一种短波多载波信号的同步捕获方法技术

本发明专利技术属于通信技术领域，具体的说是涉及具有前导序列的短波多载波信号的同步捕获方法。本发明专利技术利用信号中前导音频率信息，在时域和频域同时以滑动窗方式对信号进行功率谱分析，一个时频滑动窗在时域上包括多个多载波符号，在频域上覆盖正负多个子载波间隔的频偏，以时频滑动窗内多个符号的前导音平均信噪比作为捕获判断标准；若当前滑动窗长内前导音平均信噪比大于捕获门限且高信噪比的符号个数大于一定值，则认为捕获成功；同时，当前滑动窗所对应的时域和频域位置即分别为初始时偏估计值和初始频偏估计值的计算依据；该方法充分利用前导音信号特性，联合多符号的时频分析，在大频偏下仍能正常同步捕获，提高了同步捕获的鲁棒性。的鲁棒性。的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种短波多载波信号的同步捕获方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体的说是涉及具有前导序列的短波多载波信号的同步捕获方法。

技术介绍

[0002]短波通信以其设备简单、通信方式灵活、抗毁性强、通信距离远等特点在远距离通信领域中是重要的无线通信方式，同时在军用和民用通信中应用很广泛，但是短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散和电台干扰等一系列复杂现象，而且因为多径时延大，对大多数短波通信系统，短波天波信道具有频率的选择性，造成短波通信信号的严重衰落和符号干扰；多载波技术在克服多径传播、信道衰落、多普勒频移、提高数据速率等方面具有突出的优势，因而在短波通信中得到了广泛应用；在短波多载波通信系统中，同步是数据正确传输的前提，同步捕获作为同步技术中最重要的一环，包括时间同步和频率同步两部分；通常情况下，接收端并不知道信号的开始位置，无法直接接收并解调出数据信息，故需要时间同步；接收信号的载波和本地载波也并不完全同步，存在频率偏移(简称频偏)，故需要频率同步；但是对于多载波系统，各种同步误差会引入信道间干扰(Inter
‑
Channel Interference，ICI)、符号间干扰(Inter
‑
Symbol Interference，ISI)，并且还会破坏多载波系统内各子载波的正交性，使得在接收端无法正确接收数据，极大地影响了多载波系统的性能；因此如何实现短波多载波信号的时间同步和频率同步是同步捕获的一个难题。
[0003]常见的短波多载波信号有美国环球无线电通信公司的商用产品ARD9900调制信号，美国短波通信MIL
‑
STD
‑
188
‑
110系列标准中的16音及39音多载波信号等；这些信号都具有前导序列，数据帧格式如附图1所示，每条消息的开始都有前导序列，然后是多帧数据，每帧数据由帧同步序列和数据段构成，最后是消息结束(End
‑
Of
‑
Message，EOM)指示；通常前导序列是由多个不同频率的前导调制符号序列组成，前导序列所用的频率又称为前导音，一般情况下各前导音的功率会比数据段各子载波功率高，所以可利用前导序列进行同步。
[0004]目前常用的对于有前导序列的短波多载波信号的同步捕获方法主要有两种：1)基于前导序列的同步捕获，该方法的前提是收端已知发端信号的前导序列图案设计规律；一般都是基于前导序列的周期性，进行信号相关检测，从而实现对信号的同步捕获；2)利用时域滑动窗检测前导序列的功率谱，计算各前导音的信噪比之和，并设定捕获门限进行信号捕获；方法1适用于协作式通信，而在非协作情况下对于收端未知发端前导设计规律的半盲或全盲状态，不能利用此方法进行同步捕获；方法2只是利用了时域滑动检测窗而没有考虑接收信号在较大频偏时前导音的功率会变得比较低的情况，从而在较大频偏时容易发生信号漏检导致无法同步捕获；另外，这种方法只是粗略地检测到信号的开始位置，并未考虑初始时偏和频偏的估计；因此这两种方法虽然可以实现某些情况下的信号捕获，但在非协作通信或者频偏较大情况下会有局限性，导致无法正确同步。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术的不足，针对短波多载波信号的同步捕获问题，本专利技术提供了一种有前导音存在的短波多载波信号的同步捕获方法；在该方法中，利用信号中前导音频率信息，在时域和频域同时以滑动窗方式对信号进行功率谱分析，一个时频滑动窗在时域上包括多个多载波符号，在频域上覆盖正负多个子载波间隔的频偏，以时频滑动窗内多个符号的前导音平均信噪比作为捕获判断标准；若当前滑动窗长内前导音平均信噪比大于捕获门限且高信噪比的符号个数大于一定值，则认为捕获成功；同时，当前滑动窗所对应的时域和频域位置即分别为初始时偏估计值(信号起始位置)和初始频偏估计值的计算依据；该方法充分利用前导音信号特性，联合多符号的时频分析，在大频偏下仍能正常同步捕获，提高了同步捕获的鲁棒性，能很好地完成有前导序列的短波多载波信号的同步捕获；同时也进行了初始时偏和频偏的估计，为之后的正确解调奠定基础，另外本专利技术也可应用于非协作通信场景下。
