張建明

一種短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)的自適應(yīng)解調(diào)方法

張建明1,2

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

短時(shí)突發(fā)相移鍵控（PSK）通信具有隱蔽性好、信道利用率高的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。將已調(diào)信號(hào)非線性放大、限幅處理，使其幅度穩(wěn)定在一定范圍，基于鎖相原理得到與已調(diào)信號(hào)同步的本地載波，是PSK信號(hào)解調(diào)相干載波恢復(fù)的常用方法。然而接收信號(hào)的非線性處理，會(huì)使PSK信號(hào)信噪比急劇下降，影響載波相位跟蹤精度，給幀同步信號(hào)生成和碼元抽取帶來(lái)不確定性，導(dǎo)致誤碼率升高。針對(duì)常規(guī)方法存在的問(wèn)題，提出了基于Hilbert變換的短時(shí)PSK信號(hào)自適應(yīng)解調(diào)算法，通過(guò)信號(hào)歸一化，在不降低解調(diào)信號(hào)信噪比情況下，確保載波恢復(fù)運(yùn)算不受數(shù)據(jù)信號(hào)幅度的影響，具有恢復(fù)速度快、跟蹤精度高、幀同步信號(hào)解調(diào)可靠、碼元采樣時(shí)間準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)；Hilbert變換；載波恢復(fù)

0 引言

短時(shí)突發(fā)相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）信號(hào)的主要特征是持續(xù)時(shí)間短，發(fā)送時(shí)隙隨機(jī)，載波相位隨基帶信號(hào)變化，是相位不連續(xù)的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制，只在需要的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了功率和信道資源，具有抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。短時(shí)突發(fā)PSK通信以數(shù)據(jù)包為單位傳遞信息，為確定數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)刻，通常會(huì)在數(shù)據(jù)包中插入一段訓(xùn)練序列，接收端利用該序列完成數(shù)據(jù)包的幀同步，前一數(shù)據(jù)包的同步信息往往不能被下一個(gè)數(shù)據(jù)包所用，每個(gè)數(shù)據(jù)包都需要重新估計(jì)同步參數(shù)。

實(shí)際信號(hào)傳輸中，由于接收端本地信號(hào)與發(fā)送端載波信號(hào)存在相位誤差，會(huì)使解調(diào)信號(hào)出現(xiàn)畸變。因此，幀同步信號(hào)解調(diào)和接收端本地載波跟蹤與恢復(fù)成為短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)解調(diào)的關(guān)鍵。

為確保信號(hào)解調(diào)動(dòng)態(tài)，傳統(tǒng)解調(diào)方法首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行高增益放大，然后再對(duì)放大信號(hào)限幅處理，使信號(hào)幅度保持穩(wěn)定，確保本地載波相位跟蹤精度及碼元抽樣的準(zhǔn)確。這種解調(diào)方法存在以下幾方面不足。

1）載波跟蹤精度低，解調(diào)誤碼率高。

采用先放大、后限幅的處理方法，不僅增加了硬件電路，而且要求限幅輸出信號(hào)的穩(wěn)定性較高，這樣才能確?；陂T限抽樣、檢測(cè)的相干解調(diào)；同時(shí)，對(duì)大功率信號(hào)限幅處理，一般只對(duì)有用信號(hào)起作用，而噪聲信號(hào)變化并不明顯，會(huì)增加高次諧波，這些必然引起解調(diào)信號(hào)信噪比下降，影響本地載波跟蹤精度，導(dǎo)致誤碼率升高。

2）本地載波恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)

突發(fā)通信信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、載頻變化較大，要求鎖相環(huán)有較大的捕獲帶寬，捕獲帶寬的增加勢(shì)必會(huì)影響到載波跟蹤精度和載波恢復(fù)速度，影響數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)。

