CN110113280A - 一种猝发通信中抗频偏的gmsk解调同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种猝发通信中抗频偏的GMSK解调同步方法，发明利用非单一相关峰值信息，能够有效减少最佳位置的相关峰值受到大频偏的严重干扰，降低相关峰捕获的虚警和漏警概率，从而提升了接收机同步性能；在大频偏条件下，本发明利用非单一相关峰值的相位信息来分别完成对应解调数据的相位解旋，能够消除因频偏带来的相位误差累积效应，降低解调数据出错概率，从而提升了猝发通信系统的可靠性。

Description

一种猝发通信中抗频偏的GMSK解调同步方法

技术领域

本发明属于猝发通信技术领域，具体涉及一种应用于猝发通信系统中抗频偏的GMSK解调同步方法。

背景技术

猝发通信是一种将需要传输的信息压缩处理后，在某个时间点把信息在短时间内发送出去的信息传输技术。该技术通过减少信号传输时长和增加信号传输时间的不确定性来降低信息被发现的概率，具有可靠性好和传输效率高的特点。在保密通信技术领域中具有重要的应用价值。

目前，在猝发通信系统中，GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying，高斯最小频移键控)调制技术得到了广泛的应用，该调制方式具有相位轨迹平滑、恒定包络及带外辐射小等优点。GMSK解调方式分为相干解调和非相干解调两种。相干解调性能优良，能有效消除载波频偏的影响，但需要通过环路利用大量数据恢复出相干载波，这在短时猝发通信系统中难以实现，且相干解调实现架构较为复杂。非相干解调实现简单，抗干扰性能稍逊于相干解调，且难以消除对于频偏造成的相位累积误差。

而在通信系统中收发设备之间普遍存在载波频偏问题，若频率偏差过大，将无法正常解调，并导致接收机同步性能下降。常规同步方法是对一段伪随机序列进行相关累积求和运算，得到相关峰，依靠相关峰的位置来确定同步，但在大频偏的影响下，最佳位置的相关峰值将受到严重干扰，从而容易增加相关峰捕获的虚警和漏警概率。此外在非相干解调中，还可利用相关峰值的相位信息来完成对解调数据的相位解旋。但在大频偏情况下，各个时刻解调数据因频偏引起的相位误差差异较大，单一相关峰值的相位信息无法有效反映出数据的相位误差，因此导致解调数据出错概率增加，尤其在数据帧较长时更不理想。

针对上述GMSK解调同步方法的不足，对于短时猝发通信系统，需设计一种在大频偏条件下降低相关峰捕获的虚警和漏警概率，能有效消除解调数据的相位误差，且复杂度较低的非相干解调同步方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种猝发通信中抗频偏的GMSK解调同步方法。

本发明具体步骤如下：

步骤一、本通信系统的数据帧由在原始信息序列上按照长度为L_b的巴克码的各比特取值，等间距插入L_b个伪随机同步序列PN_a得到，a的取值为0和1，与巴克码码字的0和1对应。同步序列PN_a的长度均为L_P，首段信息序列的长度和相邻两个同步序列PN_a之间的信息序列的长度均为L_x。设通信中接收端接收到经过AD采样后的零中频序列为R，设标志位Flag初始值为0。

匹配滤波。计算滤波输出序列R'如式(1)所示。

R'＝R*ρ 式(1)

式(1)中，“*”是卷积运算，ρ是滤波器系数序列。

ρ的计算方法如式(2)所示。

式(2)中，“conj”是取共轭操作，L是产生GMSK信号的高斯滤波器矩形脉冲响应的截断长度，取值为3～5，γ₀(n)定义如式(3)所示，γ_i(n)的表达式如式(5)所示，i＝1,2,3,...,L-1。

式(3)中，K为过采样率，ψ(τ)的表达式如式(4)所示。

式(4)中，B_b为高斯滤波器3dB带宽，T_b是数据帧中码元持续时间宽度，“erfc”是互补误差函数。

γ_i(n)＝γ₀(n+iT_b) 式(5)

步骤二、构造本地同步序列S和位置索引序列V

本地同步序列S是由L_b个同步序列PN_a依次排列得到，位置索引序列V中的元素是序列PN_a中各个元素依次在数据帧中的位置序号。

步骤三、将1赋值给n；

步骤四、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间与序列S的乘积，得到序列F，如式(6)所示。

F(m₀)＝R'(n+V(m₀)-1)S(m₀)m₀＝1,2,3,...,L_bL_P 式(6)

V(1)表示位置索引序列V中的第一个元素，V(L_bL_P)表示位置索引序列V中第L_bL_P个元素；S(m₀)表示本地同步序列中第个m₀元素；

步骤五、对序列F在下标(m-1)L_P+1～mL_P之间的元素求和，得到序列F'，如式(7)所示，并将其中的元素按照式(8)依次存入序列H中。

H((n-1)L_b+m)＝F'(m)m＝1,2,3,....,L_b 式(8)

