CN110300079A - 一种msk信号相干解调方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种MSK信号相干解调方法，属于无线通信技术领域。本发明实现方法为：首先将接收信号采样后正交下变频得到的数字基带复信号分别与频率为+1/4Tb和‑1/4Tb的复正弦波相乘，其中Tb表示符号宽度，得到的两路信号分别与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，然后依次通过符号同步模块、频率补偿模块和载波同步模块；符号同步模块用于抽取最佳采样点，频率补偿模块用于补偿掉一部分频偏使信号能够快速入锁，载波同步模块用于恢复并剥离掉残余频偏和相偏；最后将两路信号分别取实部相加和相减并判决得到I路和Q路数据，将I路数据、Q路数据并串转换为一路数据，所述一路数据即为得到的解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。

Description

一种MSK信号相干解调方法及***
技术领域
本发明涉及一种MSK信号相干解调方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
在特种通信环境下，设备功耗、天线尺寸受限，为了充分利用放大器功率，需要选择恒包络调制方式。MSK(Minimum Shift Keying，最小频移键控)是一种恒包络调制方式并且信号相位连续，旁瓣衰减快，与BPSK和QPSK相比，对相邻信道干扰更小。MSK使用对极码元波形形状，用±cos(πt/2Tb)和±sin(πt/2Tb)在2Tb间隔内调制载波的两个正交分量，其中Tb表示符号宽度。因此若采用匹配滤波器独立的从I分量和Q分量中恢复数据，那么MSK的误码率性能与经相干接收的PSK相同。
对于MSK信号的解调方法可以分为相干解调和非相干解调两类。相干解调需要载波同步以精确恢复出载波相位，与非相干解调相比复杂度较高，但是可以获得更好的误码率性能。在相干解调方法中，载波同步通常由锁相环来实现。锁相环采用负反馈结构，包括鉴相器、环路滤波器、振荡器三个部分。鉴相器将输入锁相环的信号相位与振荡器输出信号的相位进行比较，并利用环路滤波器对两信号间的误差进行滤波，环路滤波器的输出被用作控制信号送入振荡器，从而减小锁相环输出信号与输入信号之间的相位误差，最终达到稳定的状态，实现接收端的载波恢复。除了载波同步外，相干解调中还需要符号同步以提取每个符号的最佳采样点。Gardner提出的一种符号同步方法，不需要调整采样时刻，而是利用采样后的信号插值拟合出最佳采样点，适合应用于数字通信***。
发明内容
本发明公开的一种MSK信号相干解调方法目的是：提供一种在大多普勒频偏情况下能够快速入锁，适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调方法，具有灵敏度高、误码率低的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种MSK信号相干解调方法：首先将接收信号采样后正交下变频得到的数字基带复信号分别与频率为+1/4Tb和-1/4Tb的复正弦波相乘，其中Tb表示符号宽度，得到的两路信号分别与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，然后依次通过符号同步模块、频率补偿模块和载波同步模块。符号同步模块用于抽取最佳采样点，频率补偿模块用于补偿掉一部分频偏使信号能够快速入锁，载波同步模块用于恢复并剥离掉残余频偏和相偏。最后将两路信号分别取实部相加和相减并判决得到I路和Q路数据，将I路数据、Q路数据并串转换为一路数据，所述一路数据即为得到的解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。
本发明公开的一种MSK信号相干解调方法，包括如下步骤：
步骤一、对接收信号采样后正交下变频得到数字基带复信号记为x(n)，将此信号分别与本地产生的频率为+1/4Tb和-1/4Tb的离散复正弦波相乘，得到两路信号分别表示为和其中Tb表示符号宽度，Ts表示采样间隔。并将得到的两路信号分别进行匹配滤波。定义与频率为+1/4Tb的离散复正弦相乘后的信号为上支路信号，定义与频率为-1/4Tb的离散复正弦相乘后的信号为下支路信号。
步骤一所述两路信号分别进行匹配滤波通过将得到的两路信号与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，或者对得到的两路信号做2Tb时间积分实现。
