低信噪比直接序列扩频信号检测方法
【专利摘要】低信噪比直接序列扩频信号检测方法，涉及无线通信领域，是为实现低信噪比情况下的QPSK调制的直扩信号检测。该方法采用小波变换的方法，对信号进行降噪，之后根据估计扩频码与估计数据的相互更新对噪声进行进一步抑制，最后对信号的自相关值进行分析，判断出信号的存在。本发明适用于在没有扩频信号的载波频率、扩频码长度等先验条件并且低信噪比的情况下，对DSSS/QPSK信号进行盲检测。
【专利说明】
低信噪比直接序列扩频信号检测方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线通信领域，具体设及低信噪比直接序列扩频信号检测技术。
【背景技术】
[0002] 对于DSSS/QPSK信号的检测，需要利用直扩信号在时域、频域W及功率谱等所特有 的特征进行判断。通常的检测方法有能量法、时域相关法、倍频法W及高阶统计量法等。能 量法根本没有设及到直扩信号的任何特征，并且假想的模型是背景噪声基本上不变的，对 于噪声的能量平稳性要求很高，在实际应用中很难检测成功;时域相关法是利用了直扩信 号的自相关特性，根据相关峰值对信号进行判断，并且能够进行部分参数估计，但是当信噪 比较低时收敛速度慢，容易受噪声影响;而高阶统计量法虽然能够对参数进行较准确估计， 并且范围比较全面，但是随之而来的是非常大的计算量，从而导致检测时间增长。
[0003] 直接序列扩频信号的盲检测研究中已经发展了很多种检测方法，但是其中多数检 测方法均是基于上述几种常规信号的检测与估计，而由于直扩信号属于带宽微弱信号，在 低信噪比的情况下常规信号的处理方法的检测性能会急剧下降，甚至不能得到正确的估计 结果。
【发明内容】
[0004] 本发明是为实现低信噪比情况下的QPSK调制的直扩信号检测，从而提供一种低信 噪比直接序列扩频信号检测方法。
[0005] 低信噪比直接序列扩频信号检测方法，
[0006] 设淹没在高斯白噪声内的DSSS/QPSK信号为：
[0007] S(t)=山（t)c(t)sin(ωt)+d2(t)c(t)cos(ωt)+n(t) (1)
[000引其中，di(t)、d2(t)为待传输的信息序列分成I、Q两路之后的序列，n(t)为高斯白噪 声，ω为调制信号的角频率，山￡[+1，-1]为信息码，η为正整数;c(t)为扩频函数;且：
[0009]
[0010] CmE[ + l，-l]为扩频码，该扩频码为15位的m序列，Tb为信息码元宽带，Tc为扩频码 元宽带，P(t)为方波信号；
[0011] 该方法包括W下步骤：
[0012] 步骤一、对直扩信号进行小波降噪处理，具体为：
[0013] 设f (t) EL2(R)，即f (t)属于能量有限空间；f (t)的傅里叶变换为Φ( ω )，当φ( ω ) 满足：
[0014]
(2)
[001引时的函数φ (t)称为一个母小波函数；
[0016]把母小波iKt)进行伸缩和平移处理，得到小波序列：
[0017]
(3)：
[001引式中：a为尺度因子，τ为平移量，a, TER, a>0;柏,T(t)为小波基函数；
[0019] 对于获取的扩频信号S(t)的连续小波变换为：
[0020]
(4)
[0021] 式中：f为扩频信号;4a,b(t)为小波函数;a为尺度伸缩参数;b为时间平移参数；
[0022] 采用heursure阔值规则(混合型阔值规则)对扩频信号进行小波降噪处理；
[0023] 步骤二、采用扩频序列预测法对小波降噪后的扩频信号检测，具体为：
[0024] 截取一段获取的信号Si(t)作为估计扩频码，即：
[0025] CmE(t) = da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c(t)cos( ω t)+riE(t) (6)
[0026] 式中：da(t)、db(t)为截取的信号中I、Q两路信号，nE(t)为估计噪声；
[0027] 采用估计扩频码与等长度的信号相乘：
[002引 Si(t) · C邮(t)
[0029] =[dii(t)c(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)cos( wt)+n(t)][da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c (t)cos( ω t)+riE(t)]
[0030] =dii(t)da(t)sin2( ω t)+di2(t)db(t)cos2( ω t) + [dii(t)山（t)+di2(t)da(t) ]sin (wt)cos( ω t)+dii(t)c(t)nE(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)nE(t)cos( ω t)+da(t)c(t)n(t)sin (ω t)+山（t)c(t)n(t)cos( wt)+n(t)riE(t)
