CN105743612B - 实时盲解调大频移短时突发信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种实时盲解调大频移短时突发信号的方法，旨在提供一种能够提高突发信号正确检测概率，并能有效消除不同目标信号频偏影响的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：信号处理机将得到的基带信号分为两路，一路通过数字信号处理器DSP模块频域幅度检测信号，对基带信号进行定点FFT，对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积的频谱进行带宽测量；另一路通过的DSP模块，利用导频信号进行载频粗测，根据粗测载频对基带信号再次下变频，然后计算出载频的精确测量值，信号处理机根据调制样式和符号速率设置FPGA中解调器的参数，结合调制样式识别结果和符号速率估计值，引导FPGA中解调器进行相干解调，输出解调结果。

Description

实时盲解调大频移短时突发信号的方法

技术领域

本发明是关于一种适用于大频移短时突发信号的盲解调方法。更具体地说，是关于一种适用于卫星通信信号中大频移短时突发信号的盲检测与盲解调方法。

背景技术

在卫星通信系统及卫星导航定位系统中，超长PN码序列由于其重复周期长，码速率高，可提供更高的保密抗干扰能力和测距精度而被广泛应用。实际环境中，由于卫星或者用户的移动，使得接收信号的载波具有很大的多普勒频移，导致PN码相关峰值急剧下降。因此，大多普勒频移环境下实现长PN码的快速捕获是影响卫星通信系统及卫星导航定位系统性能的重要因素。为了解决大频偏条件下的扩频码捕获，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。一类捕获方法是频域扫描。现有技术频域串行—伪码串行搜索方法硬件实现容易，但由于时频二维均采用串行搜索，捕获时间较长。另一基于FFT的伪码并行捕获方法，其捕获时间短，但采用FPGA实现大点数FFT，硬件结构较复杂。另一类捕获方法是频域并行搜索。这种基于FFT对多普勒频偏进行补偿的频域并行捕获方法，把部分匹配滤波与FFT相结合。虽然具有无需划分频率通道，捕获时间短，捕获性能较好的优点，但FPGA的实现消耗硬件资源较大，且运算量大，不适于DSP实现。