步骤二、经过匹配滤波后的两路信号分别输入符号同步模块。符号同步模块采用负反馈结构，使每个符号间隔内输出一个最佳采样点送入载波同步模块。
作为优选，步骤二所述负反馈结构选用Gardner提出的负反馈结构。
步骤三、将符号同步模块输出的信号平方，对平方后的信号做FFT并取幅值寻找峰值，将峰值点对应频率值除以二作为频偏估计值，然后对频偏估计值取相反数并以此为频率产生复正弦信号与符号同步模块输出的信号相乘从而实现频率补偿。
步骤四、将频率补偿后的其中一路信号做平方处理然后送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏。
步骤五、对于已剥离掉频偏相偏后的两支路信号，上支路表示为下支路可以表示为其中s(t)＝pk cos(πt/2Tb)+jqk sin(πt/2Tb)，pk和qk分别表示I路和Q路数据。上支路与下支路取实部相加得到每隔一个点抽取即在(2k+1)Tb时刻抽取并判决获得I路数据；上支路与下支路取实部相减得到延迟一个点后每隔一个点抽取即在(2k+2)Tb时刻抽取并判决获得Q路数据。将I路数据、Q路数据并串转换为一路数据，所述一路数据即为解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。
步骤五所述的判决方法为：过零判决，信号大于0则判为1，信号小于0则判为0，或者与之相反，视调制时映射关系而定。
本发明还公开用于实现所述的一种MSK信号相干解调方法的MSK信号相干解调***，包括正频率离散复正弦相乘模块、负频率离散复正弦相乘模块、两个匹配滤波模块、两个符号同步模块、两个频率补偿模块、一个载波同步模块、一个相加模块、一个相减模块、一个并串转换模块。
将接收信号采样后正交下变频得到数字基带复信号记为x(n)，将所述数字基带复信号分别通过正频率离散复正弦相乘模块、负频率离散复正弦相乘模块处理得到得到的两路信号，分别表示为和其中定义正频率离散复正弦相乘模块输出的信号为上支路信号，定义负频率离散复正弦相乘模块输出的信号为下支路信号。
匹配滤波模块用于将得到的两路信号分别进行匹配滤波。匹配滤波通过对两路信号与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，或者对得到的两路信号做2Tb时间积分实现。
符号同步模块采用负反馈结构，用于使每个符号间隔内输出一个最佳采样点送入载波同步模块。作为优选，符号同步模块的负反馈结构选用Gardner提出的负反馈结构。
频率补偿模块用于将符号同步模块输出的信号平方，对平方后的信号做FFT并取幅值寻找峰值，将峰值点对应频率值除以二作为频偏估计值，然后对频偏估计值取相反数并以此为频率产生复正弦信号与符号同步模块输出的信号相乘从而实现频率补偿。
正频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的上支路信号。
负频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的下支路信号。
载波同步模块用于将频率补偿后的其中一路信号做平方处理然后送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏，即得到剥离频偏相偏的上支路信号、下支路信号。
对于已剥离掉频偏相偏后的两支路信号，上支路表示为下支路表示为其中s(t)＝pk cos(πt/2Tb)+jqk sin(πt/2Tb)，pk和qk分别表示I路和Q路数据。
相加模块用于将剥离频偏相偏的上支路与下支路信号取实部相加得到然后后每隔一个点抽取即在(2k+1)Tb时刻抽取并判决获得I路数据。相减模块用于将上支路与下支路取实部相减得到然后延迟一个点后每隔一个点抽取即在(2k+2)Tb时刻抽取并判决获得Q路数据。
并串转换模块用于将I、Q两路数据合并成一路数据，所述的一路数据即为得到解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。
有益效果：
1、本发明公开的一种MSK信号相干解调方法及***，通过正频率离散复正弦相乘模块和负频率离散复正弦相乘模块得到的两路信号分别进行匹配滤波，然后经符号同步、频率补偿，再进行载波同步，能够提高MSK相干解调***中灵敏度。
2、本发明公开的一种MSK信号相干解调方法及***，载波同步模块将频率补偿后的其中一路信号送入锁相环，能够实现锁相环在大多普勒频偏情况下快速入锁。
