CN109067494A - 一种关于cpfsk调制样式的uat数据链定时同步方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法及装置。本发明的同步方法为:首先计算高倍过采样基带信号的一比特差分序列,然后在其前后各加入长度为NK/2的零值后,以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列;对接收基带信号进行一比特差分运算,得到接收一比特差分序列;再将K组差分序列分别与接收一比特差分序列做互相关运算,得到K个互相关值;最后,从K个互相关值中筛选出互相关值最大的差分序列的序列标识符,作为符号定时偏差的估计结果。同时,本发明还公开了对应该同步方法的同步装置。本发明通过差分运算对传统高倍过采样相关算法进行了改进,提出了一种新的定时同步算法,以使其能够适用于采用CPFSK调制样式的UAT数据链。

Description

一种关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法及装置
技术领域
本发明属于信号处理技术领域,具体涉及一种关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法。
背景技术
UAT(Universal Access Transceiver)是ADS-B(Automatic DependentSurveillance-Broadcast)中的一种数据链路技术,旨在服务于大多数通用航空界。所有的UAT报文都包含一个36比特长度的同步序列报头,用于识别并提取UAT报文。
UAT数据链采用CPFSK(连续相位频移键控)调制。经过帧同步处理后得到UAT报文帧同步时刻,UAT信号起始时刻就在帧同步时刻的前后Ts/2时间间隔内,其中Ts表示一个bit位的长度。为了进一步地确定信号起始,确保解调信号的准确性,还需进行定时同步。定时同步有前馈和反馈结构这两种不同的实现结构,这两种不同的实现结构又分别有数据辅助(Data-Aided,DA)和非数据辅助(Non-Data-Aided,NDA)两种定时误差检测方式。
其中,反馈结构通常是通过环路来实现的,其稳定时可以达到不错的效果,但这优异的效果是以时间消耗为代价的,与UAT系统的突发传输特性不匹配。基于以上原因,相关工作人员开始研究适用于突发传输系统的前馈结构,Huber J和D’Andrea A N提出了DA方式下基于最大似然准则的联合相位和符号定时方法,适用于调制指数为h=0.5的相干连续相位调制(CPM)系统。Ehsan Hosseini和Erik Perrins对上述方法进行拓展,发表了运用于CPM接收系统中的基于ML(Maximum Likelihood)准则的联合载波频偏、相位和符号定时的估计方法。Yung-Liang Huang等人提出了利用鉴频器和快速傅里叶变换(Fast FourierTransformation,FFT)运算器联合进行符号定时和载波频偏估计的方法,但是适用于前导序列为16比特的报文,如果将其用于前导码为36比特的报文,将会降低其定时同步精度。Marek也提出了一种基于非线性运算的符号定时同步算法,但是该算法又要求特定的调制指数h=0.25。上述多数算法定时要求特定的前导序列和调制指数h,而不适用于调制指数h=0.6、前导码36比特的UAT报文定时。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种针对CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法,以在UAT体制下很好的实现定时同步。
本发明的关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法,包括下列步骤:
步骤1:根据所采用的CPFSK调制样式,基于预设同步序列生成本地的高倍过采样基带信号,本地基带信号的过采样倍数为N×K,其中N表示接收基带信号的过采样倍数,K=2g,g为正整数;
计算本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)};
其中n表示采样点,Lp表示前导序列长度,ωd为数字频偏;
表示第n个与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差,1≤k<Lp
所述前导码调制相位为:h为调制指数,αp[i]表示前导序列符号向量αp的第i个元素,相位成型序列q[n]为:
步骤2:在本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]0≤n≤NK(Lp-1)}的前后各加入长度为NK/2的零值,得到序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp};
步骤3:从{Dl1[n]|0≤n<NKLp}中以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)},其中差分序列标识符τ=0,…,K-1,Dτ[n]=Dl1[Kn+τ];
步骤4:对接收基带信号进行一比特差分运算,得到接收基带信号的一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)},其中n表示采样点,Lp表示前导序列长度;
ωd为数字频偏;表示第n个与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差,1≤k<Lp
步骤5:将K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}分别与当前接收基带信号的一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,得到K个互相关值
再从K个互相关值cor[τ]中筛选出互相关值cor[τ]最大的差分序列的序列标识符τ,作为符号定时偏差的估计结果,记为
同时,本发明还提供了对应上述方法的定时同步装置,其包括第一、第二差分运算模块、序列补零模块、K倍抽取模块、互相关模块和最大值检测模块,其中:
