專利名稱：一種適用于dmr數(shù)字集群通信系統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種適用于DMR數(shù)字集群通信系統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
DMR(Digital Mobile Radio)數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)是ETSI (歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)為了滿足歐洲各國的中低端專業(yè)及商業(yè)用戶對移動通信的需要而設(shè)計、制訂的開放性標(biāo)準(zhǔn)。 DMR具有高效利用頻譜資源，大區(qū)制組網(wǎng)方式，兼容模擬常規(guī)的優(yōu)點。其業(yè)務(wù)功能豐富，可擴展，向后兼容，同時系統(tǒng)和終端成本較低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度較快，總體運營成本較低。相對于已經(jīng)成熟的TETRA與APC025兩大數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來講，具有價格便宜、技術(shù)復(fù)雜度低的優(yōu)點。 目前國內(nèi)廠商都在積極研發(fā)DMR標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。對于一般的FSK信號是由載波頻移產(chǎn)生的，它反映要發(fā)送的數(shù)字信息，屬于無記憶的調(diào)制方式，一般采用頻率切換的方式完成調(diào)制，是突發(fā)式的，信號相位不連續(xù)，所以造成了信號在主要頻段之外有比較大的頻率旁瓣。在DMR標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)送信號采用4-CPFSK調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率為9. 6Kb/s，4-CPFSK是一種多進(jìn)制的連續(xù)相位調(diào)制(CPM)方式，可以獲得高效的頻譜利用率。在調(diào)制過程中，發(fā)射濾波器是平方根升余弦濾波器，濾波器的滾降因子 a在
間取值，其取值對系統(tǒng)性能有著重要影響。當(dāng)a較大時，時域波形的衰減快，并且振蕩小，這對于減小碼間干擾和定時誤差的影響有利，但系統(tǒng)占用頻帶變寬，頻帶利用率減小了，同時帶內(nèi)噪聲對信號的影響也會增大；當(dāng)a較小時，系統(tǒng)頻帶利用率得到提高，噪聲的影響被減弱了，但由于碼間干擾和定時誤差的影響增大，系統(tǒng)誤碼率變大。在DMR標(biāo)準(zhǔn)中，濾波器的滾降因子a =0.2。在高斯白噪聲信道下，4-CPFSK信號有相干和非相干兩大類檢測技術(shù)。相干檢測需要本地提供同步信息，盡管二進(jìn)制連續(xù)相位調(diào)制信號的同步技術(shù)有成熟的理論，但是將這些理論推廣到多進(jìn)制部分響應(yīng)CPM信號一直是一個難點，因為相干同步算法的搜尋隨著參量維數(shù)增加而變得非常困難，載波同步恢復(fù)的時間很長，且存在較大的失鎖概率。由于 4-CPFSK信號是一種多進(jìn)制部分響應(yīng)連續(xù)相位調(diào)制信號，同步信息的提取比較困難，相干檢測技術(shù)不適用于4-CPFSK信號。非相干檢測技術(shù)無需借助難以獲取的同相載波，硬件實現(xiàn)成本低，適合應(yīng)用在DMR數(shù)字集群系統(tǒng)中實現(xiàn)對信號的檢測。傳統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)一般采用逐個符號(SymboI-by-Symbol)檢測的方法,例如常見的差分檢測和限幅鑒頻。4-CPFSK信號具有記憶，這是通過相位的連續(xù)性引入的，逐個符號檢測的方法沒有充分利用好信號的這一特點，接收機性能會比較差。多符號檢測最初是為了高性能檢測CPFSK信號提出的，同時也適用于比CPFSK信號更一般的CPM信號。