CN104852876A - 一种航空无线突发通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种航空无线突发通信系统，包含突发帧构建模块，接收数字前端处理模块、突发检测器、载波、相位参数提取及恢复模块以及定时参数提取及恢复模块。突发帧构建模块用于构建突发帧，突发帧由AGC训练序列、两个相同的复CAZAC训练序列、数据块组成。接收数字前端处理模块用于获取带有频偏、相偏及定时误差的初始解调信号；突发检测器用于采用复CAZAC训练序列对初始解调信号进行匹配滤波，获得突发标志并输出两个相关峰值及相关峰旁瓣值；载波、相位参数提取及恢复模块用于估计载波、相位参数并完成恢复；定时参数提取及恢复模块完成定时恢复。本发明能够有效地提高突发帧的检测概率，同时降低突发通信载波、相位及定时恢复的复杂度。

Description

一种航空无线突发通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，是一种涉及航空无线通信突发信号检测、定时及载波同步参数估计的实现方法。

背景技术

突发通信系统是将信息以较短时间发射的无线通信系统，由于信号在传输过程中暴露时间较短，有效降低了通信信号被侦察、截获的概率，从而提高了通信系统的抗干扰能力。突发通信的特点决定了在这类系统中很难通过反馈环路实现载波同步和定时同步，突发通信接收端要解调出信息必须先进行突发信号检测，检测到信号到来后再进行定时、载波参数估计及恢复，之后完成解调解码等操作，恢复发端数据。

突发通信系统通常采用基于数据辅助的突发信号检测方法，主要有以下几种方法：1、频域检测法。将接收信号变换到频域，计算辅助数据的特征谱幅度值，然后与设定的门限比较，大于门限判为信号到达。这种方法有多少样点参与计算就要计算多少点的FFT，运算量比较大，并且判决门限会随着信号电平而变化。2、功率检测法。计算接收信号的功率并与设定的门限比较进行判决。这种方法的优点是门限设置对载波频偏不敏感，但门限也与信号幅度有关，信号的动态范围受限。3、匹配滤波法。这种方法对载波频偏敏感，需要动态判决，门限不好设定。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出了一种航空无线突发通信系统，利用双复CAZAC训练序列作为训练序列，通过一种新的双峰检测方案进行突发检测，该方案对接收信号的幅值及信噪比不敏感，同时可以利用两个相 关峰值进行载波、相位和定时参数估计。该方法能够有效地提高突发帧的检测概率，同时降低突发通信载波、相位及定时恢复的复杂度。

本发明的发明内容通过以下技术方案实现：

一种航空无线突发通信系统，包含位于发射端的突发帧构建模块，位于接收端的接收数字前端处理模块、突发检测器、载波、相位参数提取及恢复模块以及定时参数提取及恢复模块；

所述突发帧构建模块用于对信源进行编码及突发帧构建，并通过符号映射及前端处理，完成对信息的突发发射；所述突发帧由AGC训练序列、两个相同的复CAZAC训练序列、数据块组成，两个复CAZAC训练序列的间距为D个符号，D为正整数；

所述接收数字前端处理模块用于对进行带通采样的ADC输入信号进行初始下变频及滤波，获得带有频偏、相偏及定时误差的初始解调信号；并将初始解调信号送入缓冲器进行缓存；

所述突发检测器用于采用复CAZAC训练序列对初始解调信号进行匹配滤波，若前后两个相关峰值超过门限则给出突发标志并输出两个相关峰值及相关峰旁瓣值；

所述载波、相位参数提取及恢复模块用于利用两个相关峰及相关峰旁瓣值进行载波误差参数、相位误差参数估计，并根据突发标志确定的突发信号在缓冲器中的起始位置对初始解调信号完成载波、相位恢复；

