一种短时突发PSK信号的自适应解调方法

张建明

一种短时突发PSK信号的自适应解调方法

张建明1,2

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068）

短时突发相移键控（PSK）通信具有隐蔽性好、信道利用率高的特点，得到广泛应用。将已调信号非线性放大、限幅处理，使其幅度稳定在一定范围，基于锁相原理得到与已调信号同步的本地载波，是PSK信号解调相干载波恢复的常用方法。然而接收信号的非线性处理，会使PSK信号信噪比急剧下降，影响载波相位跟踪精度，给帧同步信号生成和码元抽取带来不确定性，导致误码率升高。针对常规方法存在的问题，提出了基于Hilbert变换的短时PSK信号自适应解调算法，通过信号归一化，在不降低解调信号信噪比情况下，确保载波恢复运算不受数据信号幅度的影响，具有恢复速度快、跟踪精度高、帧同步信号解调可靠、码元采样时间准确的特点。

短时突发PSK信号；Hilbert变换；载波恢复

0 引言

短时突发相移键控（Phase Shift Keying，PSK）信号的主要特征是持续时间短，发送时隙随机，载波相位随基带信号变化，是相位不连续的恒包络数字调制，只在需要的时候进行数据传输，节省了功率和信道资源，具有抗干扰性强、隐蔽性好的特点，得到广泛应用。短时突发PSK通信以数据包为单位传递信息，为确定数据到来时刻，通常会在数据包中插入一段训练序列，接收端利用该序列完成数据包的帧同步，前一数据包的同步信息往往不能被下一个数据包所用，每个数据包都需要重新估计同步参数。

实际信号传输中，由于接收端本地信号与发送端载波信号存在相位误差，会使解调信号出现畸变。因此，帧同步信号解调和接收端本地载波跟踪与恢复成为短时突发PSK信号解调的关键。

为确保信号解调动态，传统解调方法首先对接收信号进行高增益放大，然后再对放大信号限幅处理，使信号幅度保持稳定，确保本地载波相位跟踪精度及码元抽样的准确。这种解调方法存在以下几方面不足。

1）载波跟踪精度低，解调误码率高。

采用先放大、后限幅的处理方法，不仅增加了硬件电路，而且要求限幅输出信号的稳定性较高，这样才能确保基于门限抽样、检测的相干解调；同时，对大功率信号限幅处理，一般只对有用信号起作用，而噪声信号变化并不明显，会增加高次谐波，这些必然引起解调信号信噪比下降，影响本地载波跟踪精度，导致误码率升高。

2）本地载波恢复时间长

突发通信信号持续时间短、载频变化较大，要求锁相环有较大的捕获带宽，捕获带宽的增加势必会影响到载波跟踪精度和载波恢复速度，影响数据信号解调。

1 短时突发PSK信号解调方法

1.1 解调原理

为解决传统PSK信号解调不足，提出PSK信号自适应解调方法：首先对PSK信号进行Hilbert变换，获得PSK信号的包络信息，以信号幅度作为锁相环载波恢复的归一化参数，确保载波恢复运算不受数据信号幅度的影响；然后通过PSK信号频率粗测，开展锁相环载波跟踪与恢复及帧同步信号解调，实现短时突发PSK信号的自适应解调。该方法可自动调节用于数据解调信号幅度，具有载波恢复速度快、跟踪精度高、帧同步信号解调可靠、码元采样时间准确度高的特点，可对一定动态范围的PSK信号实现自适应解调。

下面以差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）信号为例说明PSK解调过程，原理如图1所示，其中数控振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）用于生成本地载波 信号。

图1 短时突发DPSK信号解调原理图

1.2 基于Hilbert变换PSK信号归一化

1.2.1 信号幅度解调

1.2.2 信号Hilbert变换

2）令

1.2.3 PSK信号归一化

1.3 载波频率粗测

在无线通信中，接收端本地载波只有与输入信号同频、相位同步，才能实现信号的相干解调。然而，由于发送端与接收端本地载波频率不一致，以及接收端与发射端的相对移动，会引起接收和发射信号频率差异。同时，信号在空间传输过程中，由于多径效应的影响，接收端对多径信号的叠加，也会使接收信号的载波频率相位和码元发生偏移。

