一种低信噪比短前导突发信号的解调系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种低信噪比短前导突发信号的解调系统及 方法。
【背景技术】
[0002] 突发通信体制已广泛应用于移动通信、应急通信和卫星通信等多种领域，突发通 信的最大特点是通信的发起时间不定，部分应用场景中甚至存在通信持续时长及信号功率 随机变化的可能，突发通信接收机的一个主要任务就是在规定时间内检测到信号并给出相 关参数估计值，对于卫星、导弹等高速运动载体间的通信，即高动态环境下，存在由载体高 速运动产生的强烈多普勒效应，这就给突发信号检测及参数估计带来了严峻的挑战，特别 是在某些传输功率受限或传输距离较远的低接收信噪比应用场合，这一问题则显得更为尖 锐。突发信号，特别是短突发信号的解调中的核心问题是信号的同步和解调，而低信噪比下 的解调核心问题在于信号的同步。信号的同步一般可分为载波同步、定时同步以及时间同 步。载波同步方法可以分为反馈式闭环载波同步和前馈式的开环载波同步。对于突发信号 解调，传统反馈式的闭环载波同步存在捕获时间长、"悬搁"等问题，无法很好满足应用要 求，因此普遍采用基于参数估计的开环载波同步方法。开环载波同步的适应信噪比范围主 要受限于参数估计精度，而参数估计精度又取决于估计算法和用于估计的前导头长度。但 是，在低信噪比条件下，对于特定长度的前导头其参数估计精度将急剧下滑，从而影响载波 同步算法工作门限。常用的基于训练序列的同步方案有2种。方案一是在发送端将训练序列 重复发送，接收端对信号进行延迟自相关，通过相关峰值的位置来判定时间同步点。确定是 受到频偏和码间干扰的影响，时间同步点可能误判。方案二是在接收端将接收序列与本地 训练序列进行滑动互相关，在时间同步点上有尖锐的相关峰，通过门限检测判定时间同步 点。缺点是计算复杂度相对较高，较大的频偏会破坏预期的互相关结果。传统的突发信号解 调系统的结构中，为节省硬件资源的消耗，一般是在定时采样同步后做时间同步。但是在突 发信号前导头极短的情况下，这种结构极易造成时间同步的错误。
[0003] 现有技术无法满足突发通信在低信噪比、高动态范围、短前导头等综合条件下的 高质量通信，而只针对以上一种或两种条件下进行信号解调。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种低信噪比短前导突发信号的解调系统及方法，旨在解 决信噪KES/NQ小于等于2dB、突发动态范围小于等于10dB、前导头长度小于等于32调制符号 的MPSK调制突发通信系统中信号解调的问题，实现丢帧率小于1X1(T 4、解调损失小于0.5dB 的技术指标。
[0005] 本发明是这样实现的，设定发送端数据采用MPSK调制方式，通过包含频偏的AWGN 信道。在射频端完全理想、突发前后噪声功率不变的条件下，接收的MPSK信号巧可表示为：
[0007] 式中，A为信号幅度，在一个突发帧内为未知常数;f。为载波频偏，在一个突发帧内 为未知常数;Ts为采样周期，fVT s为归一化的载波频率偏移;an*QPSK调制数据;0〇为相偏，在 一个突发帧内为未知常数;g发送脉冲与接收匹配滤波器脉冲函数的乘积;nk为复高斯白噪 声，服从N(0，〇 2)分布；e = 0时定时完全同步，否则定时未同步;k为时间序号，N为过采样倍 数;假定rk有10dB的动态范围。所述低信噪比短前导突发信号的解调方法主要任务是从r k中 恢复出发送数据，包括以下步骤：
[0008] 首先突发信号检测算法实时检测接收信号rk中是否含有MPSK信号，若有MPSK信 号，则给出MPSK信号的粗初始位置k s和粗结束位置I;突发检测算法采用无数据辅助的能量 检测法;取1^个符号的接收信号中Lb个符号作为能量检测法的窗长，构造突发信号检测的判 决统计量为：
[0010]当Lb个符号不含发送的数据时，Y(i)服从参数为(2Lb，0)的非中心卡方分布，也就 是服从参数为2Lb的中心卡方分布；当Lb个符号全部含有发送数据时，Y( i)服从参数为(2Lb， 2LbA2/〇 2)的非中心卡方分布；当个符号含有m个发送数据时，Y(i)服从参数为(2Lb，2mA2/ 〇 2)的非中心卡方分布;据此，建立二元检验模型如下：
