CN112203347B - 连续相位调制前导设计及其同步方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续相位调制前导设计及其同步方法和装置，其中，方法包括以下步骤：步骤S1：获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号；步骤S2：根据前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索，且通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；步骤S3：将本地信号与接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。该方法充分利用了调制指数接近1的CPM信号的频谱特征，满足强干扰和高动态环境下的信号到达检测和同步需求。

Description

连续相位调制前导设计及其同步方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及在连续相位调制信号的通信系统中，可用于有远距离传输要求的无线通信领域以及卫星通信领域，特别涉及一种连续相位调制前导设计及其同步方法和装置。

背景技术

现代通信中，信号能够传输的距离以及信号的功率利用率已经成为衡量通信方式的标准之一。由于对传输距离的要求越来越高，工程中一般采用非线性的高效功率放大器来提高功率利用效率。但是，非恒包络调制的信号在功率放大器非线性区域会出现频谱扩散，使性能迅速恶化。因此要找到合适的调制方式，减弱非线性器件对性能的影响。

连续相位调制(CPM)信号有相位连续的特点，因此作为连续相位信号较早的研究对象。CPM信号的优势为：CPM信号是恒包络信号，不敏感功率放大器的非线性特性；CPM信号是连续相位信号，因此带外辐射小，旁瓣衰减快，功率谱性能优越，对相邻频段信号干扰小。

对每一种性能优越的调制解调方法，都要求收发系统精确的同步，否则调制解调算法的优越性就得不到保证，其先进性也得不到发挥。信号的同步是信号可以正确解调的必要条件，表现为收发信号在时间和频率上保持一致。现代数字通信同步类型可以分为：载波频率同步、载波相位同步以及定时同步。同步方法主要分为非数据辅助法和数据辅助法。前者一般运算量大，但没有额外功率或带宽开销；后者运算量较小，但缺点是传输效率下降。传统的CPM同步方法有以下特点：

(1)CPM信号在工程中易于实现的载频同步方法一般建立在有相对准确的定时信息之上，也就是载频同步要基于定时同步得出的定时信息，而非数据辅助的同步方法复杂段太高；

(2)CPM信号的非数据辅助定时估计方法由于信号包络恒定且相位连续，定时信息的提取难度大，因此实际应用的系统一般单独传输码钟信号，但是这样降低了功率和资源利用率，而且设备较为复杂；

(3)基于数据辅助的同步方法实现简单，但是对于突发模式传输系统没有良好的检测方法，往往需要先进行帧同步来找到辅助数据，增加了实现上的困难。

综上所述，CPM信号是一种适用于远距离无线通信系统的调制信号，而传统同步方法在兼顾时间同步和频率同步的实现时，处理复杂度较高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一目的在于提出一种连续相位调制前导设计及其同步方法，该方法充分利用了调制指数接近1的CPM信号的频谱特征，满足强干扰和高动态环境下的信号到达检测和同步需求。

本发明的第二个目的在于提出一种连续相位调制前导设计及其同步方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提供一种连续相位调制前导设计及其同步方法，包括以下步骤：步骤S1：获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号；步骤S2：根据所述前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索，且通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；步骤S3：将本地信号与所述接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。

根据本发明实施例的连续相位调制前导设计及其同步方法，由于前导全是由调制指数接近1的CPM调制而来的，所得信号有恒包络特性以及较低的峰均比，因此对频率选择性衰落的抵抗能力强，对频谱利用率也比较高；由于时频粗同步是基于单峰检测的时频二维搜索，在频率搜索时不需要符号级的定时精度，缩小了搜索空间，使得时频二维搜索的运算量以及复杂度降低。

另外，根据本发明上述实施例的连续相位调制前导设计及其同步方法还可以具有以下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2进一步包括：在每一个估计窗口中，利用所述前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到所述信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。

在本发明的一个实施例中，其中，在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使所述搜索窗口覆盖整个估计窗口；在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2还包括：根据所述时频粗同步结果，对所述接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3包括：根据所述频率估计结果，对所述初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；将所述频偏小于预设值的信号与所述本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到所述定时精同步结果。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提供一种连续相位调制前导设计及其同步装置，包括：设计模块，用于获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号；时频粗同步模块，用于根据所述前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索；频率精同步模块，用于通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；定时精同步模块，用于将本地信号与所述接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。

