魏宇培，梁先明，廖龍靈

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

海事三代衛(wèi)星移動(dòng)通信的申請(qǐng)/業(yè)務(wù)等信號(hào)幀往往采用短時(shí)突發(fā)的信號(hào)形式，對(duì)于此類信號(hào)的檢測(cè)不能采用連續(xù)信號(hào)的頻譜檢測(cè)方式，要求從信號(hào)時(shí)域上能準(zhǔn)確檢測(cè)出信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，否則將會(huì)影響到信號(hào)的解調(diào)結(jié)果。第三代海事Mini－M 標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)信號(hào)，每幀偏移四相相移鍵控(OQPSK)調(diào)制突發(fā)信號(hào)幀頭有專門的特征字(UW);第四代海事寬帶全球局域網(wǎng)(BGAN)系統(tǒng)中有16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調(diào)制方式，每個(gè)時(shí)分多址(TDMA)突發(fā)信號(hào)也有UW 特征字;第四代海事Isat 系列TDMA 幀同樣也有專門的訓(xùn)練序列。這些特征字或者訓(xùn)練序列不僅可用于進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，還可進(jìn)行突發(fā)信號(hào)的載頻及相位估計(jì)。在上述常規(guī)的協(xié)同通信過程中通?？梢酝ㄟ^雙方協(xié)議測(cè)試出頻偏和信號(hào)動(dòng)態(tài)造成的影響;而如果在一些非協(xié)同的偵察領(lǐng)域，偵察終端可能裝備于高速平臺(tái)，可能會(huì)存在以下幾個(gè)問題:一是非全概率截獲信號(hào)，通常只能接收到信號(hào)的一部分片段;二是存在著較大的多普勒頻偏和信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。因此，這種偵察處理領(lǐng)域要求結(jié)合快速測(cè)頻和捕獲方法達(dá)到信號(hào)的高效檢測(cè)和解調(diào)。對(duì)于上述問題，要求偵察終端能夠快速有效地進(jìn)行突發(fā)信號(hào)檢測(cè)、解調(diào)環(huán)路的快速鎖定。

對(duì)于突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)最常用的方法是短時(shí)能量法［1］，該方法通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)能量和噪聲能量比值來(lái)判斷，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］將語(yǔ)音信號(hào)處理中的譜嫡法引入到通信信號(hào)檢測(cè)中，提出了一種基于觀測(cè)數(shù)據(jù)短時(shí)傅氏變換幅度譜嫡值的檢測(cè)算法，可以實(shí)現(xiàn)低信噪比下的信號(hào)檢測(cè)，但是作為一種自適應(yīng)門限檢測(cè)算法，其中排序運(yùn)算大大增加了處理的復(fù)雜度，不適用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。本文重點(diǎn)從工程實(shí)用角度出發(fā)，對(duì)于突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)借助能量檢測(cè)法結(jié)合匹配濾波法的方式提高檢測(cè)概率，突發(fā)信號(hào)的解調(diào)首先借助前饋方式準(zhǔn)確估計(jì)出信號(hào)的載波頻率、載波初相以及定時(shí)位置，然后將前饋估計(jì)的參數(shù)預(yù)置到載波同步環(huán)路和定時(shí)同步環(huán)路，從而達(dá)到快速載波鎖定和符號(hào)同步。

2 信號(hào)檢測(cè)

海事三代Mini－M 標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)信號(hào)子幀典型格式如圖1所示，其中UW 共有84 bit，I 路和Q 路為相同的42 bit，要求具有好的互相關(guān)特性。業(yè)務(wù)信號(hào)由多個(gè)突發(fā)子幀組成。

圖1 Mini－M 標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)信號(hào)典型子幀格式Fig.1 Super frame of mini－M standard services signal

信號(hào)檢測(cè)通常是從信號(hào)的頻譜特性和時(shí)域特性上進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于某些情況下也可以利用一些訓(xùn)練序列進(jìn)行檢測(cè)?；陬l域特性一般是頻域檢測(cè)法，基于時(shí)域特性一般是能量檢測(cè)法，基于訓(xùn)練序列通常也屬于匹配濾波法。根據(jù)海事衛(wèi)星信號(hào)的特點(diǎn)，本文提出能量檢測(cè)結(jié)合匹配濾波的方法進(jìn)行突發(fā)信號(hào)檢測(cè)。能量檢測(cè)法采用雙滑動(dòng)窗的形式可以快速獲取突發(fā)信號(hào)的起始時(shí)間，其原理框圖如圖2所示，其中能量比值曲線X(t)是判決變量為窗口A 與B中的能量之比值曲線。雙滑動(dòng)窗口法的判決變量X(t)取值只與信噪比有關(guān)，與信號(hào)能量無(wú)關(guān)，所以可以通過設(shè)置比較固定的門限實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)。這種算法比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是要選擇好窗口的長(zhǎng)度和每次計(jì)算一次移動(dòng)的點(diǎn)數(shù)，窗口越長(zhǎng)，每次移動(dòng)的點(diǎn)數(shù)越少，檢測(cè)的性能越好，代價(jià)是更多的計(jì)算量。同時(shí)，為了解決寬帶內(nèi)信號(hào)可能存在多頻點(diǎn)信號(hào)，可以結(jié)合數(shù)字濾波的方式進(jìn)行窄帶信號(hào)檢測(cè)。

