一种实用的MPSK/TDMA突发信号盲解调方案

杜　谦

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种实用的MPSK/TDMA突发信号盲解调方案

杜谦

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要针对时分多址(TDMA)目标的信号参数完全未知的情况，提出了一种MPSK/TDMA突发信号盲解调方案。该方案采用基于独特字的信号盲检测算法对突发信号进行了正确检测，采用改进修正协方差法来精确估计载波，采用基于非线性变换方法来精确估计MPSK信号的符号速率。设计了一种前馈法的载波同步和码元同步算法，实现了MPSK/TDMA突发信号的盲解调。理论分析和仿真试验表明，该方案具有良好的工程应用性能。

关键词MPSK信号；TDMA体制；突发信号；盲解调

A Practical Scheme for Blind Demodulation of MPSK/TDMA Burst Signals

DU Qian

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of TDMA target signal parameter completely unknown,a kind of blind demodulation scheme of MPSK/TDMA burst signals is put forward.In this scheme,a blind detection algorithm based on unique word is used to correctly detect burst signals,an improved modified covariance method is used to accurately estimate the carriers,and a nonlinear transformation algorithm is used to accurately estimate the symbol rate of MPSK signal.A feedforward method with carrier synchronization and code synchronization algorithm is designed to realize blind demodulation of MPSK/TDMA burst signals.The theoretical analysis and simulation experiment results show that this scheme has better performance in engineering application.

Key wordsMPSK signal;TDMA technique;burst signals;blind demodulation

0引言

TDMA卫星通信的多站间通信仅需一个载波，该载波按照时间划分为不同的时隙，多个时隙构成一帧。每帧设置一个时隙为参考基准，由参考站发送，其他站以此为时间基准，在指定的时隙发送突发信号。显然，TDMA多址通信信号是典型的突发通信。本文针对同步轨道卫星通信中的某一类TDMA信号，设计了在非合作通信条件下MPSK/TDMA突发信号盲解调方案。

由于卫星TDMA信号[1-3]传输的通常是短突发数据，首先要解决的就是突发信号的盲检测问题。对侦收的TDMA卫星信号进行信号检测时，要检测出信号出现和信号结束的时刻，才能对信号进行解调接收。本方案中突发信号检测采用了基于独特字的检测方法，比基于信号能量的双滑动窗算法，对信号检测更具有针对性，提高了对特殊信号检测的概率和准确度。对于非通信合作方而言，在未知约定的载波恢复/码元定时序列的条件下，要实现对TDMA信号的解调，就必须精确估计出TDMA信号参数的各个调制参数。本文采用了基于改进修正协方差法的MPSK类信号的载波频率的精确估计和基于非线性变换的符号周期估计方法实现了调制参数的盲估计。最后，在信号盲检测和参数盲识别的基础上，设计了一种前馈法载波同步和码元同步算法，实现了MPSK/TDMA突发信号的盲解调。

1突发信号的盲检测算法

1.1基于信号能量的检测算法

根据对目标信号的分析，每个用户突发数据的结尾没有特定的标志，对帧结束的检测只能使用基于能量的双滑动窗算法[4]。

双滑动窗检测算法是由2个同样长度连续的单滑动窗构成(以帧长N序列为例)，即一个从帧头开始以有效段长N/2作为第1个窗，后N/2作为第2个窗；分别求取2个窗内数据的能量及2个窗的能量差；每计算一个值，2个窗向后滑动一定的步长，这样当2个窗都有信号或都没有信号时，其能量差是一个比较小的数据，当2个窗的分界位置正好滑动到数据的结束位置时，即一个窗内存在信号，另一个窗内只有噪声，2个窗的能量差达到最大。通过检测能量差的峰值就可以检测到信号的截止位置。这样相当于检测的信噪比增加了2倍。滑动窗的长度根据突发之间的间隙选取，滑动的步长根据突发的间隙选择。

当双滑动窗的分界位置正好处于信号的起始位置时，信号的起始位置也可能检测到，这时利用相关峰检测到的起始位置以及帧长的先验信息就可以排除掉起始位置，而只保留有效的截止位置。

1.2基于独特字的检测算法

通过对目标信号的调研和对截获信号的分析，发现不同用户及主站数据突发的开始部分中都存在一个独特码，所以可以利用这些独特码的尖锐的自相关特性进行信号起始位置的检测[5,6]。