所述定时参数提取及恢复模块用于利用两个相关峰及相关峰旁瓣值进行定时误差参数估计，对已完成载波、相位恢复的数据完成定时恢复，并送至后续解码模块恢复信息。

优选地，所述缓冲器采用环形缓冲器，缓冲器深度大于1个突发数据总点数即可。

优选地，所述突发检测器在将两个相关峰值进行门限比较前，先对匹配度最高的两个相关峰值所在数据段的数据进行能量归一。

优选地，所述突发检测器输出的相关峰旁瓣值的个数为相关峰的左右各二个。

优选地，所述载波、相位参数提取及恢复模块通过将过突发检测器的门限时所对应的第一个相关峰值及第二个相关峰值进行差分，获得载波误差参数；通过以第一个相关峰对应的相位值作为初始相位值，然后以该初始相位值和载波误差参数得数字NCO相位值；用数字NCO相位值对缓冲器中数据进行载波相位恢复。

优选地，所述定时参数提取及恢复模块通过下式获得定时误差参数：

其中M为FFT点数，k为过采样率，q为指定频点，N为序列拖尾。

优选地，所述定时参数提取及恢复模块采用三次插值器进行重采样，所述三次插值器如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3-\frac{1}{6}\mathrm{\τ}\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2+\mathrm{\τ}\\ C_0=\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3-{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{2}\mathrm{\τ}+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{3}\mathrm{\τ}\end{array}\right..$

优选地，航空无线突发通信系统通过改变前后两个相同复CAZAC训练序列 的间距D，实现对频谱估计范围及精度进行快速调整。

本发明具有如下几个技术要点：

1、发射端以双复CAZAC训练序列作为同步序列，完成突发帧构建。通过双CAZAC序列检测降低突发信号检测虚警概率；

2、对经过初次下变频及滤波后数据，采用匹配滤波器完成与复CAZAC序列的实时相关，通过一种基于能量归一的新型双训练序列的突发检测器完成突发信号到达时刻的检测；

3、根据突发检测器得到的突发信号到达时刻，获取匹配滤波器得到的与双复CAZAC训练序列的相关峰值R₁(0)及R₂(0)；并提取相关峰值的前后两个相关值R₁(-2)，R₁(-1)，R₁(1)，R₁(2)及R₂(-2)，R₂(-1)，R₂(1)，R₂(2)；采用相关值及其旁瓣值完成载波、相位及定时参数提取，降低突发通信系统载波定时参数提取难度。

本发明的有益效果为:

1、采用CAZAC序列作为训练序列，其良好的自相关性能保证了突发检测及同步性能；采用了一种新的突发检测方案，对传统的以固定门限作为检测门限的方式进行了改进，采用相关峰模值与功率值之比作为检测值，该方案具有对信号强度及SNR不敏感的特性；

3、采用双CAZAC序列作为训练序列，可直接由前后两个相关峰值获得载波及相位信息，并根据相关峰值的左右旁瓣完成定时误差信息提取，实现简单；

3、实现性能优异，本方案检测性能优异，参数估计简单，适用于突发通信系统。采用基于本突发通信信号检测的OQPSK突发通信系统实测误码性能如图9、图10所示，可见采用本发明方法性能优异，具有良好的误码性能。

附图说明

图1为本发明一种航空无线突发通信系统的流程示意图；

图2为本发明中突发帧的结构示意图；

图3为本发明中突发检测器的结构示意图；

图4为实施例中不同输入信号幅值时的突发检测器的输出结果；

图5为实施例中不同SNR时的突发检测器的输出结果；

图6为本发明中突发检测器的检测性能示意图；

图7为本发明中载波、相位参数提取及恢复模块的载波相位恢复性能示意图；

图8为本发明中定时参数提取及恢复模块的定时参数估计性能示意图；

图9为AWGN信道下本发明实测误码性能示意图；

图10为Rician信道下发明实测误码性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种航空无线突发通信系统与连续通信系统的不同之处在于突发帧构建、突发信号检测、定时载波参数估计及恢复。本发明主要包括位于发射端的突发帧构建模块，位于接收端的接收数字前端处理模块、突发检测器、载波、相位参数提取及恢复模块以及定时参数提取及恢复模块。通过对信源进行编码及突发帧构建，并通过符号映射及前端处理，完成对信息的突发发射；对进行带通采样的ADC输入信号进行初始下变频及滤波，获得带有频偏、相偏及定时误差的初始解调信号；对初始解调信号进行缓存，并与复CAZAC训练序列进行匹配滤波，采用突发检测器完成突发检测，给出突发标志并获取两个相关峰值及相关峰旁瓣值；利用相关峰及其旁瓣值进行参数估计，得到载波、相位及定时参数；通过突发标志确定突发信号在缓冲区中的起始位置，完 成载波、相位及定时恢复，进行判决的到解调结果，并送至后续解码模块即可恢复信息。

