CN108881089A - 遥测系统中soqpsk调制信号的导频检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种遥测系统中SOQPSK调制信号的导频检测方法，主要解决现有分段相关方法中分段相关长度固定不变导致导频检测性能差的问题。其实现方案是：将发送端采用的数据帧序列经过成形偏移四相相移键控调制，得到调制信号；在接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样，得到接收信号；对接收信号进行频偏估计，并将估计出的频偏值补偿到接收信号上；将补偿后的信号与发送端传输的前导码序列调制之后的信号进行分段重叠自相关运算，得到相对应的相关函数值；从一系列的相关函数值中找出的最大值所对应的样点位置，即为导频序列的开始位置。本发明能在大频偏下获得更好的导频检测性能，可用于数据传输或信号检测。

Description

遥测系统中SOQPSK调制信号的导频检测方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种调制信号的导频检测方法，可用于遥测系统突发信号帧起始的检测与定位。
背景技术
航天遥测系统是基于综合网络增强遥测iNET标准的双向宽带射频网络数据链路。iNET帧结构由前导码、附加同步序列和数据域组成，前导码序列由8段重复的16bit序列组成，用于突发帧的前导检测、频率估计、相位估计和符号定时；附加同步标记ASM用于帧同步；数据域为6144比特，对应了一个编码块。
在通信领域中，前导码序列主要用于数据辅助的同步和均衡。数据辅助的同步需要把接收信号和在本地存储的前导码进行比较，然后估计频偏、相偏和时延。数据辅助的均衡需要把接收信号和本地存储的前导码进行对比，然后估计等效离散时间信道的脉冲响应，信道估计主要用于计算最优均衡器的系数。
在上述用于数据辅助的同步和均衡这两种情况下，接收信号中前导码的开始位置是必须知道的。因为前导码要用于估计频偏和多径信道，导频检测必须可以在未知频偏和未知信道的情况下正常工作。因为SOQPSK-TG是非线性调制，导频检测不能像线性调制一样在前导码符号位上操作，只能在采样点上进行。
在有多径衰落和频偏的信道中，如何对导频进行准确的检测，对后面的信道估计和频偏补偿至关重要。Michael Rice and Andrew McMurdie在“A Low-ComplexityPreamble Detector for iNET-Formatted SOQPSK”文章中提出了SOQPSK调制的时域自相关导频检测方法。该方法在AWGN信道中，是先将接收信号与本地调制后的前导码信号进行滑动相关，然后对相关函数利用最大似然算法进行导频检测。其不足是在有频偏的情况下，检测性能有很大损失；对于多径衰落信道和叠加频偏的情况下，该文章中给出分段自相关的思想，即在每一个分段各自进行相关运算并求和，进而确定导频的开始位置；在符号速率10.3125Mbit/s的遥测系统中，多普勒频移大于66kHz的情况下，该算法不能很好的正确检测导频，进而影响接收机的检测性能。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术存在的问题，提出一种基于iNET帧结构的SOQPSK调制信号的导频检测的方法，以在多普勒频偏大于66kHz情况下进行正确导频检测，提高接收机的检测性能。
本发明的技术方案是：对受到多径衰落信道和频偏影响的接收信号首先进行频偏估计与补偿，然后将补偿后的信号和本地调制后的导频信号进行分段重叠自相关运算，确定导频的开始位置，其实现步骤包括如下：
(1)在发送端构建一个长度为N＝6336比特数据帧，将该数据帧经过成形偏移四相相移键控部分响应SOQPSK-TG调制，得到调制信号s(n)，并且1≤n≤NSa，Sa＝16表示数据帧结构中每个比特的采样点数；
(2)将调制信号s(n)经过频率选择性衰落信道，并叠加频偏和加性高斯白噪声，该信号到达接收机后，依次经过下变频、采样，得到接收信号r(n)；
(3)设定接收信号位置的初始值u＝0；
(4)对接收信号r(n)进行频偏估计，得到频偏值根据估计出的频偏值对接收信号进行补偿，得到补偿信号rf(n)；将补偿信号rf(n)中的采样时刻n用u+kLq+l来代替，得到补偿信号rf(u+kLq+l)；
(5)将补偿信号rf(u+kLq+l)与本地前导码序列调制之后的信号p(l)进行分段重叠自相关，得到自相关函数值LN-2(u)：
式中，Ls表示分段重叠的长度，Lq＝16，k＝0,1,2,3,4,5,6；l为每一帧中前导码序列的索引值，l＝0,1,2,…,Lq+Ls-1；p(l)表示数据帧结构中对应的每一小段前导码序列经过SOQPSK-TG调制之后的调制信号，*表示共轭；
(6)设步长因子R＝1，将u+R赋值给接收信号的新位置u，若新的u>Sa(N-Lp)，Lp＝128，则执行步骤(7)，否则返回(4)；