多符號檢測是指接收機接收到一個碼元時間的信號，并不立即進(jìn)行判決，而是再接收到多個碼元時間的信號以后，再對這一碼元進(jìn)行判決，以減少碼元判決的錯誤概率。多符號檢測可以獲得比傳統(tǒng)的非相干技術(shù)更優(yōu)的性能，在觀察窗口設(shè)置的足夠大時，幾乎接近最優(yōu)相干接收機的性能。目前國內(nèi)對這一技術(shù)的研究尚處于起步階段，研究成果不多。國外的代表性研究成果有以下兩項I.在《IEEE Transactions On Communications》，vol. com-22, No. 8 中 1974 年發(fā)表的《Coherent and Non-coherent Detection of CPFSK》中，介紹了一種 CPFSK 信號的非相干解調(diào)技術(shù)，該技術(shù)采用最大似然估計的方法，在接收多個碼元時間信號的基礎(chǔ)上，對中間的碼元進(jìn)行判決。觀察窗口足夠大時，可以達(dá)到最優(yōu)相干解調(diào)的性能，但文章只介紹了二進(jìn)制CPFSK的情況，不適用于DMR數(shù)字集群系統(tǒng)中的四進(jìn)制CPFSK信號，且該技術(shù)對應(yīng)的接 收機結(jié)構(gòu)中匹配濾波器的數(shù)目伴隨著部分響應(yīng)長度和多符號觀察窗口的增加呈指數(shù)增長， 即使該技術(shù)推廣到多進(jìn)制的情況，實現(xiàn)起來仍然需要設(shè)計很多復(fù)雜的濾波器。2.在《IEEE Transactions On Communications)), vol. 41, No. I 中 1993 年發(fā)表 的((Maximum Likelihood Block Detection of Non-coherent Continuous Phase Modulation》中，介紹了一種CPM信號的非相干多符號檢測技術(shù)，該技術(shù)采用最大似然估計的方法，利用N個碼元時間的接收信號判決出N個碼元信息。接收機性能比起傳統(tǒng)的非相干技術(shù)有很大幅度的提升，伴隨著觀察窗口的增加性能逐漸變好，接收機結(jié)構(gòu)中匹配濾波器的數(shù)目也控制在合理的范圍內(nèi)，但該技術(shù)只適用于全響應(yīng)CPM的情況，對于一般的部分響應(yīng)情況，如DMR標(biāo)準(zhǔn)下的4-CPFSK信號，需要尋找其他的技術(shù)手段解決。綜上所述，現(xiàn)有的多符號檢測技術(shù)不適用DMR標(biāo)準(zhǔn)下的4-CPFSK信號的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為了解決DMR數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)下4-CPFSK信號相干檢測難以實現(xiàn)，傳統(tǒng)的非相干檢測性能又比較差的問題，提出一種適用于該標(biāo)準(zhǔn)的4-CPFSK信號的非相干多符號檢測技術(shù)，同時在算法中引入了多進(jìn)制信號的線性模型，克服現(xiàn)有多符號檢測接收機復(fù)雜度隨著部分響應(yīng)長度和多符號觀察窗口呈指數(shù)增長的問題。本發(fā)明依據(jù)最大似然比準(zhǔn)則，推導(dǎo)出4-CPFSK信號的非相干檢測判決量，采用 Mengali算法將信號線性表示，得出最終的多符號檢測判決量，設(shè)計出簡化的接收機結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明采用如下步驟步驟I :根據(jù)最大似然比準(zhǔn)則，定義出非相干多符號檢測判決量。最大似然比準(zhǔn)則是選擇似然函數(shù)最大的情況作為判決結(jié)果。4-CPFSK信號為連續(xù)相位響應(yīng)信號，相位的連續(xù)性導(dǎo)致了信號間的記憶性，為了提高判決的正確性，本發(fā)明一次觀察多個碼元時間的接收信號。在加性高斯白噪聲信道(AWGN)下，可以計算多個碼元時間接收信號對應(yīng)的似然函數(shù)，同時采取對似然函數(shù)中的相位取平均的方法消除未知參量對判決的影響，然后依據(jù)最大似然準(zhǔn)則，選取非相干判決量。