1 短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)解調(diào)方法

1.1 解調(diào)原理

為解決傳統(tǒng)PSK信號(hào)解調(diào)不足，提出PSK信號(hào)自適應(yīng)解調(diào)方法：首先對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，獲得PSK信號(hào)的包絡(luò)信息，以信號(hào)幅度作為鎖相環(huán)載波恢復(fù)的歸一化參數(shù)，確保載波恢復(fù)運(yùn)算不受數(shù)據(jù)信號(hào)幅度的影響；然后通過(guò)PSK信號(hào)頻率粗測(cè)，開(kāi)展鎖相環(huán)載波跟蹤與恢復(fù)及幀同步信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)的自適應(yīng)解調(diào)。該方法可自動(dòng)調(diào)節(jié)用于數(shù)據(jù)解調(diào)信號(hào)幅度，具有載波恢復(fù)速度快、跟蹤精度高、幀同步信號(hào)解調(diào)可靠、碼元采樣時(shí)間準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，可對(duì)一定動(dòng)態(tài)范圍的PSK信號(hào)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)解調(diào)。

下面以差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）信號(hào)為例說(shuō)明PSK解調(diào)過(guò)程，原理如圖1所示，其中數(shù)控振蕩器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）用于生成本地載波 信號(hào)。

圖1 短時(shí)突發(fā)DPSK信號(hào)解調(diào)原理圖

1.2 基于Hilbert變換PSK信號(hào)歸一化

1.2.1 信號(hào)幅度解調(diào)

1.2.2 信號(hào)Hilbert變換

2）令

1.2.3 PSK信號(hào)歸一化

1.3 載波頻率粗測(cè)

在無(wú)線通信中，接收端本地載波只有與輸入信號(hào)同頻、相位同步，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相干解調(diào)。然而，由于發(fā)送端與接收端本地載波頻率不一致，以及接收端與發(fā)射端的相對(duì)移動(dòng)，會(huì)引起接收和發(fā)射信號(hào)頻率差異。同時(shí)，信號(hào)在空間傳輸過(guò)程中，由于多徑效應(yīng)的影響，接收端對(duì)多徑信號(hào)的疊加，也會(huì)使接收信號(hào)的載波頻率相位和碼元發(fā)生偏移。

一般來(lái)說(shuō)，在PSK信號(hào)相干解調(diào)中，初始頻偏越大，鎖相環(huán)環(huán)路捕獲時(shí)間就越長(zhǎng)，甚至不能進(jìn)入捕獲帶，嚴(yán)重時(shí)不能實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)。設(shè)計(jì)時(shí)，如果增大鎖相環(huán)的捕獲頻帶，則會(huì)降低載波恢復(fù)精度，引起解調(diào)誤碼率增大。因此，在短時(shí)PSK通信中，首先對(duì)輸入信號(hào)載波頻率粗測(cè)，再進(jìn)行精確跟蹤，可以有效解決捕獲帶和頻率跟蹤精度的矛盾。

1.4 幀同步自適應(yīng)門限解調(diào)輸出

1.4.1 鎖相環(huán)本地載波跟蹤與恢復(fù)

鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）是閉環(huán)控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地載波恢復(fù)信號(hào)相位同步，通過(guò)比較輸入信號(hào)和NCO相位差，調(diào)整其輸出頻率，直至輸入信號(hào)相位與接收端本地NCO相位差穩(wěn)定在一定范圍，使輸入調(diào)制信號(hào)與本地振蕩器輸出信號(hào)的相位保持同步。

設(shè)輸入PSK信號(hào)為

輸入PSK信號(hào)正交變換后的信號(hào)為

NCO輸出信號(hào)為

將式（10）和式（11）信號(hào)相乘，經(jīng)過(guò)環(huán)路低通濾波，得到NCO本地振蕩器的控制量

1.4.2 幀同步信號(hào)解調(diào)

短時(shí)突發(fā)信號(hào)一般以數(shù)據(jù)包為單位傳遞信息，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼元最佳采樣，一般會(huì)有數(shù)據(jù)包同步信號(hào)，也就是幀同步。Baker碼具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)非周期序列，是常用的幀同步碼組序列。

Baker碼識(shí)別器比較容易實(shí)現(xiàn)，以5位Baker碼為例，如圖2所示，可由5級(jí)移位寄存器、相加器和判決器組成，各移位寄存器輸出段的接法和Baker碼的規(guī)律一致，這樣識(shí)別器實(shí)際上就是對(duì)Baker碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)Baker碼正好全部進(jìn)入移位寄存器時(shí)，移位寄存器輸出端輸出都為+1，相加后得到最大輸出5，若判決器的判決門限為+4，那么就在5位Baker碼的最后一位進(jìn)入識(shí)別器時(shí)，識(shí)別器輸出一幀同步脈沖表示一幀的開(kāi)始，作為每一功能段的幀同步信號(hào)。

