CN114500206B - 一种面向gmsk突发通信***的快速捕获与同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，包括：接收信号的滤波和下采样、前后段数据共轭相关计算、相关门限比较、频偏估计与补偿、快速傅立叶变换与共轭计算、快速傅里叶逆变换计算与IFFT门限比较，最后计算同步头的位置。本发明通过采用上述方法，能够提高GMSK突发无线通信***捕获的效率以及频偏估计结果的准确性，使得纠正后的信号能够进行后续的信号处理，从而解决GMSK突发通信***中存在较大频偏难估计、估计精度较低的问题。

Description

一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法。
背景技术
在通信过程中，传输时间越长，则越容易被敌方定位，信号的抗截获能力就越差，而GMSK突发通信能够尽可地避免这一问题。
GMSK突发通信的原理是在无线通信双方的信息收发过程中，发射机在极短的时间内，采用高斯滤波最小频移键控(GMSK，Gaussian Filtered Minimum Shift Keying) 调制产生信号，并按照一定机制发送较短的数据帧，以此来提高通信***的抗干扰性和信号的抗截获能力。在通信***中，通讯方总是希望能将传输的信息隐藏起来，以达到不被侦测的目的。在常见的扩频和跳频***中，虽然都可以提高通信***的抗干扰性，但在这过程中都增加了信号的带宽。而GMSK突发通信只是减少了信号的传输时间，并没有增加信号的传输带宽，同时提高了***的稳定性。因此，突发模式都得到了较为广泛的应用，如卫星通信***、时分多址通信***以及一些短波信道中的串行通信***等。
GMSK突发通信的发送方式对接收机能够准确无误地恢复出原始数据提出了一定的要求：由于GMSK突发信号持续时间极短，因此接收机对捕获和同步的建立过程也要尽可能的短，否则会导致数据的缺失，最终无法恢复出原始数据信息。
传统的突发信号的捕获利用本地的训练序列与接收信号直接进行滑动相关检测，该方法的不足之处有：
1.计算量大，硬件运算复杂度高。由于逐点滑动相关处理，在降采样后需要对每个采样点进行滑动相关，计算量大，硬件运算复杂度高；
2.在低信噪比(如-8dB)下相关检测无法正确检测出峰值，其初始同步位置处的相关值在低信噪比时已淹没在相关检测结果中；
3.无法抵抗较大频偏，较大频偏时容易出现较高的误捕或漏捕概率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，用以解决现有GMSK突发通信***中存在较大频偏难估计、估计精度较低，且GMSK 突发无线通信***捕获效率有待提高的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，包括以下步骤：
步骤1：利用地面终端设备接收来自发射端发射后的突发信号，并进行低通滤波以及下采样；
步骤2：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号分别向后取若干个样点，分别得到两段信号，分别是第一段信号、第二段信号，将两段信号进行共轭相关计算，并得到共轭值；
步骤3：将步骤2得到的共轭值与相关门限值进行比较，若共轭值超过相关门限值，则标记当前相关次数，并进行步骤4，否则，继续进行步骤2的相关计算，并再次与相关门限值进行比较；
步骤4：利用超过相关门限值时的信号进行频偏估计，并得到频偏估计结果，然后将频偏估计结果补偿到第二段信号；
步骤5：将频偏补偿后的信号与本地导频信号分别进行FFT计算，并将分别的计算结果进行共轭相乘；
步骤6：将步骤5得到的共轭相乘结果进行IFFT计算，并取模值平方，求取该模值平方的最大值，并将该最大值与IFFT门限进行比较，当最大值超过IFFT门限时，标记当前索引值，并进行步骤7，否则重复步骤2-6；
步骤7：利用步骤3中标记的相关次数与步骤6得到的索引值，计算同步头的起始位置，完成同步捕获。
进一步地，作为优选技术方案，还包括同步头结构设计步骤：将无线突发通信***同步头设计为三段训练序列，每段导频序列长度为Lsym个符号，每段导频由Nbit比特的M序列经过高斯滤波最小频移键控调制产生，然后级联为一帧，同步头内的三段导频符号完全相同，在进行无线突发通信同步捕获时，接收端存储一段导频符号，该段导频符号表示为：sloc(m)，1≤m≤Lsym。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1中，终端实际的接收信号为 r(m),1≤m≤Lr，其中Lr为接收到的信号的总长度。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤2的具体过程为：
