MSK直擴(kuò)通信檢測(cè)與符號(hào)周期估計(jì)分析

董占奇， 劉明友

(1.許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 河南 許昌 461000; 2.防空兵指揮學(xué)院， 鄭州 450052)

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MSK直擴(kuò)通信檢測(cè)與符號(hào)周期估計(jì)分析

董占奇1*， 劉明友2

(1.許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 河南 許昌 461000; 2.防空兵指揮學(xué)院， 鄭州 450052)

著眼MSK直擴(kuò)通信的非協(xié)作檢測(cè)問(wèn)題，研究提出了一種基于接收信號(hào)自相關(guān)域分析處理的檢測(cè)方法，該方法基于MSK直擴(kuò)通信的基本原理，通過(guò)直接對(duì)頻帶信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)平方平滑及低通濾波獲得能夠反映MSK直擴(kuò)通信存在與否的穩(wěn)健峰值，并同時(shí)達(dá)成對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻參數(shù)符號(hào)周期的估計(jì)，算法不需要對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)載頻進(jìn)行前期估計(jì)，有效避免了非協(xié)作通信檢測(cè)中在載波與相位估計(jì)及跟蹤方面所存在的問(wèn)題.計(jì)算機(jī)仿真顯示，所述方法可操作性強(qiáng)，具有對(duì)于噪聲環(huán)境下擴(kuò)頻信號(hào)檢測(cè)的魯棒性與適應(yīng)性．

MSK直擴(kuò)通信； 頻帶處理； 處理增益； 符號(hào)周期

基于在抗干擾與通信信息安全方面所具有的良好性能，擴(kuò)頻通信在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)由之而來(lái)的通信檢測(cè)問(wèn)題也受到了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，有不少學(xué)者在相關(guān)方面做了重要的工作.如：C. Bouder、盛廣銘等針對(duì)擴(kuò)頻通信的特征進(jìn)行研究，分別提出了在基帶層面上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于BPSK直擴(kuò)通信檢測(cè)的可行方法[1-3]，張花國(guó)、趙知?jiǎng)诺纫詳U(kuò)頻通信中QPSK調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)的檢測(cè)為研究?jī)?nèi)容，研究提出了可實(shí)現(xiàn)對(duì)QPSK擴(kuò)頻通信系統(tǒng)碼片速率和擴(kuò)頻序列估計(jì)的擴(kuò)頻通信檢測(cè)處理方法[4-5]，鄭文秀針對(duì)MSK直擴(kuò)通信的特征進(jìn)行研究，提出了一種基于自混頻處理與小波分析的可實(shí)現(xiàn)對(duì)MSK調(diào)制的擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼速率估計(jì)的方法[6]，趙旦峰等依據(jù)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)所具有的循環(huán)平穩(wěn)特性提出通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)循環(huán)譜實(shí)現(xiàn)對(duì)于直擴(kuò)通信的檢測(cè)[7].這里基于直擴(kuò)系統(tǒng)所具有的獨(dú)特特征，針對(duì)MSK直擴(kuò)通信的非協(xié)作檢測(cè)問(wèn)題展開(kāi)研究，理論分析與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，努力探尋能夠恰當(dāng)利用擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻處理增益、可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)頻帶MSK直擴(kuò)通信檢測(cè)的有效方法．

1 基本原理分析

1.1 信號(hào)表示與處理

MSK直擴(kuò)通信信號(hào)可以表示為[8-9]：

(1)

對(duì)式(1)所示信號(hào)以窗寬T(T>>Ts=NTc，N為序列aI(t)和aQ(t)的長(zhǎng)度)截取信號(hào)樣本sm(t)并取自相關(guān)，這里首先考慮(1)式右邊的第一項(xiàng)有：

(2)

其具體相關(guān)值的大小與延時(shí)τ、DI(t)在對(duì)應(yīng)窗口中的取值情況及窗寬T有關(guān)，當(dāng)τ≠kNTc(k為整數(shù)，NTc=Ts為符號(hào)周期)時(shí)，由擴(kuò)頻序列的相關(guān)特性可知相關(guān)值將很小，即不會(huì)在τ處出現(xiàn)一個(gè)明顯的相關(guān)峰；當(dāng)τ=kNTc時(shí)可能出現(xiàn)相關(guān)峰，峰值的大小與T及對(duì)應(yīng)的DI(t)取值情況有關(guān)，特別地，當(dāng)在整個(gè)觀察窗T內(nèi)信息碼元序列DI(t)不發(fā)生跳變時(shí)有(假設(shè)為m序列)：

(3)

