基于循環(huán)譜的短波數(shù)字信號波特率估計

蘆偉東

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱 150010）

基于循環(huán)譜的短波數(shù)字信號波特率估計

蘆偉東

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱 150010）

本文首先介紹了循環(huán)譜定義與特點、波特率估計原理，然后給出了采用循環(huán)譜算法估計信號波特率的流程，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，證明了循環(huán)譜算法對估計單路典型短波數(shù)字信號波特率的有效性。

循環(huán)譜；波特率；數(shù)字信號

1 引言

國家無線電監(jiān)管部門對空中短波信號的監(jiān)測屬于非協(xié)作通信，在日常的短波常規(guī)監(jiān)測過程中，經(jīng)常截收到完全未知參數(shù)的數(shù)字信號，因此，對數(shù)字信號進行調(diào)制參數(shù)估計成為日常監(jiān)測中的重點工作。通過數(shù)字信號處理，估計調(diào)制方式、調(diào)制進制、載波頻率和波特率等調(diào)制參數(shù)。其中，波特率的準(zhǔn)確估計對于識別調(diào)制方式和信號解調(diào)都具有重要意義。

2 循環(huán)譜分析

2.1 循環(huán)譜定義

對于一個在時間上連續(xù)的二階隨機過程{x(t);t∈(-∞,+∞)}，如果信號的自相關(guān)函數(shù)具有周期特性，則可以通過Fourier變換求得信號的循環(huán)譜相關(guān)函數(shù)，即

式中，α稱為循環(huán)頻率；［－T，T］為感興趣的時間段。對循環(huán)譜相關(guān)函數(shù)求Fourier變換即可得到循環(huán)譜密度函數(shù)，即

當(dāng)α＝0時，式（1）和式（2）退化為通常的自相關(guān)函數(shù)和譜密度函數(shù)，所以循環(huán)譜相關(guān)函數(shù)和循環(huán)譜密度函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的延伸。

2.2 循環(huán)譜的特點

循環(huán)譜相關(guān)具有以下幾個特點：具有相同功率譜密度（BPSK，QPSK等）而調(diào)制類型不同的信號具有不同的譜相關(guān)函數(shù)；平穩(wěn)噪聲和干擾信號沒有譜相關(guān)特性，即譜相關(guān)函數(shù)值恒等于零；譜相關(guān)函數(shù)包含與調(diào)制信號時間參數(shù)相關(guān)聯(lián)的相位和頻率信息；信號中譜相關(guān)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，故可以利用信號中某些已知譜元素參數(shù)估計其他參數(shù)。

實際上，各種振幅鍵控、頻移鍵控和相移鍵控調(diào)制信號，都具有循環(huán)平穩(wěn)特性，即循環(huán)譜相關(guān)（簡稱譜相關(guān)）。通過對解析信號進行譜相關(guān)處理，可以使信號的特征更加明顯，再利用譜相關(guān)的特點，可以有效的估計數(shù)字信號的調(diào)制參數(shù)。

2.3 循環(huán)譜估計波特率的原理

數(shù)字信號的基本調(diào)制方式包括：ASK（幅度鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控）。在短波頻段，ASK信號主要以MORSE（OOK）信號形式出現(xiàn)，可以直接測量短音頻譜的脈寬來估計波特率。下面，我們以MPSK信號為例，說明采用循環(huán)譜估計信號波特率的原理。

由式（3）可以看出，MPSK信號循環(huán)譜在載頻處的頻譜截面，僅在α＝0或±1/Tb三處存在非零值α＝0時為第一峰值，α＝±1/Tb時為次峰值。因為平穩(wěn)噪聲并不具備循環(huán)平穩(wěn)特性，其循環(huán)譜只在α＝0時出現(xiàn)非零值。所以，我們可以通過查找循環(huán)譜截面上循環(huán)頻率α＞0，且譜線最高的循環(huán)頻率值來估計MPSK信號的波特率。同理，對FSK信號，也得到了同樣的結(jié)論，表達式為

3 波特率估計流程

波特率估計流程包括輸入信號、變換為解析信號、信號預(yù)處理、譜相關(guān)分析和估計波特率值五個步驟。如圖1所示。

圖1 波特率估計流程

首先要將輸入信號變換為解析信號，這主要是因為解析信號的特征參數(shù)更加明顯；然后進行信號預(yù)處理，包括濾波和頻譜搬移，去除干擾、噪聲的影響。對信號進行譜相關(guān)分析，通過查找次峰值譜線的頻率，估計信號的波特率。

在日常監(jiān)測過程中，由于截收的信號量比較大，通常是先將數(shù)字信號進行錄音，然后再集中進行分析。如果對信號聲音特別敏感，可以通過聲音來大致區(qū)分信號類型，再掌握一些常見的典型短波數(shù)字通信體制，對常見數(shù)字信號的參數(shù)做到心中有數(shù)，對于正確盲估計信號的波特率具有一定的指導(dǎo)作用，可以保證不會出現(xiàn)太大的估計誤差。