圖2 雙滑動(dòng)窗口法的響應(yīng)Fig.2 Detection response on double sliding windows

另外，匹配濾波的信號(hào)檢測(cè)可以按如下方式進(jìn)行。假設(shè)含有特征字的突發(fā)信號(hào)的基帶表達(dá)式為

匹配濾波器的沖激響應(yīng)為h(t)=z (T－t)*，T為特征字周期。特征字包含于I(t)和Q(t)中，通過匹配濾波后可以得到濾波結(jié)果:

式中，⊙表示卷積，* 表示復(fù)共軛。由h(t)=z(T－t)*，可 得h (τ－ t)= z(τ－(t+T))*=z(τ－(t'))*，t=t'－T，式(2)可以轉(zhuǎn)化為

圖3 不同信噪比下匹配濾波法得到的幀頭相關(guān)峰Fig.3 Frame header correlation－peak in different SNR conditions

圖4中的(a)、(b)、(c)分別表示的是信噪比都是10 dB、特征字周期T 為0.008 s，而頻偏分別為10 Hz、30 Hz、50 Hz時(shí)通過匹配濾波法得到的突發(fā)信號(hào)幀頭相關(guān)峰值的情況，說(shuō)明頻偏對(duì)于幀頭相關(guān)峰影響很大。仿真參數(shù)中UW 選用的I 路和Q 路的特征字為110110111110000011001100011101011010110011，顯示的是高斯白噪聲情況下單個(gè)相關(guān)峰的觀測(cè)結(jié)果。

圖4 不同頻偏下匹配濾波法得到的幀頭相關(guān)峰Fig.4 Frame header correlation－peak in different frequency offset

能量檢測(cè)法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際電磁環(huán)境中檢測(cè)精度容易受信噪比、突發(fā)強(qiáng)干擾等因素影響，可能會(huì)增加一定虛警和漏警概率，為了在低信噪比下提升檢測(cè)性能，可通過文獻(xiàn)［1］中基于主分量分析的短時(shí)能量檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化;匹配濾波法在低信噪比下效果很好，檢測(cè)時(shí)間精度高，但容易受頻偏等因素影響，這里可以將兩種方式進(jìn)行結(jié)合。能量檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)初步檢測(cè)，門限設(shè)置時(shí)盡量保證少漏警，然后觸發(fā)信號(hào)頻率測(cè)量，再用匹配濾波法進(jìn)行精確的信號(hào)檢測(cè)。

3 突發(fā)信號(hào)解調(diào)

衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)信號(hào)通常采用突發(fā)通信模式，對(duì)于這類突發(fā)通信信號(hào)的非協(xié)同解調(diào)很難單純通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波同步和定時(shí)同步，其必然會(huì)造成業(yè)務(wù)信息的損失和破壞，因此對(duì)于突發(fā)信號(hào)的解調(diào)需要頻率跟蹤速度快，頻率測(cè)量時(shí)間短、精度高，而且所選擇的解調(diào)算法也必須依靠快速地發(fā)現(xiàn)信號(hào)。

對(duì)于突發(fā)信號(hào)的載波同步和定時(shí)同步，通常有數(shù)據(jù)輔助(DA)和非數(shù)據(jù)輔助(NDA)兩種方式。數(shù)據(jù)輔助是利用發(fā)送數(shù)據(jù)前面的已知序列達(dá)到估計(jì)載波頻率和初相;非數(shù)據(jù)輔助是認(rèn)為數(shù)據(jù)為隨機(jī)變量，通過極大似然估計(jì)的方法得到載波頻率和初相。

