CN112671684A - 一种短时突发bpsk信号的自适应解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法，涉及数字通信技术领域，包括以下步骤：预先对BPSK信号正交变换，将正交变换后的信号与BPSK采样信号进行幅度正交解调，获得BPSK信号的幅度信息；进行锁相环载波跟踪和恢复，其获取的BPSK信号的幅度信息作为锁相环载波恢复的归一化参数。本发明提高数据信号载波恢复捕获带、有效减小捕获时间和提高时间利用率，具有良好的载波跟踪与恢复性能，该方法特别适应于信号持续时间短、载频变化大的突发通信，对跳频、QPSK多相调制中接收机本振信号的产生都具有一定的重要意义。

Description

一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，具体来说，涉及一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法。

背景技术

短时突发BPSK(Binary Phase Shift Keying))通信是在短时间进行PSK数字信号传输的过程，发送时隙随机，只在需要的时候进行传输，不像连续通信模式持续传输数据，节省了功率和信道资源，具有抗干扰性强、隐蔽性好的特点，得到广泛应用。短时突发BPSK通信的主要特征是持续时间短，以数据包为单位传递信息，为确定数据到来时刻，通常会在每个数据包中插入一段训练序列，接收端利用该序列完成数据包的帧同步，某一数据包的同步信息往往不能被下一个数据包所用，每个数据包都需要重新估计同步参数。信号体制采用 PSK调制，载波相位是随基带脉冲变化、相位不连续的恒包络数字调制。

实际信号传输中，由于频率源的漂移，以及电波传播引起的载波信号多普勒频移及相位变化，使得接收端本地信号与发送端载波信号存在一定相位误差，引起信噪比的下降，使解调信号出现畸变。因此，帧同步信号解调和接收端本地载波跟踪与恢复成为短时突发BPSK信号解调的关键。

突发BPSK信号的传统解调方法是：首先为确保信号解调动态，对接收信号进行高增益放大，然后再对放大信号限幅处理，使信号幅度保持稳定，确保本地载波恢复相位跟踪精度及码元抽样的准确。这种解调方法存在以下几方面不足：

1、对解调信号幅度有严格要求：采用先放大、后限幅的处理方法，不仅增加了硬件电路，而且要求限幅输出信号的稳定性较高，这样才能确保基于门限抽样、检测的数字相干解调。

2、载波跟踪精度低，解调误码率高：限幅、放大处理是对小功率信号放大，对大信号的幅度进行限制，而大功率信号限幅处理，只会对有用信号起作用，噪声信号变化并不明显，这些会带来高次谐波增加，必然会引起用于数据信号信噪比下降，影响本地载波的跟踪精度，导致误码率升高。

3、本地载波恢复时间长：在突发通信下，信号持续时间短、载频变化较大，要求锁相环载波跟踪有较大的捕获带宽，捕获带宽的增加势必会影响到载波跟踪精度和载波恢复速度，影响数据信号解调。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法，首先对BPSK信号正交变换，将正交变换后的信号与BPSK采样信号进行幅度正交解调，获得BPSK信号的幅度信息，该幅度信息用作锁相环载波恢复的归一化参数，确保载波恢复运算不受数据信号幅度的影响；然后通过BPSK信号粗测、锁相环载波跟踪与恢复及帧同步信号解调，实现短时突发 BPSK信号的自适应解调，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法，包括以下步骤：

步骤S1，预先对BPSK信号正交变换，将正交变换后的信号与BPSK 采样信号进行幅度正交解调，获得BPSK信号的幅度信息；

步骤S2，进行锁相环载波跟踪和恢复，其获取的BPSK信号的幅度信息作为锁相环载波恢复的归一化参数，包括：

步骤S201，标定输入BPSK信号，表示为：

其中，n＝1,2,3.....，a_n为BPSK调制二进制信息码，g(nT_s)为脉冲宽度为T_s矩形脉冲，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₁(n)为BPSK信号载波信号初相，U₀为BPSK信号幅度；

步骤S202，获取数字控制振荡器NCO输出信号，表示为：

lo(n)＝cos(ω_cnT_s+θ₂(n))

其中，n＝1,2,3.....，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₂(n)为数字控制振荡器NCO载波信号初相；