第一差分运算模块:根据所采用的CPFSK调制样式,基于预设同步序列生成本地的高倍过采样基带信号,以及计算本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)},并传输至序列补零模块;
其中,本地基带信号的过采样倍数为N×K,其中N表示接收基带信号的过采样倍数,K=2g,g为正整数;
其中n表示采样点,Lp表示前导序列长度,ωd为数字频偏;
表示第n个样值点与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差;
所述前导码调制相位为:h为调制指数,αp[i]表示前导序列符号向量αp的第i个元素,相位成型序列q[n]为:
序列补零模块:在序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)}的前后各加入长度为NK/2的零值,得到序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp};
K倍抽取模块:从序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp}中以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}并传输至互相关模块,其中Dτ[n]=Dl1[Kn+τ],差分序列标识符τ=0,…,K-1;
第二差分运算模块:对当前接收的基带I、Q信号进行一比特差分运算,得到接收一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}并输出到互相关模块;
其中n表示采样点,ωd为数字频偏;表示第n个样值点与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差,且1≤k<Lp
互相关模块:将K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}分别与序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,并将互相关运算结果发送给最大值检测模块;
最大值检测模块:从K个互相关运算结果中筛选取出使得互相关值最大的的序列标识符,得到符号定时偏差的估计结果。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:本发明通过差分运算对传统高倍过采样相关算法进行了改进,提出了一种新的定时同步算法,以使其能够适用于采用CPFSK调制样式的UAT数据链。
附图说明
图1是算法总体结构框图。
图2是差分运算模块结构框图。
图3是序列前后补零模块结构框图。
图4是K倍抽取模块结构框图。
图5是互相关模块结构框图。
图6是最大值检测模块结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合实施方式和附图,对本发明作进一步地详细描述。
卫星接收机天线接收到的UAT信号经过放大、正交下变频、低通滤波及采样量化之后,可以得到数字基带I、Q信号。在长度为Nw的接收波形窗口中采用信号检测算法检测是否包含UAT报文信号,对于包含UAT报文信号的接收波形窗口,用δ表示接收波形窗口中的高斯白噪声样值点数,即接收波形窗口的前δ个采样点均为高斯白噪声样值点,其后的Np(Np=Nw-δ)个采样点为前导码样值点。此处只考虑前导码,不考虑随机数据的影响,则数字基带I路波形序列可以表示为:
数字基带Q路波形序列可以表示为:
其中,nc[n]和ns[n]为I、Q路的高斯白噪声样值点,ωd为数字频偏,θ为未知载波相位,为前导码调制相位。对于长度为Lp的前导序列,其前导序列符号向量αp,取值集合为{-1,+1},每个前导码符号的采样点数为N。依据UAT报文所采用的CPFSK调制样式,前导码调制相位为:其中,h为调制指数,q[n]为相位成型序列,可以表示为:
对接收基带I、Q序列中前导码样值点做k比特差分运算,计算公式如下:
其中,为第n个样值点与第n-kN个样值点之间的信息相位差。由于前导码长度为Lp,故k的取值范围为1≤k<Lp
对于前导序列长度为Lp,接收基带信号的过采样倍数为N,本地基带信号的过采样倍数为N×K(K=2g,g∈N+),N+表示正整数。由接收基带I、Q信号之间的k比特差分运算可得接收基带I、Q信号之间的一比特差分计算公式为:
以及本地本地I、Q信号之间的一比特差分计算公式为:
UAT信号真实起始时刻在帧同步后得到时刻的前后Ts/2以内,所以需在本地一比特差分序列Db1[n]前后各加入长度为NK/2的零值(本地基带信号采样率是接收到UAT报文基带信号采样率的K倍),本地一比特差分序列经过补零之后的序列记为{Dl1[n]0≤n<NKLp}。
然后再从补零之后的序列{Dl1[n],0≤n<NKLp}中以不同的起始位置依次按照K倍抽取,得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)},其中差分序列标识符τ=0,…,K-1;第τ组差分序列中的第n个差分值Dτ[n]的取值为:Dτ[n]=Dl1[Kn+τ],0≤n≤N(LP-1)。
再将K组本地差分序列分别与接收的基带信号的一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,得到互相关值
最后筛选取出互相关值最大的序列标识符,得到符号定时偏差的估计结果
参见图1,本发明的关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步装置,包括第一、第二差分运算模块、K倍抽取模块、序列补零模块、互相关模块和最大值检测模块,其中:
第一差分运算模块:根据所采用的CPFSK调制样式,采用通信协议所规定的同步序列生成本地I、Q信号(高倍过采样率基带信号),然后计算本地基带I、Q信号的一比特差分{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)},得到本地一比特差分序列并存储于本地存储空间中,以供后端模块读取使用。本发明的差分运算模块的结构如图2所示,包括I、Q两路延时电路,以及乘法器和加法器构成,其中延时电路均延时1bit,图中的S表示差分运算处理结果。
