CN102769476A - 一种pswf脉冲调制信号的同步捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PSWF脉冲调制信号的同步捕获方法。在该方法中，数据基于帧格式传输，在发信端，采用具有良好自相关特性的伪随机序列调制具有单峰值包络特征的带通PSWF脉冲信号作为辅助序列，在同步头时隙内送往信道直接进行传输，在收信端，将接收到的辅助序列与本地模板信号相乘，相乘后的信号送入包络检波器，包络检波后的信号送入积分器，积分结果与判决门限比较，再捕获同步信号。该同步方法解决了PSWF脉冲调制信号的多峰值自相关特征所致同步困难的问题，为PSWF在通信、雷达领域走向应用提供了有效的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及无线电中的信号同步捕获方法，尤其涉及一种椭圆球面波函数(PSWF)脉冲调制信号的同步捕获方法。
背景技术
早在1959年，Shannon在参观贝尔实验室时就曾提出一个著名的问题：一个函数在多大程度上它的频谱限制在有限带宽而同时又在时域上集中分布？贝尔实验室的Slepian等人提出：带限函数集-椭圆球面波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions，简称PSWF)的能量可最大程度地集中于给定时间区间内，具有高能量聚集性，非常有利于提高信号传输和辐射的效率，这使其在众多应用领域都具有潜在优势，备受学术界关注。
近年来，学术界也展开了椭圆球面波函数在通信及雷达领域中的应用研究。R.S.Dilmaghani等利用椭圆球面波函数的高能量聚集性和频谱可控的特点实现了超宽带通信系统以及认知无线电系统中的波形设计；A.Alcocerd等将椭圆球面波函数集作为基函数用于信道估计和雷达中的杂波空间估计，简化了系统结构、提高了估计性能；A.Mohamed将椭圆球面波函数用于CDMA系统码片波形设计，提高了系统容量和频带利用率、降低了干扰。为了有效提高通信系统的功率利用率和单位频带利用率，专利“非正弦时域正交调制方法”(见文献：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，专利号：ZL200810159238.3，中国，2011.)公开了一种非正弦波调制方法，该方法采用PSWF设计频谱交叠的时域正交脉冲组传输信息，无码间干扰条件下的单位频带利用率可快速接近2B/Hz。
椭圆球面波函数作为一种新的信息载体用于通信领域，在提高系统性能的同时，也对同步方法带来了新的难点问题。对于PSWF脉冲调制信号来说，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，在基于检测理论进行信号同步时，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。
对于PSWF脉冲调制信号的同步问题，基于辅助序列的同步捕获方法是一种有效解决方案(见文献：赵志勇，王红星，刘锡国等.基于PSWF的非正弦时域正交调制信号的同步方法[J].电子与信息学报，2010，32(11)：2588-2592.)。在该类方法中，通过设计具有良好自相关特性的辅助序列实现捕获同步信号，数据基于帧格式传输，辅助序列以同步头的形式发送。该类辅助序列通常是基带信号形式，为了实现射频传输，需要经过正弦载波调制将其频谱搬移至通信信道频段。在接收端，必须首先获得与发送端频率相同的正弦载波信号，将辅助序列从射频频段再搬移至基带频段，然后捕获同步信号。而对于PSWF脉冲调制信号来说，该类调制信号通常是无载波调制方式，如专利公开的“非正弦时域正交调制方法”，若仍采用上述传统的辅助序列同步方法，势必会使发射机和接收机结构复杂，提高硬件实现的难度。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种PSWF脉冲调制信号的同步捕获方法。在该方法中，数据基于帧格式传输，在发信端，采用具有良好自相关特性的伪随机序列调制具有单峰值包络特征的带通PSWF脉冲信号作为辅助序列，在同步头时隙内送往信道直接进行传输，在收信端，将接收到的辅助序列与本地模板信号相乘，通过包络检波器将其转换为由带通PSWF脉冲信号单峰值包络函数构造的辅助序列，再基于检测理论捕获同步信号。
