一种码多普勒的验证装置及验证方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种码多普勒的验证装置及验证方法。


背景技术：

2.码多普勒和载波多普勒是收发两端拥有相对运动时存在的现象；受限于通信双方在地面的运动速度，载波多普勒更为常见，但是如果在高速飞行器(如导弹)上进行通信时，收发双方的通信处于高动态环境中，码多普勒的影响就必须要考虑。无线信道仿真仪中可以添加码多普勒的影响。目前的验证码多普勒的手段一般是在频谱仪观察经过码多普勒影响的信号带宽的压缩和展宽，观测结果具有主观性，缺少定量的分析结果。因此有必要提出一种能够定量分析验证添加码多普勒是否符合实际速度带来的码元压缩或扩展的影响的方法，以便于指导用户评估和开发通信系统专用算法消除码多普勒的影响。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种码多普勒的验证装置及验证方法，拟实现验证添加的码多普勒是否符合实际速度带来的码元压缩或扩展的影响。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
5.一种码多普勒的验证装置，包括：
6.信号源：用于周期性将初始伪随机序列c(t)发送给无线信道仿真仪；
7.无线信道仿真仪：对获取到的初始伪随机序列c(t)添加码多普勒效应，得到伪随机序列c
′
(t)，并将伪随机序列c
′
(t)和初始伪随机序列c(t)发送给频谱与信号分析仪；
8.频谱与信号分析仪：对初始伪随机序列c(t)以及伪随机序列c
′
(t)进行正交解调和低通滤波，得到伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)，并将初始伪随机序列c(t)、伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)发送给上位机；
9.上位机：基于初始伪随机序列c(t)、伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)验证添加的码多普勒是否符合实际速度带来的码元压缩或扩展的影响。
10.进一步的，所述无线信道仿真仪采用如下公式添加所述码多普勒效应：
[0011][0012]
式中：v表示相对运行速度，c表示光速。
[0013]
进一步的，所述无线信道仿真仪输出给配置频谱与信号仿真仪的信号表示为：
[0014][0015][0016]
式中：y(t)表示未添加码多普勒效应的信号；y
′
(t)表示添加了码多普勒效应的信号；f
l
表示载波频率。
[0017]
进一步的，所述上位机进行码多普勒验证的具体步骤如下：
[0018]
a.通过初始伪随机序列c(t)分别与伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)做滑动相关，统计得到相关峰的个数n和m以及对应的相关峰的位置索引；
[0019]
其中，n个相关峰的位置索引为[index
1 index2ꢀ…ꢀ
indexn]；m个相关峰的位置索引为[index
′
1 index
′2ꢀ…ꢀ
index
′m]，indexn表示第n个相关峰的位置，该值为正整数；
[0020]
b.求相关峰个数的最小值p＝min(n，m)；
[0021]
c.计算在相同相关峰个数条件下的样点差
[0022]
δn＝(index
p-index1)-(index
′
p-index
′1)，index
p
表示第p个相关峰的位置，该值为正整数；
[0023]
d.计算因码多普勒带来的时间差其中fs表示频谱与信号分析仪的基带采样率；
[0024]
e.令ξ＝|δt
n-δt
′n|，其中其中v表示相对运行速度，c表示光速；
[0025]
f.若则说明验证结果符合要求，否则表明验证结果不符合要求。
[0026]
一种码多普勒的验证方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤1：获取初始伪随机序列c(t)、伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)，其中初始伪随机序列c(t)表示信号源周期性生成的伪随机序列；伪随机序列cn(t)表示经过正交解调和低通滤波的伪随机序列；伪随机序列c
′m(t)表示添加了码多普勒效应，且经过正交解调和低通滤波的伪随机序列；
[0028]
