[发明专利]基于压缩感知的多周期直扩MSK信号二维联合捕获方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的多周期直扩MSK信号二维联合捕获方法。对接收的中频直扩MSK信号进行A/D采样，经过接收转换滤波器后，转换为近似直扩BPSK信号，再经下变频、低通滤波后得到直扩BPSK复基带信号。对信号取M个符号周期的样点序列作为观测序列，并利用本地伪码构造联合稀疏矩阵，用正交匹配追踪算法实现压缩感知信号重构，从而捕获伪码相差与多普勒频偏。本发明具有同时完成伪码相位和多普勒频偏捕获、搜索范围大、估计精度高误差小等优势，是一种新型的二维捕获方法，适用于高动态低信噪比的应用环境，具有较强的实用价值。

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，涉及扩频通信系统的中频全数字接收和伪码、多普勒频偏捕获，具体地说，是一种基于压缩感知的多周期直扩MSK信号二维联合捕获方法。

背景技术

目前，扩频系统多采用BPSK、QPSK调制方式，但这两种调制方式无法适用于存在严重非线性失真、多普勒频移与多径衰落的应用领域。直扩MSK通信系统同时具有扩频系统的低截获性、多用户随机选址能力、抗干扰性能强等优点和MSK信号的包络恒定、频谱利用率高、能量集中、旁瓣衰减快、带外辐射功率低、对非线性失真不敏感等优点，在战术数据链、民用航空地空数据链、导弹制导指令传输、卫星通信等领域得到了广泛应用。所以，直扩MSK信号在直扩BPSK/QPSK信号无法适用的领域仍然具有很好的应用前景。

从直扩MSK接收信号中恢复出发送数据符号的条件是信号的同步，包括扩频码同步、载波的频率和相位同步。经典的直扩MSK信号捕获方法有两种，一种是基于滑动相关的码捕获，这种方法实现简单但捕获时间很长；另一类是基于匹配滤波的码捕获。这两种方法的捕获到的相关峰极易受多普勒频偏的影响，不适用于高动态下的捕获。针对存在大多普勒频偏的高动态环境，有很多学者提出了解决方法，如延迟相关法估计伪码相差与多普勒联合估计、部分匹配滤波与FFT相结合(PMF-FFT)等。然而这些方法在多普勒估计范围与估计误差之间大多较难取得平衡。所以，高动态、低信噪比下直扩MSK通信系统的信号同步成为技术难点。

压缩感知作为一种新型的采样理论，由E.J.Candes、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等科学家于2004年提出，可以充分利用回波量测信号的稀疏性或可压缩性，采用远低于两倍信号频率的采样速率实现对信号的采样和重构，突破了传统奈奎斯特采样定理的限制。通过将压缩感知理论引入到扩频码捕获的算法中，可以大大降低信号的采样率和数据处理，以实现在高动态、低信噪比环境下准确、快速地完成扩频信号的伪码相位和多普勒频偏联合捕获。

发明内容

本发明的目的在于基于压缩感知理论，提出一种针对直扩MSK信号的伪码-多普勒联合捕获方法，实现高动态、低信噪比下直扩MSK信号的快速捕获，同时完成伪码相位和多普勒频偏的联合估计。尤其在较低信噪比下，不仅要能快速准确的捕获伪码相位，而且要保证多普勒频偏估计误差性能，从而保证接收信号在进行信号跟踪之前就已获得较好的粗同步。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压缩感知的多周期直扩MSK信号二维联合捕获方法，对接收的中频直扩MSK信号进行A/D采样，经过接收转换滤波器后，转换为近似直扩BPSK信号，再经下变频、低通滤波后得到直扩BPSK复基带信号。对信号取M个符号周期的样点序列作为观测序列，并利用本地伪码构造联合稀疏矩阵，用正交匹配追踪算法实现压缩感知信号重构，从而捕获伪码相差与多普勒频偏。而如何将接收到的中频直扩MSK信号转换成近似直扩BPSK信号，如何构造联合稀疏矩阵、以及如何实现信号重构，是本发明重点需要解决的问题。

发送信号采用“导频码+发送数据”的形式，用以接收机端的扩频码和载波同步。直扩MSK信号可采用串行方式产生，即将扩频后的信号与载波cos(2πf₁t)进行BPSK调制得到直扩BPSK信号，再经转换滤波器产生直扩MSK信号。