CN110290084B - 一种基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步方法,属于无线通信中的符号同步技术领域。本发明在频率选择性衰落短波信道下，无需知道信号发送频点，利用非固定频点最大峰搜索的方法即可完成符号定时。本方案有利于对抗短波信道频率偏移等不良传输特性，实现对符号最佳采样位置的准确定位。仿真结果表明:在有多径和频偏的选择性衰落信道中，本方案对符号定时位置的估计仍能保持较高的准确率。

Description

一种基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步方法

技术领域

本发明属于无线通信中的符号同步技术领域，提出一种短波信道下，基于短时傅里叶变换 (DSTFT)和频率能量峰值搜索，抗多径频偏、复杂度小、准确性较高，且无需信号先验信息的盲符号同步方法。

背景技术

在通信过程中，符号同步的准确度将直接影响信号的解调效果，是信号接收处理时最重要的环节之一。而短波信道存在着多径时延、多普勒频移和频率选择性衰落等诸多问题，质量极不稳定，常采用的是生存力较强的FSK调制方式和短突发的信号形式，所以这就为符号同步更增添了不小的难度。

常见较为成熟的信号符号自同步算法分为三类：第一类锁相环同步法，利用定时误差检测算法加环路滤波器提取信号中的相位差信息，然后通过调整采样时钟，反馈跟踪，不断缩小误差直至完成信号的锁定。但是信号在短波时变信道中传输中普遍存在频率偏移和相位起伏，并且多径时延快速随机的变化，接收机很难对相位进行准确的估计和跟踪。第二类是基于高阶累积量的同步方法，它利用了二阶统计量(功率谱和相关函数)没有的大量丰富信息，能有效检验和表征信号中的循环平稳性，并且抑制噪声，但是这种方法需要较大的计算复杂度和充足的观测数据，因而不适合短波信道短突发形式的符号同步。第三类是差分检波、短时过零率等方法，这类方法对噪声敏感，其效果在有频率选择性衰落和多径时延的短波通信中大打折扣。除此以外，近年来还出现了基于信号瞬时频谱的一类符号同步方法，例如频谱峰值计算法，谱峰比值法，最大峰搜索法等，这类方法结合了FSK信号的特征，减小了符号同步的复杂度，但它们必须已知发送信号的频率，在短波信道下还容易受到频率偏移和噪声的影响。其中的固定频点最大峰搜索法，是用不同时刻下已知信号频点处的最大峰值，来确定符号同步位置，也是本发明方案着重进行比较的算法。

发明内容

本发明创造性地结合短时傅里叶变换的分析手段和时变频谱特征，利用非固定频点的最大峰搜索来完成符号定时同步。设定滑动次数为一个符号的采样点数，则在滑动过程中必跨越符号，所以本方案无需知道发送信号频点，只需追踪后出现的频率成分，并搜索其对应峰值位置即可。由于复杂的信道作用，接收端信号的频率成分可能并非真实发送时信号的频点，而是发生了较大的偏移，本方案的符号同步不依赖发送信号频点，所以较固定频点最大峰搜索法具有更好的抗频偏能力。

该方案仿真信道由一个表征直接路径的衰落过程和另一个表征反射路径的衰落过程的组合来建模，接收信号包含两条路径成分，适用于频率选择性衰落短波信道的MFSK调制和短突发信号形式，算法复杂度较小，具有一定的抗频偏能力，所需的信息仅有符号速率、采样频率，是无需知道其他先验信息的符号同步方法。仿真结果表明，在多径频率选择性衰落信道下，该算法能有效实现符号同步的准确定时，且性能较能固定频点最大峰搜索法更优。

本发明的技术方案如下：

确定5次的滑动基准位置，要求每次基准位相邻间隔为一个符号长度即可。每次基准位置下，保持窗口长度为一个符号，以采样点为步长对观察窗进行滑动，直至滑动总长为一个符号。每次滑动，利用短时傅里叶变换获得窗内数据的时变频谱，记录峰值及其对应频点。在峰值频点不唯一的情况下，将滑动中后出现的峰值频点所对应的最大峰值时刻作为本次基准位置下的滑动次数。计算5次滑动次数的均值，那么基准位加滑动次数均值即为最终的符号定时位置。

本发明是一种短波信道下，基于短时傅里叶变换的时变频谱最大峰搜索符号同步方法，其算法流程如附图2所示，技术方案为一种基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步方法，该方法包括：

