一種短時(shí)突發(fā)PSK信號的自適應(yīng)解調(diào)方法

張建明

一種短時(shí)突發(fā)PSK信號的自適應(yīng)解調(diào)方法

張建明1,2

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

短時(shí)突發(fā)相移鍵控（PSK）通信具有隱蔽性好、信道利用率高的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。將已調(diào)信號非線性放大、限幅處理，使其幅度穩(wěn)定在一定范圍，基于鎖相原理得到與已調(diào)信號同步的本地載波，是PSK信號解調(diào)相干載波恢復(fù)的常用方法。然而接收信號的非線性處理，會(huì)使PSK信號信噪比急劇下降，影響載波相位跟蹤精度，給幀同步信號生成和碼元抽取帶來不確定性，導(dǎo)致誤碼率升高。針對常規(guī)方法存在的問題，提出了基于Hilbert變換的短時(shí)PSK信號自適應(yīng)解調(diào)算法，通過信號歸一化，在不降低解調(diào)信號信噪比情況下，確保載波恢復(fù)運(yùn)算不受數(shù)據(jù)信號幅度的影響，具有恢復(fù)速度快、跟蹤精度高、幀同步信號解調(diào)可靠、碼元采樣時(shí)間準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

短時(shí)突發(fā)PSK信號；Hilbert變換；載波恢復(fù)

0 引言

短時(shí)突發(fā)相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）信號的主要特征是持續(xù)時(shí)間短，發(fā)送時(shí)隙隨機(jī)，載波相位隨基帶信號變化，是相位不連續(xù)的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制，只在需要的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了功率和信道資源，具有抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。短時(shí)突發(fā)PSK通信以數(shù)據(jù)包為單位傳遞信息，為確定數(shù)據(jù)到來時(shí)刻，通常會(huì)在數(shù)據(jù)包中插入一段訓(xùn)練序列，接收端利用該序列完成數(shù)據(jù)包的幀同步，前一數(shù)據(jù)包的同步信息往往不能被下一個(gè)數(shù)據(jù)包所用，每個(gè)數(shù)據(jù)包都需要重新估計(jì)同步參數(shù)。

實(shí)際信號傳輸中，由于接收端本地信號與發(fā)送端載波信號存在相位誤差，會(huì)使解調(diào)信號出現(xiàn)畸變。因此，幀同步信號解調(diào)和接收端本地載波跟蹤與恢復(fù)成為短時(shí)突發(fā)PSK信號解調(diào)的關(guān)鍵。

為確保信號解調(diào)動(dòng)態(tài)，傳統(tǒng)解調(diào)方法首先對接收信號進(jìn)行高增益放大，然后再對放大信號限幅處理，使信號幅度保持穩(wěn)定，確保本地載波相位跟蹤精度及碼元抽樣的準(zhǔn)確。這種解調(diào)方法存在以下幾方面不足。

1）載波跟蹤精度低，解調(diào)誤碼率高。

采用先放大、后限幅的處理方法，不僅增加了硬件電路，而且要求限幅輸出信號的穩(wěn)定性較高，這樣才能確?；陂T限抽樣、檢測的相干解調(diào)；同時(shí)，對大功率信號限幅處理，一般只對有用信號起作用，而噪聲信號變化并不明顯，會(huì)增加高次諧波，這些必然引起解調(diào)信號信噪比下降，影響本地載波跟蹤精度，導(dǎo)致誤碼率升高。

2）本地載波恢復(fù)時(shí)間長

突發(fā)通信信號持續(xù)時(shí)間短、載頻變化較大，要求鎖相環(huán)有較大的捕獲帶寬，捕獲帶寬的增加勢必會(huì)影響到載波跟蹤精度和載波恢復(fù)速度，影響數(shù)據(jù)信號解調(diào)。

1 短時(shí)突發(fā)PSK信號解調(diào)方法

1.1 解調(diào)原理

為解決傳統(tǒng)PSK信號解調(diào)不足，提出PSK信號自適應(yīng)解調(diào)方法：首先對PSK信號進(jìn)行Hilbert變換，獲得PSK信號的包絡(luò)信息，以信號幅度作為鎖相環(huán)載波恢復(fù)的歸一化參數(shù)，確保載波恢復(fù)運(yùn)算不受數(shù)據(jù)信號幅度的影響；然后通過PSK信號頻率粗測，開展鎖相環(huán)載波跟蹤與恢復(fù)及幀同步信號解調(diào)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)突發(fā)PSK信號的自適應(yīng)解調(diào)。該方法可自動(dòng)調(diào)節(jié)用于數(shù)據(jù)解調(diào)信號幅度，具有載波恢復(fù)速度快、跟蹤精度高、幀同步信號解調(diào)可靠、碼元采樣時(shí)間準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，可對一定動(dòng)態(tài)范圍的PSK信號實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)解調(diào)。

下面以差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）信號為例說明PSK解調(diào)過程，原理如圖1所示，其中數(shù)控振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）用于生成本地載波 信號。

