低信噪比下电子通信信号捕获方法.pdf

信息通信低信噪比下电子通信信号捕获方法肖钒（南昌大学科学技术学院，江西南昌330 0 2 9）摘要：受低信噪比影响，电子通信信号频谱幅度过大且捕获时间较长，为解决该问题提出低信噪比下电子通信信号高动态捕获方法。采用FFT变换方法估计载波频偏与载波频率变化率，分析低信噪比下电子通信信号调频特性。二维分段处理载波频偏和载波频率变化率，根据分段信息结合快速傅里叶变换方法处理电子通信信号。根据低信噪比电子通信频偏，设计并行多捕获通道。通过低通滤波滤除的降采样率补偿转移方法，对接收PN码进行降采样率补偿，使用分段匹配方式捕获信号。由实验结果可知，该方法频谱幅度波动范围为8-45dbm，与实际波动幅度一致，信号捕获耗时最短为2 0 s，能够实现信号的精准、快速捕获。关键词：信号采样；电子通信；低信噪比；信号捕获中图分类号：TN914.4文献标识码：A0引言低信噪比条件下，电子通信机动特性会使接收端产生更大的频率偏差，甚至产生假信号。因此，如何在低信噪比下有效捕获电子通信信号已成为一个重要的技术问题。文献 1 提出了基于相干累积的信号捕获方法，该算法先将两次取样的中频讯号进行FFT运算，再将其与PN编码的FFT值进行相干积累，再利用峰值平均比率判定是否捕捉到信号；文献 2 提出了基于快速傅里叶变换的信号捕获方法，该方法采用多个采样点串行傅里叶变换，通过非相关的融合峰搜索，在不增加运算量的情况下，有效地消除了数据偏移对数据采集的影响。在现有研究的基础上，本文充分考虑噪声对信号的影响，提出一种低信噪比下电子通信信号捕获方法。1通信信号特性分析在低信噪比情况下，接收端接收到的射频信号经过通道变换，成为可以被用来做基带处理的中频信号。在信号捕捉阶段，若不考虑二次以上的载波频率变化，就可以把它看作是一个线性调频信号3。在此基础上，利用载频的线性变化模式来分析信号，其复合模型为：收稿日期：2 0 2 3-0 1-11作者简介：肖钒（19 8 9-），男，汉族，江西南昌人，本科，讲师，研究方向：信号处理。+3结果分析从数据分析中看，score_card是两种教学方式的重要组成部分，由教师发起的score_card促进学习者参与课堂互动，带动学习氛围，是影响学生成绩的重要因素，从侧面反映出课堂互动是在线教育的必不可少方式之一。Live也是影响学生成绩的重要特征，直播课能更好调动课堂氛围，带动学生与学生，学生与老师之间的知识传播。re_b、c h a p t e r、w c a t h _number 等因素为录播课程对成绩的影响。work-mean和chapter可说明作业的平均分高低和在线学习章节的个数可以体现学生对知识点得掌握与学习的情况，作业的平均分越高和在线学习章节个数越多，学生对知识点的掌握情况和学习的情况越好。Reply、s i g n、d i s c u s s i o n 三个特征虽然没有前面的特征重要性高，但他们能判定学生们的学习行为，如re-ply越多，学生就越活跃；sign次数越多，越能说明学生按时上课的情况；discussion得分越高，学生讨论就越为积极，但372023年第0 5期(总第 2 45 期)文章编号：2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 0 37-0 3(1)公式（1）中，n表示真实信号频率；uo表示载波频率；o表示初始相位；t表示捕获时间；e表示线性调频参数；9 表示信号幅度。在低信噪比条件下，利用FFT方法对信号进行分析，并确定频谱峰，从而实现对信号的捕捉。经FFT运算后，若无载频变化率，信号的频谱峰仅为一小点，但若存在载频变化率，则其频谱峰将由单一的点数变为一个基座。在低信噪比情况下，利用此方法捕获载波时，要充分考虑载波的频偏和载频的变化率。在电子通信过程中，载波频偏与载波频率变化率的估算采用了一种以最大似然法为基础的频谱估算法，其对信号获取过程本质上是一种对载波频偏与载波频率变化率空间进行的搜寻处理，并将输入信号与局部载波结合，可得到：(2)公式（2)中，表示通信本地载波频率；表示假设的载波频率。