CN107809398B - 脉冲噪声环境下msk信号调制参数估计方法及通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非高斯噪声环境下通信信号调制分析技术领域，公开了一种脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法；对接收到的MSK信号做非线性变换，并计算广义二阶循环统计量；提取广义二阶循环统计量特定时延截面，并通过自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合；利用循环频率集合中相邻循环频率的间距完成调制频率间隔估计，根据MSK信号调制指数实现符号周期估计。本发明在脉冲噪声环境下，当混合信噪比高于‑1dB时，本发明的MSK信号的调制频率间隔和符号周期估计的均方根误差接近0。

Description

脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法及通信系统
技术领域
本发明属于非高斯噪声环境下通信信号调制分析技术领域，尤其涉及一种脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法。
背景技术
最小频移键控(Minimum-Shift Keying,MSK)信号是一种包络恒定、相位连续，且调制指数等于1/2的频移键控信号。MSK信号具有频带利用率高、带外辐射小、抗码间串扰和信道噪声干扰性能等特点，因而广泛应用于军事通信和民用通信领域。随着MSK信号的广泛应用，其参数估计问题也越来越受到重视。符号速率和调制频率间隔作为MSK信号的两个重要参数，对于这两个参数的盲估计问题一直是信号处理领域的研究热点。针对MSK信号的参数估计问题，已经提出了多种有效的处理方法。其中，基于循环谱的MSK信号参数盲估计方法，在中低信噪比条件下有着良好的参数估计性能，但该方法需要估计循环谱密度，使得算法计算复杂度高(郑鹏,张鑫,刘锋,等.基于循环谱的MSK信号盲检测与参数估计[J].太赫兹科学与电子信息学报,2012,10(3):350-354.)。基于小波变换的MSK信号符号速率盲估计方法，无需获取信号先验信息即可进行码速率估计，但该方法存在最优小波变换尺度不易选取的缺陷，导致算法普适性差，且在低信噪比下估计性能退化(郜宪锦,基于小波变换的MSK信号码速率盲估计[J].电子科技,2015,28(1):140-142.)。基于延迟相乘和小波变换的带通MSK信号符号速率估计方法，以及基于平方律和一阶循环矩子集的频率估计方法，虽然可以获得较好的估计性能，但该方法需要进行联合处理导致算法整体计算量较大(郑文秀.MSK信号的参数估计[J].电路与系统学报,2011,16(2):23-27.)。上述方法均假设信道环境噪声服从高斯分布，但在工程应用中，实际噪声通常具有明显的脉冲特性，如水下冲击噪声、大气噪声等，由于这类脉冲噪声的影响，高斯噪声环境下的MSK信号参数估计方法性能严重退化。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的高斯噪声假设下的MSK信号调制参数估计方法在脉冲噪声环境下性能严重退化。此外，从现有的公开文献来看，鲜有文献提及脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法。
本发明是这样实现的，一种脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法，所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法对接收到的MSK信号做非线性压缩，并计算广义二阶循环统计量；提取广义二阶循环统计量特定时延截面，通过自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合；利用循环频率集合中相邻循环频率的间距完成调制频率间隔估计，根据MSK信号调制指数实现符号周期估计。
进一步，所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法包括以下步骤：
步骤一，对接收到的MSK信号进行采样，进行非线性变换，计算广义二阶循环统计量；
步骤二，提取广义二阶循环统计量的特定时延截面Gr(0,ε)，利用自适应双阈值方法对Gr(0,ε)进行循环频率检测，得到循环频率集合Υ；
步骤三，利用循环频率集合Υ计算载波频率间隔fΔ，并根据调制指数h＝1/2计算符号周期Tb。
进一步，所述广义二阶循环统计量Gr(τ,ε)定义为：
Figure GDA0002517317110000021
其中Nr表示信号长度，f[r(n)]为非线性变换，表达式为：
Figure GDA0002517317110000031
其中，r(n)为接收信号。