載波同步是相干解調(diào)的基本要求，包括載頻的精度估計(jì)和初相估計(jì)。載波同步首先需要準(zhǔn)確估計(jì)載波頻率，本文采用基于最大似然頻率估計(jì)算法，需要滿足以下幾個(gè)約束條件:一是數(shù)據(jù)符號(hào)已知;二是符號(hào)定時(shí)是理想同步的;三是頻偏遠(yuǎn)小于符號(hào)速率［4］。假設(shè)接收信號(hào)為

式中，ak是發(fā)射的第k 個(gè)基帶調(diào)制定時(shí)同步點(diǎn)的數(shù)值，Δf 表示頻偏，T 是采樣周期，φ0 表示初相。采用數(shù)據(jù)輔助法獲取載頻頻偏估計(jì)的公式如下［5］:

進(jìn)而可以得到最大似然估計(jì)方程:

式中，R(m)為z(k)=S(k)a*k 的自相關(guān)函數(shù)，即

直接利用式(4)計(jì)算量大，算法復(fù)雜，由此有多種近似估計(jì)算法用于解決式(4)的計(jì)算問題，這里采用Kay 算法實(shí)現(xiàn)，其公式如下［6］:

式中，

對(duì)于初始相位φ0的估計(jì)可以采用如下表示［7］:

對(duì)于海事突發(fā)的OQPSK 調(diào)制信號(hào)通常I、Q 路獨(dú)特字都是相同的序列且將Q 路延遲半個(gè)碼片，也可以采用如下方式獲取傳輸獨(dú)特字時(shí)的信號(hào)初始相位。OQPSK 調(diào)制信號(hào)可以表示為

式中，

經(jīng)過數(shù)字下變頻后可以得到基帶信號(hào)為

經(jīng)數(shù)字化后

I(n)' =I(n)cos φ0－Q(n)sin φ0，

Q(n)' =I(n)sinφ0 +Q(n)cosφ0，

將I(n)'延遲半個(gè)碼片后為

I_delay(n)' =Q(n)cos φ0－I(n－1)sin φ0，將Q(n)'延遲半個(gè)碼片后為

Q_delay(n)' =Q(n)sin φ0 +I(n－1)cos φ0，通過如下公式可以得到φ0:

由式(10)可知，可以通過將基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波后，獲取相關(guān)峰值最大處的相位值即是獨(dú)特字序列所在信號(hào)的初始相位值φ0;然后將初始相位值預(yù)置到載波同步環(huán)中，從而保證載波能一直處于同步狀態(tài)，從而保證了解調(diào)的零損失工作，其工作框圖如圖5所示。

圖5 解調(diào)處理框圖Fig.5 Demodulation diagram

AD 中頻采樣的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字下變頻、濾波、抽取等預(yù)處理后，得到I、Q 基帶信號(hào)，由于突發(fā)海事信號(hào)的起始都是已知的特征字，可以利用該特征字進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和初相求取。信號(hào)檢測(cè)通過I/Q 相關(guān)器求模得到，I/Q 相關(guān)器前采用sign 取符號(hào)與特征字進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，相關(guān)峰門限根據(jù)特征字長(zhǎng)度、每個(gè)特征字的采樣點(diǎn)數(shù)以及特征字自相關(guān)的峰值可以設(shè)置為固定值，可以適應(yīng)50 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍要求;由式(10)推導(dǎo)I、Q 路相關(guān)峰最大值即為OQPSK 調(diào)制的初相，通過將初相預(yù)置到常規(guī)OQPSK 載波同步環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)載波環(huán)路的快速鎖定;同時(shí)通過相關(guān)峰最大值位置也可以得到符號(hào)同步的最佳采樣點(diǎn)位置，從而可以達(dá)到突發(fā)OQPSK 信號(hào)的有效信息零損失解調(diào)的目的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

圖6表示的是針對(duì)海事突發(fā)OQPSK 調(diào)制信號(hào)是否采用載頻和初相估計(jì)預(yù)置載波同步環(huán)下的解調(diào)星座圖對(duì)比效果圖，其中(a)表示的是沒有正確預(yù)置初相的解調(diào)星座圖，星座圖很難收斂，解調(diào)誤差向量幅度(EVM)很差;(b)表示的是正確預(yù)置了初相的解調(diào)星座圖，其星座圖收斂很好，而且從突發(fā)信號(hào)開始時(shí)星座圖就已收斂。

圖6 突發(fā)OQPSK 調(diào)制信號(hào)解調(diào)性能對(duì)比Fig.6 Performance contrast of OQPSK demodulator

