CN101873293A - 一种非正弦时域正交调制信号的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于辅助序列的非正弦时域正交调制信号的同步方法。在该方法中，数据基于帧格式传输，在发送端，采用具有良好自相关特性的巴克码调制具有单峰值特征的基带椭圆球面波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions，PSWF)，经正弦载波调制将其频谱搬移至通信子波道内，然后与相移90°的正弦载波相加，从而形成辅助序列，在接收端，先从接收到的辅助序列中提取具有单峰值特征的新辅助序列，再进行同步信号捕获。该同步方法解决了非正弦时域正交调制信号的多峰值自相关特征所致的同步困难的问题，为实现高效非正弦波通信提供了有效的技术支持，具有重要价值。

Description

一种非正弦时域正交调制信号的同步方法

技术领域

本发明涉及无线电通信中的信号同步方法，尤其涉及一种基于辅助序列的信号同步方法。

背景技术

非正弦波通信的概念自二十世纪六十年代提出以来，距今已有四十多年的历史。它的提出，打破了传统基于正弦函数设计通信系统的固有模式，拓宽了通信研究领域。尽管如此，但非正弦波通信并没有得到推广应用，至今仅应用于基带通信系统和超宽带通信系统。

在原有的非正弦波通信系统中，产生及控制非正弦函数受到约束，所采用的非正弦函数通常含有较丰富的低频分量甚至直流分量，使非正弦波调制信号具有大相对带宽特征，不能与基于小相对带宽的无线电频谱管理体制相兼容。在二十世纪90年代，学术界提出了基于脉冲无线电技术的超宽带通信方法，虽然脉冲产生及控制技术得到进一步提高，但是由于超宽带脉冲信号带宽通常远大于信息传输速率，因此其通信效率较低。应用领域受限和通信效率低是目前非正弦波通信存在的两个主要待解决难点及关键技术。

针对原有非正弦波通信理论中存在的两个待解决难点问题，专利“非正弦时域正交调制方法”(王红星，赵志勇，刘锡国等.非正弦时域正交调制方法.国家发明专利，公开号：CN101409697A，中国，2009.)公开了一种新的非正弦波调制方法。该方法基于非正弦函数设计时域正交、频谱混叠、相对带宽可控的正交脉冲组传输信息，使调制信号在无线电频谱管理要求上能够与现有的通信体制相兼容，同时可有效提高通信系统的有效性。在该方法中，单路待传信息被转换为多路并传信息，通过脉冲调制形成多路正交脉冲序列，经时域叠加合成为一路调制信号。尤其是非正弦函数采用椭圆球面波函数(PSWF)设计时域正交波道交叠椭圆球面波脉冲组(王红星，赵志勇，刘锡国等.时域正交波道交叠椭圆球面波脉冲组设计方法.国家发明专利，公开号：CN 101420249A，中国，2009.)传输信息时，无码间干扰条件下的单位频带利用率可快速接近2B/Hz。该信息传输的方法既不同于传统的正弦载波通信，也不同于现有的非正弦波通信，从而也使其信号同步方法引入了新的特征。

同步是进行信息传输的前提，同步性能的降低会直接导致通信系统性能的降低，正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。

对于具有单脉冲序列特征的调制信号来说，如基于PN码的基带扩频调制信号、超宽带调制信号等，可采用的同步方法主要有两类：一类是基于检测理论的同步方法，该类方法根据本地模板信号与接收信号的相干或非相干检测值来捕获同步信号；另一类是基于估计理论的同步方法，该类方法是利用脉冲序列的统计特性实现信号的同步，主要算法有基于循环平稳特性算法、基于有噪模板算法等。但对于具有多路正交脉冲序列特征的调制信号来说，由于脉冲序列状态随机特性的增加，难以从接收信号中提取统计信息，主要采用基于检测理论的同步方法。

对于基于PSWF的非正弦时域正交调制信号来说，其调制信号具有多路正交脉冲序列特征，在基于检测理论进行信号同步时，需要根据本地模板信号与接收信号的相关值大小，来判断通信系统是否同步。然而，带通PSWF脉冲的自相关特性呈现多峰值特性，且随着通信频段的提高及相对带宽的减小，多峰值特性越严重，极大提高了对相位搜索精度的要求，给同步捕获门限设置带来了较大的困难，难以实现系统同步。近年来，虽然有些学者也提出了基于PSWF的超宽带波形设计方法，但是，针对具有多幅值特征的PSWF脉冲序列信号的同步问题，尚未见到有关文献论述。

