CN108833321B - 基于差分相位波形匹配的编码cpm信号码块同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于差分相位波形匹配的编码CPM信号码块同步方法。技术方案是：基带处理完成之后的CPM信号通过一个的滑动观察窗，进行如下操作：①：每隔一个采样周期将滑动观察窗内的信号进行处理，判断是否存在码块头预警信号位，②：在进行操作①的同时，根据码块头预警信号位到来的间隔，判断输出码块头标志信号。本发明的有益效果是①对基带处理后的信号直接进行处理，不需要定时同步、调制指数同步信息。②通过接收的完整信号和本地的利用码块头序列生成的完整信号匹配得到匹配结果，可靠性较高。③本发明既适用于全响应CPM信号，又适用于部分响应CPM信号；④本发明在存在一定残留相偏、频偏和相噪时仍可正常工作。

Description

基于差分相位波形匹配的编码CPM信号码块同步方法
技术领域
本发明涉及无线通信及遥测遥控技术领域，提供一种编码CPM(Continuous PhaseModulation，连续相位调制)码块同步方法。
背景技术
CPM信号具有相位连续的特点，相对其他调制方式在功率效率、带宽效率上均具有很大优势，在卫星通信、遥测遥控领域具有广泛的应用前景。根据CPM信号的部分响应长度L可以将CPM信号分为全响应CPM信号(此时L＝1)和部分响应CPM信号(此时L＞1)，部分响应CPM信号具有记忆性，当前码元周期内波形不仅与当前码元周期内的码元有关，还和前几个码元周期的码元有关。部分响应CPM能够获得更好的带宽利用率。调制指数是CPM的一个重要参数。如果CPM信号中所有符号对应的调制指数保持不变，则称之为单指数CPM信号，如果CPM信号的调制指数随符号变化，则称之为多指数CPM信号，多指数CPM信号的功率谱更加集中，抗误码性能也更好。目前在实际应用中，多指数CPM一般只有两个调制指数，本发明讨论的多指数CPM就是这种有两个调制指数的CPM。
CPM和信道编码级联时可以大大提高系统的功率效率。目前可实现性较强的编码CPM系统中使用的信道编码有LDPC(Low Density Parity Check Codes，低密度奇偶校验码)或Turbo码(Parallel Concatenated Convolutional Codes，并行级联卷积码)，其结构一般如图1所示，发送端将需发送的信息序列经过编码，再进行CPM调制，最后将得到的中频CPM信号通过信道发送出去。接收端经过基带处理后(基带处理包括数字下变频，频率、相位同步)，依次进行调制指数同步(单指数CPM此步骤可省略)、定时同步、解调、码块同步和译码，便可得到发送的信息序列。
信息序列经过编码后的码块结构如图2所示，其中用于同步的码块头长度为δbit，编码序列长度为kbit。
目前已有的码块同步方法主要有判决相关法和James Massey提出的Massey算法(这两种方法均参见CCSDS130.1-G-2：TM SYNCHRONIZATION AND CHANNEL CODING—SUMMARY OF CONCEPT AND RATIONALE)。这两种方法均是将经过处理的解调输出和码块头序列做相关，得到当前序列和码块头序列的相似程度，从而判断当前序列是否为码块头序列。由于这些方法依赖于解调信息，采用这些方法时码块头同步必须在解调之后完成，调制指数同步、定时同步无法充分利用码块同步信息。另外，在信噪比较低的情况下，解调步骤可靠性较低，影响后续的码块同步效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种编码CPM码块同步方法。该方法在调制指数同步、定时同步完成前完成码块同步，使码块同步可以辅助调制指数同步、定时同步，使用该方法进行码块同步的编码CPM系统结构如图3所示；具有较大的可靠性，在信噪比较低的情况下仍可正常工作；既适用于全响应CPM信号，又适用于部分响应CPM信号；对相位、频率不敏感，信号存在一定残留相偏、频偏和相噪时仍可正常工作。