4 典型短波數(shù)字信號波特率估計

對四種典型的短波數(shù)字信號進行波特率估計，其中PACTOR-III為多路信號。

4.1 PSK-31

圖2 PSK-31循環(huán)譜

1998年12月，PSK-31由英國業(yè)余無線電愛好者Peter Martinez發(fā)明并引入業(yè)余無線電數(shù)字通信領(lǐng)域。PSK-31的波特率為31.25Baud，是一種廣泛應(yīng)用于短波業(yè)余無線電頻段的數(shù)字通信體制。這種通信方式可以通過占用極窄的帶寬、較低的發(fā)射功率，實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)傳輸，尤其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中可以保持穩(wěn)定、可靠的通信。下面采用循環(huán)譜估計PSK-31的波特率，如圖2所示。該信號的波特率估計值為31.08Baud，與真實值31.25相差0.17Baud。

4.2 PACTOR-III

PACTOR-III是目前世界短波頻段最具專業(yè)水準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信方式之一，從簡單的任意語言的文字對話，到更先進的任意文件傳輸，PACTOR-III都可以通過極窄的帶寬來滿足用戶的要求。由于采用了現(xiàn)代控制理論的連接技術(shù)，其可以建立連接的最低信噪比已達-20dB，這個數(shù)字意味著人耳已經(jīng)完全聽不到信號的存在了，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。PACTOR-III的調(diào)制參數(shù)為：波特率100Baud，2、6、14、16、18路DBPSK和DQPSK調(diào)制信號，載波間隔120Hz。下面采用循環(huán)譜估計波特率，如圖3所示。在α＞0的部分，沒有看到明顯的次峰值。再看一下PACTOR-III信號頻譜圖，如圖4所示，很明顯，它是一個多路信號。

圖3 PATOR-III循環(huán)譜

圖4 PACTOR-III頻譜圖

4.3 SITOR

SITOR是水上移動業(yè)務(wù)中使用的窄帶直接打印無線電報系統(tǒng)，共包括SITOR-A和SITOR-B兩種子通信體制，其中，SITOR-A用于點對點鏈路，SITOR-B用于廣播鏈路。SITOR信號的主要參數(shù)為：波特率100Baud、FSK調(diào)制方式、頻率間隔170Hz。下面采用循環(huán)譜估計其波特率，如圖5所示。波特率估計值為96.28Baud。

圖5 SITOR循環(huán)譜

4.4 CHU

CHU是加拿大國家授時臺，位于安大略省渥太華市，隸屬于加拿大國家研究委員會。1923年開始廣播，主要覆蓋北美洲，在3330、7850、14670kHz短波頻率提供世界時（UT1）和協(xié)調(diào)世界時（UTC）的時間信號服務(wù)。它的主要參數(shù)為：波特率300Baud，F(xiàn)SK調(diào)制方式，頻率間隔200Hz。還是采用循環(huán)譜估計其波特率，如圖6所示，該CHU信號的波特率估計值為300.25Baud。

圖6 CHU循環(huán)譜

4.5 結(jié)果分析

通過以上采用循環(huán)譜對四種典型的短波數(shù)字信號進行波特率估計，可以看出循環(huán)譜無法估計多路信號的波特率，但是可以比較準(zhǔn)確地估計單路信號的波特率。實驗結(jié)果證明了循環(huán)譜估計單路FSK，PSK信號波特率的有效性。另外，波特率估計都會存在一定的誤差，但只要不影響調(diào)制方式識別和解調(diào)就可以了。

5 結(jié)束語

短波數(shù)字信號是目前短波頻段內(nèi)常見的通信形式，對其監(jiān)管也成為無線電監(jiān)管部門的一項重要工作。本文給出了基于循環(huán)譜估計短波數(shù)字信號波特率的流程，并結(jié)合實驗結(jié)果，證明了循環(huán)譜估計單路數(shù)字信號波特率的有效性。對于多路數(shù)字信號的波特率估計，尚需要進一步研究。

[1] 謝然，張效義等．一種基于循環(huán)譜的MPSK信號符號速率估計方法[J]．成都：計算機應(yīng)用研究，2011

[2] 紀(jì)勇，徐佩霞．基于小波變換的數(shù)字信號符號率估計[J]．廣州：電路與系統(tǒng)學(xué)報，2003

Symbol Rate Estimation of Shortwave Digital Signal Based on Cyclic Spectrum

Lu Weidong
(State Radio Monitoring Center Harbin Monitoring Station, Harbin, 150010)

This paper firstly introduces the definition and characteristics of cyclic spectrum, and the symbol rate estimation principle. It provides a symbol rate estimation algorithm based on cyclic spectrum. According to the experimental data, proved effectiveness of symbol rate estimation of shortwave digital single channel signal based on cyclic spectrum.

cyclic spectrum; symbol rate; digital signal

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.05.011

TN92 文獻標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）05-0038-04

蘆偉東，男，本科，工程師，現(xiàn)任職于國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，主要研究方向為無線電監(jiān)測、測向。