短波频率选择性衰落FSK信号盲同步技术研究

作     者：张存林 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董彬虹

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：盲同步 自动链路建立 频移键控 衰落信道 

摘      要：短波通信是军事通信中一种重要的实现远距离数据传输的方式,在短波信道中对突发信号的盲同步是非协作通信中一类棘手的技术难题。依据第二代短波通信协议美军标准MIL-STD-188-141B Appendix A,本文研究了短波频率选择性衰落信道下,短时突发频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)信号盲接收同步方案中的关键技术及部分信道参数估计算法。在深入了解第二代自动链路建立系统(The second-generation Automatic Link Establishment,2G-ALE)工作原理和数据结构的基础上,设计出非合作方完整的同步方案,并在实际应用中得到了验证,在短波非协作通信领域具有重要意义。本文第一章对短波信道和课题研究背景做了简要的介绍。本文第二章首先分析了短波信道中存在的存在多径时延、选择性衰落等问题,并结合信道特性进行Watterson建模。然后对短时突发信号、盲处理以及分集技术等有关概念进行了解释。最后介绍了2G-ALE协议中信号发送流程和字结构等相关内容。本文第三章研究了信号存在性检测的问题。传统相关峰捕获的方法不适用于盲信号的处理,因此本文主要对比研究了近年提出的基于能熵比和基于差分相关捕获的方法。本文通过对两种检测方法原理的研究和短波条件下算法特点的分析,提出了短波信道下基于离散短时傅里叶变换(Discrete Short Time Fourier Transform,DSTFT)的多路数据联合判决检测方法,利用FSK信号短时时频特征,结合多路数据以联合判决提取分集增益的方式实现信号的盲识别。这种方法较能使检测性能得到较大的提升,从而提高初期的同步性能。本文第四章首先研究了多路信号同步技术。为了消除分集信号间的时间差异需要进行多路信号同步,由于传统匹配相关的方法抗衰落能力弱且会放大噪声的影响,本文提出基于短波分集信号的时延估计方法,能同时对多信号副本间的相对时延以及短波信道多径时延参数进行估计。该方法利用部分匹配滤波(Partial Matching Filtering,PMF)和大数判决进行改进,可以有效提高算法的抗衰落能力,更好适应短波信道的传输特性。本章还对信号的粗同步算法进行了研究,提出了基于译码搜索的粗同步方法。算法利用编码约束长度内信号具有强相关性的特征,通过滑动试译码结果估计信号位置。通过仿真验证,粗同步在信号存在性检测的基础上进行,可以实现复杂度和性能的平衡,在高精度要求和低信噪比的场景下仍能保持良好的同步性能。本文第五章研究了突发信号的符号同步和精同步技术。传统定时环路存在时延长,复杂度高,收敛性难以保证等问题,本文提出了基于信号频域能量峰值和基于译码反馈两种盲定时方案。前者利用FSK信号频域特征随符号定时位置变化的特点,无需发送信号频点等先验信息即可实现码元同步,后者依据定时误差对译码结果带来的影响进行符号定时。考虑到粗同步的试译码结果可直接用于符号定时,经过性能仿真验证,最终选择基于译码反馈的方法用于符号定时。采样点级别的信号精同步是同步方案的难点,本文提出了基于能量矩阵和误码台阶的精同步方法,还作出2/3大数判决的改进,仿真表明改进后的精同步方法性能大幅跃升。本文设计的信号盲同步方案能适应短波信道低信噪比的通信条件,表现出良好的抗干扰和抗衰落特性,算法通过仿真和实际数据的验证后在C++开发平台上予以实现。第六章对所做工作进行了简单的总结,并对下一步的研究方向进行了展望。