圖1 短時(shí)突發(fā)DPSK信號解調(diào)原理圖

1.2 基于Hilbert變換PSK信號歸一化

1.2.1 信號幅度解調(diào)

1.2.2 信號Hilbert變換

2）令

1.2.3 PSK信號歸一化

1.3 載波頻率粗測

在無線通信中，接收端本地載波只有與輸入信號同頻、相位同步，才能實(shí)現(xiàn)信號的相干解調(diào)。然而，由于發(fā)送端與接收端本地載波頻率不一致，以及接收端與發(fā)射端的相對移動(dòng)，會(huì)引起接收和發(fā)射信號頻率差異。同時(shí)，信號在空間傳輸過程中，由于多徑效應(yīng)的影響，接收端對多徑信號的疊加，也會(huì)使接收信號的載波頻率相位和碼元發(fā)生偏移。

一般來說，在PSK信號相干解調(diào)中，初始頻偏越大，鎖相環(huán)環(huán)路捕獲時(shí)間就越長，甚至不能進(jìn)入捕獲帶，嚴(yán)重時(shí)不能實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)。設(shè)計(jì)時(shí)，如果增大鎖相環(huán)的捕獲頻帶，則會(huì)降低載波恢復(fù)精度，引起解調(diào)誤碼率增大。因此，在短時(shí)PSK通信中，首先對輸入信號載波頻率粗測，再進(jìn)行精確跟蹤，可以有效解決捕獲帶和頻率跟蹤精度的矛盾。

1.4 幀同步自適應(yīng)門限解調(diào)輸出

1.4.1 鎖相環(huán)本地載波跟蹤與恢復(fù)

鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）是閉環(huán)控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)輸入信號與本地載波恢復(fù)信號相位同步，通過比較輸入信號和NCO相位差，調(diào)整其輸出頻率，直至輸入信號相位與接收端本地NCO相位差穩(wěn)定在一定范圍，使輸入調(diào)制信號與本地振蕩器輸出信號的相位保持同步。

設(shè)輸入PSK信號為

輸入PSK信號正交變換后的信號為

NCO輸出信號為

將式（10）和式（11）信號相乘，經(jīng)過環(huán)路低通濾波，得到NCO本地振蕩器的控制量

1.4.2 幀同步信號解調(diào)

短時(shí)突發(fā)信號一般以數(shù)據(jù)包為單位傳遞信息，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼元最佳采樣，一般會(huì)有數(shù)據(jù)包同步信號，也就是幀同步。Baker碼具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)非周期序列，是常用的幀同步碼組序列。

Baker碼識別器比較容易實(shí)現(xiàn)，以5位Baker碼為例，如圖2所示，可由5級移位寄存器、相加器和判決器組成，各移位寄存器輸出段的接法和Baker碼的規(guī)律一致，這樣識別器實(shí)際上就是對Baker碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)Baker碼正好全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)，移位寄存器輸出端輸出都為+1，相加后得到最大輸出5，若判決器的判決門限為+4，那么就在5位Baker碼的最后一位進(jìn)入識別器時(shí)，識別器輸出一幀同步脈沖表示一幀的開始，作為每一功能段的幀同步信號。

圖2 5位Baker碼識別器原理圖

由于解調(diào)后的幀同步相關(guān)運(yùn)算峰值與PSK信號碼元相關(guān)，對相關(guān)運(yùn)算峰值信號按碼元長度延遲，就可在“最佳時(shí)刻”對接收的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采樣、判決，也就得到一個(gè)位同步定時(shí)抽樣脈沖，其速率與發(fā)送的基帶信號一致。

1.4.3 幀同步自適應(yīng)檢測門限的確定

1.5 數(shù)據(jù)信號解調(diào)輸出

結(jié)合幀同步信號解調(diào)及已知信號碼元寬度，通過對數(shù)據(jù)信號的采樣、判決斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)。

2 微波著陸信號解調(diào)仿真分析

2.1 微波著陸信號特性

微波著陸信號是典型的短時(shí)突發(fā)PSK信號，采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，角度制導(dǎo)和數(shù)據(jù)信息都在同一頻率上發(fā)射，不同功能信號占有自己的時(shí)隙。在每個(gè)發(fā)射時(shí)隙前部均采用DPSK調(diào)制的前導(dǎo)碼來區(qū)分不同的功能塊。其中數(shù)據(jù)信息用于向飛機(jī)提供用于精密進(jìn)近和著陸的必要信息，包括基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字。

基本數(shù)據(jù)字包括地面設(shè)備識別、信號覆蓋范圍、可用最低下滑角、設(shè)備性能級別和所用頻道等于著陸直接有關(guān)的數(shù)據(jù)；輔助數(shù)據(jù)一般包括地面設(shè)備的安裝狀況、航空氣象情報(bào)、跑道狀況及其他補(bǔ)充 信息。