步骤1、对接收信号r(t)以采样频率Fs采样后得r(l),l＝1,2,..., N，N表示每一路的数据长度，再由已知的符号速率Symr和采样频率Fs求得一个符号内的采样点数Nsamp；以信号段内任意位置Pst(n),n＝1作为第一次符号同步基准，用n表示当前基准位置的次数，其中1≤n≤5，总共取5次符号同步基准；

步骤2、从基准位置开始，用长度fl＝Nsamp的窗口选取分析数据:

{r₁(m),r₂(m),..., r_fn(m),m＝1,2,...,fl}，每次以一个采样点为步长进行滑动，采样点滑动次数用i表示，其中1≤i≤Nsamp，总共滑动Nsamp次，总窗口数fn＝Nsamp；

步骤3、分别对每次窗内数据做fl点的快速傅里叶变换，取模值得能量谱: Y_i(k),i＝1,2,...,fn；k＝1,2,...,fl，并得到频率谱线集f(k),k＝1,2,...,fl；由于对称性，只取一半即可：能量谱为Y_i(k),i＝1,2,...,fn；

频率谱线集为f(k),

步骤4、在能量谱Y_i(k)中找到最大峰值Mp_i,i＝1,2,...,fn,

以及对应的频谱线号fm_i,i＝1,2, ..., fn，计算得到最大峰值对应的频率

步骤5、如果Mpf_i,i＝1,2,...,fn全相等，则S(n)＝0，转步骤6；如果Mpf_i,i＝1,2,...,fn不全相等，必出现两个不同的频率，按窗口滑动顺序后出现的频率为f；寻找满足最大峰值频率 Mpf_i等于频率f条件的滑动次数集Φ＝{i|Mpf_i＝f&1≤i≤fn}，在滑动次数集Φ中找到峰值最大点Mp＝max(Mpi),i∈Φ对应的滑动点数S(n),1≤n≤5，即以位置Pst(n)为基准的滑动采样点数；

步骤6、如果n≤4，更改基准位置为Pst(n+1)＝Pst(n)+Nsamp,1≤n≤4，作为第n+1次符号同步基准位置，转步骤2；否则转步骤7；

步骤7、由5次不同符号基准位置得到了滑动采样点数S(n),1≤n≤5，计算平均滑动采样点数

其中

为S(n)不为0的次数；最终符号同步的定时位置为 Pos(n)＝Pst(n)+S_aver,1≤n≤5。

本发明有益的效果为：在频率选择性衰落短波信道下，无需知道信号发送频点，利用非固定频点最大峰搜索的方法即可完成符号定时。本方案有利于对抗短波信道频率偏移等不良传输特性，实现对符号最佳采样位置的准确定位。仿真结果表明:在有多径和频偏的选择性衰落信道中，本方案对符号定时位置的估计仍能保持较高的准确率。

附图说明

图1为短波电离层通道模型方框图；

图2为本发明基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步的流程图；

图3为本发明方案与固定频点最大峰搜索法的符号定时绝对误差对比图；

图4为本发明方案与固定频点最大峰搜索法的误码性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。但不应将此理解为本发明上述主体的范围仅限于以下实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

仿真参数设置如下：

以2FSK调制信号为例，设符号速率Symr＝125sps和采样频率Fs＝9600Hz，一个符号内的采样点数Nsamp＝77。选择的仿真信道是中纬度有干扰的频率选择性衰落信道，信道模型如图2所示。假设输入信号：s(t)＝cos(2πft)或s(t)＝e^j2πft。τ为多径时延，f_d为最大多普勒频移，

描述了短波信道的衰落特性，是服从均值为零复高斯分布的时变衰落系数，两方差相等，则输出信号：

利用非固定频点最大峰搜索的符号定时方法步骤如下：

步骤1、对接收信号r(t)以采样频率9600Hz采样后得{r(l),l＝1,2,..., N}，N表示每一路的数据长度，再由已知的符号速率125sps和采样频率9600Hz求得一个符号内的采样点数77。以信号段内任意位置Pst(n),n＝1作为第一次符号同步基准，用n(1≤n≤5)表示当前基准位置的次数，总共取5次符号同步基准。

步骤2、从基准位置开始，用长度fl＝Nsamp的窗口选取分析数据:

{r₁(m),r₂(m),..., r₇₇(m),m＝1,2,...,77}，每次以一个采样点为步长进行滑动，采样点滑动次数用i(1≤i≤77)表示，总共滑动77次，所以总窗口数fn＝77。

步骤3、分别对每次窗内数据做77点的快速傅里叶变换(FFT)，取模值得能量谱:

Y_i(k),i＝1,2,...,77；k＝1,2,...,77，并得到频率谱线集f(k),k＝1,2,...,77。由于对称性，只取一半即可：能量谱为Y_i(k),i＝1,2,...,fn；k＝1,2,...,39，频率谱线集为f(k),k＝1,2,...,39。

步骤4、在能量谱Y_i(k)中找到最大峰值Mp_i,i＝1,2,...,以及对应的频谱线号fm_i,i＝1,2,...,77计算得到最大峰值对应的频率

步骤5、如果Mpf_i,i＝1,2,...,77全相等，则S(n)＝0，转步骤6；如果Mpf_i,i＝1,2,...,77不全相等，必出现两个不同的频率，按窗口滑动顺序后出现的频率为f。寻找满足最大峰值频率 Mpf_i等于频率f条件的滑动次数集Φ＝{i|Mpf_i＝f&1≤i≤77，在滑动次数集Φ中找到峰值最大点Mp＝max(Mpi),i∈Φ对应的滑动点数S(n),1≤n≤5，即以位置Pst(n)为基准的滑动采样点数。

步骤6、如果n≤4，更改基准位置为Pst(n+1)＝Pst(n)+77,1≤n≤4，作为第n+1次符号同步基准位置，转步骤2；否则转步骤7。

步骤7、由5次不同符号基准位置得到了滑动采样点数S(n),1≤n≤5，计算平均滑动采样点数

其中

为S(n)不为0的次数。最终符号同步的定时位置为 Pos(n)＝Pst(n)+S_aver,1≤n≤5。

本发明方案与固定频点最大峰搜索法的符号定时绝对误差和误码性能对比结果分别如图 3和图4所示，结果表明：在短波频率选择性衰落信道下，信噪比EbN0为20dB时,利用本发明的方法，对符号定时绝对误差的估计仍能保持在1/10个符号左右。本发明方案符号定时的绝对误差和误码性能均优于固定频点最大峰搜索法。

Claims (1)

1.一种基于数据频率能量峰值的短波信道盲符号同步方法，该方法包括：

步骤1、对接收信号r(t)以采样频率Fs采样后得r(l),l＝1,2,...,N，N表示每一路的数据长度，再由已知的符号速率Symr和采样频率Fs求得一个符号内的采样点数Nsamp；以信号段内任意位置Pst(n),n＝1作为第一次符号同步基准，用n表示当前基准位置的次数，其中1≤n≤5，总共取5次符号同步基准；

步骤2、从基准位置开始，用长度fl＝Nsamp的窗口选取分析数据:{r₁(m),r₂(m),...r_fn(m),m＝1,2,...,fl}，每次以一个采样点为步长进行滑动，采样点滑动次数用i表示，其中1≤i≤Nsamp，总共滑动Nsamp次，总窗口数fn＝Nsamp；

步骤3、分别对每次窗内数据做fl点的快速傅里叶变换，取模值得能量谱:Y_i(k),i＝1,2,...,fn；k＝1,2,...,fl，并得到频率谱线集f(k),k＝1,2,...,fl；由于对称性，只取一半即可：能量谱为Y_i(k),i＝1,2,...,fn；

频率谱线集为f(k),

步骤4、在能量谱Y_i(k)中找到最大峰值Mp_i,i＝1,2,...,fn；

以及对应的频谱线号fm_i,i＝1,2,...,fn；

计算得到最大峰值对应的频率

步骤5、如果Mpf_i,i＝1,2,...,fn全相等，则S(n)＝0，转步骤6；如果Mpf_i,i＝1,2,...,fn不全相等，必出现两个不同的频率，按窗口滑动顺序后出现的频率为f；寻找满足最大峰值频率Mpf_i等于频率f条件的滑动次数集Φ＝{i|Mpf_i＝f&1≤i≤fn}，在滑动次数集Φ中找到峰值最大点Mp＝max(Mpi),i∈Φ对应的滑动采样点数S(n),1≤n≤5，即以位置Pst(n)为基准的滑动采样点数；

步骤6、如果n≤4，更改基准位置为Pst(n+1)＝Pst(n)+Nsamp,1≤n≤4，作为第n+1次符号同步基准位置，转步骤2；否则转步骤7；

步骤7、由5次不同符号基准位置得到了滑动采样点数S(n),1≤n≤5，计算平均滑动采样点数

其中

为S(n)不为0的次数；最终符号同步的定时位置为Pos(n)＝Pst(n)+S_aver,1≤n≤5。

Images