一種實用的MPSK/TDMA突發信號盲解調方案

杜　謙

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種實用的MPSK/TDMA突發信號盲解調方案

杜謙

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對時分多址(TDMA)目標的信號參數完全未知的情況，提出了一種MPSK/TDMA突發信號盲解調方案。該方案采用基于獨特字的信號盲檢測算法對突發信號進行了正確檢測，采用改進修正協方差法來精確估計載波，采用基于非線性變換方法來精確估計MPSK信號的符號速率。設計了一種前饋法的載波同步和碼元同步算法，實現了MPSK/TDMA突發信號的盲解調。理論分析和仿真試驗表明，該方案具有良好的工程應用性能。

關鍵詞MPSK信號；TDMA體制；突發信號；盲解調

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衛星通信的多站間通信僅需一個載波，該載波按照時間劃分為不同的時隙，多個時隙構成一幀。每幀設置一個時隙為參考基準，由參考站發送，其他站以此為時間基準，在指定的時隙發送突發信號。顯然，TDMA多址通信信號是典型的突發通信。本文針對同步軌道衛星通信中的某一類TDMA信號，設計了在非合作通信條件下MPSK/TDMA突發信號盲解調方案。

由于衛星TDMA信號[1-3]傳輸的通常是短突發數據，首先要解決的就是突發信號的盲檢測問題。對偵收的TDMA衛星信號進行信號檢測時，要檢測出信號出現和信號結束的時刻，才能對信號進行解調接收。本方案中突發信號檢測采用了基于獨特字的檢測方法，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確度。對于非通信合作方而言，在未知約定的載波恢復/碼元定時序列的條件下，要實現對TDMA信號的解調，就必須精確估計出TDMA信號參數的各個調制參數。本文采用了基于改進修正協方差法的MPSK類信號的載波頻率的精確估計和基于非線性變換的符號周期估計方法實現了調制參數的盲估計。最后，在信號盲檢測和參數盲識別的基礎上，設計了一種前饋法載波同步和碼元同步算法，實現了MPSK/TDMA突發信號的盲解調。

1突發信號的盲檢測算法

1.1基于信號能量的檢測算法

根據對目標信號的分析，每個用戶突發數據的結尾沒有特定的標志，對幀結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個同樣長度連續的單滑動窗構成(以幀長N序列為例)，即一個從幀頭開始以有效段長N/2作為第1個窗，后N/2作為第2個窗；分別求取2個窗內數據的能量及2個窗的能量差；每計算一個值，2個窗向后滑動一定的步長，這樣當2個窗都有信號或都沒有信號時，其能量差是一個比較小的數據，當2個窗的分界位置正好滑動到數據的結束位置時，即一個窗內存在信號，另一個窗內只有噪聲，2個窗的能量差達到最大。通過檢測能量差的峰值就可以檢測到信號的截止位置。這樣相當于檢測的信噪比增加了2倍?；瑒哟暗拈L度根據突發之間的間隙選取，滑動的步長根據突發的間隙選擇。

當雙滑動窗的分界位置正好處于信號的起始位置時，信號的起始位置也可能檢測到，這時利用相關峰檢測到的起始位置以及幀長的先驗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基于獨特字的檢測算法

通過對目標信號的調研和對截獲信號的分析，發現不同用戶及主站數據突發的開始部分中都存在一個獨特碼，所以可以利用這些獨特碼的尖銳的自相關特性進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同步法，采用基于滑動相關同步法的相關積累技術來捕獲同步頭。

設本地報頭序列為c(t)，設其碼元寬度為τ0，則它與自身延遲的相關函數可以表示為：

(1)

當c(t)長度為N時，有

(2)

由相關檢測的公式可以看出，當本地獨特碼序列與接收序列對齊時相關值最大，而其他情況相關值很小。信號相關檢測原理框圖如圖1所示。

圖1　信號相關檢測原理

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

2突發信號的調制參數估計方法

2.1載波頻率估計算法

2.1.1頻率粗估計

對變頻后的信號首先校正較大的頻偏，使用無數據輔助、無定時信息的采樣數據，利用延遲相乘的開環方法進行載波頻率的粗估計。

開環估計[7,8]的方法需要的延遲是L0個符號周期，L0是用來估計頻偏的符號個數。估計的方案是基于電壓統計的信息。

假設接收信號經過低通濾波后為：

(3)