圖2 5位Baker碼識(shí)別器原理圖

由于解調(diào)后的幀同步相關(guān)運(yùn)算峰值與PSK信號(hào)碼元相關(guān)，對(duì)相關(guān)運(yùn)算峰值信號(hào)按碼元長(zhǎng)度延遲，就可在“最佳時(shí)刻”對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣、判決，也就得到一個(gè)位同步定時(shí)抽樣脈沖，其速率與發(fā)送的基帶信號(hào)一致。

1.4.3 幀同步自適應(yīng)檢測(cè)門限的確定

1.5 數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)輸出

結(jié)合幀同步信號(hào)解調(diào)及已知信號(hào)碼元寬度，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣、判決斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)。

2 微波著陸信號(hào)解調(diào)仿真分析

2.1 微波著陸信號(hào)特性

微波著陸信號(hào)是典型的短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)，采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，角度制導(dǎo)和數(shù)據(jù)信息都在同一頻率上發(fā)射，不同功能信號(hào)占有自己的時(shí)隙。在每個(gè)發(fā)射時(shí)隙前部均采用DPSK調(diào)制的前導(dǎo)碼來(lái)區(qū)分不同的功能塊。其中數(shù)據(jù)信息用于向飛機(jī)提供用于精密進(jìn)近和著陸的必要信息，包括基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字。

基本數(shù)據(jù)字包括地面設(shè)備識(shí)別、信號(hào)覆蓋范圍、可用最低下滑角、設(shè)備性能級(jí)別和所用頻道等于著陸直接有關(guān)的數(shù)據(jù)；輔助數(shù)據(jù)一般包括地面設(shè)備的安裝狀況、航空氣象情報(bào)、跑道狀況及其他補(bǔ)充 信息。

基本數(shù)據(jù)字共有6個(gè)，每個(gè)字占32位，其中前12位為前導(dǎo)碼，最后2位為奇偶校驗(yàn)位，其余構(gòu)成若干信息段。輔助數(shù)據(jù)字又分為A、B、C三類，每類最多可達(dá)64個(gè)字，每個(gè)字占76位，其中前12位是前導(dǎo)碼，隨后是8位地址碼，中間部分是數(shù)字信息，最后7位是奇偶校驗(yàn)位。

2.2 基本數(shù)據(jù)字1的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下面以微波著陸基本數(shù)據(jù)字1解算為例，說(shuō)明PSK信號(hào)自適應(yīng)解調(diào)方法?；緮?shù)據(jù)字1信息時(shí)長(zhǎng)3.1 ms（包括832 μs載波捕獲段），碼元寬度為 64 μs。分析中，數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)定如表1所示。

表1 基本數(shù)據(jù)字1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

注：13+14+…+30+31為奇數(shù)，14+15+…+30+32為偶數(shù)。

這樣基本數(shù)據(jù)字1的數(shù)據(jù)內(nèi)容為：[11101 0101000 011110 10101 101010010]，共32位。

2.3 信號(hào)采樣

對(duì)構(gòu)造出的基本數(shù)據(jù)字1信號(hào)進(jìn)行采樣：

1）載波頻率：800 kHz；

2）信噪比：15 dB；

3）采樣率：10 MHz。

2.4 信號(hào)解算

2.4.1 基于Hilbert變換的信號(hào)歸一化

圖3 基本數(shù)據(jù)字1的Hilbert變換

圖4 基本數(shù)據(jù)字1的Hilbert變換局部放大

圖5 幅度解調(diào)信號(hào)

圖6 歸一化已調(diào)信號(hào)

2.4.2 PLL本地初始載波頻率的確定

對(duì)歸一化后的信號(hào)做256點(diǎn)功率譜密度分析，如圖7所示，當(dāng)頻率820.31 kHz功率譜密度最大，以該頻率作為PLL本地載波的初始頻率。

圖7 信號(hào)的功率譜密度

2.4.3 基帶信號(hào)解算

圖8 載波相位跟蹤誤差

圖9 同相支路信號(hào)/正交支路信號(hào)