根据本发明实施例的连续相位调制前导设计及其同步装置，由于前导全是由调制指数接近1的CPM调制而来的，所得信号有恒包络特性以及较低的峰均比，因此对频率选择性衰落的抵抗能力强，对频谱利用率也比较高；由于时频粗同步是基于单峰检测的时频二维搜索，在频率搜索时不需要符号级的定时精度，缩小了搜索空间，使得时频二维搜索的运算量以及复杂度降低。

另外，根据本发明上述实施例的连续相位调制前导设计及其同步装置还可以具有以下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述时频粗同步模块进一步用于在每一个估计窗口中，利用所述前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到所述信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。

在本发明的一个实施例中，其中，在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使所述搜索窗口覆盖整个估计窗口；在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

在本发明的一个实施例中，所述频率精同步模块进一步用于根据所述时频粗同步结果，对所述接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

在本发明的一个实施例中，所述定时精同步模块进一步用于根据所述频率估计结果，对所述初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；将所述频偏小于预设值的信号与所述本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到所述定时精同步结果。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的连续相位调制前导设计及其同步方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的CPM前导结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的连续相位调制前导设计及其同步方法的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的时频粗同步的流程示意图；

图5为根据本发明实施例的搜索窗口设计示意图；

图6为根据本发明实施例的调制指数为1的二进制CPM前导信号的频谱图；

图7为根据本发明实施例的在时频粗同步二维搜索是否捕获到信号的仿真图；

图8为根据本发明实施例的连续相位调制前导设计及其同步装置的示例图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

针对现有的连续相位调制同步方法的缺陷以及改良需求，本发明提供了一种适用于连续相位调制信号通信系统的CPM前导设计以及与该导频适配的同步方法。首先，该同步方法属于数据辅助同步方法，以实现用较小的运算量完成同步；其次，本发明充分利用了调制指数接近1(0.7～1.3)的CPM信号的频谱特性，构造出了有明显频域特征的前导信号，有利于信号的捕获，且算法相对简单。同时，本发明可以应对高动态、高噪声环境下的连续相位调制信号的捕获以及同步。

CPM信号的频谱分布可以通过首先计算CPM的等效基带信号的自相关函数，再进行傅里叶变换推导出平均功率密度谱。这里直接给出CPM信号的功率谱函数：

上式中的参数解释如下，其中M为调制阶数、fT为归一化频率、h为调制指数。

a_nm＝πh(m+n-1-M)

考虑调制阶数为M的情况，当h趋近1时，功率谱出现尖峰值，而且当h＝1时，在M个频率出现冲激。

本发明的技术方案是：在连续相位调制信号中加入一段由同号序列以及伪随机序列经过连续相位调制而来的前导信号；由于前导信号中同号序列经过调制指数接近1(0.7～1.3)的CPM调制后能量相对集中在特定频点上，利用这个特征，对接收信号进行分频槽的峰值搜索，如果检测到峰值，则初步判断捕获到信号，并得到载波频率估计结果；由于前导字段中伪随机序列调制而来的信号是确定且已知的，可将其存储在本地，作为本地同步信号，将接收信号与本地同步信号做滑动相关匹配，若能找到峰值，就说明已经找到了接收信号的同步序列的位置时刻，同时也就找到了前导的起止时刻，即完成了定时同步。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的连续相位调制前导设计及其同步方法和装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的连续相位调制前导设计及其同步方法。

具体而言，图1为本发明实施例所提供的一种连续相位调制前导设计及其同步方法的流程示意图。

如图1所示，该连续相位调制前导设计及其同步方法包括以下步骤：

步骤S1：获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号。

其中，预设条件为调制指数接近1，本发明实施例首先设计调制指数接近1的连续相位调制前导信号，并充分利用了调制指数接近1的CPM信号的频谱特征，以满足强干扰和高动态环境下的信号到达检测和同步需求。

在本发明实施例中，CPM前导设计方法为：前导由全1序列、全0字段以及伪随机序列经过调制指数接近1(0.7～1.3)的连续相位调制后得到的恒包络信号组合而成，使得经过调制后的前导信号能量相对集中在特定频点上。

