CN103078818B - 提高msk信号非相干检测性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种提高MSK信号非相干检测性能的方法，旨在提供一种解决MSK信号相干检测不易实现、非相干检测性能较差导致MSK信号应用受限制的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在MSK数传接收机中，信号捕获模块把下变频后的基带信号存储于存储器中，再用高速时钟从存储器中读出存储的信号，然后对读取的信号按照预先划分的频率槽进行频偏补偿和位同步搜索，搜索结果送给信号跟踪模块；信号跟踪模块根据信号捕获模块送来的捕获结果，通过帧头波形匹配相关器实现频率和位同步跟踪；相关判决模块把信号跟踪模块送来的信号与本地波形进行相关计算，从相关结果中选择出最大相关值，把最大相关值所对应比特流最中间的比特作为最终的判决结果输出。

Description

提高MSK信号非相干检测性能的方法

技术领域

本发明是关于提高最小移频键控MSK信号非相干检测性能的方法，适用于连续或突发MSK信号的检测。

背景技术

 MSK信号是调制指数为0.5的一种连续相位调制信号(CPM)，具有能量集中、包络恒定、频谱利用率高的优点，突发模式MSK信号除了具有上述优点之外，还具有持续时间短、隐蔽性好的特点，广泛应用于数据链等无线通信领域。MSK信号的检测有相干检测和非相干检测两种方法。

MSK信号的相干检测具有检测性能好的特点，但是相干检测应用的前提条件是能够提取到相干载波，这对于MSK信号来说是非常困难的。要从MSK信号中提取载波频率分量远比从双相相移键控BPSK、四相相移键控QPSK等信号中提取载波频率分量困难。BPSK信号平方后就包含了连续的2f_c频率分量（即每个码元都含有2f_c频率分量，f_c为载波频率），这样容易用窄带滤波器滤取。MSK平方后只有“１”码才包含有2f₁（f₁为“1”码对应的载波频率成分，f₂为“0”码对应的载波频率成分）的频率成分，如果出现许多个连“０”码，对频率为2f₁的载波同步就难以维持了。另外由于2f₁和2f₂之间的距离很小，要滤去2f₂也不容易做到。另外，对于突发信号，由于信号持续时间很短，而稳定的载波恢复需要持续较长时间的数据才能恢复，在得到稳定的载波之前信号就已经消失了，相干检测技术更是无法采用。因此，对于MSK信号的检测，大多情况下都采用非相干检测来实现。

非相干检测不需要提取相干载波，具有抗频偏能力好、实时性强的特点，不足的是与相干检测相比，误码性能要恶化2～3dB。另外MSK信号的非相干检测还有门限效应的影响，当输入信噪比降到一定程度时，输出信噪比将急剧恶化。这两方面的不足使MSK信号的应用受到了很大限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中MSK信号相干检测不易实现、非相干检测性能较差、解调门限高导致MSK信号应用受限制的问题，提供一种利用已知帧头信息辅助MSK信号进行多谱勒频偏、位同步和帧同步的捕获与跟踪，利用信号波形匹配相关完成信号判决的方法。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种提高最小频移键控MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在MSK数传接收机中，用信号捕获模块把下变频后的基带输入信号存储于存储器中，存储完成后用高速时钟从存储器中读出存储数据；然后对读取的信号按照预先划分的频率槽进行频偏补偿，补偿后的信号送给预先设置好的帧头波形匹配相关器进行匹配相关计算；

（2）信号跟踪模块根据信号捕获模块送来的捕获结果，在每帧信号的帧头和位同步对齐位置，选择与当前多谱勒频率相邻的两个频率槽，在这两个频率槽中分别把超前、滞后一个采样点的两个帧头波形与接收信号进行相关计算，根据相关计算结果大小调整重采样时钟和频率补偿值，完成多谱勒频率、位同步和帧头信号的跟踪；

（3）信号跟踪模块把进行了多谱勒频率补偿和位同步对齐后的信号送给信号相关判决模块，信号相关判决模块把接收信号与本地产生的所有可能的信号波形进行相关计算，从所有波形的相关结果中选择最大相关值，并从最大相关值对应的比特流中选择最中间的比特作为最终的判决结果输出。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

（1）信号捕获模块对下变频后的基带信号先进行存储，存储完成后用高速时钟从存储器中读出数据。通过数据存储器对信号进行存储和读取实现了处理速率的提升。

（2）信号捕获模块对MSK信号可能存在的频偏范围进行分槽，从存储器中读出的数据先根据不同频率槽进行频率补偿后送给匹配相关模块进行匹配相关计算，利用一次采样数据实现了多个频率槽的相关计算，避免了多次对接收信号进行采样，节省了采样时间。

