CN105227210B - 一种极端恶劣信道环境下cpm信号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法，设计了一种周期性同步头信号，基于循环存储方法，提出了一种极低信噪比下低复杂度CPM信号同步捕获算法。

Description

一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法

技术领域

本发明属于信号传输领域，尤其涉及一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法。

背景技术

连续相位调制（CPM，Continuous Phase Modulation）是一种具有恒包络特性的调制方式，对非线性失真不敏感，因此其功率利用率较高，并且CPM的信号相位连续的，因此可以获得较高的频带利用率。由于CPM具有恒包络、高频谱效率等特点，使得这种调制方式在移动通信、卫星通信等无线通信系统中应用较广。

在极端恶劣信道环境下，由于信道环境中背景噪声和电磁干扰很强，基于极端恶劣信道环境下的通信技术是一种应急通信手段。目前这种通信技术采用的调制方式是PSK等线性调制，其包络峰均比较大，功率利用率较低，而CPM具有功率、频谱利用率高的特点，因此，CPM在这种应急通信技术中具有明显的优势。

要保证在极端恶劣信道环境下能实现可靠通信，同步捕获技术是一项关键技术。同步捕获技术是指收发双方信息同步技术，包括比特同步、帧同步和信息同步。为实现收方对发方信息的同步，通常在发送有效信息前，发方发送相关性好的同步序列，接收方采用本地提供的同步信号与接收信号进行相关运算，通过相关特性检测判断信息有无，计算同步位置、估计信道频偏等参数信息。

在极端恶劣信道环境下，可能会存在较大频偏，因此在同步捕获过程中需要在多普勒频偏范围和整个码相位区间内进行二维搜索。现有技术中有时候应用了频域串行-伪码串行搜索方法,该方法硬件实现容易,但由于时频二维均采用串行搜索,捕获时间较长。

利用FFT（快速傅氏变换，Fast Fourier Transformation）为频偏分析的伪码串行-频偏并行搜索的捕获方法能一次并行搜索频偏，非常适合大频偏的应用，但是伪码搜索是串行的，捕获时间仍然较长；现有技术还会采用匹配滤波和FFT相结合的方法，该方法将时间、频率二维搜索变成一维搜索，可以降低捕获运算量和捕获时间，然而在长同步序列的情况下，这种搜索算法用DSP难以实现。

以上关于极端恶劣信道下的同步捕获算法主要针对的都是线性调制，目前国内外对于连续相位调制在极低信噪比下的同步捕获技术较少，大部分文献研究的也都只适用于较好的信道环境，无法应用于恶劣信道环境。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法，包括下列步骤：

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s(L=M·N),每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关;

S2.接收端开始持续接收信号，本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第j块的第i个位置内；

S4.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置内；

S7.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤5~7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置；

S11.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置

S14.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算;

S15.重复步骤12~14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;.

S16.重复步骤9~15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。

优选的，在所述方法中，相关计算后的相关值的存储方式为：当滑动相关位置在接收信号的第i段第j个符号时，相关运算后的相关值对应的存储位置为存储器第块的第个位置。

本发明还提供了另一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法，包括下列步骤：

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s(L=M·N),每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关;

S2.接收端开始持续接收信号，本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S4.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S7.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤5~7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S11.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S14.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S15.重复步骤12~14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;.

S16.重复步骤9~15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。

优选的，在该方法中，相关计算后的相关值的存储方式为：当滑动相关位置在接收信号的第i段第j个符号时，相关运算后的相关值对应的存储位置为存储器第i块的第j个位置。

本发明的有益效果为：

本发明中的同步捕获方法相对于现有的基于PSK的同步技术，解决了其复杂度相对较高而不易于DSP实现的问题，提高了功率和频谱利用率，通过设计周期序列和处理方式降低了相位偏差带来的性能显著下降的影响。

附图说明

图1为本发明具体实施方式1示意图。

图2为本发明具体实施方式2示意图。

具体实施方式

为了降低极端恶劣信道下的同步捕获算法的复杂度，并提高功率和频谱利用率，本发明针对CPM调制设计了一种短周期序列的同步信号，基于该信号，接收机可以通过循环存储的方式降低同步捕获花销的运算量，并且由于本发明采用周期性的同步信号，接收机采用非积分的方式对CPM信号进行处理，提高了对相位偏差的容忍度，易于DSP实现且性能不低于PSK等其它调制方式。

假设同步信号S长为L(L=M·N) ，采用周期信号后同步信号变成M块相同的长度为N的信号s，接收端用信号s与接收信号进行滑动相关，从而每滑动一点的乘加运算由L变成了N，运算量时之前的1/M。根据这种方式每滑动一个点做完相关运算后，将当前的相关值存储起来（循环存储），并从存储器中提取出M个相应的相关值做FFT运算。

根据存储方式的不同，本发明可以分为两个具体实施方式。

具体实施方式1：

具体的方法如图1所示。图中同步信号长为L，将其分成M块相同的信号s，每块信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每块信号长度N，每块信号中对应的符号编号由 i(i=1,2,…,M)表示，其中在滑动相关过程中i和j周期循环利用，即i=[i-1]_M+1，j=[j-1]_N+1，其中[·]_x表示模X运算。当滑动相关位置在第i块第j个符号位置时，相关运算后的相关值对应的存储位置为第j块的第i个位置，然后再从存储器中取出相应的M个相关值做FFT运算，当信号完全匹配对齐时即可找到相关峰值。

为了便于理解，下面对本发明进行步骤性的说明。

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s(L=M·N),每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关;

S2.接收端开始持续接收信号，本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第j块的第i个位置内；

S4.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置内；

S7.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤5~7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置；

S11.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置

S14.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算;

S15.重复步骤12~14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;.