具体而言，如图2所示，考虑信号接收灵敏度要求和信号动态范围，需要设计合适的帧结构，过程如下：

(1.1)ZEROS、ONES字段设计：设计连续p个符号的“0”，经过CPM调制后的信号，称为ZEROS字段，连续p个符号的“1”，经过CPM调制后的信号，称为ONES字段；将m个ZEROS字段，m个ONES字段打乱顺序，均匀的分布到整个导频字段中，两字段之间的间隔为q；

(1.2)TSYN字段设计：设计2m–1个长度为q个符号且两两正交的PN序列，经过CPM调制后的信号，称之为TSYN字段，将TSYN字段插入到ZEROS和ONES字段之间的间隔中；若情况允许，每个PN序列尽量使用由最长线性移位寄存器序列(m序列)加一位随机比特构成的序列，其长度为2^n(n为大于等于5的整数)；若设计不能达到每个PN序列长度为2^n的要求，则尽量选取自相关性高，两两互相关性低的序列。

步骤S2：根据前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索，且通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值。

可以理解的是，本发明实施例根据前导的频谱特性，利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索；并通过频率精同步，进一步缩小频率估计残差。下面将分别对时频粗同步和频率精同步的过程进行详细阐述，具体如下：

在本发明的一个实施例中，步骤S2进一步包括：在每一个估计窗口中，利用前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。其中，在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使搜索窗口覆盖整个估计窗口；在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

需要说明的是，如图3所示，根据CPM前导设计方法，不考虑载波多普勒的情况下，频谱的单峰位置是确定且已知的；频率粗同步的原理是将单峰搬移到零频，在基带得到一个类似直流的信号，将这个直流信号累加得到相关值；考虑到接收信号中前导开始位置的不确定性以及载波多普勒，这里对接收信号进行分时槽、分频槽的时频二维搜索，并统计每一个时槽与频槽组合的相关值；根据时频粗同步的原理，频偏越小、定时越准确，则相关值越大；比较每个时槽与频槽组合的相关值，取其中最大值，若最大值大于所设置门限，则表明时频粗同步模块检测到信号，并取出此最大值对应的频槽中心频率、时槽的起始点作为频率粗同步结果与定时粗同步结果。

可以理解的是，时频粗同步包括如下步骤：

(1)在每一个估计窗口中，利用了本发明实施例所设计的前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行了模糊范围较大的时频二维搜索：在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使搜索窗口能覆盖整个估计窗口；在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，用混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值；

(2)统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与所设阈值比较，初步判断是否捕获到信号；若捕获到信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，作为时频粗同步结果；

(3)把定时粗同步结果和频率粗同步结果送入频率精同步模块，把定时粗同步结果送入定时精同步模块。

具体而言，参考图4，设相关开始位置为START_POS，时频粗同步过程如下：

(2.1)以窗口的第START_POS个采样点开始计算，根据帧结构，取出m个ZEROS字段对应位置的数据，记为SIG_ZEROS_1；设符号率为Fsym，最大载波多普勒频偏为±Fdop，搜索频槽数量为a个，每个频槽步进为Fdop_STEP_1，生成a个频率分别为Fsym/4+i*Fdop_STEP_1(i＝–a/2、–a/2+1、…、a/2–1、a/2)的单载波，并分别与SIG_ZEROS_1进行混频；将每个频槽经过混频的信号，均匀分为m段，对每一段数据进行累加取模，再将m个模值相加，得到相关值，记为CORR_POS_1～CORR_POS_a；

(2.2)以窗口的第START_POS个采样点开始计算，根据帧结构，取出m个ONES字段对应位置的数据，记为SIG_ONES_1；生成a个频率分别为–Fsym/4+i*Fdop_STEP_1(i＝–a/2、–a/2+1、…、a/2–1、a/2)的单载波，并分别与SIG_ONES_1进行混频；将每个频槽经过混频的信号，均匀分为m段，对每一段数据进行累加取模，再将m个模值相加，得到相关值，记为CORR_NEG_1～CORR_NEG_a；