下面对各个模块作详细说明。

(1)突发帧构建 

参照图2，给出了本发明的突发帧结构。如图所述，本发明的突发帧由AGC训练序列、两个相同的32符号的复CAZAC训练序列、数据块组成。其中AGC训练序列用于突发发射功率稳定，可根据实际系统确定该序列长度；双复CAZAC训练序列用于突发信号到来检测及载波/相位/定时参数提取，两个复CAZAC训练序列的间距为D个符号，D取值将影响载波估计范围，可根据系统要求灵活设计；数据块用于填充业务信息。该突发帧构建环节对应于图1中的突发构建模块。

(2)接收数字前端处理模块

用于对接收到的信号进行数字前端处理，主要由数字下变频、滤波等，最终输出4倍过采样匹配滤波输出。该输出结果还存在载波/相位残差需要校准，也存在定时误差需要恢复。

由于采用如图2所述突发帧结构，只有接收到第二个CAZAC复序列才能判断突发数据到来，因此需要对突发数据进行缓冲。本发明中突发数据缓冲器采用环形缓冲器，缓冲器深度略大于1个突发数据总点数，以保证在完成后续处理前，当前突发帧数据不被覆盖掉。

(3)突发检测器 

本发明中所采用的突发检测器如图3所述，其中进入突发检测器的数据为经过数字前端处理后的2倍符号速率过采样数据。(由于突发检测器只需2倍过采样即可，而数字前端输出的为4倍过采样率，因此进入突发检测器的信息为4 倍过采样率数据隔点抽取后数据。)

设发射信号为s(t)，若经过AWGN信道，接收信号经过下变频和本地载波正交混频，通过低通滤波器后，得到的接收信号为：

$r\left(t\right)=s\left(t\right)e^{j(\mathrm{\Δwt}+{\mathrm{\θ}}_0)}+n\left(t\right)$

式中Δw为频偏，θ₀为载波初始相位差，n(t)为复高斯噪声。对上式进行采样后有

$r\left(k\right)=s\left(k\right)e^{j(\mathrm{\Δwk}{T}_s+{\mathrm{\θ}}_0)}+n\left(k\right)$

对接收到的信号r(k)与复CAZAC训练序列进行相关运算，当接收信号与训练序列匹配时就会产生两个相关峰。

第一个相关峰为

$\begin{array}{c}R\left(k\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}r(m+k)c_L^{*}\left(k\right)\\ =R_{\mathrm{cs}}\left(k\right)\frac{e^{\mathrm{j\ΔwT}}-e^{\mathrm{j\Δw}(L+1)T}}{1-e^{\mathrm{j\ΔwT}}}{e}^{\mathrm{j\θ}}+v_1\end{array}$

第二个相关峰为

$\begin{array}{c}R(k+D)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}x(m+k+D)c_L^{*}\left(k\right)\\ =R_{\mathrm{cs}}(k+D)e^{\mathrm{j\ΔwDT}}\frac{e^{\mathrm{j\ΔwT}}-e^{\mathrm{j\Δw}(L+1)T}}{1-e^{\mathrm{j\ΔwT}}}{e}^{\mathrm{j\θ}}+v_2\end{array}$

其中，D为两个训练序列间间距，R_cs(k)为训练序列与接收数据的相关函数，只有接收数据与训练序列匹配时才会出现峰值。

如图2所述突发帧结构，采用两个复CAZAC训练序列，其中两个训练序列相同。结合式两个相关峰值可得

$R(k+D)R^{*}\left(k\right)=R_{\mathrm{cs}}(k+D)R_{\mathrm{cs}}^{*}\left(k\right)e^{\mathrm{j\ΔwDT}}+V$

