CN103607268A - 4cpm信号的位同步及帧同步联合检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法，属于无线数据链技术领域。所述方法包括步骤：4CPM调制同步数据设计；匹配相关及其预处理；与自适应门限比较，检测相关峰；利用相关峰及位同步检测方法建立位同步；以及利用相关峰的符号位、位同步信息及帧同步提取方法建立帧同步。本发明的同步数据与信息数据采用相同的4CPM调制，所占用的频带窄，不影响通信系统的旁瓣衰减指标；位同步检测采用连续多次判决提高可靠性；帧头信噪比得到有效改善，帧同步检测可靠性高，抗多径衰落能力强。

Description

4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法

技术领域

本发明涉及无线数据链技术领域，具体涉及一种4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法。

背景技术

四进制连续相位调制(4CPM)信号具有相位连续、包络恒定、带外辐射小、旁瓣衰减快等特点，受到广泛关注。4CPM信号的位同步是系统实现的难点及关键所在。由于4CPM是连续相位调制，符号之间没有明显的幅度变化，传统的位同步方法很难用于4CPM信号，此外，在无线通信环境中，信道的多径效应产生的大尺度衰落会对通信系统的位同步及帧同步检测造成严重干扰，系统同步检测的可靠性降低，影响正常通信，尤其在低信噪比条件下，这一现象更为严重。目前解决4CPM信号的位同步及帧同步方法是在有效信息前复接BPSK调制的伪码序列和帧头巴克码，接收端将本地伪码与接收信号做匹配相关，利用伪码序列良好的自相关特性获得低信噪比下的位同步，然后与已知的帧头巴克码做滑动相关，建立帧同步。该方法存在的缺陷是：BPSK(二相相移键控)比4CPM调制频谱宽且旁瓣辐射大，影响通信系统的旁瓣衰减指标；帧头信号信噪比低，易受多径衰落的影响，检测可靠性差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法，其能够在低信噪比条件下，直接采用波形相关获得可靠的位同步及帧同步的联合检测。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法，所述方法包括同步数据设计和同步检测两部分，其中同步数据设计包括以下步骤S1～S5：

S1、选定周期为N的伪码序列pn做位同步检测，并选定周期为M的巴克码序列bak做帧同步检测，N为偶数，M为正整数；

S2、将周期为M的巴克码bak用M个周期为N的伪码序列pn1表示，设m＝(1：M)，n=(1：N)，若bak的第m比特为A，则pn1(n)=pn(n)；若bak的第m比特为

则

A为二进制电平；

S3、将伪码序列pn1的N比特与4个绝对相位θ₁，θ₂，θ₃，θ₄一一映射，得到

n=(1：N)，所述映射的规则为：当n为奇数时，若pn1(n)=B，则

若则

当n为偶数且n≠N时，若pn1(n)=B，则

若则

当n=N时，B为二进制电平；

S4、根据步骤S3得到的绝对相位求出相位增量规则为：当n＝1时，当n=(2：N)时，

S5、根据相位增量

推导出同步阶段的调制数据a_n，规则为：

若则a_n=+1；若

则a_n＝-1；若

则a_n＝-3；

若

则a_n=+3；

然后执行以下的同步检测步骤：

S6、执行匹配相关预处理，预处理规则为：当接收信号与本地伪码序列pn的奇数位做相关时，接收信号的相位不变；当与本地伪码序列pn的偶数位做相关时，将接收信号的相位增加Δθ₁；

S7、将执行所述预处理后的信号与本地伪码序列pn做匹配相关；

S8、执行自适应门限比较，比较的规则为：求出接收信号的平均功率，将匹配相关结果除以平均功率，得到归一化的相关值P，则P不受信号电平的影响，将P与预设门限η比较，若|P|>η且P>0，则P为正的相关峰；若|P|>η且P<0，则P为负的相关峰；

S9、执行位同步建立，建立的规则为：设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，检测到相关峰即|P|>η时，将计数器count清零重新计数，并按照以下规则设置M位帧同步移位寄存器reg：令reg(i)=sign(P|_|P|>η)，i＝0；reg(i)=reg(i-1)，i＝1：M—1，若连续Q(Q<M)次在|P|>η时count=X—1，则在此时建立位同步，否则，重复返回重新设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，直到连续Q次在|P|>η时count=X—1的情况出现；其中，X=f_s·N，f_s为采样倍数；

S10、帧同步建立：位同步建立后，将计数器count周期性计数，计数区间为[0，X—1]，在count＝X-1时按照以下规则更新帧同步移位寄存器reg：令reg(i)=sign(P|_count=X-1)，i＝0；reg(i)=reg(i—1)，i＝1：M-1，将reg与M位bak码逐位异或，若