本发明的目的是通过如下技术措施来达到：
①发信端辅助序列设计
为了不影响收信端信息的正确接收，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。虽然带通PSWF脉冲的自相关特性呈现多峰值特性，但是，由椭圆球面波函数的性质可知，0阶和1阶带通PSWF脉冲都具有单峰值包络曲线，这为设计具有单峰值自相关特征的辅助序列实现信号同步提供了一种有效手段。在本发明中，发信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包络特征的0阶带通PSWF脉冲设计辅助序列，原理框图如图1中的发信端模块所示，1阶带通PSWF脉冲也适用于本发明提出的辅助序列设计，其设计原理相同，这里不再赘述。
具有良好自相关特性的伪随机序列有多种形式，如M序列、巴克码序列、威廉德序列等，为了便于说明本发明的技术特征，这里仅以巴克码序列为例，对于本领域内的普通技术人员而言，关于其它一些众所周知伪随机序列情况，这里不再进行详细阐述。
发信端辅助序列可表示为：
其中，B(j)为具有良好自相关特性的伪随机序列的第j位，这里采用的是巴克码伪随机序列，其它伪随机序列同样适用。φ0(c，t)为0阶带通PSWF脉冲，c表示带通PSWF脉冲的时间带宽积因子，Ts为码元宽度，M为所采用伪随机序列的位数。
②基于检测理论的信号同步捕获
对于PSWF调制信号来说，可采用的同步捕获方法主要有两类：一类是基于估计理论的同步捕获方法，该类方法是利用脉冲序列的统计特性实现信号的同步捕获，主要算法有基于循环平稳特性算法、基于有噪模板算法等，该类方法通常同步捕获时间较长，尤其是对于多路正交脉冲调制信号来说，由于脉冲序列状态随机特性的增加，更是难以从接收信号中提取统计信息；另一类是基于检测理论的同步捕获方法。在本发明中，由于在收信端构造的辅助序列具有尖锐的自相关特性，因此，适合采用相干检测方法捕获同步信号。相干检测是根据本地模板信号与接收信号的相干检测值来捕获同步信号，主要包括串行捕获、并行捕获、串并混合捕获、MAX/TC算法等，其中，以MAX/TC算法捕获方案性能较为优异。因此，为了便于说明本发明的技术特征，这里仅以MAX/TC算法为例阐述同步捕获方法，对于本领域内的普通技术人员而言，关于其它一些众所周知的同步捕获方法，这里不再进行叙述。
基于检测理论的信号同步捕获方案如图1所示。为了减少相位搜索空间，捕获同步信号分为粗同步和细同步两个阶段。首先利用滑动相关捕获法先将同步大致位置快速定位于一个小的搜索区间，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，从而捕获同步信号。
在粗捕获阶段，缓存器读取M码元时间的收信端信号，在相乘器内与本地模板信号相乘。假定接收端接收到的辅助序列信号为：
其中，τ为信号时延大小。根据带通信号与低通信号的等效性可知，0阶带通PSWF脉冲波形φ0(c，t)可等效为具有单峰包络特性的函数f(t)与余弦载波cosω0t调制而形成，即：
φ0(c，t)＝f(t)cosω0t (3)
其中，ω0为φ0(c，t)的中心频率。则相乘器的输出结果为：
相乘器的输出结果再送入包络检波器进行检波。根据带通信号与低通信号的等效性可知，包络检波器可提取通信信号的包络。因此，通过包络检波器，可获得由0阶带通PSWF脉冲波形φ0(c，t)的单峰值包络函数f(t)所构造的新辅助序列的相乘信号，即包络检波器的输出为：
其中，表示由0阶带通PSWF脉冲波形φ0(c，t)的单峰值包络函数f(t)所构造的新辅助序列，该辅助序列具有尖锐的自相关特性，从而易于捕获同步信号。
包络检波后的信号再送入积分器积分，积分后的结果即为由包络函数f(t)所构造的新辅助序列信号的自相关信号。
将每个时刻的积分结果与判决门限进行比较。若该值小于判决门限，则间隔一个码元时间后，缓存器读取下一个M码元时间的接收信号，并重复上述运算过程，直至大于判决门限。通过粗捕获，将同步大致位置快速定位于一个码元区间内。