一般来说，在PSK信号相干解调中，初始频偏越大，锁相环环路捕获时间就越长，甚至不能进入捕获带，严重时不能实现载波恢复。设计时，如果增大锁相环的捕获频带，则会降低载波恢复精度，引起解调误码率增大。因此，在短时PSK通信中，首先对输入信号载波频率粗测，再进行精确跟踪，可以有效解决捕获带和频率跟踪精度的矛盾。

1.4 帧同步自适应门限解调输出

1.4.1 锁相环本地载波跟踪与恢复

锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是闭环控制系统，为实现输入信号与本地载波恢复信号相位同步，通过比较输入信号和NCO相位差，调整其输出频率，直至输入信号相位与接收端本地NCO相位差稳定在一定范围，使输入调制信号与本地振荡器输出信号的相位保持同步。

设输入PSK信号为

输入PSK信号正交变换后的信号为

NCO输出信号为

将式（10）和式（11）信号相乘，经过环路低通滤波，得到NCO本地振荡器的控制量

1.4.2 帧同步信号解调

短时突发信号一般以数据包为单位传递信息，为实现数据码元最佳采样，一般会有数据包同步信号，也就是帧同步。Baker码具有尖锐单峰特性的自相关函数非周期序列，是常用的帧同步码组序列。

Baker码识别器比较容易实现，以5位Baker码为例，如图2所示，可由5级移位寄存器、相加器和判决器组成，各移位寄存器输出段的接法和Baker码的规律一致，这样识别器实际上就是对Baker码进行相关运算，当Baker码正好全部进入移位寄存器时，移位寄存器输出端输出都为+1，相加后得到最大输出5，若判决器的判决门限为+4，那么就在5位Baker码的最后一位进入识别器时，识别器输出一帧同步脉冲表示一帧的开始，作为每一功能段的帧同步信号。

图2 5位Baker码识别器原理图

由于解调后的帧同步相关运算峰值与PSK信号码元相关，对相关运算峰值信号按码元长度延迟，就可在“最佳时刻”对接收的数据信号进行采样、判决，也就得到一个位同步定时抽样脉冲，其速率与发送的基带信号一致。

1.4.3 帧同步自适应检测门限的确定

1.5 数据信号解调输出

结合帧同步信号解调及已知信号码元宽度，通过对数据信号的采样、判决断，实现数据的解调。

2 微波着陆信号解调仿真分析

2.1 微波着陆信号特性

微波着陆信号是典型的短时突发PSK信号，采用时分多路复用技术，角度制导和数据信息都在同一频率上发射，不同功能信号占有自己的时隙。在每个发射时隙前部均采用DPSK调制的前导码来区分不同的功能块。其中数据信息用于向飞机提供用于精密进近和着陆的必要信息，包括基本数据字和辅助数据字。

基本数据字包括地面设备识别、信号覆盖范围、可用最低下滑角、设备性能级别和所用频道等于着陆直接有关的数据；辅助数据一般包括地面设备的安装状况、航空气象情报、跑道状况及其他补充 信息。

基本数据字共有6个，每个字占32位，其中前12位为前导码，最后2位为奇偶校验位，其余构成若干信息段。辅助数据字又分为A、B、C三类，每类最多可达64个字，每个字占76位，其中前12位是前导码，随后是8位地址码，中间部分是数字信息，最后7位是奇偶校验位。

2.2 基本数据字1的数据结构

下面以微波着陆基本数据字1解算为例，说明PSK信号自适应解调方法。基本数据字1信息时长3.1 ms（包括832 μs载波捕获段），码元宽度为 64 μs。分析中，数据内容设定如表1所示。

