CN102291346A - Cpm调制多符号检测频偏检测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CPM调制多符号检测频偏检测，该算法包括对CPM调制的基带接收信号符号进行符号间隔采样，对连续采样的两个符号进行共轭相乘；判决修正实现单个符号的相位误差；通过平均多个符号的相位误差计算，最终检测出频偏。本发明的有效技术效果是：在低信噪比和传输没有扰码数据的情况下频偏检测能够可靠工作，并且实现复杂度低，有利于硬件实现。

Description

CPM调制多符号检测频偏检测

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域的频偏检测技术，尤其涉及一种CPM调制多符号检测频偏检测。

背景技术

在无线通信领域，连续相位频移键控CPM调制具有恒包络特性、抗极化和多径衰落、抗相位干扰能力，同时接收可以采用非相干接收，因此获得了广泛应用，典型应用包括GSM、军用电台、卫星通信和运载火箭靶场遥测等。随着CPM调制数据传输速率和作用距离的不断提高，其解调门限效应和功率利用率低等问题已不能满足这种日益增长的需求，其性能的提升对于整个系统来说具有重要意义。

无线通信中的调制、滤波、编解码等多项技术均是建立在同步基础上，发射和接收两端产生的频率偏差对后续的解调环节带来极大的影响，带来接收灵敏度的极大下降甚至后端的符号同步、译码、基带处理等完全不能同步，从而最终导致无法建立通信。在无线通信中，当传输的信道速度低，并且射频频率高时，归一化的频偏将达到比较严重的地步。综上所述，再进行解调处理之前，检测并校正接收信号的频率偏差是具有极大的必要和现实意义的一个环节。现有的相关技术中，存在一些设计复杂度高，硬件实现困难，对传输数据格式有所要求，低信噪比时检测不可靠等困难，本方法是针对目前CPM调制信号的频偏估计提出一种新技术，可以满足低复杂度，硬件实现容易，且在传输数据“0”、“1”不等概时和低信噪比时仍有优良的检测效果的目的。

发明内容

本发明提出一种新的频偏检测算法，直接对接收基带信号符号进行符号间隔采样，对连续采样的两个符号进行共轭相乘，获得连续接收的两个符号直接的相差，对相差进行判决修正实现单个符号的相位误差提取，对多个符号的相位误差进行平均就可以完成频偏的检测，同时在低信噪比和传输没有扰码数据的情况下频偏检测能够可靠工作，保证多符号检测的性能优势。

根据符号同步确定接收符号的起始时刻，在每个接收符号的结束时刻对基带复数信号进行采样获得和发端对应的相位累加序列exp[∑(0.7*pi*a_n)]，(a_n)是发送的比特序列，采样序列进行共轭相乘，共轭相乘结果是复数0.7*pi*a_n，其角度和发送序列的相位步进量相对应，以CPM的调制指数是0.7为例，发送序列的相位步进量是0.7pi或者是-0.7pi，即理想情况下共轭相乘对应的角度应该是0.7pi或者是-0.7pi。

如果发射和接收设备之间存在频偏，接收数据共轭相乘的角度会叠加一个常数，该常数是频偏在一个符号间隔内的相位变化量，对每个共轭相乘的角度进行修正，扣除发送序列对应的相位步进量后，获得和射频频偏关联的相位常数。

以CPM的调制指数是0.7为例，对应发送的比特序列(a_n)取值是1或者-1，相应的频率调制相位步进量是0.7pi或者-0.7pi。一般需要进行序列(a_n)的基带成形滤波，滤波器后保证对应每个比特的冲激响应面积是1或者-1，对滤波后的数据进行调制其累加相位比较平滑，具有较好的调制频谱特性。如果直接对序列(a_n)进行频率调制，比特更新时调制信号的相位是不连续的，即相位的突变量是0.7pi或者-0.7pi。

不管是否对序列(a_n)进行基带成形滤波，调制信号的相位轨迹是一致的，每个比特结束时刻两者的相位轨迹是基本重合的，图3对这一情况的说明，图中光滑曲线表示滤波后的调制信号相位轨迹，离散曲线表示直接对序列(a_n)进行调制时调制信号的相位轨迹，在每个调制符号结束时，两者的相位轨迹是基本重合的。

定义对应比特a_n的调制符号是s(n)，调制符号s(n)和s(n+1)存在下述的数学关系

以调制符号s(n)的相位为参考，那么调制符号s(n+1)的相位是在调制符号s(n)相位的基础上累加0.7pi或者-0.7pi，如果按上述公式对s(n)和s(n+1)进行共轭相乘，就可以获得比特a_n+1对应相位累加量0.7pi或者-0.7pi。由于在实际情况中会有残余频偏，所以共轭相乘后，图2所示的情况。

频偏校正通过锁相环实现，其中的关键环节是鉴相处理，即频偏误差提取。频偏误差提取需要满足的条件包括单调特性和低信噪比情况的可靠鉴相，另外还需要对采样时刻进行定位，这部分可以结合符号同步来考虑。

