CN114401174B - 一种基于soqpsk和psp的联合相位跟踪检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法。该方法首先通过双二进制分解技术的主脉冲与对应伪导频来表示SOQPSK信号，其次，根据最大似然序列估计对解调时的符号进行解调，并对相位的预估并更新相位信息；最后，结合维特比算法进行解调恢复原始信息。本发明在原有维特比解调方案中，利用DBD分解与PSP相位跟踪技术，在维持系统计算复杂度不高的同时，保证了系统的稳定性与准确性。

Description

一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法

技术领域

本发明涉及一种相位跟踪检测方法，特别是涉及一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法。

背景技术

SOQPSK整形偏移四相相移键控是一种特殊的连续相位调制技术，它是在连续相位调制与偏移四相相移键控的基础之上发展来的。它不但具有恒定包络、连续相位的特性，而且具有高频谱利用率、高功率利用率的优点，因而得到广泛关注，已经被多个国际标准所采用。SOQPSK主要有SOQPSK-MIL与SOQPSK-TG两种标准。SOQPSK-MIL采用全响应矩形脉冲，使相位变化平滑；而SOQPSK-TG采用升余弦频率脉冲成型函数，进一步限制了带宽且同时抑制了旁瓣，具有良好的频谱特性。

空间卫星运动速度非常快，由此产生的多普勒频偏不可忽略。尽管在同步阶段，将大频偏已经补偿了许多，但由于同步算法不完善难免会留下一些残余频偏，这些残余频偏对解调准确度影响很大。再者传统的联合解调与跟踪复杂度过高，若考虑多条路径考虑联合估计，计算复杂度会随着考虑路径的增加而指数级的增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，该方法采用基于DBD双二进制分解的SOQPSK和PSP的联合相位跟踪方式，提高了估计精度并降低了解调的计算复杂度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，包括以下步骤：

步骤一，在发送端利用DBD双二进制分解方法将待发送的SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和，并取其中第一个主脉冲信号并抽取非零部分，组成DBD近似估计信号c_k以及伪符号a_k，n；将近似估计信号c_k和伪符号a_k，n作为已知信息与接收端共享；

步骤二，接收端对SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)进行接收，得到接收信号r(t)，然后对r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波信号r_k，n；

步骤三，根据伪符号a_k，n、估计相位以及匹配滤波信号r_k，n，基于PSP逐幸存路径处理方法，利用最大似然序列估计方法计算得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新过往全部时刻的累积路径度量λ；其中，当前时刻r_k，n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，若当前时刻没有相位信息，则将相位修正为0；

步骤四，路径度量计算后，基于PSP逐幸存路径处理方法，对r_k，n进行补偿，得到当前时刻的带有残余频偏的信号x_k，n，利用最大似然估计方法计算得到当前时刻的相位误差e_n(μ_n+1)，并更新下一时刻相位信息；

步骤五，重复步骤二至步骤四，直到统计完成所有时刻的可能路径的路径度量，最后利用Viterbi维特比算法对所有时刻的符号完成解调。

进一步的，步骤一的具体方式为：

根据SOQPSK信号调制的规则，将二进制输入符号b_n∈{1，-1}通过调制得到三进制的SOQPSK信号原始符号α_i：

α_i＝(-1)ⁱ⁺¹(b_i-1)(b_i-b_i-2)/2

其中i为符号引导标记；

利用DBD分解原理将s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和：

其中，M代表总脉冲逼近个数，n代表符号时间点，T为符号长度，p_k，n为与w_k相对应的伪符号；通常M＝2×2^L-1，L为SOQPSK信号约束长度；

取w_k与p_k，n中的部分信息定义近似估计脉冲c_k和伪符号a_k，n：

c_k(t)＝w₀(t+(3+k)T)0＜t＜T，k＝0，1，2，3

a_k，n＝p_0，n-k k＝0，1，2，3。

进一步的，步骤二的具体方式为：

利用4组近似估计脉冲c_k作为滤波器，对接收的信号r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波器结果r_k，n：

r_k，n＝∫r(t)c_k(t-nT)dt k＝0，1，2，3。

进一步的，步骤三的具体方式为：

利用最大似然序列估计方法得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新对应状态的过往全部时刻的累积路径度量λ：