[0031] (7)
[0032] 经过低通滤波器滤去高阶项和大部分噪声之后，得到
[0033]
(8)
[0034] 式中：dil(t)、di2(t)为Si(t)的两路正交信号，mnB(t)为滤波器的带内噪声；
[0035] 令；
[0036]
[0037] WdE(t)加权的Si(t)平均值 [00；3 引
[0039]定义WT，Psyn):
[0040]
(10)
[0041] 式中：Τ为截取信号的长度，Psyn为截取信号的不同起始位，Μ为信息码的码片数目， CmE(t)n表示第η次的估计扩频码，dEi(t)n-l为估计数据；
[0042] 当且仅当最初截取的估计扩频码长度等于扩频码长度，并且初始位置为扩频码同 步位时，V(T，Psyn)才会有峰值，根据峰值判断信号是否存在，完成低信噪比直接序列扩频信 号检测。
[0043] 采用heursure阔值规则(混合型阔值规则)进行小波降噪处理的过程中，具体的阔 值选取如下：
[0044] 设S为11个小波系数的平方和，令11 = (S -η) /η W及// = (log:"卢/ λ/?；，则：
[0045]
(5)
[0046] 式中：S为η个小波系数的平方和。
[0047] 本发明能够对DSSS/QPSK信号进行较准确的检测，判断信号的有无，还可W检测出 该信号采用的扩频码的长度W及信号的同步位置。
【附图说明】
[0048] 图1是不同码片长度平均检测概率仿真示意图；
[0049] 图2是小波降噪的基本流程示意图；
[0050] 图3是采用不同阔值规则降噪后的信号方差仿真示意图；
[0051] 图4是样本信号频域图；
[0052] 图5是经过小波降噪的信号频域图；
[0053] 图6是本发明的信号检测流程图；
[0054] 图7是具体实施例中所述的检测结果仿真示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0055] 一、低信噪比直接序列扩频信号检测方法，
[0056] 设淹没在高斯白噪声内的DSSS/QPSK信号为：
[0057] S(t) =di(t)c(t)sin( ω t)+d2(t)c(t)cos( ω t)+n(t) (1)
[005引其中，di(t)、d2(t)为待传输的信息序列分成I、Q两路之后的序列，
%扩频函数，n(t)为高斯白噪声，山￡[ + 1，-1]为信息码，CmE[ + l，-l]为 扩频码，本发明使用的扩频码元位15位m序列，Tb为信息码元宽带，T。为扩频码元宽带。
[0059] 首先对直扩信号进行小波降噪，此部分主要目的是尽量减小扩频信号中噪声η (t)，把其他频段的噪声信号滤去。
[0060] 设^*)￡1^1〇^4)的傅里叶变换为4(?)。当4(?)满足：
[0061]
C2)
[0062] 时的函数Φ( t)称为一个母小波函数。
[0063] 把母小波iKt)伸缩和平移之后即得到了小波序列：
[0064]
(3)
[0065] 式中：a为尺度因子，τ为平移，a，TeR，其中a>0。柏,T(t)即为小波基函数。
[0066] 对于获取的扩频信号S(t)的连续小波变换为：
[0067]
(4)
[0068] 本发明采用混合型阔值规则化eursure阔值规则）eheursure阔值规则所选择的是 最优预测变量阔值，当信号的信噪比很小时，对于信号的阔值估计有着很大地噪声，运个时 候就需要采用运种固定的阔值形式规则，具体的阔值选取如下。
[0069] 设S为η个小波系数的平方和，令η = (S-η) /η W及// = (log: n)X / ，则：
[0070]
(5)
[0071] 经过小波降噪处理后的扩频信号，噪声被很大程度的抑制。此时对于信号检测部 分采用基于扩频序列预测勺方法。首先，截取一段获取的信号Si(t)作为估计扩频码，即：
[0072] CmE(t) = da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c(t)cos( ω t)+riE(t) (6)
[0073] 式中da(t)、山(t)为截取的信号中I、Q两路信号，邮(t)为估计噪声。
[0074] 采用估计扩频码与等长度的信号相乘：
[0075] Si(t) · OiiE(t)
[0076] =[dii(t)c(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)cos( wt)+n(t)][da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c (t)cos( ω t)+riE(t)]
