一種部分響應(yīng)CPM信號(hào)的調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)算法

靳曉艷，李　偉

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

2.空軍駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

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一種部分響應(yīng)CPM信號(hào)的調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)算法

靳曉艷1，李偉2

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

2.空軍駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

摘要針對(duì)非協(xié)作通信環(huán)境下部分響應(yīng)CPM信號(hào)的調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)問題，提出了一種系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)方案，可依次對(duì)載波頻率、符號(hào)速率、調(diào)制指數(shù)和調(diào)制階數(shù)進(jìn)行有效地估計(jì)。在基于循環(huán)平穩(wěn)特性的符號(hào)速率估計(jì)的前提下，對(duì)聯(lián)合估計(jì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，構(gòu)造新的代價(jià)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)載波頻率和調(diào)制指數(shù)聯(lián)合估計(jì)，提取循環(huán)譜線特征估計(jì)調(diào)制階數(shù)。仿真試驗(yàn)表明，該算法在信噪比10 dB時(shí)具有較好的估計(jì)效果。

關(guān)鍵詞CPM；調(diào)制參數(shù)；盲識(shí)別；循環(huán)譜

A Blind Modulation Parameter Estimation Algorithm for Partial Responses CPM Signal

JIN Xiao-yan1,LI Wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China；2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLAAirForceStationedinShijiazhuangRegion，ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractA systematic scheme is proposed to solve the problem of modulation parameter estimation for partial responses CPM signal in non-cooperative communication environment.It can successively estimate carrier frequency,symbol rate,and modulation index and modulation order.After the estimation of symbol rate based on the features of cyclostationary of CPM signals,the joint estimation algorithm is simplified and a new cost function is constructed to estimate frequency offset and modulation index jointly.Lastly the modulation order is estimated by picking up features of cyclic spectrum line.Simulation results indicate that the algorithm can provide great performance under the SNR of 10 dB.

Key wordsCPM;modulation parameter;blind recognition;cyclic spectrum

0引言

連續(xù)相位調(diào)制(CPM)是一種相位連續(xù)、包絡(luò)恒定的調(diào)制方式[1]，具有很高的頻譜利用率和功率利用率，在現(xiàn)代移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，目前許多戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)也采用了這種調(diào)制樣式[2]。因此，近幾年通信偵察中頗為重視針對(duì)這種調(diào)制方式的信號(hào)盲檢測(cè)和參數(shù)的分析識(shí)別技術(shù)。

在CPM調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)方面，文獻(xiàn)[3-7]中使用一些傳統(tǒng)的基于信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)特性的方法可以實(shí)現(xiàn)全響應(yīng)CPM信號(hào)參數(shù)盲估計(jì)，但對(duì)于部分響應(yīng)CPM信號(hào)，過寬的信號(hào)過渡帶寬會(huì)導(dǎo)致這些算法失效。文獻(xiàn)[8-9]中使用高階累積量對(duì)調(diào)制指數(shù)進(jìn)行盲估計(jì)，但該算法也同樣只適用于全響應(yīng)CPM信號(hào)。本文提出了一種CPM信號(hào)的調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)方法，能夠適用于包括部分響應(yīng)信號(hào)在內(nèi)的全部類型CPM信號(hào)，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

1CPM信號(hào)的數(shù)學(xué)模型

(1)

(2)

(3)

q(t)可以表示為頻率成形脈沖g(t)的積分，

(4)

g(t)僅在區(qū)間(0,LTs]內(nèi)具有非零值，LTs為頻率成形脈沖的持續(xù)時(shí)間，正整數(shù)L稱為頻率成形脈沖相關(guān)長(zhǎng)度，當(dāng)L=1時(shí)，稱為全響應(yīng)CPM信號(hào)；當(dāng)L>1時(shí)，稱為部分響應(yīng)CPM信號(hào)。

2CPM信號(hào)的參數(shù)估計(jì)

對(duì)CPM信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，需要估計(jì)的參數(shù)有：載頻fc、符號(hào)速率Rs、調(diào)制指數(shù)h和調(diào)制階數(shù)M。文獻(xiàn)[10]提出的調(diào)制指數(shù)/頻偏/符號(hào)速率聯(lián)合估計(jì)算法，需要的參數(shù)先驗(yàn)信息較少，并且具有很好的估計(jì)效果。然而該算法中符號(hào)周期搜索區(qū)間的確定非常困難，尤其對(duì)于部分響應(yīng)CPM信號(hào)，帶寬受成形波形長(zhǎng)度的影響，于是用粗略估計(jì)的帶寬來確定符號(hào)周期搜索區(qū)間往往導(dǎo)致聯(lián)合估計(jì)錯(cuò)誤。本文對(duì)該聯(lián)合算法進(jìn)行了改進(jìn)，即先采用循環(huán)譜算法對(duì)符號(hào)速率進(jìn)行精確估計(jì)，再利用簡(jiǎn)化后的聯(lián)合算法進(jìn)行調(diào)制指數(shù)和頻偏的聯(lián)合估計(jì)。因此，CPM信號(hào)參數(shù)估計(jì)方案如圖1所示。

圖1　CPM信號(hào)參數(shù)估計(jì)流程

2.1載頻粗估計(jì)

