CN111935046B - 一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法 - Google Patents

一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法，包括如下步骤：步骤1：滤波器设计，主要对滤波器的起始频率和截止频率设置，步骤2：接收端在对FSK信号进行下变频的载波频率选取，步骤3：将信号的采样率降为FSK信号的带宽4‑8倍，而将滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联，将FSK信号中的部分频率滤除，达到设计要求；步骤4：将经过频率滤除的FSK信号再通过幅度平方谱对符号率进行估计，得到FSK符号率估计值。本发明的方法的实现复杂度大大低于基于短时傅里叶变换（STFT）和小波变换的符号率估计算法的实现复杂度。

Description

一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法
技术领域
本发明涉及无线通信侦察技术领域，尤其是一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法。
背景技术
频移键控（FSK）是一种常见的数字通信信号，虽因其良好的抗多径时延特性被广泛应用于短波、超短波以及水声通信信道，对此类信号进行精确的调制参数盲估计是非合作接收方完成信号匹配识别和盲解调的必要环节，也是频谱监测和通信对抗中的一个重要内容。
符号率是FSK信号重要的调制参数之一，正确估计符号率信息，对于信号的识别和解调来说十分重要，FSK信号符号速率估计的传统方法是首先计算FSK信号的瞬时频率，经过平滑滤波和差分处理之后，通过谱分析来估计符号速率，这种方法主要依赖于对瞬时频率的估计，早期人们通过直接求信号的瞬时频率，这种方法在时域进行估计，计算量小，但当信号环境恶劣（信噪比低）时此方法估计效果严重下降，如非专利文献1，目前人们主要采用短时傅里叶变换(STFT)和小波变换来估计信号的瞬时频率，STFT和小波变换是十分常用的时频分析工具，通过合理选取变换的参数可以获得信号时频图，从而估计信号的相关参数；非专利文献2给出了一种基于瞬时相位差分的M进制频移键控（MFSK）符号率估计方法，其通过瞬时相位差分联合小波变换及非线性变换，实现了对符号率的检测；非专利文献3提出一种基于FSK信号时频图峰均比曲线的码速率估计算法，其利用时频图峰均比提取FSK信号码元变化的周期性完成码速率的估计，此算法对噪声有较好的鲁棒性，基于小波变换的符号率估计算法原理的关键是寻找跳变点，根据MFSK信号的特点，可寻找其频率跳变点。非专利文献4提出一种基于时频图与波形变换的FSK信号符号速率估计算法，首先基于STFT获得信号时频图，通过波形变换将差分波形转换为单极性归零波形，进而可提取频谱中的定时分量估计符号速率，但由于非专利文献5中所记载的Heisenberg测不准原理的限制，STFT存在时频分辨率之间的矛盾，导致参数估计精度受时频图分辨率影响较大，非专利文献6采用两次haar小波变换提取了符号跳变时刻，进而采用傅里叶变换得到了符号速率，但低信噪比下误差较大，同时小波变换尺度对结果影响较大且受频偏、符号速率等影响导致小波参数不易选取；非专利文献7采用morlet小波提取脊线，求取短时方差，从而提取离散谱线，在一定程度上提高了算法的抗噪性能；但是在实际通信系统中，为了有效利用频率资源以及消除码间串扰常采用脉冲成形技术，加之有限信道带宽和接收机带通滤波器的响，接收信号在码元变化时各种跳变实际不明显，使得基于小波变换的符号率估计方法易受噪声影响，参数选择不易，低信噪比条件下的估计性能不佳；同时，对于连续相位FSK信号，由于相位连续不发生突变，基于小波变换的算法性能将有所退化，如非专利文献8。
可以看出，基于STFT和小波变换进行FSK信号符号率估计算法在实现时均需要不断进行时域到变换域的运算，实现的复杂度较大，实现时有一定困难。但是对于幅移键控（ASK）或相移键控（PSK）信号而言，由于其幅度谱中存在离散的符号率分量，可以采用非专利文献9中经典的基于幅度平方谱的符号率估计算法实现，算法复杂度较低，实现比较容易，在工程实践得到大量使用。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1： 生成春，赵辉．基于瞬时频率谱的码元速率估计方法[J]．电气电子教学学报，2010，32(1)：50-54.
非专利文献2： 岳新宇，施昉，张润生.基于时频图峰均比曲线的FSK码速率估计[J].舰船电子对抗，2017，40(4)：42-45.
非专利文献3： 许华，江汉，闫哲．基于瞬时相位差分的MFSK符号率估计方法[J]．科学技术与工程，2014，14(29)：244-248.