但是此判決量是基于原始信號波形的復(fù)包絡(luò)窮舉法，隨著部分響應(yīng)長度，信號波形變得愈加復(fù)雜，在此基礎(chǔ)上對接收信號進(jìn)行匹配濾波，濾波器的數(shù)目是龐大的，無法簡化接收機結(jié)構(gòu)中的匹配濾波器數(shù)目與維特比狀態(tài)數(shù)，本發(fā)明利用4-CPFSK信號的線性分解式代替參考的原始信號，推導(dǎo)后獲得最終的非相干多符號檢測判決量。步驟2 :多符號檢測接收機中三個前端匹配濾波器的設(shè)計。本發(fā)明采用信號的線性模型簡化接收機結(jié)構(gòu)，將濾波器的數(shù)目減少到三個，其中匹配濾波器分別對應(yīng)信號的三個線性分解實波形。根據(jù)Mengali算法，用三個幅度調(diào)制脈沖(AMP)的線性疊加已經(jīng)可以完美的近似DMR標(biāo)準(zhǔn)下的4-CPFSK信號，因此非相干接收機由三個前端濾波器構(gòu)成。濾波器的設(shè)計過程是首先將四進(jìn)制的信息{±1，±3}表示為兩個二進(jìn)制信息{±1}，完成兩個二進(jìn)制信號分量的線性分解對應(yīng)的幅度調(diào)制脈沖波形，然后將這些分解的實波形按照一定的規(guī)則組合在一起，最終獲得四進(jìn)制信號的線性分解實波形，即多符號檢測接收機中需要的前端匹配濾波器。 步驟3 :將基帶信號通過匹配濾波器濾波，在時間點采樣獲得采樣值，計算出非相干檢測判決量，選取判決量最大的信息序列作為輸出結(jié)果。在非相干多符號檢測判決量的計算中，需要用到基帶信號通過濾波器進(jìn)行匹配濾波后的采樣值，因此，將基帶接收信號通過設(shè)計好的匹配濾波器，并在最高峰值點采樣，獲得判決量中計算所需要的數(shù)值信息。在進(jìn)行判決量最大的情況選取時，隨著檢測序列的增力口，檢測器需要從非常多的可能中選擇一種判決量最大的情況，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。可以選擇{an_V an_J作為狀態(tài)，& 作為輸入，畫出維特比狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，選用維特比算法簡化檢測的過程。本發(fā)明提出的多符號檢測技術(shù)適用于DMR數(shù)字集群系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)下4-CPFSK信號的檢測，該技術(shù)屬于非相干檢測方法，不需要本地提供同相的載波信息，且判決量中充分利用了CPM信號的記憶性，克服了傳統(tǒng)的非相干檢測性能比較差的問題，同時，與傳統(tǒng)的多符號檢測相比，該算法對應(yīng)的接收機中含有較少的匹配濾波器數(shù)目和維特比狀態(tài)數(shù)，降低了接收機的復(fù)雜度。


圖I為非相干多符號檢測基帶接收機的原理圖；圖2非相干檢測接收機中的三個匹配濾波器對應(yīng)的沖激響應(yīng)函數(shù)波形；圖3不同觀察窗口 N，非相干接收機對4-CPFSK信號的檢測性能。
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于DMR標(biāo)準(zhǔn)下4-CPFSK信號的非相干檢測方法已經(jīng)在Matlab仿真環(huán)境中實現(xiàn)，通過對誤碼率曲線的分析驗證發(fā)明的正確性和有效性。圖I給出了多符號檢測基帶接收機的原理圖，圖2給出了三個匹配濾波器對應(yīng)的沖激響應(yīng)函數(shù)波形，圖3給出了不同觀察窗口下的非相干接收機的檢測性能。下面結(jié)合多符號檢測基帶接收機的原理圖，介紹算法實現(xiàn)的具體步驟步驟I :依據(jù)最大似然準(zhǔn)則，定義出信號的非相干多符號檢測判決量。4-CPFSK信號經(jīng)過高斯白噪聲信道(AWGN)后，在接收端接收到的基帶信號為r(t)，取每次的觀察長度為NT，在(n-N)T彡t彡nT時間內(nèi)，信號的似然函數(shù)可以表示為，p(r(0\s(0^) = ^exP{~~~ N)T r(0-s{t)ejeI dt}\* MERGEFORMAT (I)其中，s(t)為參考信號，0為信道引入的未知相位，在(-31，31)內(nèi)均勻分布,F為常數(shù)。由于未知相位0的存在，無法進(jìn)行似然函數(shù)值的比較，需要對似然函數(shù)關(guān)于未知相位取均值，消去未知參數(shù)對似然函數(shù)的影響。同時為了獲得簡化的接收機結(jié)構(gòu)，將參考信號s(t)用4-CPFSK信號的線性分解式替換，最終獲得非相干多符號檢測判決量為，