考虑频偏的影响，正确采样的情况，接收的符号s(n)和s(n+1)可以表示为下述公式：

对s(n)和s(n+1)进行共轭相乘，共轭相乘的角度包括a_n+1对应相位累加量0.7pi或者-0.7pi，同时还包括频偏在一个符号间隔内的相位变化量ΔωT_b。对共轭相乘的角度进行判决，如果角度大于0，减去a_n+1对应相位累加量0.7pi；如果角度小于0，减去a_n+1对应相位累加量-0.7pi；这样就可以获得和频偏对应的ΔωT_b，考虑到噪声的影响、调制指数的偏差和采样偏差等因素的影响，对每个接收符号而言很难获得精确的ΔωT_b，但是从长期统计来看误差信号是和ΔωT_b对应的，并且满足单调特性。针对遥测数据，没有进行扰码处理，发送数据序列可能出现长’1’或者长’-1’的情况，因为对每个接收符号进行相位校正，该鉴相电路在接收遥测数据时，性能同样可以保证。

图4到图7是在不同频偏情况下，信噪比从0到13dB变化时的鉴相特性曲线，y坐标表示鉴相幅度，x坐标表示相对接收符号结束时的采样偏差，从图中可以看出鉴相幅度随频偏单调变化，不同信噪比具有不同的鉴相增益，对采样时刻的偏差有一定的容忍(半个符号周期以上)。

本发明的有益技术特点有：计算量小，复杂度低，硬件可实现性强；在低信噪比情况下，可以保证频偏检测的性能；对数据源的‘1’和‘0’的等概特性没有严格的限制，适应与数据源无扰码的传输系统；除了可以应用到多符号检测的CPM接收系统外，也可应用到差分鉴频的CPM接收系统。

附图说明

图1是数字通信基本框图。

图2是多符号检测算法框图。

图3是输入符号似然检测。

图4是CPM/FM调制相位轨迹(一)。

图5是CPM/FM调制相位轨迹(二)。

图6是负频偏1/4符号速率鉴相特性图。

图7是正频偏1/4符号速率鉴相特性图。

图8是负频偏1/6符号速率鉴相特性图。

图9是正频偏1/6符号速率鉴相特性图。

具体实施方式

本发明以CPM/FM调制对CPM调制多符号检测频偏检测进行说明，CPM/FM广泛应用于遥测系统，CPM的调制指数是0.7。在具体实现中，以接收端的基带解析信号开始处理。本发明采用下列手段和步骤来实现上述设计目的：

步骤一：直接对接收基带信号符号进行符号间隔采样，对连续采样的两个符号进行共轭相乘，获得连续接收的两个符号直接的相差。

考虑频偏的影响，正确采样的情况，分析接收的符号s(n)和s(n+1)。

其中分别可表示为：

讲它们进行共轭相乘的结果为：

这其中就包含了频偏信息

这一步骤如图2所示。

步骤二：对相差进行判决修正，判断此时传输符号的电平值，从而实现单个符号的相位误差提取。

根据相邻两个符号数据共轭相乘计算得出的结果作为分析依据，共轭相乘的角度包括a_n+1对应相位累加量0.7pi或者-0.7pi，同时还包括频偏在一个符号间隔内的相位变化量ΔωT_b。对共轭相乘的角度进行判决，如果角度大于0，减去a_n+1对应相位累加量0.7pi；如果角度小于0，减去a_n+1对应相位累加量-0.7pi；这样就可以获得和频偏对应的ΔωT_b。

步骤三：搜集多个符号的相位误差信息，进行算术平均或者指数平均处理完成频偏的检测。

考虑到噪声的影响、调制指数的偏差和采样偏差等因素的影响，对每个接收符号而言很难获得精确的ΔωT_b，但是从长期统计来看误差信号是和ΔωT_b对应的，并且满足单调特性。在统计时可以选取算术平均或者指数平均的方式来进行，根据传输的符号速率最终提取到频偏信息。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\ω}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\ω}{T}_b}/T_b$

Claims (2)

1.一种CPM调制多符号检测频偏检测，基于无数据辅助的条件下，对接收的CPM信号通过相邻单符号的共轭相乘对相位误差进行单符号检测，将单符号相位误差进行判决，积累参考多次单符号相位误差计算值，再结合符号速率计算出频偏。

2.根据权利要求1所述的CPM调制多符号检测频偏检测，其特征在于：该方法的步骤为：

a)直接对接收基带信号符号进行符号间隔采样，对连续采样的两个符号进行共轭相乘，获得连续接收的两个符号之间的相差。

b)对相差进行判决修正，判断此时传输符号的电平值，从而实现单符号的相位误差提取。

c)搜集多个符号的相位误差信息，进行算术平均或者指数平均处理完成频偏的检测。

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