MSK直扩通信检测与符号周期估计分析

董占奇， 刘明友

(1.许昌学院 电气信息工程学院， 河南 许昌 461000; 2.防空兵指挥学院， 郑州 450052)



MSK直扩通信检测与符号周期估计分析

董占奇1*， 刘明友2

(1.许昌学院 电气信息工程学院， 河南 许昌 461000; 2.防空兵指挥学院， 郑州 450052)

着眼MSK直扩通信的非协作检测问题，研究提出了一种基于接收信号自相关域分析处理的检测方法，该方法基于MSK直扩通信的基本原理，通过直接对频带信号进行自相关平方平滑及低通滤波获得能够反映MSK直扩通信存在与否的稳健峰值，并同时达成对于扩频系统扩频参数符号周期的估计，算法不需要对扩频系统载频进行前期估计，有效避免了非协作通信检测中在载波与相位估计及跟踪方面所存在的问题.计算机仿真显示，所述方法可操作性强，具有对于噪声环境下扩频信号检测的鲁棒性与适应性．

MSK直扩通信； 频带处理； 处理增益； 符号周期

基于在抗干扰与通信信息安全方面所具有的良好性能，扩频通信在现代社会得到了广泛的应用，同时由之而来的通信检测问题也受到了相关领域研究人员的关注，有不少学者在相关方面做了重要的工作.如：C. Bouder、盛广铭等针对扩频通信的特征进行研究，分别提出了在基带层面上能够实现对于BPSK直扩通信检测的可行方法[1-3]，张花国、赵知劲等以扩频通信中QPSK调制的扩频信号的检测为研究内容，研究提出了可实现对QPSK扩频通信系统码片速率和扩频序列估计的扩频通信检测处理方法[4-5]，郑文秀针对MSK直扩通信的特征进行研究，提出了一种基于自混频处理与小波分析的可实现对MSK调制的扩频系统伪码速率估计的方法[6]，赵旦峰等依据数字调制系统所具有的循环平稳特性提出通过计算接收信号循环谱实现对于直扩通信的检测[7].这里基于直扩系统所具有的独特特征，针对MSK直扩通信的非协作检测问题展开研究，理论分析与实验实践相结合，努力探寻能够恰当利用扩频系统扩频处理增益、可直接实现对频带MSK直扩通信检测的有效方法．

1 基本原理分析

1.1 信号表示与处理

MSK直扩通信信号可以表示为[8-9]：

(1)

对式(1)所示信号以窗宽T(T>>Ts=NTc，N为序列aI(t)和aQ(t)的长度)截取信号样本sm(t)并取自相关，这里首先考虑(1)式右边的第一项有：

(2)

其具体相关值的大小与延时τ、DI(t)在对应窗口中的取值情况及窗宽T有关，当τ≠kNTc(k为整数，NTc=Ts为符号周期)时，由扩频序列的相关特性可知相关值将很小，即不会在τ处出现一个明显的相关峰；当τ=kNTc时可能出现相关峰，峰值的大小与T及对应的DI(t)取值情况有关，特别地，当在整个观察窗T内信息码元序列DI(t)不发生跳变时有(假设为m序列)：

(3)

然而，事实上由于DI(t)取值具有随机性，在对不同的样本数据进行分析时，对于不同的k，在τ=kTs处可能出现相关峰，也可能不显示明显的相关峰，特别地，由于各相关峰峰值大小不尽相等且取值正负不定，直接依据某一段采样数据的相关结果来发掘目标信息是不可靠的．

(4)

其中，

同时，对于(1)式右边的第二项来说，经过同样的处理也将表现出相似的特点，特别地，由于DI(t)、DQ(t)、aI(t)、aQ(t)相互独立、互不相关，因而有

(5)

对(5)式所示的处理结果做低通滤波消除2倍载频项“cos(4πf0τ)”所带来的扰动性影响，此时有

(6)

