一种突发通信信号检测与频偏估计算法

姚国义，李 鑫，兰瑞田

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.石家庄职业技术学院，河北石家庄050081;3.天津水务局，天津300074)

0 引言

在突发通信中，发射端一般采取数据前加同步头的突发方式，接收端的首要任务是对接收数据的起点进行检测，即突发信号检测。突发信号检测可以描述为一个二元假设检测问题，即通过判断判决变量是否超过预定门限值来检测突发信号的有无。

在通信系统中，由于收发本振频率之间存在频差，而且一般系统还存在着较大的多普勒频移，因此在点对点的突发通信中，每次突发同步都需要进行载波频偏的计算和校正。

π/4 DQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种线性数字调制技术，由于它具有频谱特性好、频谱利用率高、抗多普勒频移等显著特点，在移动通信、卫星通信中得到了广泛应用［1，2］。

主要讨论在π/4 DQPSK调制方式、数据速率为2.4 kbps、同步头为“0101……”码突发方式下，接收端对同步头做FFT来进行信号检测和频偏估计。

1 信号模型

信号传输模型如图1所示［3］。

图1 信号传输模型

采用图1所示的信号传输模型，同步头序列设计为“001100110011……”，变为 I和 Q两路均为“010101……”。

对用户数据和同步头进行复接，再经串并转换(实现π/4-DQPSK调制)和成形滤波，得到S1(t)，然后通过发中频模块得到S(t)。S(t)进入信道传输，再通过收中频模块变为模拟基带信号r1(t)。

对r1(t)进行A/D变换和数字下变频，然后对rk进行信号检测和频偏估计，待匹配滤波和定时估计完成后，最后进行差分解调，恢复出原始信息。

以同步头L=32符号为例，8倍采样，滚降系数为1，Es/N0=5 dB，无频偏时对同步头做256点FFT变换到频域，其频谱特性如图2所示［5］。

图2 同步头频谱特性

图2中幅度较高的谱线为同步头信号的特征谱线，其幅度表征为信号功率，其余谱线幅度表征为噪声功率。突发帧信号检测需要设定判决门限，即信号与噪声总功率与纯噪声功率的比值，可根据仿真结果设定门限值。有频偏和无频偏特征谱线之间的相对位置决定了频偏的大小，再经数字下变频消除频差。

假定数据速率为2.4kbps，8倍符号采样，做256点FFT，硬件实现时，可用高倍时钟做FFT运算，对接收数据进行滑动，每接收到一个符号做一次FFT，做 FFT用的时钟为2.4 kbps×8×256=4.9152 MHz。突发帧到来之前为纯噪声，FFT的输出也为噪声，不会出现信号的特征谱线，随着做FFT突发帧同步头符号的增加，FFT输出信号的特征谱线，根据判决门限即可进行信号检测，同时根据特征谱线的相对位置完成载波频率估计。

2 算法描述与仿真

基于数据辅助的信号检测采用频域检测法［3］，将接收信号变换到频域，通过计算辅助数据特征谱功率值与纯噪声功率值的比值，这个比值较小时认为是噪声，较大时认为检测到信号。以同步头L=32符号为例，8倍采样，考虑到时域与频域等效，以下从频域对算法［4］进行分析:

①对接收信号求FFT，计算信号频谱:

②计算接收信号功率:

④计算纯噪声功率:

⑤判断比值:

将接收信号总功率与纯噪声功率的比值与设定门限比较，大于门限则表明检测到突发信号，小于门限则表明接收到的信号为纯噪声。

下面给出仿真结果。仿真条件:调制方式为π/4-DQPSK，8倍符号率采样，信号成形采用平方根升余弦脉冲，滚降系数为1，Es/N0=5 dB，同步头符号数L=32，归一化频偏假设为1/4，计算256点FFT，全部用上32个符号同步头，估计次数为500次。门限判决仿真如图3所示。

图3 门限仿真结果

因设定的门限是功率相对值，与接收信号电平无关，可通过仿真确定判决门限。由图3可知，门限值可选为50，当Pt/Pn＞50时，则认为检测到信号，若Pt/Pn＜50时，则认为是纯噪声，表明没有突发信号到来。

在信息前插入同步头序列，通过对接收到的前导码序列进行复数FFT运算，得到其频谱。根据频域功率谱线的相对位置计算出频差，从而调整载波输出频率，减小频偏值［5］。

有频偏时同步头的特征谱线与无频偏时相比，最大点的位置会发生变化，这是由信道频偏引起的。假设特征谱线中最大点的位置相对无频偏时偏移为k，则其对应频率为k/N×fs(N为FFT点数，fs为采样频率)，即为估计出的频偏值。

3 结束语

从仿真结果可以看出，提出的算法能够利用32个同步头符号，获得较好的信号检测性能和较为精确的频偏估计，可以满足突发通信的要求。算法实现简单，易于硬件编程实现。

［1］ 廖鹰梅，邢晓燕，田敏．π/4-DQPSK调制技术的仿真及实现［J］．大众科技，2009(9)：13 －14．

［2］ 宋文姝，张天骐，林孝康．π/4-DQPSK调制解调技术的仿真及分析［J］．计算机仿真，2006(8)：138 －141．

［3］ 杜丹，潘申富，江会娟，等．一种突发通信信号的检测及位定时估计算法［J］．无线电通信技术，2007(1)：17 －18．

［4］ 叶淦华，张邦宁，陆锐敏．基于FFT的校频技术及其FPGA实现［J］．电子工程师，Feb．2007，33(2)：31 －34．

［5］ 王琥．FFT校频技术及其FPGA实现［J］．现代电子技术，2004(24)：93 －94．

［6］ 冯文江，王红霞，侯剑辉，等．一种适合突发通信的信号检测改进算法［J］．重庆大学学报(自然科学版)，2007，30(2)：58 －60．

［7］ 曹志刚．现代通信原理［M］．北京：清华大学出版社，1992．

［8］ 周国安，范惠芳．一种突发通信的时间信号快速提取方法［J］．无线电工程，2000，30(7)：37 －39．

［9］ 韩腾飞，陈卫东．基于高阶累积量的突发信号检测技术［J］．无线电通信技术，2013，39(2)：72 －74．

［10］陈寅健，李荔，杨根庆．一种用于突发通信的全数字解调器设计［J］．无线电通信技术，2000，9(3)：32 －36．