上式中只有前后两个训练序列均匹配时，才会是一个很大的实数，V为噪声项。当接收数据与训练匹配时，相关等价于匹配滤波，为了消除 频偏相位影响，取模有：

$\left|R_0\right|\≈\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|r(m+k)\right|$

$\left|R_D\right|\≈\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|r(m+k+D)\right|$

这时有

|R(k+D)R^*(k)|≈|R₀||R_D|

上式与信号能量成正相关，为了避免固定门限对幅值及信噪较敏感，可按照两个匹配度最高接收数据段的能量较大值进行归一化。经过能量归一的突发检测器输出可写成下式

$d\left(k\right)=\frac{\left|R(k+D)R^{*}\left(k\right)\right|}{\max \{P(k+D),P\left(k\right)\}}\≈\frac{\left|R_0\right|\left|R_D\right|}{\max \{P\left(k\right),P(k+D)\}}$

当上式过门限，则认为突发信号到来，并产生相关峰标志，这时记录相关值R(k)作为接收信号与第一个CAZAC序列的相关峰值，R(k+D)作为接收信号与第二个CAZAC序列的相关峰值。同时，通过相关峰标志确定缓冲器中突发信号的起始位置并输出相关峰值和相关峰左右各2个相关峰旁瓣值。

参照图3所述突发检测器结构，对不同幅值下相同信噪比的输入信号进行了计算机仿真，仿真结果如图4所示；对不同信噪比下相同输入幅值的信号进行了计算机仿真，仿真结果如图所示。由图4及图的仿真结果可知，该突发检测及对输入信号幅值大小及信噪比大小不敏感。图6给出了检测器的检测性能，可知该检测器具有很低的检测门限和优异的检测性能。

在本模块中，主要有以下几个特点：

由于前后两个复CAZAC训练序列具有良好的自相关性能，可以有效提高检测概率；根据两个复CAZAC训练序列构建的突发检测器，通过两个CAZAC间的位置信息可以有效地降低虚警概率。

通过能量归一化的方法，降低突发检测器对信号幅值及信噪比的敏感度，可以在不同输入幅值和信噪比下采用固定门限。

(4)载波、相位参数提取及恢复

考虑到在一个突发内信号的频偏量变化很小，因此可以认为频偏导致的相差为斜率为频谱，初始值为第一个相关峰相位的直线。因而，由估计得到的载波误差值和相位值然后以该相位值为初始值得数字NCO相位值，对缓存区中数据进行载波相位恢复即可。

将突发检测器中过门限时对应的第一个相关峰值及第二个相关峰值进行差分，可得

$R(k+D)R^{*}\left(k\right)=R_{\mathrm{cs}}(k+D)R_{\mathrm{cs}}^{*}\left(k\right)e^{\mathrm{j\ΔwDT}}+V$

由于两个训练序列采用相同的复CAZAC训练序列，因而过门限时，上式中的为实数，忽略噪声项，这样就可以提取出载波误差估计值

由于上式中arg{R(k+D)R^*(k)}取值范围为(-π,π]，因而该算法可估计的相对频偏范围为

相位估计可以提取第一个相关峰对应的相位值，作为初始相位值，该相位估计值如下：

载波相位恢复数字NCO相位生成如下式：

按照上式所示NCO相位恢复数据缓冲区中对于的数据，即可完成载波及相位恢复。载波相位恢复计算机仿真性能如图7所示，可知该载波相位恢复方案 可直接利用突发检测相关峰进行参数提取，实现简单、性能优异。