进一步，所述提取广义二阶循环统计量的特定时延截面Gr(0,ε)，并利用自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合Υ具体包括：
提取广义二阶循环统计量截面Gr(0,ε)，对|Gr(0,ε)|进行差分得到D(υ)，设置阈值为
Figure GDA0002517317110000032
若D(υi)＞γ且D(υi+1)＜-γ，则υi为循环频率，检测所有可能的循环频率υ，得到循环频率集合υ∈Υ。
进一步，所述利用循环频率集合Υ计算载波频率间隔fΔ，并根据调制指数h＝1/2计算符号周期Tb具体包括：根据相邻循环频率之间的最小距离来估计调制频率间隔fΔ，
Figure GDA0002517317110000033
MSK信号的调制指数为1/2，h＝fΔ·Tb＝1/2，
Figure GDA0002517317110000034
本发明的另一目的在于提供一种利用所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法的卫星通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法的浅海水声通信系统。
本发明的优点及积极效果为：基于广义二阶循环统计量的MSK信号参数估计方法可以有效抑制脉冲噪声影响，实现脉冲噪声环境下MSK信号的调制频率间隔和符号周期估计，并且对于α较小的强脉冲噪声环境也具有一定的稳健性。当混合信噪比高于-1dB时，MSK信号调制频率间隔和符号周期估计的均方根误差接近0，且对噪声特征指数为2的高斯噪声环境下本发明同样适用，可见，本发明提出的MSK信号调制参数估计方法效果较好。
附图说明
图1是本发明实施例提供的脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的脉冲噪声环境中不同广义信噪比下MSK信号的调制参数估计性能示意图。
图3是本发明实施例提供的脉冲噪声环境中不同噪声特征噪声下MSK信号的调制参数估计性能示意图。
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。
最小频移键控信号具有频带利用率高、带外辐射小、抗码间串扰和信道噪声干扰性能等特点，广泛应用于军事通信和民用通信领域。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法包括以下步骤：
S101：接收到的MSK信号做非线性变换，并计算广义二阶循环统计量；
S102：提取广义二阶循环统计量特定时延截面，并通过自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合；
S103：利用循环频率集合中相邻循环频率的间距完成调制频率间隔估计，根据MSK信号调制指数实现符号周期估计。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法包括以下步骤：
S1对接收到的MSK信号r(t)进行采样r(n)，并计算r(n)广义二阶循环统计量Gr(τ,ε)；
接收信号r(t)经过采样后信号r(n)表达式为：
r(n)＝s(n)+w(n)；
其中，s(n)和w(n)分别表示采样后发送信号和脉冲噪声。由于Alpha稳定分布不存在有限的二阶矩，使得噪声的方差没有意义，通常用广义信噪比
Figure GDA0002517317110000051
来表征信号和噪声的功率关系，其中
Figure GDA0002517317110000052
表示信号的方差、γ表示Alpha稳定分布噪声的分散系数。
发送信号s(n)的表达式为：
Figure GDA0002517317110000053
其中A表示MSK信号振幅，θ表示相位，g(·)为成型滤波器,Tb＝Nsfs -1是MSK信号的符号周期，Δfc为载波频偏，fΔ为调制频率间隔，si是第i周期内的调制符号，且si∈{-1,1},调制指数为h＝fΔ·Tb＝1/2。
对接收信号r(n)定义如下非线性变换：
Figure GDA0002517317110000054
非线性变换后保持了接收信号r(n)的频率信息，压缩了接收信号的幅度信息，有效抑制脉冲噪声幅度。
广义二阶循环统计量为：
Figure GDA0002517317110000055
其中Nr表示信号长度，f[r(n)]为非线性变换。
S2提取S1步骤得到的广义二阶循环统计量Gr(τ,ε)的特定时延截面Gr(0,ε)截面，并利用自适应双阈值方法检测循环频率，得到循环频率集合Υ；
提取广义二阶循环统计量截面Gr(0,ε)，对|Gr(0,ε)|进行差分得到D(υ)，设置阈值为
Figure GDA0002517317110000061
若D(υi)＞γ且D(υi+1)＜-γ，则υi为循环频率，检测所有可能的循环频率υ，得到循环频率集合υ∈Υ。