在细捕获阶段，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M码元时间的接收信号，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。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
①结构简单，硬件实现复杂度低。与现有技术相比，本发明提出的同步方法，是采用具有单峰值包络特征的带通PSWF脉冲设计辅助序列，在同步头时隙内送往信道直接进行传输，在发信端不需要通过载波调制将其频谱搬移至射频频段，在接收端也不需将其从射频段搬移至基带频段，大大简化了系统的结构，降低了硬件实现的难度。
②与无载波通信体制相兼容。对于PSWF脉冲调制信号来说，该类调制信号通常是无载波调制方式，如专利公开的“非正弦时域正交调制方法”，PSWF脉冲调制信号不需要经过载波调制直接送入信道传输，而本发明所公开的同步方法，其同步辅助序列也是不经过正弦载波调制直接送入信道传输，从而使所设计的辅助序列与调制信号体制相兼容。
附图说明
图1是PSWF脉冲调制信号同步捕获方案原理框图。
图2是实施例中0阶PSWF脉冲φ0(c，t)的时域波形，脉冲持续时间为22ms。
图3是实施例中发信端辅助序列的时域波形。
图4是实施例中收信端所构造的新辅助序列的自相关时域波形。
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：基于PSWF脉冲调制方法传输信息，带通PSWF脉冲信号的频谱范围为0.9～1.1kHz，脉冲持续时间为22ms，采用本发明提出的同步方法，设计辅助序列捕获同步信号。
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发信端辅助序列设计
在发信端辅助序列设计中，首先采用基于特征值分解的数值算法求解0阶带通PSWF脉冲信号φ0(c，t)(求解算法详见文献：B Parr，B Cho，K Wallace.A novel ultra-wideband pulsedesign algorithm[J].IEEE Communication Letters，2003，7(5)：219-221.)，φ0(c，t)的时域波形如图2所示。当采用具有良好自相关特性的11位巴克码调制0阶PSWF脉冲φ0(c，t)形成发信端辅助序列时，其时域波形如图3所示。
②收信端信号同步捕获
根据图1所示信号同步捕获方案，在粗捕获阶段，缓存器读取11个码元时间的辅助序列信号，接收到的辅助序列与本地模板信号相乘，相乘结果通过包络检波器，检波后的信号经积分器积分，获得由0阶带通PSWF脉冲波形φ0(c，t)的单峰值包络函f(t)所构造的辅助序列的自相关函数，其自相关特性如图4所示。通过分析图4仿真结果可知，所构成的辅助序列具有尖锐的自相关特性，非常有利用捕获同步信号。
若积分器的输出值小于判决门限，则间隔一个码元时间后，缓存器读取下一个巴克码序列长度的辅助序列信号，并重复上述运算过程，直至大于判决门限。通过粗捕获，将同步大致位置快速定位于一个码元区间内。
在细捕获阶段，再采用MAX/TC算法在这个小的搜索区间内进行准确捕获并验证正确性，从而实现信号同步。
Claims (2)
1.一种PSWF脉冲调制信号的同步捕获方法，是基于辅助序列的信号同步捕获方法，数据基于帧格式传输，在发信端，采用具有良好自相关特性的伪随机序列调制具有单峰值包络特征的带通PSWF脉冲信号作为辅助序列，在同步头时隙内进行传输，在收信端，将接收到的辅助序列与本地模板信号相乘，相乘后的信号送入包络检波器，包络检波后的信号送入积分器，该积分结果与判决门限比较后，再捕获同步信号。
2.根据权利要求1所述的PSWF脉冲调制信号的同步捕获方法，所述的发信端用于构造辅助序列的带通PSWF脉冲为0阶和1阶带通PSWF脉冲信号。
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