其中，待确定量μ_n＝{b_n-2，b_n-1，b_n}表示n时刻的可能状态，λ(μ_n)表示n时刻μ_n状态对应过往全部的累积路径度量值，表示n时刻的相位估计值；/>表示由μ_n状态转移至μ_n+1的路径度量增益，其中Re{·}表示对象的实数部分，基于PSP逐幸存路径处理方法，当前时刻r_k，n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，其中a_k，n表示状态μ_n转移至状态μ_n+1时，近似脉冲信号w_k对应的伪符号，*表示符号的共轭。

进一步的，步骤四的具体方式为：

基于PSP逐幸存路径处理方法实时更新下一时刻相位信息，μ_n状态的已知函数表示n时刻μ_n状态对应的估计相位，将所对应估计相位对接收信号r_k，n进行的相位补偿，得到拥有残余频偏的信号x_k，n：

其中，j是虚数单位；

对拥有参与频偏的信号x_k，n利用最大似然估计方法进行计算，并更新下一时刻的相位信息

其中，μ_n+1状态的已知函数表示到达μ_n+1之前的状态对应的估计相位，表示n时刻到达μ_n+1状态的相位估计误差信号，γ表示跟踪步长，Im{·}表示对象的虚数部分。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明利用脉冲分解方法，可以用4374个脉冲信号完整的表示SOQPSK信号，但DBD分解中只用到了第一个脉冲信号，且这个脉冲信号占到了总能量的97.6％，在保证准确性的同时大幅度降低了计算复杂度。

2.本发明采用联合相位跟踪与检测技术，利用了全部的路径信息，有利于提高解调算法的准确度，总体上提升了性能。

3.本发明的序列估计与相位估计分别利用的是MLSE概率估计结果的实虚部，充分运算了运算结果并没有增加额外的计算量。

附图说明

图1为本发明实施例中DBD分解近似SOQPSK信号的示意图；

图2为本发明实施例中一维锁相环的原理示意图；

图3为本发明实施例中基于PSP的联合相位与解调估计方法的原理框图；

图4为本发明实施例中基于DBD分解的相位跟踪方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行进一步地详细描述。显然，所描述的实施例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实施例，均属于本发明保护的范围。

一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，该方法首先通过双二进制(DBD)分解技术用双二进制符号来表示四相信号，这有助于相位跟踪与检测时计算复杂度大幅度下降；其次，根据最大似然序列估计(MLSE)对解调时的符号进行解调，并对相位预估并更新相位信息，此相位估计算法在解调时每一步的每一个状态的各个路径都需要进行一次运算，对相位的实时跟踪有助于解调时性能的提高；最后，结合维特比(Viterbi)算法进行解调恢复原始信息。

具体来说，包括以下步骤：

步骤一，在发送端利用DBD双二进制分解方法将待发送的SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和，并取其中第一个主脉冲信号并抽取非零部分，组成DBD近似估计信号c_k以及伪符号a_k，n；将近似估计信号c_k和伪符号a_k，n作为已知信息与接收端共享；

步骤二，接收端对SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)进行接收，得到接收信号r(t)，然后对r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波信号r_k，n；

步骤三，根据伪符号a_k，n、估计相位以及匹配滤波信号r_k，n，基于PSP逐幸存路径处理方法，利用最大似然序列估计方法计算得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新过往全部时刻的累积路径度量λ；其中，当前时刻r_k，n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，若当前时刻没有相位信息，则将相位修正为0；

步骤四，路径度量计算后，基于PSP逐幸存路径处理方法，对r_k，n进行补偿，得到当前时刻的带有残余频偏的信号x_k，n，利用最大似然估计方法计算得到当前时刻的相位误差e_n(μ_n+1)，并更新下一时刻相位信息；

步骤五，重复步骤二至步骤四，直到统计完成所有时刻的可能路径的路径度量，最后利用Viterbi维特比算法对所有时刻的符号完成解调。

进一步的，步骤一的具体方式为：

根据SOQPSK信号调制的规则，将二进制输入符号b_n∈{1，-1}通过调制得到三进制的SOQPSK信号原始符号α_i：

α_i＝(-1)ⁱ⁺¹(b_i-1)(b_i-b_i-2)/2

其中i为符号引导标记；

利用DBD分解原理将s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和：

其中，M代表总脉冲逼近个数，n代表符号时间点，T为符号长度，p_k，n为与w_k相对应的伪符号；通常M＝2×2^L-1，L为SOQPSK信号约束长度；

取w_k与p_k，n中的部分信息定义近似估计脉冲c_k和伪符号a_k，n：

c_k(t)＝w₀(t+(3+k)T)0＜t＜T，k＝0，1，2，3

a_k，n＝p_0，n-k k＝0，1，2，3。

进一步的，步骤二的具体方式为：

利用4组近似估计脉冲c_k作为滤波器，对接收的信号r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波器结果r_k，n：

r_k，n＝∫r(t)c_k(t-nT)dt k＝0，1，2，3。

进一步的，步骤三的具体方式为：

利用最大似然序列估计方法得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新对应状态的过往全部时刻的累积路径度量λ：

