CN106301652A - 一种基于连续相位调制信号相位变化特征的码元同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于连续相位调制信号相位变化特征的码元同步方法，本发明的主要步骤为：提取同步前导信号的相位变化特征；与本地的同步码做相关运算；找到相关运算峰值的时间位置，完成码元同步。针对现有数字通信系统中码元同步算法过于复杂和消耗硬件资源较多的问题，本发明能准确地确定接收信号码元的起止时刻，运算量少，减轻了系统的运算负担，特别适用于硬件资源紧张的通信系统。而且，本发明能运用于存在多普勒频偏的情况，有效克服多普勒频偏对接收信号码元同步的影响。在较低信噪比的情况下，本发明仍能可靠地实现同步。

Description

一种基于连续相位调制信号相位变化特征的码元同步方法
技术领域
本发明涉及电通信技术领域，具体涉及在连续相位调制信号的通信系统中，利用信号的相位变化特征进行码元同步的方法。
背景技术
在数字通信中，码元同步的目的是要在接收端确定每一个码元符号的正确起止时刻。目前，通过添加前导信号实现码元同步的方法主要有，利用本地匹配波形相关运算，或用FFT在频域匹配，但是这些运算通常比较复杂，并且会消耗较多的硬件资源。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于连续相位调制信号通信系统中的码元同步方法，以实现仅用很少的运算量实现码元同步，解决现有数字通信系统中码元同步算法过于复杂和消耗硬件资源较多的问题，同时克服多普勒频偏对接收信号码元同步的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术原理是：
在连续相位调制信号中添加一段前导同步信号，提取接收信号的相位变化特征信息，生成相位变化特征码，由于接收信号的同步序列是已知的，那么其相位变化规律也就已知，提取该相位变化信息，就得到相位特征码；本地的同步码是由前导同步信号生成的，包含了前导同步信号的相位变化特征信息；将相位特征码与本地同步码做滑动相关匹配，如果能找到峰值，就说明已经找到了接收信号的同步序列的位置时刻，同时也就找到了码元的起止时刻，即完成了同步。
具体地说，本方法包括以下步骤：
A、在本地，将一段伪随机序列以连续相位调制CPM方式进行调制，产生包络恒定，相位连续变化的信号波形，作为本地同步前导信号；逐个采样点计算本地同步前导信号每一个数据与前一个数据的相位增量值；判断该增量值的符号，正数用1表示，负数用0表示，生成一串本地同步码；
B、接收基带连续相位调制信号，逐个采样点计算当前数据与前一个数据的相位增量值，判断该增量值的符号，正数用1表示，负数用0表示，生成一串接收信号相位特征码，该特征码与步骤A所述的本地同步码等长；
C、相关运算并定位峰值：令接收信号采样点数据依次滑入，将步骤A和B生成的同步码与相位特征码做同或运算，得到一个相关值；每滑动一次，即可得到一个相关值；依次滑动形成一个相关值序列；该相关值序列峰值对应的时刻，确定为接收信号同步前导信号的结束时刻，从而获得码元的起止时刻；所述同或运算指相同为1，相异为0。
进一步的，步骤A中同步码的长度越大，相关匹配时峰值越大；优选值取与接收信号同步码的相同的长度。
进一步的，在信号输入前，设有数据缓冲模块，对输入信号进行数据缓冲，以保证在同步过程中不会丢失有用数据。
本发明具有以下有益效果：
①运算简单，只有加减运算、移位运算和极少量乘法，适用于各种硬件平台的通信系统，硬件资源占用少，成本低；
②几乎不占用存储资源，节省存储空间；
③由于利用信号的相位变化来判断同步，而多普勒频偏只会影响信号的频率，不会改变信号的相位变化特征，故该同步方法不受接收信号多普勒频偏的影响。
④在较低信噪比的情况下，仍能可靠地实现同步。
附图说明
图1是本系统的结构方框图；
图2是生成本地同步码的工作流程图；
图3是提取接收信号的相位变化特征的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例基于FPGA实现，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括本地同步码生成单元(10)、接收数据处理单元(20)、滑动相关处理单元(30)和输入数据缓冲单元(40)；
2、功能模块
1)本地同步码生成单元(10)
该单元完成将一段前导同步序列转换成包含其相位变化特征信息的接收信号同步码之功能；
2)接收数据处理单元(20)
该单元完成提取接收信号的相位变化特征并生成相位特征码之功能，相位特征码是表征接收信号相位变化增量的二进制码；
3)滑动相关处理单元(30)
该单元将本地同步码生成单元(10)输出的本地同步码和接收数据处理单元(20)输出的相位特征码按位做同或运算，随着输入信号的依次滑动进入，检测出运算结果的峰值及位置，输出与码元起始时刻对齐的同步脉冲；
