CN101827056A - 基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测方法，它属于通信技术领域，主要解决现有方法中已知码元引起的码间干扰对系统性能产生影响的问题。其实现步骤是：先对接受信号各分支进行相位平移和时间延迟得到差分信号；然后对该差分信号的相位进行判决反馈后与接受信号相乘实现差分检测；最后将各分支的信号合并，并进行抽样判决得到发送码元。本发明在保证频谱利用率的前提下，减小了已知码元对当前码元的干扰，提高整个系统的误码率性能，从而实现可靠地传输信息，可用于连续相位信号通过传输信道的信号检测。

Description

基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及数字通信中的信号检测，具体说是一种可以对连续相位信号进行检测的方法，可用于移动通信，卫星通信、深空通信等领域。

背景技术

在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，传统的数字调制方式已经不能满足应用的要求，需要采用更高效的数字调制方式来减小信道带宽以及非线性对传输信号的影响，以便在有限带宽资源的条件下获得更好的性能。连续相位调制CPM(Continuous Phase Modulation)是一种具有恒定包络的先进调制技术，有高效的频带利用率与功率利用率。由于它的恒包络特性，因此不必考虑放大器的非线性问题，也就不必使用价格昂贵，功率较低的线性功率放大器，大大降低了接收端的复杂度。另外由于CPM信号具有连续相位的特点，使得该信号具有比以往的数字信号更好的频谱特性，使得其带外功率要小于其它的数字信号，更适合于带宽受限的信道，对于同样的符号速率，CPM信号所占用的带宽要更小一些。目前二进制CPM调制在目前的通信系统中已经得到了应用，比如MSK(Minimum Shift Keying)调制和第二代移动通信GSM中使用的GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)调制等，在卫星通信、深空通信及军事通信等对频谱效率和功率效率要求更高的系统当中，具有恒包络和高频谱利用率的连续相位调制是十分适宜的，因此该信号也成为了通信领域研究的热点之一。

对于上述二进制CPM信号的检测，在AWGN环境下，相干解调的性能要明显优于非相干解调，但是由于信号经过移动信道后产生了严重衰落和载波漂移的因素，对于相干载波的提取有很大难度，并且相干接收机的设计也有较大的复杂性。而非相干解调尽管理论上性能比相干解调差一些，但对信道衰落等因素的影响却不太敏感，即使在信道衰落较大的情况下，误码性能的恶化也不会太严重，而且非相干解调在硬件实现上要比相干解调简单得多。相比之下，非相干解调方案比相干解调有更大的可取性。

在实现非相干解调时，通常所采用的都是常规N比特差分检测，或者是结合判决反馈，等增益合并等技术来改善接收性能。但是传统的N比特差分检测在性能上还是有很大的提升空间。以GMSK调制为例，通过采用高斯脉冲这一平滑的相位函数，对于数据序列进行滤波使得信号的相位连续变化，从而获得更高的频谱利用率。然而更紧凑的频谱利用率是以牺牲信号之间的欧式距离为代价的。尤其当高斯滤波器的3dB归一化带宽B_bT较小或脉冲扩展长度L较大时，传统的N比特差分检测的性能急剧恶化。针对这一问题，Kee-Hoon Lee提出了一种分数多比特差分检测FMDD(Fractional Multi-bit Differential Detection)技术，将多个分数比特间隔的相位增量信号经过相位和时延调整，叠加后再进行判决，以实现复杂度最小的代价获得性能的改善。

通常，Λ重分数多比特差分检测所采用的结构框图如图1所示。图中λ代表分数延迟差分检测FDD(Fractional Differential Detection)结构的分支序号，总的分支数为Λ，1≤λ≤Λ。假定接收信号的采样率为f_s＝m/T，延迟的采样点数为λ，FDD的延迟时间可以表示为(λ/m)T。令k＝1/m，即k为以样点间隔计的基本分数延迟单元。假定信道为高斯白噪声信道，则到达接收机的信号可以表示为：

        x(t)＝R(t)cos(2πf_c(t)+φ(t，α)+η(t))                (1)