其中，待确定量μ_n＝{b_n-2，b_n-1，b_n}表示n时刻的可能状态，λ(μ_n)表示n时刻μ_n状态对应过往全部的累积路径度量值，表示n时刻的相位估计值；/>表示由μ_n状态转移至μ_n+1的路径度量增益，其中Re{·}表示对象的实数部分，基于PSP逐幸存路径处理方法，当前时刻r_k，n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，其中a_k，n表示状态μ_n转移至状态μ_n+1时，近似脉冲信号w_k对应的伪符号，*表示符号的共轭。

进一步的，步骤四的具体方式为：

基于PSP逐幸存路径处理方法实时更新下一时刻相位信息，μ_n状态的已知函数表示n时刻μ_n状态对应的估计相位，将所对应估计相位对接收信号r_k，n进行的相位补偿，得到拥有残余频偏的信号x_k，n：

其中，j是虚数单位；

对拥有参与频偏的信号x_k，n利用最大似然估计方法进行计算，并更新下一时刻的相位信息

其中，μ_n+1状态的已知函数表示到达μ_n+1之前的状态对应的估计相位，表示n时刻到达μ_n+1状态的相位估计误差信号，γ表示跟踪步长，Im{·}表示对象的虚数部分。

本方法在原有维特比解调方案中，利用DBD分解与PSP相位跟踪技术，在维持系统计算复杂度不高的同时，保证了系统的稳定性与准确性。

下面，结合SOQPSK-TG调试方式对上述方法进行详细说明：

步骤一，由于SOQPSK-TG是部分响应信号，其相关长度L＝8，即1个码元周期内的相位状态会被8个码元周期时间长度的频率脉冲所影响。利用最大似然检测会导致解调网格图状态数过大，进而导致解调复杂度过大，难以实际应用。为减小解调复杂度，引入PAM分解，将其SOQPSK信号分解为K个能量最大的脉冲的线性累加和，对于DBD分解，前两个脉冲信号如图1所示，取其中占绝大能量的第一个近似脉冲w₀，并取其不同时刻的部分组成近似脉冲c_k。

其中，T为符号长度，w_k为成形脉冲符号，可由波形脉冲u_d得到，p_k，n为伪导频，可由二进制符号b_n计算得出，计算过程如下

w₀(t)＝u_d(t)u_d(t+T)

波形脉冲u_d可由幅度脉冲q(t)计算得到，u_d与q(t)计算方式如下

其中，h为调制参数，对于SOQPSK信号即取1/2，∫g(t)dt＝1/2。取w₀其中部分信息定义近似估计脉冲c_k，为

c_k(t)＝w₀(i+(3+k)T) 0＜f＜T，k＝0，1，2，3

伪导频p_k，n可用二进制符号b_n表示得到，并取其中部分得到伪导频a_k，n。

a_k，n＝p_0，n-k k＝0，1，2，3

步骤二，对接收器接收到的信号r(t)，以近似脉冲ck作为匹配滤波器，进行匹配滤波得到r_k，n。

r_k，n＝∫r(t)c_k(t-nT)dt k＝0，1，2，3

步骤三，使用以最大似然准则提出的MLSE算法对所接收到的符号进行估计，考虑完整的路径与状态，路径度量λ可表示为

将路径度量λ以T展开可得

每一时刻的路径度量增益Z_n可如下表示

其中，r_k，n是在步骤二中得出的匹配滤波后的离散信号，是表示n时刻μ_n状态对应的估计相位，用估计相位来抵偿接收信号的频偏，得到补偿后信号x_k，n

故对于每一时刻的路径度量的更新可以如下所示

步骤四，同一状态时刻，在MLSE算法计算序列的数据后，用计算结果的虚部来表示相位误差，并用此相位误差对相位信息进行更新。此时整个系统可以看到为锁相环(PLL)系统，其中β与γ为参数。