[0077] =dii(t)da(t)sin2( ω t)+di2(t)db(t)cos2( ω t) + [dii(t)山（t)+di2(t)da(t) ]sin (wt)cos( ω t)+dii(t)c(t)nE(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)nE(t)cos( ω t)+da(t)c(t)n(t)sin (ω t)+山（t)c(t)n(t)cos( wt)+n(t)riE(t)
[007引 （7)
[0079] 经过低通滤波器滤去高阶项和大部分噪声之后，可W得到：
[0084] 式(9)中第一项即为第二项与第Ξ项为估计噪声，第二项中dii(t)、di2(t) 是不相关的，所Wdil(t)di2(t)正负的概率均趋近与一半，所W当Μ足够大时，第二项与第立 项均趋向于0。由（7)和(9)可w看出在对于估计扩频码与估计数据可w通过与扩频信号的 加权相互循环，并且在该循环过程中，两者互相更新且估计噪声得到抑制，并且可W看出码 片长度Μ越大时估计噪声越小。
[0085] 在实际工程中，截取一段获取的信号Si(t)用来最初的循环计算，得到的估计扩频 码CmE(t)的精度与样本信号的SNR与长度有关系。更多的信息码片有利于抑制噪声。
[0086] 定义WT，Psyn): 瓣7]
(1(。
[0088] 式中T为截取信号的长度，Psyn为截取信号的不同起始位，Μ为信息码的码片数目， CmE(t)n表示第η次的估计扩频码，dEi(t)n-l为估计数据。当且仅当最初截取的估计扩频码长 度等于扩频码长度，并且初始位置为扩频码同步位时，V(T，Psyn)才会有峰值，根据峰值即可 判断信号存在与否。
[0089] 本方法对于QPSK-DSSS信号的检测要比其他方法所需要的信噪比低2地，计算量 小，并且工作在没有扩频信号的载波频率、扩频码长度等先验条件的情况下，所需要的先验 条件极少。本方法可W对DSSS/QPSK信号进行较准确的检测，判断信号的有无，还可W检测 出该信号采用的扩频码的长度W及信号的同步位置。
[0090] 样本信号的码片长度可W提升信号的检测性能，由图1是可W看出，码片数量的增 加可W提高信号的检测概率，当码片数量为100和200时，对于信噪比为-17dB时，检测概率 非常低，当码片数量提高到400时，对信噪比为-17地时的检测概率提高很多。当样本信号码 片数量提高到400W上时，对于检测性能的提升就不太明显了。对扩频码长度为15位的扩频 信号盲检测，该算法检测容限大约在-18地左右。
[0091 ] W下W具体的仿真试验验证本发明的效果：
[0092] 本次仿真使用样本数据信息:采样率为400次/码片，扩频码为15位的m序列，信息 码速率为3Ifflz，信噪比为-17地，码片长度为400码片时，对信号进行检测。
[0093] 首先对扩频信号进行预处理，即对于低信噪比下的DS-SS/QPSK信号进行小波降 噪，在小波降噪过程中如何进行参数的选取，运在小波降噪的过程中，非常重要。本次仿真 在对信号进行消噪的过程中，采用的为wden函数，该函数用于一维信号的自动消噪。下面是 对小波降噪的阔值选取W及采用的小波基函数的介绍。
[0094] 通常应用中，对于小波降噪的阔值处理方法有巧中：
[00%] 1)、默认阔值降噪处理。该方法需要得到信号的默认阔值，然后再利用该信号的阔 值信息进行设置口限，从而对信号进行降噪处理。
[0096] 2)、强制降噪处理。该方法是在小波分解过程中，默认信号的高频系数全部为0,相 当于滤去信号所有的高频成分，运非常容易丢失信号的有用部分。
[0097] 3)、给定阔值降噪处理。在实际的降噪过程中，通过W往的经验，对阀值进行一定 的设置。
[0098] 在信号处理过程中，通常采取给定阔值降噪处理，因为对于其他两种降噪处理而 言，在信号的盲检测过程中实现不了或者是降噪性能不好，因此大都选择给定阔值降噪处 理。
[0099] 在给定阔值降噪处理中有通用阔值规则、无偏风险阔值规则、混合型阔值规则W 及最小最大准则阔值规则。采用不同阔值处理信号得到的结果可W看出，采用heursure阔 值规则对信号进行降噪后信号的变化范围最小，如图3为采用不同阔值降噪后的信号方差， 由信号的变化范围与方差可W看出当信噪比在-lOdBW后采用heursure阔值规则效果最 佳，此时信号更接近原始信号。因此，对于阔值采用heursure阔值规则。
[0100] heursure阔值规则，是前两种阔值法的综合，所选择的是最优预测变量阔值，当信 噪比很小，阔值估计有很大噪声时就需要采用运种固定的阔值形式规则。
[0101] 图4和图5为信号的频域图，由图4中我们可W看出可W看见未经过小波降噪的信 号频域图，在信号的其他频段有很大的噪声，无法观测出扩频信号的频段，而在图5中为经 过小波降噪后的扩频信号频域图，在图中我们可W看出小波降噪对信号的其他频段进行了 滤波只保留了扩频信号频段内的信号W及少量噪声。
[0102] 信号经过预处理之后，去除了大部分噪声。之后采用滑动相关的原理对信号进行 检测，图6是信号检测的具体流程图。
