CN101635583B - 一种窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，包括以下步骤：采用现有方法建立初始同步，然后获得原始初始相位估计值θ₀；往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀至少各修正1次，得到至少2个修正初始相位估计值，从而得到至少3个初始相位估计值；将初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用相干解调算法进行解调，选择最佳解调结果；完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息。本发明并不要求对初始相位进行精确估计，也不需要增加相干解调算法复杂性，只需使用较少的辅助数据同步信息就避免了相位同步偏差给系统带来的影响，能够有效地提升系统解调性能。

Description

一种窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法

技术领域

本发明属于一种窄带高速跳频系统的高灵敏度接收技术，具体属于窄带高速跳频系统的相干解调方法。

背景技术

窄带高速跳频系统是一种能有效对抗各类人为跟踪干扰或无意干扰、提供可靠中低速数据传输(一般小于64kbps)的技术手段；实际应用中，窄带高速跳频系统除了要具有较高的跳频速率和较高的带宽利用率之外，还要具备较高的接收灵敏度性能。由于差分解调相对于相干解调有3dB的损失，为了获得高灵敏度，跳频系统一般采用相干解调，但相干解调必须恢复载波初始相位。在跳频通信系统中，由于跳频引入了随机相位跳变，因而相干解调接收端需要对每一跳数据进行相位估计与恢复处理。相干解调通信系统的载波相位恢复精度首先决定了该系统的通信性能。现有的做法或者采用较长的数据辅助训练序列，对接收相位进行精确估计，或者进行较长时间的锁相环来获得相位信息；在低信噪比下，为了得到精确的相位信息，需要的辅助数据或时间将会更长。但在高速跳频系统中由于较高的跳频速率和很短的驻留时间，长的训练序列导致有限带宽的严重浪费，使得传输速率降低；而采用锁相环技术要取得高精度初相估计所耗费的时间较长，无法适应高速跳频系统的短驻留时间，限制了跳速的提升。同时锁相环技术也导致的处理算法的复杂，增加了硬件资源的开销。这些都制约了高速跳频系统传输速率的提升与跳速的提高，造成系统的效率下降。

发明内容

针对现有高速跳频系统中所存在的相位同步偏差给系统解调性能造成恶化等影响以及为获取精确初始相位导致跳频系统效率下降等缺陷，本发明的目的在于提供一种窄带高速跳频系统的抗相偏相干解调方法，该方法并不要求对初始相位进行精确估计，也不需要采用复杂的锁相环技术，只需使用较少的数据辅助训练序列就避免了相位同步偏差给相干解调带来的影响，能够有效地提升系统接收性能。

本发明采用以下技术方案来实现上述目的：一种窄带高速跳频系统的抗相偏相干解调方法，包括以下步骤：步骤1，在发送端对被发送数据跳的数据头处增加训练序列，作为接收端相位估计的辅助数据；步骤2，接收端根据同步码搜索来确定跳频系统的同步时间，建立初始同步；步骤3，初始同步建立后，确定每一跳接收到数据的训练序列的位置，并进行相位估计，得到原始初始相位估计值θ₀；其特征在于还包括以下步骤：步骤4，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀至少各修正1次，得到至少2个修正初始相位估计值，从而得到至少3个初始相位估计值；将初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用相干解调算法进行解调，选择最佳解调结果；步骤5，完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息。

较佳地，所述步骤4包括以下步骤：步骤41，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正N次，得到2N个修正初始相位估计值，从而得到2N+1个初始相位估计值，其中N≥1；步骤42，将步骤41所得的2N+1个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2N+1次解调，选择最佳解调结果。优选地，所述步骤41对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向分别以等差递增、等差递减的方式进行修正，其中公差为Δθ。