步骤2-1：共轭相关计算每次滑动步进的步长为dstep个采样点的数据 (1≤dstep≤Lsym)，且在第n次共轭相关计算时，已滑动距首个样点(n-1)·dstep长度的距离；
步骤2-2：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号从m＝(n-1)·dstep+1开始向后取Lsym个样点的信号，得到第一段信号，该段信号表示为rfirst,n(m),1≤m≤Lsym；
步骤2-3：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号从m＝(n-1)·dstep+Lsym+1开始向后取Lsym个样点的信号，得到第二段信号，该段信号表示为 rsecond,n(m),1≤m≤Lsym；
步骤2-4：将第一段信号与第二段信号做共轭相关计算，具体为：
其中，(·)*表示求取共轭值。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤3中，当共轭值超过相关门限值时，标记当前相关次数n。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4的具体过程为：
步骤4-1：利用当前超过相关门限值时的信号rfirst,n(m),1≤m≤Lsym、 rsecond,n(m),1≤m≤Lsym进行频偏估计，频偏估计具体表示为：
其中，(·)*表示求取共轭值，fs为降采样后的信号频率；arg{x}为求得x的相位角，为频偏估计的结果；
步骤4-2：将频偏估计的结果补偿到第二段信号rsecond,n(m),1≤m≤Lsym，得到如下信号：
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤5的具体过程为：
步骤5-1：频偏补偿后的信号与本地保存的导频信号 sloc(m)，1≤m≤Lsym分别做Lsym点的FFT计算，表示如下：
S(m)＝FFT(sloc(m))，1≤m≤Lsym；
步骤5-2：将步骤5-1得到的FFT计算结果进行共轭相乘，表示如下：
CFFT(m)＝R(m)·S*(m),1≤m≤Lsym
其中，FFT(·)表示为FFT计算。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤6的具体过程为：
步骤6-1：将步骤5-1得到的共轭相乘结果CFFT进行Lsym点的IFFT计算，并取模值平方，表示如下：
CIFFT(m)＝|IFFT(CFFT(m))2,1≤m≤Lsym
其中，IFFT(·)表示为IFFT计算，|·|为取模值；
步骤6-2：对CIFFT(m),1≤m≤Lsym取出最大值Pmax以及最大值对应索引mloca，表示如下：
其中，为使得x最大的最大值Pmax、索引值m；
步骤6-3：将最大值Pmax与IFFT门限比较，当最大值Pmax超过IFFT门限时，标记当前索引值mP，并进行同步头位置计算，其位置索引为(n-1)·dstep+mP，否则循环进行步骤2-6。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤7的具体过程为：根据当前相关计算的次数n以及IFFT相关最大值过门限的索引，计算得到同步头的具***置，即同步头位置为(n-1)·dstep+mP，完成同步捕获。
本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：
(1)本发明通过将同步头设计为三段相同的M序列分别经过GMSK调制后级联组成，且级联后的三段导频符号完全相同，采用前后段信号共轭相关计算，能够以步进小于等于一段导频符号的长度进行滑动相关计算，实现了非逐点滑动检测的大步进前后滑动检测，使接收终端设备在低运算量下进行正常捕获帧头位置，提高GMSK 突发无线通信***捕获的效率，能够满足在低信噪比和大频偏环境下的无线突发通信***的快速捕获与同步。
(2)本发明通过采用前后段数据信号频偏估计，得到频偏估计结果，再将频偏估计值补偿到第二段信号中，进行频偏纠正，能够提高频偏估计结果的准确性，使得纠正后的信号能够进行后续的信号处理，从而解决GMSK突发通信***中存在较大频偏难估计、估计精度较低的问题。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的GMSK突发帧的同步头结构示意图；
图3为本发明的共轭相关计算框图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
