基于極大似然準則的短猝發信號盲解調

閆紅超，楊 松

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于極大似然準則的短猝發信號盲解調

閆紅超，楊 松

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對非協作通信中短猝發信號準確接收的需求，在對短猝發信號進行建模的基礎上，提出了一種基于極大似然準則的短猝發信號盲解調算法。根據極大似然準則，對前期信號參數估計得到的可能碼元個數集合進行搜索處理，獲取不同碼元個數對應的第一個碼元起始點位置，計算相應的重構信號與接收信號的似然度，據此實現短猝發信號碼元個數的準確估計并恢復符號序列。應用二進制方波信號對盲解調算法進行仿真，仿真結果表明，當短猝發信號碼元個數>8個，信噪比>10 dB時，碼元個數估計正確率能夠達到95%以上，解調效果良好。

短猝發；盲解調；碼元估計；極大似然準則

0 引言

猝發通信是現代數字通信的一種重要通信手段，已經廣泛應用于微波通信、衛星通信、移動通信、應急通信等共享媒介通信系統中[1]。猝發信號持續時間較短，因此對猝發信號的解調處理有更高的要求[2]。

目前沒有對短猝發信號的明確定義，本文研究的短猝發信號特指持續時間很短，傳輸碼元個數小于128個碼元的猝發信號。協作通信中，通信雙方利用已知信息提高信號解調質量，但在電子對抗等非協作條件下，接收信號特征參數未知，接收方需要對接收信號的載波頻率、符號速率等參數進行估計[3]。短猝發信號碼元個數較少，最少時只有幾個碼元，傳統的信號分析算法只能給出可能的符號速率集合，無法精確得到短猝發信號的符號速率信息[4]，給信號解調處理帶來了困難。本文提出了一種基于極大似然準則的盲解調算法，能夠實現短猝發信號的正確接收。

1 信號模型及參量估計準則

接收端得到的復基帶短猝發信號表達式為[5]：

(1)

為了說明算法的思路且不失一般性，這里主要討論二進制基帶方波信號的接收處理。此時，式(1)可以表示為：

(2)

在不考慮殘余載波頻偏和相位時，短猝發信號經過整數倍采樣后可以表示為：

sM,k+n(k)，

(3)

1≤k≤N;0≤n0

式中，N為總的采樣點個數；N0表示每個碼元包含的采樣點個數，n0表示第一個碼元前的采樣點個數，表征信號的傳輸時延；i表示一個碼元內的第幾個采樣點；{sm(k)}為雙極性方波信號，取值為-1或1；sM,k為雙極性方波信號的簡化表示。對上述信號的盲解調就是對非隨機的未知參量M、n0的聯合盲估計，其中采樣序列y(k)和采樣點數N已知。

常用的參量估計準則有貝葉斯準則、最大后驗概率準則和極大似然準則等[7]。對于非隨機參量的估計，極大似然估計具有優越的漸進性能，成為通用的一種估計方法[8]，因此本文采用極大似然準則對非隨機的信號參量進行估計。

最大似然度對應的碼元個數就是實際碼元個數的極大似然估計值，獲得碼元個數的估計值后恢復得到相應的解調信息。

2 算法處理流程及關鍵技術

基于極大似然準則的短猝發信號盲解調算法處理流程如圖1所示。

圖1 基于極大似然準則的盲解調算法處理流程

算法關鍵技術有：

① 第1個碼元起始點估計：在固定一種碼元個數M的條件下，根據極大似然準則，估計第1個碼元的起始采樣點位置；

2.1 第一個碼元起始點估計

接收信號碼元格式如圖2所示。

圖2 接收信號碼元格式示意圖

對圖2所示碼元格式的信號進行盲解調，首先要確定第1個碼元的起始采樣點位置。接收信號無法保證每個碼元內的采樣點個數為整數，因此需要根據分析算法給出的符號速率信息對信號進行重采樣[9]，使得每個碼元內的采樣點個數為整數。設當前進行搜索處理的碼元個數是M，重采樣后的采樣點個數為N2，過采樣率為η。對n0進行遍歷估計前首先對各采樣點數據進行一次硬判決：小于0的認為是-1，否則認為是1，得到硬判決數據。

延時部分可能包含的采樣點個數n0為0～η-1，因此可以在這個范圍內對延時部分占用的采樣點個數進行搜索估計。根據n0的不同取值，將硬判決數據劃分為M+1塊：第1個采樣點到第n0個采樣點是第1塊(若n0=0則第1塊為空)；第n0+1個采樣點到第N2個采樣點按照過采樣率η平均劃分為M塊。將硬判決數據分塊后，統計各個塊中誤碼個數的估計值：在各個塊中，統計-1和1的個數，較少的個數認為是該塊數據的誤碼個數enm。將各個塊中的誤碼個數相加，得到當前認為的延時部分包含的采樣點個數n0對應的總誤碼個數 ：

(4)

對延時部分包含的采樣點個數在0～η-1范圍內進行搜索，得到相應的誤碼個數。誤碼個數最少時對應的采樣點數n0就是延時部分包含的采樣點數的極大似然估計值，第1個碼元從第n0+1個采樣點開始。