较佳地，所述步骤4包括以下步骤：步骤41，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正1次，得到2个修正初始相位估计值，从而得到3个初始相位估计值；步骤42，将步骤41所得的3个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行3次解调，选择最佳解调结果；步骤43，往正、负两个方向对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值各修正1次，得到2个修正初始相位估计值；步骤44，将步骤43所得的2个修正初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2次解调，从上一次所选择的最佳解调结果和此次的2个解调结果之中选择最佳解调结果；步骤45，若步骤44所选择的最佳解调结果为上一次所选择的最佳解调结果，则转到步骤5；否则循环步骤43、44直至往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正了N次，其中N≥1。优选地，所述步骤41对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向的修正量分别为Δθ。优选地，所述步骤43对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值的修正量为Δθ/2。

所述Δθ是在解调误码率介于5％～0.001％时的信噪比条件下，计算步骤1所述的训练序列的原始初始相位估计值θ₀的误差平均值和方差，通过对1000个以上样本进行仿真测试获得。

所述Δθ在5°～50°之间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：本发明采用了常规相干解调(如维特比相干解调)算法，通过对初始相位进行多次补偿来完成信号的解调，每次解调都对相位估计的结果进行修正，并最终提取最佳的解调结果作为最终结果输出。这种多次补偿初始相位进而解调的方法，能够在较短训练序列的基础上提升相位估计精度，相干解调算法本身不需要采用更加复杂的处理来对抗初始相位精度不高的影响，只需简单的处理就能取得较好的解调性能，节约了硬件资源，降低了器件的成本和系统的功耗；此外，本发明可以在不增加算法复杂性的前提下，很好的克服了由于相位估计精度不足而造成的接收机灵敏度性能下降，提升了窄带高速跳频系统的通信性能，保证系统数据传输的可靠性和通信的距离。

附图说明

图1是本发明所述的跳频数据跳的结构组成示意图；

图2是本发明实施例1的解调流程图；

图3是本发明实施例2的解调流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、图2所示，本发明所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在发送端对被发送数据跳的数据头处增加训练序列，作为接收端相位估计的辅助数据。数据跳的结构组成示意图如图1所示，在功率下降时间、换频时间、功率上升时间后就是要发送的有效信息，有效信息包括训练序列和数据信息，其中训练序列在数据信息的前面。以上所述数据跳结构中的各个时间值以及有效信息的符号数都根据不同系统的实际需求可以有不同的设定，并无特别要求；例如训练序列采用自定义导引码时，其符号数可以在1-5之间。

步骤(2)，接收端根据同步码搜索来确定跳频系统的同步时间，建立初始同步。初始同步的建立主要分为以下的几个步骤：

步骤(21)计算接收信号与本地同步相关码的自相关值、互相关值与平均能量值；

步骤(22)，将步骤(21)所计算的值与预先设定的门限进行比较，确认发送信号是否到达；

步骤(23)，当步骤(21)所计算的值通过门限检测后，就表示检测到发送信号了，然后对数据跳建立初始同步。

步骤(3)，初始同步建立后，确定每一跳接收到数据的训练序列的位置，并进行相位估计，得到原始初始相位估计值θ₀。其计算原理是通过将接收到的训练序列与本地零初相的相同训练序列进行相关计算后累加，并求出其相位值，即可得到原始初始相位估计值θ₀。该原始初始相位估计值的精度在低信噪比下不能满足相干解调的要求；随着信噪比越低，该值的精度将会越差。

步骤(4)，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正N次，得到2N个修正初始相位估计值，从而得到2N+1个初始相位估计值，其中N≥1。

为了降低解调算法的复杂性，优选地，上述2N+1个初始相位估计值升序或降序排列后，每相邻两个初始相位估计值相差Δθ；这一优选方式在实现方式上，可以通过对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向分别以等差递增、等差递减的方式进行修正，其中公差为Δθ。这样，在θ₀精度不足的情况下，θ₀+i*Δθ或θ₀-i*Δθ(i＝1，2，…N，)当中会存在更加接近真实初始相位的值，从而提升相干解调的准确度。Δθ的大小根据跳频系统实际应用的环境，合理设定得到；在本实施例中，Δθ为相位估计偏差的经验值，这个经验值Δθ是在解调误码率介于5％～0.001％时的信噪比条件下，计算步骤1所述的训练序列的原始初始相位估计值θ₀的误差平均值和方差，通过进行大样本量仿真测试而最终获得合适的修正量Δθ。优选地，Δθ限定在5°～50°之间。所谓大样本量，即参与统计的θ₀的样本个数在1000以上，以确保Δθ的统计结果的准确性。