(2.3)设相关值CORR为CORR_POS与CORR_NEG之和，将CORR_POS_1～CORR_POS_a与CORR_NEG_1～CORR_NEG_a分别相加得到CORR_1～CORR_a；取记为CORR_1～CORR_a中最大值，记为CORR_MAX；

(2.4)设每次搜素窗口滑动SHIFT_SIZE个采样点，将搜素起始位置START_POS加SHIFT_SIZE；搜索窗口的设置如图5所示；重复(2.1)～(2.4)，直至搜索窗口覆盖整个估计窗口；

(2.5)比较每次搜素窗口的CORR_MAX值，取其中最大值；若最大值大于所设置门限，则表明检测到信号，记录最大值所对应的频点FREQ_1和搜素起始值POS_1；若最大值没有超过门限，则将估计窗口往后滑动，并重复(2.1)～(2.5)过程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S2还包括：根据时频粗同步结果，对接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

需要说明的是，如图3所示，在频率粗同步的基础上，更精确地估计频偏，使频率残差进一步缩小；频率精同步模块先根据时频粗同步提供的定时粗同步结果，以粗同步结果为起始点，取出长度为前导长度的信号；再根据频率粗同步结果，对取出的信号进行初步频率补偿；由于频率粗同步精度不高，所以频率精同步以频率粗同步结果为中心频率，将信号分更小的频槽进行相关计算，并取出相关值最大的频槽，将此频槽的中心频槽作为频率精同步结果。

可以理解的是，频率精同步模块根据定时粗同步结果，对接收信号进行初步的定时补偿；以频率粗同步结果为中心频点，对经过初步定时补偿的接收数据进行精度更高的频率估计，并把频率精同步结果送入定时精同步模块。

具体而言，在第一级频率估计的基础上，更精确地估计频偏，使频率残差进一步缩小；频率精同步具体过程如下：

(3.1)若检测到信号，根据上述所提供的信息，以窗口的第POS_1个采样点开始计算，根据帧结构，取出m个ZEROS字段对应位置的数据，记为SIG_ZEROS_2；设采样率为Fs，最大载波多普勒残差为±Fdop_1，搜索频槽数量为b个，每个频槽步进为Fdop_STEP_2，生成b个频率分别为Fsym/4–FREQ_1+i*Fdop_STEP_2(i＝–b/2、–b/2+1、…、b/2–1、b/2)的单载波，并分别与SIG_ZEROS_2进行混频；将每个频槽经过混频的信号进行累加并取模，得到相关值，记为CORR_POS_1～CORR_POS_b；

(3.2)以窗口的第POS_1个采样点开始计算，根据帧结构，取出m个ONES字段对应位置的数据，记为SIG_ONES_2；设采样率为Fs，最大载波多普勒残差为±Fdop_1，搜索频槽数量为b个，每个频槽步进为Fdop_STEP_2，生成b个频率分别为Fsym/4+FREQ_1+i*Fdop_STEP_2(i＝–b/2、–b/2+1、…、b/2–1、b/2)的单载波，并分别与SIG_ONES_2进行混频；将每个频槽经过混频的信号进行累加并取模，得到相关值，记为CORR_NEG_1～CORR_NEG_b；

(3.3)设相关值CORR为CORR_POS与CORR_NEG之和，将CORR_POS_1～CORR_POS_b与CORR_NEG_1～CORR_NEG_b分别相加得到CORR_1～CORR_b；取记为CORR_1～CORR_b中最大值，记为CORR_MAX；记录最大值所对应的频点FREQ_2；

(3.4)生成频率为FREQ_1+FREQ_2的载波，并与接收信号进行混频。

步骤S3：将本地信号与接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。

可以理解的是，本发明实施例通过将本地信号与接收信号进行匹配的方式来做信号的定时精估计。

在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：根据频率估计结果，对初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；将频偏小于预设值的信号与本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到定时精同步结果。