對(duì)于海事信號(hào)這類有數(shù)據(jù)輔助的短時(shí)突發(fā)信號(hào)，通過仿真和實(shí)際信號(hào)的驗(yàn)證，利用功率檢測(cè)法快速進(jìn)行突發(fā)信號(hào)檢測(cè)，在信噪比7 dB時(shí)能達(dá)到95%的信號(hào)檢測(cè)概率，信噪比10 dB時(shí)達(dá)到100%的檢測(cè)概率;利用匹配濾波器法，在信噪比5 dB時(shí)能達(dá)到99%以上的檢測(cè)概率。表1為突發(fā)方式的BPSK、OQPSK 信號(hào)解調(diào)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中理論值采用的是連續(xù)信號(hào)相干解調(diào)的方式，對(duì)于實(shí)測(cè)值表示的是帶特征字突發(fā)信號(hào)的實(shí)際誤碼測(cè)試情況(統(tǒng)計(jì)了1000 個(gè)子幀，每個(gè)子幀576 bit 信息)。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，突發(fā)信號(hào)的解調(diào)性能要比連續(xù)信號(hào)解調(diào)性能理論值惡化3～4 dB，筆者認(rèn)為最根本的原因是每個(gè)突發(fā)信號(hào)都需要重新進(jìn)行載波捕獲和同步，而理論值則是認(rèn)為達(dá)到了理想情況下的載波同步和位同步，因此突發(fā)信號(hào)通過初相估計(jì)注入鎖相環(huán)的方式在一定程度上會(huì)影響到解調(diào)器的性能。另外，單純從誤碼率性能來(lái)說(shuō)明突發(fā)信號(hào)解調(diào)性能不夠全面，可以結(jié)合誤包率指標(biāo)來(lái)衡量。

表1 BPSK/OQPSK 信號(hào)解調(diào)性能表Tabel 1 Performance of BPSK/OQPSK demodulator

為了更好提升解調(diào)性能，可增加利用特征字進(jìn)行載波頻偏準(zhǔn)確估計(jì)，從而使算法得到進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)海事衛(wèi)星通信等突發(fā)信號(hào)的非協(xié)同分析，最主要是實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)和解調(diào)，然后才能進(jìn)行后續(xù)的分析工作。對(duì)于突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)和解調(diào)可以借鑒一些通用的分析方法，同時(shí)也需要利用信號(hào)的一些先驗(yàn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助以便提升分析性能。本文提出的結(jié)合多種方式實(shí)現(xiàn)突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)以及零損失解調(diào)方案具有一定的普適性，可為相似信號(hào)格式的信號(hào)分析提供一定的工程借鑒，能夠適應(yīng)較低的信噪比、較大的信號(hào)動(dòng)態(tài)和頻偏影響。對(duì)于如果沒有特征字或者事先不知道特征字的突發(fā)信號(hào)，如果需要適應(yīng)低信噪比的檢測(cè)和零損失的信號(hào)解調(diào)有比較大的難度，可以進(jìn)一步深入研究。

［1］ 隋丹，葛臨東，屈丹.一種新的基于能量檢測(cè)的突發(fā)信號(hào)存在性檢測(cè)算法［J］. 信號(hào)處理，2008，24(4):614－617.SUI Dan，GE Lindong，QU Dan. A novel presence detection algorithm based on the energy detection for burst signals［J］. Signal Processing，2008，24(4):614－ 617.(in Chinese)

［2］ 隋丹. 通信信號(hào)盲檢測(cè)技術(shù)研究［D］. 鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2008.SUI Dan. Study on Blind Detection Technologies of Communication Signals［D］. Zhengzhou:PLA Information Engineering University，2008.(in Chinese)

［3］ 曾興雯，郭峰，劉乃安，等.頻率偏移對(duì)SAWTDL 相關(guān)特性的影響［J］. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25(3):290－293.ZENG Xingwen，GUO Feng，LIU Naian，et al. Influence of freqency offset on SAWTDL correlate characteristics［J］. Jounal of Xidian University，1998，25(3):290－293.(in Chinese)

［4］ Mengali U，Andrea A. Synchronization techniques for digitalreceivers［M］. New York:［s.n.］，1997.

［5］ 時(shí)瑞瑞.中頻數(shù)字解調(diào)器的載波同步算法研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2010.SHI Ruirui. Study on Carrier Synchronization of IFdigital Modem［D］. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2010.(in Chinese)

［6］ 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.LIANG Cong. Research on Demodulation Algorithms of Short Burst Signals［D］. Zhengzhou:PLA Information Engineering University，2011.(in Chinese)

［7］ 甄玉.衛(wèi)星低速突發(fā)信號(hào)同步技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2012.ZHEN Yu.The Research of Detection and Synchronzation Technique for Low－rate Burst Signals in Satellite［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2012.(in Chinese)