[0006]为了方便描述本专利技术的内容，以ARD9900短波正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信号为例进行短波多载波信号同步捕获方法的说明；ARD9900调制解调器是OFDM体制在短波通信中的具体应用，具有传输数字语音、图像以及数据的功能；ARD9900调制解调器消息格式如附图2所示，包含前导段、1帧数据和EOM三个部分，其中前导段又由前导序列和参考相位符号两个部分组成，每个OFDM符号周期为20ms，第一部分的前导序列持续84个OFDM符号周期，是由3个前导音调制符号序列组成，前导音的调制方式采用的是DBPSK方式，调制符号为全1；第二部分的参考相位符号持续1个OFDM符号周期，包含了36个子载波，用于后续帧同步DQPSK调制符号序列的初相参考，子载波间隔为62.5Hz；由于前导序列持续时间较长，且比数据子载波功率高，可以用于进行信号的捕获、定时同步以及频偏估计。
[0007]时频滑动检测示意图如附图3所示，其中，OFDM符号周期为N
OFDM
个样点，前导序列中有N
p
个前导音，对接收数据用长度为N
FFT
个样点的时域检测窗进行检测，N
FFT
为FFT的点数；为降低运算复杂度，检测窗以步长为N
step
个样点进行滑动，N
step
＝N
OFDM
/N
seg
，其中1<N
seg
＜＜N
OFDM
/2，且N
seg
为N
OFDM
的因数；此时一个OFDM符号以滑动步长N
step
为间隔被分为了N
seg
个位置，每个位置对应一个时偏，每滑动N
step
个样点，就以当前时偏为起点，取出N
FFT
个样点做FFT进行功率谱分析，不同OFDM符号的相同时偏位置可以认为是同一组；根据不同组(时偏)之间的前导音信噪比(Signal
‑
to
‑
Noise Ratio，SNR)差异可以进行捕获和时频粗同步；时频检测窗的前导音SNR可表示为：其中SNR
ij
是时偏为(j
‑
1)N
step
个样点且频偏为(i
‑
N
sc_ofst
‑
1)
△
f情况下的捕获窗长内N
acq
个符号的平均信噪比，N
sc_ofst
为最大子载波偏移量，
△
f为子载波间隔；计算公式可表示为：f为子载波间隔；计算公式可表示为：为当前捕获窗内N
acq...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种短波多载波信号的同步捕获方法，所述短波多载波信号为具有前导音的短波多载波信号，其特征在于，所述捕获方法为利用信号中前导音频率信息，在时域和频域同时以滑动窗方式对信号进行功率谱分析，一个时频滑动窗在时域上包括多个多载波符号，在频域上覆盖正负多个子载波间隔的频偏，以时频滑动窗内多个符号的前导音平均信噪比作为捕获判断标准，具体包括以下步骤：S1、初始化参数：前导音的个数N
p
，最大子载波偏移量N
sc_ofst
，支持的频偏范围为[
‑
N
sc_ofst
△
f,N
sc_ofst
△
f]，
△
f为子载波间隔，捕获窗长N
acq
，滑动步长N
step
，捕获信号的信噪比门限为G
t
，高SNR相对于捕获信噪比门限的比例因子为λ
h
，高SNR的符号个数相对于捕获窗长N
acq
的比例因子为λ
f
，所述高SNR是指SNR大于λ
h
G
t
；S2、将对应不同频偏(i
‑
N
sc_ofst
‑
1)
△
f下的前导音作为前导音集合，i＝1,2,...,2N
sc_ofst
+1，将接收滤波带宽内的所有子载波构成的集合中去除前导音及其左右各两个子载波后剩余的子载波作为噪声子载波集合；S3、以步长为N
step
、检测窗长为N
FFT
依次滑动接收的短波OFDM信号数据进行FFT，计算并记录N
p
个前导音在不同滑动位置、不同频偏下的SNR，对于每个符号共有N
seg
(2N
sc_ofst
+1)个时偏频偏组，对应N
seg
(2N
sc_ofst
+1)个SNR值；S4、判断是否已处理N
acq
个符号，若是则计算当前捕获窗长N
acq
内的SNR
pilot
：SNR
ij
是捕获窗长内N
acq
个符号的平均信噪比；否则，转S3；S5、找出SNR
pilot
中的最大值SNR
max
，判断SNR
max
是否大于G
t
且SNR
pilot
中的高SNR的个数N
high
是否大于捕获窗长的λ
f
，若是，则捕获成功；否则，转S3；S6、SNR
max
在SNR
pilot
中的列j
m
对应的时偏粗估计值为(j
m
‑
1)N
step
个样点，行i
m
对应的整数倍频偏估计值为(i
m
‑
N
sc_ofst
‑
1)
△
f；根据时偏粗估计值(j
m
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：程郁凡，董晓珂，阳珂馨，欧云瑶，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：