根据公式(2)可知，低信噪比下电子通信信号具有信号+.+*+*+*+T+是，这并不能作为重要的判断依据，reply和discussion得分越多，也有可能说明学生只是为了完成任务，随便的复制他人的回复进行粘贴；sign次数很多，并不代表学生就在认真听课，不能反映学生对知识点的掌握程度。所以reply、s i g n、d i s-cussion三个特征不能作为对考试成绩高低的重要性判断，可作为评判参考。参考文献：1黄超,王晓静.疫情期间大学生学习效果的调查分析 .福建电脑,2 0 2 1,37(0 8):6 8-7 0.2 Chen T,Guestrin C.XGBoost:A Scalable Tree Boosting Sys-temC/Knowledge Discovery and Data Mining.ACM,2016.3余力.基于因子分析耦合XGBoost 模型的血糖值回归与分类预测 D.武汉科技大学,2 0 19.Changjiang Information&Communications调频特性。2通信信号高动态捕获通过载频线性变化模式分析低信噪比下电子通信信号特性，获取电子通信信号具有信号调频特性。结合FFT快速傅里叶变换处理低信噪比电子通信信号，得到全部载波频偏和变化率范围最高峰值。设计并行多通道，以捕获更多有效通信信号。2.1低信噪比电子通信信号处理为了有效地实现载波捕捉，对载波频偏与载波频率变化率进行同步研究。在电子通信过程中，由于信噪比较小，要想获得有效的信号采集结果，必须经过很长一段时间的连续累积。另外，由于载波频差要求取样频率一定要高，因此需要大量取样数据。由于大量样本数据无法用FFT进行快速傅里叶变换，所以，使用时分复用FFT技术对FFT信号进行处理(6。利用FFT方法对接收信号进行二维分割，以此降低工作量。该方法可以估计载波频偏与载波频率变化率。假设低信噪比电子通信信号为（t)，那么信号载波频偏范围为 4min，2 ma x ，信号载波变化率范围为 2 mimn，2 mx 。按照时间间隔、划分信号载波频偏和载波变化率，并及时对电子通信信号进行处理。将不同载波频偏和载波变化率与本地载波信号混合后，采用快速傅里叶变换方法进行处理，并确定该区间峰值。设信号采样频率为c,采样点数量为n，那么经过快速傅里叶变换方法处理后，该点的频率可表示为：C=(m-1)non公式（3)中，m表示采样点。经过快速傅里叶变换方法处理后，能够得到全部载波频偏和变化率范围最高峰值，由此完成低信噪比电子通信信号处理。2.2通信信号高动态捕获将处理后的低信噪比电子通信信号传输到并行多通道中，利用低信噪比的最大频差，重新建立搜寻信道，经过多普勒频率偏差估算，实现通信信号高动态捕获。2.2.1捕获通道确定在低信噪比条件下，利用低信噪比的最大频差，将采集到的频段分成几个频段，在不同信道的频段上进行比较，选择最大值，相应的信道就是当前捕获通道。在高动态条件下，信号的频偏范围和频率变化率都比较大，所以捕捉的时机非常重要。传统的捕捉方式受到硬件限制，无法通过扩展和增大并发信道数量来提高捕捉速度。当一次搜寻结束后，多通道电子通信信号变化量达到最大，信号频率、编码、相位都会有较大变动，搜寻效果不佳，因此需要重新建立搜寻信道，以捕获更多有效通信信号。2.2.2通信信号捕获低信噪比对信号捕获的影响主要表现在：载波频偏造成接收伪码和局部伪码出现相关累积损失现象，导致信号捕获效率下降。伪代码频率偏差除了会因相关峰展开、峰值位移等形变造成损耗以外，还会引起伪编码的时钟颤动，从而对PN码相位捕捉造成不利影响。载波频偏导致PN相关峰值不能始终随着累积次数而增大，也就是说在高动态条件下，PN编码相关积分不能持续较久，因此必须权衡。由于多普勒变换速率的影响,PN编码的多普勒频率偏差估算和一次采集后的肖钒：低信噪比下电子通信信号捕获方法频率偏差准确性不高。