(5)

2.2符號(hào)速率估計(jì)

CPM信號(hào)在譜頻率為載頻的循環(huán)截面上，有等間距的離散譜線，且其間距為信號(hào)的符號(hào)速率[11]。因此可以利用信號(hào)循環(huán)譜截面特征，直接對(duì)接收的中頻信號(hào)進(jìn)行符號(hào)速率估計(jì)。

因此，對(duì)接收到的CPM信號(hào)，用頻域譜平滑法得到其循環(huán)譜估計(jì)，利用非線性濾波方法提取譜頻率為載頻的循環(huán)截面上的離散譜線，根據(jù)該截面上離散譜線的分布距離，得到符號(hào)速率的估計(jì)。

(6)

(7)

2.3調(diào)制指數(shù)和頻偏聯(lián)合估計(jì)

(8)

由于本參數(shù)估計(jì)方案中已經(jīng)對(duì)符號(hào)速率進(jìn)行了精確估計(jì)，因此可對(duì)文獻(xiàn)[10]算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，定義代價(jià)函數(shù)為：

(9)

2.4調(diào)制階數(shù)估計(jì)

(10)

因此，四進(jìn)制CPM信號(hào)的循環(huán)譜在f=0和f=±1/Ts處出現(xiàn)3根離散譜線。同理，八進(jìn)制CPM信號(hào)的循環(huán)譜存在7根離散譜線。可見，對(duì)于調(diào)制指數(shù)h=1時(shí)不同調(diào)制階數(shù)的CPM信號(hào)，在循環(huán)頻率α=1/Ts處的循環(huán)譜具有不同的離散譜線特征，因此可以根據(jù)α=1/Ts處循環(huán)譜的譜線結(jié)構(gòu)來對(duì)CPM信號(hào)的調(diào)制階數(shù)進(jìn)行識(shí)別。

對(duì)于h≠1的CPM信號(hào)，需要對(duì)h進(jìn)行調(diào)整，使得調(diào)整后的調(diào)制指數(shù)h′滿足h′=1。令μ=1/h，對(duì)CPM信號(hào)進(jìn)行μ次方運(yùn)算：

(11)

s′(k)即為調(diào)整后的CPM信號(hào)，對(duì)s(k)的μ次方運(yùn)算僅僅改變其調(diào)制指數(shù)，對(duì)其他的調(diào)制參數(shù)沒有影響，因此調(diào)整后的CPM信號(hào)也具有以上分析的循環(huán)平穩(wěn)性。

3算法仿真與性能分析

通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證本文所提算法的有效性。假設(shè)四進(jìn)制CPM信號(hào)的符號(hào)速率Rs=200 ksps；載波頻率fc=400 kHz；采樣率fs=2 MHz；觀測(cè)碼元長(zhǎng)度N=1 024；成形脈沖為升余弦脈沖，成形波形長(zhǎng)度L=2；調(diào)制指數(shù)h=2/5。

下面給出了使用本文算法對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的結(jié)果。f=fc的循環(huán)譜截面如圖2所示，根據(jù)離散譜線位置可正確估計(jì)符號(hào)速率；調(diào)制指數(shù)和頻偏聯(lián)合估計(jì)的代價(jià)函數(shù)分布圖如圖3所示，根據(jù)最高點(diǎn)位置可正確估計(jì)調(diào)制指數(shù)與頻偏；α=1/Ts的循環(huán)譜截面如圖4所示，根據(jù)譜線根數(shù)與位置可正確估計(jì)調(diào)制階數(shù)。此外，該算法對(duì)于全響應(yīng)CPM信號(hào)同樣適用。

圖2　f=fc的循環(huán)譜截面

圖3　代價(jià)函數(shù)分布

隨信噪比的變化，使用本文算法對(duì)上述仿真條件下的CPM信號(hào)進(jìn)行100次蒙特卡羅試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯?dāng)信噪比達(dá)到10 dB以上時(shí)，本算法能夠有效估計(jì)符號(hào)速率、載頻、調(diào)制指數(shù)和調(diào)制階數(shù)。

表1　不同信噪比下CPM信號(hào)參數(shù)估計(jì)結(jié)果

4結(jié)束語

在非協(xié)作數(shù)字通信系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)CPM信號(hào)的盲解調(diào)，接收端首先需要完成信號(hào)調(diào)制參數(shù)的盲估計(jì)。本文研究了部分響應(yīng)CPM信號(hào)調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)問題，提出了一種系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)方案，可以有效地對(duì)部分響應(yīng)CPM信號(hào)的載波頻率、符號(hào)速率、調(diào)制指數(shù)以及調(diào)制階數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并通過仿真試驗(yàn)對(duì)本文所提算法進(jìn)行了性能驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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靳曉艷女,(1984—)，博士，工程師。主要研究方向：電子對(duì)抗。

李偉男,(1983—)，工程師。主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN 911.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)04-0026-04

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目。

收稿日期：2016-01-06

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.07

引用格式：靳曉艷，李偉.一種部分響應(yīng)CPM信號(hào)的調(diào)制參數(shù)盲估計(jì)算法[J].無線電工程,2016,46(4):26-29.