其中，f_c为载波频率，φ(t，α)为发送的二进制数据序列α经过成形滤波的相位函数，η(t)为高斯白噪声引起的相位变化，R(t)表示接收信号的幅度。x(t)经过第λ条分支的λkT延时和90°相移的信号可以表示为x(t-λkT)_90°：

x(t-λkT)_90°＝R(t-λkT)cos(2πf_c(t-λkT)+φ(t-λkT，α)+η(t-λkT)+90°)    (2)

其中，R(t-λkT)表示经过λkT延时和90°相移后接收信号的幅度，φ(t-λkT，α)为发送的数据序列α经过成形滤波并延时λkT个时间单位后的相位函数，η(t-λkT)为高斯白噪声经过λkT延时引起的相位变化。

将接收信号x(t)与x(t-λkT)_90°相乘并去除二次谐波后得到FDD输出r_λt(r)：

        r_λt(t)＝x(t)x(t-λkT)_90°

其中2πf_cλkT是由载波在λkT时延内引起的相位偏移，LP表示低通滤波器，信号通过该滤波器后将会去除二次谐波。

Δφ(λkT)＝φ(t，α)-φ(t-λkT，α)  Δη_λk＝η(t)-η(t-λkT)    (4)

Δφ(λkT)和Δη_λk分别代表分数比特间隔λkT内信号相位的变化量和噪声引起的相移。

在FMDD接收机结构中引入了相位和时延调整模块以抵消相偏2πf_cλkT的影响以及不同FDD分支的时延差。定义相位调整量为ψ_λk，时延调整量为D_λkT，则当ψ_λk满足2πf_cλkT+ψ_λk＝2π时2πf_cλkT的影响得以抵消，D_λkT的选取需使得不同的FDD分支保持同步，当D_λkT满足D_λkT＝(λ-1)kT/2时，不同的FDD分支的眼图张开最大点保持一致。经过调整模块校正的信号合并后得到f(t)，其中，指经过D_λkT时延调整后FDD输出：

$f\left(t\right)=\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{\λk}}{(t-D_{\mathrm{\λk}}T)}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\λk}}}---\left(5\right)$

再经过低通滤波器得到，假定接收信号已通过硬限幅电路消除了幅度的变化，

$d\left(t\right)=\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Σ}}}\sin (\mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\λkT}\right)+{\mathrm{\Δ\η}}_{\mathrm{\λk}})---\left(6\right)$

如果每个FDD分支的检测相位非常小，由于Δη_λk服从(-π，π)区间上的均匀分布，不同分支的噪声相移是独立的，因此将不同分支合并可以使得噪声相移减小、改善信噪比，从而获得性能增益。根据d(t)的极性就可以对信息码元做出判决。

通过多个分支的合并，类似于对信号进行时间分集合并。每一个参与分集的支路来自于一个接收信号的不同间隔的采样值。对多个分支的分数比特差分输出进行合并，与传统的1比特差分检测1DD相比加大了不同相位状态之间的距离，即检测的面积增大了。这样以零电平为门限进行判决时，不同相位状态之间的冗余度更大。Kee-Hoon Lee对蓝牙系统采用的高斯频移键控信号GFSK进行五重FMDD检测，在误码率为10^-4时，与1比特差分检测相比可以获得1.8dB的增益。但是这与相干解调性能上还是有着一定的差距的，，由于高斯滤波器的引入，使得已知码元对当前码元的干扰还比较严重，降低了整个系统误码率性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，在传统的分数多比特差分检测方法中引入了判决反馈，提出一种基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测的方法，通过减小已知码元对当前码元的干扰，来提高整个系统的误码率性能，从而实现可靠地传输信息。

为实现上述目的，本发明基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测的方法包括如下步骤：

(1)在第i个码元时刻，将接收机所接收到的信号x(t)的第λ个分支进行λkT时延和90°相移，得到差分信号x(t-λkT)_90°，其中λ＝1～Λ，Λ表示接收信号x(t)的分支数，k为以样点间隔计的基本分数延迟单元，t为当前时刻，T为码元周期；

