一種突發通信信號檢測與頻偏估計算法

姚國義，李 鑫，蘭瑞田

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.石家莊職業技術學院，河北石家莊050081;3.天津水務局，天津300074)

0 引言

在突發通信中，發射端一般采取數據前加同步頭的突發方式，接收端的首要任務是對接收數據的起點進行檢測，即突發信號檢測。突發信號檢測可以描述為一個二元假設檢測問題，即通過判斷判決變量是否超過預定門限值來檢測突發信號的有無。

在通信系統中，由于收發本振頻率之間存在頻差，而且一般系統還存在著較大的多普勒頻移，因此在點對點的突發通信中，每次突發同步都需要進行載波頻偏的計算和校正。

π/4 DQPSK是在QPSK基礎上發展起來的一種線性數字調制技術，由于它具有頻譜特性好、頻譜利用率高、抗多普勒頻移等顯著特點，在移動通信、衛星通信中得到了廣泛應用［1，2］。

主要討論在π/4 DQPSK調制方式、數據速率為2.4 kbps、同步頭為“0101……”碼突發方式下，接收端對同步頭做FFT來進行信號檢測和頻偏估計。

1 信號模型

信號傳輸模型如圖1所示［3］。

圖1 信號傳輸模型

采用圖1所示的信號傳輸模型，同步頭序列設計為“001100110011……”，變為 I和 Q兩路均為“010101……”。

對用戶數據和同步頭進行復接，再經串并轉換(實現π/4-DQPSK調制)和成形濾波，得到S1(t)，然后通過發中頻模塊得到S(t)。S(t)進入信道傳輸，再通過收中頻模塊變為模擬基帶信號r1(t)。

對r1(t)進行A/D變換和數字下變頻，然后對rk進行信號檢測和頻偏估計，待匹配濾波和定時估計完成后，最后進行差分解調，恢復出原始信息。

以同步頭L=32符號為例，8倍采樣，滾降系數為1，Es/N0=5 dB，無頻偏時對同步頭做256點FFT變換到頻域，其頻譜特性如圖2所示［5］。

圖2 同步頭頻譜特性

圖2中幅度較高的譜線為同步頭信號的特征譜線，其幅度表征為信號功率，其余譜線幅度表征為噪聲功率。突發幀信號檢測需要設定判決門限，即信號與噪聲總功率與純噪聲功率的比值，可根據仿真結果設定門限值。有頻偏和無頻偏特征譜線之間的相對位置決定了頻偏的大小，再經數字下變頻消除頻差。

假定數據速率為2.4kbps，8倍符號采樣，做256點FFT，硬件實現時，可用高倍時鐘做FFT運算，對接收數據進行滑動，每接收到一個符號做一次FFT，做 FFT用的時鐘為2.4 kbps×8×256=4.9152 MHz。突發幀到來之前為純噪聲，FFT的輸出也為噪聲，不會出現信號的特征譜線，隨著做FFT突發幀同步頭符號的增加，FFT輸出信號的特征譜線，根據判決門限即可進行信號檢測，同時根據特征譜線的相對位置完成載波頻率估計。

2 算法描述與仿真

基于數據輔助的信號檢測采用頻域檢測法［3］，將接收信號變換到頻域，通過計算輔助數據特征譜功率值與純噪聲功率值的比值，這個比值較小時認為是噪聲，較大時認為檢測到信號。以同步頭L=32符號為例，8倍采樣，考慮到時域與頻域等效，以下從頻域對算法［4］進行分析:

①對接收信號求FFT，計算信號頻譜:

②計算接收信號功率:

④計算純噪聲功率:

⑤判斷比值:

將接收信號總功率與純噪聲功率的比值與設定門限比較，大于門限則表明檢測到突發信號，小于門限則表明接收到的信號為純噪聲。

下面給出仿真結果。仿真條件:調制方式為π/4-DQPSK，8倍符號率采樣，信號成形采用平方根升余弦脈沖，滾降系數為1，Es/N0=5 dB，同步頭符號數L=32，歸一化頻偏假設為1/4，計算256點FFT，全部用上32個符號同步頭，估計次數為500次。門限判決仿真如圖3所示。

圖3 門限仿真結果

因設定的門限是功率相對值，與接收信號電平無關，可通過仿真確定判決門限。由圖3可知，門限值可選為50，當Pt/Pn＞50時，則認為檢測到信號，若Pt/Pn＜50時，則認為是純噪聲，表明沒有突發信號到來。

在信息前插入同步頭序列，通過對接收到的前導碼序列進行復數FFT運算，得到其頻譜。根據頻域功率譜線的相對位置計算出頻差，從而調整載波輸出頻率，減小頻偏值［5］。

有頻偏時同步頭的特征譜線與無頻偏時相比，最大點的位置會發生變化，這是由信道頻偏引起的。假設特征譜線中最大點的位置相對無頻偏時偏移為k，則其對應頻率為k/N×fs(N為FFT點數，fs為采樣頻率)，即為估計出的頻偏值。

3 結束語

從仿真結果可以看出，提出的算法能夠利用32個同步頭符號，獲得較好的信號檢測性能和較為精確的頻偏估計，可以滿足突發通信的要求。算法實現簡單，易于硬件編程實現。

［1］ 廖鷹梅，邢曉燕，田敏．π/4-DQPSK調制技術的仿真及實現［J］．大眾科技，2009(9)：13 －14．

［2］ 宋文姝，張天騏，林孝康．π/4-DQPSK調制解調技術的仿真及分析［J］．計算機仿真，2006(8)：138 －141．

［3］ 杜丹，潘申富，江會娟，等．一種突發通信信號的檢測及位定時估計算法［J］．無線電通信技術，2007(1)：17 －18．

［4］ 葉淦華，張邦寧，陸銳敏．基于FFT的校頻技術及其FPGA實現［J］．電子工程師，Feb．2007，33(2)：31 －34．

［5］ 王琥．FFT校頻技術及其FPGA實現［J］．現代電子技術，2004(24)：93 －94．

［6］ 馮文江，王紅霞，侯劍輝，等．一種適合突發通信的信號檢測改進算法［J］．重慶大學學報(自然科學版)，2007，30(2)：58 －60．

［7］ 曹志剛．現代通信原理［M］．北京：清華大學出版社，1992．

［8］ 周國安，范惠芳．一種突發通信的時間信號快速提取方法［J］．無線電工程，2000，30(7)：37 －39．

［9］ 韓騰飛，陳衛東．基于高階累積量的突發信號檢測技術［J］．無線電通信技術，2013，39(2)：72 －74．

［10］陳寅健，李荔，楊根慶．一種用于突發通信的全數字解調器設計［J］．無線電通信技術，2000，9(3)：32 －36．