(7)循环结束后，从一系列自相关函数值LN-2(u)中找出的最大值所对应的样点位置，即为导频序列的开始位置imax:
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明由于对受多径衰落信道和频偏影响的接收信号先进行频偏估计与补偿，再对补偿之后的信号进行分段重叠的自相关运算，改善了大频偏对接收信号检测性能的影响，提高了导频检测的性能。
附图说明
图1本发明所使用的整体流程图；
图2为本发明中所用的iNET帧结构；
图3为本发明中iNET帧结构的前导码序列；
图4为本发明中接收信号与本地导频信号相关的分段重叠图；
图5为在信噪比为15dB时，仿真现有技术中的长相关和分段自相关检测正确概率随频偏变化的曲线图；
图6为在频偏为50kHz，仿真现有技术的分段自相关和本发明分段重叠的自相关检测正确概率随信噪比变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例和效果做进一步的描述。
本实例的应用场景是遥测系统，其包括发送端和接收端，信道采用附加载波频偏的加性高斯白噪声。其中，发送端，将二进制的数据帧序列进行成形偏移四相相移键控SOQPSK-TG调制和上变频后得到发送的射频信号；接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样后得到接收信号。
本发明是对接收信号和本地信号分段相关进行优化，引入分段重叠自相关思想和步长因子，以克服分段相关长度固定不变的缺陷，在大频偏下获得更好的导频检测性能，即本发明先对该接收信号进行频偏估计，然后将估计出的频偏值补偿到接收信号，得到补偿信号；对补偿信号与发送端传输的前导码序列调制之后的信号进行分段重叠自相关运算，得到相对应的相关函数值；从一系列的相关函数值中找出的最大值所对应的样点位置，即为导频序列的开始位置。
参照图1，本实例的具体实现步骤如下：
步骤1，获取发送的调制信号s(n)。
(1a)构建如图2所示的数据帧结构，该数据帧是由前导码序列、附加同步标记序列和数据序列组成，其中：前导码序列是由8段重复的16比特二进制数据组成，每一段固定的二进制数据为1100110110011000，即前导码序列的长度为Lp＝128,如图3所示；附加同步标记序列是16进制的数据034776C7272895B0hex，即长度是La＝64；数据序列是随机产生Ld＝6144比特的二进制数据比特流；
(1b)对(1a)构建的数据帧进行成形偏移四相相移键控部分响应SOQPSK-TG调制，得到调制信号s(n)，并且1≤n≤NSa，Sa＝16表示数据帧结构中每个比特的采样点数。
步骤2，获取接收信号r(n)，并设定接收信号的位置初始值。
(2a)将调制信号s(n)送入频率选择性衰落信道，得到经过衰落信道的信号；对该衰落信号叠加频偏和加性高斯白噪声，得到叠加频偏和噪声的信号；
(2b)对到达接收机的经过衰落信道、叠加频偏和噪声的信号，依次进行下变频、采样，得到接收信号r(n)：
其中，h(k)是未知信道的脉冲响应，k∈[-N1,N2]，N1表示前径的数目，N2表示后径的数目；s(n-k)表示数据帧经过SOQPSK-TG调制之后的信号；ω0表示频率偏移量，j为虚部单位，w(n)表示均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声。
(2c)设定接收信号位置的初始值u＝0。
步骤3，获取补偿信号rf(u+kLq+l)。
(3a)将接收信号r(n)延迟mLq时刻，得到延迟信号r(n-mLq)，其中，m＝1,2,3,4,5，Lq＝16；
(3b)将接收信号r(n)与(3a)中的延迟信号r(n-mLq)进行相关运算，得到自相关函数R(mLq)：
式中，m＝1,2,3,4,5，Lq＝16，u表示接收信号的位置；*表示共轭，n∈[u+Lq+mLq,u+7Lq-1]。
(3c)根据(3b)自相关函数R(mLq)，计算得到频偏估计
(3d)根据(3c)估计出的频偏值对接收信号进行补偿，得到补偿信号rf(n)：
式中r(n)表示接收信号，表示在接收信号位置为u时估计的频偏值，j为虚部单位，n表示当前的时刻；
(3e)将补偿信号rf(n)中的当前时刻n用u+kLq+l来代替，得到补偿信号：
步骤4，获得自相关函数值LN-2(u)。
将补偿信号rf(u+kLq+l)与本地前导码序列调制之后的信号p(l)进行分段重叠自相关，如图4所示，得到自相关函数值LN-2(u)：
式中，Ls表示分段重叠的长度，Lq＝16，k＝0,1,2,3,4,5,6；l为每一帧中前导码序列中每一小段的索引值，l＝0,1,2,…,Lq+Ls-1；p(l)表示数据帧结构中前导码序列经过SOQPSK-TG调制之后的调制信号；*表示共轭，u＝0,1,2...Sa(N-Lp)，其中，Lp＝128，N＝6336,Sa＝16。
步骤5，对循环条件进行判断。
设步长因子R＝1，将u+R赋值给接收信号的新位置u，将该新位置u与接收信号最大采样点数Sa(N-Lp)进行比较，其中，Lp＝128；
