一種短時突發PSK信號的自適應解調方法

張建明

一種短時突發PSK信號的自適應解調方法

張建明1,2

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安 710068）

短時突發相移鍵控（PSK）通信具有隱蔽性好、信道利用率高的特點，得到廣泛應用。將已調信號非線性放大、限幅處理，使其幅度穩定在一定范圍，基于鎖相原理得到與已調信號同步的本地載波，是PSK信號解調相干載波恢復的常用方法。然而接收信號的非線性處理，會使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，導致誤碼率升高。針對常規方法存在的問題，提出了基于Hilbert變換的短時PSK信號自適應解調算法，通過信號歸一化，在不降低解調信號信噪比情況下，確保載波恢復運算不受數據信號幅度的影響，具有恢復速度快、跟蹤精度高、幀同步信號解調可靠、碼元采樣時間準確的特點。

短時突發PSK信號；Hilbert變換；載波恢復

0 引言

短時突發相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）信號的主要特征是持續時間短，發送時隙隨機，載波相位隨基帶信號變化，是相位不連續的恒包絡數字調制，只在需要的時候進行數據傳輸，節省了功率和信道資源，具有抗干擾性強、隱蔽性好的特點，得到廣泛應用。短時突發PSK通信以數據包為單位傳遞信息，為確定數據到來時刻，通常會在數據包中插入一段訓練序列，接收端利用該序列完成數據包的幀同步，前一數據包的同步信息往往不能被下一個數據包所用，每個數據包都需要重新估計同步參數。

實際信號傳輸中，由于接收端本地信號與發送端載波信號存在相位誤差，會使解調信號出現畸變。因此，幀同步信號解調和接收端本地載波跟蹤與恢復成為短時突發PSK信號解調的關鍵。

為確保信號解調動態，傳統解調方法首先對接收信號進行高增益放大，然后再對放大信號限幅處理，使信號幅度保持穩定，確保本地載波相位跟蹤精度及碼元抽樣的準確。這種解調方法存在以下幾方面不足。

1）載波跟蹤精度低，解調誤碼率高。

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定性較高，這樣才能確保基于門限抽樣、檢測的相干解調；同時，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，會增加高次諧波，這些必然引起解調信號信噪比下降，影響本地載波跟蹤精度，導致誤碼率升高。

2）本地載波恢復時間長

突發通信信號持續時間短、載頻變化較大，要求鎖相環有較大的捕獲帶寬，捕獲帶寬的增加勢必會影響到載波跟蹤精度和載波恢復速度，影響數據信號解調。

1 短時突發PSK信號解調方法

1.1 解調原理

為解決傳統PSK信號解調不足，提出PSK信號自適應解調方法：首先對PSK信號進行Hilbert變換，獲得PSK信號的包絡信息，以信號幅度作為鎖相環載波恢復的歸一化參數，確保載波恢復運算不受數據信號幅度的影響；然后通過PSK信號頻率粗測，開展鎖相環載波跟蹤與恢復及幀同步信號解調，實現短時突發PSK信號的自適應解調。該方法可自動調節用于數據解調信號幅度，具有載波恢復速度快、跟蹤精度高、幀同步信號解調可靠、碼元采樣時間準確度高的特點，可對一定動態范圍的PSK信號實現自適應解調。

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

圖1 短時突發DPSK信號解調原理圖

1.2 基于Hilbert變換PSK信號歸一化

1.2.1 信號幅度解調

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，才能實現信號的相干解調。然而，由于發送端與接收端本地載波頻率不一致，以及接收端與發射端的相對移動，會引起接收和發射信號頻率差異。同時，信號在空間傳輸過程中，由于多徑效應的影響，接收端對多徑信號的疊加，也會使接收信號的載波頻率相位和碼元發生偏移。

一般來說，在PSK信號相干解調中，初始頻偏越大，鎖相環環路捕獲時間就越長，甚至不能進入捕獲帶，嚴重時不能實現載波恢復。設計時，如果增大鎖相環的捕獲頻帶，則會降低載波恢復精度，引起解調誤碼率增大。因此，在短時PSK通信中，首先對輸入信號載波頻率粗測，再進行精確跟蹤，可以有效解決捕獲帶和頻率跟蹤精度的矛盾。