需要说明的是，如图3所示，在定时粗同步的基础上，对信号进行更加精确的定时估计；定时精同步模块先根据时频粗同步提供的定时粗同步结果，以粗同步结果为起始点，取出长度为前导长度的信号；再根据频率精同步结果，对取出的信号进行频率补偿；由于定时粗同步的精度不高，所以定时精同步在定时粗同步结果的基础上进行精度更高的定时估计；定时精同步的原理是：利用前导中伪随机序列调制而来的信号，将接收信号与本地存储的信号进行滑动相关，当接收信号与本地信号对齐时会有明显的相关峰值；比较每个滑动相关起始点的相关值，取其中最大值，若最大值大于所设置门限，则表明检测到信号，并取出此最大值对应的起始点作为定时精同步结果。

可以理解的是，定时精同步模块根据频率精同步提供的频率估计结果，对经过初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏相对较小的信号，再将此信号与本地信号进行精度更高的相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，作为定时精同步结果。

具体而言，在第一级定时估计的基础上，对信号进行更加精确的定时估计；设信号起始位置为POS_1，搜索长度为c；定时精同步具体过程如下：

(4.1)以信号的第START_POS个采样点开始计算，根据帧结构，取出2*m–1个TSYN字段对应位置的数据，记为SIG_TSYN；设本地存储信号为SIG_LOCAL，将SIG_TSYN与SIG_LOCAL进行相关，得到相关值CORR_TIME；

(4.2)将信号起始位置START_POS向后移动1个采样点，重复(4.1)，直至START_POS–POS_1等于c；

(4.3)取出c个相关值中的最大值，若最大值大于所设置门限，则表明本估计窗口检测到信号，并记录最大值所对应START_POS，记为POS_2。

下面将通过具体实施例对连续相位调制前导设计及其同步方法进行进一步阐述，具体包如下：

步骤一：

CPM前导设计过程如下：

(1.1)ZEROS、ONES字段设计：设计连续32个符号的“0”，经过二进制CPM调制后的信号，称为ZEROS字段，连续32个符号的“1”，经过二进制CPM调制后的信号，称为ONES字段；两字段之间的间隔为32；

(1.2)TSYN字段设计：设计3个长度为32个符号且两两正交的PN序列，经过二进制CPM调制后的信号，称之为TSYN字段，将TSYN字段插入到ZEROS和ONES字段之间的间隔中；

图6为调制阶数为2、符号率为1MHz、调制指数为1的CPM前导频谱图；

步骤二：

时频粗同步过程如下：

(2.1)以窗口的第1个采样点开始计算，根据帧结构，取出2个ZEROS字段对应位置的数据，记为SIG_ZEROS_1；设符号率为1MHz，最大载波多普勒频偏为±50KHz，搜索频槽数量为11个，每个频槽步进为10KHz，生成11个频率分别为500KHz+(–50KHz、–40KHz、…、40KHz、50KHz)的单载波，并分别与SIG_ZEROS_1进行混频；将每个频槽经过混频的信号，均匀分为2段，对每一段数据进行累加取模，再将2个模值相加，得到相关值，记为CORR_POS_1～CORR_POS_11；

(2.2)以窗口的第1个采样点开始计算，根据帧结构，取出2个ONES字段对应位置的数据，记为SIG_ONES_1；生成11个频率分别为500KHz+(–50KHz、–40KHz、…、40KHz、50KHz)的单载波，并分别与SIG_ONES_1进行混频；将每个频槽经过混频的信号，均匀分为2段，对每一段数据进行累加取模，再将2个模值相加，得到相关值，记为CORR_NEG_1～CORR_NEG_11；

(2.3)设相关值CORR为CORR_POS与CORR_NEG之和，将CORR_POS_1～CORR_POS_11与CORR_NEG_1～CORR_NEG_11分别相加得到CORR_1～CORR_11；取记为CORR_1～CORR_11中最大值，记为CORR_MAX；

(2.4)设每次搜素窗口滑动20个采样点，将搜素起始位置加20；搜索窗口的设置如图5所示；重复(2.1)～(2.4)，直至搜索窗口覆盖整个估计窗口；

(2.5)比较每次搜素窗口的CORR_MAX值，取其中最大值；最大值大于所设置门限，则表明检测到信号，记录最大值所对应的频点和搜素起始值；图7为时频二维搜索相关值仿真图，从图中可知时频粗同步得到的频率估计值为0，定时估计值为60；