如图1-图3所示，本实施例所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，具体如下：
首先，如图2所示，本实施例将无线突发通信***同步头设计为三段训练序列，每段导频序列长度为Lsym个符号，每段导频由Nbit比特的M序列经过高斯滤波最小频移键控(GMSK，Gaussian Filtered Minimum Shift Keying)调制产生，然后级联为一帧，同步头内的三段导频符号完全相同，在进行无线突发通信同步捕获时，接收端存储一段导频符号，该段导频符号表示为：sloc(m)，1≤m≤Lsym。具有三段相同导频的同步头，能够实现大步进的滑动共轭相关，为快速实现信号的捕获提供了条件。
步骤1：利用地面终端设备接收来自发射端发射后的突发信号，并进行低通滤波以及下采样，假设终端实际的接收信号为r(m),1≤m≤Lr，其中Lr为接收到的信号的总长度。
步骤2：如图3所示为两段数据共轭相关计算的框图，共轭相关计算每次滑动步进的步长为dstep个采样点的数据(1≤dstep≤Lsym)，且在第n次共轭相关计算时，已滑动距首个样点(n-1)·dstep长度的距离，将经过低通滤波以及下采样后的突发信号从 m＝(n-1)·dstep+1开始向后取Lsym个样点的信号，该段信号表示为 rfirst,n(m),1≤m≤Lsym；从m＝(n-1·)despt+L sym+1开始向后取Lsym个样点的信号，该段信号表示为rsecond,n(m),1≤m≤Lsym，将两段信号做共轭相关计算，计算方法为：
其中，(·)*表示求取共轭值。
步骤3：将步骤2得到的共轭值与相关门限值进行比较，若共轭值超过相关门限值，则标记当前相关次数n，并进行步骤4，否则，继续进行步骤2的相关计算，并再次与相关门限值进行比较。
步骤4：利用当前超过相关门限值时的信号rfirst,n(m),1≤m≤L、 rsecond,n(m),1≤m≤Lsym进行频偏估计，频偏估计具体表示为：
其中，(·)*表示求取共轭值，fs为降采样后的信号频率；arg{x}为求得x的相位角，为频偏估计的结果；
将频偏估计的结果补偿到第二段信号rsecond,n(m),1≤m≤Lsym，得到如下信号：
步骤5：将频偏补偿后的信号与本地保存的导频信号 sloc(m)，1≤m≤Lsym分别做Lsym点的FFT计算，表示如下：
S(m)＝FFT(sloc(m))，1≤m≤Lsym；
将步骤5-1得到的FFT计算结果进行共轭相乘，表示如下：
CFFT(m)＝R(m)·S*(m),1≤m≤Lsym
其中，FFT(·)表示为FFT计算。
步骤6：步骤5得到的共轭相乘结果CFFT进行Lsym点的IFFT计算，并取模值平方，表示如下：
CIFFT(m)＝|IFFT(CFFT(m))2,1≤m≤Lsym
其中，IFFT(·)表示为IFFT计算，|·|为取模值；
对CIFFT(m),1≤m≤Lsym取出最大值Pmax以及最大值对应索引mloca，表示如下：
其中，为使得x最大的最大值Pmax、索引值m；
将最大值Pmax与IFFT门限比较，当最大值Pmax超过IFFT门限时，标记当前索引值mP，并进行同步头位置计算，其位置索引为(n-1)·dstep+mP，否则循环进行步骤 2-6。
步骤7：利用步骤3中标记的相关次数与步骤6得到的索引值，计算同步头的起始位置，即同步头位置为(n-1)·dstep+mP，完成同步捕获。
本发明通过对接收信号进行滤波和下采样、前后段数据共轭相关计算、相关门限比较、频偏估计与补偿、快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)与共轭计算、快速傅里叶逆变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)计算与IFFT门限比较，最后计算同步头的位置，能够满足在低信噪比和大频偏环境下的无线突发通信***的快速捕获与同步，使接收终端设备在低运算量下进行正常捕获帧头位置，提高 GMSK突发无线通信***捕获的效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用地面终端设备接收来自发射端发射后的突发信号，并进行低通滤波以及下采样；
步骤2：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号分别向后取若干个样点，分别得到两段信号，分别是第一段信号、第二段信号，将两段信号进行共轭相关计算，并得到共轭值；
步骤3：将步骤2得到的共轭值与相关门限值进行比较，若共轭值超过相关门限值，则标记当前相关次数，并进行步骤4，否则，继续进行步骤2的相关计算，并再次与相关门限值进行比较；