本发明的技术方案是：一种基于差分相位波形匹配的编码CPM信号码块同步方法。基带处理完成之后的CPM信号通过一个长度为D×n_Sam的滑动观察窗，其中D＝log2M，M为CPM信号的进制数，n_Sam为每个码元的采样点数，“×”表示乘法运算。进行如下操作：
①每隔一个采样周期将滑动观察窗内的信号进行处理，判断是否存在码块头预警信号位，具体步骤为：
step1：将滑动观察窗内信号进行差分处理，得到差分信号；
step2：将差分信号输入存有本地差分信号波形的FIR(Finite ImpluseResponse,有限长单位冲击响应)滤波器，得到匹配结果。
step3：通过匹配结果和参考门限来判断滑动观察窗内信号对应序列是否可能是码块头序列，是则输出码块头预警信号位。
②在进行操作①的同时，根据码块头预警信号位到来的间隔，判断输出码块头标志信号。
本发明的有益效果是，本发明提供的基于差分相位波形匹配的编码CPM码块同步方法：①对基带处理后的信号直接进行处理，不需要定时同步、调制指数同步信息。在现有多指数CPM系统中，两个调制指数循环交替出现，编码CPM系统使用的信道编码码块长度为偶数，因此只需约定好每个码块第一个符号对应的调制指数，则可在完成码块同步的同时完成了调制指数同步。滑动观察窗每个采样周期观察一次信号，码块同步完成之后可将定时误差缩小至一个采样周期；②通过接收的完整信号和本地的利用码块头序列生成的完整信号匹配得到匹配结果，可靠性较高。根据资源占用情况，将多组差分信号波形匹配值相加，使匹配结果更加可靠；③对基带处理后的CPM信号进行了差分处理，得到的差分信号没有记忆性，消除了部分响应CPM记忆性对波形匹配的影响，使本发明既适用于全响应CPM信号，又适用于部分响应CPM信号；④差分信号相位对相位、频率不敏感，使得本发明在存在一定残留相偏、频偏和相噪时仍可正常工作。
附图说明
图1是一般编码CPM系统的结构图；
图2是一个码块的结构图；
图3是使用本发明进行码块同步的编码CPM系统的结构图；
图4是本发明中操作①的流程图；
图5是本发明中输出码块头标志信号的流程图；
图6是利用本发明提出的差分相位波形匹配方法对某种多调制指数CPM信号在不同信噪比下码块头预警信号位获取错误概率。
具体实施方式
下面结合图4、图5和图6详细说明本发明的实施过程。基带处理完成之后的CPM信号通过滑动观察窗。进行如下操作：
①每隔一个采样周期将滑动观察窗内的信号进行处理，判断是否存在码块头预警信号位，如图4所示，采样周期等于码元周期除以码元采样点数n_Sam。具体步骤为：
step1:将滑动观察窗内信号进行差分处理，得到差分信号。对滑动观察窗内的信号分别做n个码元周期的延时(n＝1,2,···,S)，将得到S路延时信号。对每一路延时信号求共轭，再分别与没有经过延时的信号相乘，得到S路差分信号。其中1≤S≤δ-L+1时，L为CPM信号的部分响应长度，δ为码块头长度，当S＝δ-L+1时码块头捕获最可靠，考虑到复杂度的原因，S的取值可以远小于δ-L+1。
step2:将差分信号输入存有本地差分信号波形的FIR(Finite ImpluseResponse,有限长单位冲击响应)滤波器，得到匹配结果。将S路差分信号分别输入S组FIR滤波器，每组FIR滤波器由两个阶数相同的FIR滤波器组成，其中一个用于输入差分信号的实部，另一个用于输入差分信号的虚部。S组FIR滤波器的输出值相加便得到S路差分信号的波形匹配结果pre_sum。其中，确定FIR滤波器系数的步骤如下：
设码块头序列对应的码元序列为α(α＝{α1,α2,···,αB}，B＝δ/log2M)，由该序列可产生第n路差分信号对应的本地差分信号rn(t)＝exp(-jψn(t))，其中ψn(t)为：
Figure BDA0001708325630000051
其中T为码元周期，0＜t≤D×T，
Figure BDA0001708325630000052
hi为αi对应的调制指数，q(t)为脉冲成形波形，q(t-iT)和q(t-nT-iT)分别表示在时间轴上向后平移iT、nT+iT个单位的q(t)(
Figure BDA0001708325630000053
