CN102299737B - 一种多路快跳频信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路快跳频信号处理方法，包括对以4N/Tb的采样率获得的采样序列进行预处理，形成两个4N点序列并分别进行FFT变换的步骤；对预处理后序列进行解调和参数估计的步骤。采用本发明在保证算法精度的同时大大的减少了运算规模，降低了星上处理复杂度。

Description

一种多路快跳频信号处理方法

技术领域

本发明公开了一种多路快跳频信号处理方法。

背景技术

新一代通信卫星通过采用跳频通信技术，提供抗干扰移动通信业务，具有抗干扰能力强，支持的用户多的特点。

该系统是一个支持多用户的卫星跳频通信系统，由于地面用户数很多，为了节省星上资源，星上解跳时多个用户公用一个解跳频本振，所以卫星上行链路的多用户采用先频分复用FDMA再跳频的体制。在FSK调制方式中，频率的一次变换传输一个码元符号，FDMA信道间隔4倍的符号速率，星上使用模拟解跳，将解跳以后的固定中频多路信号使用一个AD统一采样，然后进行数字处理，需要进行数字分路，解调，同步误差估计，频偏估计信道功率估计等处理，按照常规的方法完成这些处理需要非常大的星上处理资源。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多路快跳频信号处理方法。采用本发明所述方法在保证算法精度的同时大大的减少了运算规模，降低了星上处理复杂度。

本发明的技术解决方案是：

利用FSK频率调制的特点，将FSK解调、参数估计与FDMA信号数字下变频分路相结合，利用数字分路运算直接产生解调和参数估计算法中需要用到的相关卷积的结果。具体方法步骤如下：

(1)对输入的多路FDMA信号以4N/Tb的采样率进行AD进行采样，获得采样共4N点的采样序列。

(2)采样序列处理：

将采样序列分为前2N点采样序列和后2N点采样序列。

分别在前2N点采样序列后和后2N点采样序列前补充2N点个0值，构成两个4N点的序列。

(3)对两个4N点的序列进行FFT变换，分别获得对应于前半符号2N点采样后序列的累加值sf_i和对应于后半符号2N点采样后序列的累加值sb_i，0≤i≤4N-1。

按频点将sf_i和sb_i相加，获得序列s_i；若对信息序列进行解调，则转入步骤(4)，若对信息序列进行参数估计处理，则转入步骤(5)。

(4)信息序列解调：

根据步骤(3)中获得的序列s_i，对第i路信息序列进行判决获得对输入信息序列的解调结果。

(5)参数估计处理：

根据步骤(4)中获得的解调结果，选取每路中的f0或者f1支路的前半符号和后半符号累加值，进行参数估计，分别获得第i路信息序列的功率值、频率偏移和跳频同步误差。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)采用本发明所述方法可以使得处理性能达到理论值，常规的数字分路算法用来处理多路快跳频FDMA信号性能比较差，原因是跳频同步误差会被分路的低通滤波器滤掉，无法提取出同步误差信号，从而导致整个系统同步不准，传输性能下降。

(2)本发明方法中数字处理算法运算量小，原因是将N路信号的解调以及参数估计中运算量大的运算都集中到数字分路中的FFT运算中，从而大大的节省了数字处理的硬件规模，需要的数字电路的逻辑门数仅有常规数字分路解调的三分之一左右。

附图说明

图1为数字分路原理图；

图2为FSK解调原理图；

图3为跳频同步误差提取原理图；

图4为功率估计原理图；

图5为鉴频原理图；

图6为本发明流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

对于本发明相关的技术进行初步的介绍。

数字分路技术

一般数字分路算法采用FFT分路算法，FFT分路算法可以等效为图1的处理过程。图1所示的方法等效为对输入的一路FDMA信号只使用一个AD统一采样，然后分别利用多个不同的载波进行下变频，得到一组分离的零中频基带信号，再对获得的零中频基带信号进行低通滤波后便可得到对FDMA信道的分路输出。

解调技术

在调频系统中每跳传输一个码元，由于跳频的影响，在码元转换时刻会产生了一个随机相位，因此必须采用非相干解调算法见图2。提取位于f₀和f₁两个频点的码元序列，并分别进行累加，然后再利用累加后的序列进行判断。

跳频同步误差估计方法

利用一个跳频驻留时间内，前半跳时间中的信号能量的累加平均值与后半跳时间中的信号能量的累加平均值比较，给出跳频超前或滞后信息。如果前半码元能量大于后半码元能量，则地面跳频相位超前星上跳频相位；如果前半码元能量小于后半码元能量，则地面跳频相位滞后星上跳频相位，见图3。