權(quán)利要求
1.一種適用于DMR數(shù)字集群通信系統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)，所采用的步驟是步驟I :依據(jù)最大似然準(zhǔn)則，定義出信號的非相干多符號檢測判決量，在加性高斯白噪聲信道下，可以計算多個碼元時間接收信號的似然函數(shù)，采取對似然函數(shù)中的相位取平均的方法消除未知參量對判決的影響，同時利用4-CPFSK信號的線性分解式替代參考的原始信號，推導(dǎo)后獲得最終的非相干多符號檢測判決量；步驟2 :多符號檢測接收機中三個前端匹配濾波器的設(shè)計，首先將四進(jìn)制的信息{±1， ±3}表示為兩個二進(jìn)制信息{±1}，完成兩個二進(jìn)制信息對應(yīng)的信號分量線性分解的幅度調(diào)制脈沖波形，然后將這些分解的實波形按照規(guī)則組合在一起，最終獲得4-CPFSK的線性分解實波形；步驟3 :將基帶接收信號通過濾波器匹配濾波，將時間點采樣值輸入到維特比運算部件，選取判決量最大的信息序列作為輸出結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種適用于DMR數(shù)字集群通信系統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)，其特征是(1)本發(fā)明采用的非相干多符號檢測算法一次觀察多個碼元時間的接收信號提高系統(tǒng)的檢測性能；(2)根據(jù)Mengali算法，三個幅度調(diào)制脈沖已經(jīng)可以表示DMR數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)下的 4-CPFSK信號，本發(fā)明利用分解的線性信號替代原始的參考信號簡化接收機結(jié)構(gòu)，接收機由三個匹配濾波器組成；(3)在進(jìn)行判決量最大的情況選取時，隨著檢測序列的增加，檢測器需要從非常多的可能中選擇一種判決量最大的情況，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，可以選擇{an_f an_J作為狀態(tài)， a n作為輸入，畫出維特比狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，選用維特比算法簡化檢測的過程。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及一種適用于DMR數(shù)字集群通信系統(tǒng)的非相干檢測技術(shù)。首先詳細(xì)分析了傳統(tǒng)非相干檢測和現(xiàn)有多符號檢測算法存在的不足，然后根據(jù)最大似然比準(zhǔn)則，提出了一種適用于DMR標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)4-CPFSK信號的非相干多符號檢測算法，同時將分解的線性信號替代原始的參考信號簡化接收機的結(jié)構(gòu)。該算法對應(yīng)的接收機由三個前端匹配濾波器和緊隨其后的維特比運算部件構(gòu)成，有效的降低了接收機的復(fù)雜度。在進(jìn)行分支度量的計算時，利用了多個碼元時間的信息提高了判決的準(zhǔn)確性。從Matlab環(huán)境下的計算機仿真結(jié)果證明，隨著觀察窗口的增加，本發(fā)明提出的算法對4-CPFSK信號的檢測性能逐漸變好。
文檔編號H04L27/233GK102624662SQ20121010757
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者傅鴻雅, 黨小宇, 劉曉月, 李寶龍, 李文娜, 楊鵬程, 陶靜 申請人:南京航空航天大學(xué)