(2)加入判决反馈，在第i个码元周期内，用差分信号x(t-λkT)_90°的相位减去相位平移量得到新的差分信号

其中，α_i-j指第i-j个码元时刻的发送码元；θ_j为发送码元α_i-j引起的反馈相位，其表示式为

式中，k_m＝π/2T，g(τ-jT)为脉冲响应曲线，j为正整数；

(3)将新的差分信号与原接收信号x(t)相乘，得到第λ个分支的输出信号r_λk(t)；

(4)将每个分支的输出信号r_λk(t)进行时延和相位调整，得到新的输出信号

其中，D_λkT为时延调整的大小，D_λkT＝(λ-1)kT/2，ψ_λk为相位调整大小，ψ_λk＝2π-2πf_cλkT，f_c为载波频率；

(5)合并输出信号

的各个分支，得到总输出信号f(t)；

(6)将总输出信号f(t)通过低通滤波器，得到限幅信号d(t)；

(7)对限幅信号d(t)进行抽样判决，当抽样判决值大于等于0时，当前码元判为1，当抽样判决值小于0时，当前码元判为-1；

(8)在当前时刻增加一个码元间隔，将步骤(7)中得到的码元反馈给步骤(2)进行循环，得到所有的码元序列。

本发明具有如下优点：

1.连续相位信号是以引入码间干扰，牺牲误码率性能来提高频谱利用率的。本发明由于采用了带有判决反馈的分数多比特差分检测，将多个分数比特间隔的相位增量经过时延相位，叠加后进行判决，在保证频谱利用率的前提下，减少了码间干扰带来的影响。同时对已知码元进行反馈，减去了已知码元所引起的相位增量，消除了已知码元对当前码元的影响，减少了由于高斯滤波器引入的码间干扰，使得其抗干扰性能向相干解调逼近，同时又是适合于移动信道的简单易实现的解调方案，适合市场对移动设备小型化，低成本的要求。

2、本发明有着结构简单，性能稳定的特点，不需要载波恢复电路，容易适应传输介质相位急剧变化的信道，如高斯信道和瑞利信道。

3、虽然在本发明中，对多个分支进行差分检测，但是由于各分支的检测方法都是相同的，因此并没有增加实现整个系统的复杂度。

附图说明

图1是现有技术中不带反馈的Λ重FMDD结构框图；

图2是本发明中加入判决反馈后的Λ重FMDD结构框图；

图3是现有技术中不带判决反馈的Λ重FMDD系统的误码率特性曲线图；

图4是本发明中加入判决反馈的Λ重FMDD系统的误码率特性曲线图；

图5是Λ取不同值时运用判决反馈前后系统的误码率特性的比较。

具体实施方式

本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作进一步的说明。

参照图2，本实施例取B_bT＝0.5、k_m＝π/2T，k＝1/4，脉冲扩展长度为3T的输入信号。采用信号处理器的软件方式实现对信号的检测。

此实施例中，用数字信号处理的方法实现时需要将时间离散化，本实施例中每个码元间隔T取4个采样点，在信号检测的过程中，取Λ＝5。其具体步骤如下：

第一步，将接收信号x(t)进行λkT码元延迟和90°相移，得到经过时延和相移后的差分信号为：

x(t-λkT)_90°＝R(t-λkT)cos(2πf_c(t-λkT)+φ(t-λkT，α)+η(t-λkT)+90°)    (7)

式中，

$R(t-\mathrm{\λkT})=\sqrt{{(\sqrt{2E/T}+n_c(t-\mathrm{\λkT}))}^2+n_s^2(t-\mathrm{\λkT})}---\left(8\right)$

$\mathrm{\η}(t-\mathrm{\λkT})={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{n_s(t-\mathrm{\λkT})}{\sqrt{2E/T}+n_c(t-\mathrm{\λkT})}\right]---\left(9\right)$

$\mathrm{\φ}(t-\mathrm{\λkT},\mathrm{\α})=2\mathrm{\πh}{\∫}_{-\∞}^{t-\mathrm{\λkT}}\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{i}g(\mathrm{\τ}-\mathrm{iT})\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