在高动态条件下，除常规的伪编码和载波多普勒频偏以外，多普勒频谱的变化率对采集和输出信号具有很大影响。根据这一点，具体的捕获过程是：步骤1：在变频过程中需要进行多普勒信号校正，并对数据进行2 倍码时钟降采样处理。由于各频段的频率下降取样速度不一样，所以在不同频段上采集和存贮都要采用不同方法。对数据进行二次取样，然后再进行所有频段搜寻，以减少重复取样，从而节省采样时间。对于总长度为T的信号序列，其重叠长度为l，对于多并行通道来说，为了保障所有通道信号都能够叠加，重叠长度应大于通信信道的最大时延。为了兼顾并行通道捕获信号错位影响，应设置：(4)公式（4）中，表示信道错位参数。如果叠加长度太长，则会使捕获信号的频谱峰值信噪比下降，从而使其覆盖到主要的捕获路径，所以可以适当减少重叠的长度。步骤2：在信号处理过程中，干扰是无法避免的，而信号的取样也是如此。在取样之前，利用低通滤波器将基础信号的频率完全过滤掉，取样时仍会有比基础信号更多的噪音分量。在这种情况下，使用一种低通滤波滤除的降采样率补偿转移方法，如图1所示。上限通带波纹下限(3)阻制波纹0图1低通滤波滤除的降采样率补偿转移示意图将降采样率补偿转移至接收机PN代码上进行，提前产生相应的PN序列并保存，当各波段发生关联时，选择相应的PN序列。步骤3：在信号捕获过程中，为了获得最短的捕捉速度，必须使用多通道并行运算的方式。因此，在理论上,FFT算法所需的运算单元数为K，然而，在实践中使用该FFT运算单元会占用较多的乘法器资源，同时还会造成设备成本高和功率损耗大。通过对相同样本集进行FFT操作，将并行FFT操作变为串行FFT操作，以减少系统资源。FFT中采用了高频工作时钟，可以大大缩短计算时间，满足信号捕获的需要。采用多普勒谱偏移的方法，结合左、右相邻频带槽，形成一次频偏搜寻，然后再进行平行多信道搜寻。步骤4：在高动态环境下通过并行多通道捕获技术，可以有效地缩短捕获时间，改变多信道并发捕获流程，加快捕获速度，既能减少系统开销，又能提高二次捕获的速度。根据一次捕获频率偏差估计，在一定的距离内进行二次捕捉，从而减少由于电子通信频率的改变而造成的捕获失败。步骤5：在低信噪比的情况下，电子通信所需的处理增益38IT+t过渡带阻带tChangjiang Information&Communications很大，因此匹配滤波器的相关长度也较长，为了克服多普勒频率偏差，采用更短的相关长度是最好的选择。采用分段匹配方法，将整个代码序列分成多个子集，对每个子集进行相关运算。如果剩余频率差异过大，那么对尾码跟踪环和载波跟踪环的稳定性也有一定影响。因此必须对其进行平滑、过滤处理，可利用多重极大值的方法来实现。信号捕获是对频率相位及载波频率进行粗略的同步，要实现大幅度的编码捕获，必须在频段和时间段进行二次搜索。基于伪码的自相关函数特征，在整个循环过程中，只有在编码相位差少于1个码元时，相关系数才是正态，并且在相位充分对齐时才会出现一次。因此，在时域中每一个频段停留期间，用0.5个码片为步长搜索码相位，使得码相位差可以在0.5个码片范围内进行信号捕获，由此获取低信噪比下电子通信信号捕获结果。3实验为了验证低信噪比下电子通信信号高动态捕获方法具有良好捕获性能，搭建实验平台结构，设置实验标准，评估所研究方法的信号捕获性能。3.1实验平台实验平台是由数据下载模块、Matlab数据分析模块、PC主机、虚拟逻辑分析仪、信号检测模块、示波器以及AD/DA子卡组成的，其中AD/DA子卡可以达到14bit的不同解析度，它可以用HSMC与开发板相连，从而形成一个完整的硬件测试系统。为了满足实验要求，使用Matlab软件生成MPSK的调制信号，在各种信噪比的情况下，将接收方接收到的信号保存在ROM内，并进行多次检测，模拟数据调制以及通过不同信噪比信道的过程。3.2实验标准设置两个实验指标，分别是信号捕获频谱幅度和信号捕获时间，其中信号捕获频谱幅度计算公式为：(5)公式(5)中，z