信號延遲相乘后得到電壓項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值：

(4)

它的數字實現公式為：

(5)

注意，當2πνΔT接近π或者-π時，估計的結果可能有誤，當ν在±1/(2ΔT)范圍內時，估計值與真實值一致。

2.1.2載波頻率相位精細估計算法

假設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。在y4(k)中已經沒有調制信號了。另外，

[y(k)y*(k-1)]4=ej8πνT+n″(k)。

(8)

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

(9)

式(9)右面的后一項的幅度比前一項小很多，則有

(10)

由于arg{·}的范圍為±π，估計的范圍為±1/(8T)。

這種方法可以擴展到MPSK中，則調制信號需要y(k)做M次方去掉，即

yM(k)=ej[2Mπν(kT+τ)+Mθ]+n′(k)，

(11)

(12)

2.2碼元同步參數估計

在突發通信系統中，為了提高突發通信的效率，必須縮短解調器提取時鐘同步信號所需時間。解調方案中增加了定時偏差估計模塊，首先估計出定時的初始相位，再進入定時跟蹤環節，減少了定時同步捕獲的時間。

利用Oerder&Meyr[10,11]算法實現碼元同步參數的估計，Oerder&Meyr算法利用了接收信號的循環周期特性估計碼元同步參數τ，該方法采用前饋的方式通過處理接收信號的采樣點獲得碼元同步誤差的估計，非常適合突發信號的解調，在一個時隙持續時間較短的TDMA系統中一個時隙內僅需估計一次就足夠了。對每個時隙持續時間比較長的突發信號，可以將信號劃分為長度為L1=T1/T的數據塊，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對應的傅里葉系數表示為：

3MPSK/TDMA突發信號解調方案

對連續傳輸的MPSK信號，通常采用鎖相環路等反饋法實現載波同步和碼元同步。反饋環路算法具有良好的跟蹤性能，但需要有很長的捕獲時間，因此不適于突發持續時間較短的TDMA數據傳輸。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間短，更適于突發信號的解調。

針對包括BPSK、QPSK信號的突發MPSK信號，采用相干解調[12]方式，在碼元同步前首先進行碼元同步初始參數估計，在載波同步前首先進行載波同步初始參數估計，保證同步環路直接進入跟蹤環路，減少了捕獲的時間。解調原理如圖3所示。

圖3　MPSK信號解調原理

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

4仿真結果分析

針對采集的Linkway數據進行信號檢測解調試驗，信號采樣率為10 MHz，符號速率為2.5 MHz，調制樣式為QPSK。解調針對輸入的每段數據首先進行信號檢測，并與上一段數據結合判斷是否初始化相應的參數，對信號載頻進行估計并對頻偏補償，對符號的初始相位估計，并使用內插算法的符號同步環路進行符號同步，最后使用載波環路進行載波頻率和相位的跟蹤。

使用相關檢測算法得到的相關曲線如圖4所示。

圖4　使用相關檢測算法得到的相關曲線

大于門限的峰值對應獨特碼的起始位置，通過對Linkway的協議分析，獨特碼前包含127個符號的1 010序列，向前移動504個樣點得到信號的起始位置。使用雙滑動窗得到的曲線，均衡分析時隙間隔中無信號長度為384個樣點，以及盡量減少窗內能量抖動的原則，選取每個窗長為250個樣點。窗口滑動的補償選擇1個樣點。頻率粗估計得到信號的頻偏為228.939 5 Hz。針對第2段數據解調得到的星座圖如圖5所示。

圖5　對第2段數據解調得到的星座圖

5結束語

針對同步軌道衛星通信中的某一類TDMA信號，提出了一種MPSK/TDMA突發信號盲解調方案。該方案中實現了對接收信號進行盲檢測，以確定信號在什么時間段出現或存在；對接收到的突發信號進行精確的參數估計，測量出發射信號時所采用的調制參數，如信號的帶寬、載波頻率、符號速率和調制方式等；引導MPSK專用解調器在信號參數精確估計的基礎上，實現載波同步和符號同步和，從而完成對TDMA突發信號的正確接收。工程實踐中采用截獲到的TDMA實際衛星通信數據對該方案中的各種算法進行了驗證，能夠達到較好的盲解調效果。

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

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-12-22

中圖分類號TN911

文獻標識碼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.一種實用的MPSK/TDMA突發信號盲解調方案[J].無線電工程,2016,46(3):15-17,61.