其中，λ＝1～Λ，T为码元周期，f_c为载波频率，E为符号能量，h为调制指数，α_i为码元序列，n_c(t-λkT)和n_s(t-λkT)分别为高斯白噪声的正弦分量和余弦分量，g(τ-jT)为脉冲响应曲线，j为正整数。

第二步，根据下式求出第i个码元时刻反馈相位θ_j的值：

${\mathrm{\θ}}_j=k_m{\∫}_{\mathrm{iT}+(-\mathrm{\λ}-1)\mathrm{kT}/2}^{\mathrm{iT}+(\mathrm{\λ}-1)\mathrm{kT}/2}g(\mathrm{\τ}-\mathrm{jT})\mathrm{d\τ}---\left(11\right)$

由于码元α_i-2的影响较小，在此只考虑码元α_i-1的影响，即只考虑θ₁，表1给出了λ＝1～9的θ₁值。

表1  B_bT＝0.5时的θ₁值

λ	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										θ1	0.8	2.3	5.1	9.7	16.3	24.8	34.6	45.0	55.4

第三步，加入判决反馈，在第i个码元周期内，将差分信号x(t-λkT)_90°相位减去

得到新的差分信号为：

第四步，将新的差分信号与接收信号x(t)相乘，得到第λ个分支的输出信号r_λk(t)：

对(13)式积化和差后可得：

$r_{\mathrm{\λk}}\left(t\right)=\frac{1}{2}R\left(t\right)R(t-\mathrm{\λkT})[\sin (2\mathrm{\π}{f}_c\mathrm{\λkT}+\mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\λkT}\right)+{\mathrm{\Δ\η}}_{\mathrm{\λk}}-{\widehat{\mathrm{\α}}}_{i-1}{\mathrm{\θ}}_1)$

$+\sin (4\mathrm{\π}{f}_{c}t+2\mathrm{\π}{f}_c\mathrm{\λkT}+\mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\λkT}\right)+{\mathrm{\Δ\η}}_{\mathrm{\λk}}-{\widehat{\mathrm{\α}}}_{i-1}{\mathrm{\θ}}_1)]---\left(14\right)$

式中，Δφ(λkT)和Δη_λk分别代表分数比特间隔λkT内信号相位的变化量和噪声引起的相移。

第五步，对不同分支的输出信号r_λk(t)进行时延调整和相位调整，得到新的输出信号为：

$f_{\mathrm{\λk}}\left(t\right)=r_{\mathrm{\λk}}{(t-D_{\mathrm{\λk}}T)}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\λk}}}---\left(15\right)$

式中，D_λkT和ψ_λk分别表示时延调整量和相位调整量，且D_λkT＝(λ-1)kT/2＝(λ-1)T/8，ψ_λk＝2π-2πf_cλkT。

第六步，合并经过调整后各分支的输出信号f_λk(t)，得到总输出信号f(t)：

$f\left(t\right)=\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{\λk}}{(t-D_{\mathrm{\λk}}T)}_{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\λk}}}---\left(16\right)$

此时不同的分数延迟差分检测FDD分支的眼图张开最大点保持一致，合并后输出信号的幅度能够达到最大。

第七步，将总输出信号f(t)通过低通滤波器，并通过硬限幅电路消除幅度的变化，得到低频限幅信号为：

$d\left(t\right)=\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\sin (\mathrm{\Δ\φ}\left(\mathrm{\λkT}\right)+{\mathrm{\Δ\η}}_{\mathrm{\λk}}-{\widehat{\mathrm{\α}}}_{i-1}{\mathrm{\θ}}_1).---\left(17\right)$

第八步，对低频限幅信号d(t)进行抽样判决，当抽样判决值大于等于0时，当前码元判为1，当抽样判决值小于0时，当前码元判为-1。

第九步，将当前时刻增加一个码元间隔，将步骤八得到的码元反馈给步骤三进行循环，得到所有的码元序列。

根据检测得到的码元序列和发送的码元序列，能够得到不同信噪比时5重分数多比特差分检测FMDD的误码率。类似地，也能够得到Λ＝6～9时系统的误码率。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。