步骤六、对序列F'中的元素取模后累加，得到相关峰值F”，如式(9)所示。

式(9)中，“||”是取模操作。

步骤七、将相关峰值F”作为序列G的第n个元素，得到相关峰值序列G。并进行判断，若Flag为0，则进入步骤八；若Flag为1，则跳至步骤十。

步骤八、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间的平均功率，得到P，如式(10)所示。

步骤九、设定一个门限值ε，对比与ε的大小。若则将当前n值记为e，Flag置为1，进入步骤十，否则将n增大1，返回步骤四。参数ε可根据实际工作环境仿真确定，一般情况下建议取值范围在0.5～0.8之间，数值越小，虚警概率越大，漏警概率越小，反之亦反。

步骤十、若n＜e+(L_P+L_x)L_b+1，则将n增大1，返回步骤四，否则执行步骤十一。

步骤十一、截取序列G在下标e～e+(L_P+L_x)L_b之间的元素，得到序列G'。获取G'中最大值所对应的位置，记为d，则同步位置f表示为f＝e+d-1。

步骤十二、截取序列R'在下标f-L_x～f+(L_b-1)(L_P+L_x)+L_P之间的信号，得到序列R”。

步骤十三、截取序列H在下标fL_b+1～(f+1)L_b之间的元素，得到序列η。

步骤十四、计算相位序列φ，即φ(k)＝angle(η(k))，“angle”是求相角操作，k＝1,2,3,...,L_b。

步骤十五、对序列R”在下标(k-1)(L_b+L_P)+1～k(L_b+L_P)之间的元素与序列φ(k)分段相乘，k＝1,2,3,...,L_b，得到序列

步骤十六、计算软信息序列即m₁＝1,2,3,....,(L_P+L_x)L_b，从而最终完成解调和同步。

本发明具有的有效收益是：

1、本发明利用非单一相关峰值信息，能够有效减少最佳位置的相关峰值受到大频偏的严重干扰，降低相关峰捕获的虚警和漏警概率，从而提升了接收机同步性能。

2、在大频偏条件下，本发明利用非单一相关峰值的相位信息来分别完成对应解调数据的相位解旋，能够消除因频偏带来的相位误差累积效应，降低解调数据出错概率，从而提升了猝发通信系统的可靠性。

附图说明

图1为猝发通信系统的组帧方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，具体步骤如下：

步骤一、本通信系统的数据帧由在原始信息序列上按照长度为L_b的巴克码的各比特取值，等间距插入L_b个伪随机同步序列PN_a得到，a的取值为0和1，与巴克码码字的0和1对应。同步序列PN_a的长度均为L_P，首段信息序列的长度和相邻两个同步序列PN_a之间的信息序列的长度均为L_x。设通信中接收端接收到经过AD采样后的零中频序列为R，设标志位Flag初始值为0。

匹配滤波。计算滤波输出序列R'如式(1)所示。

R'＝R*ρ 式(1)

式(1)中，“*”是卷积运算，ρ是滤波器系数序列。

ρ的计算方法如式(2)所示。

式(2)中，“conj”是取共轭操作，L是产生GMSK信号的高斯滤波器矩形脉冲响应的截断长度，取值为3～5，γ₀(n)定义如式(3)所示，γ_i(n)的表达式如式(5)所示，i＝1,2,3,...,L-1。

式(3)中，K为过采样率，ψ(τ)的表达式如式(4)所示。

式(4)中，B_b为高斯滤波器3dB带宽，T_b是数据帧中码元持续时间宽度，“erfc”是互补误差函数。

γ_i(n)＝γ₀(n+iT_b) 式(5)

步骤二、构造本地同步序列S和位置索引序列V

如图1所示，本地同步序列S是由L_b个同步序列PN_a依次排列得到，位置索引序列V中的元素是序列PN_a中各个元素依次在数据帧中的位置序号。

步骤三、将1赋值给n；

步骤四、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间与序列S的乘积，得到序列F，如式(6)所示。

F(m₀)＝R'(n+V(m₀)-1)S(m₀) m₀＝1,2,3,...,L_bL_P 式(6)

V(1)表示位置索引序列V中的第一个元素，V(L_bL_P)表示位置索引序列V中第L_bL_P个元素；S(m₀)表示本地同步序列中第个m₀元素；

步骤五、对序列F在下标(m-1)L_P+1～mL_P之间的元素求和，得到序列F'，如式(7)所示，并将其中的元素按照式(8)依次存入序列H中。

H((n-1)L_b+m)＝F'(m)m＝1,2,3,....,L_b 式(8)

步骤六、对序列F'中的元素取模后累加，得到相关峰值F”，如式(9)所示。

式(9)中，“||”是取模操作。

步骤七、将相关峰值F”作为序列G的第n个元素，得到相关峰值序列G。并进行判断，若Flag为0，则进入步骤八；若Flag为1，则跳至步骤十。

步骤八、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间的平均功率，得到P，如式(10)所示。

步骤九、设定一个门限值ε，对比与ε的大小。若则将当前n值记为e，Flag置为1，进入步骤十，否则将n增大1，返回步骤四。参数ε可根据实际工作环境仿真确定，一般情况下建议取值范围在0.5～0.8之间，数值越小，虚警概率越大，漏警概率越小，反之亦反。