功率估计方法

分别对f₀和f₁支路进行匹配相关然后取模值，取出模值大的一路作为功率值，见图4。

频偏估计方法

在1跳传输1比特的快跳系统中的载波频率在不停的跳变，由于技术实现上的困难和复杂性，无法保证载波跳变过程中相位的连续性。因此将鉴频放在每一跳中，即每次利用一跳中的采样点计算得到一次频偏。根据解调判决的结果，选取f₀或者f₁支路的变频结果，然后按照图5的方法求出频偏。

本发明技术方案

本发明中对多路快跳频信号分路解调参数估计联合处理方法的思想是：将图1中的低通滤波器采用矩形窗函数，同时将分路间隔设置为符号速率，正好可以将FFT算法等效为FDMA的FSK信号的非相干解调。从同步误差估计和频偏估计算法可以看出这两个算法都需要前半码元的累加值和后半码元的累加值，所以进一步取矩形窗函数的宽度为Tb/2，其中Tb为一个调制符号的持续时间，这样正好产生前半码元的累加值和后半码元的累加值，可以供跳时差估计、频偏估计、解调使用。

FFT变换的数学表达式为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},0\≤k\≤N-1---\left(1\right)$

其中，

W_N＝e^-j2π/N                                    (2)

则，

$W_N^{\mathrm{kn}}=e^{-j2\mathrm{\πkn}/N},0\≤k\≤N-1---\left(3\right)$

$W_N^{\mathrm{kn}}=\cos \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)-j\sin \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)---\left(4\right)$

由此可得：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)-j\sin \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)),0\≤k\≤N-1---\left(5\right)$

对于任何一个给定的k值，则可以认为，X(k)是序列x(n)下变频的结果，下变频的频率f为：

$f=\frac{2\mathrm{\πk}}{N},0\≤k\≤N-1---\left(6\right)$

根据采样定理可知模拟的采样频率fs对应着采样后数字域的2π，这样可以得出：

$f=\frac{f_{s}k}{N},0\≤k\≤N-1---\left(7\right)$

对一般FDMA的信号，预先规定每一路信号带宽相同，等间隔的在频域排列，信道间隔B可以从表达式(7)中得出：

$B=\frac{f_s}{N}---\left(8\right)$

这样就可以使用FFT来实现等间隔的数字下变频，下变频以后再进行低通滤波，滤掉其它频点的信号，得到N路零中频基带信号。对于图1中数字分路里的低通滤波器组通过线性运算等效到FFT运算之前，可以用一个低通滤波器来实现，提高处理效率。对于这一经典的数字分路算法在“多抽样率数字信号处理”，美国人RE.克劳切的这本书里面有详细的介绍，在这里就不详细介绍。

这里我们要处理的FDMA信号是N路FSK信号，排列方式是：信道间隔为4个基本带宽fB，其中fB＝1/Tb，在四个基本带宽中的fB，2fB频点，对应FSK调制的f0，f1，FSK信号调制谱的范围从0到3fB，从3fB到4fB这一段为相邻信道的保护带，N路信号的总带为4N/Tb。

按照常规的数字分路，信道间隔为4倍的1/Tb，采样率就可以设为4N/Tb，进行N点的FFT，此时下变频频率间隔为是4/Tb，下变频载波为

0≤k≤N-1，就可以得到N路的基带信号。

在这里要处理的是FDMA的FSK信号，FSK信号解调的原理如图2所示，对采样信号分别与本地载波

和

做相关，然后比较模值大小来判决发送的数据比特，其中f0等于1/Tb，f1＝2/Tb。

利用数字分路的原理，将信道间隔假设为1/Tb，信号总带宽还是4N/Tb，进行4N点的FFT运算，此时下变频频率间隔为1/Tb，下变频载波为0≤k≤4N-1，FFT输出的4k+1，4k+2处的值对应着第k路FSK信号f0，f1支路的相关值。

由于图3所示的跳频同步误差估计以及图5所示的跳频信道频偏估计都需要用到前半符号采样点累加值和后半符号采样点累加值，这时考虑将数字分路中的低通滤波器设为：

$h\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\&le;n\&le;2N\\ 0,& 2N\&le;n<4N\end{array}\right.---\left(9\right)$

滤波以后的信号y(n)＝x(n)*h(n)，

$x\left(n\right)*h\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{4N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}h\left(k\right)x(n-k)---\left(10\right)$

将(9)代入(10)可得：

$x\left(n\right)*h\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x(n-k)---\left(11\right)$