在此模块中，主要有以下几个特点：

1、通过前后两个相同复CAZAC序列的相位值进行直线拟合，进行载波及相位恢复。

2、通过改变前后两个相同复CAZAC序列间距D，可对频谱估计范围及精度进行快速调整；

(5)定时参数提取及恢复

CAZAC复相关值的模值具有尖锐的相关特性，利用DFT算法的频域时延定理可知，定时偏差将体现为相关峰值DFT的相位误差，定时误差估计可通过下式获得。

其中M为FFT点数，k为过采样率，q为指定频点，N为序列拖尾。在本发明中，M取值为4，q取值为1，采用2点拖尾的5点相关值分析，其中5点相关值为相关峰值及其前后各2点的相关峰旁瓣值，结合前后两个相关峰，共根据10点相关值进行定时误差估计。

定时恢复采用三次插值器进行重采样，三次插值器如下式所示。

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3-\frac{1}{6}\mathrm{\τ}\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2+\mathrm{\τ}\\ C_0=\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3-{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{2}\mathrm{\τ}+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{3}\mathrm{\τ}\end{array}\right.$

定时恢复计算机仿真性能如图8所述，由图可知基于CAZAC相关值的定时同步算法对系统频偏不敏感，能够在恶劣传输环境下进行可靠定时同步信息 估计。

在此模块中，主要特点为：

基于时域时移对应为频域相移的原理，借助前后两个相关峰及其附近截短后的10个相关值进行参数估计，并采用三次插值器进行重采样完成定时恢复

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种航空无线突发通信系统，包含位于发射端的突发帧构建模块，位于接收端的接收数字前端处理模块、突发检测器、载波、相位参数提取及恢复模块以及定时参数提取及恢复模块，其特征在于：

所述突发帧构建模块用于对信源进行编码及突发帧构建，并通过符号映射及前端处理，完成对信息的突发发射；所述突发帧由AGC训练序列、两个相同的复CAZAC训练序列、数据块组成，两个复CAZAC训练序列的间距为D个符号，D取值为正整数；

所述接收数字前端处理模块用于对进行带通采样的ADC输入信号进行初始下变频及滤波，获得带有频偏、相偏及定时误差的初始解调信号；并将初始解调信号送入缓冲器进行缓存；

所述突发检测器用于采用复CAZAC训练序列对初始解调信号进行匹配滤波，若前后两个相关峰值超过门限则给出突发标志并输出两个相关峰值及相关峰旁瓣值；

所述载波、相位参数提取及恢复模块用于利用两个相关峰及相关峰旁瓣值进行载波误差参数、相位误差参数估计，并根据突发标志确定的突发信号在缓冲器中的起始位置对初始解调信号完成载波、相位恢复；

所述定时参数提取及恢复模块用于利用两个相关峰及相关峰旁瓣值进行定时误差参数估计，对已完成载波、相位恢复的数据完成定时恢复，并送至后续解码模块恢复信息。

2.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述缓冲器采用环形缓冲器，缓冲器深度大于1个突发数据块总点数。

3.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述突发检测器在将两个相关峰值进行门限比较前，先对匹配度最高的两个相关峰值所在数据段的数据进行能量归一。

4.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述突发检测器输出的相关峰旁瓣值的个数为相关峰的左右各二个。

5.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述载波、相位参数提取及恢复模块通过将过突发检测器的门限时所对应的第一个相关峰值及第二个相关峰值进行差分，获得载波误差参数；通过以第一个相关峰对应的相位值作为初始相位值，然后以该初始相位值和载波误差参数得数字NCO相位值；用数字NCO相位值对缓冲器中数据进行载波相位恢复。

6.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述定时参数提取及恢复模块通过下式获得定时误差参数：

其中M为FFT点数，k为过采样率，q为指定频点，N为序列拖尾。

7.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于所述定时参数提取及恢复模块采用三次插值器进行重采样，所述三次插值器如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3-\frac{1}{6}\text{\τ}\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2+\mathrm{\τ}\\ C_0=\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^3-{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{2}\mathrm{\τ}+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{\mathrm{\τ}}^3+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}^2-\frac{1}{3}\mathrm{\τ}\end{array}\right..$

8.根据权利要求1所述的一种航空无线突发通信系统，其特征在于通过改变前后两个相同复CAZAC训练序列的间距D，实现对频谱估计范围及精度进行快速调整。