4)输入数据缓冲单元(40)
该单元对输入信号进行数据缓冲，以保证在同步过程中不会丢失有用数据。
二、方法
1、本地同步码生成单元(10)的工作流程
如图2，同步序列(101)是预存的一段截断的m序列,m序列是一种常用的伪随机序列，该序列由matlab生成，长度是M bit，作为添加到帧头的前导同步序列使用。将该序列做二进制连续相位调制(102)，得到一段基带波形数据，分IQ两路。同步序列的一个码元调制成由N个数值组成的数字波形，则总共生成M×N个波形数据(I路和Q路)，采用CPM连续相位调制；此处码元的进制与当前波形设计调制的进制有关，两者应保持一致，例如采用四进制码元的连续相位调制时，同步序列也应该是四进制。同步序列长度越大，相关峰值越高，效果越好。接下来提取波形相位变化特征，对于每一个波形数据，其相对于上一个数据的相位一定是连续且变化的，于是，相位增加用1表示，相位减小用0表示(104)。简单起见，用实部I除以虚部Q得到的正切值(根据正切函数的单调特征，该正切值也可以反映信号的相位变化规律)来代替相位，并且为了避免在FPGA中使用除法，前后2个数据的正切值的差值的计算方法是，当前数据的I路数据乘前一个数据的Q路数据，减去当前数据的Q路数据乘前一个数据的I路数据(103)。由此，得到一串仅由0和1组成的同步码(105)，长度是M×N-1。
2、接收数据处理单元(20)的工作流程
如图3，输入数据(201)是接收到的波形数据，与本地同步码生成单元(10)类似的处理流程，得到一串由0和1组成的接收信号的相位特征码(204)，长度是M×N-1。将该相位特征码与本地同步码生成单元(10)生成的本地同步码一并输入到滑动相关处理单元(30)。
3、滑动相关处理单元(30)的工作流程
滑动相关处理单元(30)接收来自本地同步码生成单元(10)的本地同步码和接收数据处理单元(20)输出的相位特征码，将两者按位做同或运算，得到一个相关值，根据信道特征，如果该值超过一定门限值，则认为收到正确的前导同步序列，再用软件或硬件的方法搜索到峰值，确定其位置，即可知道码元的起止时刻，最终输出同步脉冲信号，该信号的重复周期等于码元周期，该信号的起始与码元的起始对齐。所述门限值的确定，取决于信道特征，如果接收信号信噪比较高，门限值可以提高以避免伪同步；而如果信噪比较低，要适当降低门限，以免漏检。该门限值一般由试验确定，并且可设置为系统可调参数。
4、输入数据缓冲单元(40)的工作流程
在上述滑动相关处理单元(30)的工作流程中，搜索到相关运算的峰值的时刻必然滞后于接收信号中的前导同步序列末尾时刻。所以，要保证数据不丢失，需要对输入的信号波形数据进行缓冲，缓冲池的大小取决于下一级处理模块所需有用数据的起始时刻或所处信号帧的位置。
本实施方式中，同步码长度不小于800。使用matlab仿真发现，在信噪比是低至3db(这是一个很低的信噪比，相当于噪声功率已达到信号功率的一半)、多普勒频偏是6kHz、并允许一个采样点的定时误差(该误差可在后级信号处理流程中使用波形相关匹配或其他方式消除)时，发送10000包数据，能正确同步的概率可达100％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于连续相位调制信号相位变化特征的码元同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在本地，将一段伪随机序列以连续相位调制CPM方式进行调制，产生包络恒定，相位连续变化的信号波形，作为本地同步前导信号；逐个采样点计算本地同步前导信号每一个数据与前一个数据的相位增量值；判断该增量值的符号，正数用1表示，负数用0表示，生成一串本地同步码；
B、接收基带连续相位调制信号，逐个采样点计算当前数据与前一个数据的相位增量值，判断该增量值的符号，正数用1表示，负数用0表示，生成一串接收信号相位特征码，该特征码与步骤A所述的本地同步码等长；
C、相关运算并定位峰值：令接收信号采样点数据依次滑入，将步骤A和B生成的同步码与相位特征码做同或运算，得到一个相关值；每滑动一次，即可得到一个相关值；依次滑动形成一个相关值序列；该相关值序列峰值对应的时刻，确定为接收信号同步前导信号的结束时刻，从而获得码元的起止时刻；所述同或运算指相同为1，相异为0。
2.根据权利要求1所述的码元同步方法，其特征在于，步骤A中同步码的长度越大，相关匹配时峰值越大；优选值取与接收信号同步码的相同的长度。
3.根据权利要求1所述的码元同步方法，其特征在于，在信号输入前，设有数据缓冲模块，对输入信号进行数据缓冲，以保证在同步过程中不会丢失有用数据。
4.一种连续相位调制的数字通信系统，其特征在于，采用了权利要求1至3任一码元同步方法。
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