步骤2：通过初始伪随机序列c(t)分别与伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)做滑动相关，统计得到相关峰的个数n和m以及对应的相关峰的位置索引；
[0029]
其中，n个相关峰的位置索引为[index
1 index2ꢀ…ꢀ
indexn]；m个相关峰的位置索引为[index
′
index
′2ꢀ…ꢀ
index
′m]，indexn表示第n个相关峰的位置，该值为正整数；
[0030]
步骤3.求相关峰个数的最小值p＝min(n，m)；
[0031]
步骤4.计算在相同相关峰个数条件下的样点差
[0032]
δn＝(index
p-index1)-(index
′
p-index
′1)，index
p
表示第p个相关峰的位置，该值为正整数；
[0033]
步骤5.计算因码多普勒带来的时间差其中fs表示频谱与信号分析仪的基带采样率；
[0034]
步骤6.令ξ＝|δt
n-δt
′n|，其中其中v表示相对运行速度，c表示光速；
[0035]
步骤7.若则说明验证结果符合要求，否则表明验证结果不符合要求。
[0036]
本发明的有益效果包括：
[0037]
基于本发明所述的验证装置及验证方法，实现了验证添加的码多普勒是否符合实际速度带来的码元压缩或扩展的影响。同时，其不仅验证了无线仿真仪码多普勒添加模块
的是否正确，也帮组用户评估和开发通信系统专用算法以消除码多普勒的影响。
附图说明
[0038]
图1为本发明的码多普勒验证装置结构示意图。
[0039]
图2为本发明的信号源发射的基带周期序列。
[0040]
图3为本发明的未加码多普勒滑动相关峰周期序列。
[0041]
图4为本发明的添加速度为32km/s的码多普勒滑动相关峰周期序列。
[0042]
图5为本发明的相关计算近似图解。
[0043]
图6为本发明的存在码多普勒时的相关近似计算图解。
具体实施方式
[0044]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0045]
下面结合图1到图6对本发明作进一步的详细说明：
[0046]
码多普勒对通信的影响主要体现在码元的压缩或扩展上，假设用户接收到的伪随机码为c(t-τ)，本地随机序列为则两者之间的相关函数r(δτ)为：
[0047][0048]
式中：tc为一个码片宽度；n为相关时间内的码片个数；为码相位估计误差，τ为接收到伪随机码相位，为本地估计伪随机码相位。
[0049]
参见图5所示，c(t)为本地伪随机码，c
′
(t)为接收信号中包含伪随机码，c(t)c
′
(t)为二者乘积；公式(1)中的r(δτ)可以理解为在图1中所示的每个码片对应的阴影区区间积分加上区间外积分的平均值；阴影区间表示本地伪随机码和接收伪随机码对准的部分，积分结果为正值且随着时间进行累加；对于阴影区间之外的其他部分，再假定c(t)为伪随机码的情况下，c(t)c
′
(t)取值为具有随机性，则对积分结果的贡献近似为零。
[0050]
若存在码多普勒且值恒定不变，导致接收码元的周期被压缩，则图5中的滑动相关积分结果将变成图6所示；
[0051]
从图6中可以看出，若实际同步接收积分的时间小于图6所示的临界积分时间，c(t)c
′
(t)的积分仍然可以出现相关峰，但是相对于没有码多普勒的情况，相关峰的峰值会变小；如果实际同步接收积分时间大于临界积分时间，则相当于多级码片周期的积分导致δtc的累积超过了一个码片周期，由于通信中前后码元的随机性，此后再继续增加伪随机序列长度(码元积分时间)，相关峰值都不会有明显的变化。
[0052]
临界积分时间的倒数就是码多普勒频率，如果以f
co
表示码多普勒，其定义为：
[0053][0054]
式中：rs表示码速率，fc表示载波频率，fd表示载波多普勒频移；
[0055][0056]
式中：v表示相对运行速度，c表示光速，把公式(3)带入公式(2)可得：
[0057][0058]
由于rs等于系统的信号带宽w，则
[0059][0060]
公式(5)表示了码多普勒和信号的带宽、相对运动速度以及光速有关，由于速度的存在，信号的带宽会发生改变；信号带宽对应码元时间，由于码多普勒的存在就会导致码元长度发生变化，高速运动的场景(高速飞行器、卫星等)会对采用伪随机码滑动相关技术的同步性能产生影响；对公式(4)进行变形处理得到：
[0061][0062]
式中：表示码元周期，表示预检测积分时间，其物理意义为经过t
il