采用了公式(9)所示的滤波器对信号滤波，可以等效为对信号半个周期采样点进行累加。根据数字分路的原理，将滤波器放在FFT之前实现，可以提高运算效率，具体做法是采样序列x(n)与h(n)对应位置相乘，然后进行旋转变换，最后进行FFT运算，FFT结果就是各路信号的前半符号和后半符号的采样点累加值。

基于上述原理，本发明所述方法的步骤如下：

(1)对输入的多路FDMA信号使用一个AD进行采样，采样率为4N/Tb，可获得4N点的采样后序列。

(2)对获得的4N点的采样序列进行处理：

(21)4N点的采样序列分为前2N点的采用序列和后2N点的采样序列。

(22)分别在前2N点采样序列后和后2N点采样序列前补充2N点个0值，构成两个4N点的序列；

(3)基于上述的原理，对两个4N点序列分别进行快速傅里叶FFT变换，对应于包含前2N点的序列，获得变换后的序列sf_i；对应于包含后2N点的序列，获得变换后的序列sb_i，0≤i≤4N-1。

将sf_i和sb_i中的点按照FSK调制中的频点f₀和f₁对应相加，获得序列s_i。s_i即为叠加后分别位于f₀和f₁两个频点的码元序列的叠加。

若需要对信息序列进行解调结果进行判决，则转入步骤(4)；若需要进行参数估计处理，则转入步骤(5)。

(4)对于第k路信号的解调，需要用第k路信号f0，f1支路的能量值进行比较判决，第k路的f0支路对应着s_i的4*(k-1)+1，f1支路对应着s_i的4*(k-1)+2，取出s_i序列4*(k-1)+1点的模值和4*(k-2)+2点的模值比较，若|s_4(k-1)+1|≥|s_4(k-1)+2|，则第k路解调结果为0，否则解调结果为1，完成第k路的解调，k取值范围为1≤k≤N；

(5)参数估计处理

功率值

根据第k路f₀支路、f₁支路模值比较结果，取模值大的值为第k路功率值；

频率偏移

根据第k路f₀支路f₁支路模值比较结果，取出对应位置的sfi、sbi分别求相位，然后求出前半符号和后半符号的相位差，再除以半个符号的时间Tb/2，就得到频偏。

跳频同步误差

根据第k路f₀支路f₁支路模值比较结果，取出对应位置的sfi、sbi分别取模值，前半符号和后半符号的模值差就是跳频同步误差。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种多路快跳频信号处理方法，用于对经过解跳频处理之后获得的包含信息序列的多路FDMA信号进行解调和参数估计处理，其特征在于包括以下步骤： 

(1)对输入的多路FDMA信号以4N／Tb的采样率进行AD采样，获得采样共4N点的采样序列； 

(2)采样序列处理： 

将采样序列分为前2N点采样序列和后2N点采样序列； 

分别在前2N点采样序列后和后2N点采样序列前补充2N点个0值，构成两个4N点的序列； 

(3)对两个4N点的序列进行FFT变换，分别获得对应于前半符号2N点采样后序列的累加值sf_i和对应于后半符号2N点采样后序列的累加值sb_i，0≤i≤4N-1； 

按频点将sf_i和sb_i相加，获得序列s_i；若对信息序列进行解调，则转入步骤(4)，若对信息序列进行参数估计处理，则转入步骤(5)； 

(4)信息序列解调： 

根据步骤(3)中获得的序列s_i，对第i路信息序列进行判决获得对输入信息序列的解调结果；对于第k路信号的解调，需要用第k路信号f0，f1支路的能量值进行比较判决，第k路的f0支路对应着s_i的4*(k-1)+1，f1支路对应着s_i的4*(k-1)+2，取出s_i序列4*(k-1)+1点的模值和4*(k-2)+2点的模值比较，若|s_4(k-1)+1|≥|s_4(k-1)+2|，则第k路解调结果为0，否则解调结果为1，完成第k路的解调，k取值范围为1≤k≤N，f0＝1／Tb，f1＝2／Tb； 

(5)参数估计处理： 

根据步骤(4)中获得的解调结果，选取每路中的f0或者f1支路的前半符 号和后半符号累加值，进行参数估计，分别获得第i路信息序列的功率值、频率偏移和跳频同步误差，根据第k路f0支路、f1支路模值比较结果，取模值大的值为第k路功率值，根据第k路f0支路f1支路模值比较结果，取出对应位置的 sf_i、 sb_i分别求相位，然后求出前半符号和后半符号的相位差，再除以半个符号的时间Tb／2，就得到频偏，根据第k路f0支路f1支路模值比较结果，取出对应位置的sf_i 、sb_i 分别取模值，前半符号和后半符号的模值差就是跳频同步误差。 

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