（3）信号捕获模块通过频率分槽扩展了频率捕获范围，能够对更大范围的多谱勒频偏进行捕获。

（4）信号捕获模块在对信号进行捕获时同时完成多谱勒频偏、位同步、帧同步的检测，进行的是三维搜索，计算效率高，捕获时间短。

（5）信号跟踪模块在对进行信号跟踪时同时进行多谱勒频偏、位同步、帧同步的三维跟踪，在后续的处理中不需要再进行帧同步检测和跟踪。

（6）信号捕获模块和跟踪模块采用已知帧头信息所对应的波形与接收信号进行匹配相关计算，相当于利用了信号中包含的先验信息辅助了整个捕获和跟踪过程，相比于现有技术解调方法，捕获和跟踪门限更低，能够在更大的动态和更低的信噪比下完成信号的检测。

（7）相关判决模块在对信号进行相关计算时，是在多个符号的持续时间内进行的，但判决时只对最中间的一个比特进行判决，达到了与相干检测接近的性能。

本发明方法的捕获和跟踪门限更低，能够在更大的动态和更低的信噪比下完成信号检测，并且可以达到与相干检测相当的检测性能。

本发明适用于连续、突发和跳频MSK信号的检测，并且可以达到接近相干检测的性能，特别适用于大动态低信噪比下MSK信号的检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是最小频移键控MSK信号非相干检测的原理框图。

图2是图1中信号捕获模块内部子模块划分原理框图。

图3是图1中信号跟踪模块内部子模块划分原理框图。

图4是图1中信号相关判决模块内部子模块划分原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的本发明最佳实施例中，整个检测过程，是按信号捕获模块、 信号跟踪模块、相关判决模块三个部分的顺序进行的。信号捕获完成的是载波多谱勒、位同步和帧头的三维搜索。在接收到输入信号后，信号捕获模块首先对AD采样及下变频后的基带数据进行存储和读取，读取后的信号按照预先划分的频率槽进行多谱勒频率补偿。经过频率补偿后的数据与预先设置好的帧头所对应的波形进行匹配相关。当信号中帧头出现且频率补偿值与信号中实际包含的多谱勒频率接近时就会出现明显的相关峰值，据此就可以得到多谱勒频偏、位同步点和帧头所处的位置。信号跟踪模块根据信号捕获模块送来的捕获结果在每帧信号的帧头和位同步对齐位置选择与当前多谱勒频率相邻的两个频率槽，在这两个频率槽中分别把超前、滞后一个采样点的两个帧头波形与接收信号进行相关，根据相关结果大小调整重采样时钟和频率补偿值，完成信号多谱勒频率、位同步和帧头的跟踪。信号跟踪完成的是载波多谱勒、位同步和帧头的三维跟踪。信号跟踪模块把进行了多谱勒频率补偿和位同步对齐后的信号送给信号相关判决模块，信号相关判决模块预先在接收端产生3个或5个符号所对应的所有波形，把接收信号与本地产生的所有可能的信号波形进行相关积分计算，从积分运算得到的相关值中选择出最大的相关值，并从最大相关值对应的比特流中选择最中间的比特作为最终的判决结果输出。

参阅图2。图2对图1中的信号捕获模块做了进一步的子模块划分，信号捕获模块由依次相连，接收输入信号的重采样子模块、数据存储子模块、双口RAM、数据读取子模块、频率槽划分及补偿子模块、匹配相关子模块和将捕获结果输出的比较子模块组成。在信号捕获模块中，重采样子模块对接收到的基带输入信号，以4倍符号速率进行重采样，数据存储子模块对重采样后的基带信号进行存储，存储长度为帧长的整数倍，存储完成后用高速时钟从存储器中读出数据，送给频率槽划分及频偏补偿子模块。频率槽划分及频偏补偿子模块对MSK信号可能存在的频偏范围进行分槽，把从存储器中读出的数据，根据不同频率槽的中心频率进行多谱勒频偏补偿后，送给与帧头波形对应的匹配相关模块进行匹配相关计算，计算结果送给比较子模块进行相关峰值搜索。当信号中帧头出现时相关结果会出现明显的峰值，从所有波形的相关结果中选择出最大峰值，最大峰值出现时所对应的频率槽、位同步点和信号相位就是最终的捕获结果。

参阅图3。图3对图1中的信号跟踪模块做了进一步的子模块划分，信号跟踪模块包括，接收输入信号的重采样子模块和两个独立并联在重采样模块输出端的频率补偿子模块，频率补偿子模块1和频率补偿子模块2分别通过相互串联的数据延迟子模块、匹配相关子模块相连相关结果比较子模块，相关结果比较子模块通过频偏和位同步调整子模块与重采样子模块和频率补偿子模块1、频率补偿子模块2相连。其中，数据延迟模块由分别并联在上述补偿子模块1和频率补偿子模块2上的两个数据延迟子模块组成。两个数据延迟子模块通过两个对应并联的匹配相关子模块相连相关结果比较子模块。相关结果比较子模块在信号捕获模块计算得到的多谱勒频率和位同步基础上，结合频偏和位同步调整模块的调整情况对输入信号进行重采样，重采样后的信号送给频率补偿子模块进行频率补偿。频率补偿子模块根据频偏和位同步调整子模块送来的控制信号对重采样后的信号进行频率补偿。频率补偿后的各路信号分别送给各自对应的数据延迟子模块1和数据延迟子模块2进行不同的延迟，得到与本地帧头波形对应的超前信号和滞后信号，送给相应的匹配相关子模块进行匹配相关计算。所有匹配相关子模块的计算结果送给相关结果比较子模块进行相关结果的分析。频偏和位同步调整子模块根据相关结果比较子模块的分析结果产生相应的控制信号送给重采样子模块和频率补偿子模块来完成整个跟踪过程。