S16.重复步骤9~15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。

优选的，在所述方法中，相关计算后的相关值的存储方式为：当滑动相关位置在接收信号的第i段第j个符号时，相关运算后的相关值对应的存储位置为存储器第j块的第i个位置。

这种存储方式由于对信号进行了编号后信号存储和提取变得非常简便，并且可以进行循环存储，节约了存储空间。

具体实施方式2：

下面介绍本发明运用另一种存储方式时的CPM信号同步方法：

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s(L=M·N),每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j(j=1,2,…,N)表示，利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关;

S2.接收端开始持续接收信号，本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S4.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S7.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤5~7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.本地信号s与接收信号逐点开始滑动相关，接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S11.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S14.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S15.重复步骤12~14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;.

S16.重复步骤9~15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。

优选的，在所述方法中，相关计算后的相关值的存储方式为：当滑动相关位置在接收信号的第i段第j个符号时，相关运算后的相关值对应的存储位置为存储器第i块的第j个位置，然后每间隔N个值循环取一个相关值，共取出M个相关值。

本发明的有益效果为：

采用短周期信号同步算法可以极大地降低同步算法的运算量，短周期信号的长度以及FFT长度需要根据系统需求的同步算法抗抗频偏能力以及频偏估计精度来决定。以9KHz信号带宽为例，其符号速率为9600符号/秒，同步信号参数为L=2048，M=32，N=64，该同步信号的抗频偏能力为-75Hz~+75Hz，其频偏估计精度为2.34375Hz。

表1统计了本发明与传统捕获方案每滑动一个点的运算量，从表1中可以看出，以L=2048，M=32，N=64为例（FFT点数为M），本发明相对于传统技术方案运算量大大降低，大约是传统方案的1/13。

表1 每滑动一点的运算量比较

方案	复数乘	复数加	运算量
				传统方案			4336
本发明			336

根据以上对比，本发明中提出的基于CPM的极低信噪比下的同步捕获方法相对于现有的基于PSK的同步技术，解决了其复杂度相对较高而不易于DSP实现的问题，提高了功率和频谱利用率，通过设计周期性序列和处理方式降低了相位偏差带来的性能显著下降的影响。

Claims (2)

1.一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s，其中L=M·N,每段信号编号用i表示，其中i=1,2,…,M，每段信号中对应的符号编号由j表示，其中j=1,2,…,N，接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i，其中i=1,2,…,M；每段信号中对应的符号编号由j表示，其中j=1,2,…,N，利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关;

S2.接收端开始持续接收信号，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+conj(s(N))*r(N)；其中，s(N)表示信号编码为N的短周期信号s，r(N)表示信号编码为N的接收信号；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第j块的第i个位置内；

S4.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置内；

S7.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤S5~S7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置；

S11.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13.运算后的相关值cor存储到存储器，存储位置为第j块的第i个位置

S14.从存储器的第j块中取出相应的M个相关值做FFT计算;

S15.重复步骤S12~S14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;

S16.重复步骤S9~S15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。

2.一种极端恶劣信道环境下CPM信号同步方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1.将长度为L的同步信号S分为M段长度均为N的的短周期信号s,其中，L=M·N,每段信号编号用i(i=1,2,…,M)表示，每段信号中对应的符号编号由j表示，其中j=1,2,…,N；接收信号也按照同样的方法来编号，接收信号每L个符号划分为一大块，再将长度为L的信号划分为M段长度为N的信号，每段信号编号用i表示，其中i=1,2,…,M；每段信号中对应的符号编号由j表示，其中j=1,2,…,N；利用长度为N的短周期信号s与接收信号逐点进行滑动相关；

S2.接收端开始持续接收信号，接收信号从编号为第i=1段，第j=1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+conj(s(N))*r(N)；其中，s(N)表示信号编码为N的短周期信号s，r(N)表示信号编码为N的接收信号；

S3.运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S4.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S5.从所述接收信号编号为第i=1段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S6. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S7.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S8.重复步骤S5~S7,直到完成接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止，进行步骤S9；

S9.接收信号编号i=i+1，从j=1个符号开始依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S10. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S11.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S12.接收信号编号为第i段，第j=j+1个符号开始取数，依次取出长度为N的接收信号r，相关值cor=conj(s(1))*r(1)+ conj(s(2))*r(2)+......+ conj(s(N))*r(N)；

S13. 运算后的相关值cor存储到存储器,存储位置为第i块的第j个位置内；

S14.在存储器中，从第i块第j个值开始每间隔N个位置循环取一个相关值，共取出M个相关值做FFT计算；

S15.重复步骤S12~S14，直到接收信号第i段的N个符号的滑动相关运算完成为止;

S16.重复步骤S9~S15，直到i=M，j=N，完成第M个短周期信号的滑动相关;

S17.信号完全匹配对齐时，找到相关峰值。