发明内容

本发明的目的是提供一种信号同步方法，以解决多路正交PSWF调制信号因带通PSWF的多幅值自相关特性所致的同步困难问题，实现准确快速同步。在该方法中，采用具有良好自相关特性的巴克码调制具有单峰值特征的基带PSWF脉冲设计辅助序列，以避免因多峰值自相关特性所致的错误同步或歧异跟踪的发生。在粗捕获阶段，利用滑动相关捕获法将同步大致位置快速定位于一个小的搜索区间，在细捕获阶段，采用MAX/TC算法在这个小的搜索区间内进行细捕获并验证正确性，从而实现同步。

本发明的目的是通过如下技术措施来达到：

①数据基于帧格式传输。

基于PSWF的非正弦时域正交调制信号具有多路正交脉冲序列特征，设计自相关特性具有单峰值特征的辅助序列是实现信号同步的关键。如果该辅助序列与各路正交脉冲序列并行传输，则必破坏其正交性，将无法正确解调信息，为了保持各路脉冲调制序列间的正交性，数据基以帧格式传输，所设计的辅助序列以同步头的形式传输。

②单峰值基带PSWF脉冲设计。

基于时域正交PSWF脉冲组，采用非正弦时域正交调制方法传输信息时，通信波道被划分为多个带宽相同、频谱交叠的子波道(详见专利：时域正交波道交叠椭圆球面波脉冲组设计方法，公开号：CN 101420249A)。设计单峰值基带PSWF脉冲时，首先将某个子波道映射到基带频段后，再设计PSWF脉冲波形，即在基带频段0～B₀内求解具有单峰值特征的基带PSWF脉冲，其中B₀为子波道频带宽度。

③辅助序列设计。

在发送端，首先采用具有良好自相关特性的巴克码调制具有单峰值特征的基带PSWF脉冲，再经正弦载波sinω_ct调制将其频谱搬移至某个通信子波道内，以适于信道传输且避免占用额外的频谱资源，然后与相移90°的正弦载波相加，从而形成辅助序列。辅助序列设计原理如图1所示。

辅助序列可表示为：

p(t)＝U(t)·sinω_ct-cosω_ct    (1)

其中，

$U\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}B\left(j\right)D{\mathrm{\ψ}}_b(c,t-j{T}_s)---\left(2\right)$

B(j)为巴克码序列的第j位，Dψ_b(c，t)为具有单峰值特征的基带PSWF脉冲，c表示PSWF脉冲的时间带宽积因子，T_s为码元宽度，N为所采用的巴克码位数。

④信号同步方案。

i.单峰值特征的辅助序列提取。

信号同步方案框图如图2所示。在接收端进行同步捕获时，接收到的辅助序列r(t)首先被分为两个支路，一个支路参与乘法运算，另一个支路提取载波信号。采用一个中心频率为f_c的窄带滤波器提取余弦载波cosω_ct，经相移90°后与接收到的辅助序列进行乘法运算。

接收到的辅助序列r(t)可表示为：

r(t)＝U(t)·sin ω_ct-cosω_ct     (3)

接收到的辅助序列r(t)经窄带滤波器、移相器后，可获得的载波信号sinω_ct，该载波信号与辅助序列在乘法器中进行相乘运算可得：

$w\left(t\right)=r\left(t\right){\sin \mathrm{\ω}}_{c}t$

$=[U\left(t\right)\·\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t-\cos {\mathrm{\ω}}_{c}t]\·\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t$

$=\left\{\right[\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}B\left(j\right)D{\mathrm{\ψ}}_b(t-j{T}_s)]\·\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t-\cos {\mathrm{\ω}}_{c}t\}\·\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t---\left(4\right)$

$=\frac{1}{2}\left[\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}B\left(j\right)D{\mathrm{\ψ}}_b(t-j{T}_s)\right]-\frac{1}{2}\left[\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}B\left(j\right)D{\mathrm{\ψ}}_b(t-j{T}_s)\right]\·\cos 2{\mathrm{\ω}}_{c}t-\frac{1}{2}\sin 2{\mathrm{\ω}}_{c}t$