参阅图4。图4对图1中的信号相关判决模块做了进一步的子模块划分，信号检测模块，包括依次串联在同一线路上，组成1～N路相连比较判决子模块的本地波形产生子模块、本地波形存储子模块、双口RAM、读本地波形子模块和匹配相关子模块，N为自然数。接收输入信号的1、2、3…N个本地波形产生子模块，将产生所有可能的本地波形送给1、2、3…N个本地波形存储子模块，存入1、2、3…N个双口RAM中，1、2、3…N个本地波形读取子模块分别从相应的双口RAM中，读出存储的本地波形数据送给1、2、3…N个波形匹配相关子模块，与接收到的信号进行波形匹配相关计算，计算结果送给比较判决子模块。比较判决子模块从N路信号的相关结果中选择出最大的相关值，其所对应的比特流与信号中包含的比特流最为接近，从该比特流中选择正中间的符号作为最终的判决检测结果输出。

Claims (2)

1.一种提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在MSK数传接收机中，信号捕获模块把下变频后的基带输入信号存储于存储器中，存储完成后用高速时钟从存储器中读出存储数据，对读取的数据按照预先划分的频率槽进行频偏补偿和位同步搜索，搜索结果送给信号跟踪模块；

（2）信号跟踪模块根据信号捕获模块送来的搜索结果，在每帧信号的帧头和位同步对齐位置，选择与当前多谱勒频率相邻的两个频率槽，在这两个频率槽中分别把超前、滞后一个采样点的两个帧头波形与接收信号进行相关计算，根据相关计算结果调整重采样时钟和频率补偿值，完成多谱勒频率补偿、位同步、和帧头信号的跟踪；

（3）相关判决模块把信号跟踪模块送来的进行了多普勒频率补偿和位同步调整的信号与本地波形进行相关计算，从相关结果中选择出最大相关值，把最大相关值所对应比特流最中间的比特作为最终的判决结果输出。

2.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，相关判决模块预先在接收端产生3个或5个符号所对应的所有波形，并把接收信号与所述所有波形进行相关积分运算，从积分运算得到的相关值中选择出最大的相关值。

3.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，相关判决模块选出的最大相关值所对应的比特流与参与相关计算的接收信号中包含的比特流最接近，并把选择出的比特流正中间的比特作为最终的判决结果输出。

4.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，所述信号捕获模块由依次相连，接收输入信号的重采样子模块、数据存储子模块、双口RAM、数据读取子模块、频率槽划分及补偿子模块、匹配相关子模块和将捕获结果输出的比较子模块组成。

5.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，在信号捕获模块中，重采样子模块对接收到的基带输入信号，以4倍符号速率进行重采样，数据存储子模块对重采样后的基带信号进行存储，存储长度为帧长的整数倍，存储完成后用高速时钟从存储器中读出数据，送给频率槽划分及频偏补偿子模块。

6.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，在信号捕获模块中，频率槽划分及频偏补偿子模块对MSK信号的频偏范围进行分槽，把从存储器中读出的数据，根据不同频率槽的中心频率进行多谱勒频偏补偿后，送给与帧头波形对应的匹配相关模块进行匹配相关计算，计算结果送给比较子模块进行相关峰值搜索。

7.按权利要求2所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，接收端产生的波形为3个或5个符号长度，对于MSK信号，3个符号长度对应8种波形，5个符号长度对应32种波形。

8.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于， 信号跟踪模块包括，接收输入信号的重采样子模块和两个独立并联在重采样模块输出端的频率补偿子模块，频率补偿子模块1和频率补偿子模块2分别通过相互串联的数据延迟子模块、匹配相关子模块相连相关结果比较子模块，相关结果比较子模块通过频偏和位同步调整子模块与重采样子模块、频率补偿子模块1、频率补偿子模块2相连，其中，数据延迟子模块由分别并联在上述补偿子模块1和频率补偿子模块2上的两个数据延迟子模块组成，两个数据延迟子模块通过两个对应并联的匹配相关子模块相连相关结果比较子模块。

9.按权利要求1所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，所述相关判决模块，包括依次串联在同一线路上，组成1～N路相连比较判决子模块的本地波形产生子模块、本地波形存储子模块、双口RAM、读本地波形子模块和匹配相关子模块，N为自然数。

10.按权利要求9所述的提高MSK信号非相干检测性能的方法，其特征在于，接收输入信号的1、2、3…N个本地波形产生子模块，将产生出的所有可能的本地波形送给1、2、3…N个本地波形存储子模块，存入1、2、3…N个双口RAM中，1、2、3…N个本地波形读取子模块分别从相应的双口RAM中，读出存储的本地波形数据送给1、2、3…N个波形匹配相关子模块，与接收到的信号进行波形匹配相关计算，计算结果送给比较判决子模块。