突发通信是一种广泛使用的通信方式，卫星通信中的时分多址方式就是一种典型的突发通信方式。在第三代短波通信中，为了克服时变信道的影响，在其链路建立、业务管理以及数据传输上都采用突发波形来进行分组交换。对突发信号的接收需要确定信号的起止时刻，但是对于非合作通信而言，由于突发信号的长短各不相同、起始和结束位置不确定，对突发信号的盲接收需要增加存在性盲检测环节。对信号的检测研究较多的是基于前导码相关的检测方法。从一般意义上来说，具有短时性和突发性两大特征的信号称为短时突发信号。信号的“短时性”是指相对于连续信号来说持续时间比较短，持续时间不足以支持传统的信号处理方法；而“突发性”则是指信号的起始结束位置不确定。对短时突发信号的盲处理是非合作通信接收中遇到的一类重要技术难题。除上述短时性和突发性两大特点外，短时突发信号还具有以下特点：各突发信号持续时间及突发间隔长短不一，此外由于各短时突发信号间的噪声统计特性等因素也可能各不相同，给信号解调带来了的难度。另外，对于长时间存在的连续信号的处理通常不需要关心信号开始和结束的问题，而非合作突发信号处理由于没有信号出现的准确先验知识，所以必须判断信号什么时间到来，很多情况下也必须判断信号什么时间结束。同时，对于连续信号的处理可以不着重考虑开始处理信号时的处理效果，虽然它也希望在初始处理阶段就具有更快的收敛速度，但是收敛之后的效果是更重要指标；而“短时突发信号”由于信号本身就很短，信号收敛过程往往占了信号传输量的很大比例，所以对它们的解调处理必须将该信号中所有的信息都高质量的解调出来，而不能采用像连续信号处理中忽略最开始信号的做法，可见对短时突发信号的解调处理有更高的要求。在一般的通信系统中，短时突发通信信号在信号设计的时候都会有同步头、信道探针(信号中间插入的短的已知信号结构)以及重插头等己知信号结构，接收方进行处理时可以充分利用这些先验知识进行信号捕获、同步、信道均衡的处理，但是在非合作信号处理中，这些已知结构是难以获取的。“盲处理”就是在不利用约定的信号参数的前提下，进行对短时突发信号的处理。不利用己知信号参数的同步方法和估计方法，也可以叫做对信号的盲同步和盲估计方法，整体的解调处理方法称为“盲解调”。突发信号存在性自适应盲检测算法。为了克服时变型的突发通信方式。在第三代短波通信中，信道的影响，在其链路建立、业务管理以及数据传输上都采用突发波形来进行分组交换。对突发信号的接收需要确定信号的起止时刻，但是对于非合作通信而言，由于突发信号的长短起始和结束位置不确定，对突发信号的盲接收需要各不相同、增加存在性盲检测环节。对信号的检测研究较多的是基于前导码相关的检测方，在低信噪比下能够达到较高的检测概率，但是当前导法码未知时，只能采用盲处理的方式。信号的存在性盲检测包括检测函数的选取、自适应门限的调整和判决算法的确定3个部分。检测函数在时域上有短时能量法、自相关法、基于高阶矩、高阶累积量的方法等，时域检测函数对噪声比不适用于低信噪比的情况；在频域上主要有基于幅度较敏感，谱和循环谱的检测方法以及基于离散傅里叶变换(DiscreteFourier Transformation，DFT)的PowerLaw算法。基于幅度谱的检测算法与时域的短时能量法类似，而基于循环谱的算法利用信号的循环平稳特性，计算复杂度较大，不利于Law算法。

盲信号处理技术是20世纪后10年迅速发展起来的一个新研究领域，是统计信号处理和信息理论相结合的产物。盲信号处理方法与传统处理方法不同，它是对源信号和传输通道几乎没有可利用信息的情况下，仅从观测到的混合信号中提取或者恢复出源信号的一种信号处理方法。概括来说，盲信号处理就是利用系统(如无线信道、通信系统、雷达系统和混合过程等)的输出观测数据，通过某种信号处理的手段，获得感兴趣的有关信息(如原来独立发射的信号，系统的模型或特征等)。盲信号处理技术在非协作通信中的一项具体应用就是对接收信号的调制体制进行盲识别和对调制参数进行盲估计。从非协作数字通信的接收端来看，需要用盲信号处理技术完成的工作有：载波频率估计、符号率估计、调制识别、成形脉冲估计、定时估计、相位同步和信道盲均衡等。

目前，卫星通信系统中也大量使用短时突发信号用于信道申请、短消息等业务，此类短时突发信号也呈现出非周期性、时间短、持续时间不定、不同终端频率差较大等特点。现阶段对此类信息的处理，主要采用事后分析的方法，通过大量的累积数据进行参数估计及解调，不能满足实时获取信息的需要。因此，大频移短时突发信号实时盲解调技术，对卫星通信短时突发信号的侦察具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对卫星通信信号中大频移短时突发信号持续时间及突发间隔长短不一，信号解调难度大的问题，提供一种能够提高突发信号正确检测概率，并能有效消除不同目标信号频偏影响的实时盲解调大频移短时突发信号的方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于包括如下步骤：宽带接收机采用频域检测进行宽带低信号噪声比值SNR信号的快速初捕获，在宽带接收机模拟前端，将接收到的信号进行模拟滤波、再下变频至中频、经数模A/D转换后下变频到零频获得基带信号；然后通过信号处理机将得到的基带信号分为两路，一路通过数字信号处理器DSP模块频域幅度检测信号，对基带信号进行定点快速傅里叶变换FFT，引导现场可编程门阵列FPGA存数，对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积的频谱进行带宽测量，剔除导频及无信号部分，根据测得的信号带宽对剩余部分进行抽取滤波，时长不够时则对不同目标的信号进行时域拼接，积累足够的信息比特后进行调制样式识别和符号速率估计；另一路后来检测到的信号，通过信号处理机中的DSP模块，利用导频信号进行载频粗测，DSP模块根据粗测载频对基带信号进行下变频滤波抽取，对处理后的基带信号存入到FPGA；再对该基带信号进行载波测量。信号处理机根据调制样式和符号速率设置FPGA中解调器的参数，结合精确载波测量值，引导FPGA中的解调器，利用前面相邻信号的参数估计结果引导后面信号进行实时相干解调，输出解调结果。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