步骤S203，BPSK信号与其正交变换信号分别与本地数字控制振荡器信号lo(n)进行运算，表示为：

其中，K_p1和K_p2分别为乘法器系数；Z_I(n)和Z_Q(n)经过低通滤波，可得到：

其中：θ_e(n)＝θ₁(n)-θ₂(n)，K₁为低通滤波器系数；

步骤S204，将获取的的信号y_I(n)和y_Q(n)信号运算，再经过环路低通器滤波，得到数字控制振荡器NCO控制量u_c(n)，表示为：

其中：K_p为等效鉴相器灵敏度，K_d为环路控制增益；

其由于u_c(n)与BPSK信号和数字控制振荡器NCO输出信号相位差θ_e成对应关系，通过控制数字控制振荡器NCO，就可获得与输入信号同频、同相的相干载波信号；

步骤S3，进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调。

进一步的，步骤所述获得BPSK信号的幅度信息，包括以下步骤：

对BPSK信号作正交变换；

构造BPSK信号的解析信号，表示为：

其中，s(n)为BPSK采样信号，

是实部s(n)的正交信号为z(n)虚部；

对BPSK信号进行幅度解调，包括：通过构建得到的解析函数z(n)，获取接收信号的幅度，表示为：

其中，|z(n)|为BPSK信号幅度，s(n)为BPSK采样信号，

为解析信号z(n)的虚部。

进一步的，步骤所述进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调，包括以下步骤：

进行帧同步信号解调，其中包括采用巴克码作为的帧同步码组序列和标定帧同步自适应门限，包括码元宽度T和数据信号采样频率f_s确定帧同步信号的自适应门限；

进行数据信号解调，包括当BPSK信号与数字控制振荡器NCO输出信号相位差θ_e＝0，并且K_p1和K₁相关系数确定后，获取解调的数据信号∑_na_ng(nT_s)。

本发明的有益效果：

本发明提出短时突发BPSK信号的自适应解调方法，通过对解调信号幅度进行归一化处理，避免了传统载波恢复方法中对输入信号幅度有严格要求的问题，然后对输入信号载波频率进行估计，并对归一化的数据信号进行载波相位跟踪，就可得到与输入信号载波同频、同相的相干解调信号，实现了载波恢复，同时也实现了PSK信号的解调，实现不仅提高数据信号载波恢复捕获带、有效减小捕获时间和提高时间利用率，具有良好的载波跟踪与恢复性能，该方法特别适应于信号持续时间短、载频变化大的突发通信，对跳频、QPSK多相调制中接收机本振信号的产生都具有一定的重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法的原理框图；

图2是根据本发明实施例的一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法的帧同步识别器原理框图；

图3是根据本发明实施例的一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法的为帧同步解调运算示意图；

图4是根据本发明实施例的一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法的为BPSK解调信号采样、判决示意图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法。

如图1-图4所示，根据本发明实施例的短时突发BPSK信号的自适应解调方法，包括以下步骤：

步骤S1，预先对BPSK信号正交变换，将正交变换后的信号与BPSK 采样信号进行幅度正交解调，获得BPSK信号的幅度信息；

步骤S2，进行锁相环载波跟踪和恢复，其获取的BPSK信号的幅度信息作为锁相环载波恢复的归一化参数，包括：

步骤S201，标定输入BPSK信号，表示为：

其中，n＝1,2,3.....，a_n为BPSK调制二进制信息码，g(nT_s)为脉冲宽度为T_s矩形脉冲，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₁(n)为BPSK信号载波信号初相，U₀为BPSK信号幅度；

步骤S202，获取数字控制振荡器NCO(Numerically Controled Osciliator) 输出信号，表示为：

lo(n)＝cos(ω_cnT_s+θ₂(n))

其中，n＝1,2,3.....，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₂(n)为数字控制振荡器NCO载波信号初相；

