一種實(shí)用的MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案

杜　謙

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種實(shí)用的MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案

杜謙

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對時(shí)分多址(TDMA)目標(biāo)的信號參數(shù)完全未知的情況，提出了一種MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案。該方案采用基于獨(dú)特字的信號盲檢測算法對突發(fā)信號進(jìn)行了正確檢測，采用改進(jìn)修正協(xié)方差法來精確估計(jì)載波，采用基于非線性變換方法來精確估計(jì)MPSK信號的符號速率。設(shè)計(jì)了一種前饋法的載波同步和碼元同步算法，實(shí)現(xiàn)了MPSK/TDMA突發(fā)信號的盲解調(diào)。理論分析和仿真試驗(yàn)表明，該方案具有良好的工程應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞MPSK信號；TDMA體制；突發(fā)信號；盲解調(diào)

A Practical Scheme for Blind Demodulation of MPSK/TDMA Burst Signals

DU Qian

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of TDMA target signal parameter completely unknown,a kind of blind demodulation scheme of MPSK/TDMA burst signals is put forward.In this scheme,a blind detection algorithm based on unique word is used to correctly detect burst signals,an improved modified covariance method is used to accurately estimate the carriers,and a nonlinear transformation algorithm is used to accurately estimate the symbol rate of MPSK signal.A feedforward method with carrier synchronization and code synchronization algorithm is designed to realize blind demodulation of MPSK/TDMA burst signals.The theoretical analysis and simulation experiment results show that this scheme has better performance in engineering application.

Key wordsMPSK signal;TDMA technique;burst signals;blind demodulation

0引言

TDMA衛(wèi)星通信的多站間通信僅需一個(gè)載波，該載波按照時(shí)間劃分為不同的時(shí)隙，多個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一幀。每幀設(shè)置一個(gè)時(shí)隙為參考基準(zhǔn)，由參考站發(fā)送，其他站以此為時(shí)間基準(zhǔn)，在指定的時(shí)隙發(fā)送突發(fā)信號。顯然，TDMA多址通信信號是典型的突發(fā)通信。本文針對同步軌道衛(wèi)星通信中的某一類TDMA信號，設(shè)計(jì)了在非合作通信條件下MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案。

由于衛(wèi)星TDMA信號[1-3]傳輸?shù)耐ǔＪ嵌掏话l(fā)數(shù)據(jù)，首先要解決的就是突發(fā)信號的盲檢測問題。對偵收的TDMA衛(wèi)星信號進(jìn)行信號檢測時(shí)，要檢測出信號出現(xiàn)和信號結(jié)束的時(shí)刻，才能對信號進(jìn)行解調(diào)接收。本方案中突發(fā)信號檢測采用了基于獨(dú)特字的檢測方法，比基于信號能量的雙滑動窗算法，對信號檢測更具有針對性，提高了對特殊信號檢測的概率和準(zhǔn)確度。對于非通信合作方而言，在未知約定的載波恢復(fù)/碼元定時(shí)序列的條件下，要實(shí)現(xiàn)對TDMA信號的解調(diào)，就必須精確估計(jì)出TDMA信號參數(shù)的各個(gè)調(diào)制參數(shù)。本文采用了基于改進(jìn)修正協(xié)方差法的MPSK類信號的載波頻率的精確估計(jì)和基于非線性變換的符號周期估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)制參數(shù)的盲估計(jì)。最后，在信號盲檢測和參數(shù)盲識別的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種前饋法載波同步和碼元同步算法，實(shí)現(xiàn)了MPSK/TDMA突發(fā)信號的盲解調(diào)。

1突發(fā)信號的盲檢測算法

1.1基于信號能量的檢測算法

根據(jù)對目標(biāo)信號的分析，每個(gè)用戶突發(fā)數(shù)據(jù)的結(jié)尾沒有特定的標(biāo)志，對幀結(jié)束的檢測只能使用基于能量的雙滑動窗算法[4]。