步骤4：利用超过相关门限值时的信号进行频偏估计，并得到频偏估计结果，然后将频偏估计结果补偿到第二段信号；
步骤5：将频偏补偿后的信号与本地导频信号分别进行FFT计算，并将分别的计算结果进行共轭相乘；
步骤6：将步骤5得到的共轭相乘结果进行IFFT计算，并取模值平方，求取该模值平方的最大值，并将该最大值与IFFT门限进行比较，当最大值超过IFFT门限时，标记当前索引值，并进行步骤7，否则重复步骤2-6；
步骤7：利用步骤3中标记的相关次数与步骤6得到的索引值，计算同步头的起始位置，完成同步捕获；
还包括同步头结构设计步骤：将无线突发通信***同步头设计为三段训练序列，每段导频序列长度为Lsym个符号，每段导频由Nbit比特的M序列经过高斯滤波最小频移键控调制产生，然后级联为一帧，同步头内的三段导频符号完全相同，在进行无线突发通信同步捕获时，接收端存储一段导频符号，该段导频符号表示为：sloc(m)，1≤m≤Lsym；
所述步骤2的具体过程为：
步骤2-1：共轭相关计算每次滑动步进的步长为dstep个采样点的数据，其中，1≤dstep≤Lsym，且在第n次共轭相关计算时，已滑动距首个样点(n-1)·dstep长度的距离；
步骤2-2：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号从m＝(n-1)·dstep+1开始向后取Lsym个样点的信号，得到第一段信号，该段信号表示为rfirst,n(m),1≤m≤Lsym；
步骤2-3：将经过低通滤波以及下采样后的突发信号从m＝(n-1)·dstep+Lsym+1开始向后取Lsym个样点的信号，得到第二段信号，该段信号表示为rsecond,n(m),1≤m≤Lsym；
步骤2-4：将第一段信号与第二段信号做共轭相关计算，具体为：
其中，(·)*表示求取共轭值。
2.根据权利要求1所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤1中，终端实际的接收信号为r(m),1≤m≤Lr，其中Lr为接收到的信号的总长度。
3.根据权利要求1所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤3中，当共轭值超过相关门限值时，标记当前相关次数n。
4.根据权利要求3所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
步骤4-1：利用当前超过相关门限值时的信号rfirst,n(m),1≤m≤Lsym、rsecond,n(m),1≤m≤Lsym进行频偏估计，频偏估计具体表示为：
其中，(·)*表示求取共轭值，fs为降采样后的信号频率；arg{x}为求得x的相位角，为频偏估计的结果；
步骤4-2：将频偏估计的结果补偿到第二段信号rsecond,n(m),1≤m≤Lsym，得到如下信号：
5.根据权利要求4所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
步骤5-1：频偏补偿后的信号与本地保存的导频信号sloc(m)，1≤m≤Lsym分别做Lsym点的FFT计算，表示如下：
S(m)＝FFT(sloc(m))，1≤m≤Lsym；
步骤5-2：将步骤5-1得到的FFT计算结果进行共轭相乘，表示如下：
CFFT(m)＝R(m)·S*(m),1≤m≤Lsym
其中，FFT(·)表示为FFT计算。
6.根据权利要求5所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤6的具体过程为：
步骤6-1：将步骤5-2得到的共轭相乘结果CFFT进行Lsym点的IFFT计算，并取模值平方，表示如下：
CIFFT(m)＝|IFFT(CFFT(m))|2,1≤m≤Lsym
其中，IFFT(·)表示为IFFT计算，|·|为取模值；
步骤6-2：对CIFFT(m),1≤m≤Lsym取出最大值Pmax以及最大值对应索引mp，表示如下：
其中，为使得x最大的最大值Pmax、索引值m；
步骤6-3：将最大值Pmax与IFFT门限比较，当最大值Pmax超过IFFT门限时，标记当前索引值mP，并进行同步头位置计算，其位置索引为(n-1)·dstep+mP，否则循环进行步骤2-6。
7.根据权利要求6所述的一种面向GMSK突发通信***的快速捕获与同步方法，其特征在于，所述步骤7的具体过程为：根据当前相关计算的次数n以及IFFT相关最大值过门限的索引，计算得到同步头的具***置，即同步头位置为(n-1)·dstep+mP，完成同步捕获。
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