信号检测使用基于相位搜索的滑动相关同步法，采用基于滑动相关同步法的相关积累技术来捕获同步头。

设本地报头序列为c(t)，设其码元宽度为τ0，则它与自身延迟的相关函数可以表示为：

(1)

当c(t)长度为N时，有

(2)

由相关检测的公式可以看出，当本地独特码序列与接收序列对齐时相关值最大，而其他情况相关值很小。信号相关检测原理框图如图1所示。

图1　信号相关检测原理

为了消除载波频偏对相关特性的影响，首先将接收的信号变至零中频，然后延迟一个符号共轭相乘、低通滤波得到基带信号；对本地独特字序列进行差分(使用本地符号延迟相乘来实现)，然后对差分后数据进行与接收信号相同调制样式的调制；将接收信号的差分信号与本地调制信号进行滑动互相关，若相关系数出现的峰值大于设定的门限，则判为信号出现，即可找出一个突发帧的起始位置。

2突发信号的调制参数估计方法

2.1载波频率估计算法

2.1.1频率粗估计

对变频后的信号首先校正较大的频偏，使用无数据辅助、无定时信息的采样数据，利用延迟相乘的开环方法进行载波频率的粗估计。

开环估计[7,8]的方法需要的延迟是L0个符号周期，L0是用来估计频偏的符号个数。估计的方案是基于电压统计的信息。

假设接收信号经过低通滤波后为：

(3)

信号延迟相乘后得到电压项z(t)，通过求取z(t)的期望，并求期望信号的相角就可以得到信号的频偏的估计值：

(4)

它的数字实现公式为：

(5)

注意，当2πνΔT接近π或者-π时，估计的结果可能有误，当ν在±1/(2ΔT)范围内时，估计值与真实值一致。

2.1.2载波频率相位精细估计算法

假设接收信号中存在的频偏为ν，匹配滤波器输出为：

y(k)=ckej[2πν(kT+τ)+θ]+n(k)。

(6)

y4(k)=ej[8πν(kT+τ)+4θ]+n′(k)。

(7)

式中，n′(k)是信号和噪声乘积以及噪声乘积和的噪声项。在y4(k)中已经没有调制信号了。另外，

[y(k)y*(k-1)]4=ej8πνT+n″(k)。

(8)

式中，[y(k)y*(k-1)]4是ej8πνT的估计值。精确估计可以通过多次平均平滑得到：

(9)

式(9)右面的后一项的幅度比前一项小很多，则有

(10)

由于arg{·}的范围为±π，估计的范围为±1/(8T)。

这种方法可以扩展到MPSK中，则调制信号需要y(k)做M次方去掉，即

yM(k)=ej[2Mπν(kT+τ)+Mθ]+n′(k)，

(11)

(12)

2.2码元同步参数估计

在突发通信系统中，为了提高突发通信的效率，必须缩短解调器提取时钟同步信号所需时间。解调方案中增加了定时偏差估计模块，首先估计出定时的初始相位，再进入定时跟踪环节，减少了定时同步捕获的时间。

利用Oerder&Meyr[10,11]算法实现码元同步参数的估计，Oerder&Meyr算法利用了接收信号的循环周期特性估计码元同步参数τ，该方法采用前馈的方式通过处理接收信号的采样点获得码元同步误差的估计，非常适合突发信号的解调，在一个时隙持续时间较短的TDMA系统中一个时隙内仅需估计一次就足够了。对每个时隙持续时间比较长的突发信号，可以将信号划分为长度为L1=T1/T的数据块，逐块处理。T1为观测间隔，L1为以码元周期为度量单位的观测间隔。该算法的原理框图如图2所示。

图2　Oerder&Meyr算法原理

则

若N=T/Ts，则xm={x(nTs)}mL1N≤n<(m+1)L1N。

频谱分量1/T对应的傅里叶系数表示为：

3MPSK/TDMA突发信号解调方案

对连续传输的MPSK信号，通常采用锁相环路等反馈法实现载波同步和码元同步。反馈环路算法具有良好的跟踪性能，但需要有很长的捕获时间，因此不适于突发持续时间较短的TDMA数据传输。相比而言，前馈法载波同步和码元同步算法所需要的捕获时间短，更适于突发信号的解调。