表1 基本数据字1数据结构

注：13+14+…+30+31为奇数，14+15+…+30+32为偶数。

这样基本数据字1的数据内容为：[11101 0101000 011110 10101 101010010]，共32位。

2.3 信号采样

对构造出的基本数据字1信号进行采样：

1）载波频率：800 kHz；

2）信噪比：15 dB；

3）采样率：10 MHz。

2.4 信号解算

2.4.1 基于Hilbert变换的信号归一化

图3 基本数据字1的Hilbert变换

图4 基本数据字1的Hilbert变换局部放大

图5 幅度解调信号

图6 归一化已调信号

2.4.2 PLL本地初始载波频率的确定

对归一化后的信号做256点功率谱密度分析，如图7所示，当频率820.31 kHz功率谱密度最大，以该频率作为PLL本地载波的初始频率。

图7 信号的功率谱密度

2.4.3 基带信号解算

图8 载波相位跟踪误差

图9 同相支路信号/正交支路信号

图10 同相信号经过低通滤波后的基带信号

2.4.4 帧同步信号解算和数据信号解调

解调得到的数字基带信号需要通过帧同步、抽样及码变换，才能得到所需的数据信息。这里，将解调后的基带信号与5位标准Baker码[11101]进行相关运算，输出信号峰值作为码元抽样的时间基准，即码元提取时钟的帧同步信号，如图11所示。

图11 相关运算帧同步信号解调

3 结语

本文提出的基于信号Hilbert变换的PSK信号相干解调方法，首先对解调信号幅度进行归一化处理，避免了传统载波恢复方法中对输入信号幅度有严格要求的问题，对归一化数据信号进行载波相位跟踪，得到与输入信号载波相干的本地载波，通过帧同步解算和码元抽样，实现PSK信号解调。

短时突发PSK信号自适应解调方法与传统解调算法相比，可有效减小数据信号载波捕获时间、提高时间利用率，具有良好的载波跟踪与恢复性能，该方法适应于信号持续时间短、载频变化大的突发通信，对跳频、QPSK多相调制中接收机本振信号的产生也具有一定的参考意义。

[1] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京：国防工业出版社，2001.

[2] 吴大正. 信号与线性系统[M]. 北京：高等教育出版社，1993.

[3] 杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2001.

[4] 苏晓生. 掌握MATLAB 6.0及其工程应用[M]. 北京：科学出版社，2002.

[5] 丁玉美，高西全. 数字信号处理[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[6] 赵龙. PSK信号盲解调的Matlab仿真与实现[J]. 电子科技，2014（10）：84-86.

[7] 邢添翔. 非协作通信PSK信号参数估计方法研究与实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015（3）.

[8] 张建明. 数字costas锁相环的设计与仿真[J]. 现代导航，2010（5）：25-28.

[9] 梁聪. 短时突发信号解调算法研究[D]. 郑州：解放军信息工程大学，2011.

[10] 张永光. 一种非合作通信帧同步分析方法[J]. 通信对抗，2016（1）：1-4.

[11] International Civil Aviation Organization. Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation Aeronautical Telecommunications，Volume I Radio Navigation Aids[S]. International Civil Aviation Organization，2018（7）.

Demodulation Algorithm of Short-Term Sudden PSK Signal

ZHANG Jianming

Short-term sudden Phase Shift Keying (PSK)communication has the characteristics of good concealment and high channel utilization, which is widely used in military and civilian fields. By amplifying and limiting the modulation signal to stabilize its amplitude in a certain range, basing on the principle of phase-locked loop to obtain the local carrier synchronized with the PSK signal is the most commonly used carrier recovery method. However, nonlinear processing of the received PSK signal will cause a sharp decline in signal-to noise ratio of modulation signal, resulting in an increase in bit error rate. It affects the carrier phase tracking accuracy, brings uncertainty to frame synchronization signal generation and code element calculation uncertain. In response to the problems of this method, based Hilbert transformation, an adaptive PSK signal demodulation method is proposed to ensure that the carrier recovery operation is not affected by data signal amplitude. The method does not reduce signal-to-noise ratio of PSK signal. Compared with traditional method, the algorithm can adaptive adjust the signal amplitude and has the advantages of rapidly carrier wave tracking, reliable frame synchronization demodulation and accurate of code element sampling.

Short-Term Sudden PSK Signal; Hilbert Transformation; Carrier Wave Recovery

TN911

A

1674-7976-(2023)-06-435-07

2023-06-19。

张建明（1968.05—），山西平遥人，高级工程师（研究员级），主要研究方向为无线电导航。