在对原始初始相位估计值进行修正时，考虑到修正结果并不一定比原估计结果精确，所以进行修正时一定要保证足够的细致度，即从正Δθ和负Δθ两个方向进行修正，并且修正次数N可根据实际使用环境情况调整，以确保修正到更精确的初相。

步骤(5)，将步骤(4)所得的2N+1个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2N+1次解调，选择最佳解调结果。

解调的具体过程为：解调模块采用维特比译码算法根据不同的初始相位估计值进行2N+1次解调，并在解调完成时输出解调结果和解调的维特比最佳路径分支度量值，然后比较与这2N+1个初始相位估计值所对应的解调分支度量值，并选择最大的分支度量值所对应的译码结果作为最终的解调结果。分支度量值描述了判决波形与发送波形的相似度，通过二者的共轭相关取其实部来计算；该值越大意味着相似度越高、判决越可靠，因而可大大改善信道误码率。

步骤(6)，完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息。

本实施例首先往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正N次后，再根据2N+1个初始相位估计值进行解调，最后从2N+1个解调结果中选择最佳解调结果。因而本实施例的算法简单，易于实现；但是本实施例的修正运算量及解调运算量都比较固定，并且修正量Δθ不变，修正精度不能进一步提高。如果根据实际使用环境需要修正的次数N比较大，且所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值并不是第N次修正后的修正初始相位估计值时，本实施例的修正运算量和解调运算量就有点冗余。接下来要描述的实施例2采用较为复杂的算法，避免了在某些应用场合中本实施例修正运算量及解调运算量冗余的问题。

实施例2

如图1、图3所示，本发明所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，包括以下步骤：

步骤(1)～(3)与实施例1的步骤(1)～(3)相同，不赘述。

步骤(4)，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正1次，得到2个修正初始相位估计值θ₁和θ₂，从而得到3个初始相位估计值。

优选地，上述3个初始相位估计值升序或降序排列后，每相邻两个初始相位估计值相差Δθ；即对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向的修正量分别为Δθ。在本实施例中，本步骤的Δθ也为相位估计偏差的经验值，且采用与实施例1相同的方式获得，其获得方式不赘述。

步骤(5)，将步骤(4)所得的3个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行3次解调，选择最佳解调结果。解调的具体过程与实施例1的相同，不赘述。

步骤(6)，往正、负两个方向对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值各修正1次，得到2个修正初始相位估计值。优选地，本步骤对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值的修正量为上一次修正量的二分之一。若本步骤是对初始相位估计值进行第2次修正，那么修正量为Δθ/2；若本步骤是对初始相位估计值进行第3次修正，那么修正量为Δθ/4，依此类推。

步骤(7)，将步骤(6)所得的2个修正初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2次解调，从上一次所选择的最佳解调结果和此次的2个解调结果之中选择最佳解调结果。

步骤(8)，若步骤(7)所选择的最佳解调结果为上一次所选择的最佳解调结果，则转到步骤(9)；否则循环步骤(6)、(7)直至往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正了N次，其中N≥1。

步骤(9)，完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息。

本实施例的修正运算量及解调运算量都比较灵活，假若对初始相位估计值再次修正后所对应的解调结果并不比上一次所选择最佳解调结果要优良时，则结束修正和解调，进而输出判决比特信息，获得最终的传输信息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，包括以下步骤：

步骤1，在发送端对被发送数据跳的数据头处增加训练序列，作为接收端相位估计的辅助数据；

步骤2，接收端根据同步码搜索来确定跳频系统的同步时间，建立初始同步；

步骤3，初始同步建立后，确定每一跳接收到数据的训练序列的位置，并进行相位估计，得到原始初始相位估计值θ₀；

其特征在于还包括以下步骤：

步骤4，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀至少各修正1次，得到至少2个修正初始相位估计值，从而得到至少3个初始相位估计值；将初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用相干解调算法进行解调，选择最佳解调结果；