S3基于S2得到的循环频率集合Υ计算调制频率间隔fΔ，并根据调制指数h＝1/2实现MSK信号的符号周期估计。
由于MSK信号的广义二阶循环统计量截面|Gr(0,ε)|的循环频率表示调制频率间隔，因此根据相邻循环频率之间的最小距离来估计调制频率间隔fΔ，即
Figure GDA0002517317110000062
又因为MSK信号的调制指数为1/2，即h＝fΔ·Tb＝1/2，所以
Figure GDA0002517317110000063
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
为了评估本发明的性能，通过仿真实验进行验证。仿真实验条件为：MSK信号的载波频偏为4kHz，采样频率48kHz，符号周期为0.0017s，调制指数为1/2，调制频率间隔为300Hz，观测时间均为1s(实验中如无特别说明观测时间均为1s)。参数估计性能以归一化均方根误差(Normalized Root Mean Square Error,NRMSE)来衡量，其定义为：
Figure GDA0002517317110000064
其中N为Monte Carlo仿真实验次数，待估计参数的真实值为Y，第i次的估计值为
Figure GDA0002517317110000065
仿真结果如图2和图3所示，由图2(a)，图2(b)可以看出，当混合信噪比高于-1dB时，MSK信号的调制频域间隔fΔ估计的均方根误差接近0；由图3(a)，图3(b)可以看出，当混合信噪比为-1dB时，对于噪声特征指数α＞1的脉冲噪声，MSK信号的调制频率间隔和符号周期估计的均方根误差接近0，且对噪声特征指数为2的高斯噪声同样适用。可见，本发明的参数估计效果较好。
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 (5)

1.一种脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法，其特征在于，所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法首先对所接收到的MSK信号做非线性变换，并计算广义二阶循环统计量；提取广义二阶循环统计量特定时延截面，通过自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合；利用循环频率集合中相邻循环频率的间距完成调制频率间隔估计，根据MSK信号调制指数实现符号周期估计；
所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法包括以下步骤：
步骤一，对接收到的MSK信号进行采样，进行非线性变换，计算广义二阶循环统计量；
步骤二，提取广义二阶循环统计量的特定时延截面Gr(0,ε)，利用自适应双阈值方法对Gr(0,ε)进行循环频率检测，得到循环频率集合Υ；
步骤三，利用循环频率集合Υ计算载波频率间隔fΔ，并根据调制指数h＝1/2计算符号周期Tb；
所述广义二阶循环统计量Gr(τ,ε)定义为：
Figure FDA0002517317100000011
其中Nr表示信号长度，f[r(n)]为非线性变换，表达式为：
Figure FDA0002517317100000012
其中，r(n)为接收信号。
2.如权利要求1所述的脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法，其特征在于，所述提取广义二阶循环统计量的特定时延截面Gr(0,ε)，并利用自适应双阈值进行循环频率检测，得到循环频率集合Υ具体包括：
提取广义二阶循环统计量截面Gr(0,ε)，对|Gr(0,ε)|进行差分得到D(υ)，设置阈值为
Figure FDA0002517317100000021
若D(υi)＞γ且D(υi+1)＜-γ，则υi为循环频率，检测所有可能的循环频率υ，得到循环频率集合υ∈Υ。
3.如权利要求1所述的脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法，其特征在于，所述利用循环频率集合Υ计算载波频率间隔fΔ，并根据调制指数h＝1/2计算符号周期Tb具体包括：根据相邻循环频率之间的最小距离来估计调制频率间隔fΔ，
Figure FDA0002517317100000022
MSK信号的调制指数为1/2，h＝fΔ·Tb＝1/2，
Figure FDA0002517317100000023
4.一种利用权利要求1～3任意一项所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法的卫星通信系统。
5.一种利用权利要求1～3任意一项所述脉冲噪声环境下MSK信号调制参数估计方法的浅海水声通信系统。
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