能够提高突发信号正确检测概率。本发明采用频域检测进行宽带低SNR信号的快速初捕获，将接收机接收到的信号进行模拟滤波、A/D转换、下变频到零频，得到基带信号；利用频域幅度检测法实现宽带发现，引导FPGA存数并对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积的频谱估计出信号带宽；再剔除导频及无信号部分，根据测得的信号带宽对剩余部分进行抽取滤波，时长不够时则对不同目标的信号进行时域拼接，积累足够的信息比特后进行调制样式识别和符号速率估计，通过进行快速傅里叶变换FFT结果的累积及平滑的方法方便快捷地进行信号带宽测量，为后续的数字滤波提供了参数基础，提高了突发信号的正确检测概率，具有较好的稳健尤其在低信噪比条件下具有更好的检测性能；在一定程度上解决了大频移短时突发信号的实时检测问题。

能有效消除不同目标信号频偏影响。本发明对后来的检测到的信号，利用导频信号进行载频粗测，根据粗测载频对基带信号再次下变频，对下变频得到的信号进行存数，存入到FPGA；再对该下变频得到的信号进行精确载频测量，并结合调制样式识别结果及符号速率引导解调器进行解调。采用根据导频进行载频粗测，再将粗测载频结果对基带信号再次下变频处理的方法，有效地消除不同目标信号的频偏影响，在一定程度上解决了大频移信号的接收问题。采用时域拼接的方法，积累足够的信息比特后进行调制样式识别，解决了单个短时突发信号数据无法提供调制样式信息的问题，达到准确识别调制样式的效果。

本发明利用前面相邻信号的参数估计结果引导后面信号实时解调，采用参数测量与解调并行处理的方法，在一定程度上解决了以往只能通过事后大量数据分析进行短时突发信号解调，不能满足实时解调需求的问题。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是实时盲解调大频移短时突发信号盲处理流程示意图。

图2是短时突发信号格式示意图。

具体实施方式

参阅图1-图2。在以下描述的实时盲解调大频移短时突发信号的实时盲解调的实施例中，根据图2所示短时突发信号的导频部分、同步序和列信息内容信号格式，假设调制样式有：把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的二相相移键控信号BPSK、四相相移键控信号QPSK两种，根据本发明，宽带接收机采用频域检测进行宽带低信号噪声比值SNR信号的快速初捕获，在宽带接收机模拟前端，将接收到的信号进行模拟滤波、再下变频至中频、经数模A/D转换后下变频到零频获得基带信号；然后通过信号处理机将得到的基带信号分为两路，一路通过数字信号处理器DSP模块频域幅度检测信号，对基带信号进行定点快速傅里叶变换FFT，引导现场可编程门阵列FPGA存数，对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积的频谱进行带宽测量，再剔除导频及无信号部分，根据测得的信号带宽对剩余部分进行抽取滤波，时长不够时则对不同目标的信号进行时域拼接，积累足够的信息比特后进行调制样式识别和符号速率估计；另一路后来的检测到的信号，通过信号处理机中的DSP模块，利用导频信号进行载频粗测，DSP模块根据粗测载频对基带信号再次下变频，对下变频得到的信号进行存数，存入到FPGA；再对该下变频得到的信号进行精确载频测量，信号处理机根据调制样式和符号速率设置FPGA中解调器的参数，结合精确载波测量值，引导FPGA中的解调器，利用前面相邻信号的参数估计结果引导后面信号进行实时相干解调，输出解调结果。具体包括如下步骤：首先：宽带接收机将接收到的信号进行模拟滤波、下变频到中频(70MHz)、A/D转换、再下变频到零频，得到基带信号；