圖10 同相信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后的基帶信號(hào)

2.4.4 幀同步信號(hào)解算和數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)

解調(diào)得到的數(shù)字基帶信號(hào)需要通過(guò)幀同步、抽樣及碼變換，才能得到所需的數(shù)據(jù)信息。這里，將解調(diào)后的基帶信號(hào)與5位標(biāo)準(zhǔn)Baker碼[11101]進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，輸出信號(hào)峰值作為碼元抽樣的時(shí)間基準(zhǔn)，即碼元提取時(shí)鐘的幀同步信號(hào)，如圖11所示。

圖11 相關(guān)運(yùn)算幀同步信號(hào)解調(diào)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于信號(hào)Hilbert變換的PSK信號(hào)相干解調(diào)方法，首先對(duì)解調(diào)信號(hào)幅度進(jìn)行歸一化處理，避免了傳統(tǒng)載波恢復(fù)方法中對(duì)輸入信號(hào)幅度有嚴(yán)格要求的問(wèn)題，對(duì)歸一化數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行載波相位跟蹤，得到與輸入信號(hào)載波相干的本地載波，通過(guò)幀同步解算和碼元抽樣，實(shí)現(xiàn)PSK信號(hào)解調(diào)。

短時(shí)突發(fā)PSK信號(hào)自適應(yīng)解調(diào)方法與傳統(tǒng)解調(diào)算法相比，可有效減小數(shù)據(jù)信號(hào)載波捕獲時(shí)間、提高時(shí)間利用率，具有良好的載波跟蹤與恢復(fù)性能，該方法適應(yīng)于信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、載頻變化大的突發(fā)通信，對(duì)跳頻、QPSK多相調(diào)制中接收機(jī)本振信號(hào)的產(chǎn)生也具有一定的參考意義。

[1] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

[2] 吳大正. 信號(hào)與線性系統(tǒng)[M]. 北京：高等教育出版社，1993.

[3] 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[4] 蘇曉生. 掌握MATLAB 6.0及其工程應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 丁玉美，高西全. 數(shù)字信號(hào)處理[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6] 趙龍. PSK信號(hào)盲解調(diào)的Matlab仿真與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子科技，2014（10）：84-86.

[7] 邢添翔. 非協(xié)作通信PSK信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2015（3）.

[8] 張建明. 數(shù)字costas鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航，2010（5）：25-28.

[9] 梁聰. 短時(shí)突發(fā)信號(hào)解調(diào)算法研究[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2011.

[10] 張永光. 一種非合作通信幀同步分析方法[J]. 通信對(duì)抗，2016（1）：1-4.

[11] International Civil Aviation Organization. Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation Aeronautical Telecommunications，Volume I Radio Navigation Aids[S]. International Civil Aviation Organization，2018（7）.

Demodulation Algorithm of Short-Term Sudden PSK Signal

ZHANG Jianming

Short-term sudden Phase Shift Keying (PSK)communication has the characteristics of good concealment and high channel utilization, which is widely used in military and civilian fields. By amplifying and limiting the modulation signal to stabilize its amplitude in a certain range, basing on the principle of phase-locked loop to obtain the local carrier synchronized with the PSK signal is the most commonly used carrier recovery method. However, nonlinear processing of the received PSK signal will cause a sharp decline in signal-to noise ratio of modulation signal, resulting in an increase in bit error rate. It affects the carrier phase tracking accuracy, brings uncertainty to frame synchronization signal generation and code element calculation uncertain. In response to the problems of this method, based Hilbert transformation, an adaptive PSK signal demodulation method is proposed to ensure that the carrier recovery operation is not affected by data signal amplitude. The method does not reduce signal-to-noise ratio of PSK signal. Compared with traditional method, the algorithm can adaptive adjust the signal amplitude and has the advantages of rapidly carrier wave tracking, reliable frame synchronization demodulation and accurate of code element sampling.

Short-Term Sudden PSK Signal; Hilbert Transformation; Carrier Wave Recovery

TN911

A

1674-7976-(2023)-06-435-07

2023-06-19。

張建明（1968.05—），山西平遙人，高級(jí)工程師（研究員級(jí)），主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電導(dǎo)航。