3、本发明公开的一种MSK信号相干解调方法及***，将频率补偿后的其中一路信号送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏，与传统MSK相干解调方法载波同步中需要两路锁相环分别锁定两个频率相比，本发明只需要一路锁相环，更节省资源。
附图说明
图1本发明公开的一种MSK信号相干解调方法流程示意图；
图2是频率补偿模块图。
图3是频率补偿模块中FFT后取幅值结果图。
图4是载波同步模块输出信号相位偏差随时间变化图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种MSK信号相干解调方法，具体实现步骤如下：
将接收信号采样后正交下变频得到数字基带复信号记为x(n)，将所述数字基带复信号分别通过正频率离散复正弦相乘模块、负频率离散复正弦相乘模块处理得到得到的两路信号，分别表示为和具体的假设符号速率为40Mbps，采样率是8倍符号速率。那么本地产生值为和的离散复正弦序列与x(n)相乘。
其中定义正频率离散复正弦相乘模块输出的信号为上支路信号，定义负频率离散复正弦相乘模块输出的信号为下支路信号。
然后，匹配滤波模块用于将得到的两路信号分别进行匹配滤波。匹配滤波通过对两路信号与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，或者对得到的两路信号做2Tb时间积分实现。实际操作为信号与长度为16的全1序列做卷积。
符号同步模块采用负反馈结构，用于使每个符号间隔内输出一个最佳采样点送入载波同步模块。作为优选，符号同步模块的负反馈结构选用Gardner提出的负反馈结构，对两路信号利用已知采样点在每个符号间隔的8个点内插值拟合出一个最佳采样点。经过插值拟合的两路输出信号，记为x1(k)和x2(k)，其速率均为码元速率40Mbps，并送入频率补偿模块。
频率补偿模块如附图二所示，用于将符号同步模块输出的信号平方，对平方后的信号做FFT并取幅值寻找峰值，将峰值点对应频率值除以二作为频偏估计值，然后对频偏估计值取相反数并以此为频率产生复正弦信号与符号同步模块输出的信号相乘从而实现频率补偿。
以上支路为例，因为基带复信号与离散复正弦序列相乘后，信号数字频率为0或每隔一个符号对应的8个采样点相位变化为0或π，所以将x1(k)做平方处理即可以消除调制信息对频率的影响。具体流程如附图2所示，对x1(k)或x2(k)做平方处理，再将平方处理后的信号做FFT并取幅值。假设做512点FFT，并假设在FFT后的第2个点搜索到幅值最大值，如附图3所示。那么将x1(k)和x2(k)与序列相乘从而实现频率补偿。
正频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过滤波匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的上支路信号；
负频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过滤波匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的下支路信号；
载波同步模块用于将频率补偿后的其中一路信号做平方处理然后送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏，即得到剥离频偏相偏的上支路信号、下支路信号。载波同步输出信号的相位偏差如附图4所示，在两百个符号时间后锁相环入锁。
对于已剥离掉频偏相偏后的两支路信号，上支路表示为下支路表示为其中s(t)＝pk cos(πt/2Tb)+jqk sin(πt/2Tb)，pk和qk分别表示I路和Q路数据。
相加模块用于将剥离频偏相偏的上支路与下支路信号取实部相加得到然后后每隔一个点抽取即在(2k+1)Tb时刻抽取并判决获得I路数据。相减模块用于将上支路与下支路取实部相减得到然后延迟一个点后每隔一个点抽取即在(2k+2)Tb时刻抽取并判决获得Q路数据。
假设获得I路数据为[1,1,1,0,1]，获得Q路数据为[0,0,1,0,0]，并串转换模块用于将I、Q两路数据合并成一路数据，即[1,0,1,0,1,1,0,0,1,0]。所述一路数据即为得到的解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MSK信号相干解调方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、对接收信号采样后正交下变频得到数字基带复信号记为x(n)，将此信号分别与本地产生的频率为+1/4Tb和-1/4Tb的离散复正弦波相乘，得到两路信号分别表示为和其中Tb表示符号宽度，Ts表示采样间隔；并将得到的两路信号分别进行匹配滤波；定义与频率为+1/4Tb的离散复正弦相乘后的信号为上支路信号，定义与频率为-1/4Tb的离散复正弦相乘后的信号为下支路信号；