步骤S203，BPSK信号与其正交变换信号分别与本地数字控制振荡器信号lo(n)进行运算，表示为：

其中，K_p1和K_p2分别为乘法器系数；Z_I(n)和Z_Q(n)经过低通滤波，可得到：

其中：θ_e(n)＝θ₁(n)-θ₂(n)，K₁为低通滤波器系数；

步骤S204，将获取的的信号y_I(n)和y_Q(n)信号运算，再经过环路低通器滤波，得到数字控制振荡器NCO控制量u_c(n)，表示为：

其中：K_p为等效鉴相器灵敏度，K_d为环路控制增益；

其由于u_c(n)与BPSK信号和数字控制振荡器NCO输出信号相位差θ_e成对应关系，通过控制数字控制振荡器NCO，就可获得与输入信号同频、同相的相干载波信号。

步骤S3，进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调。

另外，步骤所述获得BPSK信号的幅度信息，包括以下步骤：

对BPSK信号作正交变换；

构造BPSK信号的解析信号，表示为：

其中，s(n)为BPSK采样信号，

是实部s(n)的正交信号为z(n)虚部；

对BPSK信号进行幅度解调，包括：通过构建得到的解析函数z(n)，获取接收信号的幅度，表示为：

其中，|z(n)|为BPSK信号幅度，s(n)为BPSK采样信号，

为解析信号z(n)的虚部。

另外，步骤所述进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调，包括以下步骤：

进行帧同步信号解调，其中包括采用巴克码作为的帧同步码组序列和标定帧同步自适应门限，包括码元宽度T和数据信号采样频率f_s确定帧同步信号的自适应门限；

进行数据信号解调，包括当BPSK信号与数字控制振荡器NCO输出信号相位差θ_e＝0，并且K_p1和K₁相关系数确定后，获取解调的数据信号∑_na_ng(nT_s)。

借助于上述技术方案，通过对解调信号幅度进行归一化处理，避免了传统载波恢复方法中对输入信号幅度有严格要求的问题，然后对输入信号载波频率进行估计，并对归一化的数据信号进行载波相位跟踪，就可得到与输入信号载波同频、同相的相干解调信号，实现了载波恢复，同时也实现了PSK信号的解调，实现不仅提高数据信号载波恢复捕获带、有效减小捕获时间和提高时间利用率，具有良好的载波跟踪与恢复性能，该方法特别适应于信号持续时间短、载频变化大的突发通信，对跳频、QPSK多相调制中接收机本振信号的产生都具有一定的重要意义。

另外，具体的，其对BPSK信号作正交变换，包括：

预先对BPSK信号s(n)作离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)，表示为：

其中，N为离散傅里叶变换长度，s(n)为BPSK信号，表示为：

计算S(k)频谱幅值最大的谱线位置，即为载波频率，通过BPSK信号采样率f_s及离散傅里叶变换长度N，就可计算出具体的载波频率。其S(k)最大的谱线对应点数为n，则BPSK信号s(n)的载波频率为

进行构造序列Z(k)，表示为：

再进行对Z(k)作离散傅里叶逆变换IDFT(Inverse Discrete FourierTransform)，表示为：

其中：z(n)为s(n)的解析信号，N为离散傅里叶变换位数，表示为：

此外，具体的，如图2所示，其帧同步信号解调，包括：短时突发信号一般以数据包为单位传递信息，为实现数据码元最佳采样，在数据包前部会有同步信号，也就是帧同步，由于巴克码的自相关函数具有尖锐单峰特性，一般采用巴克码作为的帧同步码组序列。以7位巴克码为例说明帧同步信号的解调原理：

1)7位巴克码序列为[1 1 1 0 0 1 0]。

2)如图2所示，用7级移位寄存器、相加器和判决器就可以组成识别器，移位寄存器各输出端码元信号和巴克码序列一致，这样识别器实际上就是对巴克码进行相关运算。输入码元“1”进入移位寄存器的“1”位时，移位寄存器的输出为“1”，当输入数据“1”存入移位寄存器的“0”位时，移位寄存器的输出为“-1”；输入码元“0”进入移位寄存器的“0”位时，移位寄存器的输出为“1”，当输入码元“0”进入移位寄存器的“0”位时，移位寄存器的输出为“-1”。

3)如果输入码元数据全部进入移位寄存器时，正好与巴克码序列相同时，移位寄存器输出端输出都为1，相加后得到最大输出为7，设判决器的判决门限为6，那么就在7位巴克码的最后一位进入识别器时，识别器输出一帧同步脉冲表示一帧的开始，作为每一功能段的帧同步信号。

此外，对于上述帧同步自适应门限确定，其第5步以7位巴克码为例说明帧同步信号解调原理，实际中，数据信号采样频率比码元数率要高一些，也就是每个码元的采样点数要不止1个点，需要根据码元宽度T和数据信号采样频率f_s确定帧同步信号的自适应门限。