然而，事實(shí)上由于DI(t)取值具有隨機(jī)性，在對(duì)不同的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)于不同的k，在τ=kTs處可能出現(xiàn)相關(guān)峰，也可能不顯示明顯的相關(guān)峰，特別地，由于各相關(guān)峰峰值大小不盡相等且取值正負(fù)不定，直接依據(jù)某一段采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)果來(lái)發(fā)掘目標(biāo)信息是不可靠的．

(4)

其中，

同時(shí)，對(duì)于(1)式右邊的第二項(xiàng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)同樣的處理也將表現(xiàn)出相似的特點(diǎn)，特別地，由于DI(t)、DQ(t)、aI(t)、aQ(t)相互獨(dú)立、互不相關(guān)，因而有

(5)

對(duì)(5)式所示的處理結(jié)果做低通濾波消除2倍載頻項(xiàng)“cos(4πf0τ)”所帶來(lái)的擾動(dòng)性影響，此時(shí)有

(6)

式(6)顯示MSK直擴(kuò)通信相關(guān)平方的平滑結(jié)果在τ等于符號(hào)周期Ts整數(shù)倍處穩(wěn)定取峰值．

1.2 噪聲環(huán)境下的特征分析

以上從理論上分析說(shuō)明了對(duì)MSK直擴(kuò)通信信號(hào)做相關(guān)平方平滑可以在相關(guān)時(shí)延參數(shù)τ等于符號(hào)周期整數(shù)倍處獲得峰值，在實(shí)際的通信檢測(cè)中，由于接收機(jī)采集到的信號(hào)不可避免地存在噪聲，要達(dá)成檢測(cè)目的必須對(duì)噪聲環(huán)境下算法處理的特征特性進(jìn)行研究分析.考慮噪聲時(shí)，進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為

r(t)=s(t)+n(t),

(7)

其中，n(t)=nI(t)sin(2πf0t)+nQ(t)cos(2πf0t)，n(t)與s(t)相互獨(dú)立．

接收信號(hào)自相關(guān)：

Rrm(t)(τ)=Rsm(t)(τ)+Rnm(t)(τ),

(8)

對(duì)(8)式所示結(jié)果做平方平滑：

(9)

對(duì)(9)式所示的處理結(jié)果做低通濾波可得

(10)

式中,有用信號(hào)成分與噪聲干擾比較：

(11)

由式(10)和式(11)可知，MSK直擴(kuò)通信自相關(guān)之平方平滑處理結(jié)果在相關(guān)時(shí)延參數(shù)τ等于符號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)將取峰值，并且峰值大小與擴(kuò)頻系統(tǒng)所用的擴(kuò)頻序列長(zhǎng)N、接收機(jī)輸入信噪比有關(guān)(一般地，N越大信號(hào)的發(fā)送功率越低)，算法處理對(duì)于信噪比的改善直接得益于MSK直擴(kuò)系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益.在對(duì)MSK直擴(kuò)通信的檢測(cè)中我們可以基于此特征實(shí)施檢測(cè)處理．

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述理論分析的正確性，這里以反饋系數(shù)為5 321和5 431的兩個(gè)31長(zhǎng)m序列為I/Q相擴(kuò)頻序列、碼片速率為1 Mchips/s、系統(tǒng)載頻為10 MHz的假定MSK擴(kuò)頻通信信號(hào)為檢測(cè)處理對(duì)象，在信噪比為-6 dB的情況下用Matlab仿真計(jì)算軟件按上一部分所述進(jìn)行了仿真處理模擬，圖1所示為觀察窗寬取40倍符號(hào)周期、參與平滑的數(shù)據(jù)段數(shù)為30時(shí)的處理結(jié)果．