或者

则判定捕获到帧头，帧同步建立，其中Y为帧头检测门限，取值范围为0<Y≤M。

优选地， $\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_2=-\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_4=\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4};{\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₂=0， ${\mathrm{\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₄=π； ${{\mathrm{\&theta;}}_1}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_2}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},{{\mathrm{\&theta;}}_3}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_4}^{\&prime;}=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ 初始时刻相位为0。

优选地，所述4CPM信号为非扩频系统的4进制连续相位调制信号。

(三)有益效果

本发明的同步数据与信息数据采用相同的4CPM调制，所占用的频带窄，不影响通信系统的旁瓣衰减指标；位同步检测采用连续多次判决提高可靠性；帧头信噪比得到有效改善，帧同步检测可靠性高，抗多径衰落能力强。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2是4个绝对相位星座点示意图；

图3是相位增量示意图；

图4是接收信号经匹配相关预处理后在每个符号结束时刻的绝对相位星座点示意图；

图5是匹配相关结构图；

图6是针对11位巴克码(bak=11100010010)的相关峰仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种对非扩频系统4CPM(4进制连续相位调制)信号进行位同步及帧同步联合检测，对4CPM信号进行位同步及帧同步联合检测，分下述5步进行：

1)4CPM调制同步数据设计(对应下面的步骤S1～S5)；

2)匹配相关及其预处理(对应下面的步骤S6～S7)；

3)与自适应门限比较，检测相关峰(对应下面的步骤S8)；

4)利用相关峰及位同步检测方法建立位同步(对应下面的步骤S9)；

5)利用相关峰的符号位、位同步信息及帧同步提取方法建立帧同步(对应下面的步骤S10)。

具体来说，上述方法分为同步数据设计和同步检测两部分，其中同步数据设计分下述几步进行：

S1、选定周期为N的伪码序列pn做位同步检测，并选定周期为M的巴克码序列Bak做帧同步检测，N为偶数，M为正整数；

S2、将周期为M的巴克码bak用M个周期为N的伪码序列pn1表示，设m=(1：M)，n=(1：N)，若bak的第m比特为A，则pn1(n)=pn(n)(表示每一位都相同)；若Bak的第m比特为

则

(表示每一位都相反)；经过上述处理，巴克码获得的信噪比提高了G=10·1g N，帧头检测可靠性大大提高。(1：M)表示1～M之间的正整数，pn1(n)表示伪码序列pn1的第n位。

S3、将伪码序列pn1的N比特与4个绝对相位θ₁，θ₂，θ₃，θ₄(如图2所示)一一映射，得到

n=(1：N)，映射规则为：当n为奇数时，若pn1(n)＝B，则

若则

当n为偶数且n≠N时，若pn1(n)=B，则

若则

当n=N时，(该条映射关系能够保证每一个伪码周期结束时刻绝对相位为0)；

S4、根据步骤S3得到的绝对相位

求出相位增量

示意图如图3所示。规则为：当n=1时，

当n＝(2：N)时，

S5、根据相位增量

推导出同步阶段的调制数据a_n，规则为：

若

则a_n=1；若

则a_n＝-1；若

则a_n=-3；

若

则a_n=+3；

经过上述步骤，即完成本方法的同步数据设计过程，然后进行下面的同步检测过程。需要指出的是：A、B均为二进制电平，代表1或0。

同步检测分下述几步进行：

S6、执行匹配相关预处理，预处理规则为：当接收信号(包含调制数据a_n)与本地伪码序列pn的奇数位做相关时，接收信号的相位不变；当与本地伪码序列pn的偶数位做相关时，将接收信号的相位增加Δθ₁，在每个符号结束时刻得到的星座图如图4所示。

S7、将执行所述预处理后的信号与本地伪码序列pn做匹配相关(卷积运算)，结构图如图5所示。

S8、执行自适应门限比较，比较的规则为：求出接收信号的平均功率，将匹配相关结果除以平均功率，得到归一化的相关值P，则P不受信号电平的影响，将P与预设门限η(η>0)比较，若|P|>η且P>0，则P为正的相关峰；若|P|>η且P<0，则P为负的相关峰；

S9、执行位同步建立，建立的规则为：设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，检测到相关峰即|P|>η时，将计数器count清零重新计数，并按照以下规则设置M位帧同步移位寄存器reg：令reg(i)＝sign(P|_|P|＞η)，i＝0；reg(i)=reg(i—1)，i＝1：M—1，若连续Q(Q<M)次在|P|>η时count＝X—1，(其中X=f_s·N，f_s为采样倍数)，则判定相关峰出现的位置为可靠的最佳采样时刻，在此时建立位同步，否则，重复返回重新执行“设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，检测到相关峰即|P|>η时，将计数器count清零重新计数，并按照以下规则设置M位帧同步移位寄存器reg：令reg(i)=sign(P|_|P|＞η)，i＝0；reg(i)=reg(i-1)，i＝1：M—1”的步骤，直到连续Q次在|P|>η时count=X—1的情况出现。