若u>Sa(N-Lp)，则执行步骤6，否则，返回步骤3。
步骤6，确定导频序列的开始位置。
对步骤4得到的一系列自相关函数值LN-2(u)中按照从大到小进行排序，将其最大值所对应的样点位置作为导频序列的开始位置：完成对调制信号的导频检测。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
1.仿真系统参数设置
本发明的仿真使用MATLAB R2013b仿真软件，仿真参数设置与上面所述步骤中所用参数一致，即前导码长度Lp＝128，Lq＝16，ASM的长度La＝64，数据位的长度Ld＝6144,每符号的采样点数Sa＝16；符号速率Fs＝10.3125Mbit/s；发送端的调制方式为SOQPSK-TG调制。
2.仿真内容
仿真1，在信噪比为15dB时，分别用现有技术中的长相关函数
和分段自相关函数分别进行1000次的仿真，统计检测正确的概率，结果如图5。
从图5可见，在频偏为66kHz之前，长相关函数L0(u)的导频检测性能优于分段自相关函数LNCPDI(u)，但是在频偏大于66kHz之后，分段自相关函数LNCPDI(u)的导频检测性能是优于长相关函数L0(u)，这是因为在大频偏下，随着时间的推移，频偏引起的相位累积越来越大，导致长相关的检测性能急速下降。
仿真2，在频偏为50kHz时，用现有技术中分段自相关函数LNCPDI(u)和本发明的先进行频偏估计与补偿再进行分段重叠自相关函数LN-2(u)进行比较，分别进行1000次的仿真，统计检测正确的概率，结果如图6。
从图6可见，本发明的检测正确的概率高于分段自相关函数LNCPDI(u)的检测正确的概率，说明本发明有较好的导频检测的性能。

Claims (5)

1.遥测系统中SOQPSK调制信号的导频检测方法，包括：
(1)在发送端构建一个长度为N＝6336比特数据帧，将该数据帧经过成形偏移四相相移键控部分响应SOQPSK-TG调制，得到调制信号s(n)，并且1≤n≤NSa，Sa＝16表示数据帧结构中每个比特的采样点数；
(2)将调制信号s(n)经过频率选择性衰落信道，并叠加频偏和加性高斯白噪声，该信号到达接收机后，依次经过下变频、采样，得到接收信号r(n)；
(3)设定接收信号位置的初始值u＝0；
(4)对接收信号r(n)进行频偏估计，得到频偏值根据估计出的频偏值对接收信号进行补偿，得到补偿信号rf(n)；将补偿信号rf(n)中的采样时刻n用u+kLq+l来代替，得到补偿信号rf(u+kLq+l)；
(5)将补偿信号rf(u+kLq+l)与本地前导码序列调制之后的信号p(l)进行分段重叠自相关，得到自相关函数值LN-2(u)：
式中，Ls表示分段重叠的长度，Lq＝16，k＝0,1,2,3,4,5,6；l为每一帧中前导码序列的索引值，l＝0,1,2,…,Lq+Ls-1；p(l)表示数据帧结构中对应的每一小段前导码序列经过SOQPSK-TG调制之后的调制信号，*表示共轭；
(6)设步长因子R＝1，将u+R赋值给接收信号的新位置u，若新的u＞Sa(N-Lp)，Lp＝128，则执行步骤(7)，否则返回(4)；
(7)循环结束后，从一系列自相关函数值LN-2(u)中找出的最大值所对应的样点位置，即为导频序列的开始位置imax:
2.根据权利要求1所示的方法，其中步骤(1)中构建N＝6336比特的数据帧，是由前导码序列、附加同步标记序列和数据序列组成，其中：
前导码序列是由8段重复的16比特二进制数据组成，每一段固定的二进制数据为1100110110011000,即前导码序列的长度为Lp＝128；
附加同步标记序列是16进制的数据034776C7272895B0hex，即长度是La＝64；
数据序列是随机产生Ld＝6144比特的二进制数据比特流。
3.根据权利要求1所示的方法，其中步骤(2)中计算得到接收信号r(n)，按如下公式进行：
其中，h(k)是未知信道的脉冲响应，k∈[-N1,N2]，N1表示前径的数目，N2表示后径的数目，s(n-k)表示数据帧经过SOQPSK-TG调制之后的信号；ω0表示频率偏移量，j为虚部单位，w(n)表示均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声。
4.根据权利要求1所示的方法，其中步骤(4)中计算得到频偏估计按如下步骤进行：
(4a)将接收信号r(n)与其延迟mLq的信号r(n-mLq)进行相关运算，得到自相关函数R(mLq)：
式中，m＝1,2,3,4,5，Lq＝16，u表示接收信号的位置，*表示共轭；n∈[u+Lq+mLq,u+7Lq-1]；
(4b)根据接收信号r(n)的自相关函数R(mLq)，计算得到频偏估计
式中，m＝1,2,3,4,5，Lq＝16。
5.根据权利要求1所示的方法，其中步骤(4)中计算得到补偿后的信号rf(n)，按如下公式进行：
式中r(n)表示接收信号，表示在接收信号位置为u时估计的频偏值，j为虚部单位。
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