1.4 幀同步自適應門限解調輸出

1.4.1 鎖相環本地載波跟蹤與恢復

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

設輸入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，經過環路低通濾波，得到NCO本地振蕩器的控制量

1.4.2 幀同步信號解調

短時突發信號一般以數據包為單位傳遞信息，為實現數據碼元最佳采樣，一般會有數據包同步信號，也就是幀同步。Baker碼具有尖銳單峰特性的自相關函數非周期序列，是常用的幀同步碼組序列。

Baker碼識別器比較容易實現，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碼的規律一致，這樣識別器實際上就是對Baker碼進行相關運算，當Baker碼正好全部進入移位寄存器時，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碼的最后一位進入識別器時，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

由于解調后的幀同步相關運算峰值與PSK信號碼元相關，對相關運算峰值信號按碼元長度延遲，就可在“最佳時刻”對接收的數據信號進行采樣、判決，也就得到一個位同步定時抽樣脈沖，其速率與發送的基帶信號一致。

1.4.3 幀同步自適應檢測門限的確定

1.5 數據信號解調輸出

結合幀同步信號解調及已知信號碼元寬度，通過對數據信號的采樣、判決斷，實現數據的解調。

2 微波著陸信號解調仿真分析

2.1 微波著陸信號特性

微波著陸信號是典型的短時突發PSK信號，采用時分多路復用技術，角度制導和數據信息都在同一頻率上發射，不同功能信號占有自己的時隙。在每個發射時隙前部均采用DPSK調制的前導碼來區分不同的功能塊。其中數據信息用于向飛機提供用于精密進近和著陸的必要信息，包括基本數據字和輔助數據字。

基本數據字包括地面設備識別、信號覆蓋范圍、可用最低下滑角、設備性能級別和所用頻道等于著陸直接有關的數據；輔助數據一般包括地面設備的安裝狀況、航空氣象情報、跑道狀況及其他補充 信息。

基本數據字共有6個，每個字占32位，其中前12位為前導碼，最后2位為奇偶校驗位，其余構成若干信息段。輔助數據字又分為A、B、C三類，每類最多可達64個字，每個字占76位，其中前12位是前導碼，隨后是8位地址碼，中間部分是數字信息，最后7位是奇偶校驗位。

2.2 基本數據字1的數據結構

下面以微波著陸基本數據字1解算為例，說明PSK信號自適應解調方法。基本數據字1信息時長3.1 ms（包括832 μs載波捕獲段），碼元寬度為 64 μs。分析中，數據內容設定如表1所示。

表1 基本數據字1數據結構

注：13+14+…+30+31為奇數，14+15+…+30+32為偶數。

這樣基本數據字1的數據內容為：[11101 0101000 011110 10101 101010010]，共32位。

2.3 信號采樣

對構造出的基本數據字1信號進行采樣：

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 基本數據字1的Hilbert變換

圖4 基本數據字1的Hilbert變換局部放大

圖5 幅度解調信號

圖6 歸一化已調信號

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點功率譜密度分析，如圖7所示，當頻率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 同相信號經過低通濾波后的基帶信號

2.4.4 幀同步信號解算和數據信號解調

解調得到的數字基帶信號需要通過幀同步、抽樣及碼變換，才能得到所需的數據信息。這里，將解調后的基帶信號與5位標準Baker碼[11101]進行相關運算，輸出信號峰值作為碼元抽樣的時間基準，即碼元提取時鐘的幀同步信號，如圖11所示。

圖11 相關運算幀同步信號解調

3 結語

本文提出的基于信號Hilbert變換的PSK信號相干解調方法，首先對解調信號幅度進行歸一化處理，避免了傳統載波恢復方法中對輸入信號幅度有嚴格要求的問題，對歸一化數據信號進行載波相位跟蹤，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，實現PSK信號解調。

短時突發PSK信號自適應解調方法與傳統解調算法相比，可有效減小數據信號載波捕獲時間、提高時間利用率，具有良好的載波跟蹤與恢復性能，該方法適應于信號持續時間短、載頻變化大的突發通信，對跳頻、QPSK多相調制中接收機本振信號的產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），主要研究方向為無線電導航。