H0假设：赶銳麵 H1假设：有纖麵； 有!71調繼猶居
[0012] 按照上式可知漏检率相同情况下，Lb越大，虚警概率越低，根据实际突发通信系统 的技术需求可选择不同的U;
[0013] 能量检测法亦可估计突发信号的起始时刻位置；由上述检测原理可知起始时刻位 置的概率等价为判决量大于判决门限的概率，令D为突发信号起始时刻位置的随机变量，则 D的概率分布函数可写为：
[0015] 根据上式可计算出能量检测法信号起始位置估计为有偏估计，信噪比取2dB~ 12dB、Lb = 90符号时，起始位置估计值±28符号范围之外的概率P^4X10-6。最终突发信号 的粗初始位置k s和粗结束位置以（1-Pa)的概率在56符号范围以内；
[0016] 其次粗频率同步与时间同步算法根据所述突发信号的前导头以及MPSK信号的初 始位置实现信号的时间同步点跟踪和粗频偏校正;采用的主要算法为互相关和频率搜索算 法。丢帧率与载波频偏、Ls都有很大关系，若取Ls = 120符号大于上述的56X2符号，假定载 波频偏在± 30kHz内服从均匀分布，故对频偏引起的漏检率取统计平均后表明，频率搜索 间隔 10kHz时，Pb = 4 ? 6 X 10-5，结合Pa = 4 X 10-6，丢帧率Pa+Pb = 5 X 10-5，满足设计指标1 X 10 _4的要求，时间同步点跟踪精度小于1个调制符号，频偏粗校正的精度达到MCRB界；
[0017]然后信号依次通过定时同步模块和细频率同步模块，分别实现采样定时同步和细 频偏补偿与相偏校正;考虑到信号的突发性和较短的前导码，故估计定时误差估计部分采 用基于前馈和无数据辅助的算法提取信号的定时误差，即采用0&M算法。设经过突发检测和 频偏粗校正之后的基带复信号为r(n)，定时误差为^每符号采样点数为N，则0&M算法估计 的定时误差可用下式表示：
[0019] 式中n为采样时刻序号，L为符号数目，n和k为定时同步前后采样时刻序号；
[0020] 为了进一步降低载波频偏的估计误差，必须利用全部接收信号的信息进行非数据 辅助的载波频偏细估计，按照非线性变换估计法，载波粗估计后的载波频偏细估计的表达 式可表示为：
[0022]式中，11(&)=0?1'[(410)"^(11)为经过定时同步后的接收信号，0?1'表示离散傅 里叶变换。由于离散傅里叶变换由快速傅里叶变换实现，而其变换点数受帧长度影响，故当 帧长较短时栅栏效应显著，仍需采用频率估计细化算法进一步降低估计误差。为此，可引入 Rife算法，记H(fo)最大谱线为H(n0)，次大谱线记为H(n0+d)，则Rife算法所得到的频率估 计值如下式所示：
[0024]其中，当 |H(n〇+l) | < |H(n〇_l) | 时，d = _l，反之，d=l;
[0025]最后通过解相位模糊与解映射模块，完成解相位模糊和比特解码。采用MPSK调制 可采用独特字来消除相位模糊，主要算法是将信号相位分别旋转2qXPi/M(q = 0、l、…M-1) 与前导码做互相关运算，比较找到最大值，从而确定相位模糊值为多少，然后在进行相应修 正。
[0026]本发明的另一目的在于提供一种低信噪比短前导突发信号的解调系统，所述低信 噪比短前导突发信号的解调系统包括：
[0027]突发信号检测模块，实时检测接收信号中是否含有MPSK信号，若有MPSK信号，则给 出MPSK信号的初始和结束位置；
[0028]粗频率同步与时间同步模块，根据突发信号的前导头以及MPSK信号的初始位置实 现信号的时间同步点跟踪和粗频偏校正；
[0029] 定时同步模块，用于实现采样定时同步；
[0030] 细频率同步模块，用于实现细频偏补偿与相偏校正；
[0031 ]解相位模糊与解映射模块，用于完成解相位模糊和比特解码。
[0032]进一步，所述突发信号检测模块包括：
[0033]能量检测模块，用于检测接收信号和噪声的能量；
[0034]门限判决模块，用于根据噪声能量设定判决门限，判决门限为归一化的噪声能量 的1.6倍，判决接收信号中是否含有MPSK信号，若有MPSK信号，则给出MPSK信号的位置控制 信号；
[0035]延时输出模块，用于根据位置控制信号，延时输出数据。
[0036] 进一步，所述粗频率估计与时间同步模块包括：
[0037] 参数估计模块，用于将