针对包括BPSK、QPSK信号的突发MPSK信号，采用相干解调[12]方式，在码元同步前首先进行码元同步初始参数估计，在载波同步前首先进行载波同步初始参数估计，保证同步环路直接进入跟踪环路，减少了捕获的时间。解调原理如图3所示。

图3　MPSK信号解调原理

首先对I/Q两路信号进行滤波，然后进行突发信号的检测，在检测到信号后，对中频信号需要先进行下变频滤波，对零中频信号可以跳过此步骤，进行频率的粗估计，并校正较大的频偏，接着进行码元偏差的估计和码元同步、载波频率和相位偏差的精估计和载波同步，然后进行判决，最后得到数字码流。

4仿真结果分析

针对采集的Linkway数据进行信号检测解调试验，信号采样率为10 MHz，符号速率为2.5 MHz，调制样式为QPSK。解调针对输入的每段数据首先进行信号检测，并与上一段数据结合判断是否初始化相应的参数，对信号载频进行估计并对频偏补偿，对符号的初始相位估计，并使用内插算法的符号同步环路进行符号同步，最后使用载波环路进行载波频率和相位的跟踪。

使用相关检测算法得到的相关曲线如图4所示。

图4　使用相关检测算法得到的相关曲线

大于门限的峰值对应独特码的起始位置，通过对Linkway的协议分析，独特码前包含127个符号的1 010序列，向前移动504个样点得到信号的起始位置。使用双滑动窗得到的曲线，均衡分析时隙间隔中无信号长度为384个样点，以及尽量减少窗内能量抖动的原则，选取每个窗长为250个样点。窗口滑动的补偿选择1个样点。频率粗估计得到信号的频偏为228.939 5 Hz。针对第2段数据解调得到的星座图如图5所示。

图5　对第2段数据解调得到的星座图

5结束语

针对同步轨道卫星通信中的某一类TDMA信号，提出了一种MPSK/TDMA突发信号盲解调方案。该方案中实现了对接收信号进行盲检测，以确定信号在什么时间段出现或存在；对接收到的突发信号进行精确的参数估计，测量出发射信号时所采用的调制参数，如信号的带宽、载波频率、符号速率和调制方式等；引导MPSK专用解调器在信号参数精确估计的基础上，实现载波同步和符号同步和，从而完成对TDMA突发信号的正确接收。工程实践中采用截获到的TDMA实际卫星通信数据对该方案中的各种算法进行了验证，能够达到较好的盲解调效果。

参考文献

[1]王俊蕊.低轨卫星TDMA信号侦收解调算法设计[J].无线电工程，2008，38(3)：51-53.

[2]周文玉.TDMA卫星通信系统突发同步的性能研究[J].无线电通信技术，2009，35(3)：26-28.

[3]刘军.TDMA/SS系统同步技术[J].陕西天文台台刊，2001(1)：65-72.

[4]何玉红.基于双滑动窗的TDMA信号盲检测算法实现[J].通信技术，2012，38(6)：71-72.

[5]张炬.TDMA和CDMA通信系统关键技术研究[D].西安：电子科技大学，2004：26-48.

[6]吴团锋.π/4-DQPSK信号的多普勒频移快捕和跟踪[J].无线电通信技术，2011，37(5):9-11.

[7]王素萍.一种用于低速卫星通信系统的校频算法[J].无线电工程，2007，37(5)：55-56.

[8]罗飞腾.适于机动TDMA卫通站的开环网络同步方法[J].无线电通信技术，2013，39(3)：21-22.

[9]李腾飞.突发8PSK信号载波同步算法研究[J].无线电工程，2013，43(3)：30-31.

[10]梁侠.800Mb/s高速解调器的定时恢复算法及实现研究[J].现代电子技术，2007(23)：1-3.

[11]薛泽春.应用连续墨西哥帽小波变换对弱信号提取分析研究[J].重庆文理学院学报，2012(10)：80-81.

[12]杨全.QPSK信号非相干和相干解调算法的研究[J].中国新通信，2013(9)：38-39.

杜谦男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：通信对抗、现代信号处理技术和无线通信系统等。

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-12-22

中图分类号TN911

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0015-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.05

引用格式：杜谦.一种实用的MPSK/TDMA突发信号盲解调方案[J].无线电工程,2016,46(3):15-17,61.