)的最小要求。非整數(shù)倍采樣率變換的實(shí)現(xiàn)框圖[9]如圖2所示。

圖中將2個級聯(lián)的低通濾波器等效為1個低通濾波器，帶寬為minπ/D,π/I，I表示I倍內(nèi)插器，D表示D倍抽取器。

2 偽碼估計方法

一段受到空中噪聲污染的短碼直擴(kuò)信號的中頻采樣信號波形如圖3所示。

本文方法直接對接收端中頻采樣的空中信號做處理，處理流程如圖4所示。

首先估計出偽碼采樣信號周期和偽碼起始點(diǎn)兩個參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信號重采樣，最后實(shí)現(xiàn)偽碼估計。

2.1 相關(guān)參數(shù)估計

2.1.1偽碼采樣信號周期估計

(3)

式中，M為數(shù)據(jù)分段數(shù)，L為每段數(shù)據(jù)包含的采樣點(diǎn)數(shù)；Sm(τ)為第m段數(shù)據(jù)的自相關(guān)值，P(τ)為分段自相關(guān)的模和。

對圖3所示的中頻采樣信號進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)分段，畫出自相關(guān)疊加譜圖如圖5所示。

2.1.2偽碼起始點(diǎn)估計

窗口1每滑動一個采樣點(diǎn)，窗口2要滑動一個區(qū)間的采樣點(diǎn)，計算內(nèi)積值prt=〈w1,w2〉，則可得到一個內(nèi)積值數(shù)組，以其中的最值作為窗口1的起點(diǎn)在當(dāng)前采樣點(diǎn)時的前后信號窗口內(nèi)積值。逐個采樣點(diǎn)地滑動窗口1，當(dāng)前后信號窗口內(nèi)積值單調(diào)變化并且正負(fù)發(fā)生改變時，改變之前的內(nèi)積最值對應(yīng)的窗口1起點(diǎn)即為rst1。

2.2 信號重采樣實(shí)現(xiàn)

(4)

在2.1節(jié)中，已經(jīng)找出采樣信號r中的偽碼起始點(diǎn)rst1，從該點(diǎn)取出之后的采樣信號：

(5)

以式(4)確定的新的采樣率對r(1)重采樣：

(6)

以上即完成了對接收端數(shù)字中頻采樣信號的重采樣。

2.3 偽碼估計

完成信號重采樣之后，每段偽碼周期上均有相等的采樣點(diǎn)數(shù)，從偽碼起始點(diǎn)提取出k段連續(xù)的偽碼重采樣信號，分析其調(diào)制樣式，再以軟件無線電的方法[9]實(shí)現(xiàn)解調(diào)得到偽碼序列。下面以常見的2DPSK調(diào)制樣式為例，說明偽碼估計的具體方法。

r(3)=r1(2),r2(2),…,rk(2)

(7)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters forexperiment used

3.1 偽碼估計實(shí)驗(yàn)

3.1.1偽碼起始點(diǎn)估計實(shí)驗(yàn)

滑動信號窗口，畫出前后窗口內(nèi)積值如圖7所示，尋找偽碼起始點(diǎn)rst1；依次尋找各個偽碼起始點(diǎn)，進(jìn)而計算出各段偽碼采樣點(diǎn)數(shù)Ni如圖8所示。

3.1.2信號重采樣實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過重采樣后，信號在時域上的采樣點(diǎn)更加密集，時域波形更加準(zhǔn)確真實(shí)。

3.1.3偽碼恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

對重采樣后的采樣信號按2.3節(jié)的方法處理，遵循偽碼0、1分布平衡的原則，等間隔選取合適的抽樣判決點(diǎn)，輸出最優(yōu)偽碼序列，結(jié)果如圖10所示。

與實(shí)驗(yàn)設(shè)置的偽碼序列比較，恢復(fù)出的偽碼序列達(dá)到了100%的正確率。

3.2 對比實(shí)驗(yàn)

以經(jīng)典的矩陣特征分解方法為對比，說明本文方法在非整數(shù)倍碼元速率的采樣率情況下的可靠性。矩陣特征分解方法恢復(fù)的偽碼采樣序列如圖11所示。

4 結(jié)論

本文提出了基于重采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)短碼直擴(kuò)信號偽碼估計的方法。該方法直接對空中截獲的中頻采樣信號進(jìn)行處理，通過重采樣使得每個直擴(kuò)信號碼元上的采樣點(diǎn)數(shù)變?yōu)橄嗟鹊恼麛?shù)個，即將非整數(shù)倍采樣問題簡化為整數(shù)倍采樣問題，最后用數(shù)字正交解調(diào)實(shí)現(xiàn)偽碼估計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法能夠克服非整數(shù)倍碼元速率的采樣率情況下偽碼估計時抽樣判決點(diǎn)選取的不確定性，實(shí)現(xiàn)有效可靠的偽碼估計。方法克服了采樣設(shè)備的采樣率限制，提高了偽碼估計的魯棒性，估計出的偽碼序列可為之后進(jìn)行欺騙干擾提供有效支持，具有較高的工程應(yīng)用價值。

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