步骤十、若n＜e+(L_P+L_x)L_b+1，则将n增大1，返回步骤四，否则执行步骤十一。

步骤十一、截取序列G在下标e～e+(L_P+L_x)L_b之间的元素，得到序列G'。获取G'中最大值所对应的位置，记为d，则同步位置f表示为f＝e+d-1。

步骤十二、截取序列R'在下标f-L_x～f+(L_b-1)(L_P+L_x)+L_P之间的信号，得到序列R”。

步骤十三、截取序列H在下标fL_b+1～(f+1)L_b之间的元素，得到序列η。

步骤十四、计算相位序列φ，即φ(k)＝angle(η(k))，“angle”是求相角操作，k＝1,2,3,...,L_b。

步骤十五、对序列R”在下标(k-1)(L_b+L_P)+1～k(L_b+L_P)之间的元素与序列φ(k)分段相乘，k＝1,2,3,...,L_b，得到序列

步骤十六、计算软信息序列即m₁＝1,2,3,....,(L_P+L_x)L_b，从而最终完成解调和同步。

Claims (1)

1.一种猝发通信中抗频偏的GMSK解调同步方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、本通信系统的数据帧由在原始信息序列上按照长度为L_b的巴克码的各比特取值，等间距插入L_b个伪随机同步序列PN_a得到，a的取值为0和1，与巴克码码字的0和1对应；同步序列PN_a的长度均为L_P，首段信息序列的长度和相邻两个同步序列PN_a之间的信息序列的长度均为L_x；设通信中接收端接收到经过AD采样后的零中频序列为R，设标志位Flag初始值为0；

匹配滤波；计算滤波输出序列R'如式(1)所示；

R'＝R*ρ 式(1)

式(1)中，“*”是卷积运算，ρ是滤波器系数序列；

ρ的计算方法如式(2)所示；

式(2)中，“conj”是取共轭操作，L是产生GMSK信号的高斯滤波器矩形脉冲响应的截断长度，取值为3～5，γ₀(n)定义如式(3)所示，γ_i(n)的表达式如式(5)所示，i＝1,2,3,...,L-1；

式(3)中，K为过采样率，ψ(τ)的表达式如式(4)所示；

式(4)中，B_b为高斯滤波器3dB带宽，T_b是数据帧中码元持续时间宽度，“erfc”是互补误差函数；

γ_i(n)＝γ₀(n+iT_b) 式(5)

步骤二、构造本地同步序列S和位置索引序列V

本地同步序列S是由L_b个同步序列PN_a依次排列得到，位置索引序列V中的元素是序列PN_a中各个元素依次在数据帧中的位置序号；

步骤三、将1赋值给n；

步骤四、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间与序列S的乘积，得到序列F，如式(6)所示；

F(m₀)＝R'(n+V(m₀)-1)S(m₀)m₀＝1,2,3,...,L_bL_P 式(6)

V(1)表示位置索引序列V中的第一个元素，V(L_bL_P)表示位置索引序列V中第L_bL_P个元素；S(m₀)表示本地同步序列中第个m₀元素；

步骤五、对序列F在下标(m-1)L_P+1～mL_P之间的元素求和，得到序列F'，如式(7)所示，并将其中的元素按照式(8)依次存入序列H中；

H((n-1)L_b+m)＝F'(m)m＝1,2,3,....,L_b 式(8)

步骤六、对序列F'中的元素取模后累加，得到相关峰值F”，如式(9)所示；

式(9)中，“| |”是取模操作；

步骤七、将相关峰值F”作为序列G的第n个元素，得到相关峰值序列G；并进行判断，若Flag为0，则进入步骤八；若Flag为1，则跳至步骤十；

步骤八、计算序列R'在下标n+V(1)-1～n+V(L_bL_P)-1之间的平均功率，得到P，如式(10)所示；

步骤九、设定一个门限值ε，对比与ε的大小；若则将当前n值记为e，Flag置为1，进入步骤十，否则将n增大1，返回步骤四；

步骤十、若n＜e+(L_P+L_x)L_b+1，则将n增大1，返回步骤四，否则执行步骤十一；

步骤十一、截取序列G在下标e～e+(L_P+L_x)L_b之间的元素，得到序列G'；获取G'中最大值所对应的位置，记为d，则同步位置f表示为f＝e+d-1；

步骤十二、截取序列R'在下标f-L_x～f+(L_b-1)(L_P+L_x)+L_P之间的信号，得到序列R”；

步骤十三、截取序列H在下标fL_b+1～(f+1)L_b之间的元素，得到序列η；

步骤十四、计算相位序列φ，即φ(k)＝angle(η(k))，“angle”是求相角操作，k＝1,2,3,...,L_b；

步骤十五、对序列R”在下标(k-1)(L_b+L_P)+1～k(L_b+L_P)之间的元素与序列φ(k)分段相乘，k＝1,2,3,...,L_b，得到序列

步骤十六、计算软信息序列即m₁＝1,2,3,....,(L_P+L_x)L_b，从而最终完成解调和同步。