步骤5，完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，计算接收信号与本地同步相关码的自相关值、互相关值与平均能量值；

步骤22，将步骤21所计算的值与预先设定的门限进行比较，确认发送信号是否到达；

步骤23，当步骤21所计算的值通过门限检测后，就表示检测到发送信号了，然后对数据跳建立初始同步；

所述步骤3中原始初始相位估计值θ₀的计算原理是：通过将接收到的训练序列与本地零初相的相同训练序列进行相关计算后累加，并求出其相位值，得到原始初始相位估计值θ₀；

所述步骤4包括以下步骤：

步骤41，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正N次，得到2N个修正初始相位估计值，从而得到2N+1个初始相位估计值，其中N≥1；

步骤42，将步骤41所得的2N+1个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2N+1次解调，选择最佳解调结果。

2.根据权利要求1所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述步骤41对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向分别以等差递增、等差递减的方式进行修正，其中公差为Δθ。

3.根据权利要求2所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述Δθ在解调误码率介于5％～0.001％时的信噪比条件下，计算步骤1所述的训练序列的原始初始相位估计值θ₀的误差平均值和方差，通过1000个以上样本进行仿真测试获得。

4.根据权利要求1所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述训练序列采用符号数在1-5之间的导引码。

5.一种窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，包括以下步骤：

步骤1，在发送端对被发送数据跳的数据头处增加训练序列，作为接收端相位估计的辅助数据；

步骤2，接收端根据同步码搜索来确定跳频系统的同步时间，建立初始同步；

步骤3，初始同步建立后，确定每一跳接收到数据的训练序列的位置，并进行相位估计，得到原始初始相位估计值θ₀；

其特征在于还包括以下步骤：

步骤4，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀至少各修正1次，得到至少2个修正初始相位估计值，从而得到至少3个初始相位估计值；将初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用相干解调算法进行解调，选择最佳解调结果；

步骤5，完成最佳解调结果的选择后，输出判决比特信息，获得最终的传输信息；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，计算接收信号与本地同步相关码的自相关值、互相关值与平均能量值；

步骤22，将步骤21所计算的值与预先设定的门限进行比较，确认发送信号是否到达；

步骤23，当步骤21所计算的值通过门限检测后，就表示检测到发送信号了，然后对数据跳建立初始同步；

所述步骤3中原始初始相位估计值θ₀的计算原理是：通过将接收到的训练序列与本地零初相的相同训练序列进行相关计算后累加，并求出其相位值，得到原始初始相位估计值θ₀；

所述步骤4包括以下步骤：

步骤41，往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正1次，得到2个修正初始相位估计值，从而得到3个初始相位估计值；

步骤42，将步骤41所得的3个初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行3次解调，选择最佳解调结果；

步骤43，往正、负两个方向对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值各修正1次，得到2个修正初始相位估计值；

步骤44，将步骤43所得的2个修正初始相位估计值及接收数据的采样值送入解调模块，解调模块采用维特比相干解调算法进行2次解调，从上一次所选择的最佳解调结果和此次的2个解调结果之中选择最佳解调结果；

步骤45，若步骤44所选择的最佳解调结果为上一次所选择的最佳解调结果，则转到步骤5；否则循环步骤43、44直至往正、负两个方向对原始初始相位估计值θ₀各修正了N次，其中N≥1。

6.根据权利要求5所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述步骤41对原始初始相位估计值θ₀往正、负两个方向的修正量分别为Δθ。

7.根据权利要求6所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述步骤43对上一次所选择最佳解调结果对应的初始相位估计值的修正量为上一次修正量的二分之一。

8.根据权利要求6所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述Δθ在解调误码率介于5％～0.001％时的信噪比条件下，计算步骤1所述的训练序列的原始初始相位估计值θ₀的误差平均值和方差，通过1000个以上样本进行仿真测试获得。

9.根据权利要求8所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述Δθ在5°～50°之间。

10.根据权利要求5所述的窄带高速跳频系统的抗相偏解调方法，其特征在于：所述训练序列采用符号数在1-5之间的导引码。

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