图3给出了B_bT＝0.5、k_m＝π/2T，k＝1/4，脉冲扩展长度为3T时，现有技术不带判决反馈时Λ重分数多比特差分检测FMDD误码率特性曲线，其中，ΛDD表示不带判决反馈Λ重FMDD。从图3可以看出，随着分数比特间隔的扩大，获得的性能增益不断提高，但是分数比特间隔并不能一直增加下去，当σ＝7T/4时，系统达到最大性能增益，也就是说在不加判决反馈时，7FMDD的性能最好。除此之外还可以看出6FMDD与7FMDD性能接近，5FMDD和8FMDD性能接近，而9FMDD的分数比特间隔虽然最大，但是性能却是最差的。在误比特率为10^-3时7FMDD/6FMDD与5FMDD/8FMDD相比可获得约0.7dB的增益。

图4给出了本发明加入判决反馈后的Λ重FMDD的误码率特性曲线，其中，ΛDF表示带判决反馈Λ重FMDD。从图4可以看出，加入判决反馈后，随着分支数的增加，误码率性能越来越好，在9FMDD时达到最好。

图5是Λ取不同值时，加入判决反馈前后系统的误码率性能的比较。其中，图5a是加入判决反馈前后5重FMDD的误码率性能的比较，图5b是加入判决反馈前后6重FMDD的误码率性能的比较，图5c是加入判决反馈前后7重FMDD的误码率性能的比较，图5d是加入判决反馈前后8重FMDD的误码率性能的比较，图5e是加入判决反馈前后9重FMDD的误码率性能的比较。从图5a可以看出，当误码率为10^-3时，5FMDD反馈后性能比反馈前提高了0.5dB；从图5b可以看出，当误码率为10^-3时，6FMDD反馈后性能比反馈前提高了0.6dB；从图5c可以看出，当误码率为10^-3时，7FMDD反馈后较反馈前有大约1dB的提高；从图5d可以看出，当误码率为10^-3时，8FMDD反馈前后的性能增益为2.1dB；从图5e可以看出，当误码率为10^-3时，Λ＝9，加入反馈比无反馈情况下的性能有将近3.8dB的提高。

可见采用本发明提出连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测方法，在保证高频谱利用率优点的前提下，大大减小了码间干扰对系统的影响，使系统的性能得到了改善，进一步逼近了相干解调的性能。同时没有增加整个系统的复杂度，适用于市场对移动设备的要求。

Claims (1)

1.一种基于连续相位信号的判决反馈分数多比特差分检测方法，包括如下步骤：

1)在第i个码元时刻，将接收机所接收到的信号x(t)的第λ个分支进行λkT时延和90°相移，得到差分信号x(t-λkT)_90°，其中λ＝1～Λ，Λ表示接收信号x(t)的分支数，k为以样点间隔计的基本分数延迟单元，t为当前时刻，T为码元周期；

2)加入判决反馈，在第i个码元周期内，用差分信号x(t-λkT)_90°的相位减去相位平移量

得到新的差分信号

其中，α_i-j指第i-j个码元时刻的发送码元；θ_j为发送码元α_i-j引起的反馈相位，其表示式为式中，k_m＝π/2T，g(τ-jT)为脉冲响应曲线，j为正整数；

3)将新的差分信号

与原接收信号x(t)相乘，得到第λ个分支的输出信号r_λk(t)；

4)将每个分支的输出信号r_λk(t)进行时延和相位调整，得到新的输出信号

其中，D_λkT为时延调整的大小，D_λkT＝(λ-1)kT/2，ψ_λk为相位调整大小，ψ_λk＝2π-2πf_cλkT，f_c为载波频率；

5)合并输出信号

的各个分支，得到总输出信号f(t)；

6)将总输出信号f(t)通过低通滤波器并进行限幅，得到低频限幅信号d(t)；

7)对低频限幅信号d(t)进行抽样判决，当抽样判决值大于等于0时，当前码元判为1，当抽样判决值小于0时，当前码元判为-1；

8)在当前时刻增加一个码元间隔，将步骤7)中得到的码元反馈给步骤2)进行循环，得到所有的码元序列。

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