步骤三：

频率精同步具体过程如下：

(3.1)若检测到信号，根据(2)所提供的信息，以窗口的第60个采样点开始计算，根据帧结构，取出2个ZEROS字段对应位置的数据，记为SIG_ZEROS_2；设符号率为1MHz，最大载波多普勒残差为±5KHz，搜索频槽数量为11个，每个频槽步进为500Hz，生成1个频率分别为500KHz+(–5KHz、–4.5KHz、…、4.5KHz、5KHz)的单载波，并分别与SIG_ZEROS_2进行混频；将每个频槽经过混频的信号进行累加并取模，得到相关值，记为CORR_POS_1～CORR_POS_11；

(3.2)以窗口的第60个采样点开始计算，根据帧结构，取出2个ONES字段对应位置的数据，记为SIG_ONES_2；设搜索频槽数量为11个，每个频槽步进为500Hz，生成11个频率分别为500KHz+(–5KHz、–4.5KHz、…、4.5KHz、5KHz)的单载波，并分别与SIG_ONES_2进行混频；将每个频槽经过混频的信号进行累加并取模，得到相关值，记为CORR_NEG_1～CORR_NEG_11；

(3.3)设相关值CORR为CORR_POS与CORR_NEG之和，将CORR_POS_1～CORR_POS_11与CORR_NEG_1～CORR_NEG_11分别相加得到CORR_1～CORR_11；取记为CORR_1～CORR_11中最大值，记为CORR_MAX；记录最大值所对应的频点；

步骤四：

在第一级定时估计的基础上，对信号进行更加精确的定时估计；设信号起始位置为60，搜索长度为48；定时精同步具体过程如下：

(4.1)以信号的第60个采样点开始计算，根据帧结构，取出3个TSYN字段对应位置的数据，记为SIG_TSYN；设本地存储信号为SIG_LOCAL，将SIG_TSYN与SIG_LOCAL进行相关，得到相关值CORR_TIME；

(4.2)将信号起始位置向后移动1个采样点，重复(4.1)，直至起始位置等于107；

(4.3)取出48个相关值中的最大值，若最大值大于所设置门限，则表明本估计窗口检测到信号，并记录最大值所对应的起始位置。

根据本发明实施例提出的连续相位调制前导设计及其同步方法，由于前导全是由调制指数接近1的CPM调制而来的，所得信号有恒包络特性以及较低的峰均比，因此对频率选择性衰落的抵抗能力强，对频谱利用率也比较高；由于时频粗同步是基于单峰检测的时频二维搜索，在频率搜索时不需要符号级的定时精度，缩小了搜索空间，使得时频二维搜索的运算量以及复杂度降低。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的连续相位调制前导设计及其同步装置。

图8是本发明实施例的连续相位调制前导设计及其同步装置的方框示意图。

如图8所示，该连续相位调制前导设计及其同步装置10包括：设计模块100、时频粗同步模块200、频率精同步模块300和定时精同步模块400。

其中，设计模块100用于获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号；时频粗同步模块200用于根据前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索；频率精同步模块300用于通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；定时精同步模块400用于将本地信号与接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。本发明实施例的装置10充分利用了调制指数接近1的CPM信号的频谱特征，满足强干扰和高动态环境下的信号到达检测和同步需求。

需要说明的是，时频粗同步模块200的输出端连接到频率精同步模块300和定时精同步模块400的输入端，频率精同步模块300的输出端连接到定时精同步模块400的输入端

在本发明的一个实施例中，时频粗同步模块200进一步用于在每一个估计窗口中，利用前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。

在本发明的一个实施例中，其中，在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使搜索窗口覆盖整个估计窗口；在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

在本发明的一个实施例中，频率精同步模块300进一步用于根据时频粗同步结果，对接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

在本发明的一个实施例中，定时精同步模块400进一步用于根据频率估计结果，对初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；将频偏小于预设值的信号与本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到定时精同步结果。