雙滑動窗檢測算法是由2個(gè)同樣長度連續(xù)的單滑動窗構(gòu)成(以幀長N序列為例)，即一個(gè)從幀頭開始以有效段長N/2作為第1個(gè)窗，后N/2作為第2個(gè)窗；分別求取2個(gè)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的能量及2個(gè)窗的能量差；每計(jì)算一個(gè)值，2個(gè)窗向后滑動一定的步長，這樣當(dāng)2個(gè)窗都有信號或都沒有信號時(shí)，其能量差是一個(gè)比較小的數(shù)據(jù)，當(dāng)2個(gè)窗的分界位置正好滑動到數(shù)據(jù)的結(jié)束位置時(shí)，即一個(gè)窗內(nèi)存在信號，另一個(gè)窗內(nèi)只有噪聲，2個(gè)窗的能量差達(dá)到最大。通過檢測能量差的峰值就可以檢測到信號的截止位置。這樣相當(dāng)于檢測的信噪比增加了2倍?；瑒哟暗拈L度根據(jù)突發(fā)之間的間隙選取，滑動的步長根據(jù)突發(fā)的間隙選擇。

當(dāng)雙滑動窗的分界位置正好處于信號的起始位置時(shí)，信號的起始位置也可能檢測到，這時(shí)利用相關(guān)峰檢測到的起始位置以及幀長的先驗(yàn)信息就可以排除掉起始位置，而只保留有效的截止位置。

1.2基于獨(dú)特字的檢測算法

通過對目標(biāo)信號的調(diào)研和對截獲信號的分析，發(fā)現(xiàn)不同用戶及主站數(shù)據(jù)突發(fā)的開始部分中都存在一個(gè)獨(dú)特碼，所以可以利用這些獨(dú)特碼的尖銳的自相關(guān)特性進(jìn)行信號起始位置的檢測[5,6]。

信號檢測使用基于相位搜索的滑動相關(guān)同步法，采用基于滑動相關(guān)同步法的相關(guān)積累技術(shù)來捕獲同步頭。

設(shè)本地報(bào)頭序列為c(t)，設(shè)其碼元寬度為τ0，則它與自身延遲的相關(guān)函數(shù)可以表示為：

(1)

當(dāng)c(t)長度為N時(shí)，有

(2)

由相關(guān)檢測的公式可以看出，當(dāng)本地獨(dú)特碼序列與接收序列對齊時(shí)相關(guān)值最大，而其他情況相關(guān)值很小。信號相關(guān)檢測原理框圖如圖1所示。

圖1　信號相關(guān)檢測原理

為了消除載波頻偏對相關(guān)特性的影響，首先將接收的信號變至零中頻，然后延遲一個(gè)符號共軛相乘、低通濾波得到基帶信號；對本地獨(dú)特字序列進(jìn)行差分(使用本地符號延遲相乘來實(shí)現(xiàn))，然后對差分后數(shù)據(jù)進(jìn)行與接收信號相同調(diào)制樣式的調(diào)制；將接收信號的差分信號與本地調(diào)制信號進(jìn)行滑動互相關(guān)，若相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)的峰值大于設(shè)定的門限，則判為信號出現(xiàn)，即可找出一個(gè)突發(fā)幀的起始位置。

2突發(fā)信號的調(diào)制參數(shù)估計(jì)方法

2.1載波頻率估計(jì)算法

2.1.1頻率粗估計(jì)

對變頻后的信號首先校正較大的頻偏，使用無數(shù)據(jù)輔助、無定時(shí)信息的采樣數(shù)據(jù)，利用延遲相乘的開環(huán)方法進(jìn)行載波頻率的粗估計(jì)。

開環(huán)估計(jì)[7,8]的方法需要的延遲是L0個(gè)符號周期，L0是用來估計(jì)頻偏的符號個(gè)數(shù)。估計(jì)的方案是基于電壓統(tǒng)計(jì)的信息。

假設(shè)接收信號經(jīng)過低通濾波后為：

(3)