基本數(shù)據(jù)字共有6個(gè)，每個(gè)字占32位，其中前12位為前導(dǎo)碼，最后2位為奇偶校驗(yàn)位，其余構(gòu)成若干信息段。輔助數(shù)據(jù)字又分為A、B、C三類，每類最多可達(dá)64個(gè)字，每個(gè)字占76位，其中前12位是前導(dǎo)碼，隨后是8位地址碼，中間部分是數(shù)字信息，最后7位是奇偶校驗(yàn)位。

2.2 基本數(shù)據(jù)字1的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下面以微波著陸基本數(shù)據(jù)字1解算為例，說明PSK信號自適應(yīng)解調(diào)方法。基本數(shù)據(jù)字1信息時(shí)長3.1 ms（包括832 μs載波捕獲段），碼元寬度為 64 μs。分析中，數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)定如表1所示。

表1 基本數(shù)據(jù)字1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

注：13+14+…+30+31為奇數(shù)，14+15+…+30+32為偶數(shù)。

這樣基本數(shù)據(jù)字1的數(shù)據(jù)內(nèi)容為：[11101 0101000 011110 10101 101010010]，共32位。

2.3 信號采樣

對構(gòu)造出的基本數(shù)據(jù)字1信號進(jìn)行采樣：

1）載波頻率：800 kHz；

2）信噪比：15 dB；

3）采樣率：10 MHz。

2.4 信號解算

2.4.1 基于Hilbert變換的信號歸一化

圖3 基本數(shù)據(jù)字1的Hilbert變換

圖4 基本數(shù)據(jù)字1的Hilbert變換局部放大

圖5 幅度解調(diào)信號

圖6 歸一化已調(diào)信號

2.4.2 PLL本地初始載波頻率的確定

對歸一化后的信號做256點(diǎn)功率譜密度分析，如圖7所示，當(dāng)頻率820.31 kHz功率譜密度最大，以該頻率作為PLL本地載波的初始頻率。

圖7 信號的功率譜密度

2.4.3 基帶信號解算

圖8 載波相位跟蹤誤差

圖9 同相支路信號/正交支路信號

圖10 同相信號經(jīng)過低通濾波后的基帶信號

2.4.4 幀同步信號解算和數(shù)據(jù)信號解調(diào)

解調(diào)得到的數(shù)字基帶信號需要通過幀同步、抽樣及碼變換，才能得到所需的數(shù)據(jù)信息。這里，將解調(diào)后的基帶信號與5位標(biāo)準(zhǔn)Baker碼[11101]進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，輸出信號峰值作為碼元抽樣的時(shí)間基準(zhǔn)，即碼元提取時(shí)鐘的幀同步信號，如圖11所示。

圖11 相關(guān)運(yùn)算幀同步信號解調(diào)

3 結(jié)語

本文提出的基于信號Hilbert變換的PSK信號相干解調(diào)方法，首先對解調(diào)信號幅度進(jìn)行歸一化處理，避免了傳統(tǒng)載波恢復(fù)方法中對輸入信號幅度有嚴(yán)格要求的問題，對歸一化數(shù)據(jù)信號進(jìn)行載波相位跟蹤，得到與輸入信號載波相干的本地載波，通過幀同步解算和碼元抽樣，實(shí)現(xiàn)PSK信號解調(diào)。

短時(shí)突發(fā)PSK信號自適應(yīng)解調(diào)方法與傳統(tǒng)解調(diào)算法相比，可有效減小數(shù)據(jù)信號載波捕獲時(shí)間、提高時(shí)間利用率，具有良好的載波跟蹤與恢復(fù)性能，該方法適應(yīng)于信號持續(xù)時(shí)間短、載頻變化大的突發(fā)通信，對跳頻、QPSK多相調(diào)制中接收機(jī)本振信號的產(chǎn)生也具有一定的參考意義。

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Demodulation Algorithm of Short-Term Sudden PSK Signal

ZHANG Jianming

Short-term sudden Phase Shift Keying (PSK)communication has the characteristics of good concealment and high channel utilization, which is widely used in military and civilian fields. By amplifying and limiting the modulation signal to stabilize its amplitude in a certain range, basing on the principle of phase-locked loop to obtain the local carrier synchronized with the PSK signal is the most commonly used carrier recovery method. However, nonlinear processing of the received PSK signal will cause a sharp decline in signal-to noise ratio of modulation signal, resulting in an increase in bit error rate. It affects the carrier phase tracking accuracy, brings uncertainty to frame synchronization signal generation and code element calculation uncertain. In response to the problems of this method, based Hilbert transformation, an adaptive PSK signal demodulation method is proposed to ensure that the carrier recovery operation is not affected by data signal amplitude. The method does not reduce signal-to-noise ratio of PSK signal. Compared with traditional method, the algorithm can adaptive adjust the signal amplitude and has the advantages of rapidly carrier wave tracking, reliable frame synchronization demodulation and accurate of code element sampling.

Short-Term Sudden PSK Signal; Hilbert Transformation; Carrier Wave Recovery

TN911

A

1674-7976-(2023)-06-435-07

2023-06-19。

張建明（1968.05—），山西平遙人，高級工程師（研究員級），主要研究方向?yàn)闊o線電導(dǎo)航。