时间，因为码多普勒的影响，导致接收序列错开一个码元周期。令：
[0063][0064]
式(7)表示归一化(每秒)的因码多普勒导致的绝对时间差(该值有正负，和速度的正负保持同步)，综合公式(6)和(7)，可得：
[0065][0066]
公式(8)表示因码多普勒导致的在一秒钟时间内带来的绝对时间差；无线信道仿真仪中的码多普勒通过数字域实现时，将公式(8)中每秒的时间差换算到数字域clock时间差，从而在数字域样点级实现码多普勒模块。
[0067]
基于上述推导分析，本发明建立了如图1所示的码多普勒验证装置，该装置使用信号源周期性发送伪随机序列给无线信道仿真仪(在发送之前可以对伪随机序列进行调制后再发送给无线信道仿真仪)，使用用户指定的速度采用公式(8)添加码多普勒模块，然后把经过无线信道仿真仪，且受码多普勒影响的信号输出给频谱与信号分析仪采样，采样后将信号传输给上位机进行分析。
[0068]
假设信号源发送的码元为c(t)，经过调制后，信号源的输出信号可以表示为：
[0069][0070]
式中：f
l
表示载波频率。
[0071]
此处假设无线信道仿真仪不对信号添加信道衰落；首先配置无线信道仿真仪不添加码多普勒效应，输出给频谱与信号分析仪的信号仍然是y(t)，经过频谱与信号分析仪的正交解调和低筒滤波并采集输出给上位机的数据为是cn(t)，其中n表示采集的周期数。
[0072]
所述频谱与信号分析仪采集的数据长度(或者采样时间)为n点；即可以根据实际
情况设置数据采集长度。
[0073]
再次配置无线信道仿真仪，配置相对运动速度为vkm/h，信号源发送的信号仍然为公式(9)，仿真仪根据公式(8)对输入信号添加码多普勒效应(不添加频偏多普勒)，此时仿真仪的输出信号可以表示为：
[0074][0075]
输出给频谱与信号分析仪的信号是y
′
(t)，经过频谱与信号分析仪的正交解调和低通滤波后输出给上位机，输出给上位机的数据表示为c
′m(t)，其中m表示采集的周期数；
[0076]
假设频谱与信号分析仪的基带采样频率为fs，其在上位机进行的码多普勒验证方法为：
[0077]
a.通过初始伪随机序列c(t)分别与伪随机序列cn(t)和伪随机序列c
′m(t)做滑动相关，统计得到相关峰的个数n和m以及对应的相关峰的位置索引；
[0078]
其中，n个相关峰的位置索引为[index
1 index2ꢀ…ꢀ
indexn]；m个相关峰的位置索引为[index
′
1 index
′2ꢀ…ꢀ
index
′m]，indexn表示第n个相关峰的位置，该值为正整数；
[0079]
b.求相关峰个数的最小值p＝min(n，m)；
[0080]
c.计算在相同相关峰个数条件下的样点差
[0081]
δn＝(index
p-index1)-(index
′
p-index
′1)，index
p
表示第p个相关峰的位置，该值为正整数；
[0082]
d.计算因码多普勒带来的时间差其中fs表示频谱与信号分析仪的基带采样率；
[0083]
e.令ξ＝|δt
n-δt
′n|，其中其中v表示相对运行速度，c表示光速；
[0084]
f.若则说明验证结果符合要求，否则表明验证结果不符合要求。
[0085]
采用验证结果是因为频谱与信号分析仪的时间分辨率为通过滑动相关验证的误差表明可能是由于滑动相关同步的误差，而非验证算法本身带来的误差；由于滑动相关的误差不会超过一个频谱与信号分析仪采杨点，如果则表明验证算法存在错误。假设发出的信号为周期调制的伪随机序列，参见图2所示，频谱与信号分析仪设置采样率fs＝500mhz，采集数据时间为10ms。
[0086]
在基于图3和图4可以看出，添加码多普勒后会导致相关峰降低，正常通信中，受限于码元长度和通信双方运动速度，可能会导致同步失败；通过上位机采杨本文中提出的码多普勒验证方法分析数据，可以得到其相关参数如下表1所示：
[0087]
表1
[0088][0089][0090]
通过计算，ξ满足的条件，说明本文提出的码多普勒验证装置及验证方法的实用性和正确性。
[0091]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种码多普勒的验证装置，其特征在于，包括：信号源：用于周期性将初始伪随机序列c(t)发送给无线信道仿真仪；无线信道仿真仪：对获取到的初始伪随机序列c(t)添加码多普勒效应，得到伪随机序列c
′
(t)，并将伪随机序列c
′
(t)和初始伪随机序列c(t)发送给频谱与信号分析仪；频谱与信号分析仪：对初始伪随机序列c(t)以及伪随机序列c