对于m位巴克码，由第3步结算得到BPSK信号幅度|z(n)|，则帧同步信号检测门限为：u＝a·m·T·f_s·|z(n)|

其中，a为帧同步门限系数(0<a<1)，m为巴克码位数，T为BPSK信号码元宽度，f_s为BPSK信号采样频率，|z(n)|为BPSK信号幅度。

此外，对于上述BPSK解调信号的采样、判决，具体的，

1)根据第5步帧同步信号相关运算结果，当相关运算结果大于第6步确定的帧同步自适应门限u时，在一个BPSK信号码元宽度内，搜索第5步相关运算峰值，相关运算峰值对应的时刻为T₀。

2)从T₀时刻开始，间隔T(码元宽度)对第7步数据解调信号y_I(n)进行等间隔采样，采样门限为u_a＝-a·|z(n)|或u_b＝a·|z(n)|，如4所示，当采样值大于u_b＝a·|z(n)|，则该码元为1，当采样值小于u_a＝-a·|z(n)|，则该码元为0，由此，完成BPSK信号的自适应解调。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过对解调信号幅度进行归一化处理，避免了传统载波恢复方法中对输入信号幅度有严格要求的问题，然后对输入信号载波频率进行估计，并对归一化的数据信号进行载波相位跟踪，就可得到与输入信号载波同频、同相的相干解调信号，实现了载波恢复，同时也实现了PSK信号的解调，实现不仅提高数据信号载波恢复捕获带、有效减小捕获时间和提高时间利用率，具有良好的载波跟踪与恢复性能，该方法特别适应于信号持续时间短、载频变化大的突发通信，对跳频、QPSK多相调制中接收机本振信号的产生都具有一定的重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种短时突发BPSK信号的自适应解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

预先对BPSK信号正交变换，将正交变换后的信号与BPSK采样信号进行幅度正交解调，获得BPSK信号的幅度信息；

进行锁相环载波跟踪和恢复，其获取的BPSK信号的幅度信息作为锁相环载波恢复的归一化参数，包括：

标定输入BPSK信号，表示为：

其中，n＝1,2,3.....，a_n为BPSK调制二进制信息码，g(nT_s)为脉冲宽度为T_s矩形脉冲，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₁(n)为BPSK信号载波信号初相，U₀为BPSK信号幅度；

获取数字控制振荡器NCO输出信号，表示为：

lo(n)＝cos(ω_cnT_s+θ₂(n))

其中，n＝1,2,3.....，ω_c为BPSK信号标称载波频率，T_s为BPSK信号采样时间间隔，θ₂(n)为数字控制振荡器NCO载波信号初相；

BPSK信号与其正交变换信号分别与本地数字控制振荡器信号lo(n)进行运算，表示为：

其中，K_p1和K_p2分别为乘法器系数；Z_I(n)和Z_Q(n)经过低通滤波，可得到：

其中：θ_e(n)＝θ₁(n)-θ₂(n)，K₁为低通滤波器系数；

将获取的的信号y_I(n)和y_Q(n)信号运算，再经过环路低通器滤波，得到数字控制振荡器NCO控制量u_c(n)，表示为：

其中：K_p为等效鉴相器灵敏度，K_d为环路控制增益；

进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调。

2.根据权利要求1所述的短时突发BPSK信号的自适应解调方法，其特征在于，步骤所述获得BPSK信号的幅度信息，包括以下步骤：

对BPSK信号作正交变换；

构造BPSK信号的解析信号，表示为：

其中，s(n)为BPSK采样信号，

是实部s(n)的正交信号为z(n)虚部；

对BPSK信号进行幅度解调，包括：通过构建得到的解析函数z(n)，获取接收信号的幅度，表示为：

其中，|z(n)|为BPSK信号幅度，s(n)为BPSK采样信号，

为解析信号z(n)的虚部。

3.根据权利要求1所述的短时突发BPSK信号的自适应解调方法，其特征在于，步骤所述进行BPSK解调信号的采样和判决，完成BPSK信号的自适应解调，包括以下步骤：

进行帧同步信号解调，其中包括采用巴克码作为的帧同步码组序列和标定帧同步自适应门限，包括码元宽度T和数据信号采样频率f_s确定帧同步信号的自适应门限；

进行数据信号解调，包括当BPSK信号与数字控制振荡器NCO输出信号相位差θ_e＝0，并且K_p1和K₁相关系数确定后，获取解调的数据信号∑_na_ng(nT_s)。

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