2.2 似然度的計算

對于一種給定的碼元個數M，獲取第1個碼元的起始點位置n0+1后恢復信號并計算似然度。

恢復信號與接收信號之間的似然度，可以利用歐氏距離進行度量。對于高斯白噪聲中的信號，基于極大似然準則的判決規則就簡化為尋找在距離上最接近于接收信號向量的恢復信號，該判決規則叫做最小距離檢測[10]。與接收信號的歐氏距離最小的恢復信號對應的碼元個數，就是實際碼元個數的極大似然估計值。

(5)

(6)

歐氏距離最小時對應最大的似然度，似然度最大對應似然函數達到最大[12]。通過對碼元個數M及延時部分包含的采樣點個數n0的二維搜索，找到最大似然度對應的碼元個數，就是實際碼元個數的極大似然估計值，此碼元個數對應的解調數據即為解調結果。

3 算法仿真

用MATLAB產生的仿真信號對算法進行測試：根據設定的碼元個數隨機產生0、1碼流；信號過采樣率隨機產生，設置為4～20之間；產生信號后，對信號的起始部分隨機去掉幾個采樣點，使接收信號符合圖2所示的形式。

仿真條件：碼元個數依次設置為4、6、8、10、12、14、16；信噪比范圍設置為0 ～15dB；針對不同的碼元個數分別進行10 000次蒙特卡羅仿真，將仿真結果進行對比，分析算法的性能。

碼元個數估計正確率結果對比如圖3所示。從圖3的結果可以看出，隨著信噪比的增加，碼元個數估計正確率呈現上升趨勢，在 10dB時達到收斂。4碼元、6碼元、8碼元、10碼元、12碼元、14碼元、16碼元情況下，估計結果收斂時對應的估計正確率分別為70.3%、87.4%、95.3%、96.8%、98.4%、99.5%、99.7%。碼元個數越多，估計正確率越高，當碼元個數>8個，信噪比>10dB時，碼元個數估計正確率達到95%以上。

在正確估計碼元個數的基礎上，不同碼元個數對應的解調誤碼率對比如圖4所示。從圖4的結果可以看出，隨著信噪比的增加，信號解調誤碼率呈現下降趨勢，在信噪比為12dB時誤碼率基本達到1×10-4，不同的碼元個數在相同信噪比時誤碼率性能相差不大，能夠滿足短猝發信號盲解調的需求。

圖3 碼元個數估計結果對比圖 圖4 不同碼元個數解調誤碼率對比圖

當碼元個數較少時，隨機產生的0、1碼中連0或連1的概率增大，造成碼元個數估計正確率降低。當碼元個數為4時，隨機產生的0、1碼序列可能出現0011、1100、0000、1111等序列，此時將無法正確估計碼元個數。

4 結束語

本文提出了一種基于極大似然準則的短猝發信號盲解調算法，對算法關鍵技術進行了詳細闡述。新算法解決了非合作接收條件下短猝發信號符號速率分析不準確的問題，通過碼元個數搜索實現了短猝發信號的符號速率估計與信號解調。仿真結果驗證了算法的正確性與可行性，具有實際應用價值。

[1] 崔誦祺,安建平,王愛華,等.低信噪比、高動態環境突發信號檢測與估計[J].北京理工大學學報,2013,35(3):304-309.

[2] 楊晗竹,李廣俠,趙陸文,等.突發信號前向頻偏估計方法綜述[J].無線電通信技術,2015,41(6):10-15,26.

[3]HamidrezaHosseinzadeh,FarbodRazzazi,AfroozHaghbin.AnAdaptableArchitectureforBlindModulationsClassificationinVariableSNREnvironments[C]∥2012 6thIEEEInternationalConferenceonIntelligentSystems(IS),2012:164-169.

[4] 廖 明.短時突發PSK信號分析和盲解調技術研究[D].北京：中國工程物理研究院,2014:1-17.

[5]NikolicBZ,DimitrijevicBR,MilosevicND,etal.PerformanceofMPSKSignalPredetectionEGCdiversityreceiver[C]∥2012 20thTelecommunicAtionsForum(TELFOR),2012:460-463.

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[8] 張明友,呂 明.信號檢測與估計(第2版)[M].北京：電子工業出版社,2005.

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Blind Demodulation Algorithm for Short Burst Signals Based on Maximum Likelihood Rules

YAN Hong-chao，YANG Song

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Aiming at the demand for blind demodulation for short burst signals,a blind demodulation algorithm for short burst signals based on maximum likelihood rules is presented based on short burst signal modeling.According to the maximum likelihood rules,the possible number of symbol estimated from the preceding signal parameters are searched and processed to obtain the start point of the first symbol,and the relevant likelihood of reconstitution signals and receiving signals are calculated.The exact estimation of symbol number of short burst signals is realized and the symbol sequence is restored.The blind demodulation algorithm is simulated by using binary quare wave signals,and the results show that the the correctness of symbol number estimation can be more than 95% and the demodulation effect is better when the symbol number of short burst signal is more than 8 and the signal-noise ratio is more than 10 dB.

short burst signals;blind demodulation;estimation of symbol number;maximum likelihood rule

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.13

閆紅超，楊 松.基于極大似然準則的短猝發信號盲解調[J].無線電通信技術,2016,42(6):52-55.

國家部委基金資助項目

2016-07-26

閆紅超(1983—),男,工程師,主要研究方向:信號解調、數字信號處理。楊 松(1986—),男,工程師,主要研究方向:信號分析、信號解調。

TN911

A

1003-3114(2016)06-52-4