[0103] 首先截取一段样本信号作为最初的估计扩频码，因为样本信号中包含噪声，可用 式(11)表示：
[0104] Cmo(t) =CmE(t)+n(t) (11)
[0105] 式中：Cmo(t)为最初的估计扩频码，C邮(t)为扩频码，n(t)为噪声。
[0106] 由估计扩频码与样本信号加权之后即可得到估计数据，进而用该估计数据跟新估 计扩频码，估计过程中由累加求均值过程可W抑制噪声，如式(12):
[0107]
(12)
[0108] 式中：Cmi(t)为经过一次迭代的估计扩频码，N为估计数据的码元数。
[0109] 经过几次迭代之后，噪声会受到很大的抑制，运时可W用运个估计扩频码与样本 信号相关，相关后的值去除符号之后，所得到的相关检测图中，会在同步位置与扩频码元个 数均正确的位置出现峰值，此时代表信号中存在扩频信号。
[0110] 图7为经过两次迭代后的检测结果仿真图，此时可W看出检测结果中峰值非常明 显，可W判断出DSSS/QPSK信号的存在，即检测成功。
【主权项】
1.低信噪比直接序列扩频信号检测方法，其特征是： 设淹没在高斯白噪声内的DSSS/QPSK信号为： S(t)=di(t)c(t)sin(c〇 t)+d2(t)c(t)cos( c〇t)+n(t) (1) 其中，cUUhcbU)为待传输的信息序列分成I、Q两路之后的序列，n(t)为高斯白噪声， ω为调制信号的角频率，dne[+l，-l]为信息码，n为正整数;c(t)为扩频函数;且：cme [ + 1，-1]为扩频码，该扩频码为15位的m序列，Tb为信息码元宽带，T。为扩频码元宽 带，P(t)为方波信号； 该方法包括以下步骤： 步骤一、对直扩信号进行小波降噪处理，具体为： 设f(t) eL2(R)，即在能量有限的空间中；f (t)的傅里叶变换为！Κ ω )，当！Κ ω )满足：(2) 时的函数Φ( t)称为一个母小波函数； 把母小波！Kt)进行伸缩和平移处理，得到小波序列：式中:a为尺度因子，τ为平移量，&，161?，&>0;札,1(1:)为小波基函数 ； 对于获取的扩频信号S(t)的连续小波变换为：式中:f为扩频信号;ik,b(t)为小波函数;a为尺度伸缩参数;b为时间平移参数； 采用heursure阈值规则(混合型阈值规则)对扩频信号进行小波降噪处理； 步骤二、采用扩频序列预测法对小波降噪后的扩频信号检测，具体为： 截取一段获取的信号Sdt)作为估计扩频码，BP: CmE(t) = da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c(t)cos( ω t)+nE(t) (6) 式中:da(t)、db(t)为截取的信号中I、Q两路信号，nE(t)为估计噪声； 采用估计扩频码与等长度的信号相乘： Si(t) · CmE(t) = [dii(t)c(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)cos( c〇t)+n(t)][da(t)c(t)sin( ω t)+db(t)c(t) cos(ω t)+nE(t)] = dii(t)da(t)sin2( c〇t)+di2(t)db(t)cos2( c〇t) + [dii(t)db(t)+di2(t)da(t)]sin( ω?) cos(ω t) + dii(t)c(t)nE(t)sin( ω t)+di2(t)c(t)nE(t)cos( ω t)+da(t)c(t)n(t)sin( ω t)+db(t)c (t)n(t)cos(ω t) +n⑴γιε⑴ (7) 经过低通滤波器滤去高阶项和大部分噪声之后，得到：式中:duUhdMOSsKt)的两路正交信号，mnB(t)为滤波器的带内噪声； 令：以dE(t)加权的Si(t)平均值：式中：T为截取信号的长度，psyn为截取信号的不同起始位，Μ为信息码的码片数目，CmE (t) n表示第η次的估计扩频码，dEl (t) η为估计数据； 当且仅当最初截取的估计扩频码长度等于扩频码长度，并且初始位置为扩频码同步位 时，V(T，psyn)才会有峰值，根据峰值判断信号是否存在，完成低信噪比直接序列扩频信号检 测 。2.根据权利要求1所述的低信噪比直接序列扩频信号检测方法，其特征在于采用 heursure阈值规则(混合型阈值规则)进行小波降噪处理的过程中，具体的阈值选取如下： 设S为η个小波系教平卞 和·冬π = (" Q-n Vn W75 " = (Imr /*^7 · Ι?Ι丨丨. 式中：S为η个小波系数的平方和。
【文档编号】H04B1/707GK105871413SQ201610411003
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】李德志, 孔德阳, 王振永, 郭庆, 李卓明, 尼尧擎
【申请人】哈尔滨工业大学