则w(t)经低通滤波后，便可获得具有单峰值特征的新辅助序列信号m(t)：

$m\left(t\right)=\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}B\left(j\right)D{\mathrm{\ψ}}_b(t-j{T}_s)---\left(5\right)$

ii.同步信号检测

为了有效减少搜索空间，本方案采用两步法进行同步信号捕获，第一步实现粗同步，快速将同步位置定位于一个小的搜索区间，第二步实现细同步，在这个小的搜索区间内进行细捕获并进行验证正确性。在粗同步捕获阶段，采用单积分串行滑动相关捕获法，利用新辅助序列的自相关特性实现粗同步，将同步位置定位于一个码元区间内；在细同步捕获阶段，根据MAX/TC准则，再将这个搜索区间分成多个子区间，每个子区间分别包含多个单元，在每个单元时间内，首先读取过判决门限时刻N码元时间的新辅助序列信号，与本地模板信号相关，并搜索该子区间中的最大值，与预设门限比较，如超过门限则认为已捕获信号，否则进入下一个子区间用相同的步骤进行搜索，直到某个子区间的最大值超过门限值为止。信号同步方案框图如图2所示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的同步方法，解决了多路正交PSWF调制信号的多峰值自相关特性所致的同步困难问题，所设计的辅助序列使该同步方法在低信噪比条件下仍具有较好的同步性能，且结构简单，为实现高效非正弦波通信提供了有效的技术支持，具有重要价值。

附图说明

图1是辅助序列设计原理框图。

图2是信号同步原理框图。

图3是实施例中0阶基带PSWF脉冲Dψ_b(c，t)时域波形，脉冲持续时间为22ms。

图4是实施例中巴克码调制序列时域波形。

图5是实施例中巴克码调制序列的自相关特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

设计要求：在100kHz～100.3kHz通信波道内，基于时域正交PSWF脉冲组，采用非正弦时域正交调制方法传输信息，通信波道被划分为5个子波道，相邻子波道频谱交叠50％，子波道带宽为100Hz，采用本发明提出的同步方法，设计辅助序列实现信号同步。

采用本发明提出的同步方法，上述设计要求可按如下步骤实施。

①单峰值基带PSWF脉冲设计。

由设计要求可知，通信子波道频谱带宽为100Hz，即B₀＝100Hz。在0～100Hz基带频段内，采用基于特征值分解的算法求解0阶基带PSWF脉冲Dψ_b(c，t)，脉冲持续时间为T_s＝22ms，其时域波形如图3所示。

②辅助序列设计。

在发送端，采用7位巴克码调制具有单峰值特征的0阶基带PSWF脉冲Dψ_b(c，t)，调制后的巴克码序列时域波形如图4所示。该巴克码调制序列具有尖锐的自相关特性，如图5所示。为了便于信道传输及不占用额外频谱资源，该巴克码序列经正弦载波sinω_ct(ω_c＝100.05kHz)调制将其频谱搬移至通信波道的第1个子波道内，然后与相移90°的正弦载波相加，从而形成辅助序列。

③信号同步。

在接收端进行同步捕获时，首先从接收到的辅助序列提取新辅助序列m(t)，然后再进行信号同步。根据图2所示信号同步原理，在粗捕获阶段，先利用滑动相关捕获法将同步大致位置快速定位于一个码元区间内，完成粗捕获，再采用MAX/TC算法在这个小的搜索区间内进行细捕获并验证正确性，从而实现信号同步。

Claims (3)

1.一种多路正交脉冲调制信号的同步方法，是基于辅助序列的信号同步方法，其特征是：数据基于帧格式传输，在发送端，采用具有良好自相关特性的伪随机序列调制具有单峰值特征的基带椭圆球面波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions，PSWF)，经正弦载波调制将其频谱搬移至通信子波道内，然后与相移90°的正弦载波相加，从而形成辅助序列，在同步头时隙内送往信道传输，在接收端，先从接收到的辅助序列提取具有单峰值特征的新辅助序列，再进行同步信号捕获。

2.根据权利要求1所述的同步方法，其特征是，所述的具有良好自相关特性的伪随机序列是巴克码序列。

3.根据权利要求1所述的同步方法，其特征是，接收端单峰值特征的新辅助序列提取方法是：接收到的辅助序列被分为两个支路，一个支路经窄带滤波器、移相器获得正弦载波信号，另一支路送往乘法器，并与所获得的正弦载波信号进行乘法运算，乘法器的输出经低通滤波器后便可获得具有单峰值特征的新辅助序列。

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