S10、帧同步建立：位同步建立后，将计数器count周期性计数，计数区间为[0，X—1]，在count＝X—1时按照以下规则更新帧同步移位寄存器reg：令reg(i)＝sign(P|_count=X-1)，i＝0；reg(i)=reg(i—1)，t＝1：M-1。将reg与M位bak码逐位异或，若

或者

则判定捕获到帧头，非扩频系统帧同步建立，其中Y为帧头检测门限，取值范围为0<Y≤M；相关峰仿真结果如图6所示。

需要指出的是在本发明中， $\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_2=-\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ ${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_4=\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4};{\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₂=0， ${\mathrm{\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₄=π； ${{\mathrm{\&theta;}}_1}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_2}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},{{\mathrm{\&theta;}}_3}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_4}^{\&prime;}=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ 初始时刻相位为0。

由以上实施例可以看出，本发明能够在低信噪比条件下，直接采用波形相关获得可靠的位同步及帧同步的联合检测。该方法与目前其他同步方法相比，具有以下优点：同步数据与信息数据采用相同的4CPM调制，所占用的频带窄，不影响通信系统的旁瓣衰减指标；位同步检测采用连续多次判决提高可靠性；帧头信噪比得到有效改善，帧同步检测可靠性高，抗多径衰落能力强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种4CPM信号的位同步及帧同步联合检测方法，其特征在于，所述方法包括同步数据设计和同步检测两部分，其中同步数据设计包括以下步骤S1～S5：

S1、选定周期为N的伪码序列pn做位同步检测，并选定周期为M的巴克码序列bak做帧同步检测，N为偶数，M为正整数；

S2、将周期为M的巴克码bak用M个周期为N的伪码序列pn1表示，设m=(1：M)，n=(1：N)，若bak的第m比特为A，则pn1(n)=pn(n)；若bak的第m比特为

则

A为二进制电平；

S3、将伪码序列pn1的N比特与4个绝对相位θ₁，θ₂，θ₃，θ₄一一映射，得到

n=(1：N)，所述映射的规则为：当n为奇数时，若pn1(n)=B，则

若

则当n为偶数且n≠N时，若pn1(n)=B，则

若

则

当n＝N时，

B为二进制电平；

S4、根据步骤S3得到的绝对相位

求出相位增量

规则为：当n＝1时，

当n=(2：N)时，

S5、根据相位增量

推导出同步阶段的调制数据a_n，规则为：

若

则a_n=+1；若

则a_n=-1；若

则a_n=-3；

若则a_n=+3；

然后执行以下的同步检测步骤：

S6、执行匹配相关预处理，预处理规则为：当接收信号与本地伪码序列pn的奇数位做相关时，接收信号的相位不变；当与本地伪码序列pn的偶数位做相关时，将接收信号的相位增加Δθ₁；

S7、将执行所述预处理后的信号与本地伪码序列pn做匹配相关；

S8、执行自适应门限比较，比较的规则为：求出接收信号的平均功率，将匹配相关结果除以平均功率，得到归一化的相关值P，则P不受信号电平的影响，将P与预设门限η比较，若|P|>η且P>0，则P为正的相关峰；若|P|>η且P<0，则P为负的相关峰；

S9、执行位同步建立，建立的规则为：设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，检测到相关峰即|P|>η时，将计数器count清零重新计数，并按照以下规则设置M位帧同步移位寄存器reg：令reg(i)=sign(P|_|P|＞η)，i＝0；reg(i)=reg(i-1)，i＝1：M—1，若连续Q(Q<M)次在|P|>η时count＝X—1，则在此时建立位同步，否则，重复返回重新设置一个计数器count与匹配相关计算同步计数，直到连续Q次在|P|>η时count=X—1的情况出现；其中，X=f_s·N，f_s为采样倍数；

S10、帧同步建立：位同步建立后，将计数器count周期性计数，计数区间为[0，X-1]，在count＝X-1时按照以下规则更新帧同步移位寄存器reg：令reg(i)=sign(P|_count=X-1)，i＝0；reg(i)=reg(i—1)，i＝1：M-1，将reg与M位bak码逐位异或，若

或者

则判定捕获到帧头，帧同步建立，其中Y为帧头检测门限，取值范围为0＜Y≤M。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_4=\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4};{\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₂=0， ${\mathrm{\&theta;}}_3=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ θ₄=π； ${{\mathrm{\&theta;}}_1}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_2}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},$ ${{\mathrm{\&theta;}}_3}^{\&prime;}={{\mathrm{\&theta;}}_4}^{\&prime;}=-\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},$ 初始时刻相位为0。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述4CPM信号为非扩频系统的4进制连续相位调制信号。

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