第二步：信号处理机中DSP模块采用频域幅度检测，对基带信号进行定点FFT，实现宽带发现，引导FPGA存数；

第三步：信号处理机中DSP模块对对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积频谱测量信号带宽；

第四步：信号处理机中DSP模块进行剔除导频及无信号部分处理，再根据测得的信号带宽对剩余部分进行抽取滤波，时长不够时则对不同目标的信号进行时域拼接，积累足够的信息比特后进行调制样式识别和符号速率估计；

第五步：信号处理机根据调制样式和符号速率设置FPGA中解调器的参数；

第六步：对后来检测到的信号，信号处理机中DSP模块利用导频信号进行载频粗测，再根据粗测载频对基带信号再次下变频，对下变频得到的信号进行存数，存入到FPGA；针对不同的目标，由于多普勒频移的影响导频信号频率会有变化，实际接收时测得最大频偏7K，根据对不同导频信号的测频，再进行下变频处理，可消除短时突发信号信息内容部分不同目标信号的多普勒频偏影响。

第七步：信号处理机中DSP模块再对上一步中下变频得到信号进行精确载波测量，引导FPGA中解调器进行相干解调。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如针对的目标信号，可以是实例以外的其他调制方式的信号；在信号检测时，可以采用实例以外的其他检测方法。在信号解调时，可以采用实例以外的其他解调方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于包括如下步骤：宽带接收机采用频域检测进行宽带低信号噪声比值SNR信号的快速初捕获，在宽带接收机模拟前端，将接收到的信号进行模拟滤波、再下变频至中频、经数模A/D转换后下变频到零频获得基带信号；然后通过信号处理机将得到的基带信号分为两路，一路通过数字信号处理器DSP模块频域幅度检测信号，对基带信号进行定点快速傅里叶变换FFT，引导现场可编程门阵列FPGA存数，对多次FFT的结果进行累积平滑，然后根据累积的频谱进行带宽测量，剔除导频及无信号部分，根据测得的信号带宽对剩余部分进行抽取滤波，时长不够时则对不同目标的信号进行时域拼接，积累足够的信息比特后进行调制样式识别和符号速率估计；另一路后来检测到的基带信号，通过信号处理机中的DSP模块，利用导频信号进行载频粗测，DSP模块根据粗测载频对基带信号进行下变频滤波抽取，对处理后的基带信号存入到FPGA；再对该基带信号进行载波测量。

2.如权利要求1所述的实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于：信号处理机根据调制样式和符号速率设置FPGA中解调器的参数，结合精确载波测量值，引导FPGA中的解调器，利用前面相邻信号的参数估计结果引导后面信号进行实时相干解调，输出解调结果。

3.如权利要求1所述的实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于：DSP模块采用频域幅度检测，对基带信号进行定点FFT，实现宽带发现，引导FPGA存数。

4.如权利要求1所述的实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于：DSP模块针对由多普勒频移影响导致的最大频偏达7KHz的不同目标导频信号频率的变化，对不同的目标信号导频进行测频，然后根据导频测频值再对基带信号进行下变频处理，得到用于解调的基带信号。

5.如权利要求1所述的实时盲解调大频移短时突发信号的方法，其特征在于：DSP模块根据导频测频值再对基带信号进行下变频处理，得到用于解调的基带信号，再对该用于解调的基带信号进行精确载波测量，用精确载波测量值引导FPGA中解调器进行相干解调。