′
(t)进行正交解调和低通滤波，得到伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)，并将初始伪随机序列c(t)、伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)发送给上位机；上位机：基于初始伪随机序列c(t)、伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)验证添加的码多普勒是否符合实际速度带来的码元压缩或扩展的影响。2.根据权利要求1所述的一种码多普勒的验证装置，其特征在于，所述无线信道仿真仪采用如下公式添加所述码多普勒效应：式中：v表示相对运行速度，c表示光速。3.根据权利要求1所述的一种码多普勒的验证装置，其特征在于，所述无线信道仿真仪输出给配置频谱与信号仿真仪的信号表示为：输出给配置频谱与信号仿真仪的信号表示为：式中：y(t)表示未添加码多普勒效应的信号；y
′
(t)表示添加了码多普勒效应的信号；f
l
表示载波频率；表示载波调制；re表示对复信号取实部。4.根据权利要求1所述的一种码多普勒的验证装置，其特征在于，所述上位机进行码多普勒验证的具体步骤如下：a.通过初始伪随机序列c(t)分别与伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)做滑动相关，统计得到相关峰的个数n和m以及对应的相关峰的位置索引；其中，n个相关峰的位置索引为[index
1 index2ꢀ…ꢀ
index
n
]；m个相关峰的位置索引为[index
′
1 index
′2ꢀ…ꢀ
index
′
m
]，index
n
表示第n个相关峰的位置，该值为正整数；b.求相关峰个数的最小值p＝min(n，m)；c.计算在相同相关峰个数条件下的样点差δn＝(index
p-index1)-(index
′
p-index
′1)，index
p
表示第p个相关峰的位置，该值为正整数；d.计算因码多普勒带来的时间差其中f
s
表示频谱与信号分析仪的基带采样率；e.令ξ＝|δt
n-δt
′
n
|，其中其中v表示相对运行速度，c表示光速；f.若则说明验证结果符合要求，否则表明验证结果不符合要求。5.一种码多普勒的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取初始伪随机序列c(t)、伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)，其中初始伪随机序列c(t)表示信号源周期性生成的伪随机序列；伪随机序列c
n
(t)表示经过正交解调
和低通滤波的伪随机序列；伪随机序列c
′
m
(t)表示添加了码多普勒效应，且经过正交解调和低通滤波的伪随机序列；步骤2：通过初始伪随机序列c(t)分别与伪随机序列c
n
(t)和伪随机序列c
′
m
(t)做滑动相关，统计得到相关峰的个数n和m以及对应的相关峰的位置索引；其中，n个相关峰的位置索引为[index
1 index2ꢀ…ꢀ
index
n
]；m个相关峰的位置索引为[index
′
1 index
′2ꢀ…ꢀ
index
′
m
]，index
n
表示第n个相关峰的位置，该值为正整数；步骤3.求相关峰个数的最小值p＝min(n，m)；步骤4.计算在相同相关峰个数条件下的样点差δn＝(index
p-index1)-(index
′
p-index
′1)，index
p
表示第p个相关峰的位置，该值为正整数；步骤5.计算因码多普勒带来的时间差其中f
s
表示频谱与信号分析仪的基带采样率；步骤6.令ξ＝|δt
n-δt
′
n
|，其中其中v表示相对运行速度，c表示光速；步骤7.若则说明验证结果符合要求，否则表明验证结果不符合要求。

技术总结
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种码多普勒的验证装置及验证方法，通过信号源周期性将初始伪随机序列C(t)发送给无线信道仿真仪；无线信道仿真仪对获取到的初始伪随机序列C(t)添加码多普勒效应，得到伪随机序列C


技术研发人员：于龙 范建华 胡永扬 周顺 李鹏 李文军 沈亮 谢倩 黄永刚
受保护的技术使用者：成都坤恒顺维科技股份有限公司
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/9/7