圖1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)效果

由圖1所顯示的仿真結(jié)果可見(jiàn)，按照本文上一部分所述對(duì)MSK直擴(kuò)通信信號(hào)做檢測(cè)處理確實(shí)可以在相關(guān)時(shí)延等于符號(hào)周期整數(shù)倍時(shí)獲得能夠凸現(xiàn)系統(tǒng)特征的峰值，在對(duì)MSK直擴(kuò)通信的檢測(cè)中我們可以通過(guò)檢查搜索這些峰值實(shí)現(xiàn)對(duì)于MSK直擴(kuò)通信的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)由于峰值出現(xiàn)在自相關(guān)時(shí)延參數(shù)等于符號(hào)周期整數(shù)倍處、相鄰峰值之間的間隔等于擴(kuò)頻系統(tǒng)的符號(hào)周期，因此在完成對(duì)于MSK直擴(kuò)通信存在性檢測(cè)時(shí)可以通過(guò)檢查峰值出現(xiàn)的位置及相鄰峰值之間的間隔實(shí)現(xiàn)對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)重要參數(shù)符號(hào)周期的估計(jì)；同時(shí)，通過(guò)觀察圖1也發(fā)現(xiàn)，雖然檢測(cè)處理結(jié)果在時(shí)延參數(shù)τ取符號(hào)周期整數(shù)倍處顯示出明顯的峰值，但是各處峰值取值相互之間存有比較大的差異，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由DI(t)和DQ(t)取值及其序列分布隨機(jī)所引起的，對(duì)應(yīng)問(wèn)題可通過(guò)增加分析處理所用數(shù)據(jù)段數(shù)的方式來(lái)解決；順便地，在圖1所示的處理結(jié)果中在相關(guān)時(shí)延τ小于符號(hào)周期Ts的范圍內(nèi)存在有比較多的強(qiáng)干擾取值，這主要是由于直擴(kuò)通信信號(hào)在做如是處理時(shí)有典型特征——當(dāng)τ

以上實(shí)驗(yàn)證明了運(yùn)用上一部分所述理論實(shí)現(xiàn)MSK直擴(kuò)通信非協(xié)作檢測(cè)的可行性，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)相應(yīng)檢測(cè)處理方法的性能，這里在其它條件不變的情況下，針對(duì)不同的信噪比對(duì)算法正確實(shí)施對(duì)于MSK直擴(kuò)通信檢測(cè)和符號(hào)周期估計(jì)的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如圖2所示．

圖2 檢測(cè)算法對(duì)于噪聲的適應(yīng)性(不同信噪比)

由圖2所顯示的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，這里所述的MSK直擴(kuò)通信檢測(cè)方法魯棒性強(qiáng)，能夠適應(yīng)非協(xié)作通信檢測(cè)的低信噪比要求，能在較低的信噪比環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)通信的檢測(cè)并保持良好的性能，在文章所假定的環(huán)境下可以在信噪比為-8dB時(shí)以較高的準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)通信的檢測(cè)和完成對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)符號(hào)周期的估計(jì)．

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)MSK直擴(kuò)信號(hào)與噪聲之間的統(tǒng)計(jì)特征差異，提出了一種能夠有效利用擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻增益的MSK直擴(kuò)通信非協(xié)作檢測(cè)方法，并針對(duì)假定擴(kuò)頻通信信號(hào)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)處理模擬，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明了檢測(cè)處理方法的有效性；特別地，所提檢測(cè)處理算法可以直接作用于頻帶信號(hào)，大大降低了非協(xié)作通信檢測(cè)在載波與相位估計(jì)及跟蹤方面所存在的困難，它的使用對(duì)非協(xié)作條件下成功實(shí)現(xiàn)對(duì)于MSK直擴(kuò)通信的檢測(cè)具有重要意義．

另外，需要指出的是，在實(shí)際的擴(kuò)頻通信非協(xié)作檢測(cè)中，為了避免直接對(duì)監(jiān)視頻段的“射頻信號(hào)”進(jìn)行處理所帶來(lái)的對(duì)接收機(jī)采樣處理速率要求過(guò)高、數(shù)據(jù)處理量相對(duì)過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)等問(wèn)題，可以基于超外差接收思想先將欲“考察處理信號(hào)”轉(zhuǎn)至中頻，而后再按照本文所述方法實(shí)施檢測(cè)．

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Research on the detection and symbol period estimation of MSK DSSS communication

DONG Zhanqi1， LIU Mingyou2

(1.School of Electrics and Information Engineering， Xuchang University， Xuchang， Henan 461000;2.Air Defense Command College， Zhengzhou 450052)

Focusing on the non-cooperative detection of DSSS communication， the paper proposes a kind of MSK-modulated spread spectrum communication detection method. The method achieves the detection of the MSK DSSS communication and the estimation of the symbol period of the spread spectrum system by means of doing correlation， square smoothing and low pass filtering on the received band signal (or also radio-frequency signal) directly， through which a series of robust peaks can be gained. It does not need to do the preliminary estimation of carrier frequency of the spread spectrum system， and avoids the problem of the carrier extraction and phase tracking that exists in the non-cooperative detection of spread spectrum communication. The computer simulations show that the proposed method is not only feasible and efficient， but also can fit the need of the low signal to noise ratio which is quite common for the non-cooperative detection of the spread spectrum communication.

MSK DSSS communication; frequency-band processing; process gain; symbol period

2014-05-05.

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2010GGJS-214).

1000-1190(2015)01-0038-04

TN911.23

A

*E-mail: dongzqxxgc@126.com.