非专利文献4： 李东波，欧阳喜. 基于时频图和波形变换的FSK信号符号速率估计算法[J].信息工程大学学报，2017，18(5)：545-549.
非专利文献5： 王鹏， 李建平. 信号测不准原理的量子诠释[J]. 电子科技大学学报， 2008， 37(1):14-16.
非专利文献6： Gao Yong， Yuanwei. Baud Rate Estimation of FSK SignalsBased on Wavelet Transform[C]. Second International Conference on IntelligentSystem Design and Engineering Application. 2012:181-184.
非专利文献7： Wang Hongfei， Li Cheng. Blind cyclostationarity-basedsymbol period estimation for FSK signals[J]. IEEE communication letters，2015， 19(7):1149-1152.
非专利文献8： 纪勇，徐佩霞.基于小波变换的数字信号符号率估计[J]. 电路与系统学报，2003，8(1):12-15.
非专利文献9： Oerder M．Meyr H．Digital Filter and Square TimingRecovery[J]，IEEE Trans．Commun．，1988，36(5)：605-611.
发明内容
为解决现有技术中基于短时变换和小波变换两种目前常用的FSK信号符号率估计通过变换域求得瞬时频率，再从中提取符号率算法存在的运算量较大等技术问题，本发明提供了一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法。
本发明的技术方案为：一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法，包括以下步骤：
步骤1：滤波器设计，主要对滤波器的起始频率和截止频率设置，使滤波器滤除其中高的频率分量，保留频率低的频率分量；
步骤2：接收端在对FSK信号进行下变频的载波频率选取，首先在接收时先对FSK信号的带宽进行估计，因此可以将信号的下变频的频率大小设置成FSK信号的带宽相同；
步骤3：将信号的采样率降为FSK信号的带宽4-8倍，而将滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联，将FSK信号中的部分频率滤除，达到设计要求；
步骤4：将经过频率滤除的FSK信号再通过幅度平方谱对符号率进行估计，得到FSK符号率估计值。
优选地，所述FSK信号包括二进制频移键控与四进制频移键控。
优选地，所述滤波器的起始频率大于低频率分量，截止频率小于高频率分量。
优选地，所述将滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联的设置如下：设FSK信号的带宽为B，系统采样率为f s ，则有4B≤ f s ≤ 8B，将正交下变频中心频率值 f c 、低通滤波器的起始频率f start 和截止频率f end 设置为：
f c ＞ f s /4
f start ＞ f c - f s /64
f end ＜ f c + f s /64。
优选地，所述滤波器为低通滤波器。
优选地，所述设计要求为使信号的幅度谱中包含符号率的离散分量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本方法通过加入低通滤波器，使信号的幅度谱中存在符号率的离散分量，再通过幅度平方谱对符号率进行估计，而基于短时傅里叶变换（STFT）和小波变换的方法需要首先进行STFT或小波变换，得到瞬时频率估计值，再对所得信号瞬时频率的频率跳变时刻进行估计，再通过滤波处理或图像处理方法，提取出信号的符号率，完成符号率估计，可以看出，本方法的实现复杂度大大低于基于STFT和小波变换的符号率估计算法的实现复杂度。
附图说明
图1为2FSK的幅度平方谱；
图2为2ASK的幅度平方谱；
图3为经过低通滤波器后的2FSK信号的幅度平方谱；
图4为低通滤波器幅频响应；
图5为一个实施例中采用不同符号率估计算法的性能仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语中“前”、“后”、 “左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
请参阅图1至图5所示，本发明提供如下技术方案：一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法，包括以下步骤：
步骤1：滤波器设计，主要对滤波器的起始频率和截止频率设置，使滤波器滤除其中高的频率分量，保留频率低的频率分量；
步骤2：接收端在对FSK信号进行下变频的载波频率选取，首先在接收时先对FSK信号的带宽进行估计，因此可以将信号的下变频的频率大小设置成FSK信号的带宽相同；
步骤3：将信号的采样率降为FSK信号的带宽4-8倍，而将滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联，将FSK信号中的部分频率滤除，达到设计要求；
步骤4：将经过频率滤除的FSK信号再通过幅度平方谱对符号率进行估计，得到FSK符号率估计值。
进一步，FSK信号包括二进制频移键控与四进制频移键控。
进一步，滤波器的起始频率大于低频率分量，截止频率小于高频率分量。