信號延遲相乘后得到電壓項(xiàng)z(t)，通過求取z(t)的期望，并求期望信號的相角就可以得到信號的頻偏的估計(jì)值：

(4)

它的數(shù)字實(shí)現(xiàn)公式為：

(5)

注意，當(dāng)2πνΔT接近π或者-π時(shí)，估計(jì)的結(jié)果可能有誤，當(dāng)ν在±1/(2ΔT)范圍內(nèi)時(shí)，估計(jì)值與真實(shí)值一致。

2.1.2載波頻率相位精細(xì)估計(jì)算法

假設(shè)接收信號中存在的頻偏為ν，匹配濾波器輸出為：

y(k)=ckej[2πν(kT+τ)+θ]+n(k)。

(6)

y4(k)=ej[8πν(kT+τ)+4θ]+n′(k)。

(7)

式中，n′(k)是信號和噪聲乘積以及噪聲乘積和的噪聲項(xiàng)。在y4(k)中已經(jīng)沒有調(diào)制信號了。另外，

[y(k)y*(k-1)]4=ej8πνT+n″(k)。

(8)

式中，[y(k)y*(k-1)]4是ej8πνT的估計(jì)值。精確估計(jì)可以通過多次平均平滑得到：

(9)

式(9)右面的后一項(xiàng)的幅度比前一項(xiàng)小很多，則有

(10)

由于arg{·}的范圍為±π，估計(jì)的范圍為±1/(8T)。

這種方法可以擴(kuò)展到MPSK中，則調(diào)制信號需要y(k)做M次方去掉，即

yM(k)=ej[2Mπν(kT+τ)+Mθ]+n′(k)，

(11)

(12)

2.2碼元同步參數(shù)估計(jì)

在突發(fā)通信系統(tǒng)中，為了提高突發(fā)通信的效率，必須縮短解調(diào)器提取時(shí)鐘同步信號所需時(shí)間。解調(diào)方案中增加了定時(shí)偏差估計(jì)模塊，首先估計(jì)出定時(shí)的初始相位，再進(jìn)入定時(shí)跟蹤環(huán)節(jié)，減少了定時(shí)同步捕獲的時(shí)間。

利用Oerder&Meyr[10,11]算法實(shí)現(xiàn)碼元同步參數(shù)的估計(jì)，Oerder&Meyr算法利用了接收信號的循環(huán)周期特性估計(jì)碼元同步參數(shù)τ，該方法采用前饋的方式通過處理接收信號的采樣點(diǎn)獲得碼元同步誤差的估計(jì)，非常適合突發(fā)信號的解調(diào)，在一個(gè)時(shí)隙持續(xù)時(shí)間較短的TDMA系統(tǒng)中一個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅需估計(jì)一次就足夠了。對每個(gè)時(shí)隙持續(xù)時(shí)間比較長的突發(fā)信號，可以將信號劃分為長度為L1=T1/T的數(shù)據(jù)塊，逐塊處理。T1為觀測間隔，L1為以碼元周期為度量單位的觀測間隔。該算法的原理框圖如圖2所示。

圖2　Oerder&Meyr算法原理

則

若N=T/Ts，則xm={x(nTs)}mL1N≤n<(m+1)L1N。

頻譜分量1/T對應(yīng)的傅里葉系數(shù)表示為：

3MPSK/TDMA突發(fā)信號解調(diào)方案

對連續(xù)傳輸?shù)腗PSK信號，通常采用鎖相環(huán)路等反饋法實(shí)現(xiàn)載波同步和碼元同步。反饋環(huán)路算法具有良好的跟蹤性能，但需要有很長的捕獲時(shí)間，因此不適于突發(fā)持續(xù)時(shí)間較短的TDMA數(shù)據(jù)傳輸。相比而言，前饋法載波同步和碼元同步算法所需要的捕獲時(shí)間短，更適于突發(fā)信號的解調(diào)。