步骤二、经过匹配滤波后的两路信号分别输入符号同步模块；符号同步模块采用负反馈结构，使每个符号间隔内输出一个最佳采样点送入载波同步模块；
步骤三、将符号同步模块输出的信号平方，对平方后的信号做FFT并取幅值寻找峰值，将峰值点对应频率值除以二作为频偏估计值，然后对频偏估计值取相反数并以此为频率产生复正弦信号与符号同步模块输出的信号相乘从而实现频率补偿；
步骤四、将频率补偿后的其中一路信号做平方处理然后送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏；
步骤五、对于已剥离掉频偏相偏后的两支路信号，上支路表示为下支路可以表示为其中s(t)＝pk cos(πt/2Tb)+jqk sin(πt/2Tb)，pk和qk分别表示I路和Q路数据；上支路与下支路取实部相加得到每隔一个点抽取即在(2k+1)Tb时刻抽取并判决获得I路数据；上支路与下支路取实部相减得到延迟一个点后每隔一个点抽取即在(2k+2)Tb时刻抽取并判决获得Q路数据；将I路数据、Q路数据并串转换为一路数据，所述一路数据即为解调数据，即完成适用于突发通信模式的全数字MSK相干解调。
2.如权利要求1所述的一种MSK信号相干解调方法，其特征在于：步骤一所述两路信号分别进行匹配滤波通过将得到的两路信号与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，或者对得到的两路信号做2Tb时间积分实现。
3.如权利要求1或2所述的一种MSK信号相干解调方法，其特征在于：步骤二所述负反馈结构选用Gardner提出的负反馈结构。
4.如权利要求3所述的一种MSK信号相干解调方法，其特征在于：步骤五所述的判决方法为过零判决，信号大于0则判为1，信号小于0则判为0，或者与之相反，视调制时映射关系而定。
5.MSK信号相干解调***，用于实现所述的一种MSK信号相干解调方法，其特征在于：包括正频率离散复正弦相乘模块、负频率离散复正弦相乘模块、两个匹配滤波模块、两个符号同步模块、两个频率补偿模块、一个载波同步模块、一个相加模块、一个相减模块、一个并串转换模块；
将接收信号采样后正交下变频得到数字基带复信号记为x(n)，将所述数字基带复信号分别通过正频率离散复正弦相乘模块、负频率离散复正弦相乘模块处理得到得到的两路信号，分别表示为和其中定义正频率离散复正弦相乘模块输出的信号为上支路信号，定义负频率离散复正弦相乘模块输出的信号为下支路信号；
匹配滤波模块用于将得到的两路信号分别进行匹配滤波；匹配滤波通过对两路信号与宽度为2Tb的矩形窗做卷积，或者对得到的两路信号做2Tb时间积分实现；
符号同步模块采用负反馈结构，用于使每个符号间隔内输出一个最佳采样点送入载波同步模块；作为优选，符号同步模块的负反馈结构选用Gardner提出的负反馈结构；
频率补偿模块用于将符号同步模块输出的信号平方，对平方后的信号做FFT并取幅值寻找峰值，将峰值点对应频率值除以二作为频偏估计值，然后对频偏估计值取相反数并以此为频率产生复正弦信号与符号同步模块输出的信号相乘从而实现频率补偿；
正频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的上支路信号；
负频率离散复正弦相乘模块输出的上支路信号依次通过匹配滤波模块、符号同步模块、频率补偿模块进行信号处理，得到频率补偿后的下支路信号；
载波同步模块用于将频率补偿后的其中一路信号做平方处理然后送入锁相环，最后将锁相环输出该路信号二分频作为载波同步模块的输出，与频率补偿后的两支路信号分别相乘以剥离频偏相偏，即得到剥离频偏相偏的上支路信号、下支路信号；
对于已剥离掉频偏相偏后的两支路信号，上支路表示为下支路表示为其中s(t)＝pk cos(πt/2Tb)+jqk sin(πt/2Tb)，pk和qk分别表示I路和Q路数据；
相加模块用于将剥离频偏相偏的上支路与下支路信号取实部相加得到然后后每隔一个点抽取即在(2k+1)Tb时刻抽取并判决获得I路数据；相减模块用于将上支路与下支路取实部相减得到然后延迟一个点后每隔一个点抽取即在(2k+2)Tb时刻抽取并判决获得Q路数据；
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