式(6)显示MSK直扩通信相关平方的平滑结果在τ等于符号周期Ts整数倍处稳定取峰值．

1.2 噪声环境下的特征分析

以上从理论上分析说明了对MSK直扩通信信号做相关平方平滑可以在相关时延参数τ等于符号周期整数倍处获得峰值，在实际的通信检测中，由于接收机采集到的信号不可避免地存在噪声，要达成检测目的必须对噪声环境下算法处理的特征特性进行研究分析.考虑噪声时，进入接收机的信号为

r(t)=s(t)+n(t),

(7)

其中，n(t)=nI(t)sin(2πf0t)+nQ(t)cos(2πf0t)，n(t)与s(t)相互独立．

接收信号自相关：

Rrm(t)(τ)=Rsm(t)(τ)+Rnm(t)(τ),

(8)

对(8)式所示结果做平方平滑：

(9)

对(9)式所示的处理结果做低通滤波可得

(10)

式中,有用信号成分与噪声干扰比较：

(11)

由式(10)和式(11)可知，MSK直扩通信自相关之平方平滑处理结果在相关时延参数τ等于符号周期的整数倍时将取峰值，并且峰值大小与扩频系统所用的扩频序列长N、接收机输入信噪比有关(一般地，N越大信号的发送功率越低)，算法处理对于信噪比的改善直接得益于MSK直扩系统的扩频增益.在对MSK直扩通信的检测中我们可以基于此特征实施检测处理．

2 实验验证

为了检验上述理论分析的正确性，这里以反馈系数为5 321和5 431的两个31长m序列为I/Q相扩频序列、码片速率为1 Mchips/s、系统载频为10 MHz的假定MSK扩频通信信号为检测处理对象，在信噪比为-6 dB的情况下用Matlab仿真计算软件按上一部分所述进行了仿真处理模拟，图1所示为观察窗宽取40倍符号周期、参与平滑的数据段数为30时的处理结果．

图1 实验检测效果

由图1所显示的仿真结果可见，按照本文上一部分所述对MSK直扩通信信号做检测处理确实可以在相关时延等于符号周期整数倍时获得能够凸现系统特征的峰值，在对MSK直扩通信的检测中我们可以通过检查搜索这些峰值实现对于MSK直扩通信的检测发现，同时由于峰值出现在自相关时延参数等于符号周期整数倍处、相邻峰值之间的间隔等于扩频系统的符号周期，因此在完成对于MSK直扩通信存在性检测时可以通过检查峰值出现的位置及相邻峰值之间的间隔实现对于扩频系统重要参数符号周期的估计；同时，通过观察图1也发现，虽然检测处理结果在时延参数τ取符号周期整数倍处显示出明显的峰值，但是各处峰值取值相互之间存有比较大的差异，这一现象的出现主要是由DI(t)和DQ(t)取值及其序列分布随机所引起的，对应问题可通过增加分析处理所用数据段数的方式来解决；顺便地，在图1所示的处理结果中在相关时延τ小于符号周期Ts的范围内存在有比较多的强干扰取值，这主要是由于直扩通信信号在做如是处理时有典型特征——当τ

以上实验证明了运用上一部分所述理论实现MSK直扩通信非协作检测的可行性，为了进一步检验相应检测处理方法的性能，这里在其它条件不变的情况下，针对不同的信噪比对算法正确实施对于MSK直扩通信检测和符号周期估计的情况进行了统计分析，具体结果如图2所示．

图2 检测算法对于噪声的适应性(不同信噪比)

由图2所显示的仿真统计结果可见，这里所述的MSK直扩通信检测方法鲁棒性强，能够适应非协作通信检测的低信噪比要求，能在较低的信噪比环境下实现对于目标通信的检测并保持良好的性能，在文章所假定的环境下可以在信噪比为-8dB时以较高的准确性实现对于目标通信的检测和完成对于扩频系统符号周期的估计．