取β＝0，此时系统可以看作一阶环路，图2展示了等效的一阶环路的PLL系统，相位信息更新公式如下所示

步骤五，因此，接收器每个接收时刻都会更新相位信息，自此残余频偏的问题就得到了解决，再根据每个时刻的DBD分解信息、接受信号以及MLSE算法解调得到的符号以及相位信息，利用Viterbi解调算法恢复原始信息，整个系统操作逻辑如图3所示。

整体方法的流程如图4所示。

以上内容是结合具体的优选实施案例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在发送端利用DBD双二进制分解方法将待发送的SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和，并取其中第一个主脉冲信号并抽取非零部分，组成DBD近似估计信号c_k以及伪符号a_k,n；将近似估计信号c_k和伪符号a_k,n作为已知信息与接收端共享；具体方式为：

根据SOQPSK信号调制的规则，将二进制输入符号b_n∈{1,-1}通过调制得到三进制的SOQPSK信号原始符号α_i：

a_i＝(-1)ⁱ⁺¹(b_i-1)(b_i-b_i-2)/2

其中i为符号引导标记；

利用DBD分解原理将s(t；α)分解为多个脉冲信号w_k的线性累加和：

其中，M代表总脉冲逼近个数，n代表符号时间点，T为符号长度，p_k,n为与w_k相对应的伪符号；通常M＝2×2^L-1，L为SOQPSK信号约束长度；

取w_k与p_k,n中的信息定义近似估计脉冲c_k和伪符号a_k,n，具体如下：

c_k(t)＝w₀(t+(3+k)T)0<t<T,k＝0,1,2,3

a_k,n＝p_0,n-k k＝0,1,2,3；

步骤二，接收端对SOQPSK整形偏移四相相移键控信号s(t；α)进行接收，得到接收信号r(t)，然后对r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波信号r_k,n；

步骤三，根据伪符号a_k,n、估计相位以及匹配滤波信号r_k,n，基于PSP逐幸存路径处理方法，利用最大似然序列估计方法计算得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新过往全部时刻的累积路径度量λ；其中，当前时刻r_k,n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，若当前时刻没有相位信息，则将相位修正为0；

步骤四，路径度量计算后，基于PSP逐幸存路径处理方法，对r_k,n进行补偿，得到当前时刻的带有残余频偏的信号x_k,b，利用最大似然估计方法计算得到当前时刻的相位误差e_n(μ_n+1)，并更新下一时刻相位信息；

步骤五，重复步骤二至步骤四，直到统计完成所有时刻的可能路径的路径度量，最后利用Viterbi维特比算法对所有时刻的符号完成解调。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，其特征在于，步骤二的具体方式为：

利用4组近似估计脉冲c_k作为滤波器，对接收的信号r(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波器结果r_k,n：

r_k,n＝∫r(t)c_k(t-nT)dt k＝0,1,2,3。

3.根据权利要求2所述的一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，其特征在于，步骤三的具体方式为：

利用最大似然序列估计方法得到当前时刻路径度量增益Z_n，并更新对应状态的过往全部时刻的累积路径度量λ：

其中，待确定量μ_n＝{b_n-2,b_n-1,b_n}表示n时刻的可能状态，λ(μ_n)表示n时刻μ_n状态对应过往全部的累积路径度量值，表示n时刻的相位估计值；/>表示由μ_n状态转移至μ_n+1的路径度量增益，其中Re{·}表示对象的实数部分，基于PSP逐幸存路径处理方法，当前时刻r_k,n的相位信息已经过上一时刻的相位修正，其中α_k,n表示状态μ_n转移至状态μ_n+1时，近似脉冲信号w_k对应的伪符号，*表示符号的共轭。

4.根据权利要求3所述的一种基于SOQPSK和PSP的联合相位跟踪检测方法，其特征在于，步骤四的具体方式为：

基于PSP逐幸存路径处理方法实时更新下一时刻相位信息，μ_n状态的已知函数表示n时刻μ_n状态对应的估计相位，将所对应估计相位对接收信号r_k,n进行/>的相位补偿，得到拥有残余频偏的信号x_k,n：

其中，j是虚数单位；

对拥有参与频偏的信号x_k,n利用最大似然估计方法进行计算，并更新下一时刻的相位信息

其中，μ_n+1状态的已知函数表示到达μ_n+1之前的状态对应的估计相位，表示n时刻到达μ_n+1状态的相位估计误差信号，γ表示跟踪步长，Im{·}表示对象的虚数部分。