序列补零模块:序列补零模块在本地一比特差分序列前后各加入长度为NK/2的零值,得到序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp},如图3所示,并将其输出到K倍抽取模块,其中N表示采样率。
K倍抽取模块:从序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp}中以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)},其中τ=0,…,K-1,并将K组差分序列传输给互相关模块(或存储到本地存储空间中,以供互相关模块读取),其结构框图如图4所示。
第二差分运算模块:对当前接收的基带I、Q信号进行一比特差分运算,得到接收一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)},并其输出到互相关模块。
互相关模块:将K倍抽取模块中得到的K组差分序列分别与接收一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,并将互相关运算结果发送给最大值检测模块。参见图5,本发明互相关模块由K路乘法器和累加器构成,每路的输入为序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}和{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)},输出为cor[τ],其中τ=0,…,K-1。
最大值检测模块:筛选取出使得互相关值最大的的序列标识符,得到符号定时偏差的估计结果参见图6,本发明的最大值检测模块包括K路输入和一个比较器,即通过比较器从互相关模块的K路输出中筛选取出使得互相关值最大的的序列标识符。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤1:根据所采用的CPFSK调制样式,基于预设同步序列生成本地的高倍过采样基带信号,本地基带信号的过采样倍数为N×K,其中N表示接收基带信号的过采样倍数,K=2g,g为正整数;
计算本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)};
其中n表示采样点,Lp表示前导序列长度,ωd为数字频偏;
表示第n个与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差,1≤k<Lp
所述前导码调制相位为:h为调制指数,αp[i]表示前导序列符号向量αp的第i个元素,相位成型序列q[n]为:
步骤2:在本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)}的前后各加入长度为NK/2的零值,得到序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp};
步骤3:从{Dl1[n]|0≤n<NKLp}中以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)},其中差分序列标识符τ=0,…,K-1,Dτ[n]=Dl1[Kn+τ];
步骤4:对接收基带信号进行一比特差分运算,得到接收基带信号的一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)},其中
步骤5:将K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}分别与当前接收基带信号的一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,得到K个互相关值
再从K个互相关值cor[τ]中筛选出互相关值cor[τ]最大的差分序列的序列标识符τ,作为符号定时偏差的估计结果。
2.一种关于CPFSK调制样式的UAT数据链定时同步装置,包括第一、第二差分运算模块、序列补零模块、K倍抽取模块、互相关模块和最大值检测模块,其中:
第一差分运算模块:根据所采用的CPFSK调制样式,基于预设同步序列生成本地的高倍过采样基带信号,以及计算本地基带信号的一比特差分序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)},并传输至序列补零模块;
其中,本地基带信号的过采样倍数为N×K,其中N表示接收基带信号的过采样倍数,K=2g,g为正整数;
其中n表示采样点,Lp表示前导序列长度,ωd为数字频偏;
表示第n个样值点与第n-kN个样值点之间的前导码调制相位差;
所述前导码调制相位为:h为调制指数,αp[i]表示前导序列符号向量αp的第i个元素,相位成型序列q[n]为:
序列补零模块:在序列{Db1[n]|0≤n≤NK(Lp-1)}的前后各加入长度为NK/2的零值,得到序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp};
K倍抽取模块:从序列{Dl1[n]|0≤n<NKLp}中以不同的起始位置按照K倍抽取得到K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}并传输至互相关模块,其中Dτ[n]=Dl1[Kn+τ],差分序列标识符τ=0,…,K-1;
第二差分运算模块:对当前接收的基带I、Q信号进行一比特差分运算,得到接收一比特差分序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}并输出到互相关模块;
其中
互相关模块:将K组差分序列{Dτ[n]|0≤n≤N(LP-1)}分别与序列{Dr1[n]0≤n≤N(LP-1)}做互相关运算,并将互相关运算结果发送给最大值检测模块;
最大值检测模块:从K个互相关运算结果中筛选取出使得互相关值最大的的序列标识符,得到符号定时偏差的估计结果。
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