3 结束语

根据MSK直扩信号与噪声之间的统计特征差异，提出了一种能够有效利用扩频系统扩频增益的MSK直扩通信非协作检测方法，并针对假定扩频通信信号进行了计算机处理模拟，通过反复的实验证明了检测处理方法的有效性；特别地，所提检测处理算法可以直接作用于频带信号，大大降低了非协作通信检测在载波与相位估计及跟踪方面所存在的困难，它的使用对非协作条件下成功实现对于MSK直扩通信的检测具有重要意义．

另外，需要指出的是，在实际的扩频通信非协作检测中，为了避免直接对监视频段的“射频信号”进行处理所带来的对接收机采样处理速率要求过高、数据处理量相对过大，难以实现实时检测等问题，可以基于超外差接收思想先将欲“考察处理信号”转至中频，而后再按照本文所述方法实施检测．

[1]BouderC，AzouS，BurelG.Blindestimationofadirectsequencespreadspectrumtransmissionparametersinanon-cooperativecontext[J].TraitementduSignal， 2003， 20(4): 1-23.

[2] 盛广铭， 马德保. 微弱直接序列扩频信号Duffing振子检测方法研究[J].电子科技大学学报， 2012， 41(5): 693-696．

[3]VlokJD，OlivierJC.Non-cooperativedetectionofweakspread-spectrumsignalsinadditivewhiteGaussiannoise[J].IETCommunications， 2012， 6(16): 2513-2524.

[4] 张花国， 魏 平. 基于恒模特性的QPSK-DSSS信号扩频序列估计[J].航空学报， 2013， 34(6): 1389-1396．

[5] 赵知劲， 邬 佳， 徐春云， 等. 基于四阶累积量的DSSS/QPSK信号检测方法研究[J].电子学报， 2007， 35(6)：1046-1049．

[6] 郑文秀.MSK信号的参数估计[J].电路与系统学报， 2011， 16(2): 23-27．

[7] 赵旦峰， 赵春晖， 宋朝玲. 循环谱理论在MSK扩频信号检测与识别中的应用[J].哈尔滨工程大学学报， 2001， 22(5): 62-65．

[8] 吕卫华， 李 陟， 张定云. 一种双伪码MSK扩频同步方案的设计[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版， 2013， 29(3): 359-354．

[9] 付书堂， 李 陟， 朱学勇. 直扩MSK解调方法分析与仿真[J].电子设计工程， 2012， 20(13): 110-113．

[10] 董占奇， 胡捍英， 于宏毅. 基于延迟相乘-相关及谱分析的直扩信号检测与符号周期、码片时宽估计分析[J].电子与信息学报， 2008， 30(4): 840-842．

Research on the detection and symbol period estimation of MSK DSSS communication

DONG Zhanqi1， LIU Mingyou2

(1.School of Electrics and Information Engineering， Xuchang University， Xuchang， Henan 461000;2.Air Defense Command College， Zhengzhou 450052)

Focusing on the non-cooperative detection of DSSS communication， the paper proposes a kind of MSK-modulated spread spectrum communication detection method. The method achieves the detection of the MSK DSSS communication and the estimation of the symbol period of the spread spectrum system by means of doing correlation， square smoothing and low pass filtering on the received band signal (or also radio-frequency signal) directly， through which a series of robust peaks can be gained. It does not need to do the preliminary estimation of carrier frequency of the spread spectrum system， and avoids the problem of the carrier extraction and phase tracking that exists in the non-cooperative detection of spread spectrum communication. The computer simulations show that the proposed method is not only feasible and efficient， but also can fit the need of the low signal to noise ratio which is quite common for the non-cooperative detection of the spread spectrum communication.

MSK DSSS communication; frequency-band processing; process gain; symbol period

2014-05-05.

河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2010GGJS-214).

1000-1190(2015)01-0038-04

TN911.23

A

*E-mail: dongzqxxgc@126.com.