針對包括BPSK、QPSK信號的突發(fā)MPSK信號，采用相干解調(diào)[12]方式，在碼元同步前首先進(jìn)行碼元同步初始參數(shù)估計(jì)，在載波同步前首先進(jìn)行載波同步初始參數(shù)估計(jì)，保證同步環(huán)路直接進(jìn)入跟蹤環(huán)路，減少了捕獲的時(shí)間。解調(diào)原理如圖3所示。

圖3　MPSK信號解調(diào)原理

首先對I/Q兩路信號進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行突發(fā)信號的檢測，在檢測到信號后，對中頻信號需要先進(jìn)行下變頻濾波，對零中頻信號可以跳過此步驟，進(jìn)行頻率的粗估計(jì)，并校正較大的頻偏，接著進(jìn)行碼元偏差的估計(jì)和碼元同步、載波頻率和相位偏差的精估計(jì)和載波同步，然后進(jìn)行判決，最后得到數(shù)字碼流。

4仿真結(jié)果分析

針對采集的Linkway數(shù)據(jù)進(jìn)行信號檢測解調(diào)試驗(yàn)，信號采樣率為10 MHz，符號速率為2.5 MHz，調(diào)制樣式為QPSK。解調(diào)針對輸入的每段數(shù)據(jù)首先進(jìn)行信號檢測，并與上一段數(shù)據(jù)結(jié)合判斷是否初始化相應(yīng)的參數(shù)，對信號載頻進(jìn)行估計(jì)并對頻偏補(bǔ)償，對符號的初始相位估計(jì)，并使用內(nèi)插算法的符號同步環(huán)路進(jìn)行符號同步，最后使用載波環(huán)路進(jìn)行載波頻率和相位的跟蹤。

使用相關(guān)檢測算法得到的相關(guān)曲線如圖4所示。

圖4　使用相關(guān)檢測算法得到的相關(guān)曲線

大于門限的峰值對應(yīng)獨(dú)特碼的起始位置，通過對Linkway的協(xié)議分析，獨(dú)特碼前包含127個(gè)符號的1 010序列，向前移動504個(gè)樣點(diǎn)得到信號的起始位置。使用雙滑動窗得到的曲線，均衡分析時(shí)隙間隔中無信號長度為384個(gè)樣點(diǎn)，以及盡量減少窗內(nèi)能量抖動的原則，選取每個(gè)窗長為250個(gè)樣點(diǎn)。窗口滑動的補(bǔ)償選擇1個(gè)樣點(diǎn)。頻率粗估計(jì)得到信號的頻偏為228.939 5 Hz。針對第2段數(shù)據(jù)解調(diào)得到的星座圖如圖5所示。

圖5　對第2段數(shù)據(jù)解調(diào)得到的星座圖

5結(jié)束語

針對同步軌道衛(wèi)星通信中的某一類TDMA信號，提出了一種MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案。該方案中實(shí)現(xiàn)了對接收信號進(jìn)行盲檢測，以確定信號在什么時(shí)間段出現(xiàn)或存在；對接收到的突發(fā)信號進(jìn)行精確的參數(shù)估計(jì)，測量出發(fā)射信號時(shí)所采用的調(diào)制參數(shù)，如信號的帶寬、載波頻率、符號速率和調(diào)制方式等；引導(dǎo)MPSK專用解調(diào)器在信號參數(shù)精確估計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)載波同步和符號同步和，從而完成對TDMA突發(fā)信號的正確接收。工程實(shí)踐中采用截獲到的TDMA實(shí)際衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)對該方案中的各種算法進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠達(dá)到較好的盲解調(diào)效果。

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杜謙男，(1973—)，高級工程師。主要研究方向：通信對抗、現(xiàn)代信號處理技術(shù)和無線通信系統(tǒng)等。

作者簡介

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目。

收稿日期：2015-12-22

中圖分類號TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0015-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.05

引用格式：杜謙.一種實(shí)用的MPSK/TDMA突發(fā)信號盲解調(diào)方案[J].無線電工程,2016,46(3):15-17,61.