需要说明的是，前述对连续相位调制前导设计及其同步方法实施例的解释说明也适用于该实施例的连续相位调制前导设计及其同步装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的连续相位调制前导设计及其同步装置，由于前导全是由调制指数接近1的CPM调制而来的，所得信号有恒包络特性以及较低的峰均比，因此对频率选择性衰落的抵抗能力强，对频谱利用率也比较高；由于时频粗同步是基于单峰检测的时频二维搜索，在频率搜索时不需要符号级的定时精度，缩小了搜索空间，使得时频二维搜索的运算量以及复杂度降低。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.一种连续相位调制前导设计及其同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号，其中，所述预设条件是所述调制指数在0.7至1.3的范围内，所述前导信号由全1序列、全0字段和伪随机序列通过满足所述预设条件的调制指数进行连续相位调制后得到的恒包络信号组合而成，以使所述前导信号能量集中在特定频点上，所述步骤S1还包括：设计ZEROS字段和ONES字段，并将m个ZEROS字段，m个ONES字段打乱顺序，均匀的分布到整个导频字段中，设置任意两个字段之间的间隔为q，其中，ZEROS字段是连续p个0符号通过连续相位调制后的信号，ONES字段是连续p个1符号通过连续相位调制后的信号，m、q和p是预设的正整数；设计TSYN字段，并将TSYN字段插入到ZEROS和ONES字段之间的间隔中，其中，TSYN字段是2m–1个长度为q个符号且两两正交的PN序列通过连续相位调制后的信号；

步骤S2：根据所述前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索，且通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；以及

步骤S3：将本地信号与所述接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

在每一个估计窗口中，利用所述前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：

统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到所述信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，

在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使所述搜索窗口覆盖整个估计窗口；

在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

根据所述时频粗同步结果，对所述接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

根据所述频率估计结果，对所述初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；

将所述频偏小于预设值的信号与所述本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到所述定时精同步结果。

6.一种连续相位调制前导设计及其同步装置，其特征在于，包括：

设计模块，用于获取调制指数满足预设条件的连续相位调制前导信号，其中，所述预设条件是所述调制指数在0.7至1.3的范围内，所述前导信号由全1序列、全0字段和伪随机序列通过满足所述预设条件的调制指数进行连续相位调制后得到的恒包络信号组合而成，以使所述前导信号能量集中在特定频点上，所述设计模块具体用于：设计ZEROS字段和ONES字段，并将m个ZEROS字段，m个ONES字段打乱顺序，均匀的分布到整个导频字段中，设置任意两个字段之间的间隔为q，其中，ZEROS字段是连续p个0符号通过连续相位调制后的信号，ONES字段是连续p个1符号通过连续相位调制后的信号，m、q和p是预设的正整数；设计TSYN字段，并将TSYN字段插入到ZEROS和ONES字段之间的间隔中，其中，TSYN字段是2m–1个长度为q个符号且两两正交的PN序列通过连续相位调制后的信号；

时频粗同步模块，用于根据所述前导信号的频谱特性，并利用特定频点能量检测的方式，对接收信号进行快速时频二维搜索；

频率精同步模块，用于通过频率精进行同步，直至频率估计残差小于预设阈值；以及

定时精同步模块，用于将本地信号与所述接收信号进行匹配，生成信号的定时精同步结果。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述时频粗同步模块进一步用于在每一个估计窗口中，利用所述前导信号有能量集中在特定频点的特征，对输入信号进行时频二维搜索：统计所有搜索窗口以及频槽对应的相关值，找出整个估计窗口中相关峰值，并与预设阈值比较，判断是否捕获到信号，其中，若捕获到所述信号，则记录此相关峰值所对应的频槽中心频率与定时位置，得到时频粗同步结果。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，其中，

在时域上，对搜索窗口的起始位置进行滑动，使所述搜索窗口覆盖整个估计窗口；

在频域上，以能量集中的频点作为中心频率，基于混频后累加的方式对信号进行分频槽搜索，并记录当前搜索窗口所有频槽对应的相关值。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述频率精同步模块进一步用于根据所述时频粗同步结果，对所述接收信号进行初步的定时补偿，其中，以频率粗同步结果为中心频点，对初步定时补偿的接收数据进行频率估计，得到频率估计结果。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述定时精同步模块进一步用于根据所述频率估计结果，对所述初步定时补偿的接收信号进行频偏补偿，得到一个频偏小于预设值的信号；将所述频偏小于预设值的信号与所述本地信号进行相关匹配，取出相关峰值所对应的定时位置，得到所述定时精同步结果。

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