进一步，将滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联的设置如下：设FSK信号的带宽为B，系统采样率为f s ，则有4B≤ f s ≤ 8B，将正交下变频中心频率值f c 、低通滤波器的起始频率f start 和截止频率f end 设置为：
f c ＞ f s /4
f start ＞ f c - f s /64
f end ＜ f c + f s /64。
进一步，滤波器为低通滤波器。
进一步，设计要求为使信号的幅度谱中包含符号率的离散分量。
实施例
设2FSK信号系统采样率为64MHz，低通滤波器选择40阶的最小均方滤波器，起始频率为15MHz，截止频率为17MHz，幅频响应如附图4所示。
2FSK信号的两个频率分量分别为12MHz和20MHz，每个信噪比仿真5000次，不同信噪比条件下符号率的正确估计性能如附图5所示，附图5中也给出了利用非专利文献2中给出的基于时频图峰均比曲线符号率估计算法的性能仿真结果，可以看出，两种方法的正确估计概率差别不大。
附图5中还给出了利用本方法对4FSK进行符号率估计的性能，4FSK的频率分量为10MHz、14MHz、18MHz和22MHz，可以看出，本方法对4FSK信号仍然有效。
本发明的原理：FSK信号由于是一种恒包络信号，且经过发射滤波处理后可以做到相位连续，接收端从FSK的幅度中提取不了符号率信息。但是FSK信号可以看作为多个2ASK信号的组成，而2ASK信号的幅度谱中存在符号率的离散谱线，只要实现将FSK信号中的2ASK分离，即可通过基于幅度平方谱估计的符号率估计算法求得。
以2FSK为例，2FSK信号的表达式可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，A(t)为单极性非归零矩形脉冲序列，
Figure 854870DEST_PATH_IMAGE002
为对
Figure DEST_PATH_IMAGE003
逐码元取反而形成的脉冲序列，表达式为
Figure 834327DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 925649DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE007
分别为载波1的角频率和第n个符号的相位，
Figure 383175DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
分别为载波2的角频率和第n个符号的相位，
Figure 745017DEST_PATH_IMAGE010
为加窗函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为码元间隔，t为时间变量，
Figure 629797DEST_PATH_IMAGE012
为对
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的取反值。
可以看出，2FSK信号可以看作为载波频率分别为
Figure 208415DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 204052DEST_PATH_IMAGE008
的两个2ASK的叠加构成，2FSK信号和2ASK信号的幅度平方谱如附图1与附图2所示。
可以看出，2ASK信号的幅度平方谱中存在明显的符号率离散谱，该离散谱对应的频率为符号率及其倍频，而2FSK信号则不存在。因此，可以通过将2FSK信号中的两个频率分量进行分离，可以采用低通滤波器将2FSK信号中的较大频率滤除，保留频率较低部分，经过滤波器后，2FSK信号变为了2ASK信号，经过滤波器后的2FSK信号幅度谱平方谱如附图3所示。
可以看出，经过滤波的2FSK信号变为了2ASK信号，其幅度平方谱中存在明显的符号率分量，可以通过对该离散分量的频率值进行估计，得到2FSK符号率估计值。
以上分析说明，低通滤波器的设计以及接收端对2FSK信号进行下变频的载波频率选取，对于2FSK中部分频率的滤除非常关键。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤 1：低通滤波器设计，对低通滤波器的起始频率和截止频率设置，所述低通滤波器的起始频率大于低频率分量，截止频率小于高频率分量，使低通滤波器滤除其中高的频率分量，保留频率低的频率分量，使信号的幅度谱中包含符号率的离散分量；
步骤 2：接收端对FSK信号进行下变频的载波频率选取，首先在接收时先对FSK信号的带宽进行估计，将信号的下变频的频率大小设置成FSK信号的带宽相同；
步骤 3：将信号的采样率降为FSK信号的带宽4-8倍，设FSK信号的带宽为B，系统采样率为f s ，则有4B≤ f s ≤ 8B，将正交下变频中心频率值 f c 、低通滤波器的起始频率f start 和截止频率f end 设置为：
f c ＞ f s /4
f start ＞ f c - f s /64
f end ＜ f c + f s /64
而将低通滤波器和信号的正交下变频中心频率值与采样频率进行关联，将FSK信号中的部分频率滤除，达到设计要求；
步骤 4：将经过频率滤除的FSK信号再通过幅度平方谱对符号率进行估计，得到FSK符号率估计值。
2.根据权利要求1所述的一种低复杂度的频移键控信号符号率估计方法，其特征在于：所述FSK信号包括二进制频移键控与四进制频移键控。
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