表示向上取整)。
将每路差分信号对应的本地差分信号rn(t)的实部和虚部采样、量化，得到的结果就是这一路FIR滤波器组的系数，采样率和量化位数根据具体情况确定。
step3：通过匹配结果和参考门限来判断滑动观察窗内信号对应序列是否可能是码块头序列，是则输出码块头预警信号位。当某时刻的pre_sum大于其前后两个时刻的pre_sum，并且前后两个时刻的pre_sum均大于σ×power_average时，输出码块头预警信号位。power_average为信号的平均能量，每ρ个采样周期更新一次，其中ρ＝D×n_Sam。σ为缩放因子，实验发现，当且仅当滑动观察窗内信号为码块头附近序列对应信号时pre_sum＞σ×power_average才成立。
②在进行操作①的同时，根据码块头预警信号位到来的间隔，判断输出码块头标志信号。如图5所示，初始化码块同步完成标志为0(即没有完成码块同步)。每个码块头预警信号位到来时，记录当前到来的码块头预警信号位的位置，若码块同步完成标志为0，计算前m个码块头预警信号位与当前码块头预警信号位的位置的间隔，判断这前m个码块头预警信号位中是否有大于q个与当前码块头预警信号位的位置的间隔等于一个码块长度的整数倍，是则令码块同步完成标志为1，记录当前码块头预警信号，令其为码块头标志基准位，并以其为基准，每隔一个码块长度输出码块头标志信号；若码块同步完成标志为1，判断是否满足码块同步中断的条件，其中码块同步中断的条件为前m个码块头预警信号位中有大于p个码块头预警信号位没有和码块头标志信号同时到达(即预警信号位出现的位置与码块头标志信号出现的位置不同，或有一个信号未出现)，如果满足码块同步中断条件，则令码块同步完成标志为0，暂停输出码块头标志信号，否则仍然按之前确定好的码块头标志基准位输出码块头标志信号。(m,q,p的取值根据实际情况确定，均为正整数，且m＞q,m＞p)。
本发明中获取码块头预警信号位错误(漏检、虚警)的概率分别在理想、添加随机相偏、0.01倍Rb频偏、5度相噪情况下和Eb/N0之间的关系如图6所示,图中虚线表示理想信道，倒三角表示0.01倍比特速率频偏信道，‘*’表示随机相偏信道，‘o’表示5度相噪信道。实验参数为：编码方式为LDPC，码型为CCSDS标准码型(7136,8160)，码块头长度为256bit("FCB88938D8D76A4F FCB88938D8D76A4F 034776C7272895B0FCB88938D8D76A4F")，CPM的进制数为M＝4，部分响应长度为L＝3，调制指数为h＝[5/16,6/16]，S＝1。从图中可以看出：
①在较低信噪比下本发明仍可较大概率地给出正确的码块头预警信号位，从而保证了码块头标志信号在信噪比较低情况下仍然可以正确地输出。
②本发明受相偏、频偏、相噪的影响小，在通信环境较恶劣的状况下仍可正常工作。

Claims (1)

1.一种基于差分相位波形匹配的编码CPM信号码块同步方法，CPM是指连续相位调制，其特征在于，基带处理完成之后的CPM信号通过一个长度为D×n_Sam的滑动观察窗，其中D＝log2M，M为CPM信号的进制数，n_Sam为每个码元的采样点数，进行如下操作：
①：每隔一个采样周期将滑动观察窗内的信号进行处理，判断是否存在码块头预警信号位，具体步骤为：
step1：将滑动观察窗内信号进行差分处理，得到差分信号，即对滑动观察窗内的信号分别做n个码元周期的延时,n＝1,2,…,S，将得到S路延时信号；对每一路延时信号求共轭，再分别与没有经过延时的信号相乘，得到S路差分信号其中，1≤S≤δ-L+1，L为CPM信号的部分响应长度，δ为码块头长度；
step2：将差分信号输入存有本地差分信号波形的FIR滤波器，得到匹配结果；
step3：通过匹配结果和参考门限来判断滑动观察窗内信号对应序列是否可能是码块头序列，是则输出码块头预警信号位；
②：在进行操作①的同时，根据码块头预警信号位到来的间隔，判断输出码块头标志信号。
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